Эксплуатация газовых горелок котельных установок.

Сжигание газа производится в газовых горелках. В зоне горения, при устойчивом пламени, устанавливается динамическое равновесие между стремлением пламени продвинуться навстречу движению газовоздушной смеси и стремлением потока продвинуть пламя от устья горелки в топку.

Отрыв и проскок пламени в горелку являются пределами устойчивости работы горелок. Перемещение фронта пламени в направлении движения, полное отделение пламени от горелки и последующее его погасание можно наблюдать при большой скорости движения газовоздушной смеси. Это явление называется отрывом пламени. Если уменьшается подача и скорость выхода газовоздушной смеси нарушается стабильное горение, в результате чего пламя начинает втягиваться в горелку. При горении газовоздушной смеси внутри горелки, может произойти проскок пламени.

Необходимо для поддержания устойчивого горения обеспечивать необходимое соотношение между скоростями распространения пламени и поступления газовоздушной смеси к месту ее горения. Также большое влияние на устойчивость пламени имеет соотношение объемов газа и воздуха в газовоздушной смеси, чем больше газа, тем устойчивее будет пламя.

Если пламя проскакивает, горение газа происходит внутри горелки, что приводит к неполному сгоранию газа и образованию оксида углерода или даже погасанию пламени. Если горение газа происходит внутри горелки, горелка раскаляется и может выйти из строя. А при отрывном пламени газовоздушная смесь поступает в окружающее пространство, а это может привести к взрыву газовоздушной смеси. Очень важно обеспечить стабильное горение газа, чтобы создать условия его безопасного использования.

Устойчивость пламени газовоздушной смеси обеспечивается по средствам специальных устройств. Для удержания устойчивого пламени необходимо придерживаться таких условий:

- поддержание скорости выхода газовоздушной смеси в безопасных пределах;

- поддержание температуры в зоне горения не ниже температуры воспламенения газовоздушной смеси.

При попадании вместо газовоздушной смеси в горелку чистого газа пламя будет наиболее устойчиво, потому что в чистом газе пламя не распространяется и проскок пламени не возникает. При резком увеличении скорости выхода газа есть вероятность отрыва пламени, но это менее вероятно, чем при подаче газовоздушной смеси. Регулировать расход чистого газа в горелке можно в достаточно широких пределах.

При подаче газовоздушной смеси, с содержанием воздуха 50-60 % от теоретически необходимого для полного сжигания газа, обеспечивается горение менее устойчивое. Заранее подготовленные газовоздушные смеси для полного сжигания газа обеспечивают наименьшее горение пламени. Чем меньше воздуха содержится в газовоздушной смеси, тем устойчивее процесс его сгорания.

Добить стабилизации пламени, при сжигании полностью подготовленной газовоздушной смеси, можно с помощью специальных устройств (рис. 1).

Например, проскок пламени предотвращается, если сузить выходное отверстие для газовоздушной смеси, при этом увеличивающаяся скорость выхода смеси не позволяет произойти проскоку. Пламя не распространяется через узкие щели плоской стабилизирующей решетки (рис. 1, г), из-за быстрого охлаждения в них газовоздушной смеси. Предотвратить проскок пламени в горелку можно с помощью выходного отверстия в виде мелкой решетки. При охлаждении выходного отверстия носика горелки можно снизить вероятность проскока пламени, скорость распространения пламени в этом месте снижается, и температура смеси становится ниже температуры воспламенения.

С помощью установки различных устройств предотвращают отрыв пламени от горелки. Например, у устья горелки помещают небольшую дежурную горелку с устойчивым факелом для постоянного поджигания выходящей из горелки газовоздушной смеси, либо на поду печи выполняют горку из битого огнеупорного кирпича (рис. 1, в).

Широко используются при стабилизации горения огнеупорные тоннели. Газовоздушная смесь поступает из кратера горелки в цилиндрический тоннель (рис. 1, а, б) диаметр которого в 2-3 раза больше диаметра кратера горелки. Резкое расширении тоннеля вокруг корневой части факела создается разрежение, и вызывает обратное движение части раскаленных продуктов горения. За счет этого температура газовоздушной смеси в корне факела повышается и обеспечивается устойчивая зона зажигания. Такой же эффект достигается при размещении на выходе из горелки плохо обтекаемого тела (рассекающий стабилизатор (рис.1, в).

Розжиг газовых горелок, регулирование процесса горения, отключение горелок.
При работающих дымососе и вентиляторе :
установить разрежение в топке 10...20 Па (1 ...2 мм вод. ст.);
закрыть полностью заслонки на воздухопроводах перед горелками с принудительной подачей воздуха;
закрыть полностью регулятор подачи первичного воздуха на инжекционных горелках низкого давления;
инжекционные горелки среднего давления ИГК разжигаются при открытом положении регулятора подачи воздуха, так как при исправном стабилизаторе горения проскок пламени в них невозможен.

Порядок включения горелок и последовательность действий при их розжиге зависят от конструкции горелок, расположения их на котле, типа запального устройства, наличия и типа приборов автоматики, схемы газопроводов на котле и других условий.
Котлы могут оснащаться переносными запальниками и электрозапальниками, входящими в ЗЗУ.
Для розжига запальника необходимо вставить в огневой насадок зажженную спичку, а затем открыть кран для подачи газа. При зажигании газа при помощи переносного запальника нужно учитывать, что газовоздушная смесь, выходящая из устья основной горелки, отклоняется кверху. Поэтому запальное отверстие в топке должно находиться над горелкой или сбоку от нее. Если запальный факел окажется вне потока газовоздушной смеси основной горелки, то смесь не воспламенится. А если запальный факел полностью войдет в поток, то может произойти срыв пламени запальника. Поэтому запальник необходимо вводить на такую глубину, при которой в поток газовоздушной смеси попадает половина запального факела. Для этого запальник должен иметь фиксатор глубины ввода.
При розжиге горелок переносным запальником необходимо:
разжечь запальник;
ввести запальник в топку, проследив, чтобы он не погас;
приоткрыть запорное устройство на газовой линии, установить давление газа перед горелкой, соответствующее минимально устойчивому режиму (10... 15% номинального давления), и убедиться, что газ, выходящий из горелки, воспламеняется сразу;
при устойчивом пламени приоткрыть заслонку, регулирующую подачу воздуха на горелку;
отрегулировать разрежение на выходе из топки;
после розжига горелки погасить запальник и извлечь его из топки;
в соответствии с режимной картой увеличивать теплопроизводительность горелки.

Для розжига горелки с помощью электрозапальника необходимо повернуть ключ управления котлом в положение «розжиг». При этом срабатывает запально-защитное устройство в следующей последовательности: включается реле времени; включается катушка зажигания и между корпусом запальника и его центральным электродом возникает искра; открывается электромагнитный клапан запальника на линии подачи газа; при появлении пламени запальника контрольный электрод (либо фотодатчик) дает импульс на отключение катушки зажигания. Если за установленное время не произойдет воспламенение газа, реле времени отключит подачу газа.
Регулирование производительности горелок зависит от их типа. Для увеличения расхода газа в горелках с принудительной подачей воздуха сначала увеличивают расход газа, затем расход воздуха, далее регулируют разрежение на выходе из топки. Уменьшение расхода газа выполняется в иной последовательности: вначале уменьшают расход воздуха, затем газа и устанавливают заданное разрежение на выходе из топки.
Для увеличения или уменьшения расхода газа в инжекционных горелках соответственно повышают или понижают давление газа перед горелками и регулируют разрежение на выходе из топки.
В отрегулированных по условиям нормального горения топлива инжекционных горелках подачу воздуха регулировать не требуется, поскольку эти горелки обладают свойством саморегулирования.
При плановом отключении горелок необходимо медленно и небольшими порциями (в соответствии с производственной инструкцией) снижать расход газа и по достижении минимальной производительности полностью прекратить подачу газа.

Проскок и отрыв пламени в горелках. При работе горелок возможны случаи неустойчивого горения пламени двух видов - проскок пламени в горелку и отрыв пламени от горелки.
Проскок пламени в горелку - 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 от горелки - 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. Отрыв пламени от горелок любого типа происходит в том случае, когда скорость выхода газа или газовоздушной смеси больше скорости распространения пламени. Проскок пламени в горелку невозможен при диффузионном принципе сжигания. Проскок пламени для горелок с предварительным смешением топлива с окислителем может произойти, если скорость выхода газовоздушной смеси меньше скорости распространения пламени.
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 за верхним пределом производительности, указанным в паспорте.
Причинами проскока пламени в горелку могут быть понижение давления газа или воздуха, уменьшение производительности горелок с предварительным смешением газа и воздуха ниже значений, указанных в паспорте.

Стабилизация газового пламени
Сжигание газа осуществляют в газовых горелках. При устойчивом горении в зоне горения устанавливается динамическое равновесие между стремлением пламени продвинуться навстречу движению газовоздушной смеси и стремлением потока продвинуть пламя от устья горелки в топку.
Пределами устойчивости работы горелок являются отрыв и проскок пламени в горелку. При большой скорости движения газовоздушной смеси наблюдается перемещение фронта пламени в направлении движения, полное отделение пламени от горелки и последующее его погасание. Это явление называется отрывом пламени. При уменьшении подачи и скорости выхода газовоздушной смеси стабильное горение нарушается и пламя начинает втягиваться в горелку. Когда горение газовоздушной смеси происходит внутри горелки, возникает проскок пламени.
Итак, для поддержания устойчивого горения необходимо обеспечить определенное соотношение между скоростью распространения пламени и скоростью поступления газовоздушной смеси к месту ее горения. На устойчивость пламени оказывает влияние также соотношение объемов газа и воздуха в газовоздушной смеси, причем, чем больше газа, тем устойчивее пламя.
При проскоке пламени горение газа происходит внутри горелки. Это приводит к неполному сгоранию газа и образованию оксида углерода или даже погасанию пламени. Горение газа внутри горелки приводит к тому, что она раскаляется и может выйти из строя. При отрыве пламени газовоздушная смесь поступает в окружающее пространство, что может привести к взрыву газовоздушной смеси. По этому обеспечение стабильного горения газа - важнейшее условие его безопасного использования.
Стабилизацию пламени газовоздушной смеси можно обеспечить с помощью специальных устройств. Необходимые условия при этом: поддержание скорости выхода газовоздушной смеси в безопасных пределах; поддержание температуры в зоне горения не ниже температуры воспламенения газовоздушной смеси.
Когда в горелку поступает не газовоздушная смесь, а чистый газ, пламя наиболее устойчиво. Объясняется это тем, что в чистом газе пламя не распространяется и проскок пламени не возникает. Однако при резком увеличении скорости выхода газа может произойти отрыв пламени, но и он менее вероятен, чем при подаче газовоздушной смеси. При подаче чистого газа в горелку его расход можно регулировать в достаточно широких пределах.
Если же к факелу подается газовоздушная смесь, содержащая 50-60 % воздуха от теоретически необходимого для полного сжигания газа, то горение такой смеси будет менее устойчивым. Наименее устойчиво горение заранее подготовленных для полного сжигания газа газовоздушных смесей. Итак, чем меньше воздуха содержится в газовоздушной смеси, тем устойчивее процесс его сгорания.
Стабилизация пламени при сжигании полностью подготовленной газовоздушной смеси достигается с помощью специальных устройств. Например, проскок пламени предотвращается, если сузить выходное отверстие для газовоздушной смеси. Увеличивающаяся при этом скорость выхода смеси не позволяет произойти проскоку. Пламя не распространяется через узкие щели плоской стабилизирующей решетки, так как в них газовоздушная смесь быстро охлаждается. Если выходное отверстие выполнено в виде мелкой решетки, то это тоже предотвращает проскок пламени в горелку. Вероятность проскока пламени можно снизить, если охлаждать выходное отверстие носика горелки. Скорость распространения пламени в этом месте снижается, и температура смеси становится ниже температуры воспламенения.
Отрыв пламени от горелки предотвращенают установкой различных устройств. Например, у устья горелки помещают небольшую дежурную горелку с устойчивыи факелом для постоянного поджигания выходящей из горелки газовоздущной смеси, либо на поду печи выполняют горку из битого огнеупорного кирпича.
Наибольшее распространение получила стабилизация горения с помощью огнеупорных тоннелей. Газовоздушная смесь поступает из кратера горелки в цилиндрический тоннель диаметр которого в 2-3 раза больше диаметра кратера горелки. При резком расширении тоннеля вокруг корневой части факела создается разрежение, что вызывает обратное движение части ракаленных продуктов горения. За счет этого температура газовоздушной смеси в корне факела повышается и обеспечивается устойчивая зона зажигания. Такой же эффект достигается при размещении на выходе из горелки плохо обтекаемого тела (рассекающий стабилизатор).

Устойчивость горения является существенным фактором, опре­деляющим надежность работы газовых горелок. В практике сжига­ния газа часто приходится сталкиваться с нарушением устойчивой работы горелок, вызываемым либо отрывом пламени от насадка горелки, либо проскоком пламени в ее смесительную часть.

Пламя сохраняет устойчивость, т. е. остается неподвижным от­носительно насадка горелки, в тех случаях, когда в зоне горения устанавливается равновесие между стремлением пламени продви­нуться навстречу потоку газовоздушной смеси и стремлением по­тока отбросить пламя от горелки. Однако такое равновесие наблю­дается в очень узком диапазоне скоростей выхода газовоздушной смеси из горелки.

Отрыв пламени возникает, когда скорость истечения газовоз­душной смеси превосходит скорость распространения пламени и оно, отрываясь от горелки, полностью или частично гаснет. Он мо­жет происходить и при розжиге или выключении горелок, а во время работы - из-за быстрого изменения нагрузки или при чрез­мерном увеличении разрежения в топке и может иметь место у всех типов горелок.

Отрыв пламени приводит к загазованию топки и газоходов, а также к накоплению в помещении газов. Это может повлечь за собой взрыв в топочной камере или газоходах агрегата с после­дующими серьезными разрушениями.

Проскок пламени (обратный удар) -это проникновение пла­мени внутрь горелки. Такое явление происходит в том случае, когда скорость истечения газовоздушной смеси из горелки меньше скорости распространения пламени. Чаще всего проскок происхо­дит при неправильном зажигании и выключении горелки, а также при быстром снижении ее производительности. В результате про­скока может произойти перегрев горелки или хлопок внутри нее, а также прекращение горения и загазование помещения. Проскок пламени может быть только у горелок с предварительным смеше­нием газа и воздуха.

На рис. 5 в качестве примера даны кривые, показывающие пре­делы-отрыва и проскока пламени при сжигании природного газа в зависимости от величины избытка воздуха для инжекционной го­релки среднего давления с диаметром насадка 35 мм. Приведенные кривые соответствуют пределам устойчивого горения при работе горелки в атмосферных условиях, т. е. без стабилизации горения, и при сжигании газа в топочной камере со стабилизатором. Кри­вая 2 показывает, при каких скоростях шсм наблюдается для раз­

Личных газовоздушных смесей отрыв пламени от устья горелки, а кривая / - при каких скоростях наблюдается проскок пламени. Из рисунка видно, что при коэффициенте избытка воздуха аг=1,1 горелка может работать только в узком диапазоне скоростей - от 1,15 до 1,75 м/сек.

Уменьшение содержания первичного воздуха в смеси расширяет пределы устойчивого горения, так как возрастает значение скоро­сти, при которой наступает отрыв, и уменьшается значение скоро­сти, когда наступает проскок пламени. Таким образом, область устойчивого горения газа в горелке располагается между кривыми

Проскока и отрыва пламени. Следовательно, от ширины этой зоны зависит диапазон регули­рования газовой горелки.

На рис. 5 приведены пре­дельные кривые устойчивого горения при работе этой же горелки, снабженной стабили­затором в виде керамического туннеля. Кривая 3 характери­зует проскок пламени. Отрыв пламени в этом случае вообще не получен при имевшемся дав­лении газа. Известно, что от­рыв пламени в керамических туннелях наступает при скоро­стях выхода газовоздушной смеси свыше 100 м/сек, а эти горелки обычно работают со скоростями порядка 30 м/сек.

Очевидно, что диапазон скоростей устойчивой работы горелки со стабилизатором значительно возрос. При избытке воздуха (аг=1,1) горелка может работать в диапазоне скоростей от

2,0 м/сек до максимально достижимых значений. Если в первом случае диапазон устойчивой работы горелки П составлял всего 1: 1,5, то во втором случае он превышает 1: 10.

Существенное влияние на надежность работы многофакельных горелок, особенно частичного предварительного смешения, оказы­вает величина расстояния между отверстиями, при которой проис­ходит надежное зажигание факелов друг от друга. В то же время уменьшение расстояния между отверстиями может привести к слиянию факелов, что затруднит подвод вторичного воздуха к ним. Следовательно, расстояния между газовыпускными отвер­стиями в горелке следует выбирать так, чтобы, с одной стороны, было обеспечено надежное зажигание факелов друг от друга, а с другой - отсутствовало слияние факелов.

В табл. 3 для горелок низкого давления приведены максималь­ные и минимальные расстояния между отверстиями, при которых

Обеспечивается надежное зажигание факелов и отсутствует их слияние для сланцевого газа (<2Н=3400 ккал/м3), природного газа (фн=8500 ккал/м3) и их смесей (фн=6000-^-7500 ккал/м3).

Таблица 3

При горении газовоздушных смесей в ламинарном потоке устойчивой частью конусного фронта пламени является только его нижняя периферийная часть, прилегающая к кромке огневого канала горелки. Объясняется это тем, что в этом месте фронт пламени за счет тормозящего действия стенки канала развернут по горизонтали. стабилизация конусного фронта горения обусловливается наличием постоянного источника зажигания в виде кольцевого пояска, без которого остальная часть фронта была бы снесена потоком газовоздушной смеси. При повышении форсировки горелки, т. е. при переходе ламинарного режима движения в турбулентный, ширина зажигающего пояска начинает уменьшаться, пока не станет ничтожно малой. В этом случае устойчивость фронта горения нарушается, и пламя начинает отрываться от кромки горелки. Наоборот, при чрезмерном снижении форсировки горелки скорость распространения пламени в кольцевой пристенной области может превышать скорость потока, и пламя начинает втягиваться внутрь сместителя горелки. Первый случай получил название отрыва пламени, а второй - проскока, или обратного удара пламени.

В практике при отрыве пламени наблюдаются следующие явления:

Срыв пламени с горелки, вызывающий его погасание;

Отрыв от кромки огневого канала, когда пламя достигает нового достаточно устойчивого положения в потоке над горелкой;

Срыв поднятого пламени, ведущий к его погасанию;

Обратный отброс приподнятого факела к кромке огневого канала горелки;

Создание взвешенного пламени при движении струи на некотором расстоянии от горелки.

Пределы устойчивой работы горелок ограничиваются скоростью отрыва и скоростью проскока пламени. Для расширения диапазона устойчивости горения любых горючих газовоздушных смесей скорость потока принимается в несколько раз большей скорости отрыва. Предотвращение отрыва пламени в этих случаях достигается различными искусственными стабилизаторами. Стабилизатор представляет собой оголовок инжекционной горелки, в котором часть горючей смеси (5-10 %) проходит через боковые отверстия 1 в канал 2, где возникает спокойное кольцевое пламя, окружающее основной поток .

Рис. 6.1 Схемы стабилизаторов горения в отношении отрыва пламени: а - кольцевой стабилизатор; б - стабилизатор в виде цилиндрического туннеля; в - стабилизатор в виде осесимметричного тела; г - стабилизатор в виде шамотной наброски; 1 - боковые отверстия; 2 - канал.

Стабилизирующее действие этого устройства основано на рециркуляции части раскаленных продуктов горения к корню струи, возникающей за счет создаваемого струёй разрежения. Конструкции стабилизирующих туннелей и их оптимальные размеры могут быть различны в зависимости от типа горелок и способов их установки в топках. В тех случаях, когда установка кольцевых и туннельных стабилизаторов горения нецелесообразна или неудобна, применяются U-образные стабилизаторы, размещаемые в центральной части потока газовоздушной смеси. В качестве простейших стабилизаторов, создающих обратные токи продуктов горения, применяются также стержни, размещаемые поперек потока смеси. В отдельных случаях для стабилизации горения используются шамотные наброски (горки), размещенные в непосредственной близости от кратера горелки .