Расчет газовых горелок

Для существующей горелки, если заданы располагаемые давления газа и воздуха, расчет газовых горелок производится для определения производительности горелки. Возможен также случай, когда необходимо определить давления газа и воздуха, достаточные для достижения определенной производительности горелки.При проектировании новой горелки первоначально выбирают желаемый тип горелки, обеспечивающий получение длинного или короткого, светящегося или несветящегося факела. Далее при заданном давлении газа и воздуха рассчитывают скорость их выхода из горелки и определяют размеры проходных сечений, обеспечивающих необходимую тепловую производительность горелки. Если давление газа и воздуха требуется определить, то задаются скоростью их выхода из горелки.

При реализации диффузионного принципа сжигания, т. е. когда газ и окислитель из горелки выходят раздельно (см. рис. 4.1, а), скорости выхода газа и воздуха из горелки выбирают из соображений наилучшего их перемешивания в топочной камере. Так, при сжигании доменного газа рекомендуемая скорость воздуха и газа для щелевых горелок находится в пределах 20-30 м/с, для угловых горелок (см.рис.4.4) - 30-40м/с.

При реализации кинетического (см. рис. 4.1,6) или смешанного (см. рис. 4.1, в и г) принципов сжигания, когда газ и воздух предварительно полностью, не полностью или частично смешиваются в горелке, скорость выхода из нее газовоздушной смеси должна быть больше скорости распространения пламени в этой смеси при данных условиях. Соблюдение указанного правила необходимо, чтобы избежать проскок пламени в горелку.

Видимая скорость распространения пламени, применяемая в расчет газовых горелок, зависит от состава газовоздушной смеси и тем больше, чем больше в ней водорода и выше ее температура. Она зависит также от скоростного поля смеси и увеличивается при увеличении диаметра горелки и разогреве стенок ее выходной части. Чтобы исключить проскок пламени в горелку, скорость истечения из нее газовоздушной смеси при сжигании газа с низкой теплотой сгорания принимается не ниже 10-15, а с высокой теплотой сгорания - не ниже 20-30 м/с.

Для оценки необходимой по условиям смесеобразования длины факела применяют различные полуэмпирические соотношения. Отметим лишь, что длина факела уменьшается с уменьшением выходного размера горелки. Увеличение теплоты сгорания газа приводит к увеличению необходимой длины факела, так как на единицу топлива приходится большее значение V⁰_B и для перемешивания газа и воздуха требуется больший путь. Повышение концентрации окислителя в воздухе приводит к уменьшению значения что определяет и получение более короткого факела.

Длина факела в ламинарной области Re<ReKp увеличивается пропорционально тепловой нагрузке (скорости выхода газа из горелки), в турбулентной же области Re>ReKp длина факела мало зависит от нагрузки. Подогрев газа приводит к увеличению скорости его выхода (увеличению количества движения), что ускоряет процесс перемешивания и укорачивает факел. Увеличение скорости воздушного (облегающего) потока и повышение его температуры также приводят к сокращению длины факела.

Горелки с предварительным смешением газа с воздухом (см.рис.4.1,6), в которых имеет место полное или частичное подсасывание одной среды другой, рассчитывают как обычные струйные аппараты.

Значительное распространение получили газовые горелки, в которых воздушный поток поперечно пересекается мелкими газовыми струями как при центральной (рис 4.5,а), так и при периферийной (см. рис. 4.5, б) раздаче газа. Для улучшения смесеобразования развитие газовых струй в воздушном потоке может быть организовано в два- три слоя (рис.4.6).
Желаемая относительная глубина проникновения газовых струй в воздушный поток может быть определена по формуле

где d_r - диаметр отверстий для выхода газа, м; w_r - действительная скорость газа на выходе из отверстий, м/с; w_B - действительная скорость воздушного потока, м/с; р_г и р_в - плотности газа и воздуха при данных условиях, кг/м³; K_s - коэффициент пропорциональности, зависящий от отношения шага s между отверстиями к диаметру отверстий d_r - при изменении s/dT от четырех до бесконечности (одиночная струя) K_s изменяется от 1,6 до 2,2; ц - коэффициент, характеризующий отношение суммарного и набегающего потоков, т. е. массы смеси и массы воздуха:

здесь Б и V_B - расходы газа и воздуха, м³/с.

Газообразное топливо может применяться для котлов любой мощности. Общая производительность всех горелок должна обеспечивать полную тепловую мощность установки, т. е, соответствовать расчетному расходу топлива (запас 10-20%). С увеличением количества горелок единичная их производительность уменьшается. При этом имеется возможность более плавно регулировать производительность установки путем отключения отдельных горелок. Вместе с тем усложняются воздушные и газовые коммуникации и несколько усложняется эксплуатация агрегата.

Для сжигания доменного газа рекомендуется применять щелевые горелки со смесительными кирпичными каналами при встречной установке горелок на боковых или фронтовой и задней стенах топки. Применяют также вихревые и комбинированные горелки. Рекомендуется следующий расчет газовых горелок: коэффициент избытка воздуха на выходе из топки а_т=1,1; объемная плотность тепловыделения q_v = 0,24-0,25 МВт/м³; потеря теплоты от химического недожога q_x.н=1,5%.

При организации «беспламенного» сжигания доменного газа для установок малой паропроизводительности (до 5,5 кг/с) принимают а_г= 1,05-М, 1; q_v = 0,3/0,75 МВт/м³;

Для сжигания природного газа применяются горелки с центральной или периферийной подачей газа (рис. 4.5) при встречном, угловом и фронтовом их расположении. Рекомендуется следующий расчет газовых горелок и характеристики процесса: а_т= 1,1; q_v = 0,35/0,47 МВт/м³; q_x.н = 0,5%.

Для котельных установок с газоплотными цельносварными экранами расчет газовых горелок и расчетный коэффициент избытка воздуха в топке может быть снижен до 1,05. При сжигании газа в неэкранированных топках с целью защиты обмуровки от высокой температуры коэффициент избытка воздуха может быть увеличен до 1,2.Следует отметить, что значение qv часто выбирают из условия размещения в топке необходимого количества экранных поверхностей нагрева для снижения температуры газа перед конвективными поверхностями. Применение повышенного напора дутья и специальных устройств для улучшения перемешивания газа с воздухом дает возможность значительно повысить объемную плотность тепловыделения qv при сохранении высокой экономичности топочного процесса. Примером этого является организация сжигания газа в циклонных камерах, где значение qv составляет 5-10 МВт/м³ и более.