Газовые горелки. Виды, характеристики, устройство газовых горелок

1. Классификация горелок

Основные функции газовых горелок:

• подача газа и воздуха к фронту горения газа;
• смесеобразование;
• стабилизация фронта воспламенения;
• обеспечение требуемой интенсивности процесса горения газа.

Горелки можно классифицировать по:

• методу сжигания газа,
• способу подачи воздуха,
• давлению газа,
• излучающей способности горелки,
• расположению горелки в топочном пространстве.

По способу подачи воздуха горелки подразделяются:

• на бездутьевые, в которых воздух поступает в топку за счет разрежения в ней;
• инжекционные, в которые воздух засасывается за счет энергии струи газа;
• дутьевые, в которых воздух подается в горелку или топку с помощью вентилятора.

Горелки могут работать при различных давлениях газа:

• низком – до 5000 Па,
• среднем – от 5000 Па до 0,3 МПа,
• высоком – более 0,3 МПа.

Наибольшее распространение имеют горелки, работающие на низком и среднем давлениях газа.

Важная характеристика горелки – ее тепловая мощность, кДж/ч:

Q_T = Q_HV_ч, (1)

где Q_H – низшая теплотворная способность газа, кДж/м³; V_ч – часовой расход газа горелкой, м³/ч.

Различают максимальную, минимальную и номинальную тепловые мощности газовых горелок.

Максимальная тепловая мощность достигается при длительной работе горелки с большим расходом газа и без отрыва пламени.

Минимальная тепловая мощность возникает при устойчивой работе горелки при наименьших расходах газа без проскока пламени.

Номинальная тепловая мощность горелки соответствует режиму работы с номинальным расходом газа, то есть расходу, обеспечивающему наибольший КПД при наибольшей полноте сжигания газа. В паспортах горелок указывают номинальную тепловую мощность. Максимальная тепловая мощность горелки должна превышать номинальную не более чем на 20 %. Если номинальная тепловая мощность горелки по паспорту 10000 кДж/ч, то максимальная должна быть 12000 кДж/ч.

Важная характеристика горелки – предел регулирования тепловой мощности n = 2–5:

n = Q_{r min}/Q_{r max} (2)

где Q_{r min} – минимальная тепловая мощность горелки; Q_{r max} – максимальная тепловая мощность горелки.

Общие требования для всех горелок: обеспечение полноты сгорания газа, устойчивость при изменениях тепловой мощности, надежность в эксплуатации, компактность, удобство обслуживания.

2. Диффузионные горелки

В таких горелках воздух, необходимый для сгорания газа, поступает из окружающего пространства к фронту факела за счет диффузии. Газ подается в горелку без примеси первичного воздуха и смешивается с ним за пределами горелки. Поэтому эти горелки называют горелками внешнего смешения.

Наиболее простые по конструкции диффузионные горелки представляют собой трубу с высверленными отверстиями. Расстояние между отверстиями выбирают с учетом скорости распространения пламени от одного отверстия к другому.

К промышленным горелкам диффузионного типа относят подовые щелевые горелки (рис. 1). Они представляют собой трубу диаметром до 50 мм, в которой в два ряда просверлены отверстия диаметром до 4 мм. Коллектор горелки размещают над колосниковой решеткой в кирпичном канале. Канал представляет собой щель в поде котла, откуда и название горелок – подовые щелевые.

Рис. 1. Подовая диффузионная горелка: 1– регулятор воздуха; 2 – горелка; 3 – смотровое окно; 4 – центрирующий стакан; 5 – горизонтальный тоннель; 6 – выкладка из кирпича; 7 – колосниковая решетка

Из горелки 2 газ выходит в топку, куда из-под колосников 7 поступает воздух. Газовые струйки направляются под углом к потоку воздуха и равномерно распределяются по его сечению. Процесс смешения газа с воздухом осуществляется в специальной щели, выполненной из огнеупорного кирпича. Благодаря такому устройству усиливается процесс смешивания газа с воздухом и обеспечивается устойчивое зажигание газовоздушной смеси.

3. Инжекционные горелки

Основной элемент инжекционной горелки – инжектор, подсасывающий воздух из окружающего пространства внутрь горелок. В зависимости от количества воздуха горелки могут быть с неполной инжекцией воздуха и с полным предварительным смешением газа с воздухом.

Горелки с неполной инжекцией воздуха. В таких горелках к фронту горения поступает только часть необходимого для сгорания воздуха, остальной воздух поступает из окружающего пространства. Такие горелки работают при низком давлении газа и называются инжекционными горелками низкого давления.

Основными частями инжекционных горелок являются регулятор первичного воздуха, форсунка, смеситель и коллектор.

Инжекционные горелки низкого давления имеют ряд положительных качеств, благодаря которым их применяют в бытовых газовых приборах, а также в газовых приборах для предприятий общественного питания и других коммунально-бытовых потребителей газа. Инжекционные горелки используют также в чугунных отопительных котлах.

Важная характеристика инжекционных горелок неполного смешения – коэффициент инжекции: отношение объема инжектируемого воздуха к объему воздуха, необходимого для полного сгорания газа. Так, если для полного сгорания 1 м³ газа необходимо 10 м³ воздуха, а первичный воздух составляет 4 м³, то коэффициент инжекции равен 4 : 10 = 0,4.

Характеристикой горелок является также кратность инжекции – отношение первичного воздуха к расходу газа горелкой. В данном случае, когда на 1 м³ сжигаемого газа инжектируется 4 м³ воздуха, кратность инжекции равна 4.

Пределы устойчивой работы инжекционных горелок ограничены возможностями отрыва и проскока пламени. Это значит, что увеличить или уменьшить давление газа перед горелкой можно только в определенных пределах.

Достоинство инжекционных горелок – это их свойство саморегулирования, то есть поддержание постоянной пропорции между

количеством подаваемого в горелку газа и количеством инжектируемого воздуха при постоянном давлении газа.

Горелки с полным предварительным смешением газа с воздухом. Инжекция воздуха, необходимого для полного сгорания газа, обеспечивается повышенным давлением газа. Горелки полного смешения газа работают в диапазоне давлений от 5000 Па до 0,5 МПа. Их называют инжекционными горелками среднего давления и применяют в основном в отопительных котлах и для обогрева промышленных печей. Тепловая мощность горелок обычно не превышает 2 МВт.

Эти горелки дают малосветящийся факел, что уменьшает количество радиационной теплоты, передаваемой нагреваемым поверхностям. Для увеличения количества радиационной теплоты эффективно применение в топках котлов и печей твердых тел, которые воспринимают теплоту от продуктов горения и излучают ее на тепловоспринимающие поверхности. Эти тела называют вторичными излучателями. В качестве вторичных излучателей используют огнеупорные стенки тоннелей, стенки топок, а также специальные дырчатые перегородки, установленные на пути движения продуктов сгорания.

Горелки с полным предварительным смешением газа с воздухом подразделяют на два типа: с металлическими стабилизаторами и с огнеупорными насадками.

Инжекционная горелка конструкции Казанцева состоит из регулятора первичного воздуха, форсунки, конфузора, смесителя, насадка и пластинчатого стабилизатора (рис. 2).

Рис. 2. Инжекционная горелка Казанцева: 1 – стабилизатор; 2 – насадок; 3 – конфузор; 4 – форсунка; 5 – регулятор первичного воздуха

Регулятор первичного воздуха 5 горелки одновременно выполняет функции глушителя шума, который создается за счет повышенных скоростей движения газовоздушной смеси. Пластинчатый стабилизатор 1 обеспечивает устойчивую работу горелки без отрыва и проскока пламени в широком диапазоне нагрузок. Стабилизатор состоит из стальных пластин толщиной 0,5 мм при расстоянии между ними 1,5 мм. Пластины стабилизатора стягивают между собой стальными стержнями, которые на пути движения газовоздушной смеси создают зону обратных токов горячих продуктов сгорания и непрерывно поджигают газовоздушную смесь. В горелках с огнеупорными насадками природный газ сгорает с образованием малосветящегося пламени. В связи с этим передача теплоты излучением от факела горящего газа оказывается недостаточной.

В современных конструкциях газовых горелок значительно повысилась эффективность использования газа. Малая светимость факела газа компенсируется излучением раскаленных огнеупорных материалов при сжигании газа методом беспламенного горения.

Газовоздушная смесь у этих горелок приготавливается с небольшим избытком воздуха и поступает в раскаленные огнеупорные каналы, где она интенсивно нагревается и сгорает. Пламя не выходит из канала, поэтому такой процесс сжигания газа называется беспламенным. Это название условное, так как в каналах пламя имеется. Газовоздушная смесь подогревается от раскаленных стенок канала. В местах расширения каналов и вблизи от плохо обтекаемых тел создаются зоны задержки горячих продуктов сгорания. Такие зоны – устойчивые источники постоянного подогрева и зажигания газовоздушной смеси.

На рис. 3 показана беспламенная панельная горелка. Поступающий в сопло 5 из газопровода 7 газ инжектирует необходимое количество воздуха, регулируемое регулятором первичного воздуха 6. Образовавшаяся газовоздушная смесь через инжектор 4 поступает в распределительную камеру 3, проходит по ниппелям 2 и поступает в керамические тоннели 1. В этих тоннелях происходит сжигание газовоздушной смеси. Распределительная камера 3 теплоизолирована от керамических призм 8 слоем диатомовой крошки, что сокращает теплоотвод из реакционной зоны.

Рис. 3. Беспламенная панельная горелка: 1 – тоннель; 2 – ниппель; 3 – распределительная камера; 4 – инжектор; 5 – сопло; 6 – регулятор воздуха; 7 – газопровод; 8 – керамические призмы

Беспламенное сжигание газа имеет следующие преимущества: полное сгорание газа; возможность сжигания газа при малых избытках воздуха; возможность достижения высоких температур горения; сжигание газа с высоким тепловым напряжением объема горения; передача значительного количества теплоты инфракрасными лучами.

Существующие конструкции беспламенных горелок с огнеупорными насадками по конструкции их огневой части подразделяют на:

• горелки с насадками, имеющие каналы неправильной геометрической формы;
• горелки с насадками, имеющие каналы правильной геометрической формы;
• горелки, у которых пламя стабилизируется на огнеупорных поверхностях топки.

Наиболее распространены горелки с насадками правильной геометрической формы. Огнеупорные насадки таких горелок состоят из керамических плиток размером 65x45x12 мм. Беспламенные горелки называют также горелками инфракрасного излучения.

Все тела – источники теплового излучения, возникающего за счет колебательного движения атомов. Каждой температуре соответствует определенный интервал длин волн, излучаемых телом. В данном случае передача теплоты излучением происходит в инфракрасной области спектра, а горелки, работающие по этому принципу, называются горелками инфракрасного излучения (рис. 4).

Рис. 4. Горелки инфракрасного излучения: а – схема горелки: 1 – рефлектор; 2 – керамическая плитка; 3 – смеситель; 4 – сопло; 5 – корпус; 6 – сборная камера; б, в и г – соответственно горелки ГИИ-1, ГИИ-8 и ГК-1-38

Через сопло 4 (рис. 4, а) газ поступает в горелку и инжектирует весь воздух, необходимый для полного сгорания газа. Из горелки газовоздушная смесь поступает в сборную камеру 6 и далее направляется в огневые отверстия керамической плитки 2. Во избежание проскока пламени диаметр огневых отверстий должен быть меньше критической величины и составлять 1,5 мм. Выходящая из огневых камер газовоздушная смесь поджигается при малой скорости ее вылета, чтобы избежать отрыва пламени.

В дальнейшем скорость вылета газовоздушной смеси можно увеличить (полностью открыть кран), так как керамические плитки нагреваются до 1000 °С и отдают часть теплоты газовоздушной смеси, что приводит к увеличению скорости распространения пламени и предотвращению его отрыва.

Керамические плитки имеют около 600 огневых цилиндрических каналов, что составляет около 40 % поверхности плиток.

Плитки соединяют друг с другом специальной замазкой, состоящей из смеси шамотного порошка с цементом.

Если инфракрасные горелки работают на газе среднего давления, то применяют специальные плиты из жаропрочных пористых материалов. Вместо цилиндрических каналов у них узкие искривленные каналы, которые заканчиваются расширяющимися камерами сгорания.

При сжигании газа в многочисленных каналах различных насадок происходит нагрев внешних поверхностей каналов до температуры примерно 1000 °С. В результате поверхности приобретают оранжево-красный цвет и становятся источниками инфракрасных лучей, которые поглощаются различными предметами и вызывают их нагрев.

На рис. 4, б – г показаны наиболее распространенные типы инфракрасных горелок. У горелок ГИИ-1 имеются 21 керамическая плитка, рефлектор и распределительная коробка. С помощью горелок ГИИ можно обогревать помещения и различное оборудование. Горелки используют и для обогрева открытых площадок (спортивные площадки, кафе, помещения летнего типа и т. д.).

Горелку ГК-1-38 успешно применяют для подогрева строящихся стен и штукатурки, обогрева людей, работающих в зимних условиях. Горелка может работать на природном и сжиженном газах.

4. Горелки с принудительной подачей воздуха

В этих горелках воздух, необходимый для сгорания газа, подается в горелку с помощью вентилятора, процесс образования газовоздушной смеси начинается в самой горелке и завершается в топке, газ сгорает коротким и несветящимся пламенем. Горелки с принудительной подачей воздуха часто называют двухпроводными и смесительными, так как в них происходит полное перемешивание газовоздушной смеси.

Наиболее распространенные конструкции этих горелок работают на низком давлении газа и воздуха (рис. 5). Однако некоторые конструкции можно использовать и при среднем давлении газа.

Рис. 5. Горелка с принудительной подачей воздуха низкого давления: 1 – сопло; 2 – корпус; 3 – фронтальная плита; 4 – керамический тоннель

Горелки предназначены для установки в топках котлов и в других агрегатах с небольшим объемом топки, а также в нагревательных и сушильных печах.

Газ давлением до 1200 Па поступает в сопло 1 и выходит из него через восемь отверстий диаметром 4,5 мм. Отверстия расположены под углом 30° к оси горелки. В корпусе 2 горелки устроены специальные лопатки, придающие потоку воздуха вращательное движение. Таким образом, газ в виде мелких струек пересекается в закрученном потоке воздуха и создается хорошо перемешанная газовоздушная смесь. Горелка заканчивается керамическим тоннелем 4, имеющим запальное отверстие.

Основные достоинства таких горелок: возможность сжигания большого количества газа; широкий диапазон регулирования производительности; возможность подогрева воздуха и газа до температур, превышающих температуру воспламенения.

5. Комбинированные горелки

Такие горелки применяют при:

• перебоях в подаче газа, когда необходимо срочно перейти на другой вид топлива;
• когда газовое топливо не обеспечивает необходимого температурного режима топки;
• если подача газа на данный объект производится только в определенное время (ночью) для выравнивания суточной неравномерности газопотребления.

Наибольшее распространение получили газомазутные горелки (рис. 6) с принудительной подачей воздуха. Горелка состоит из газовой, воздушной и жидкостной частей. Газовая часть представляет собой полое кольцо, имеющее штуцер для подвода газа и восемь трубочек для распыления газа.

Рис. 6. Комбинированная газомазутная горелка с принудительной подачей воздуха: 1 – мазутная форсунка; 2 – воздушная камера; 3 – завихритель; 4 – трубка выхода газа; 5 – воздушная регулировочная заслонка; 6 – корпус

Жидкостная часть горелки состоит из мазутной головки и внутренней трубки, заканчивающейся форсункой 1. Подача мазута в горелку регулируется вентилем. Воздушная часть горелки состоит из корпуса 6, завихрителя 3, воздушной заслонки 5, с помощью которой можно регулировать подачу воздуха. Завихритель служит для лучшего перемешивания струи мазута с воздухом. Давление воздуха 2–3 кПа, давление газа до 50 кПа, а давление мазута – до 0,1 МПа.

Применение комбинированных горелок дает более высокий эффект, чем одновременное использование газовых горелок и мазутных форсунок или газовых и пылеугольных горелок.

Комбинированные горелки необходимы для надежной и бесперебойной работы газоиспользующих установок крупных промышленных предприятий, электростанций и других потребителей, для которых перерыв в работе недопустим.

Принцип действия комбинированной пылегазовой горелки с центральной подачей газа иллюстрируется рис. 7. При работе на угольной пыли в топку по кольцевому каналу 4 центральной трубы подается смесь первичного воздуха с угольной пылью, а вторичный воздух поступает в топку через улитку 1.

Рис. 7. Комбинированная пылегазовая горелка с центральной подачей газа: 1 – улитка для закручивания воздушного потока; 2 – наконечник газоподводящих труб; 3 – кольцевой канал для подачи газа; 4 – кольцевой канал для подачи смеси первичного воздуха с угольной пылью

В качестве резервного топлива служит мазут, в этом случае в центральной трубе устанавливается мазутная форсунка. При переводе горелки на газовое топливо мазутную форсунку заменяют кольцевым каналом, по которому подается газовое топливо.

В центральной части канала установлена труба с чугунным наконечником 2. В наконечнике 24 косые щели, через которые выходит газ, пересекающийся с потоком закрученного воздуха, выходящего из улитки 1. В усовершенствованных конструкциях горелок в наконечнике вместо щелей предусмотрено 115 отверстий диаметром 7 мм. В результате скорость выхода газа увеличилась почти в два раза (до 150 м/с).

В новых конструкциях горелки применяется периферийная подача газа, при которой газовые струйки, имеющие более высокую скорость, чем воздушные, пересекают закрученный поток воздуха, движущийся со скоростью 30 м/с, под прямым углом. Такое взаимодействие потоков газа и воздуха обеспечивает быстрое и полное их перемешивание, в результате чего газовоздушная смесь сгорает с минимальными потерями.

Технические характеристики горелок приведены в табл. 1.

Таблица 1. Технические характеристики горелок БГ-Г

Блочные газовые горелки БГ-Г (рис. 8) предназначены для использования в камерах сгорания тепловых агрегатов различного назначения (паровые и водогрейные котлы, печи, асфальтосмесительные установки и т. д.).

Во входной части корпуса 1 расположен воздухозаборник 14, в котором на оси 13 установлена воздушная заслонка 15 с приводом. Привод воздушной заслонки состоит из электромагнита 17 и системы рычагов, связанных с осью заслонки. К корпусу 1 крепится электродвигатель 25, на вал которого насажен центробежный вентилятор 24.

К фланцу корпуса крепится смеситель 8, внутри которого установлен газовый насадок 7 с завихрителем 9 и электродами 20, 27 и 28. К торцу смесителя крепится горловина.

Рис. 8. Горелка блочная газовая БГ-Г: 1 – корпус; 2 – глазок смотровой; 3 – генератор импульсный; 4 – датчик реле давления воздуха; 5 – палец быстросъемный; 6 – провод высоковольтный; 7 – насадок газовый; 8 – переходник (смеситель) с соплом; 9 – завихритель; 10 – кольцо уплотнительное; 11 – прокладка; 12 – разводка газовая; 13 – ось; 14 – воздухозаборник; 15 – заслонка воздушная; 16 – кронштейн; 17 – электромагнит; 18 – пульт управления; 19 – клапан электромагнитный; 20 – датчик ионизационный (электрод контрольный); 21 – вентиль газовый; 22 – датчик реле давления газа; 23 – кран; 24 – вентилятор; 25 – электродвигатель; 26 – реле; 27 – электрод нулевой; 28 – электрод запальный

Для доступа к газовому насадку и подводящим высоковольтным проводам 6 электродов смеситель при помощи двух быстросъемных пальцев 5 может откидываться в одну или другую сторону.

Газовый насадок 7 соединен с газовой разводкой 12, на которой установлена – в зависимости от типоразмера горелки – необходимая газовая арматура. Места соединений газового насадка 7 с газовой разводкой 12 и газовой разводки со смесителем горелки уплотнены уплотнительным кольцом 10 и прокладкой 11.

Управляют работой горелки с пульта управления 18, который крепится к корпусу с помощью кронштейна 16.

Воздух в горелку подается электровентилятором. Количество воздуха, поступающего в зону горения, регулируют воздушной заслонкой 15.

При номинальной тепловой мощности горелки электромагнит обесточен, и воздушная заслонка открыта (положение 0 на лимбе воздухосборника). В режиме «малый огонь» на электромагнит подается питание, он срабатывает, и воздушная заслонка, поворачиваясь на оси, перекрывает воздухосборник (положение 3 на лимбе воздухосборника).

Газ поступает по газовой разводке 12 в газовый насадок 7 и через его отверстия попадает в поток воздуха, закрученный завихрителем 9. Количество газа, подаваемого на горение, регулируют электромагнитными вентилями.

Газовоздушная смесь поджигается искрой, возникающей между запальным электродом 28 и газовым насадком 7 при подаче тока высокого напряжения от импульсного генератора 3.

Давление газа перед горелкой контролируют датчиком-реле 22, а давление воздуха для горения – датчиком-реле 4. Наличие пламени контролируют блоком контроля пламени, расположенным в пульте управления и получающим импульс от датчика контроля пламени 20. Для наблюдения за горением на корпусе горелки имеется смотровой глазок 2.

Режим продувки. Включают электровентилятор, подающий воздух в горелку. Привод обесточен, заслонка 15 полностью открыта, подается максимальное количество воздуха для обеспечения продувки. Электромагнитные вентили на газовой разводке обесточены, что препятствует подаче газа в горелку.

Режим розжига. По окончании продувки горелка переходит в режим розжига: на привод подается питание, он поворачивает ось 13 заслонки 15, уменьшая подачу воздуха для обеспечения розжига горелки. Одновременно включается клапан 19 (на горелках БГ-Г-0,5 и БГ-Г-0,65 включаются два электромагнитных вентиля), подавая газ в горелку, и импульсный генератор 3, подавая высокое напряжение на запальный электрод 28. Искра, возникающая между газовым насадком 7 и запальным электродом 28, поджигает газовоздушную смесь.

Режим розжига горелки одновременно является режимом «малый огонь».

Режим эксплуатации. При нормальном розжиге с появлением пламени и устойчивом горении дополнительно включается электромагнитный вентиль 21, отключается электромагнит 17, обеспечивая максимальное открытие воздушной заслонки 15. Горелка переходит в режим «большой огонь». Тепловую мощность регулируют с помощью регулятора температуры (для паровых котлов – давления пара, который при необходимости подает сигнал на пульт управления для изменения расхода газа и воздуха).

Горелка работает в режиме нормальной эксплуатации с трехступенчатым регулированием тепловой мощности.

Горелка БГ-Г-0,12, в зависимости от варианта изготовления, работает в режиме трехступенчатого или двухступенчатого регулирования.