б) закручивание воздушного потока при струйной подаче газа повышает интенсивность смесеобразования, раскрывает факел и сокращает его длину;
в) наивыгоднейшее расположение струек газа, выбор их размеров и отыскание оптимальных скоростей газа и воздуха позволяют получить факел требуемых характеристик. Оптимизация скоростей в спутных потоках газа с воздухом также позволяет получить желаемую интенсивность смесеобразования;
г) интенсивность смесеобразования можно повысить искусственной турбулизацией потоков. Интенсификация смесеобразования приближает горение к кинетическому способу, и факел делается менее устойчивым.
Диффузионный процесс горения характеризуется большей устойчивостью, чем кинетический, однако при больших форсировках и при диффузионном горении приходится применять искусственные приемы стабилизации фронта горения.
Находит применение и двухступенчатый принцип сжигания газа, когда горелка обеспечивает предварительное смешение газа только с частью необходимого воздуха, а остальной воздух поступает непосредственно к факелу. В этом случае кинетически выгорает только часть газа, смешанная с первичным воздухом. Оставшаяся часть газа, разбавленная продуктами горения, выгорает за счет кислорода вторичного воздуха, т.е. по диффузионному принципу. В частности, такой метод сжигания используется в атмосферных горелках. Факельное горение можно легко регулировать изменением коэффициента первичного воздуха. Так, уменьшая коэффициент первичного воздуха до нуля, можно перейти к чисто диффузионному горению, а увеличивая его до единицы, можно обеспечить сжигание газа по кинетическому принципу.
Все стадии процесса горения (смесеобразование, подогрев и горение) осуществляются в газовой горелке и в камере горения. Основные функции газовой горелки сводятся к подаче газа и воздуха в топку, смесеобразованию, стабилизации фронта воспламенения, обеспечению требуемой интенсивности процесса горения газа и минимальных концентраций токсичных газов в продуктах горения.
Для смешения газа с воздухом горелка имеет смесительное устройство. Если горение осуществляется по кинетическому принципу, то смеситель представляет собой самостоятельный элемент, в котором приготовляется однородная газовоздушная смесь. Обычно это эжекционное устройство. При сжигании газа по диффузионно-кинетическому способу приготовление газовоздушной смеси начинается в горелке Процесс смешения протекает в результате внедрения струй газа в поток воздуха. Степень завершения процесса зависит от принятых параметров горелки. При активном смешении можно получить практически кинетический факел. Если смесеобразование не активизуется и начинается за пределами горелки -- в топке, тогда горение газа будет протекать по диффузионному методу. В этом случае горелка создает только необходимые условия для смесеобразования и управляет им лишь путем воздействия на выходящие потоки газа и воздуха; сам же процесс смешения полностью происходит в топочной камере.
Другим элементом горелки является головка. Она обеспечивает выход газовоздушного потока в топочную камеру или воздушное пространство.
Основное назначение головки -- стабилизировать фронт воспламенения уже готовой или только что образовавшейся горючей смеси у устья горелки и предотвратить проскок и отрыв пламени.
Третий элемент горелки (огневая часть) представляет собой амбразуру или туннель, где частично или полностью протекает процесс горения. Огневая часть горелки одновременно служит и составной частью топочной камеры. Огневое устройство горелки создает устойчивый очаг зажигания и стабилизирует процесс горения, предотвращая отрыв пламени. Горелка может не иметь огневого устройства, в этом случае устойчивость факела полностью обеспечивается головкой, а сам факел располагается непосредственно в топке или в открытом пространстве. Строгого разграничения функций между отдельными элементами горелки, а также между горелкой и топкой провести нельзя, так как ряд операций выполняется совместно горелкой и топкой.
Основным свойством горелки является осуществляемый ею метод сжигания газа, который в значительной мере зависит от степени подготовленности горючей смеси, выходящей из головки горелки. Именно этот признак следует рассматривать как основной и использовать для классификации горелок.
По методу сжигания газа горелки можно разделить на четыре группы.
1) горелки полного предварительного смешения, работающие по кинетическому принципу;
2) горелки предварительного смешения газа с частью воздуха, необходимого для горения. У горелок этого типа газ смешивается с первичным воздухом до поступления в зону горения. В зоне высоких температур сразу начинается процесс горения газа, обеспеченного первичным воздухом. Вторичный воздух поступает из окружающей среды у горелок с открытым пламенем -- атмосферных. При использовании этого принципа смесеобразования у промышленных горелок (в этом случае такой способ называют двухступенчатым сжиганием) вторичный воздух подается в топку, обычно к корню факела;
3) горелки с незавершенным предварительным смешением газа с воздухом, которые осуществляют диффузионно-кинетический принцип сжигания газа;
4) горелки без предварительного смешения газа с воздухом, работающие по диффузионному принципу.
Кроме основной классификации горелки можно различать по способу подачи воздуха, давлению газа, расположению горелки в топке и излучающей способности горелки.
По способу подачи воздуха горелки подразделяются на:
1) эжекционные, в которых воздух засасывается энергией газовой струи (эжектирование воздухом газа применяют весьма редко);
2) бездутьевые, у которых воздух поступает в топку вследствие разрежения;
3) дутьевые с подачей воздуха в топку с помощью вентилятора.
По давлению газа горелки подразделяют на:
горелки низкого давления (до 5 кПа) и горелки среднего давления (5...300 кПа). Горелки с более высоким давлением не получили широкого применения.
11.2 Методы снижения концентраций оксидов азота в продуктах горения, применяемые при проектировании газогорелочных и топочных устройств
Методы, направленные на снижение содержания NxOy в продуктах горения, выходящих из агрегатов, делятся на две группы.
В первую группу следует включить способы снижения образования оксидов азота, которые в основном определяются конструкцией и режимом работы газогорелочного устройства.
Во вторую группу войдут конструктивные и режимные мероприятия по организации топочных процессов, включая размещение газогорелочных устройств в стенах и сводах топки.
1. Эффективными способами снижения образования NO являются:
сжигание газа при минимальных избытках воздуха (б= 1,02...1,05), в тонком слое (что сокращает время пребывания реагирующей смеси в зоне реакции) и с максимальной теплоотдачей из зоны горения (что снижает температуру в этой зоне). Такой процесс сжигания газа организуется в горелках инфракрасного излучения.
2. У горелок атмосферного типа, факел формируется двухстадийно, так как первичный воздух в размере 40...60 % теоретически необходимого количества подмешивается к газу до выхода смеси из горелки, в результате чего формируется внутренний конус пламени. Во внутреннем конусе часть газа сгорает в тонком кинетическом пламени с равномерными, пониженными температурами и малым временем пребывания смеси в зоне горения, остальная часть газа выгорает во внешнем конусе по диффузному принципу. Такой способ сжигания сокращает образование оксидов азота в пламени.
Таким образом, сжигание газа с разделением воздуха на первичный и вторичный оказывается достаточно плодотворным с позиций снижения выхода окислов азота. Такой способ в более широком толковании, называемый двухстадийным, в настоящее время достаточно широко применяется в топочных устройствах для снижения выхода NxOv.
3. В туннельных горелках можно осуществить сжигание газа с минимальными избытками воздуха менее 1,05. Это способствует снижению концентрации кислорода в зоне высоких температур и снижает выход NO. Но малая теплоотдача из туннеля не способствует снижению температуры в туннеле, поэтому у туннельных горелок выход NO немного ниже, чем у промышленно-отопительных котлов с оборудованием их обычными горелками. Снижение тепловой нагрузки туннеля способствует уменьшению концентрации NO.
4. Турбулентные (вихревые) горелки с закрученным потоком воздуха характеризуются неравномерностью выгорания газа по длине факела и вследствие этого локальным повышением температур. Повышение температур приводит к увеличению выхода оксидов азота. Для снижения содержания NxOу в продуктах горения применяют: двухстадийное сжигание газа; подачу воздуха двумя потоками периферийным закрученным и прямоточным осевым в зону максимальных температур факела вихревой горелки.
Отладкой режима такой горелки можно добиться существенного снижения концентрации оксидов азота. Раскрытие амбразуры в сторону топки также способствует снижению выхода NO.
5. Реализация в газогорелочных устройствах ступенчатого подвода воздуха, рассредоточение фронта пламени (переход на многофакельные горелки) позволяют существенно снизить содержание оксидов азота в продуктах горения. Для таких горелок большое значение имеет отработка режима, в частности отыскание наивыгоднейшего значения коэффициента первичного воздуха с тем, чтобы обеспечить минимальную концентрацию NxOу.
Ряд мероприятий по снижению содержания оксидов азота затрагивают конструктивные решения котлов и печей, в частности их топочной части и режимов сжигания газа. Эти мероприятия отнесены ко второй группе и в основном сводятся к следующему:
1) для снижения температуры в зоне горения эффективным способом является экранирование топки, в частности применение двухсветных экранов. Расположение в топочной части косвенных излучателей увеличивает теплоотдачу в топке без повышения температуры, что способствует снижению концентрации NO;
2) применение рециркуляции продуктов горения, обеспечивающей поступление в зону интенсивного горения частично охлажденных продуктов горения, снижает температуру в топке и концентрацию кислорода и тем самым уменьшает интенсивность образования NO;
3) применение двухстадийного сжигания с подачей вторичного воздуха в топку способствует снижению концентрации NO, но этот метод требует тщательной отработки аэродинамического режима топки.
Промышленные системы газоснабжения