Наличие устойчивого пламени является важнейшим условием надежной и безопасной работы агрегата. При неустойчивом горении пламя на определенных режимах может проскочить внутрь горелки или оторваться от нее. В обоих случаях это может привести к загазованию топки и газоходов и взрыву газовоздушной смеси при последующем повторном розжиге.
Рассмотрим основные факторы, определяющие устойчивость пламени, на примере простейшей горелки в виде трубки, из устья которой в атмосферу выходит с небольшой скоростью газовоздушная смесь. Если бы скорость выходящего потока смеси была одинаковой по всему сечению устья и близкой к скорости распространения пламени, то при поджигании в потоке образовался бы на некотором расстоянии от устья плоский горящий фронт пламени. На самом деле выходящий из устья поток смеси всегда имеет неравномерное поле скоростей: чем ближе к стенкам, оказывающим тормозящее воздействие, тем меньше скорость. Самая большая скорость в центре потока может значительно превышать нормальную скорость распространения пламени у н (составляющую общей скорости распространения пламени, перпендикулярную к фронту горения). В результате плоская форма фронта пламени не может сохраниться и при круглом устье горелки приобретает вид конуса (рис. 7.1). Вторая составляющая скорости распространения пламени (перпендикулярная к V,) направлена вдоль наклонной поверхности конуса и стремится снести пламя к его вершине, следовательно, погасить его. Для устойчивого существования конусного пламени необходимо постоянно поджигать газовоздушную смесь. Это происходит в точках вблизи стенок, где скорость выхода потока из устья очень мала. Стенки горелки не только притормаживают поток смеси, но и охлаждают его. Вследствие этого вблизи стенок также уменьшается скорость распространения пламени. В области, прилегающей к устью горелки, конусный фронт пламени разворачивается и его края становятся параллельными плоскости устья. В результате в месте изгиба конуса образуется кольцевая зона, где скорости потока и распространения пламени становятся равными друг другу. Эта зона и служит постоянным поджигающим очагом для всей остальной конусной поверхности горения.
Рис. 7.1.
/ - внешний (наружный) конус; 2 - внутренний конус; 3 - линии тока;
4 - корпус горелки
Мощность кольцевой поджигающей зоны, а следовательно, и устойчивость всего факела горелки зависят от состава смеси: чем больше в ней горючего газа, тем надежнее поджигающий пояс и меньше вероятность отрыва факела. При прочих равных условиях наибольшую устойчивость имеет диффузионный факел, когда из устья горелки выходит только газ.
При возрастании тепловой мощности горелки и достижении скоростью потока какого-то предела поджигающее воздействие зоны оказывается недостаточным - пламя отрывается. Отрыв может быть частичным, когда горение происходит на некотором расстоянии от устья горелки, и полным, когда горение прекращается полностью. Уменьшение тепловой мощности горелки ведет к тому, что на каком-то режиме скорость потока окажется меньше скорости распространения пламени - происходит проскок, или обратный удар, пламени.
При устойчивом горении частично подготовленной смеси пламя (см. рис. 7.1) состоит из двух конусов - наружного 1 и внутреннего 2. Последний представляет собой поверхность, в которой выгорает та часть горючего, которая обеспечена первичным воздухом, имеющимся в смеси. В зоне горения, т.е. на поверхности внутреннего конуса, развивается высокая температура, и она выделяется на фоне синеватого внешнего конуса своим зеленовато-голубоватым цветом. Основание внутреннего конуса располагается от обреза устья на расстоянии, примерно равном толщине зоны горения, которая образует поверхность конуса (для смеси метана с воздухом - около 0,6 мм). Остальная часть горючего догорает в наружном конусе (иногда называемом мантией) за счет кислорода, диффундирующего в него из окружающей среды.
Увеличивая скорость потока смеси и меняя в нем а, можно видеть переход от ламинарного к турбулентному течению: вследствие появления вихревых движений и пульсаций ясно очерченный конусный фронт пламени размывается, его толщина возрастает, пламя становится неустойчивым, стремится оторваться или проскочить внутрь горелки.
Количество первичного воздуха в газовоздушной смеси является одним из основных факторов, влияющих на скорость распространения пламени. В смесях, в которых содержание газа превышает верхний предел его воспламеняемости (взрываемости), пламя вообще нс распространяется. С увеличением количества первичного воздуха в смеси скорость распространения пламени увеличивается, достигая наибольшего значения при содержании воздуха около 90 % теоретически необходимого. Из этого следует, что при увеличении подачи первичного воздуха в горелку и приближении состава смеси к стехиометрическому возрастает опасность проскока пламени. Поэтому при увеличении тепловой мощности горелок обычно увеличивают сначала подачу газа, а затем воздуха, а при уменьшении нагрузки - наоборот. По этой же причине в момент зажигания горелок некоторых конструкций горение сначала идет за счет вторичного воздуха, и по мере увеличения тепловой мощности в них подают первичный воздух.
Недопустимы как отрыв пламени (частичный и полный), так и его проскок внутрь горелки. В первом случае топка и газоходы, а иногда и помещение котельной заполняются несгоревшим газом, образуется взрывоопасная газовоздушная смесь, что при наличии источника высокой температуры может привести к взрыву. Во втором случае пламя, как и при отрыве, может погаснуть и газ начнет выходить в топку, заполняя ее и газоходы. Если горение сохранится в горелке, то из-за резкого увеличения ее сопротивления оно будет происходить с большим химическим недожогом, и продукты неполного сгорания газа, заполняющие топку и газоходы, также могут образовать взрывоопасные и токсичные (в основном за счет оксида углерода) смеси. Сама горелка вследствие перегрева может выйти из строя. Отсюда следует, что конструкция горелки должна обеспечивать устойчивость пламени без его отрыва и проскока во всем расчетном диапазоне регулирования ее тепловой мощности.
Рассмотрим некоторые мероприятия, применяемые для стабилизации пламени на практике. Если из устья горелки (или огневых отверстий горелки многофакельного типа) выходят чистый газ или газовоздушная смесь, концентрация газа в которой больше верхнего предела воспламеняемости, то проскока пламени произойти не может. Следовательно, при необходимости кратковременного снижения тепловой мощности горелки ниже значений, предусмотренных паспортом, приходится во избежание проскока снижать содержание в смеси первичного воздуха. Такой метод расширения диапазона устойчивой работы применим в основном для горелок частичного смешения, выдающих из устья газовоздушную смесь с ос г ~ 0,3-0,7, например инжек-ционных горелок низкого давления.
Иначе приходится решать вопросы устойчивости горения при использовании горелок, из устья которых поступает газовоздушная смесь, по составу близкая к стехиометрической, а также предназначенных для работы с а г > 1. Как правило, в этих случаях уменьшение а, недопустимо и диапазон устойчивой работы горелки становится таким узким, что практически не дает возможности вообще регулировать расход газа через нее.
Для того чтобы горелки этого типа могли работать без проскока пламени в достаточно широких пределах регулирования, скорость выхода смеси из устья принимают в 30-50 раз больше скорости распространения пламени. В некоторых конструкциях горелок, чтобы избежать проскока при малой тепловой мощности, используют метод подачи газа через круглые каналы (отверстия) или щели, размеры которых принимают настолько малыми, что они приближаются к критическим. При размерах каналов меньше критических проскок пламени через них невозможен из-за резкого уменьшения нормальной скорости распространения пламени вследствие усиленного теплоотвода от корня факела. Для стехиометрической смеси метана с воздухом критический диаметр канала равен примерно 3 мм, щели - 1,2 мм.
Устойчивость факела в отношении отрыва у горелок, выдающих газовоздушную смесь с а > 1, обеспечивают устройством специальных стабилизаторов. Конструктивно стабилизаторы могут быть встроены непосредственно в горелку (например, тела плохо обтекаемой формы, кольцевые стабилизаторы), примыкать к ней (керамические туннели, поджигающие факелы стационарных запальников) или располагаться в топке на некотором удалении от горелки (керамические горки, решетки, рассекатели).
Схема стабилизации пламени горелки факелом стационарного запального устройства приведена на рис. 7.2,а. Надежность этого метода зависит в свою очередь от устойчивости запального факела. Наиболее широкое распространение в печах и котлах получили керамические туннели цилиндрической, конической, прямоугольной или щелевидной формы. В туннель обычно поступает подготовленная смесь газа с воздухом с предварительным подогревом воздуха или без него (в теплотехнических установках газ, как правило, не подогревают). В ряде случаев в туннель подают частично подготовленную газовоздушную смесь или даже раздельно газ и воздух, и тогда туннель кроме своего основного назначения - стабилизировать пламя - выполняет функции смесителя. В туннель можно подавать из устья горелки прямолинейный поток газовоздушной смеси, в которой все линии тока параллельны оси горелки или имеют с ней небольшой угол (при конфузорном устье). Такие горелки иногда называют прямоструйными. К ним относятся, например, инжекпи-онные горелки среднего давления. В туннель можно подавать предварительно закрученный поток газовоздушной смеси. Горелки с закруткой потока, выходящего из устья, часто называют вихревыми.
а) б) в)
Рис. 7.2.
отрыв пламени
а - пилотный факел; б - цилиндрический туннель с внезапным расширением; в - цилиндрический туннель без расширения; г - конический туннель; О - керамическая горка; е - кольцевой стабилизатор; ж , з - тела плохо обтекаемой формы (цилиндрическое, коническое)
В качестве стабилизаторов пламени могут использоваться различного рода раскаленные керамические поверхности, на которые направляется газовоздушная смесь, выходящая из устья горелки (горки, рассекатели, столбики, стенки, решетки и т.п.). В этом случае керамическая поверхность располагается в топке так, чтобы ее можно было раскалить пламенем той же горелки, работающей устойчиво при недостатке воздуха. После разогрева огнеупора до температуры, достаточной для поджигания газа, количество воздуха, поступающего в горелку, увеличивается до заданного и пламя при отрыве от устья горелки стабилизируется на поверхности раскаленного до 1000-1200 °С огнеупора (рис. 7.2,д). Стабилизаторы этого типа отличаются от других тем, что расположены на некотором расстоянии от устья горелки. Их стабилизирующая способность несколько меньше, чем керамических туннелей.
Широкое применение получили стабилизаторы в виде тел плохо обтекаемой формы (рис. 7.2,ж,з). За телом плохо обтекаемой формы, введенным в поток газовоздушной смеси, образуется зона заторможенного движения частиц. При соответствующих поперечных размерах стабилизатора в этой зоне возникают обратные токи горячих продуктов горения, т.е. создается зона рециркуляции. Слои газовоздушной смеси, расположенные на границе с зоной рециркуляции, подогревают до температуры воспламенения и поджигают, стабилизируя пламя в основном потоке. Стабилизирующая способность тела плохо обтекаемой формы зависит от его формы и размеров, наличия и размеров зоны рециркуляции, а также состава смеси (чем ближе он к стехиометрическому, тем надежнее стабилизация). Наибольшей стабилизирующей способностью обладают диски и шайбы. Следовательно, правильно сконструированный и расположенный стабилизатор в виде тела плохо обтекаемой формы может исключить отрыв пламени при достаточно высокой скорости смеси, выходящей из устья горелки. Достоинство этих стабилизаторов составляют упрощение монтажа и уменьшение габаритов га-зогорелочного устройства, так как отпадает необходимость в устройстве туннелей, а стабилизатор, как правило, встраивается в конструкцию горелки.
Этими же достоинствами обладают и кольцевые стабилизаторы (рис. 7.2,с), у которых часть газовоздушной смеси (от 5 до 10 %) отделяется от основного потока и направляется наружу не через устье, а через боковые отверстия 3. Эта часть газовоздушной смеси, выйдя из отверстий, попадает в кольцевую полость 4 , образованную наружной поверхностью огневого насадка 2 и специальным кольцом /. Так как площадь поперечного сечения кольцевой щели значительно больше суммарной площади отверстий, то скорость смеси уменьшается до значения, при котором отрыва пламени не может произойти. Устойчивое горение газа у кольца обеспечивает надежное поджигание всей смеси, выходящей из устья горелки с большой скоростью. Кольцевые стабилизаторы могут компоноваться с горелками, выдающими газовоздушную смесь с а = 0,2-1,1.
К недостаткам кольцевых стабилизаторов и тел плохо обтекаемой формы можно отнести необходимость применения жаропрочного материала.
Производить после загорания газа 4) при отключении сначала снизить производительность горелок до минимальной (согласно
При зажигании горелки с полной подачей воздуха может наблюдаться проскок пламени в горелку. Горелка начинает работать с характерным гудением, дает светящееся пламя и сильно разогревается, что может привести к ожогам и возгоранию трубок, подводящих газ. В таком случае необходимо закрыть газовый кран и, после остывания горелки, вновь ее зажечь, предварительно прикрыв подачу воздуха.
Чтобы избежать проскока пламени в горелки, следует
Не допускать сильного нагрева выходной головки горелки, если она должна охлаждаться водой или воздухом. При проскоке пламени в горелку необходимо закрыть подачу газа в горелку, и если она успела нагреться, то не пускать ее вновь до полного охлаждения.
Л. 19]. Незаштрихованными оставлены области, где горение невозможно вследствие проскоков пламени в горелку (область 4) или вследствие того, что пламя полностью отрывается и гаснет (область 5).
В конструкциях всех устройств для сжигания топлива с полным перемешиванием газа и воздуха до входа в горелочный туннель есть общие черты. Для предотвращения обратного удара (проскока) пламени в горелку горящая смесь должна входить в печное пространство со скоростью, большей скорости распространения пламени. Чем больше скорость струи горючей смеси, 7ем больше расстояние точки воспламенения от устья горелки, если не предусмотрены средства для торможения всего или части потока . Горение начинается в той точке струи, где ее скорость равна скорости распространения пламени, при условии, что температура смеси газа и воздуха равна или выше температуры воспламенения. Если эта точка расположена в устье горелки (предельный случай), пламя может проскочить в горелку.
Срыв пламени и проскок пламени в горелку.
Выше указывалось, что устойчивый процесс горения газа в факеле возможен лишь в ограниченном интервале скоростей истечения горючей смеси из горелки. Ирп малых скоростях истечения возможен проскок пламени в горелку, а прп больших скоростях - отрыв его от горелки.
Чтобы зажечь горелку, надо к ней поднести зажженную спичку, а затем медленно открывать кран. При проскоке пламени в горелку ее немедленно погасить.
Опыты показывают, что чем больше турбулентность газового потока, тем больше скорость расиространения этого пламени превышает скорость распространения пламени при прямоструйном движении, поэтому во избежание проскока пламени в горелку скорость вылета смеси из нее должна быть значительно больше скорости распространения пламени газовоздушной смеси.
При проскоке пламени в горелку необходимо прекратить подачу газа к ней, охладить, если она успела нагреться, и повторно зажигать после вентиляции топки.
Применена кассетная установка ламп с полым катодом , что создает большие удобства при последовательном определении различных элементов . Прибор снабжен автоматическим блоком подготовки газовой смеси, осуществляющим стабилизацию давления и расхода газов , их воспламенение и отключение при проскоке пламени в горелку, а также в случае снижения давления или падения напряжения в сети. Воздух поступает от компрессора или линии сжатого воздуха , а газы - от баллонов с редукторами.
Как и у других инжекционных горелок среднего давления , проскок пламени в горелки Ленгипроинжпроекта (при ада 1,0) определяется диаметром устья (номером горелки) и скоростью вылета из него газовоздушной смеси (скорость пропорциональна расходу газа Кр)- Давление газа кгс/м, при котором наступает проскок пламени в горелки Ленгипроинжпроекта при а да 1,0 и компоновке с туннелем, составляет
Если азот необходимо подавать в работающую систему (для устранения проскока пламени в горелке реактора подсоса воздуха в систему, работающую в вакууме, и др.), то его направляют по стационарным трубопроводам, соблюдая соответствующие правила , предусмотренные нормами.
скорость истечения больших закрытых надежности скорость больше скорости распространения пламени. Этой минимальной скорости истечения газовоздушной смеси в топку соответствует величина наименьшего давления перед горелкой. Величину давления газа можно определить по формуле
При небольших нагрузках горелки, когда скорость истечения газовоздушной смеси мала, происходит проскок пламени в горелку, сопровождаемый хлопком, т. е. взрывом небольшого объема смеси в самой горелке. В больших закрытых горелках приходится устанавливать взрывные клапаны. Для надежности скорость истечения газовоздушной смеси из кратера горелки при ее наименьшей нагрузке во избежание проскока пламени берут в 2-3 раза больше скорости распространения пламени.
При просмотре суточной ведомости каких-либо отклонений в производительности котла , давлении газа , температурах и разрежениях по газовому тракту котлоагрегата не наблюдалось. Появление преждевременного проскока пламени в горелку может произойти в случае, если по каким-либо причинам снизится скорость выхода газовоздушной смеси из выходного насадка горелки . Это могло произойти вследствие увеличения плош,ади выходного сечения насадка из-за разрушения туннеля и обгорания насадка. Для устранения описанного дефекта необходимо при первой возможности остановить котлоагрегат и восстановить выходной насадок горелки и туннель.
Проскок пламени в горелку недопустим, так как при этом газ будет гореть внутри горелки, последняя будет излишне накаливаться , в результате чего произойдет ее порча. В случае проскока пламени следует закрыть подачу газа , дождаться охлаждения горелки, а затем произвести повторное зажигание установленным порядком.
Линии Па, 116 и Пв также представляют собой границы устойчивости горения, но определяемые возникновением проскока пламени внутрь горелки. Значения скоростей истечения, меньшие, чем на этих кривых, соответствуют режимам, при которых наблюдается проскок пламени в горелках соответствующего размера.
Горелки Стальпроекта, начиная с теплопроизводительности 114 ООО ккалЫ (с диаметром сопла йо = 4,6 мм) и выше, делаются с полыми стенками для охлаждения их проточной водой (см. рис. 2. 36). Охлаждение головки не только предохраняет ее от воздействия высоких температур , но главным образом снижает скорость распространения пламени и препятствует проскоку пламени в горелку. Чтобы препятствовать отрыву пламени и способствовать его стабилизации, устраивается огнеупорный туннель, в котором протекает основной процесс горения. Если же туннель почему-либо устроить нельзя, то против выходного отверстия горелки устанавливается горка из шамота и реже рассекатель из огнеупорного материала.
В случае необходимости подачи азота в работающуч) систему без ее остановки (для устранения проскока пламени в горелке реактора , защиты змеевиков подогревателей, устранения подсоса воздуха в систему, работающую при разрежении, и др.) подключение азота к аппаратам и трубопроводам производится при помощи трубы , присоединенной постоянно. При этом должны со блюдаться соответствующие правила.
Эксплуатация газовых горелокРозжиг 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.
а) 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. Проскок пламени может быть только у горелок с предварительным смешением газа и воздуха.
б) Метод борьбы: охлаждение туннеля горелки.
Причины проскока и отрыва пламени.
Причины проскока пламени в горелку – понижение давление газа или воздуха, уменьшение производительности горелки ниже значений, указанных в паспорте
Причины отрыва пламени от горелки – резкое повышение давления газа или воздуха, нарушение соотношения расходов газ - воздух, резкое увеличение разрежения на выходе из топки, увеличение производительности горелки выше значений, указанных в паспорте.
Типы стабилизаторов пламени.
а) Стабилизаторы газового пламени. Наиболее распространенными стабилизаторами пламени являются туннели конической и цилиндрической формы, применяемые при установке горелок различных типов. В туннелях стабилизацию пламени обеспечивают высокая температура и большая излучающая способность поверхности туннеля. Кроме того, в туннелях создаются зоны обратных токов (рециркуляции) или завихрений части продуктов горения, имеющих высокую температуру и способствующих воспламенению вытекающей из горелки газовоздушной смеси.
б) Газовые котлы отопления
Экологические проблемы при горении газов и других видов топлива.
В газовых выбросах присутствуют оксиды азота и серы. При растворении в атмосферном воздухе образуются кислотные осадки, что приводит к подкислению снежного и почвенного покрова, выпадению нитратов и сульфатов.
Что касается вредных влияний на почву, совокупная площадь нарушенных почв от воздействия выбросов горящих факелов составляет около 100 тыс. га. Вблизи факелов при воздействии высоких температур происходит практически полное выжигание.
Для лесных экосистем наиболее характерны такие негативные последствия, как сокращение лесов, повышение риска пожаров лесов вблизи факелов, снижение численности животных, насекомых и микроорганизмов.
Образование сажи и оксида углерода при горении.
Оксид углерода содержится в продуктах сгорания из перечисленных веществ в наибольшем количестве. Схема образования и выгорания СО имеет следующий характер: на начальном участке выгорания идёт накопление СО, а затем его окисление по длине факела или камеры сгорания. Высокие концентрации СО сохраняются, если происходит «замораживание» продуктов сгорания, т.е. быстрое охлаждение в результате расширения или соприкосновения с относительно холодными поверхностями теплообмена.
(В атмосфере оксид углерода окисляется до диоксида.)
Сажа обнаруживается в продуктах сгорания углеводородных газов при низком качестве смесеобразования и при значительном недостатке кислорода в зоне горения, а также вследствие резкого локального охлаждения пламени. Причина образования сажи заключается в том, что под воздействием высокой температуры углеводородные молекулы полностью разрушаются. Более лёгкие атомы водорода диффундируют в богатый кислородный слой и окисляются. А атомы углерода образуют аморфные частицы сажи.
Образование оксидов азота при сжигании газов.
Оксиды азота образуются в промышленных печах при высоких температурах 1800-2000 °С. Обычно концентрация оксида NO при выходе из дымовой трубы превышает в 1000-20000 раз ПДК. После выхода из дымовой трубы оксид азота переходит в диоксид NO 2 по двум реакциям:
1 В корне дымового факела протекает окисление кислородом
2NO + O 2 = 2NO 2
2 При низких концентрациях окисление идет за счет атмосферного воздуха
NO + O 3 = NO 2 + O 2 .
39. Тепловой механизм Я.Б. Зельдовича образования NO при горении
Высокотемпературный механизм окисления азота в зоне горения был предложен Я. Б. Зельдовичем в середине 1940-х годов и считается основным механизмом образования оксидов азота при горении. Этот механизм включает следующие элементарные стадии:
к которым добавляется реакция (Фенимор и Джонс, 1957):
Совокупность реакций (1-3) называется расширенным механизмом Зельдовича. В силу того что энергия тройной связи в молекуле N 2 составляет около 950 кДж/моль, реакция (1) имеет большую энергию активации и может проходить с заметной скоростью только при высоких температурах. Поэтому этот механизм играет важную роль в случае высоких температур в зоне реакции, например, при горении околостехиометрических смесей или при диффузионном горении. Считается, что повышение максимальной температуры в зоне горения свыше 1850 К приводит к недопустимо высоким выбросам NO x , и одним из основных способов снижения выбросов по тепловому механизму является недопущение образования очагов высокой температуры во фронте пламени.
Образование канцерогенных ПАУ при горении.
Полициклические ароматические углеводороды – нежелательный побочный продукт сжигания ископаемого топлива, в первую очередь угля и нефтепродуктов. Уголь считается смесью огромного количества поликонденсированных ароматических бензольных ядер с минимальным содержанием водорода. При сжигании этих веществ в печах, электростанциях, двигателях внутреннего сгорания эти соединения разлагаются. При низких температурах сгорания и недостаточном поступлении атмосферного кислорода образуется очень реактивный ацетилен, равно как и различные алифатические фрагменты углеводородов. Ацетилен полимеризуется в бутадиен, который в дальнейшем образует ядро ароматического углеводорода. При добавлении его к существующим ароматическим ядрам возникает ПАУ, например пирен, из которого путем добавления еще одной молекулы бутадиена выделяется наиболее известный канцероген – бензо[а]пирен (БаП). При сжигании при высокой температуре и обильном поступлении атмосферного кислорода образуется мало ПАУ, потому что практически весь углерод сгорает, превращаясь в оксид углерода.
При неполном сгорании возникают частички углерода – сажа. Можно предположить, что образующиеся ПАУ, адсорбированные на поверхности частичек сажи и дыма, вместе с ними попадают в окружающую нас среду. Сажа, твердые частички дыма и выхлопных газов содержатся в дорожной пыли, смоге больших городов, пыльном воздухе коксовых заводов. Вместе с пылью они попадают на одежду, кожу, в дыхательные пути. Сегодня известно уже несколько сот различных полициклических ароматических веществ: несколько десятков из них – канцерогены. Однако их действие неодинаково и зависит от строения соответствующего вещества.
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
|
Значения максимальных и минимальных расстояний между осями горелочных отверстий для нормального распространения и горения пламенн
|
