Стабилизация горения
Как было показано ранее, могут иметь место два явления, резко нарушающие нормальную работу кинетической газовой горелки - проскок пламени в корпус смесителя или отрыв и погасание факела.
Мерами предупреждения проскока в заданных пределах производительности горелки являются:
- выбор достаточно высокой скорости выхода смеси из горелки при одновременном выравнивании скоростей по сечению;
- установка в выходном сечении горелки стабилизатора с сечением отверстий или щелей меньше критического.
Для предотвращения отрыва или полного срыва факела необходимо обеспечить интенсивную рециркуляцию раскаленных продуктов сгорания к корню факела. Эта рециркуляция осуществляется в результате того, что смесь направляется в туннель с резко увеличивающимся сечением или на пути смеси располагается плохо обтекаемое тело.
В горелках со стабилизаторами Ф. Ф. Казанцева такими телами являются болты, стягивающие пакет пластин. В некоторых горелках в устье располагается конус, обращенный основанием наружу. Такой конус выполняется из огнеупорного материала или чугуна с водяным охлаждением (горелки конструкции ЗИЛ). Для горелок малых производительностей для стабилизации горения факела достаточно разместить поперек выходного сечения отрезок проволоки или металлического стержня.
Рис. VI-24. Головка горелки с огневым поясом для стабилизации горения факела.
В ряде конструкций горелок применяется поджигание основного факела за счет организации вспомогательных миниатюрных факелов по окружности горелочной головки (рис. VI-24).
Горелочные туннели. Наиболее распространенными устройствами стабилизация горения факела, особенно в случае применения инжекционных кинетических горелок, являются огнеупорные туннели.
Форма огнеупорного туннеля (рис. VII-3) обеспечивает наличие постоянных зон циркуляции высоконагретых продуктов сгорания, возникающих при внезапном расширении струи в начале туннеля, и устойчивое зажигание газовоздушной смеси. Благодаря интенсивному прогреву хорошо подготовленной смеси в туннеле его объемное напряжение может достигать 15-50 Мвт/м3.
Из-за воздействия высокой температуры, развивающейся при горении, стенки туннеля подвергаются постепенному разрушению. Короткие туннели оказываются при этом более стойкими. Однако при чрезмерном укорочении туннеля ослабляется его стабилизация горения.
Туннели должны изготавливаться из высококачественного огнеупорного материала, пригодного для длительной работы при температуре 1400-1600° С и стойкого к резким изменениям ее, имеющим место при включении и выключении горелок.
Диаметр Dт туннеля принимают обычно равным от 2,4 до 2,5 диаметров выходного отверстия горелочной головки. Длина туннеля определяется из соотношения lт/Dт=2,0÷2,5.
В целях повышения стойкости туннеля его длина может быть уменьшена до 1,5 Dт, что, однако, приводит к некоторому снижению устойчивости работы горелки.
В некоторых случаях огнеупорные туннели выполняют в виде отдельных горелочных камней, изготовленных из высокоглиноземистого огнеупора, содержащих не менее 50% глинозема и прошедших специальный обжиг. При отсутствии горелочных камней материалом для стенок туннелей может служить огнеупорная масса следующего состава, %: порошок хромистого железняка-45, порошок обожженного магнезита-45, огнеупорная глина-10.
Смесь указанного состава разбавляют водой с добавлением небольшого количества жидкого стекла, после чего укладывают в качестве стенок туннеля с помощью специально изготовленного для этой цели деревянного шаблона. Для удобства извлечения шаблон делают с некоторым расширением в сторону выхода продуктов сгорания. Угол расширения шаблона принимают равным 2-3°.
В случае превышения некоторого предела производительности горелки туннель может не обеспечить надежной стабилизации горения факела. Это объясняется тем, что при чрезмерно больших скоростях выхода смеси из горелки к корню факела за счет рециркуляции раскаленных продуктов сгорания поступает тепла меньше, чем необходимо для воспламенения свежей смеси.
Размеры огнеупорного туннеля для плоскосимметричных горелок определяются также в зависимости от размеров выходного отверстия горелочной головки. Ширина входной части туннеля принимается равной ширине отверстия головки, а его высота должна быть примерно в 5-6 раз больше высоты того же отверстия. Длину туннеля находят, пользуясь приведенным выше соотношением, подставляя в него вместо диаметра Dт соответствующее значение высоты плоскосимметричпого туннеля.
Другие виды стабилизирующих устройств. При сжигании газового топлива в котельных установках часто стабилизация горения применяется наброску из огнеупорного щебня, на которую направляется струя смеси. Такой же эффект получается при установке на пути потока смеси в топке огнеупорной сплошной или решетчатой стенки. Расстояние до таких стабилизаторов не должно превышать 5-10 калибров горелки.
Помимо создания хороших условий для воспламенения смеси огнеупорные наброски и стенки являются интенсивными вторичными излучателями, увеличивая теплообмен в топке.
В промышленных печах со свободным пламенным пространством стабилизация горения успешно осуществляется при направлении потока смеси под поверхность свода или на боковую стенку.
В случае применения диффузионных горелок или горелок незавершенного смешения специальные стабилизирующие устройства горения при обязательном условии организованной подачи необходимого количества воздуха не являются необходимыми. Однако и для этих горелок нередко используют огнеупорные вторичные излучатели, улучшающие как процесс сгорания, так и теплообмен в топке (рис. Х-4).
Автор не преследовал цели описать и показать наилучшие конструкции газовых горелок. Постановка такой задачи вообще неправильна. Оценку горелки можно и нужно производить только с учетом работы и специфики той промышленной установки, для которой она предназначается.
Сделанный обзор особенностей сгорания природного газа и основных схем различных горелок должен помочь ориентироваться в огромном многообразии конструкций газогорелочных устройств, оценить их особенности и подсказать правильный выбор той или иной горелки в конкретных условиях; Конструированию горелки обязательно должен предшествовать тщательный расчет, методика которого рассмотрена в гл. VII и VIII.
Как показывает практика, причинами неудовлетворительной работы многих горелок, особенно инжекционных, является некачественное их изготовление. В связи с этим при приемке горелок особое внимание должно быть обращено на соответствие конструкции горелки проекту и качество изготовления.
