2. Выбор топливосжигающих устройств

Конструкции горелок и форсунок нормированы. Поэтому ниже приведены только характеристики и примеры выбора горелок наиболее распространенных типов. Для газа с высоким давлением используют инжекционные горелки. Наибольшее распространение получили горелки Стальпроекта (рис. 1) типов В (высокого давления), Н (низкого давления) и П (для сжигания подогретых газов). Последние могут работать также и на подогретом воздухе. Для любой горелки ее номер численно равен диаметру носика, выраженному в миллиметрах. Горелки типов В100, Н100 и выше снабжаются водоохлаждаемыми носиками. Производительность горелок (табл. 8) типа В приведена при давлении газа 20 кН/м², а горелок Н — при давлении 5 кН/м². При повышении давления газа производительность горелок типов В, Н и П можно рассчитать по формуле V = V_т√р/р_т, м³/ч: здесь V_т и р_т — табличные значения производительности и давления. Например, горелка ВН8 при повышении давления до 80 кН/м² будет иметь производительность V=5√80/20 = 10 м³/ч. Производительность горелок типа П приведена в табл.9.

Таблица 8

Производительность горелок В и Н, м³/ч

Тип номер горелки	Теплота сгорания газа, МДж/м3				Тип номер горелки	Теплота сгорания газа, МДж/м3
	35	30	27	17		3.8	5	6.3	7.3	8.8
В15	0.5	0.6	0.7	2	Н15	14	10	7	5	4
В18	0.7	0.9	1.1	3	Н18	19	13	10	8	6
В21	0.9	1.2	1.3	4	Н21	27	19	14	11	7
В24	1.2	1.6	2	5	Н24	32	22	18	14	11
В28	1.7	2	3	6	Н28	45	33	24	18	15
В32	2	3	4	8	Н32	64	41	31	24	18
В37	3	4	5	11	Н37	81	57	42	31	25
В42	4	5	6	13	Н42	105	75	55	40	33
В48	5	6	7	17	Н48	136	98	68	52	40
В56	7	9	10	24	Н56	185	130	95	70	56
В65	9	12	14	32	Н65	245	174	130	95	75
В75	12	15	18	44	Н75	335	225	180	125	100
В86	18	20	25	56	Н86	445	300	220	175	130
В100	22	28	34	76	Н100	580	430	300	225	180
В116	29	38	44	103	Н116	750	575	415	320	235
В134	38	49	60	134	Н134	1070	750	530	400	310
В154	50	65	78	178	Н154	1430	1000	750	530	420
В178	65	85	104	240	Н178	1900	1300	950	750	580
В205	90	116	128	320	Н205	2500	1715	1270	1000	770
В235	118	146	180	590	Н235	3400	2300	1700	1300	1000

Рис. 1. Инжекционная горелка Рис. 2. Горелка Теплопроекта

Таблица 9

Производительность горелок П, м³/ч

Тип номер горелки	Теплота сгорания газа, МДж/м3
	5850	6690	7520	8360	3760	4180	5430	5850	6270	6690
П65	113	92	73	66	277	230	169	145	134	112
П75	166	128	105	85	362	307	226	197	171	147
П85	212	184	130	108	480	141	288	257	245	215
П100	302	250	187	161	659	562	399	344	328	294
П116	408	326	254	208	896	782	550	486	425	368
П134	555	437	353	280	1200	1010	755	653	583	516
П154	725	564	445	363	1590	1330	960	845	757	664
П178	952	762	630	506	2030	1820	1250	1125	1000	885
П205	1245	1005	805	645	2650	2130	1660	1440	1260	1130
П235	1580	1270	1010	830	3480	2930	2090	1880	1680	1450
П270	2110	1700	1320	1080	4542	3860	2780	2480	2210	1900

Данные, приведенные в колонках 2-5, cпpaвeдливы для условий сжигания холодного газа с воздухом, подогретым до 500° С. В колонках 6, 7 — при подогреве газа до 300 и воздуха до 600° С. В колонках 8-Н — при подогреве газа до 200° С и температуре воздуха 500° С. Данные о производительности горелок типа П приведены для давления газа 10 кН/м¹

К горелкам с частичным внутренним перемешиванием: относят горелки ГНП (рис. 2), конструкции которых разработаны в Теплопроекте. Они рассчитаны на сжигание природного газа, имеющего теплоту сгорания 36 МДж/м³, с коэффициентом расхода воздуха α =1,05. Горелки могут работать с воздухом, подогретым до 500° С. Если производительность горелки, использующей холодный воздух, принять за единицу, то при подогреве воздуха до 100, 200, 300, 400 и 500 °С производительность горелок соответственно равна: 0,85; 0,75; 0,7; 0,65 и 0,6. Всего разработано девять типоразмеров этих горелок от ГНП-1 до ГНП-9. Диаметры выходных сечений горелок d_н меняются от 25(ГНП-1) до 145 мм (ГНП-9). Диаметры газовых сопел d_г— от 18 до 62 мм, а воздушных d_в— от 36 до 175 мм. Соответственно длины горелок l меняются от 165 до 445 мм. Горелки ГНП можно выбирать по табл. 10.

Таблица 10

Производительность горелок ГНП по газу, м³/ч

Давление газа, кН/м3	Номер горелок
	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0,8	3	7	11	18	29	47	65	97	115
1,6	4	9	13	25	43	65	86	126	162
2,4	5	11	16	29	54	79	115	169	198

Примечание: для обеспечения нормальной работы горелки давление воздуха должно быть примерно равным давлению газа.

Стальпроектом разработана широкая номенклатура горелок с внешним перемешиванием типа «труба в трубе» (рис. 3) следующих типов: ДВМ, ДНМ, ДВС, ДНС, ДВБ, ДНБ.

Первая буква означает конструкцию (двупроводные), вторая — расчетную теплоту сгорания газа (В — высокую, Н — низкую), третья — мощность (М— малую, С — среднюю, Б — большую). К буквенному обозначению добавляют цифры, указывающие диаметр (мм) носика горелки.

Горелки ДВМ, ДВС, ДВБ рассчитаны для сжигания газа, характеризуемого теплотой сгорания 10—35 МДж/м³. Горелки ДНМ, ДНС и ДНБ можно использовать для сжигания газов с теплотой сгорания 3,7—10 МДж/м³.

Типаж горелок приведен ниже, где также указана пропускная способность горелок по воздуху (производительность). V_B, м³/ч. Эти данные справедливы для давления воздуха 1 кН/м² и плотности 1,2 кг/м³. Если давление воздуха будет выше указанного, то пропускную способность горелки вычисляют по приведенному ранее уравнению:

Тип горелки	ДВМ50	ДВМ40	ДВМ35	ДВМ25	ДВМ20
VB, м3/ч	80	60	45	25	20

Производительность горелок ДНМ по воздуху при тех же диаметрах выходного сечения составляет 0,7 производительности горелок ДВМ:

Тип горелки	ДВС150	ДВС130	ДВС110	ДВС90	ДВС70	ДВС60
VB, м3/ч	1750	1300	950	650	450	300

Производительность горелок ДНС составляет 0,5 производительности горелок ДВС, имеющих одинаковые диаметры носиков (диаметры выходных сопел) с горелками ДНС:

Тип горелки	ДВБ 425	ДВБ 400	ДВБ 350	ДВБ 300	ДВБ 275	ДВБ 250	ДВБ 200
VB, м3/ч	13500	11500	8300	6000	5000	4000	2000

У горелок ДНВ производительность по воздуху равна 0,7 производительности горелок ДВБ.

Рис. 3. Двухпроводные горелки Рис. 4. Плоскопламенная горелка

Стальпроекта

Диаметры газовых патрубков меняются от 37 до 100 мм (горелки ДНМ и ДНС). У горелок ДВБ и ДНБ они равны соответственно 100 и 250 км. Диаметры воздушных патрубков этих горелок меняются от 37 до 500 мм. Длина горелок ДНМ и ДВМ l равна примерно 200 мм. Для горелок средней производительности она составляет 400—500 мм, а длины горелок большой производительности меняются от 1075 до 1295 мм.

При подаче в горелку подогретого воздуха пропускная способность V_t,=V √293(293+1), м³/ч; здесь V— пропускная способность горелки при 20° С.

Институт «Теплопроект» разработал семь типоразмеров плоскопламенных горелок для сжигания природного газа (рис.4). Производительности горелок по газу V_г и основные размеры горелок приведены в табл. 11.

Горелки следует выбирать по производительности при заданных параметрах воздуха и газа. При этом нужно стремиться выбрать горелку с минимальными габаритами. Порядок выбора рассмотрим на примерах.

Пример 16. Выбрать горелку для сжигания 0,25 м³/с (900 м³/ч) смешанного коксодоменного газа. Состав газа: 9,8% СО₂; 22,1% СО; 14,2% Н₂; 5,7% СН₄; 0,4% С₂Н₄; 0,2% О₂; 45,3% N₂ и 2,3% Н₂О. Газ и воздух имеют температуру 20 °С. Давление воздуха 2 кН/м², газа 2,5 кН/м². Коэффициент расхода воздуха 1,15.

Рис. 5 Форсунка низкого давления Стальпроекта

Расчетом горения топлива найдено, что для горения газа заданного состава при α=1,15 расход воздуха составит 1,668 м³/м³. Поэтому пропускная способность горелки по воздуху составит: 0,25*1,668 = 0,417 м³/с. Заданный расход воздуха обеспечит горелка ДВС130. Она будет иметь резерв по воздуху, равный (1300√2 - 1500) =330 м³/ч.

Таблица 10

Производительность и основные размеры плоскопламенных горелок

Обозначение горелки	Производительность, Vг, м3/ч	Основные размеры, мм
		dн	dг	dв	l
ГПП-1	5	25	26	34	190
ГПП-2	10	35	30	48	230
ГПП-3	20	50	40	68	330
ГПП-4	40	75	60	93	400
ГПП-5	80	105	74	112	490
ГПП-6	125	140	115	146	620
ГПП-7	160	165	135	166	700

Пример 17. Условия для выбора горелки те же, что и в предыдущем примере, но воздух подогревается до 400° С.

В этом случае для воздуха

V_t = V₀ √293/(293 +t) = 1500 √293/(293 +400) = 2300 м³/ч.

Этому расходу и давлению воздуха 2 кН/м² соответствует горелка ДВС150, производительность которой равна 1750√2=2500 м³/ч.

Таблица 11

Производительность форсунок Стальпроекта, кг/ч

Давление воздуха, кН/м3	Обозначение форсунки
	Ду-40	Ду-70	Ду-100	Ду-125	Ду-150	Ду-200
3	4	11-15	30-40	55	80	130
5	6	14-20	40-50	70	105	170
7	7	17-24	50-70	85	120	200

Примечани. Производительность указана при сжигании мазута с коэффициентом расхода воздуха α-1,2. При увеличении, а производительность форсунок уменьшается. Давление мазута 60—150 кН/м².

Сжигание мазута в печах обычно осуществляют с помощью форсунок низкого и высокого давления. Нормированная форсунка низкого давления Стальпроекта изображена на рис.5, а характеристика ее работы приведена в табл. 12.

Нормированная форсунка высокого давления конструкции В. Г. Шухова изображена на рис. 6, а ее характеристика приведена в табл. 13.

Таблица 12

Производительность форсунок В. Г. Шухова, кг/ч

Давление мазута рм и распыливателя рр кН/м2	Номер форсунки
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
рм=5; рр=50	3	6	12	18	27	36	50	70	125	200
рм=60;рр=300-500	7	20	40	60	80	100	130	180	250	350
рм=200-250рр=500	10	30	60	90	120	150	180	240	320	400

РАСЧЕТ ХИМИЧЕСКИ НЕПОЛНОГО СГОРАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА ПОЛУЧЕНИЯ БЕЗОКИСЛИТЕЛЫЮЙ АТМОСФЕРЫ

При нагреве металла иногда применяют безокислительную атмосферу в печи с целью уменьшения или исключения угара металла. Для получения безокислительной атмосферы производят неполное горение природного газа с коэффициентом расхода воздуха α = 0,7...0,9. После тщательного перемешивания газа с воздухом создаются условия для окислительного разложения углеводородных соединений практически без образования твердых частиц сажи.

При неполном сгорании природного газа кроме первичных реакций (127) протекает вторичная реакция

СО + Н₂О ± CO₂ + H₂. (54)

Из уравнения (54) видно, что вторичная реакция протекает без изменения числа молей газообразных веществ и, следовательно, не оказывает влияния на объем газов в системе. Состав продуктов неполного сгорания природного газа (%) и их объем (м³/м³) выразится уравнениями:

СО₂ + СО + Н₂ + H₂O + N₂ = 100;

V_СО2 + V_СО+ V_H2 + V_H2O + V_СО2V_г;

Целью расчета неполного сгорания газа является определение объема отдельных газов в продуктах сгорания и их содержания (%).

Из технологических условий работы нагревательной печи принимают значение коэффициента расхода воздуха α. Необходимый для расчета теоретический объем воздуха при α = 1.

Азот в продуктах сгорания переходит из топлива и воздуха и его объем (м³/м³) определяется по формуле:

N₂ = 0,01 N^т₂ + 0,79αV⁰ (55)

Для нахождения объема остальных газов в продуктах сгорания составляют систему уравнений.

Суммарный объем СО и СО₂ в соответствии со стехиометрическими уравнениями горения выражают через объемы углерод содержащих газов в топливе:

V_СО + V_СО2= V_СО^т + V_СО^т₂+ V_СH4 + 2V _С2H6 + V _С3H8; (56)

Суммарный объем Н₂ и H₂О можно выразить через объемы водород, содержащих газов топлива и объем водяного пара воздуха:

V_H2 + V_H2О= 2V_СH4^т + 3V _С2H6^т + 4V _С3H8^т + 0,0161αV⁰; (57)

При неполном сгорании весь кислород, введенный в зону горения, расходуется на окисление горючих газов топлива с образованием СО, СО₂ и Н₂О. В соответствии со стехиометрическими уравнениями горения можно составить уравнение для определения расхода кислорода по объему образующихся кислородсодержащих газов. При этом следует учитывать, что находящийся в продуктах сгорания оксид углерода (IV) является не только результатом реакций горения, но и переходит из топлива. Поэтому при определении расхода кислорода общий объем СО₂, содержащийся в продуктах сгорания, необходимо уменьшить на объем оксида углерода (IV) топлива V_СО2т. Тогда баланс кислорода выразится уравнением:

V_О2=0,24αV⁰ = 0,5V_СО + 0,5V_Н2О+ V_СО2 - V_СО^т₂ ; (58)

Входящие в уравнения (56), (57) и (58) объемы отдельных газов в топливе (м³/м³) определяют из состава природного газа:

V_СО^т = 0,01 СО^т ;

V_СО^т₂ = 0,01 СО₂^т ;

V_СH4^т = 0,01 СН₄^т;

Для учета влияния вторичной реакции(54) на состав продуктов сгорания используют уравнение константы равновесия:

К_р= (р_СО2 * р_Н2)/(р_СО * р_СО2) = (V_CO2 * V_H2)/(V_CO + V_H2O) (59)

Значение константы равновесия зависит от температуры, величина которой неизвестна. Поэтому предварительно принимают предполагаемую температуру горения и по справочным данным выбирают значение константы равновесия К_р. Тогда система из четырех уравнений (56-59) будет содержать только четыре неизвестных. Совместно решая эти уравнения, вычислим объемы отдельных газов, сходящих в состав продуктов неполного сгорания природного газа. В соответствии со стехиометрическими уравнениями горения отдельных газон суммарный объем продуктов сгорания можно выразить через объемы индивидуальных газов в топливе и объем азота воздуха:

V_г = V_СО^т + 3 V_СH4^т + 5 V _С2H6^т + 7V _С3H8^т + V_СО^т + V_N^т +0,79αV⁰; (60)

Объем продуктов сгорания, определенный по уравнению (60), используют для проверки правильности выполнения расчетов.

Содержание отдельных газов в продуктах сгорания (в %) можно определить из формул:

СО₂ =(V_CO2/ V_г)100;

СО =(V_CO/ V_г)100;

Н₂ = (V_Н2/ V_г)100;

И т. д.

где k_Q2 — объемная доля кислорода и воздухе;

δ – объем азота, приходящийся на 1 м³ кислорода воз­духа.

В сухом атмосферном воздухе k_Q2 =0,21, . В обогащенном воздухе, где k_О2 > 0,21, значение δ уменьшается. Например, при k_O2=0.25, . Подставив значение из формулы (I-38) в формулу для оп­ределения коэффициента расхода воздуха, получим

^* (1-39)

где , — объем азота и кислорода в сухих дымовых газах.

Заменим объемы и в формуле (1-39) процентным содержанием соответствующих компонентов в сухом дымовом газе по следующим выражениям:

, (1-40)

После подстановки и из формулы (1-40) в выра­жение (1-39) и сокращения всех членов на V^c.r./100 формула (1-39) примет вид

(1-41)

Формула (1-41) носит название: азотной, так как для опреде­ления коэффициента расхода воздуха по этой формуле нужно наряду с процентным содержанием избыточного кислорода (O₂^c.r.) знать процентное содержание азота в сухих продуктах сгорания (N₂^c.r.). Формула (1-41) является довольно простой, так как требует определения только двух компонентов в про­дуктах сгорания — азота и кислорода, однако для некоторых видов топлива эта формула может быть упрощена еще в боль­шей степени. Если в продуктах сгорания содержится мало во­дяных паров, то содержание азота в сухих продуктах сгорания будет близко к содержанию азота в атмосферном воздухе и

1 * Так как анализ дымовых газов производят на сухой газ, здесь и далее вместо индекса д пишем индекс с. г.

составляет примерно 79—80%. В этом случае можно принять N₂^c.r.=N₂ⁿ и формула (1-41) примет вид

(1-42)

Эта формула носит название кислородной, так как даeт воз­можность определить коэффициент расхода воздуха только лишь по процентному содержанию кислорода в продуктах сго­рания. Формула (1-42) дает хорошую точность расчета для ан­трацита и каменных углей.

2. Т о п л и во со з н а ч и т е л ь н ы м с о д е р ж а н и е м азота (N₂ ≥ 10%). К этому виду топлива относятся, в основном, доменный и генераторный газы (N₂ = 50 60%). В коксовом газе также может содержаться азот в количестве, доходящем до 10%. Для этих топлив уже нельзя пренебречь со­держанием азота в топливе, и для определения процентного со­держания азота, перешедшего в дымовые газы из воздуха, нужно пользоваться формулой

(1-43)

где N₂^c.r — содержание N₂ в сухом топливе, %.

Подставив значение N² из формулы (1-43) в (1-41) получим

(1-44)

Следовательно, дли определения коэффициента расхода возду­ха в данном случае нужно производить анализ не только про­дуктов сгорания, но и анализ газообразного топлива с целью определения в нем процентного содержания азота N₂^c.r.

О п р е д е л е н и е к о э ф ф и ц и е н т а р а с х о д а в о з д у х а при неполном сгорании топлива. При неполном сгорании топлива наличие кислорода в дымовых газах обуслов­лено не только внесением его с избыточным воздухом, как это было при полном сгорании, но также и присутствием исходного кислорода, который по тем или иным причинам не был израс­ходован на реакции горения. Так, если в сухих дымовых газах будет иметь место какой-то процент СО^с.г., то содержание кис­лорода, который должен был быть израсходован на ее сгора­ние, составит по реакции горения 0,5 СО^с.г.. Объем кислорода, внесенного избыточным воздухом, будет равен разности между кислородом, определяемым анализом продуктов сгорания, и кислородом, который должен быть израсходован на догорание горючих газов, обнаруженных в продуктах сгорания, т. е.

. (1-45)

Зная состав и объем продуктов неполного сгорания, составляют тепловой баланс процесса и определяют температуру продуктов сгорания. Если эта температура значительно отличается от ранее принятой, по которой выбирали константу равновесия, то для уточ­нения расчета делают вторичный пересчет.

Расчёт горения природного газа с образованием сажистого углерода

Для повышения интенсивности лучистого теплообмена в то­почной камере в ряде случаев применяют искусственное повышение излучательной способности факела путем сжигания природного газа с термическим разложением, которое сопровождается выделе­нием частиц сажи. Присутствие в пламени частиц углерода может в несколько раз повысить его излучательную способность.

Одним из наиболее распространенных способов искусственного повышения излучательной способности продуктов сгорания при­родного газа является полное сжигание частиц газа с последую­щим подмешиванием к раскаленным продуктам полного сгорания некоторого количества чистого газа (без воздуха). Неокисленные углеводороды подмешанного газа подвергаются термическому раз­ложению с выделением частиц углерода

, (61)

в частности для метана – основного углеводорода природного газа . (62)

При сравнительно высоких температурах в нагревательных печах (1200—1400 ⁰С и выше) введенные в горящий факел угле­водороды природного газа разлагаются практически полностью.

Оксид углерода (IV), образующийся при горении первичной смеси, взаимодействует затем с водородом и частицами углерода, полученными при термическом разложении подмешиваемого газа:

; (63)

. (64)

При сжигании природного газа СО₂ реагирует преимущественно с водородом, поэтому при расчете реакцию (64) можно не учиты­вать, что значительно упрощает расчет процесса горения.

Рассмотрим методику расчета горения газа с образованием частиц углерода для природного газа следующего состава:

.

В соответствии с технологическими условиями работы огнетехнической установки выбираем коэффициент расхода воздуха α < 1, относя его ко всему количеству топлива, поступившего в топку, и рассчитываем действительное количество подаваемого воздуха (м³/м³)

V = αV°, где V⁰ — теоретическое количество воздуха, определяемое по формуле (128), м³/м³.

Объем азота и водяного пара в продуктах сгорания определяют из следующих формул:

; (65)

, (66)

где d_тл — влагосодержание газа, г/м³.

Для определения объема остальных газов в продуктах сгора­ния введем следующие обозначения: х — объем углеводородов (для природного газа — метана), распавшихся на водород и углерод по реакции (62); у — объем СО₂, прореагировавший с соответствующим количеством водорода по реакции (63). Тогда объем полученных газов (м³/м³) выразится уравнениями:

объем оксида углерода (IV)

; (67)

объем оксида углерода (II)

; (68)

объем водорода

; (69)

объем метана

; (70)

Первое слагаемое этого уравнения выражает количество метана, которое вследствие недостатка окислителя (α < 1) не вступило в химическое взаимодействие с кислородом, второе – объем распав­шегося метана.

Константа равновесия реакции (62)

. (71)

Константа равновесия реакции (63)

. (72)

Значения констант химического равновесия зависят от тем­пературы, величина которой неизвестна. Поэтому предварительно принимают предполагаемую температуру горения и по справочным таблицам выбирают значения констант равновесия Кр. Тогда сов­местным решением системы из шести уравнений с шестью неизвест­ными вычисляют объемы и состав продуктов сгорания. Зная объемы продуктов неполного сгорания, составляют тепловой баланс про­цесса и определяют температуру горения. Если полученная в ре­зультате расчета температура значительно отличается от перво­начально принятой, принимают новую температуру горения и по­вторяют расчет.