Газовые горелки

Сжигание газового топлива проводится с использованием специальных устройств — горелок. Кстати, без них тоже можно. Если из трубы подать газ низкого давления и поджечь — он будет гореть. Но факел будет желтым, что свидетельствует о неполном сгорании топлива, пламя будет неустойчивым и нерегулируемым.

Горелки позволяют обеспечить «правильное» сжигание газа. Процесс горения газового топлива состоит из смешения газа и воздуха, нагрева смеси до температуры воспламенения, зажигания и собственно реакции горения. Поэтому горелки выполняют несколько функций: 

• подают газ и воздух к фронту горения; 

• при этом перемешивают газ и воздух; 

• обеспечивают устойчивость пламени; 

• позволяют регулировать процесс сжигания топлива. 

Немного теории

Горение природного газа представляет собой химическую реакцию между компонентами топлива и кислородом воздуха. Природный газ — смесь различных углеводородных газов, основным из которых является метан СН₄. В западносибирских месторождениях его содержится до 98-99 %. Еще есть немного этана и самая малость пропана и бутана. Конечно, не все природные газы имеют практически однокомпонентный состав. В месторождениях юга России (Оренбургская, Астраханская области) много сероводорода, который перед подачей в газопроводы обязательно извлекают.

Конечными продуктами полного сгорания углеводородов являются углекислый газ и вода. Для полного сгорания 1 м³ метана теоретически необходимо 9,52 м³ воздуха. Однако если подавать только теоретически необходимое количество воздуха, то добиться полного сгорания топлива невозможно: нельзя так идеально перемешать горючий газ с воздухом, чтобы к каждой его молекуле было подведено необходимое количество молекул кислорода.

Рис.1 Коэффициент избытка воздуха

На практике на горение подается воздуха больше, чем установлено теорией. Коэффициент избытка воздуха α показывает отношение количества воздуха V_ф, фактически израсходованного на горение, к теоретически необходимому количеству V_т (рис.1). У современных горелок с полным предварительным смешением газа с воздухом коэффициент α лежит в пределах 1,05÷1,1, то есть на горение расходуется воздуха на 5 – 10% больше теоретически необходимого.

Методы сжигания газа

В зависимости от того, как происходит образование горючей смеси, существуют три метода сжигания газа:

• диффузионный ― без предварительного перемешивания газа и воздуха;

• диффузионно-кинетический ― с неполным предварительным смешением газа и воздуха;

• кинетический ― с полным предварительным смешением газа с воздухом.

Рис.2 Пламя диффузионной горелки

При диффузионном способе газ и воздух подаются в зону горения раздельно, они смешиваются в топке котла. Горение происходит медленно, факел удлиняется и ярко светится (рис.2). Кстати, цвет пламени придает горящий углерод. Факелы с повышенной светимостью требуются в стекловаренных, мартеновских и других промышленных печах. Диффузионные горелки мало чувствительны к изменению давления газа, но требуют значительного объема топки для завершения процесса горения. Для сжигания газов с высокой теплотой сгорания, требующих большого количества воздуха, применяются нечасто.

Рис.3 Пламя атмосферной горелки

При диффузионно-кинетическом сжигании к фронту горения поступает частично подготовленная смесь газа с воздухом. В ней содержится только часть воздуха, необходимого для горения. Он именуется первичным. Остальной воздух, который называют вторичным, поступает к факелу за счет диффузии из окружающей среды. Пламя представляет собой короткий факел голубовато-фиолетового цвета (рис.3). Диффузионно-кинетический метод сжигания используется в инжекционных горелках низкого давления, применяемых прежде всего на бытовом газоиспользующем оборудовании — плитах, колонках, котлах. В Европе такие горелки именуются атмосферными.

Рис.4 Факел промышленной горелки

При кинетическом сжигании весь воздух для горения поступает к фронту пламени через горелку. Газовоздушная смесь полностью подготовлена, в ней содержится не только теоретически необходимое, но и небольшое избыточное количество воздуха, что обеспечивает полное сгорание газа. Газ сгорает в коротком слабосветящемся факеле (рис.4). Обязательно наличие стабилизатора горения. Такие горелки называют горелками полного предварительного смешения газа и воздуха, их работа на газе низкого давления возможна при использовании вентилятора для подачи воздуха на горение. Их еще именуют двухпроводными, а в Европе — вентиляторными. В горелках с принудительной подачей воздуха для лучшего смешивания газа с воздухом используют различными конструктивные приемы: закручивают воздушный поток в специальных устройствах, разбивают его на мелкие струи или подают газ под углом к потоку воздуха.

При использовании газа среднего давления можно обойтись без принудительного дутья. Весь воздух, необходимый для горения, инжектируется струей газа.

Тепловая мощность

Рис. 5 Тепловая мощность газовой горелки

Основной параметр, характеризующий горелку, ― ее тепловая мощность Q_г, равная произведению низшей теплоты сгорания газа Q_н на часовой расход V (рис.5). Она измеряется в мегаВаттах (МВт) или килокалориях в час (ккал/ч).

Рис.6 Горелка ГВ-1.Г

Мощность газовых горелок определяется выполняемой функцией. Она может быть всего 170 Вт, как у запальников бытовых колонок, или достигать десятков мегаватт у промышленных горелок, устанавливаемых на энергетических котлах тепловых электростанций. Например, газовая горелка ГВ-1.Г (рис.6) имеет мощность 50 МВт. Весит это устройство 2,2 тонны и сжигает более 5000 кубических метров газа за час.

Для горелок устанавливают три вида тепловой мощности: максимальную, минимальную и номинальную. Определение этим терминам дает ГОСТ 21204-97 «Горелки газовые промышленные. Общие технические требования». Номинальная тепловая мощность горелки соответствует режиму работы с номинальным расходом газа, при котором обеспечивается наибольший коэффициент полезного действия и наиболее полное сжигание газа. Максимальная тепловая мощность достигается при длительной работе горелки с наибольшим возможным расходом газа и без отрыва пламени. Минимальная тепловая мощность соответствует устойчивой работе горелки при наименьших расходах газа без проскока пламени.

Диапазон устойчивой работы горелки

Диапазон устойчивой работы горелки характеризует пределы ее надежной эксплуатации при изменении давления газа, что ведет к изменению количества сжигаемого газа, а, значит, и тепловой мощности горелки. Такое изменение возможно в определенных пределах, которые ограничены возможностью отрыва или проскока пламени. Различают три вида давления газа перед горелкой: номинальное Р_ном, максимальное Р_мах, минимальное Р_мin. Под номинальным понимают такое давление газа, на которое рассчитана работа горелки. Под максимальным и минимальным понимают такие давления, в диапазоне которых горелка работает устойчиво. Горелки должны сжигать газ без отрыва и проскока пламени в пределах расчетного диапазона регулирования тепловой мощности, от минимального и до максимального.

Диапазон устойчивой работы горелки ― это отношение минимальной тепловой мощности горелки Q_{г min} к максимальной Q_{г mах} (рис.7).

Рис.7 Диапазон устойчивой работы горелки

Диапазон устойчивой работы инжекционных горелок составляет 1:3, горелок с принудительной подачей воздуха - 1:5.

 Автор статьи: Вершилович Владислав Адамович

- Место работы - ООО «Газпром газораспределение Нижний Новгород»

- Автор популярных книг и учебных пособий по устройству и эксплуатации газового оборудования

Пройдите курсы по промышленной безопасности
И получите удостоверение

Подробности здесь