Сжигание топлив производится с помощью специальных устройств, называемых горелками, обеспечивающих максимально полное (количественное) сгорание углеводородного топлива до и в условиях минимального избытка воздуха при минимальном образовании токсичных продуктов сгорания. Имеется множество различных горелок для сжигания газообразного, жидкого и твердого топлива.

Газовые горелки

Горелки классифицируют по:

1. способу подачи воздуха на горение;

2. давлению газа и воздуха;

3. теплоте сгорания топлива;

4. величине факела.

Рассмотрим подробнее каждый из пунктов классификации газовых горелок.

1. По способу подачи воздуха газовые горелки бывают с раздельной подачей воздуха и топлива или совместной подачей (в виде топливно-воздушной смеси). Также различают подачу воздуха за счет вынужденной конвекции, свободной конвекция или инжекции.

2. По величине давления газа на входе различают горелки низкого давления < 500 мм водяного столба, среднего давления 500×1 мм вод. ст., высокого давления > 1 мм вод. ст. По величине давления воздуха на входе различают горелки низкого давления < 100 мм водяного столба, среднего давления 100 - 300 мм вод. ст., высокого давления - > 300 мм вод. ст.

Теплота сгорания газообразного топлива определяется его теплотворной способностью.

Величину факела горелки определяют в относительных единицах - калибрах, представляющих собой отношение длины факела к выходному диаметру (калибру) горелки. По длине факелы горелок бывают 8 типов: беспламенные (факел отсутствует); до 10; 10-16; 16-25; 25-40; 40-63; 63-100; более 100 калибров.

Инжекционная горелка и принцип ее работы

Раздельную подачу топливного газа и воздуха обеспечивают простейшие лабораторные горелки Бунзена или Теклю. В обеих горелках подача воздуха в зону горения осуществляется путем инжекции (всасывания) воздуха, возникающей в результате разряжения, создаваемого движущимся потоком (струей) газообразного топлива.

Принципиальная схема инжекционной горелки приведена на рис. 9.1

Рис. 9.1. Схема инжекционной горелки:

1-сопло газовое; 2 - регулятор подачи воздуха;

3 - смеситель; 4 - насадка; 5 - факел

Как видно из рис. 9.1 горелка состоит из четырех основных частей: сопла газового, регулятора подачи воздуха, смесителя и насадки.

Сопло - это отверстие, через которое газ поступает в горелку. Назначение сопла - подать в горелку определенное количество газа. От диаметра отверстия сопла зависит тепловая нагрузка горелки.

Регулятор подачи воздуха предназначен для получения оптимального соотношения топливо/воздух и обеспечения условий количественного сгорания топлива.

Смеситель горелки обеспечивает получение однородной топливно-воздушной смеси. Смеситель состоит из трех частей. Первая по ходу газа коническая часть называется инжектор, вторая цилиндрическая часть - горлом, третья коническая часть - диффузором.

Инжектор в сочетании с соплом обеспечивает подачу воздуха, необходимого для горения топлива.

Разряжение в инжекторе зависит от скорости горючего газа и соотношения диаметров внешнего ( ., большого) и внутреннего ( ., малого) инжектора. Поток газа, попадая из сопла в инжектор, создает разряжение. В результате чего возникает инжекция (подсос) воздуха, необходимый для горения газообразного топлива. Следует отметить, что назначение регулятора воздуха независимо от его конструкционного исполнения менять сечение потока газа в инжекторе. Малая конусность инжектора ( .) при неизменном потоке газа через сопло вызовет незначительную инжекцию (подачу) воздуха в горелку, большая конусность ( ) - большую инжекцию.

В теплотехнике применительно к газовым инжекционным горелкам отношение объемов воздуха к газу, поступающих в горелку, называют коэффициентом инжекции. Например, если поток газа в 1 л/с обеспечивает подачу потока воздуха величиной 5 л/с то говорят, что коэффициент инжекции горелки равен 5.

Горло горелки представляет собой цилиндрический участок и служит для выравнивания скоростей потоков газа и воздуха при их смешении.

Назначение диффузора - снизить скорость потока газовой смеси и обеспечить условия для завершения процесса ее гомогенизации. В результате чего из насадки выходит однородная топливно-воздушная смесь.

Насадка горелки служит для подачи однородной топливно-воздушной смеси в зону горения (факел).

Очевидно, что регулировку количества подаваемого в горелку воздуха в принципе можно осуществлять различными путями: (1) - за счет варьирования скорости газовой струи (при фиксированном положении регулятора подачи воздуха; (2) меняя положение регулятора подачи воздуха (при постоянной скорости подачи топливного газа) относительно инжектора; (3) - изменяя геометрические размеры сопла горелки, что вызовет уменьшение или увеличение скорости топливного газа на входе в инжектор; (4) путем изменения геометрических размеров инжектора, что приведет к усилению или ослаблению разряжения, и, в конечном счете, изменит подачу воздуха; (5) сделать подачу воздуха принудительной (напорной). Очевидно, что в случае практической реализации путей (3-5) получится новая газовая горелка с другими конструкционными и мощностными параметрами.

Методы сжигания топлива

Методы сжигания топлива можно классифицировать по:

- наличию или отсутствию факела - факельные (инжекционные горелки) и не факельные (каталитические, беспламенные горелки);

- сжиганию одного или нескольких различных топлив одновременно- монотопливные (сжигают или газ, или мазут) и политопливные, комбинированные (сжигают газ + мазут);

- температуре топлива и воздуха- холодные или с подогревом или топлива или воздуха или топливно-воздушной смеси;

- полноте использования топлива в процессе сжигания - одноступенчатые и многоступенчатые (когда на каждой ступени сжигания топлива сгорает лишь только его определенная часть). Многоступенчатые методы позволяют обеспечивать полное сжигание топлива при относительно низкой температуре.

- избытку воздуха при стехиометрическом расходе воздуха (при малом его избытке) или при большом избытке воздуха. Чем ближе количество воздуха к стехиометрии реакции горения, тем меньше вероятность образования в зоне высоких температур термических оксидов азота ( ) из и воздуха.

Беспламенное горение

Беспламенное горение - это горение топливно-воздушной смеси на поверхности раскаленных огнеупорных материалов. Существует множество технологий беспламенного горения. В качестве иллюстрации на рис. 9.2 приведена схема инжекционной беспламенной горелки, у которой сжигание топливно-воздушной смеси происходит в огнеупорном туннеле.

Рассмотрим работу беспламенной инжекционной горелки. Пуск горелки начинается с пламенного горения смеси в огнеупорном тоннеле. По мере его разогрева увеличивают скорость подачи горючей смеси так, чтобы она превысила скорость ее горения. Иначе говоря, искусственно создаются условия для срыва пламени горелки, и горение топливно-воздушной смеси продолжается далее уже без пламени в сильно нагретом огнеупорном туннеле.

Рис. 9.2. Схема инжекционной беспламенной горелки:

1 - сопло газовое; 2 - регулятор подачи воздуха; 3 - смеситель;

4 - насадка; 5 - огнеупорный туннель

Преимущества (+) и недостатки (-) беспламенной горелки по сравнению с обычной:

(+)

высокое, в расчете на объем туннеля, тепловыделение (тепловое напряжение), достигающее величины около 100 млн. кДж/ч- , что примерно на 2 порядка превышает тепловое напряжение пламенной горелки;

(-)

огнеупоры, применяемые для туннеля, должны обладать исключительно высокой термической прочностью, особенно в случае применения топлива с высокой жаропроизводительностью.

Каталитическое горение

Каталитическое горение топливно-воздушной смеси - это беспламенное горение углеводородного топлива, его глубокое окисление до и в присутствии катализаторов. Обычно для этой цели используют гетерогенные катализаторы, устойчивые при высокой температуре.

Катализаторы - вещества, изменяющие скорость химической реакции и не входящие в ее стехиометрическое уравнение.

В процессах сжигания топлива наиболее часто используют 2 группы катализаторов:

1. металлы, в качестве которых применяют ;

2. оксиды металлов - , з, .

В присутствии катализаторов первой группы процесс горения проводят при температуре 150-250°С, на катализаторах второй группы - при температуре 300-500°С.

Преимущества каталитического беспламенного горения - сравнительно низкие температуры и практически количественное (полное) сжигание топлива без избытка воздуха в топливно-воздушной смеси.

В качестве недостатков следует отметить достаточно высокую стоимость катализаторов на основе металлов платиновой группы, а также необходимость тщательной подготовки топлива, включая предварительную очистку топлива от соединений, снижающих эффективность каталитических нагревателей.

На рис. 9.3 приведена схема каталитического нагревателя, работающего на газе. Газ из баллона поступает через редуктор в камеру каталитического нагревателя. Сгорание газа происходит без пламени в слое катализатора на воздухе. Температура каталитического горения определяется типом катализатора и теплотворной способностью газообразного топлива и обычно составляет около 400°С. Производительность по теплу (тепловая нагрузка) такого нагревателя определяется конструкционными особенностями и составляет, как правило, (12-15)· кДж/ч.

Каталитические газовые нагреватели предназначены для обогрева фонтанной, регулирующей и запорной арматуры газовых промыслов, приборов автоматики и КИП (контрольно-измерительных приборов).

Широкое распространение каталитические нагреватели на жидком органическом топливе получили в качестве индивидуальных безопасных карманных печек для нефтяников, газовиков, геологов, разработчиков, буровиков.

Рис. 9.3. Схема каталитического нагревателя:

1 - баллон с газом, 2 - редуктор, 3 - каталитический нагреватель, 4 - катализатор