Диффузионные горелки
Диффузионные горелки (со смешением целиком в пределах топки) получили сравнительно ограниченное применение в промышленности, хотя они обладают некоторыми неоспоримыми достоинствами, а в отдельных случаях совершенно незаменимы. Например, в высокотемпературных печах (мартеновских, стекловаренных) при подогреве воздуха до температур, значительно превышающих температуру самовоспламенения газа, предварительное смешение газа с воздухом неосуществимо.
Преимуществами диффузионных горелок являются отсутствие опасности проскока пламени, возможность работы без дутья и при низком давлении газа, высокая степень черноты факела, простота конструкции. К недостаткам относятся: необходимость некоторого повышения коэффициента избытка воздуха по сравнению с кинетическими горелками, более низкие тепловые напряжения топочного объема и ухудшение условий догорания газа в хвостовой части факела.
Обычно диффузионные горелки при сжигании природных и попутных газов дают сажистый светящийся факел, однако, как было указано в главе V, при диффузионном горении также может быть получен несветящийся факел за счет значительной интенсификации турбулентного перемешивания газа с воздухом путем увеличения скорости истечения газа и уменьшения диаметров струек.
У некоторых теплотехников, занимающихся вопросами сжигания природных газов, существует предубеждение против диффузионных горелок. Приходится встречаться с утверждениями, что наличие светящегося сажистого факела свидетельствует о неполноте горения, тогда как кинетическая горелка, дающая прозрачный или несветящийся факел, обязательно обеспечивает хорошее полное сгорание газа. Следует со всей категоричностью заметить, что такое представление совершенно неверно. Многочисленные опытные данные показывают, что при организации диффузионного сжигания газа в светящемся сажистом факеле (так же, как и при сжигании мазута) можно обеспечить технически полное сгорание при очень небольших коэффициентах избытка воздуха, не превышающих 1,10-1,15, в ряде случаев даже 1,05. В то же время кинетические горелки иногда работают с очень большим химическим недожогом, несмотря на видимое благополучие процесса сгорания. Неудовлетворительные показатели процесса горения могут быть при применении любых горелок, если в целом задача сжигания газа в конкретной промышленной установке решена неправильно.
Достоинством пламенного процесса является то, что при нарушениях полноты сгорания и появлении в продуктах сгорания СО и других продуктов неполного сгорания наблюдаются копоть и дымление. Хотя количество углерода, образующего копоть, ничтожно мало, дымление является надежным визуальным показателем качества процесса горения. Следует заметить, что при кинетическом сжигании газа кажущееся на первый взгляд совершенство процесса иногда скрывает за собой большое количество продуктов неполного сгорания, так как горелки с полным и частичным предварительным смешением почти никогда не дают дыма. В печах это видно при догорании в атмосфере выбивающихся из печи газов.
Тепловые напряжения при диффузионном сгорании, как было указано, могут быть достаточно высокими. В топках котлов эта величина обычно лежит в пределах 300-500 квт/м3 и сильно зависит от давления газа, конструкции горелок и их размещения.
Большинство промышленные диффузионные горелки располагаются на фронтовой или боковой стенках топки или печи, хотя в последнее время получили большое распространение так называемые подовые горелки, размещаемые внутри топки в нижней ее части.
Горелки фронтального типа могут работать как с принудительным дутьем, так и с подачей воздуха за счет разрежения в топке.
Фронтальные диффузионные горелки могут с успехом применяться в промышленных котлах небольшой производительности,, а именно: жаротрубных, судового типа, КРШ, ДКВ и т. п.
На рис. VI-14 показана конструкция диффузионной горелки Куйбышевского политехнического института (КПтИ). В этой горелке подача газа происходит из кольцевого пространства корпуса через 16 или 32 сопловые щели, расположенные под углом к радиусу и оси горелки. Воздух в количестве примерно 50% подводится через внутренний патрубок, остальной воздух в количестве 55-65% от теоретически необходимого поступает через; внешние окна регистра. Оба потока воздуха имеют независимую - регулировку. Нормальное поступление воздуха обеспечивается разрежением в топке от 2 до 6 мм вод. ст. в зависимости от производительности горелки.
Многоструйный вход газа под углом к оси горелки приводит к закручиванию потока и хорошему перемешиванию. При сжигании природных газов среднего давления факел получается сравнительно коротким, с умеренной светимостью. При сжигании жирных (пойутных) газов и низком его давлении горелка дает сажистый факел сильной светимости, более развитый в длину. Выбирая надлежащее давление газа, число, размеры и угол наклона сопловых отверстий в этих горелках, можно в очень широких пределах влиять на геометрические и тепловые характеристики факела.
В описываемых горелках имеется возможность изменения суммарного сечения сопловых отверстий при установке горелки, что- позволяет настраивать их для сжигания газа с теплотой сгорания от 25 до 50 Мдж/м3 при различных его давлениях (низком или1 среднем) в пределах выбранной категории. Предел производительности каждой горелки может меняться в 1,3-1,5 раза за счет монтажного перемещения среднего патрубка.
Недостатком диффузионных бездутьевых горелок является требование устойчивого разрежения в топке, что сужает область их применения, особенно для промышленных печей. Кроме того, следует иметь в виду, что для сжигания попутных газов со значительным содержанием высокомолекулярных углеводородов эти горелки можно применять только при среднем давлении газа, особенно при высоких степенях экранирования топки.
Рис. VI-14. Диффузионная горелка КПтИ, работающая без вентиляторного дутья.
Горелки КПтИ рассчитаны только на ручное регулирование соотношения газа и воздуха, что также является их недостатком.
На рис. VI-15 показана щелевая диффузионная горелка конструкции Ленгипроинжпроекта, работающая с вентиляторным дутьем. Горелка состоит из двух вертикальных труб, имеющих ряды огневых отверстий малого диаметра. Газ из этих отверстий и воздух, проходящий через просвет между горелочными трубами, поступают в вертикальный щелевой канал, где происходит смесеобразование и одновременно начинается горение. Горелка может работать как при низком, так и при среднем давлениях газа. Горелки такого типа с успехом применяются для экранированных промышленных котлов, в частности котлов ДКВР. Небольшая ширина горелочной щели в обмуровке котла (80 мм) позволяет располагать их вертикально на боковых экранированных стенках с небольшим разводом экранных труб или вырезкой одной трубы для каждой горелки (рис. Х-5).
Диффузионные горелки (щелевые) можно располагать не только на стенах топки, но и на поду, причем такое расположение не усложняет обслуживание газовых горелок и имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с настенным.
Подовая горелка представляет собой газораспределительную трубу (или несколько труб) с рядами отверстий, устанавливаемую на колосниковой решетке или поду топки в щелевом канале из огнеупорного материала, через который в топку поступает воздух. Горение струек газа, истекающих из; отверстий в трубе, начинается в огнеупорном канале и заканчивается в топочном объеме.
Малое аэродинамическое сопротивление горелок позволяет во многих случаях работать без принудительного дутья. При правильной конструкции горелки можно обеспечить полное сжигание газа в коротком факеле с малым избытком воздуха.
Как показывают проведенные исследования и опыт эксплуатации, в лучших образцах подовых горелок весьма простой конструкции химический недожог может быть сведен практически к нулю при избытке воздуха в топке а = 1,05 ÷ 1,10.
Перечисленные положительные качества, особенно возможность перевода топок на газ с минимальными переделками, привели в последнее время к быстрому и широкому распространению подовых горелок в отопительных и промышленных котлах.
Размещение горелочных труб в щелевых каналах и схемы газовых струй показаны на рис. VI-16.
