Применение газа в качестве топлива исключительно выгодно, так как затраты на его добычу и доставку невелики по сравнению с затратами на другие виды топлива. Если в пересчете на условное топливо стоимость угля принять за 100 %,то для мазута она составит 29%,а для газа лишь 10%.Но даже при этих условиях возникает задача огромной важности экономить голубое топливо, причем не только проценты, но и доли процентов сжигаемого газа.
Газовая горелка способствует преобразованию химической энергии газа в тепловую. При этом назначение горелки сводится не только к полному сжиганию газа, но и к организации факела , отвечающего требованиям технологического процесса в промышленной установке(длина факела, температура и тепловыделения по длине факела, излучательная способность факела и др.).
Экономичное сжигание газа требует совершенствования газовых горелок всех конструкций , но в первую очередь наиболее распространенных типов высокопроизводительных горелок с принудительной подачей воздуха.
Существующие газогорелочные устройства, сконструированные на основе практического опыта без теоретического обоснования, в большин-стве случаев работают на режиме, характеризующемся неоднородностью среды из-за неравномерного распределения газа по сечению воздушного потока в горелке и в факеле. Это в ряде случаев приводит не только к потерям тепла от недожога даже при повышенных избытках воздуха в камере горения, но и к повреждению поверхностей нагрева труб вследствие газовой коррозии их при сжигании высокосернистых газов. Предупреждение и устранение этих отрицательных явлений может быть достигнуто лишь на основе изучения процессов, протекающих в различных горелках, создания и внедрения в практику научно обоснованного инженерного метода расчета и конструирования горелочных устройств, обеспечивающих полное сжигание газа при малых избытках воздуха.
Горение газов
Организация топочных процессов состоит в том, чтобы предельно использовать теплоту сгорания газа и получить наибольшее тепловыделение в топке, при обеспечении всех ее расчетных показателей. Иногда накладываются еще дополнительные условия по характеру тепловыделения в факеле: в одних случаях требуется короткое , а в других — длинное пламя. На процесс горения газа в факеле, особенно на полноту его сжигания , влияют внутренние условия (определяющиеся соотношением количеств и скоростей газа и воздуха, процессами взаимодействия потоков разных размеров в горелке и в факеле, начальными температурами обоих компонентов (температурной смеси), исходным составом газа и др.) и внешние условия (определяющиеся условиями зажигания ( подводом тепла к корню факела), габаритами камеры горения, температурой в камере горения, теплоотводом от факела и др.) Для успешного сжигания газа должны быть обеспечены необходимые внутренние и внешние условия.
Теоретический расчет основных параметров горения газового фонтана
... факелом. Особенности горения газовых струй. Условия стабилизации и срыва пламени Условия горения газовых фонтанов удобнее рассмотреть на примере газовых струй. В реальных условиях такие струи являются турбулентными. При воспламенении струи газа, ... увеличении концентрации горючего в смеси, когда а становится < 1, воздух находится в недостатке, и горючее сгорает не полностью, а частично. Поэтому ...
Если внутренние условия для завершения полноты сжигания газа обеспечены, а внешние нет, например факел пламени в камере горения касается холодных поверхностей, то последние покрываются налетом, представляющем собой потери топлива в виде несгоревшего углерода.
Внутренние условия являются основными для организации и завершения процесса горения газа. Степень совершенства горения устанавливается анализом продуктов сгорания. При полном сжигании топлива, горючие составляющие в продуктах сгорания не обнаруживаются, при неполном — выявляется окись углерода, а при определенных условиях — и составляющие исходного горючего газа.
Удельное тепловыделение достигает своего предела при полном сгорании и коэффициенте избытка воздуха , равном единице. Как при меньшем, так и при большем его значении уменьшается выделение тепла.
На практике процесс горения газообразного топлива происходит в устройствах поточного типа (топки котлов , печи, различные камеры горения и т.д.), отличающихся весьма сложными аэродинамическими характеристиками. При высоких температурах и концентрациях , которые обычно обеспечиваются в таких устройствах, при достаточной активности составляющих горючей смеси химическая реакция протекает со столь значительной скоростью, что процессы смесеобразования отстают по скорости протекания от химической реакции горения и тем самым тормозят процесс сжигания.
В общем случае полное время сгорания складывается из времени, необходимого для возникновения физического контакта между окислителем и горючим, времени нагрева горючей смеси до температуры воспламенения и времени протекания самой химической реакции. В случае газообразного состояния горючего и окислителя, время их контакта называется временем смесеобразования. Если это время несоизмеримо больше времени, необходимого для прогрева и протекания химической реакции, то практически время сгорания приблизительно равно времени смесеобразования. Это означает, что процесс протекает в диффузионной области. Примером такого процесса является горение газообразного топлива, вводимого в топку не перемешанным с окислителем. В этом случае время смешения значительно превышает скорость химической реакции. Обычно при смесях с большим удельным тепловыделением (к которым вполне можно отнести природные газы) в топочной камере удается поддерживать достаточно высокую температуру процесса, при которой химическая реакция протекает практически мгновенно.
Если время смесеобразования и времени на прогрев смеси, наоборот, оказываются несоизмеримо меньшими времени, необходимого для протекания химической реакции, то практически время нагрева горючей смеси до температуры воспламенения практически равно времени протекания самой химической реакции. Это означает , что процесс протекает в кинетической области. Примером такого процесса является введение в топку заранее приготовленной гомогенной горючей смеси (смеси газообразного топлива с газообразным окислителем) при температуре , близкой к температуре воспламенения.
Смесеобразование в дизеле
... воспламенения. В дальнейшем смесеобразование остальной части топлива значительно ускоряется, т.к. оно протекает в условиях начавшегося процесса горения при более высоких температурах и давлениях. Качество горючей смеси значительно определяется скоростью перемешивания топлива с воздухом. ...
Следовательно организация процессов сжигания топлива в воздушном потоке может основываться на двух различных принципах :
кинетическом и диффузионном.
Принципы работы газогорелочных устройств
В случае применения кинетического принципа предварительно создается однородная (гомогенная) смесь топлива и воздуха, которая вводится в готовом виде в топочное устройство. Отличительной особенностью приготовленной таким способом горючей смеси является однородность и постоянство всех ее основных характеристик. Горение протекает в однородной среде при постоянном избытке воздуха и с постоянной теплопроизводительносью.
В стационарных процессах предварительное образование однородной горючей смеси получило широкое распространение при сжигании газа в печах и котлах небольшой производительности. Горелочные устройства , в которых происходит сжигание таких газовоздушных смесей, носят название горелки предварительного смешения или беспламенные.
При диффузионном сжигании создают такие условия для протекания процесса, при которых смесь сгорает медленно по мере ее образования , т.е. при соприкосновении топлива и окислителя в соответствующих количественных соотношениях. Поскольку при высоких температурах развиваемого очага горения скорость химической реакции значительно больше скорости смесеобразования, то фактическая скорость сгорания топлива равна скорости смесеобразования. Такой метод сжигания топлива получил широкое распространение при сжигании газа в котлах и печах.Интенсивность смесеобразования в горелке и факеле регулирует процесс сжигания газа в диффузионной области. Эта регулировка может быть подразделена на установочную и эксплуатационную.
Кроме рассмотренных выше двух принципов существует еще смешанный принцип сжигания. Горелки , работающие по смешанному принципу, где газ предварительно смешивается лишь с частью воздуха, широко распространенны в топочно-печной технике.
При некоторых условиях недостаточного смесеобразования в горелке и в факеле может создаться такое положение, когда процесс нагрева горючего будет идти параллельно с процессом его смешения с воздухом, а иногда и опережать процесс смешения. При этом оказывается, что огневой процесс развивается различно в зависимости от того, каково отношение горючего газа к нагреву без доступа воздуха. По этому признаку горючие газы можно подразделить на две группы- теплоустойчивые ( которые не претерпевают каких либо химических изменений при нагревании в широком диапазоне температур. К таким газам относятся , например , водород и окись углерода, которые сохраняют свою молекулярную структуру до температуры примерно 2500-3000° С и лишь при этих температурах начинают распадаться на атомарный водород, углерод и кислород.) и теплонеустойчивые (такие газы, которые легко разлагаются при сравнительно небольшом нагревании без доступа воздуха. К таким газам принадлежат все легкие углеводороды и в первую очередь их наиболее характерный представитель- метан, который начинает разлагаться при температуре около 300°С. При температуре порядка 900°С метан без доступа воздуха распадается на атомарный углерод и водород)
Классификация газогорелочных устройств
... сжигания газа все горелки можно разделить на три группы: без предварительного смешения газа с воздухом - диффузионные; с неполным предварительным смешением газа с воздухом - диффузионно-кинетические; с полным предварительным смешением газа с воздухом - кинетические. Кроме того, горелки можно ...
Перечисленные требования к газогорелочным устройствам позволили сформулировать общие исходные принципиальные позиции (принципы), которые желательно положить в основу разработки метода расчета газовых горелок.
В основном их можно свести к следующим:
1) Метод должен быть единым для расчета всех типов горелочных устройств с принудительной подачей воздуха, сжигающих любые горючие газы;
2) Метод расчета должен быть основан на едином процессе, характерном для всех типов горелочных устройств, сжигающих в распыленном состоянии жидкие, твердые и газообразные топлива;
3) Желательно, чтобы создаваемый метод был основан на расчете процесса , происходящего в горелке и определяющего все последующие процессы перемешивания горючих с окислителем, включая процесс собственно сжигания газа в факеле;
4) Метод расчета должен быть предельно простым для практического использования широкими кругами технических специалистов и в то же время научно обоснованным;
5) Метод расчета должен быть устойчивым во времени с тем, чтобы естественный ход развития науки и техники позволял его совершенствовать и уточнять, но не заменять или отменять.
Возникает вопрос можно ли найти или есть ли принцип, характерный для работы горелочных устройств, сжигающих различные газообразные топлива? Тем более неясно, есть ли вообще возможность создать метод расчета общий для всех типов горелочных устройств, сжигающих жидкие, твердые и газообразные топлива. Это возможно лишь при условии , что главный принцип , положенный в основу работы горелочных устройств, соответствует физической сущности процессов, определяющих смесеобразование в горелке, факеле и горение топлив любого типа.
Газогорелочные устройства
Газовая горелка способствует преобразованию химической энергии газа в тепловую. При этом назначение горелки сводится не только к полному сжиганию газа, но и к организации факела , отвечающего требованиям технологического процесса в промышленной установке(длина факела, температура и тепловыделения по длине факела, излучательная способность факела и др.)
До сих пор еще не установлена единая классификация горелочных устройств. Их можно классифицировать по различным признакам, например по теплоте сгорания газа, теплопроизводительности, давлению газа, давлению воздуха, длине пламени, способам подачи горючего и окислителя, эффективности теплоотдачи факела пламени, целям применения, месту организации смешения газа с воздухом, закрученному или прямопоточному потоку воздуха и газа, методу смешения газа с воздухом — вот далеко не полный перечень этих признаков.
Более правильная классификация газогорелочных устройств будет по таким определяющим характеристикам, которые могут бытьположены в основу физической сущности протекающих процессов и использованы для их расчетов. Внутриэтой классификации горелки можно подразделять еще по отдельным признакам, например давлению газа, характеру факела, длине пламени, конструктивному оформлению и др.
Такими определяющими характеристиками газогорелочных устройств, лежащими в основе физической сущности их работы, являются относитель -ное количество первичного воздуха и процесс смешения газа с первичным воздухом. Воздух, подаваемый в газовые горелки, называется первичным, а поступающий для горения из топочного пространства — вторичным ( в пылевых горелках под вторичным воздухом подразумевается оановное количество воздуха, подаваемого через горелку для сжигания топлива) .
Литература по реферату одоризации газа
... горелки обеспечивают горение газа, близкое к кинетическому, и имеют в топке короткое пламя с высокой температурой. Для получения более Длинного пламени применяют внешнее смешение газа с воздухом, иногда переносимое в топочное устройство. ... газ должен обнаруживаться по запаху при его содержании в воздухе не более 20% от нижнего предела взрываемости. Исходя из этого требования, процесс одоризации ...
Отметим наиболее характерные способы смешения газа с первичнымттвоздухом в различных его количествах.
1. Газ подается в камеру сгорания без примеси первичного воздуха, а смешивается за счет диффузии с подсасываемым вторичным воздухом в факеле пламени (?=0).
2. Газ, смешанный с частью эжектируемого(первичного) воздуха подается в камеру горения, а остальная часть ( в виде вторичного воздуха) подводится к горелке за счет диффузии у амбразуры;
завершения смешения газа с воздухом производится в факеле пламени (? ? 1)
3. Газ со всем эжектируемым воздухом, необходимым для горения, подается через горелку, и процесс смешения успевает завершиться еще до выхода горючей смеси из амбразуры в топку (? ? 0)
4. Газ со всем принудительно поданным в горелку воздухом, необходимым для горения, не успевает полностью перемешаться до выхода из амбразуры, а смешение продолжается в факеле (? ? 1)
В соответствии с этим горелки можно классифицировать на четыре основных типа с подгруппами в каждом из них.
1.Горелки диффузионного типа низкого и среднего давлений
2. Горелки атмосферного типа
3. Горелки эжекционные среднего и высокого давлений
4. Горелки с принудительной подачей воздуха комбинированные и газовые низкого и среднего давлений
В горелках первых трех типов воздух поступает под действием разрежения, созданного газовыми струями и тягой в камере горения. В горелках четвертого типа весь воздух, участвующий в горении,подается принудительно.
Горелки третьего и четвертого типов могут иметь одинаковое количество первичного воздуха, но они принципиально различаются процессамисмешения воздуха с газом. В горелках третьего типа имеется полное предварительное смешение. В горелках четвертого типа процесс смешения чаще всего только начинается, а развивается в объеме камеры горения. В специальных случаях процесс смешения может завершиться в горелке.
Приведенная классификация горелочных устройств позволяет разделить по характерным признакам все многообразие конструкций на четыре основных типа.Это существенно упрощает рассмотрение различных горелок, облегчает анализ их работы и разработку метода расчета.
Газовые горелки подразделяются на следующие разновидности :
- диффузные горелки (особенность этих горелок в образовании горюей смеси за счет медленного процесса молекулярной диффузии , возникающей от подсасывающего действия газовой струи.
— атмосферные горелки ( или эжекционные горелки низкогодавления газа с частиным предварительным смешением, где первичный воздух подсасыва -ется в горелку за счет эжектирующего действия газовой струи , а вторичный воздух ,необходимый для полного сжигания газа, поступает к факелам пламени из окружающего пространства за счет эжектирующего действия самого факела и за сет разрежения в топке.
- эжекционные горелки (горелки среднего и высокого давлений чаще всего являются горелками полного смешения.
- эжекционные газовихревые горелки
- горелки с принудительной подачей воздуха ( по принятой классификации эти горелки относятся к четвертому типу ) которые подразделяются на :
а) газовые горелки
Виды газовых горелок
... предварительным смешением, атмосферные, специальные, рекуперативные, регенеративные, автоматические, запальные и турбинные. Помимо приведенных в реферате типов горелок существует еще множество классов и подклассов газовых горелок, в зависимости от отрасли применения горелки. Газовые горелки применяют ...
б) турбинные горелки
в) подовые горелки
- газомазутные горелки
Устройство газовых горелок
Газовые горелки всех типов имеют общие элементы:
- сопло(сопла), которое предназначено для подачи определенного количества газа , а иногда воздуха с определенной скоростью в сместитель- ную часть горелки
- сместитель ,который предназнаен для образования горючей смеси, необходимой для воспламенения факела, а также предназначены для обеспечения устойчивого процесса горения, предотвращения отрыва пламени и проскока его в смеситель.
— горелочная насадка (кратер горелки) со стабилизирующим устройством которая служит для выравнивания скорости по сечению после диффузора ,так как слой потока, прилегающий к твердой поверхности, подтормаживается и имеет сниженную скорость, в результате чего по периферии горелки возможен проскок пламени. Кратер, имеющий форму конфузора, выравнивает поле скоростей горючей смеси, что и предотвращает проскок пламени в горелку.
В зависимости от типа горелки или условий ее эксплуатации элементы принимают различное конструктивное оформление, но в основном они имеют одно и то же назначение.
Диффузионная горелка состоит из сопла (являющегося одновременно горелочной насадкой) обычно из металлической или керамической трубки со стабилизирующим устройством в виде приливов у газовыпускных отверстий. В чисто диффузионных горелках смеситель отсутствует и его заменяет объем топки. В ней и протекают паралельно смешение с образованием горючей смеси и сгорание газа.
В атмосферной эжекционной горелке , называемой иногдав обиходе однопроводной, имеются сопла, сместитель, горелочная насадка и на выходе из неестабилизирующее устройство. Сместитель состоит из входного патрубка, камеры смешения и диффузора.
Входной патрубок( конфузор-эжектор) служит напрвляющим аппаратом для эжектируемого воздуха, способствуя уменьшению гидравлических потерь при входе в камеру смешения. Потери напора от формы входного патрубка зависят сравнительно мало, поэтому патрубок можно принимать простой конической формы.
Камера смешения(горловина) служит для выравнивания скорости смешивающихся потоков перед дифузором, наибольший коэффициент полезного действия которого соответствует равномерному полю скоростей перед ним. Кроме того , в камере смешения выравниваются до некоторой степени концентрации газа и эжектируемого воздуха( при создании горючей смеси).Камере смешения целесообразно придавать цилиндриескую или слегка суживающуюся форму.
Диффузор служит для увеличения разрежения в камере смешения, способствует лушей эжекции воздуха и преобразует скоростной напор смеси в давление, необходимое для преодоления сопротивления огневой насадки. В нем происходит выравнивание полей концентраций с образованием газовоз -душной смеси. Угол раскрытия диффузора должен быть не более 9°, исходя из условий течения потока без отрыва от стен диффузора.
Основные технические характеристики горелок
Работа каждой горелки характеризуется :
— часовой пропускной способностью (часовой производительностью) газа, считают то количество газа в куб. метрах,которое подается из сопел или отверстий за один час ее работы, при соответствующем избыточном давлении газа и при условии полного его сгорания.
— тепловой нагрузкой (теплопроизводительностью), под которой понимается количество тепла ( в ккал) которое выделяется при сгорании количества газа, соответствующего ее часовой пропускной способности. Различают три теплопроизводительности горелки( минимальная, номинальная, максимальная)
Теплоемкость газов и их смесей
... не только температура, но и давление. Для определения теплоемкости смеси газов необходимо знать ее состав и значения теплоемкостей компонентов. При нагреве смеси на 1 °C каждый компонент также нагревается ... число атомов в молекуле и выше температура. Так, например, теплоемкость воздуха при 300 °C по сравнению с теплоемкостью при 0 °C увеличивается на 4%, а при 2000 ...
- удельным тепловым напряжением выходных отверстий,
- коэффициентом эжекции, называется количество первичного воздуха эжектируемого в смеситель горелки струей газа, вытекающего из сопла, характеризует эжекционную способность горелки.
- коэффициент первичного воздуха ,показывает, какая часть воздуха , теоретически необходимого для горения эжектируется в смеситель горелки.
- постоянством соотношения между газом и воздухом и др.
Заключение
Физико-химические процессы, протекающие в реальных теплотехнических агрегатах, сравнительно сложны и разнообразны, поэтому на пути достижения высоких показателей, например, работы топочных устройств , имеется много препятствий, главным образом из-за трудности сжигания твердого и жидкого топлив, являющихся основными или резервными. На специальных газовых котлах уже сейчас имеется вполне реальная возможность осуществить сжигание газа без потерь тепла от химической неполноты сгорания в топках с теплонапряжением объема на порядок выше, чем в существующих топках котельных установок.
Скорость горения газа весьма велика в результате того, что это топливо допускает наиболее совершенное — молекулярное перемешивание с окислителем. Химические реакции горения обладают цепным характером, при благоприятных условиях (высокие температуры и концентрации) скорости их достигают очень высоких значений. Газообразное топливо, перемешанное с воздухом, отличается тем преимуществом, что скорость сгорания (например, в топках котлов и высокотемпературных печах при температуре выше 1000°С) можно считать практически неограниченной. Форсировка установок может лимитироваться лишь условиями воспламенения и стабилизацией факела пламени.
Доля газа в топливном балансе страны на ближайший период времени будет возрастать. Одновременно все увеличивающееся количество газа будет использоваться в быту, химии, черной металлургии и других отраслях промышленности. Следовательно газ не только резервное, но и постоянное высококалорийное топливо для ряда крупных потребителей( печей, котлов и др.).
В настоящее время замена природным газом других, более дорогих видов топлива. Однако простая замена природным газом дорогих видов топлива- это только один и далеко не единственный путь достижения экономического эффекта. При использовании газообразного топлива в различных печах и котлах следует иметь в виду, что наибольший эффект от замены твердого топлива газом может быть получен в установках., которые до перевода на газ имели низкий коэффициент полезного действия (КПД) при большом количестве обслуживающего персонала. Если говорить о котельных, то в первую очередь это касается малой энергетики крупных городов. Такие котельные , как правило, распределенные по всем районам городов, являются источниками больших загрязнений окружающей атмосферы . При переводе на газ эти котельные, во-первых перестанут загрязнять окружающую среду, а во-вторых при правильной эксплуатации КПД установок возрастет на 85%, что позволит экономить до 20% топлива.
При решении вопроса о выборе горелок при переводе печей на газовое топливо или при разработке новых конструкций необходимо учитывать ряд одновременно действующих факторов : характер работы печи (периодическая или непрерывно действующая); размеры печи (ширина, длина и высота); технологический режим и характер факела пламени ; необходимость подогрева воздуха; пределы регулирования производительности горелок; конструкцию печи и возможные места установок горелочных устройств ( в рабочей камере или в отдельных топочных устройствах); давления газа и ряд др.
По курсу «История развития нефтегазового дела» «Горение и топливо»
... с участием кислорода, например, горение различных видов топлива в топках печей, различных горелках, двигателях внутреннего сгорания и т. д. Горелка для газовой сварки Что необходимо для ... мгновенное сгорание, сопровождающееся сильным звуком и нередко большими разрушениями. Разрушения вызываются давлением газов, образующихся при горении и занимающих во много раз больший объем, чем взрывающееся ...
Используемая литература
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/na-temu-gorelochnyie-ustroystva/
1.Газогорелочные устройства. Профессор, доктор техн наук Иванов Ю.В., изд. 2-е переработанное и дополненное. М., издательство «Недра», 1972 г.
2.Горелки кинетического типа. Профессор Л.Н.Хитрин., Ленинград. изд. «Красный печатник», 1985 г.
