Тема 5. Способы сжигания топлив и горелочные устройства.
5.1. Способы сжигания твердого топлива
5.2. Сжигание жидких топлив
5.2.1. Качество мазута.
5.2.2. Проблемы подготовки мазута к сжиганию
5.2.3. Проблемы при использовании мазута на котельных и ТЭЦ
5.3. Сжигание газообразных топлив
5.3.1. Подготовка газа
5.3.2. Особенности процесса горения природного газа
5.3.3. Сжигание газообразного топлива
5.3.4. Газовые горелки
5.4. Комбинированные горелки
5.5. Приборы контроля пламени
5.6. Газоанализаторы
5.7. Примеры газовых горелок
5.7.1. БК-2595ПС
5.7.2. МДГГ
5.7.3.БИГ-2-14
Weishaupt WG40
5.8. Удаление продуктов горения.
Горелочные устройства для сжигания жидких топлив
На газифицированных или угольных котельных с установленной мощностью свыше 20 МВт в качестве резервного топлива используется мазут, а также в последнее время жидкое печное топливо.. Мазут применяют не только как резервное топливо для котельных агрегатов средней и большой производительности, но и как растопочное топливо для пылеугольных топок и дополнительное при комбинированном сжигании газа с жидким топливом В соответствии со СНиП 11-35-76 «Котельные установки» запасы мазута на котельных должны составлять не менее десятисуточного расхода при доставке по железной дороге и пятисуточного автомобильным транспортом. Работа котельных на мазуте осуществляется очень редко (в периоды ограничения потребления газового или угольного топлива), поэтому его обновление растягивается на длительное время. При длительном хранении мазут постепенно ухудшает свои качества и создает дополнительные технические сложности эксплуатационному персоналу. Рассмотрим проблемы, которые возникают перед эксплуатационным персоналом котельных в процессе поступления, длительного хранения, транспортировки из мазутохранилища, подготовке и сжиганию в топке котлов вязких тяжелых мазутов.
Качество мазута
Как известно, нефть добывается из подземных пластов вместе с водой. И, несмотря на то, что нефтеперерабатывающая промышленность должна по ГОСТ 10585-75* поставлять мазут с влажностью от 0,3 до 1,5%, на самом деле его влажность в результате сливо-наливных операций и хранения в резервуарах достигает 3-5 %, а при длительном хранении и до 20%. Вода в мазуте частично отстаивается, распределяясь в виде линз, прослоек и т.д., или присутствует в виде глобул (капелек) с размерами от единиц до сотен микрометров. Попытки удаления воды с помощью отстаивания не достигают цели, поскольку плотность тяжелого мазута практически не отличается от плотности воды даже при нагревании до 90 °С.
Табл.5.2.1 Отдельные показатели мазута.
| Показатель | Единица измерения | 1993-1996 гг. | 2003-2005 гг. |
| Плотность | г/см3 | 0,95-0,97 | 0,99-1,05 |
| Вязкость при 50 °С | М3/С | (260-400)- 1 06 | (400-690)- 1 06 |
| Коксуемость | - | 10 | 10-15 |
| Содержание: | |||
| серы | % | 2-3,5 | 3,5-5 |
| воды | % | 1-2 | 6-12 |
| асфальтенов | % | 4-6 | 7-9 |
В энергетической стратегии развития России до 2020 г. предусматривается не только рост объемов добычи нефти, но и одновременное увеличение глубины ее переработки, что приведет к ухудшению качества мазута. Уже в ближайшее время следует ожидать поставку мазута, имеющего показатели, представленные в таблице.
В процессе добычи, транспортировки, хранения и глубокой переработки нефти на нефтеперерабатывающих заводах в состав высоковязких тяжелых топочных мазутов попадают твердые минеральные примеси, вместе с которыми в мазут переходят соли щелочных металлов, продукты коррозии трубопроводов, резервуаров и оборудования. В процессе крекинговой переработки нефти образуются высокореакционные соединения непредельных углеводородов, в том числе асфальтосмолистые вещества, которые могут переходить в первоначальном виде или трансформироваться в процессе термокаталитического крекинга в асфальтены, карбены и карбоиды. Асфальтены являются естественными поверхностно-активными соединениями, которые склонны к коагуляции и оказывают существенное влияние на вязкость мазута. При хранении и транспортировке мазута по трубопроводам его температура для обеспечения низкой вязкости должна поддерживаться на уровне 50-90 °С. В то же время снижение вязкости мазута только способствует увеличению скорости осаждения грубодисперсных частиц, которые не способно поддерживать во взвешенном состоянии даже тепловое (броуновское) движение молекул дисперсионной среды. Недостаточно эффективная стабилизация дисперсных частиц поверхностно-активными веществами приводит к коагуляции и образованию агломератов, выпадающих в осадок. Карбены и карбоиды, являющиеся основой грубодисперсной части асфальтосмолистых веществ, увеличивают нестабильность мазутов вследствие их склонности к коагуляции и осаждению при отстаивании. Скорость процесса осаждения, обусловленная разностью плотностей твердых коксовых частиц и жидких компонентов мазута, в зависимости от температуры изменяется, увеличиваясь с ее ростом. Осадок накапливается в придонной части емкостей мазутохранилищ, и его прирост составляет от 0,3 до 0,7 м в год и более. При длительном хранении мазута осадок покрывает подогреватели, распложенные в мазутных емкостях, что приводит к существенному увеличению термического сопротивления и снижению эффективности их работы. С другой стороны, выпадающие в осадок асфальтены, корбены и карбоиды включают в свой состав сернистые соединения, в результате чего происходит коррозия трубной системы днищевых подогревателей, что приводит к дополнительному обводнению мазута за счет образовавшихся свищей. Необходимо отметить, что существующая на котельной технология подготовки мазута к сжиганию способствует повышению скорости полимеризации асфальтеносмолистых включений. Полимеризация асфальтеносмолистых включений приводит к росту коксования и появлению отложений на поверхностях нагрева подогревателей мазута, котлов. В результате появления отложений ухудшается эффективность работы подогревателей, увеличиваются потери тепла с уходящими газами, вследствие ухудшения коэффициента теплопередачи и появления дополнительного расхода топлива.
Образующийся нефтяной осадок обладает низкой текучестью, что затрудняет его всасывание и перекачку топливными насосами. Вместе с топливом насосы захватывают воду, приготавливая водо-мазутную смесь (эмульсию) с неконтролируемым содержанием воды. Неоднородность состава, переменная вязкость и плотность перекачиваемой среды приводят к появлению нерасчетных, предельно-допустимых нагрузок в топливных насосах, которые начинают работать в неустойчивом пульсирующем режиме. Как известно, используемые для перекачки мазута объемные насосы (винтовые и шестеренчатые) чувствительны к изменениям характеристик перекачиваемой среды, переменному давлению на всасывающей линии и присутствию механических примесей. Это приводит к снижению напорных характеристик с большими перепадами давления в топливоподающем трубопроводе и, как следствие, к снижению устойчивой надежной работы всей топливоподающей системы мазутного хозяйства котельной.
Кроме того, неоднородность состава мазута (переменная вязкость и плотность перекачиваемой среды) является причиной нарушения не только гидродинамических, но и тепловых процессов, происходящих в теплообменных аппаратах мазутного хозяйства, к повышенной коксуемости мазута, к снижению качества его распыливания, ухудшению функционирования горелочных устройств, к снижению качества процесса горения топлива в топках котлов. Это в конечном итоге приводит к снижению экономичности, надежности, ухудшению экологии, к уменьшению межремонтного цикла котельного агрегата в целом.
5.2.2 Проблемы подготовки мазута к сжиганию
По существующей традиционной технологии подготовки к сжиганию и транспортировке температура мазута в резервуарах находится в пределах 80-95 °С и поддерживается за счет местного подогрева паровыми подогревателями, расположенными на днище мазутной емкости. Затем при помощи рециркуляционного разогрева выносными подогревателями разогретый мазут с необходимой вязкостью подается в котельную к котлам. Остатки мазута поступают по рециркуляционной линии обратно в мазутные емкости. Растекание в резервуаре турбулентных затопленных струй и сопутствующие им вихревые токи обеспечивают перемешивание мазута в резервуарах и равномерное распределение температур в объеме резервуаров. В то же время, за счет многократного прокачивания мазута, получается грубая водотопливная смесь (эмульсия), качество которой не соответствует требованиям по условиям горения. Низкое качество топливной смеси приводит к пульсирующему горению мазута в топке котлов. С другой стороны, используемая технология подготовки находящегося на хранении в резервуарах мазута с переменным влагосодержанием не позволяет в должной мере обеспечить качественный процесс отстаивания и удаления воды из мазута до влагосодержания, обеспечивающего условия экономичной и экологичной работы котлов.
Другой проблемой, существенно влияющей на экономическую эффективность работы котельной, является то, что в существующих схемах мазутного хозяйства котельных отработанный конденсат пара из мазутоподогревателей выносных и находящихся в емкостях после охлаждения водой городского водопровода до требуемой температуры (40 °С) сбрасывается в систему производственно-дождевой канализации и после очистки в городской коллектор. Применяемые сейчас методы очистки сточных вод от нефтепродуктов являются дорогостоящими и не всегда эффективными. Особенно это относится к очистке сильно загрязненных нефтепродуктами вод, которые могут появиться при разрывах или свищах в мазутных подогревателях. Поэтому возврат загрязненного нефтепродуктами конденсата в питательный контур паровых котлов может привести к выходу их из рабочего состояния. Потеря конденсата от подогревателей мазута приводит к необходимости дополнения подпиточной химочищенной водой котлового контура и дополнительного топлива.
В настоящие время на котельных применяются подогреватели мазута - поверхностные теплообменники с противоточным движением сред, с трубчатой теплообменной поверхностью, с компенсацией температурного удлинения за счет нежестких конструкций. Подогреватели мазута типа ПМ представляют собой кожухотрубный аппарат с горизонтальным исполнением. В процессе длительной эксплуатации на ряде предприятий выявлены серьезные недостатки в работе данных подогревателей, к которым следует отнести:
- невозможность использования данных подогревателей на высоковязких мазутах с УВ°>100 с температурой подогрева до 120-135°С;
- повышенную скорость отложений на внутренней поверхности труб со снижением тепловой мощности (коэффициент теплопередачи снижается по оценкам ЦКТИ до 70%);
- трудности, связанные с очисткой внутренней поверхности труб от отложений окисленных продуктов полимеризации мазута при температурах пара на стенке свыше 120°С;
- относительно низкие скорости движения мазута (0,2-0,5 м/с);
- низкая гидравлическая плотность (как по пару, так и по мазуту) не позволяет повторно использовать конденсат греющего пара в технологической схеме котельной, который после охлаждения сбрасывается через очистные сооружения в канализацию;
- обводнение мазута за счет возможного попадания пара или конденсата в топливо в случаях появления свищей в трубной системе подогревателей.
Современные методы промышленного сжигания мазута в топках котлов основаны на факельном сжигании мелкораспыленного топлива при обязательном условии предварительного его нагрева и принудительного распыливания при помощи форсунок. Для распыления мазута в отопительных котлах нередко используются форсунки с механическим или паровым распыливанием, а также с комбинированным паромеханическим распылом. Механические форсунки требуют высокого давления и даже при этих условиях не могут обеспечить широкий диапазон регулирования нагрузки. Форсунки с паровым распылом требуют расход пара, что трудно осуществить в котельной с водогрейными котлами. В 70-80-х годах некоторое распространение в России получили ротационные форсунки, выпускаемые заводом «Ильмарине». Эти форсунки не нуждались в повышенном давлении мазута. Однако сложность конструкции и шум в работе не позволили обеспечить широкое распространение их в энергетике. Все отечественные форсунки имеют определенные недостатки, которые особенно сказываются при сжигании низкосортного мазута. В последние годы на российском рынке появились ротационные форсунки, лишенные этих недостатков. Одним из таких образцов являются форсунки фирмы «ЗААКЕ (г. Бремен, Германия). Они могут сжигать любое жидкое котельное топливо, в том числе мазуты марок 40 и 100, остатки тяжелых минеральных масел, гудрон и т. д. Они не требуют тщательной фильтрации мазута. Однако все вышеперечисленные форсунки не обеспечивают устойчивость пламени при сжигании сильно обводненного мазута, полноту сгорания грубодисперсных фракций, которые скапливаются в донных отложениях при длительном хранении мазута. Решить эти проблемы путем совершенствования конструкции форсунок не представляется возможным.
Здесь следует отметить, что в решении проблемы сжигания обводненного мазута сделано немало. Разработано достаточно много различных диспергирующих устройств, обеспечивающих диспергацию находящейся в мазуте воды. Наиболее простые из них, так называемые ультразвуковые свистки, осуществляющие грубое перемешивание мазута с водой, работают при условии строгого соблюдения параметров рабочей среды (давление, вязкость, температура и т. п.).
Наиболее распространенный тип диспергаторов - электро-механические, осуществляющие перемешивание воды с мазутом посредством шестерен либо роторов различной конфигурации. Наибольший эффект достигается при использовании виброкавитационных диспергаторов, последовательно осуществляющих перемешивание мазута с водой, измельчение твердых фракций мазута до частиц размером не более 5 мкм и приготовление гомогенной смеси (эмульсии) с высокой степенью дисперсности. Эмульсия получается обратного вида - вода в топливе. Это обеспечивает дополнительное распыление мазута за счет взрыва капелек воды в камере сгорания и как следствие - более полное сгорание топлива и его экономию.
Виброкавитационные диспергаторы позволяют решать сразу несколько задач:
- сжигание твердых фракций мазута;
- устойчивое сжигание обводненного до 30% мазута;
- утилизацию нефтесодержащих вод (при наличии устройств контроля и регулирования влагосодержания мазута).
Мазутные форсунки.
Мазут сжигают в камерных топках в распыленном состоянии. Для распыливания, т.е. раздробления топлива на возможно большее количество отдельных капель служат форсунки, которые по принципу действия разделяют на несколько типов (рис. 5.15).
Процесс сжигания состоит из пульверизации (распыливания) при помощи форсунок, испарения и термического разложения жидкого топлива, смешения полученных продуктов с воздухом, воспламенения смеси и собственно горения (рис. 5.16, а).
Цель пульверизации заключается в увеличении поверхности соприкосновения жидкости с воздухом и газами. Поверхность при этом возрастает в несколько тысяч раз. За счет сильного излучения горящего факела капельки очень быстро испаряются и подвергаются термическому разложению (крекингу). На
|
|
рис. 5.16, 6 показана схема факела с характерными зонами: испарения, крекинга и горения. Эти зоны, как правило, накладываются одна на другую.
В факеле сжигаемое жидкое топливо находится в жидком, твердом (дисперсный углерод от разложения жидких углеводородов) и газообразном состояниях.
Скорость горения, как и при сжигании горючих газов, зависит от условий смесеобразования, степени предварительной аэрации, степени турбулентности факела, температуры камеры сгорания и условий развития факела. Факел получается светящимся из-за наличия в нем раскаленного дисперсного углерода. Высокомолекулярные углеводородные газы, разлагаясь при высоких температурах на простые соединения, выделяют сажистый углерод, размеры частичек которого очень малы (~ 0,3 мкм). Эти частицы, раскаляясь, придают пламени светящийся характер.
В механических форсунках со специальным завихрителем (см. Рис. 5.15, в) жидкое топливо (мазут) под давлением 0,8...2,0 МПа проходит мелкокалиберные отверстия в головке форсунки, дробится, завихривается, а его частицы приобретают значительную скорость на выходе. В паровоздушных форсунках (см. рис. 5.15, д, ё) для пульверизации мазута используется кинетическая энергия потока пара или воздуха. Давление пара на входе составляет 0,3... 1,6 МПа, воздуха-0,3."..0,7 МПа.
Форсунки с паровым распыливанием неэкономичны из-за больно расхода пара (до 0,4 кг пара на 1 кг мазута), применяются как растопочные при совместном сжигании угольной пыли и мазута, также используются в небольших котельных установках.
Крупные котлоагрегаты оборудуют форсунками с механическими распыливанием топлива. При этом мазут предварительно подевается в теплообменниках до 100... 120°С для уменьшения его вязкости. Мазут подается насосами, а для очистки его от механических примесей, загрязняющих форсунку, его фильтруют.
На рис. 5.17 показаны форсунки с механическим (а) и паровым распылением (б). Механические форсунки могут быть ротационными, а паровые — паровоздушными высокого давления.
В механической форсунке мазут по подводящему стволу 4 поступает в распыливающую головку. Головка состоит из распредилительного диска 3, где поток мазута разделяется на отдельныйе струйки, завихривающего диска 2 и распыливающей шайбы.
Механические форсунки изготовляют производительностью 0,2 ..4,0 т/ч. Механические форсунки работают практически бесшумно. Их недостатком является ограниченная возможность регулирования подачи топлива (80... 100 % производительности).
В паровой форсунке пар поступает по внутренней трубе 3 в расширяющееся сопло 2, из которого вытекает с большой скоростью (Д° ЮСЮ м/с и более). Мазут, проходя кольцевой канал между трубами 3 и 4, попадает в поток пара тонкой концентрической струйкой, которая разбивается паром на мелкие капли.
Мазутные форсунки устанавливают обычно на фронтальной стенке топки. Глубина топки должна быть не менее 3 м для малых форсунок и не менее 4 м для крупных. Чтобы избежать попадания капель неиспарившегося мазута на боковые стенки и на под топки, расстояние от них до оси форсунки должно быть не менее 2 м.
Для лучшего перемешивания распыленного топлива и воздуха последний подается со скоростью 25...30 м/с через специальные регистры, установленные у форсуночных амбразур и предназначенные для завихрения воздуха.
|
|
Рис. 5.3.8. Схемы подачи газа и воздуха в горелках
Горелка:
а—диффузионная;
б — инжекционная среднего давления с центральной подачей газа, одно-сопловая, однофакельная;
в — инжекционная низкого давления, одно-сопловая, многофакельная;
г — инжекционная среднего давления, с центральной подачей газа, много сопловая;
д—то же, плоско факельная;
е — инжекционная среднего давления, с периферийной подачей газа;
ж—с принудительной подачей воздуха, центральной подачей газа и осевым лопаточным завихрителем;
з — то же, с периферийной подачей газа и улиточным подводом воздуха;
и — то же, с простым тангенциальным подводом воздуха (для п. З. и И. туннели-стабилизаторы условно не показаны).
Основными достоинствами инжекционных горелок являются отсутствие затрат электроэнергии на привод вентилятора для подачи воздуха, автоматическое поддержание в определенных пределах тепловой мощности горелок, расчётного соотношения количеств газа и инжектируемого воздуха, хорошее перемешивание газа и воздуха. Недостатки — резкое возрастание размеров с увеличением тепловой мощности; ограниченный диапазон регулирования при a»1; высокий уровень шума при использовании газа среднего и высокого давлений. Увеличение числа сопел у каждой горелки, а также применение газогорелочных устройств в виде блоков из элементов небольшой мощности позволяют уменьшить длину горелок и увеличить диапазон регулирования расхода газа.
Снижение уровня шума достигается применением шумопоглощающих устройств. Различают инжекционные горелки с центральной (осесимметричной) и периферийной подачей газа. Если горелка имеет одно сопло, то его ось совпадает с осью смесителя; если у горелки несколько сопел (обычно 3—4), то они расположены у центральной части инжектора горелки, а их оси параллельны оси смесителя. Горелками с центральной подачей газа считаются также те, у которых смеситель имеет форму щели, а сопла расположены по ее оси.
Большинство конструкций инжекционных горелок с центральной подачей газа имеет устройство в виде подвижной заслонки, позволяющее регулировать поступление первичного воздуха при розжиге и в необходимых случаях во время работы. У инжекционных горелок с периферийной подачей газа сопла расположены по периферии трубки-смесителя, а оси сопел образуют угол с осью смесителя в пределах 10¸25°. Горелки имеют небольшую длину, соизмеримую с толщиной стенок топки. Весь воздух, необходимый для сгорания газа, поступает через открытый конец смесителя. Горелки не требуют устройств для регулирования количества воздуха, а также наличия запальных и смотровых окон.
В горелки с принудительной подачей воздуха, как правило, подается такое его количество, которое необходимо для полного сгорания газа. Если эти горелки без предварительного смешения, то, как и в диффузионных, газ и воздух поступают в зону горения раздельно и смешение происходит за горелкой в амбразуре или топке одновременно с горением. В горелках с принудительной подачей воздуха и предварительным смешением можно обеспечить заранее заданное качество подготовки смеси до выхода ее в амбразуру или топку. Для ускорения процесса смешения газ чаще всего поступает через ряд щелей или отверстий, оси которых направлены под углом к потоку воздуха. При подаче газовых струй в поток воздуха от центра к периферии горелки называют «с центральной подачей газа», а при подаче от периферии к центру — «с периферийной подачей газа».
Существенное влияние на характер процесса и пределы устойчивости работы горелки оказывают степень аэрации горючей смеси (отношение количества воздуха в смеси к теоретически необходимому для горения) и скорость газо-воздушного потока. Лишь в определенных пределах находится зона устойчивого горения. При неустойчивой работе горелки может быть затягивание пламени в горелку (проскок) или, наоборот, отрыв пламени.
Так, при слишком малой скорости газо-воздушного потока происходит проскок, а при чрезмерном увеличении скорости пламя отрывается.
Комбинированные горелки
В мощных котлоагрегатах газообразное топливо обычно сжигается в топках, рассчитанных на два вида топлива: газ — мазут, угольная пыль — газ, поэтому широко используются комбинированные пылегазовые и газомазутные горелки.
В комбинированной пылегазовой горелке (рис. 5.23) природный газ через отверстия в кольцевой периферийной камере поступает в топку, а угольная пыль подается по центральному каналу.
Многочисленны варианты комбинированной газомазутной горелки. Газ через щели в центральной трубе или отверстия в кольцевой камере попадает в поток воздуха, подаваемого через завихритель . Благодаря этому происходит частичное смешение газа с воздухом в амбразуре горелки. Мазутные форсунки имеют обычно механическое распыливание.
Приборы контроля пламени
Приборы контроля наличия пламени используются для обеспечения безопасной работы газифицированных агрегатов подачей сигнала на срабатывание отсечных устройств при погасании пламени. Значение приборов контроля наличия пламени особенно возрастает при розжиге агрегатов, тем более что приборы контроля чаще всего агрегатируются с запальными устройствами, а большинство взрывов и хлопков происходит в момент первоначального розжига и значительное количество взрывов случается при повторных розжигах.
В настоящее время получили распространение в основном три метода контроля наличия пламени, которые условно могут быть названы термоэлектрическим, ионизационным и фотоэлектрическим, причем первый из них — термоэлектрический — в свое время наиболее распространенный, значительно уступил последним двум, из которых более часто применяется фотоэлектрический.
Фотоэлектрический метод контроля использует световое видимое и невидимое излучение пламени для изменения параметров фотодатчиков (фоторезисторов и фотодиодов).
5.6. Газоанализаторы
Поддержание оптимального режима работы топки котлоагрегата требует непрерывного контроля количественного состава дымовых газов, причем наиболее важным является определение содержания в них свободного (остаточного) кислорода, характеризующего достигнутое соотношение между расходами топлива и воздуха.
Приборы для количественного анализа газов называются газоанализаторами. Для определения состава дымовых газов в прибор подается проба газа, отобранная из газохода котлоагрегата. Содержание в ней отдельных компонентов измеряется газоанализатором в объемных единицах, выраженных в процентах общего объема газовой смеси.
При полном сгорании топлива дымовые газы содержит азот (N2), кислород (О2), двуокись углерода (СО2), водяной пар (Н2О) и в случае содержания в топливе горючей серь (S) — двуокись серы (SO2). При неполном сгорании в дымовых газах дополнительно появляются горючие газы: окись углерода (СО), водород (Н2) и метан (СН4).
Примерное объемное содержание отдельных компонентов в дымовых газах котлоагрегатов дано в табл. №3.
Таблица №3
| Обозначение газа | Объемное содержание, % |
| О2 | 0-10 |
| СО2 | 12-18 |
| SO2 | 0-1 |
| CO | 0-2 |
| H2 | 0-1 |
| CH4 | 0-0,1 |
| N2 | 70-90 |
Зная состав горючих газов и реакции горения, можно подсчитать теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 м3 газа (т. е. для образования стехиометрической смеси).
Азот, содержащийся в воздухе, в горении не участвует и, нагреваясь, уносит значительное количество теплоты. Так как в воздухе содержится по объему около 21 % кислорода (О2) и 79 % азота (N2) и некоторых других газов, то теоретически необходимый для сжигания газа объем воздуха больше требующегося для реакции горения объема кислорода в 100:21=4,76 раза, а на каждый использованный кубический метр кислорода приходится 79: 21=3,76 м3 азота.
Если бы топливо состояло из одного углерода (С) и сгорало полностью при теоретическом количестве воздуха, то в дымовых газах отсутствовал бы кислород (О2).
Однако если в топку подавать только теоретически необходимое количество воздуха, то добиться полного сгорания топлива невозможно. Объясняется это тем, что трудно так перемешать топливо с воздухом, чтобы к каждой молекуле горючих было подведено необходимое количество молекул кислорода. Поэтому на практике приходится подавать воздуха больше, чем теоретически необходимо, т. е. работать с избытком воздуха. При этом часть воздуха проходит через топку, не реагируя с топливом. Это приводит к увеличению количества воздуха, необходимого для горения, и вызывает повышение содержания О2 в дымовых газах. Размер избытка или недостатка определяется коэффициентом расхода воздуха a, который показывает отношение действительного количества воздуха, расходуемого на горение, к теоретически необходимому, он не зависит от рода топлива, а зависит от способа сжигания топлива Например, если говорят, что двигатель работает при a=1,5, это значит, что в камеру сгорания поступает воздуха в 1,5 раза больше теоретически необходимого.
Таблица 7.6.1.
| Топливо | Объемное содержание О2, % |
| Природный газ | 2 |
| Мазут | 3 |
В табл. 4 для различных энергетических топлив указаны средние оптимальные значения объемного содержания О2 в дымовых газах. Если при сжигании топлива измерено при помощи газоанализатора объемное содержание в дымовых газах О2 в процентах, то приближенное значение коэффициента избытка воздуха a может быть найдено по формуле
Таким образом, определение объемного содержания О2 в дымовых газах позволяет контролировать значение коэффициента a. Высокое содержание О2 указывает на большой избыток воздуха, приводящий к увеличению потери с уходящими газами, и, наоборот, низкое содержание О2 характеризует недостаток воздуха, вызывающий возрастание потерь тепла от химической неполноты горения.
Для более полного контроля процесса горения топлива наряду с О2 при помощи газоанализаторов производится также определение СО, СО2, Н2 и других компонентов газов
Примеры газовых горелок.
Каждая газовая горелка рассчитывается на определенные режимные и конструктивные параметры. Согласно ГОСТ 17356-71 установлены следующие основные определения параметров и характеристик горелок:
Номинальная тепловая мощность – максимально достигнутая мощность при длительной работе горелки, химической неполноте сгорания, не превосходящей установленной нормы, и при принятом минимальном коэффициенте избытка воздуха.
Номинальные давления газа и воздуха перед горелкой – давления газа и воздуха непосредственно перед горелкой (т.е. после всех запорных и регулирующих устройств), соответствующие номинальной тепловой мощности при атмосферном давлении в камере сгорания.
Номинальная относительная длина факела – расстояние по оси факела от выходного сечения горелки, измеренное при номинальной тепловой мощности в калибрах выходного отверстия, до точки, где концентрация СО2 при коэффициенте избытка воздуха a=1 составляет 95% от максимального значения.
Коэффициент предельного регулирования горелки по тепловой мощности – отношение максимальной тепловой мощности к минимальной тепловой мощности. При этом максимальная тепловая мощность составляет 0,9 от мощности, соответствующей верхнему пределу устойчивой работы горелки, а минимальная – 1,1 от мощности, соответствующей нижнему пределу устойчивой работы горелки.
Коэффициент рабочего регулирования горелки по тепловой мощности – отношение номинальной тепловой мощности к минимальной тепловой мощности.
Удельная металлоемкость – отношение массы горелки к номинальной тепловой мощности.
Давление (разрежение) в камере сгорания – давление (разрежение) в камере сгорания в зоне выходного сечения горелки при номинальной тепловой мощности.
Шумовая характеристика горелки – уровень звукового давления, создаваемого работающей горелкой, в зависимости от спектра частот.
Таблица 2
Наименование параметра
Номинальная тепловая мощность, МВт
Номинальный расход газа, нм3/ч
Давление газа в коробе горелки, мм вод.ст.
Коэффициент избытка воздуха m
Коэффициент рабочего регулирования
Аэродинамическое сопротивление по воздуху, мм.вод.ст.
Габаритный размер, мм.
Горелка работает следующим образом: Газ подается по патрубку 6 в газораспределительный коллектор 2, где через боковые вводы поступает в коллектора-стабилизаторы 3. Из коллекторов- стабилизаторов газ системой струй проникает в сносящий поток воздуха, где смешивается, образуя за срывной кромкой стабилизатора 3 топливную смесь. Образовавшаяся смесь поджигается от высокотемпературных продуктов сгорания, рециркулирующих в зоне обратных токов за каждым коллектором- стабилизатором. Первоначальный поджиг горелок осуществляется от внешнего запального устройства либо от электрической свечи зажигания.
БИГ-2-14
Газовая горелка БИГ 2-14 относится к инжекционным горелкам с периферийной подачей газа и используется в водогрейных котлах КВГ-1,25-95
Горелки с периферийной раздачей газа имеют достаточно равномерные поля скоростей и концентраций в выходном сечении даже без специальной головки и при сравнительно коротких камерах смешения. Небольшие смесители с периферийной раздачей газа можно легко объединять в блоки или секции с общим газовым коллектором. На рис. 5.7.4. показана секция готовой инжекционной горелки с периферийной подачей газа. Горелка состоит из ряда смесителей с общим газовым коллектором. Каждый смеситель представляет собой цилиндрическую камеру с соплами, просверленными в стенке под углом 10¸25° к оси горелки. Горелки располагаются в кладке топочной камеры установки. Смесители удобны в эксплуатации; розжиг их осуществляется из входной части камеры смешения, а возможный проскок легко устраняется без отключения горелки только за счет увеличения скорости выхода смеси (увеличения нагрузки).
Рис. 10. Инжекционная горелка с периферийной подачей газа (БИГ 2-14).
где: 1 – газовый коллектор; 2 – смеситель; 3 – газовое сопло; 4 – штуцер для подачи газа.
Табл . 5.7.1
| Технические данные | WEISHAUPT WG-40 | UNIGAS NG 550 | OILON GP-50 H |
| Диапазон мощности | 55-550 кВт | 40 - 570 кВт | 150-800 кВт |
| Регулировка мощности | двухступенчатая | двухступенчатая | двухступенчатая |
| Виды топлива | Природный газ Сжиженный газ | Природный газ Сжиженный газ | Природный газ Сжиженный газ |
| Контроль пламени | Ионизационный датчик | Электрод обнаружения пламени | Ультрафиолетовый датчик |
| Рабочее напряжение | 230 В | 230 В | 230 В |
| Частота в сети | 50/60 Гц | 50/60 Гц | 50/60 Гц |
| Потребляемый ток | 4,2 А | 4 А | 4,2 А |
| Потребляемая мощность Пуск Работа | 1050 ВА 950 ВА | 980 ВА 910 ВА | 1030 ВА 940 ВА |
| Цена | 3199 EUR | 2479 EUR | 2899 EUR |
Все горелки полностью отвечают всем нормам и требованиям, предъявляемым службами охраны природы, противопожарными, техническими службами. Применяются для отопления зданий и в технологических установках. Полностью адаптированы для работы в России.
Отличается следующими качествами:
- современной компактной конструкцией;
- топливной экономичностью, значительно снижают энергопотребление;
- микропроцессорным менеджером горения;
- качественным процессом сгорания топлива;
- низким уровнем шума;
- простотой обслуживания и эксплуатации
Газовую горелку Weishaupt WG40 можно использовать на:
• теплогенераторах
• водогрейных установках с прерывистым и длительным режимом эксплуатации (W-FM20: менеджер горения отключает горелку один раз в 24 часа)
• паровых и водогрейных установках и длительного режима работы
(W-FM21:менеджер горения с функцией самоконтроля)
• на горелке можно использовать только указанные на типовой табличке виды газа.
• эксплуатация горелки на открытом воздухе запрещена. Горелку можно использовать только в закрытых помещениях.
• разрешается эксплуатация горелки только в диапазоне соответствующего рабочего поля.
• давление подключения газа не должно превышать давление газа, указанное на типовой табличке.
Это газовая воздуходувная горелка с двухступенчатым режимом эксплуатации.
Для модулируемого режима эксплуатации используется шаговый регулятор, цифровой менеджер горения W-FM 100/
Особенности:
- Осуществляет управление и контроль всех функций горелки;
- Управление при помощи клавиш;
- Подключение к информационной шине (eBUS);
- Встроенный контроль герметичности магнитных клапанов;
- Жидкокристаллический дисплей и панель обслуживания.
Жидкокристаллический дисплей показывает отдельные шаги программы и соответствующее рабочее состояние горелки. Клавишами панели управления можно изменять настройки горелки и вызывать информацию о горелке.
Сервоприводы
Газовый дроссель и воздушная заслонка управляются при помощи отдельных сервоприводов. Это обеспечивает оптимальное соотношение воздуха для
сжигания газа во всем диапазоне мощности.
Датчик пламени
Датчик пламени осуществляет контроль сигнала о наличии пламени на каждом этапе работы горелки. Если сигнал пламени не соответствует программе выполнения функций, происходит предохранительное отключение горелки.
Регулятор давления FRS
Выравнивает возможные перепады давления газа в сети, обеспечивает постоянное давление и равномерный расход газа.
При помощи данного прибора устанавливается регулировочное давление.
Двойной магнитный клапан DMV
Автоматическая подача или прекращение подачи газа.
При помощи настроечного винта возможно ограничение хода клапана и, таким образом, повышение потери давления.
Реле давления газа
При слишком низком давлении газа запускается программа недостатка газа. Реле давления газа, кроме того, служит для проведения автоматического контроля герметичности.
Реле давления воздуха
При прекращении подачи воздуха реле давления воздуха производит предохранительное отключение горелки.
Тестирование функций при запуске горелки
При каждом запуске горелки происходит проверка функций сервопривода и реле давления воздуха. Если зафиксировано отклонение от предусмотренной
программы, запуск горелки прерывается и проводится повторный запуск. Таких новых запусков проводится в общей сложности 5.
Программа недостатка газа
Реле давления газа осуществляет контроль минимального давления газа между обоими клапанами многофункционального газового мультиблока W-MF/DMV. Если из-за слишком низкого давления газа реле давления газа
не срабатывает, запуск горелки прерывается. По истечении времени ожидания (2 минуты), происходит повторный запуск горелки. Если снова будет зафиксирован недостаток газа, запуск повторяется в третий раз через
2 минуты. После третьей неудачной попытки запуск горелки производится только через час. Выйти из программы недостатка газа можно, отключив и снова включив напряжение.
Контроль герметичности
После регулировочного отключения горелки производится автоматический контроль герметичности. Менеджер горения контролирует на газовой линии
недопустимое повышение и понижение давления. Если недопустимое повышение и понижение давления не зафиксированы, горелка переходит в режим ожидания (Standby), на дисплее появляется OFF. При аварийном отключении горелки или при исчезновении напряжения, контроль герметичности производится при следующем запуске горелки:
• Во время запуска горелка отключается;
• Контроль герметичности;
• Автоматический повторный запуск.
Работа программы
Регулятор дает команду на выработку тепла:
• проверка сервоприводов;
• запуск вентилятора, предварительная продувка камеры сгорания;
• зажигание;
• магнитные клапаны открываются, подача топлива;
• образование пламени;
• в зависимости от запроса на тепло взаимосвязано открываются воздушная заслонка и газовый дроссель;
• через 24 часа непрерывной эксплуатации происходит принудительное регулировочное отключение горелки.
При наличии достаточного количества тепла:
• магнитные клапаны последовательно закрываются;
• последующая продувка камеры сгорания;
• вентилятор выключается;
• контроль герметичности магнитных клапанов;
• отключение горелки, режим ожидания (Standby).
Рис. 5.7.5. Функциональная схема газовой арматуры
1 Шаровой кран с термозатвором;
2. Газовый мультиблок;
3. Газовый дроссель;
4. Горелка;
5 . Реле давления газа.
Преимущество данной горелки – наличие менеджера горения W-FM 100. Современные жидкотопливные, газовые и комбинированные горелки работают с максимально возможными значениями сжигания топлива. Для достижения данных параметров необходимо обеспечить точный расход топлива и сжигаемого воздуха. Кроме того, для оптимизации значений сжигания и снижения выброса вредных веществ нужно изменять проходное сечение в пламенной голове и скорость потока в ней. Заказчики предъявляют все более высокие требования к дистанционному управлению, диагностике и контролю. В то же время необходимо снижать затраты на монтаж и техническое обслуживание.
Фирмой Weishaupt была разразработана система, основой которой стал новый менеджер горения W-FM100. Эта система является логическим продолжением успешного внедрения цифрового менеджера горения в диапазоне до 500 кВт.
Менеджер W-FM 100 выполнен по принципу «умной клеммы». Все функции поддерживаются программным обеспечением. Имеются все необходимые соединения для внешних компонентов на штепсельных клеммных блоках. Это касается так же клемм для всех газовых и жидкотопливных клапанов, которые, таким образом, подключаются напрямую. Менеджер горения монтируется в горелке. В особых случаях прибор можно установить в шкаф управления. Менеджер W-FM работает с сетевым напряжением, и нет необходимости использовать промежуточные реле. Чтобы обеспечить надежность переключения, на выходах установлены реле.
Для обслуживания и наблюдения, а также ввода в эксплуатацию менеджер оборудован отдельным блоком управления и индикации (БУИ), связанным с ним при помощи информационной шины CAN. Это позволяет управлять горелкой при помощи БУИ на удалении до 100 м от менеджера. К информационной шине можно подключить до 4-х сервоприводов. Для обеспечения коммуникации которые устанавливаются непосредственно на органах управления расходом воздуха, топлива и устройстве смешивания. Питание на высокоточные шаговые серво- приводы поступает по шины CAN.
К менеджеру допускается подключать до 4-х различных датчиков пламени. Для продолжительного режима работы комбинированных горелок был разработан инфракрасный детектор. Для газовых горелок в этом случае может использоваться ионизационный электрод. Система оснащена контролем гepметичности газовых клапанов. Необходимо только дополнительное реле давления газа. На менеджер горения можно дополнительно установить регулятор мощности, к которому подключаются различные датчики температуры и давления. Регулятор мощности является адаптивным регулятором, самостоятельно вычисляющим оптимальные параметры регулирования.
Для обеспечения коммуникации имеется цифровой интерфейс, который осуществляет передачу всех необходимых данных и команд системе управления более высокого уровня или обеспечивает связь по телефонной сети при помощи модема. На блоке управления и индикации (БУИ) имеются два цифровых интерфейса. Снаружи доступен интерфейс RS 232 для подключения РС или ноутбука. При помощи соответствующего программного обеспечения ввод в эксплуатацию горелки становится значительно проще. Кроме того, можно сохранить и распечатать рабочие параметры. Имеющаяся регистрирующая функция позволяет распечатать график работы горелки. За монтажной плитой имеется интерфейс для дистанционной передачи данных при помощи информационной шины е-Bus системе управления более высокого уровня, которая может управляться всеми функциями горелки. Это касается так же регулирования мощности. Через интерфейс могут быть запрошены все диагностические функции.
Менеджер горения имеет 7 программ работы горелки для различных видов топлива и расположения клапанов. Таким образом, можно индивидуально управлять газовыми, жидкотопливными и комбинированными горелками. Благодаря прямому подключению всех клапанов к установке нет необходимости использовать внешние реле выбора топлива. В зависимости от требования, все необходимые реле давления также могут быть подключены к основному устройству и настроены на определенную функцию. Благодаря встроенному реле контроля пламени можно использовать четыре различных датчика пламени. На жидкотопливных горелках можно установить обыкновенный фотодатчик. Для газовых и комбинированных горелок предусмотрен полупроводниковый датчик. Для длительного режима эксплуатации (до 72 часов) был разработан инфракрасный импульсный детектор, который может использоваться как на жидкотопливных, так и газовых горелках. При режиме работы на газе возможно использование недорогого ионизационного электрода. Длительный режим эксплуатации обеспечивается при помощи усилителя пламени.
БУИ может быть удален от основного устройства на расстояние до 100 метров. При помощи БУИ можно контролировать все функции горелки. Поэтому нет необходимости в использовании каких-либо внешних клавиш или переключателей. Весь ход работы, а также диагностика выводятся на дисплей в виде текста. При помощи компьютера можно установить любой необходимый язык.
Электронная система связанного управления отличается от обычной системы помехоустойчивой шиной CAN-Bus, через которую сервоприводы осуществляют действия на исполнительных элементах (воздушная заслонка, регулятор топлива, газовый дроссель и регулировочная гильза). Сервоприводы, оснащенные собственными микропроцессами, обслуживаются через шаговой двигатель с очень высоким разрешением. Интегрируемая регулирующая и контролирующая цепь устанавливает положение ведущего вала с точностью до 0,1 градуса. Заданные значения передаются от менеджера при помощи шины. После получения точного фактического положения данные передаются на контроль от сервопривода обратно на менеджер.
Для двух типов топлива имеются, соответственно, раздельные блоки данных Ввод в эксплуатацию осуществляется только после проверки и корректировки. В программу заносится только необходимое количество точек мощности. Дополнительное введение или изменение точек мощности не составляет труда.
Контроль герметичности газовых клапанов происходит по специальной программе. При помощи дополнительного реле давления газа можно проверить герметичность газовых клапанов, без использования других элементов. При этом по выбору можно выбрать время проведение контроля: до запуска горелки, после отключения горелки или в обоих случаях. Если происходит аварийное отключение или сбой в электроснабжении, контроль герметичности, как правило, проводится до запуска горелки.
Регулятор мощности (опция) имеет дополнительную функцию оптимизации параметров регулирования. При необходимости параметры регулирования рассчитываются и сохраняются при помощи измерения переходных значений участка регулирования. Для того чтобы уменьшить нагрузку регулировочных органов, на регуляторе дополнительно установлен стабилизатор сигналов. Регулятор имеет два внутренних заданных значения, которые можно выбирать при помощи внешнего блока управления (функция поддержания тепла, ночной режим). Для холодного запуска котла предусмотрена отдельная программа, которая позволяет настроить теплогенератор на номинальную температуру или давление таким образом, чтобы избежать резкого воздействия на материал котла. При необходимости внутреннее заданное значение может устанавливаться при помощи внешнего. Кроме того, при наличии внешнего регулятора или системы управления регулятор может использоваться как внешний регулятор. Актуальное состояние горелки может определяться как стандартный сигнал.
Стоимость горелки WG (Р=55-500кВт)=6400у.е.
Удаление продуктов горения
Агрегаты, в которых сжигается газовое топливо, нормально работают только при непрерывном удалении продуктов горения — дымовых отходящих газов. Часть теплоты уносится с продуктами горения в атмосферу (потери теплоты с уходящими газами). Температура уходящих газов за агрегатом зависит от степени использования теплоты в агрегате, наличия устройств, утилизирующих теплоту, герметичности обмуровки агрегата и других причин.
Как известно, газы при нагревании расширяются и их плотность становится меньше плотности наружного воздуха. Следовательно, масса уходящих газов в дымовой трубе всегда меньше, чем такого же столба холодного воздуха, что и обусловливает действие естественной тяги. Сила тяги увеличивается с высотой дымовой трубы и температурой уходящих газов. Она расходуется на преодоление сопротивлений на пути воздуха и уходящих газов при их движении от входа в топку до выхода в дымовую трубу. Такими сопротивлениями являются сама топка, дымоходы, боров, шиберы и т. д. Наибольшее разрежение создается в основании дымовой трубы, наименьшее — в топке.
Слабое разрежение в топке может служить причиной неполного сгорания газа из-за недостатка вторичного воздуха при использовании горелок диффузионных или с частичной инжекцией воздуха. Излишнее разрежение также не нужно, так как способствует большим присосам воздуха в топку и дымоходы. В результате горение идет с большим - избытком воздуха, потеря теплоты с уходящими газами увеличивается, а температура в топке понижается. Кроме того, повышенное разрежение в топке снижает устойчивость факела по отношению к отрыву.
На степень разрежения оказывают влияние атмосферное давление и температура окружающего воздуха. При понижении атмосферного давления разрежение уменьшается и, наоборот, при высоком атмосферном давлении увеличивается (при прочих равных условиях). С другой стороны, зимой разрежение больше, чем летом, вследствие увеличения разности температур, а следовательно, и плотностей уходящих газов и наружного воздуха. Разрежение уменьшается, если в газоходы и боров агрегата присасывается воздух, снижающий температуру уходящих газов, а также при появлении в борове влаги в результате подъема грунтовых вод. На степень разрежения, создаваемого дымовой трубой, оказывает влияние ветер, который в небольших установках может вызвать опрокидывание тяги, т. е. направить газы в трубе в обратную сторону. В этом случае возможно прекращение горения газа и попадание его из агрегата в помещение. В практике работы газифицированных котельных были случаи отравления обслуживающего персонала окисью углерода, образовавшейся и проникшей в помещение вследствие недостаточного разрежения в топке.
Розжиг горелок при отсутствии достаточного разрежения в топке не разрешается. Разрежение в топках промышленных печей и котлов большой мощности, оказывающих движению газов значительное сопротивление, создается при помощи дымососов
Контрольные вопросы
1. Какие существуют виды топлива, сжигаемые в котельных установках? Назовите их элементарный состав.
2. Укажите основные характеристики топлив. Что такое условное топливо?
3. Опишите процессы гомогенного и гетерогенного горения топлива-
4. Какие существуют способы сжигания твердых топлив?
5. Назовите состав продуктов сгорания. Как их рассчитывают?
6. Для чего определяют энтальпию продуктов сгорания и какие температуры сгорания рассматриваются?
7. Какие методы применяют для сжигания твердого, жидкого и газообразного топлив?
8. Для чего применяют пылевидное сжигание твердых топлив в котельных агрегатах?
9. Какое основное оборудование применяют для пылеприготовления твердого топлива?
10. В чем заключается принцип работы форсунок для сжигания жидкого топлива механического и паровоздушного распыливания?
11. Каким образом классифицируются газовые горелки по способу смешения с воздухом и как они влияют на факел в топочной камере?
12. Объясните схемы конструкций инжекционных горелок и назовите особенности их работы.
13. Что такое комбинированные горелочные устройства, применяемые при сжигании двух видов топлива?
Тема 5. Способы сжигания топлив и горелочные устройства.
5.1. Способы сжигания твердого топлива
5.2. Сжигание жидких топлив
5.2.1. Качество мазута.
5.2.2. Проблемы подготовки мазута к сжиганию
5.2.3. Проблемы при использовании мазута на котельных и ТЭЦ
5.3. Сжигание газообразных топлив
5.3.1. Подготовка газа
5.3.2. Особенности процесса горения природного газа
5.3.3. Сжигание газообразного топлива
5.3.4. Газовые горелки
5.4. Комбинированные горелки
5.5. Приборы контроля пламени
5.6. Газоанализаторы
5.7. Примеры газовых горелок
5.7.1. БК-2595ПС
5.7.2. МДГГ
5.7.3.БИГ-2-14
Weishaupt WG40
5.8. Удаление продуктов горения.
Дата: 2018-12-21, просмотров: 319.
