Инжекционные горелочные устройства подогревателей газа с промежуточным теплоносителем

С.А. Барканов, инженер-конструктор 2 категории

Горелочные устройства (горелки) являются важным элементом системы отопления любого теплового аппарата, будь-то котельная, газовый подогреватель или доменная печь. Правильный выбор горелоч- ного устройства, рациональная установка его на агрегате, соблюдение условий эксплуатации решающим образом влияют на эффективность и экономичность, а иногда и на работоспособность всего агрегата.

Самым распространенным видом топлива для горелочных устройств считается газообразное топливо. В российских условиях основной вид газообразного топлива — природный газ. Состав природного газа зависит от месторождения, но основным звеном в любом случае является метан CH4. Кроме CH4 в природном газе содержится некоторое количество тяжелых углеводородов, таких как этан C2H6, пропан C3H8, бутан C4H10, а также незначительные объемы диоксида углерода CO2 и азота N2. Теплота сгорания природного газа в зависимости от его состава достигает 7400 — 9000 ккал/м3 (31 — 38 МДж/м3).

Предприятия, расположенные вблизи металлургических заводов, часто используют искусственное газообразное топливо — побочный продукт технологических процессов металлургии. Прежде всего это коксовый газ с теплотой сгорания приблизительно 4300 ккал/м3 (18 МДж/м3), а также низкокалорийный доменный газ ( 940 ккал/м3).

В странах, где запасы природного газа не так велики, как в России, широко распространен синтез-газ — продукт газификации твердого топлива. В зависимости от технологии, синтез-газ может быть среднекалорийным (до 4000 ккал/м3) или низкокалорийным (около 1000 ккал/м3).

Кроме топлива в горелку необходимо подать воздух. Для горения необходим кислород, содержание которого в воздухе составляет около 20,9% по объему, или 23% по массе. Помимо кислорода в воздухе присутствуют: азот — 78,08% по объему (77% по массе), аргон 0,93%, угле- кислый газ 0,03% и другие газы (неон, гелий, криптон, водород, ксенон), содержание которых в воздухе незначительно.

Количество воздуха, требуемое для полного сгорания 1 кг (или 1 м3) топлива, называется «теоретически необходимым количеством воздуха». Его величина зависит от химического состава топлива.

Для исключения химического недожога топлива, в горелку приходится подавать количество воздуха несколько больше теоретически необходимого. Отношение объема фактически подаваемого воздуха к его теоретически необходимому количеству называется коэффициентом избытка воздуха α.

При сжигании разных видов топлива требуется различная ве- личина избытка воздуха (чем труднее окислить горючее, тем больше должен быть коэффициент α). Недостаток воздуха ведет к появлению в дымовых газах окиси углерода CO — продукта, свидетельствующего о неполном сгорании. Избыточное количество воздуха увеличивает потери тепла с уходящими газами, уменьшая тем самым КПД теплового агрегата. Одновременно с этим, чрезмерно высокий коэффициент α снижает температуру факела, что приводит к появлению CO и образованию сажи.

Для обеспечения эффективного горения очень важно поддерживать необходимое количество окислителя. Этот процесс контролируется по составу продуктов сгорания: измерение содержания O2 и CO2 в дымовых газах позволяет рассчитать α.

Завод «Газпроммаш» (г. Саратов) выпускает подогреватели топливного и пускового газа, которые оснащаются горелочными устройства- ми собственной конструкции. Принципиальная схема такой горелки показана на рисунке 1, а ее конструкция представлена на рисунке 2. Она относится к классу инжекционных горелок — то есть является горелкой с предварительным смешением газа с воздухом, у которой одна из сред, необходимых для горения, подсасывается в камеру сгорания другой средой. Горелка состоит из нескольких основных частей. К основанию 1, закрепленному на жаровой трубе, крепится инжекционная труба 3, с сопловым аппаратом 4. Основание содержит цилиндрическую часть (шибер) с окнами для поступления в камеру сгорания вторичного воздуха, который необходим для поддержания горения факела. Количество вторичного воздуха регулируется с помощью шибера 6. Первичный воздух, подача которого регулируется шибером 7, поступает в инжекционную трубу через сопловой аппарат. Топливный газ, подведенный к горелке, поступает в сопловые отверстия, при выходе из которых инжектирует необходимый для горения воздух, смешивается с ним, образуя горючую смесь, которая сгорает на выходе из инжекционной трубы. В зависимости от требуемой мощности, давление газа на входе в горелку может составлять от 0,01 до 0,09 МПа. Латунные сопла 5 имеют различные проходные сечения. При необходимости, подбор сопел может проводиться в процессе режимной наладки подогревателя непосредственно на месте эксплуатации в реальных условиях работы. Лопатки завихрителя 8 наклонены под определенным углом, что способствует улучшению приготовления газовоздушной смеси. Сопловая часть инжекционной трубы, расположенная в зоне высоких температур, выполнена из нержавеющей стали.

Рисунок 1
1 Основание. 2 Шибер. 3 Труба инжекционная. 4 Аппарат сопловый. 5 Сопло.
6 Шибер регулировки вторичного воздуха. 7 Шибер регулировки первичного
воздуха. 8 Завихритель. 9 Стойка. 10 Рукоятка завихрителя. 11 Зажим.

Рисунок 2

Работа инжекционных горелок не требует электроэнергии, что позволяет использовать их на объектах с возможными отключениями электроснабжения без остановки основного технологического процесса.

Основные параметры и технические характеристики горелок инжекционных ГПМ-ГИМ приведены в таблице 1.

Для проверки работоспособности и анализа режимов работы инжекционных горелок при их разработке и модернизации, специалистами завода «Газпроммаш» изготовлен специальный испытательный стенд, позволяющий проводить полномасштабные испытания в условиях полигона (рисунок 3) с последующим всесторонним анализом полученных результатов. 

Такой подход позволил создать инжекционные горелки, выгодно отличающиеся от аналогичных изделий других производителей. К их до- стоинствам следует отнести:

  • прогрессивная схема приготовления газовоздушной смеси;
  • отсутствие в дымовых газах продуктов неполного сгорания то- плива;
  • малые габариты и масса; хорошая ремонтопригодность и эргономичность;
  • высокая надежность и долговечность.

Рисунок 3

Горелки ГПМ-ГИМ производства завода «Газпроммаш» соответ- ствуют ГОСТ 21204-97, сертифицированы и имеют разрешение Ростехнадзора на применение.