Условия полного сгорания газа в топке котла

Обновлено: 02.07.2024

Сжигание газового топлива в котлах

По надежности отпуска тепла потребителям котельные относятся:

к первой категории - котельные, являющиеся единственным источником тепла системы теплоснабжения и обеспечивающие потребителей первой категории, не имеющих индивидуальных резервных источников тепла;
ко второй категории - остальные котельные.

Потребители тепла по надежности теплоснабжения относятся:

к первой категории - потребители, нарушение теплоснабжения которых связано с опасностью для жизни людей или со значительным ущербом народному хозяйству (повреждение технологического оборудования, массовый брак продукции);
ко второй категории - остальные потребители тепла.

Классификация котлов

По характеру (виду) вырабатываемого теплоносителя: паровые, водогрейные, пароводогрейные.

По параметрам теплоносителя:

паровые котлы с рабочим давлением пара р_п более 0,7 кгс/см 2 и водогрейные с температурой нагрева воды t_в выше 115 °С являются объектами котлонадзора (Ростехнадзора России); на них распространяется действие ПБ 10-574-03 «Правил устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов» - «надзорные» котлы;
паровые котлы с рабочим давлением пара р_п не более 0,7 кгс/см 2 и водогрейные с температурой нагрева воды t_в не выше 115 °С - «не надзорные» котлы; на них распространяется действие «Правил устройства и безопасной эксплуатации паровых котлов с давлением пара не более 0,07 МПа (0,7 кгс/см 2 ), водогрейных котлов и водонагревателей с температурой нагрева воды не выше 388 К (115 °С)», утвержденных Минстроем России.

По применяемому материалу: стальные, чугунные.

По принципу теплообмена:

поверхностные (рекуперативные), в которых передача теплоты от продуктов сгорания к котловой воде происходит через разделительную стенку (поверхность нагрева);
контактные, в которых передача теплоты осуществляется при непосредственном контакте (смешении) газов и воды.

По перемещению продуктов сгорания и воды поверхностные котлы делятся:

на водотрубные, в которых котловая вода перемещается по трубам, а продукты сгорания движутся снаружи труб;
газотрубные (с жаровой трубой (топкой) и пучком дымогарных труб), в которых продукты сгорания движутся внутри труб, омываемых снаружи водой;
водотрубно-газотрубные (котел ВК-32, у которого топочная часть — водотрубная, а конвективная - газотрубная).

По организации процесса горения (способуподачи воздуха и удалению продуктов сгорания):

работающие под разрежением ; могут иметь тягу и подачу воздуха естественную или принудительную, В газовом тракте (и в топке) давление ниже атмосферного (тяга);
работающие с противодавлением (под наддувом); топка и газоходы находятся под избыточным давлением по отношению к окружающему воздуху. Подача воздуха и удаление продуктов сгорания производятся принудительно от дутьевого вентилятора.

По характеру движения котловой воды (пароводяной смеси):

с естественной циркуляцией (рисунок ниже);
с принудительной циркуляцией, когда вода движется за счет напора, создаваемого насосами:
с многократной принудительной циркуляцией (рисунок ниже; широкого распространения не получили);
прямоточные (без барабанов). По такой схеме работают крупные энергетические котлы на тепловых электрических станциях (D_п = 3950 т/ч, p_п = 255 кгс/см 2 , t_пп = 560 °С) и практически все водогрейные котлы (рисунок ниже).

Схемы циркуляции воды в паровых котлах

а - естественная; б - принудительная многократная; в - принудительная прямоточная; 1 - испарительные подъемные трубы; 2 - верхний барабан котла; 3 - пароперегреватель; 4 - опускные трубы; 5 - водяной экономайзер; 6 - питательный насос; 7 - испарительные трубы; 8 - коллекторы; 9 - побудительный циркуляционный насос

Основные технические характеристики паровых и водогрейных котлов

Расчетные параметры, характеризующие работу котла, указываются в паспорте котла, составленном изготовителем по установленной форме (прил. 4 к ПБ 10-574-03) и хранящемся у владельца в течение всего срока эксплуатации.

На каждом котле должна быть прикреплена заводская табличка с маркировкой паспортных данных, нанесенных способом, обеспечивающим четкость и долговечность изображения.

На табличке парового котла должны быть нанесены следующие данные:

наименование, товарный знак организации-изготовителя;
обозначение котла;
номер котла по системе нумерации организации-изготовителя;
год изготовления;
номинальная паропроизводительность D_п в т/ч;
рабочее давление на выходе в МПа (кгс/см 2 );
номинальная температура пара на выходе в °С.

На табличке водогрейного котла должны быть нанесены следующие данные:

наименование, товарный знак организации-изготовителя;
обозначение котла;
номер котла по системе нумерации организации-изготовителя;
год изготовления;
номинальная теплопроизводительность Q в МВт (Гкал/ч);
рабочее давление на выходе в МПа (кгс/см 2 );
номинальная температура воды на выходе в °С.

В обозначении парового котла приводятся: тип, паропроизводительность (т/ч), абсолютное (избыточное) давление пара p_п, (МПа или кгс/см 2 ), вид топлива (Г - газ, М - мазут); котлы под наддувом обозначаются буквой Н.

Например: ДКВР-10/13; Е-25-2,4 ГМ; ДЕ-6,5/14-225 ГМ; Е-1/9-Г.

В обозначении водогрейного котла приводятся:

тип - КВ (котел водогрейный);
вид топлива (Г - газ, М (Ж) - мазут, соляра);
тип топки (Н - под наддувом);
номинальная тепловая мощность (МВт или Гкал/ч);
номинальная температура воды на выходе из котла, °С;
давление газа (Гн - низкое; Гс - среднее);
автоматизированный котел обозначается буквой «а»;
С - стальной.

Например: КВ-ГМ-10-50; КСВа-2,5-Гс; КВа-3-95; КВа-0,75Ж-115.

На каждом котле, введенном в эксплуатацию и после проведенных технических освидетельствований, должна быть на видном месте прикреплена табличка форматом не менее 300x200 мм с указанием следующих данных:

регистрационный номер;
разрешенное давление;
число, месяц и год следующего внутреннего осмотра и гидравлического испытания.

Основные технические характеристики паровых котлов:

номинальная пароироизводительность, D_п, т/ч - максимальное рабочее количество пара, вырабатываемого котлом, в течение 1 ч;
параметры получаемого пара:рабочее (расчетное, или разрешенное) давление пара, p_п МПа (кгс/см 2 ); пробное давление, p_проб, МПа (кгс/см 2 ); вид пара (насыщенный, перегретый); температура насыщенного пара, /_нас, °С (при рабочем давлении пара/»_пили температуре перегретого пара, t_пп, “С);
температура питательной воды, °С;
паровой и водяной объем котла, м 3 ;
объем воды, м 3 ;
время испарения этого объема, мин.

Основные технические характеристики водогрейных котлов:

номинальная теплопроизводительность (тепловая мощность), Q, Гкал/час (МВт) - максимальное рабочее количество теплоты, воспринимаемое водой, за 1 ч работы; 1 Гкал/ч = 1,163 МВт;
параметры воды: рабочее давление воды, МПа (кгс/см 2 ); минимально допустимое давление воды p_в при номинальной температуре t_в; пробное давление, p_проб, МПа (кгс/см 2 ); минимально допустимая температура воды на входе в котел, °С; номинальная температура воды на выходе из котла, °С; номинальный расход воды через котел, G_b, м 3 /ч, а также минимально и максимально допустимый; гидравлическое сопротивление, не более, МПа.

Общие параметры, характеризующие паровые и водогрейные котлы:

вид топлива и его характеристики;
тип горелочного устройства;
поверхность нагрева котла: радиационная, конвективная, общая, S, м 2 ;
расчетный КПД, брутто, % при сжигании газа и мазута;
сопротивление газового и воздушного трактов, Па (мм вод. ст.);
температура продуктов сгорания на выходе из топки, за котлом, температура уходящих газов - при сжигании газа и мазута;
содержание в уходящих газах O₂, СО, NO_X;
конструктивные показатели: внутренний диаметр барабанов, толщина стенки барабанов, длина цилиндрической части верхнего и нижнего барабанов; диаметры опускных труб, экранных и конвективных труб; шаг труб экранов, их число; габариты котла.

Паровые котлы с естественной циркуляцией воды

Простейший контур естественной циркуляции воды (рисунок ниже) состоит из верхнего барабана и нижнего коллектора, соединенных между собой опускной необогреваемой (или слабо обогреваемой) трубой и подъемной обогреваемой трубой, образующими замкнутый контур.

Простейший контур естественной циркуляции воды

1 - верхний барабан котла; 2 - нижний коллектор; 3 - опускная труба; 4 - подъемная труба; 5 - обмуровка котла

Естественная циркуляция возникает за счет разности плотностей котловой воды в необогреваемых опускных трубах и пароводяной смеси в подъемных обогреваемых трубах.

Общее количество пара, образующегося в подъемных трубах, многократно меньше, чем количество циркулирующей воды, что обеспечивает интенсивное охлаждение стенок труб.

Отношение массы воды, поступившей в циркуляционный контур, к массе пара, образующегося в нем за тот же промежуток времени, называется кратностью циркуляции.

Кратность естественной циркуляции всегда больше 1 и колеблется от 8 до 50.

Создаваемый при естественной циркуляции напор расходуется на обеспечение скорости и преодоления сопротивлений в контуре при движении воды и пара.

Скорость входа воды в подъемные трубы называется скоростью циркуляции и составляет 0,5-1,5 м/с.

В современных конструкциях котлов испарительные поверхности нагрева выполняются из отдельных пучков труб, подсоединенных к барабанам и коллекторам, которые образуют достаточно сложную систему замкнутых циркуляционных контуров.

Для надежной и безопасной работы парового котла циркуляция в нем должна быть устойчивой, то есть движение потоков воды и пароводяной смеси в циркуляционных контурах должно быть непрерывным и с необходимой скоростью. В противном случае в подъемных трубах могут возникнуть паровые мешки, приводящие к местному перегреву и разрушению стенок труб.

При этом возможно явление застоя или опрокидывания циркуляции, когда пароводяная смесь в подъемных трубах начинает двигаться вниз.

На надежность циркуляции влияют резкие изменения нагрузки, давления и уровня воды в барабане котла, отложения накипи на поверхностях нагрева, приводящие к уменьшению сечения труб.

Использование котлов на газовом топливе

Горячую воду и пар для нужд промышленности и коммунального хозяйства получают главным образом в специальных котлах, которые являются одним из видов теплообменных аппаратов поверхностного типа непрерывного действия. В котлах теплота отбирается от нагретых продуктов сгорания и передается холодной воде Теплообмен в котлах происходит без непосредственного контакта воды и продуктов сгорания газа, отделенных друг от друга металлическими поверхностями нагрева. Такие теплообменники называют аппаратами непрерывного действия, так как горячие продукты сгорания, отдающие теплоту, и холодная вода, воспринимающая теплоту, находятся в непрерывном движении. Котлы в зависимости от их назначения бывают водогрейными и паровыми. Если потребителю требуются горячая вода и пар, то применяют паровые котлы. В этих котлах часть получаемого пара используется для нужд производства, а часть направляется в специальный теплообменный аппарат - бойлер. В бойлере пар отдает часть теплоты воде, движущейся по трубам от водопровода к потребителю, конденсируется и вновь возвращается в котел для превращения в пар. Пар, идущий на нужды производства, также может быть собран после его использования и конденсации и возвращен обратно в котел для повторного нагрева.

Для нормальной эксплуатации котлов большое значение имеет качество питательной воды. В этой воде могут содержаться различные примеси в виде солей, которые при нагреве выделяются и оседают на стенках котлов. Эти отложения приводят к уменьшению площади поперечного сечения труб, по которым движется нагреваемая вода, ухудшают теплообмен между продуктами сгорания и водой и могут привести к перегревам отдельных участков поверхностей нагрева и, как следствие, к разрушению этих участков.

Поверхности котла, обрабатываемые с одной стороны продуктами сгорания газа, а с другой - водой, называются поверхностями нагрева. Поверхность нагрева измеряют в квадратных метрах и подразделяют на конвективную и радиационную.

Радиационная поверхность обращена в топку и воспринимает теплоту в основном за счет излучения газового пламени, раскаленных огнеупорных стенок.

Остальная часть поверхности нагрева котла называется конвективной и воспринимает теплоту в основном за счет непосредственного соприкосновения с ней движущихся в газоходах продуктов сгорания, то есть за счет конвекции.

Важная характеристика работы котла - его тепловое равновесие, когда расход и поступление теплоты равны. Если такого соответствия нет, то давление пара в котле и температура воды в нем будут повышаться или понижаться. Другая характеристика работы котла - его материальное равновесие, когда количество поступающей и расходуемой питательной воды соответствуют одно другому. Естественно, что при быстрой подаче в котел большого количества воды давление и температура воды в нем уменьшаются. При кипении вся вода в котле имеет одинаковую температуру, которая незначительно превышает температуру, соответствующую давлению насыщенного пара в паровом пространстве. В котле одновременно находятся вода и пар, а насыщенный пар имеет практически ту же температуру, что и вода.

Продукты сгорания газа на выходе из газохода имеют еще значительный запас теплоты. Чтобы уменьшить эти потери теплоты, за котлами по ходу продуктов сгорания располагают дополнительные теплообменники - экономайзер и воздухонагреватель. В экономайзере поступающая в котел питательная вода подогревается за счет использования части теплоты продуктов сгорания. В воздухонагревателе за счет теплоты продуктов сгорания подогревается воздух, необходимый для сжигания газа. Использование более нагретого воздуха приводит к повышению температуры горения газа, улучшению процесса горения и увеличению температуры продуктов горения.

Важная характеристика котельного агрегата - его тепловая мощность, которая определяется как произведение поверхности нагрева на расчетный теплосъем с 1 м 2 . Расчетный теплосъем с 1 м 2 поверхности нагрева зависит от типа котла и колеблется от 25-50 тыс. для чугунных секционных котлов до 100 тыс. кДж/ч и более для водотрубных котлов.

Мощность паровых котлов определяется их паропроизводительностью, то есть количеством тонн пара в час. Поскольку количество теплоты в 1 кг пара зависит от его давления, при определении па- ропроизводительности котла указывается и расчетное давление. Например, в обозначении котла ДКВР-10-13 первая цифра показывает, что котел вырабатывает 10 т пара в час, а вторая цифра - давление пара в атмосферах (13 ат).

В отопительных котельных жилищно-коммунального хозяйства преимущественно используют небольшие чугунные или стальные секционные котлы без экономайзеров и воздухонагревателей. В производственно-отопительных котельных применяют водотрубные котлы с установкой индивидуальных или групповых экономайзеров, в котельных электростанций - крупные котлоагрегаты в комплексе с экономайзерами и воздухонагревателями. Особенности сжигания газа в топках котлов требуют правильного выбора типа, тепловой мощности, количества горелок и их рационального размещения.

Газовое топливо создает хорошие условия для автоматизации его сжигания, что значительно повышает безопасность и эффективность эксплуатации котлов и обеспечивает их работу в соответствии с заданным режимом. Современная комплексная автоматика газифицированных котельных включает в себя приборы автоматики безопасности, регулирования, контроля и сигнализации. Автоматика безопасности обеспечивает прекращение подачи газа к горелкам при нарушениях режима работы агрегата, способных привести к аварии. Автоматика регулирования поддерживает заданный режим работы котла.

Приборы контроля и сигнализации обеспечивают условия для дистанционного управления работой агрегата с диспетчерского пульта. Установлен минимально необходимый объем автоматики газифицированных котельных, обеспечивающий прекращение подачи газа к горелкам при недопустимом отклонении давления газа, погасании пламени горелок, отсутствии разрежения и прекращении подачи воздуха к горелкам.

Условия полного сгорания газа в топке котла

В зависимости от способа подачи в топочную камеру газа и воздуха и условий их смешения различают следующие варианты организации процесса горения:

• с внешним (после горелки) смешением газа и воздуха, называемым диффузионным принципом сжигания;

• с полным предварительным (в горелке) смешением до образования однородной смеси, называемым кинетическим принципом сжигания;

• с неполным предварительным смешением без образования однородной смеси;

• с частичным предварительным смешением с образованием однородной смеси, нос недостатком окислителя в начальной смеси;

• последние два случая организации процесса горения относятся к смешанному — диффузионно-кинетическому принципу сжигания.

Для сжигания природного газа требуется определенное время т г , которое складывается из времени смешения τсм газа с воздухом, времени нагрева τ н газовоздушной смеси до температуры воспламенения и времени τ хр , необходимого для протекания собственно химических реакций горения:

τ г = τ см + τ н + τ хр

Таким образом, основной химической стадии горения τ хр в обязательном порядке предшествуют подготовительные стадии, имеющие физическую природу — τ физ = τ см + τ н .

Рисунок 5.1 — Схемы, иллюстрирующие организацию принципов сжигания газа:

а — диффузионный; б — кинетический; в — диффузионно-кинетический в горелке с неполным предварительным смешением; г — то же, горелки с частичным предварительным смешением; ФДГ — фронт диффузионного горения; ФКГ — фронт кинетического горения; а — коэффициент избытка воздуха

На рис. 5.1, я показана схема организации диффузионного принципа сжигания, в которой газ и воздух в пределах горелки не контактируют. Смешение компонентов горения в данном случае происходит в топочной камере. Для диффузионного принципа сжигания τ физ »τ хр , процесс горения при этом затягивается и при достаточном для сжигания содержании воздуха получается относительно длинный светящийся факел яркосоломенного цвета. Сгорание топлива осуществляется в тонком поверхностном слое факела, называемом фронтом диффузионного горения, к которому из внутренней части факела поступает газ, а из топки — воздух.

При осуществлении кинетического принципа сжигания наиболее длительная стадия процесса — смешение топлива с окислителем τ см — переносится в горелку (рис. 5.1, б). При этом τ чр »τ физ , т.е. τ г = τ хр . При достаточных температурах в топке процесс горения топлива происходит очень быстро и образуется короткий факел в виде голубого прозрачного конуса. Сгорание топлива в данном случае осуществляется на поверхности этого конуса, образующей фронт кинетического горения.

При реализации диффузионно-кинетического способа сжигания (в горелках с неполным и частичным предварительным смешением), при котором физическая и химическая стадии процесса соизмеримы по времени τ физ = τ хр , факел имеет два фрона горения (рис. 5.1, в, г): кинетический ФКГ в виде голубого прозрачного конуса и диффузионный ФДК, в котором происходит догорание топлива в прозрачном факеле бледно-голубого цвета.

Условия полного сгорания газа в топке котла

Горение. Быстро протекающее физико-химическое превращение в результате взаимодействия компонентов топлива с окислителем, при котором выделяется энергия в виде теплоты и света называется горением. В результате этого сложного процесса образуются продукты горения. Окислителем служит кислород. Процесс горения характеризуется высокой температурой и большой скоростью протекания химических реакций. Для начала горения необходим энергетический импульс, чаще всего нагревание горючего. В отличие от твердых и жидких видов топлива, которые не могут гореть без предварительного подогрева до температуры воспламенения, газовое топливо может гореть и холодным, если оно перемешано с воздухом в концентрационных пределах воспламенения. Такую газовоздушную смесь можно воспламенить искрой, открытым пламенем или теплотой раскаленного вещества.

Для горючих газов (Н2, СО, СН4 и др.), а также газообразного топлива существует такая температура нагрева, при которой топливовоздушная смесь загорается сама без какого-либо внешнего источника воспламенения. Эта температура самовоспламенения зависит от условий протекания процесса и для отдельных газов она колеблется в следующих пределах, °С:

Водород. 410. 630

Монооксид углерода. 610. 660

Природный и доменный газы . Около 530

Важным параметром, характеризующим газовоздушные смеси, является скорость распространения пламени. В зависимости оттого, распространяется ли пламя в потоке газа, находящемся в ламинарном или турбулентном движении, различают нормальное и турбулентное распространение пламени.

При нормальном распространении пламени химические процессы протекают в очень тонком слое, называемом фронтом горения. В качестве основной характеристики химических реакций, протекающих во фронте горения, принята скорость нормального распространения пламени Uп, м/с, представляющая собой линейную скорость перемещения фронта горения в направлении к свежей смеси по нормали к поверхности фронта в данном месте.

Скорость нормального распространения пламени зависит от природы газа, состава смеси и температуры. Для водородовоздушных смесей Uп во много раз больше, чем для аналогичных смесей метана или оксида углерода. Предварительный подогрев топливовоздушной смеси увеличивает скорость распространения пламени, так как при этом ускоряются химические реакции горения и повышается температура горения.

Не всякая смесь горючего газа с воздухом способна к воспламенению и распространению пламени, но любую горючую смесь, как бы она ни была разбавлена, можно воспламенить, если применить достаточно мощный источник зажигания, в то же время не всякая смесь способна к распространению пламени. Слишком бедные смеси (с большим избытком окислителя) и слишком богатые смеси (с большим избытком горючего) не способны к распространению пламени и, следовательно, не воспламеняются и не взрываются.

Увеличение количества окислителя или топлива сверх теоретического приводит к снижению температуры горения и скорости распространения пламени. При чрезмерном избытке топлива или окислителя тепловыделения в результате горения недостаточно для прогрева ближайших слоев до температуры их воспламенения, и горение становится невозможным.

Газообразные виды топлива имеют верхнюю и нижнюю концентрационные границы воспламенения (взрыва). Предельная концентрация горючего в бедной смеси, ниже которой смесь становится неспособной к воспламенению, называется нижней концентрационной границей воспламенения. Предельная концентрация горючего в богатой смеси, выше которой смесь перестает воспламеняться, называется верхней границей воспламенени. Приведем концентрационные границы воспламенения некоторых горючих газов, %: Н2 — 4. 74,2; СО — 12,5. 74; СН4 — 5. 15. Взрывоопасная концентрация природного газа близка к взрывоопасной концентрации метана. В зависимости от температуры, давления и других конкретных условий концентрационные границы несколько смещаются в ту или иную сторону.

Взрыв. При определенных условиях в замкнутом пространстве может произойти практически мгновенное сгорание газовоздушной смеси с резким повышением температуры и давления. Такой процесс, называемый взрывом, связан с повышением давления до 0,8. 1 МПа (8. 10 кгс/см2)

Виды неустойчивого горения. При работе горелок возможны два вида неустойчивого горения: проскок пламени в горелку и отрыв пламени от горелки.

Проскок пламени — это перемещение фронта пламени из топки в горелку, при котором горение топлива начинается непосредственно в горелке. При проскоке пламени в горелку образуются продукты неполного сгорания топлива, горелка раскаляется и может выйти из строя.

Отрыв пламени — это перемещение фронта пламени от выходного отверстия горелки в направлении движения газовоздушной смеси, сопровождающееся погасанием пламени. Отрыв приводит к наполнению топки газовоздушной смесью, а затем к хлопку или взрыву.

Отрыв пламени может произойти при любом принципе сжигания топлива (см. подразд. 5.3). Проскок же пламени в горелку невозможен при диффузионном принципе сжигания. Проскок пламени для горелок с предварительным смешением топлива с окислителем происходит, если скорость выхода газовоздушной смеси меньше скорости распространения пламени.

Отрыв пламени от горелок любого типа происходит в том случае, когда скорость выхода газа или газовоздушной смеси больше скорости распространения пламени.

Расход воздуха в газовоздушной смеси является одним из важнейших факторов, влияющих на скорость распространения пламени. В смесях, в которых содержание газа превышает верхний предел его воспламенения, пламя вообше не распространяется. С увеличением содержания воздуха в смеси скорость распространения пламени увеличивается, достигая своего максимума при содержании воздуха около 90 % его теоретического расхода, необходимого для полного сгорания газа.

Из этого следует, что при увеличении подачи воздуха в горелку создается смесь, более бедная газом, способная гореть быстрее и вызвать проскок пламени внутрь горелки. Поэтому при увеличении нагрузки сначала необходимо увеличить подачу газа, а затем воздуха, а при уменьшении нагрузки наоборот — сначала уменьшают подачу воздуха, а затем газа. По этой причине в момент пуска горелок воздух не должен в них поступать и зажигание газа проводится в диффузионном режиме за счет воздуха, поступающего в топку, с последующим переходом на подачу воздуха в горелку.

Причинами отрыва факела от горелки могут быть резкое повышение давления газа или воздуха, нарушение соотношения расходов газ:воздух, резкое увеличение разрежения на выходе из топки, работа горелки при расходах за пределами, указанными в паспорте.

Причинами проскока пламени в горелку могут быть понижение давления газа или воздуха, уменьшение производительности горелок с предварительным смешением газа и воздуха при расходах ниже значений, указанных в паспорте.

Повышение устойчивости работы горелок достигается путем использования различных методов стабилизации горения, с помощью которых обеспечивается поддержание скорости выхода газовоздушной смеси в безопасных пределах, поддержание температуры в зоне горения не ниже температуры воспламенения газовоздуной смеси. Например, можно предотвратить проскок пламени, если сузить выходное отверстие для газовоздушной смеси, так как при этом скорость выхода смеси возрастает. Пламя не распространяется через узкие щели, так как в них газовоздушная смесь быстро охлаждается. Это свойство используется в стабилизаторах, устанавливаемых на выходе из горелок и выполняемых в виде мелкой решетки. Вероятность проскока пламени можно снизить путем охлаждения выходного отверстия носика горелки.

Отрыв пламени от горелки предотвращают путем установки на выходе из горелки плохо обтекаемых тел (пятачки, конусы и т.д.), дежурной горелки небольшой производительности для постоянного поджигания газовоздушной смеси. В топочных устройствах иногда применяют горку из битого огнеупорного кирпича. В процессе работы кирпич раскаляется и обеспечивает поджигание выходящей газовоздушной смеси.

Наибольшее распространение получил способ стабилизации горения с помощью огнеупорных туннелей. Газовоздушная смесь поступает из кратера горелки в цилиндрический туннель, диаметр которого в 2 — 3 раза больше диаметра кратера горелки. При резком расширении туннеля вокруг корневой части факела создается разрежение, вызывающее обратное движение частиц раскаленных продуктов сгорания топлива. За счет этого температура газовоздушной смеси в корне факела повышается и обеспечивается устойчивая зона зажигания.

При сжигании газа в туннелях обеспечивается полное сгорание газов при минимальном коэффициенте избытка воздуха а = 1,02. 1,05 и скоростях выхода смеси, превышающих 100 м/с.

Полное и неполное сгорание газа

Природный газ, добываемый из западносибирских месторождений, практически полностью (до 99 %) состоит из метана СН4. Воздух состоит из кислорода (21%) и азота и незначительного количества других негорючих газов (79%). Упрощенно реакция полного сгорания метана выглядит следующим образом:

СН4 + 2О2 + 7,52 N2 = СО2 + 2Н20 + 7,52 N2

В результате реакции горения при полном сгорании образуется углекислый газ CO2, и пары воды H2O вещества, не оказывающие вредного влияния на окружающую среду и человека. Азот N, в реакции не участвует. Для полного сгорания 1 м³ метана теоретически необходимо 9,52 м³ воздуха. Для практических целей считается, что для полного сгорания 1 м³ природного газа необходимо не менее 10 м³ воздуха. Однако если подавать только теоретически необходимое количество воздуха, то добиться полного сгорания топлива невозможно: трудно так перемешать газ с воздухом, чтобы к каждой его молекуле было подведено необходимое количество молекул кислорода. На практике на горение подается воздуха больше, чем теоретически необходимо. Величина избытка воздуха определяется коэффициентом избытка воздуха а, который показывает отношение количества воздуха, фактически израсходованного на горение, к теоретически необходимому количеству:

Читать: Бытовое газоиспользующее оборудование

α = V факт./V теор.

Читать: Дымоудаление от газового оборудования с закрытой камерой сгорания

Неполное сгорание происходит:

при недостаточном количестве воздуха, поступающего на горение;
при плохом перемешивании газа и воздуха;
при чрезмерном охлаждении пламени до завершения реакции горения.

Качество сжигания газа можно контролировать по цвету пламени. Некачественное сжигание газа характеризуется желтым коптящим пламенем. При полном сжигании газа пламя представляет собой короткий факел голубовато-фиолетового цвета с высокой температурой. Для контроля работы промышленных горелок применяют специальные приборы, анализирующие состав дымовых газов и температуру продуктов сжигания. В настоящее время при наладке отдельных типов бытового газоиспользующего оборудования также возможно регулирование процесса горения по температуре и анализу уходящих газов.

Горение природного газа

§ Удельный вес составляет 0,717кг/м 3 (легче воздуха в 2 раза).

§ Температура воспламенения – это минимальная начальная температура, при которой начинается горение. Для метана она равна 645 о .

§ Температура горения – это максимальная температура, которая может быть достигнута при полном сгорании газа, если количество воздуха, необходимого для горения, точно отвечает химическим формулам горения. Для метана она равна 1100-1400 о и зависит от условий сжигания.

§ Теплота сгорания – это количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 м 3 газа и она равна 8500 ккал/м 3 .

§ Скорость распространения пламени равна 0,67 м/сек.

Газовоздушная смесь

В которой газа находится:

- от 5 до 15% взрывается;

- свыше 15% горит при подаче дополнительного воздуха (все это зависит от соотношения объема газа в воздухе и называется пределами взрываемости)

Горючие газы не имеют запаха, для своевременного определения их в воздухе, быстрого и точного обнаружения мест утечки, газ одорируют, т.е. дают запах. Для этого используют ЭТИЛМЕРКОПТАН. Норма одоризации 16 гр на 1000 м 3 . При наличии в воздухе 1% природного газа должен ощущаться его запах.

Газ, используемый в качестве топлива, должен соответствовать требованиям ГОСТа и содержать вредных примесей на 100м 3 не более:

Сероводорода 0,0 2г/м.куб

Аммиака 2 гр.

Синильной кислоты 5 гр.

Смолы и пыли 0,001 г/м.куб

Нафталина 10 гр.

Кислорода 1%.

Использование природного газа имеет ряд преимуществ:

· отсутствие золы и пыли и выноса твердых частиц в атмосферу;

· высокая теплота сгорания;

· удобство транспортировки и сжигания;

· облегчается труд обслуживающего персонала;

· улучшаются санитарно-гигиенические условия в котельных и прилегающих районах;

· широкий диапазон автоматического регулирования.

При использовании природного газа требуются особые меры осторожности, т.к. возможна утечка через неплотности в местах соединения газопровода и арматуры. Наличие в помещении более 20% газа вызывает удушье, скапливание его в закрытом объеме свыше 5% до 15% приводит к взрыву газовоздушной смеси. При неполном сгорании выделяется угарный газ, который даже при небольшой концентрации (0,15%) является отравляющим.

Горение природного газа

Горением называется быстрое химическое соединение горючих частей топлива с кислородом воздуха, происходит при высокой температуре, сопровождается выделением тепла с образованием пламени и продуктов сгорания. Горение бывает полным и неполным.

Полное горение – происходит при достаточном количестве кислорода. Нехватка кислорода вызывает неполное сгорание, при котором выделяется меньшее количество тепла, чем при полном, угарный газ (отравляюще действует на обслуживающий персонал), образуется сажа на поверхности котла и увеличиваются потери тепла, что приводит к перерасходу топлива, снижению КПД котла, загрязнению атмосферы.

Продуктами сгорания природного газа являются – диоксид углерода, водяные пары, некоторое количество избыточного кислорода и азот. Избыточный кислород содержится в продуктах горения только в тех случаях, когда горение происходит с избытком воздуха, а азот в продуктах сгорания содержится всегда, т.к. является составной частью воздуха и не принимает участие в горении.

Продуктами неполного сгорания газа могут быть оксид углерода, несгоревшие водород и метан, тяжелые углеводороды, сажа.

Согласно формуле для сгорания 1 м 3 метана необходимо 10 м 3 воздуха, в котором находится 2 м 3 кислорода. Практически для сжигания 1 м 3 метана необходимо больше воздуха с учетом всевозможных потерь, для этого применяется коэффициент К избытка воздуха, который = 1,05-1,1.

Теоретический объем воздуха = 10 м 3

Практический объем воздуха = 10*1,05=10,5 или 10*1,1=11

Полноту сгорания топлива можно определить визуально по цвету и характеру пламени, а так же с помощью газоанализатора.

Прозрачное голубое пламя – полное сгорание газа;

Красное или желтое с дымными полосами – сгорание неполное.

Горение регулируется увеличением подачи воздуха в топку или уменьшением подачи газа. В этом процессе используют первичный и вторичный воздух.

Вторичный воздух – 40-50% (смешивается с газом в топке котла в процессе горения)

Первичный воздух – 50-60% (смешивается с газом в горелке до горения)на горение идет газовоздушная смесь

Горение характеризует скорость распределения пламени – это скорость, с которой элемент фронта пламени распространяется относительно свежей струю газовоздушной смеси.

Скорость горения и распространения пламени зависит от:

· от состава смеси;

· от соотношения газа и воздуха.

Скорость горения определяет одно из основных условий надежной эксплуатации котельной и его характеризует отрыв пламени и проскок.

Отрыв пламени– происходит если скорость газовоздушной смеси на выходе из горелки больше скорости горения.

Причины отрыва: чрезмерное увеличение подачи газа или чрезмерное разряжение в топке (тяга). Отрыв пламени наблюдается при розжиге и при включении горелок. Отрыв пламени приводит к загазованности топки и газоходов котла и к взрыву.

Проскок пламени – происходит если скорость распространения пламени (скорость горения) будет больше скорости истечения газовоздушной смеси из горелки. Проскок сопровождается горением газовоздушной смеси внутри горелки, горелка раскаляется и выходит из строя. Иногда проскок сопровождается хлопком или взрывом внутри горелки. При этом может быть разрушена не только горелка, но и фронтовая стенка котла. Проскок происходит при резком снижении подачи газа.

При отрыве и проскоке пламени обслуживающий персонал должен прекратить подачу топлива, выяснить и устранить причину, провентилировать топку и газоходы в течение 10-15 минут и снова разжечь огонь.

Процесс горения газообразного топлива можно разделить на 4 стадии:

1. Вытекание газа из сопла горелки в горелочное устройство под давлением с увеличенной скоростью.

2. Образование смеси газа с воздухом.

3. Зажигание образовавшейся горючей смеси.

4. Горение горючей смеси.

Газопроводы

Газ к потребителю подается по газопроводам – наружным и внутренним – на газораспределительные станции, размещенные за городом, а с них по газопроводам на газорегуляторные пункты ГРП или газорегуляторный устройства ГРУ промышленных предприятий.

· высокого давления первая А категория свыше 1,2(12 кгс/см2) Мпа на территории тепловых электрических станций к газотурбинным и парогазовым установкам;

· высокого давления первой категории свыше 0,6 Мпа до 1,2 Мпа включительно;

· высокого давления второй категории свыше 0,3 Мпа до 0,6 Мпа;

· среднего давления третьей категории свыше 0,005 Мпа до 0,3 Мпа;

· низкого давления четвертой категории до 0,005Мпа включительно.

· МПа — означает Мега Паскаль

В котельной прокладывают газопроводы только среднего и низкого давления. Участок от распределительного газопровода сети (городской) к помещению вместе с отключающим устройством называют вводом.

Вводным газопроводом считают участок от отключающего устройства на вводе, если он установлен снаружи помещения к внутреннему газопроводу.

На вводе газа в котельную в освещенном и удобном для обслуживания месте, должна находиться задвижка. Перед задвижкой должен быть изолирующий фланец, для защиты от блуждающих токов. На каждом отводе от распределительного газопровода к котлу, предусматривается не менее 2 отключающих устройств, одно из которых устанавливается непосредственно перед горелкой. Помимо арматуры и КИП на газопроводе, перед каждым котлом, обязательно устанавливается автоматическое устройство, обеспечивающее безопасную работу котла. Для предотвращения попадания газов в топку котла, при неисправных отключающих устройствах, необходимы продувочные свечи и газопроводы безопасности с отключающими устройствами, которые при бездействующих котлах должны быть открыты. Газопроводы низкого давления красят в котельных в желтый цвет, а среднего давления в желтый с красными кольцами.

Газовые горелки

Газовые горелки - газогорелочное устройство, предназначенное для подачи к месту горения, в зависимости от технологических требований, подготовленной газовоздушной смеси или разделенного газа и воздуха, а так же для обеспечения устойчивого сжигания газообразного топлива и регулирования процесса горения.

К горелкам предъявляются следующие требования:

· основные типы горелок должны изготавливаться на заводах серийно;

· горелки должны обеспечивать пропуск заданного количества газа и полноту его сжигания;

· обеспечивать минимальное количество вредных выбросов в атмосферу;

· должны работать без шума, отрыва и проскока пламени;

· должны быть просты в обслуживании, удобны для ревизии и ремонта;

· при необходимости могли бы использоваться для резервного топлива;

· образцы вновь создаваемых и действующих горелок подлежат ГОСТ испытанию;

Главной характеристикой горелок является её тепловая мощность, под которой понимают количество теплоты, способное выделяться при полном сгорании топлива, поданного через горелку. Все данные характеристики можно найти в паспорте горелки.

Процессы распространения пламени, неполное горение

Горение – это реакция, при которой происходит преобразование химической энергии топлива в тепло.

Горение бывает полным и неполным. Полное горение происходит при достаточном количестве кислорода. Нехватка его вызывает неполное сгорание, при котором выделяется меньшее количество тепла, чем при полном, и окись углерода (СО), отравляюще действующая на обслуживающий персонал, образовывается сажа, оседающая на поверхности нагрева котла и увеличивающая потери тепла, что приводит к перерасходу топлива и снижению к.п.д. котла, загрязнению атмосферы.

Для сгорания 1 м 3 метана нужно 10 м 3 воздуха, в котором находится 2 м 3 кислорода. Для полного сжигания природного газа воздух подают в топку с небольшим избытком. Отношение действительно израсходованного объёма воздуха V_д к теоретически необходимому V_т называется коэффициентом избытка воздуха a = V_д/V_т. Этот показатель зависит от конструкции газовой горелки и топки: чем они совершеннее тем меньше a. Необходимо следить, чтобы коэффициент излишка воздуха не был меньше 1, так как это приводит к неполному сгоранию газа. Увеличение коэффициента избытка воздуха снижает к.п.д. котлоагрегата.

Полноту сгорания топлива можно определить с помощью газоанализатора и визуально – по цвету и характеру пламени: прозрачно-голубоватое – сгорание полное;

красный или жёлтый – сгорание неполное.

Скорость продвижения зоны горения в направлении, перпендикулярном самой зоне, называется скоростью распространения пламени. Скорость распространения пламени характеризует быстроту нагрева газовоздушной смеси до температуры воспламенения. Наибольшую скорость распространения имеет пламя водорода, водяного газа ( 3 м /сек), наименьшую - пламя природного газа и Пропано-бутановой смеси. Большая скорость распространения пламени благоприятно влияет на полноту горения газа, а малая, наоборот, служит одной из причин неполного сгорания газа. Скорость распространения пламени увеличивается при применении газокислородной смеси вместо газовоздушной.

Горение регулируется увеличением подачи воздуха в топку котла или уменьшением подачи газа. В этом процессе используется первичный (смешивается с газом в горелке – до горения) и вторичный (соединяется с газом или газовоздушной смесью в топке котла в процессе горения) воздух.

В котлах, оборудованных диффузионными горелками (без принудительной подачи воздуха), вторичный воздух под действием разряжения поступает в топку через поддувочные дверцы.

В котлах, оборудованных инжекционными горелками: первичный воздух поступает в горелку за счёт инжекции и регулируется регулировочной шайбой, а вторичный – через поддувочные дверцы.

В котлах со смесительными горелками первичный и вторичный воздух подаётся в горелку вентилятором и регулируется воздушными задвижками.

Нарушение соотношения между скоростью газовоздушной смеси на выходе из горелки и скоростью распространения пламени приводит к отрыву или проскакиванию пламени на горелках.

Если скорость газовоздушной смеси на выходе из горелки больше скорости распространения пламени – отрыв, а если меньше – проскок.

При отрыве и проскоке пламени обслуживающий персонал должен погасить котёл, провентилировать топку и газоходы и снова разжечь котёл.

Читайте также: