Методы сжигания природного газа

Методы сжигания газа

В зависимости от способа образования газовоздушной смеси методы сжигания газа подразделяются (рисунок ниже):

Методы сжигания газа

а — диффузионный; б — смешанный; в — кинетический; 1 — внутренний конус; 2 — зона первичного горения; 3 — зона основного горения; 4 — продукты сгорания; 5 — первичный воздух; 6 — вторичный воздух

При диффузионном методе сжигания к фронту горения газ поступает под давлением, а необходимый для горения воздух — из окружающего пространства за счет молекулярной или турбулентной диффузии. Смесеобразование здесь протекает одновременно с процессом горения, поэтому скорость процесса горения в основном определяется скоростью смесеобразования.

Процесс горения начинается после контакта между газом и воздухом и образования газовоздушной смеси необходимого состава. К струе газа диффундирует воздух, а из струи газа в воздух — газ. Таким образом, вблизи струи газа создается газовоздушная смесь, в результате горения которой образуется зона первичного горения газа 2. Горение основной части газа происходит в зоне 3, а в зоне 4 движутся продукты сгорания.

Выделяемые продукты сгорания осложняют взаимную диффузию газа и воздуха, в результате чего горение протекает медленно, с образованием частиц сажи. Этим и объясняется, что диффузионное горение характеризуется значительной длиной и светимостью пламени.

Достоинством диффузионного метода сжигания газа является возможность регулирования процесса горения в широком диапазоне. Процесс смесеобразования легко управляем при применении различных регулировочных элементов. Площадь и длину факела можно регулировать дроблением струи газа на отдельные факелы, изменением диаметра сопла горелки, регулированием давления газа и т. д.

К преимуществам диффузионного метода сжигания относятся: высокая устойчивость пламени при изменении тепловых нагрузок, отсутствие проскока пламени, равномерность температуры по длине пламени.

Недостатками этого метода являются: вероятность термического распада углеводородов, низкая интенсивность горения, вероятность неполного сгорания газа.

При смешанном методе сжигания горелка обеспечивает предварительное смешение газа только с частью воздуха, необходимого для полного сгорания газа, остальной воздух поступает из окружающей среды непосредственно к факелу. В этом случае сначала выгорает лишь часть газа, смешанная с первичным воздухом, а оставшаяся часть газа, разбавленная продуктами сгорания, выгорает после присоединения кислорода вторичного воздуха. В результате факел получается более коротким и менее светящимся, чем при диффузионном горении.

При кинетическом методе сжигания к месту горения подается газовоздушная смесь, полностью подготовленная внутри горелки. Газовоздушная смесь сгорает в коротком факеле. Достоинство этого метода сжигания — малая вероятность химического недожога, небольшая длина пламени, высокая теплопроизводительность горелок. Недостаток — необходимость стабилизации газового пламени.

Методы сжигания природного газа

Методы сжигания природного газа

Все методы сжигания базируются на приготовлении газовоздушной смеси определенного состава.

I. диффузионный метод сжигания
Особенности. В корневой зоне никакого процесса горения нет. На границе корневой зоны молекулы кислорода успевают смешиваться и начинает газ гореть. В зоне основного горения выгорает углерод.
Этот процесс горения называется диффузионным, так как воздух сам приходит из атмосферы. Смешение молекул воздуха и газа происходит по газовым законам. Не будем углубляться в науку, а посмотрим процесс горения схематично, чтобы понять суть.
К фронту горения газ поступает под давлением, а необходимый для горения воздух из окружающего пространства за счет молекулярной или турбулентной диффузии. Смесеобразование здесь протекает одновременно с процессом горения. Поэтому скорость горения равна скорости смесеобразования.
Важной характеристикой горения газообразного топлива является скорость распространения пламени в газовоздушной среды. Нормальная скорость это скорость распространения движения фронта пламени в направлении перпендикулярному направлению поверхности фронта пламени.

Рис.1 Горелка используяющая диффузионный метод сжигания газа

-Нормальная скорость метана равна 0,67 м/с;
-нормальная скорость пропана равна 0,82 м/с;
-нормальная скорость водорода 4,83 м/с.

Данные диффузионные горелки (для промышленных котлов) обладают следующими свойствами:
1. к струе газа диффундирует воздух, а из струи газа в воздух газ. Таким образом, в близи выхода газа из горелки создается газовоздушная смесь.
2. процесс горения начинается в зоне первично горения и заканчивается в основной зоне.
3. интенсивность процесса горения определяется скоростью образования газовоздушной смеси.
4. выделяемые продукты сгорания осложняют взаимную диффузию газа и воздуха.

В целом горение при таком методе образования газовоздушных смеси протекает достаточно медленно и пламя имеет большой объем и как правило обладает светимостью.

Достоинства горелок диффузионного типа
-Высокая устойчивость пламени при изменении тепловых нагрузок;
-невозможность проскока пламени в горелку, так как в горелке находится чистый газ;
-возможность регулирования горения в широком диапазоне.

Недостатки горелок диффузионного типа
-большой объем пламени снижает теплонапряженность в единице объема;
-вероятность термического распада метана на горючие составляющие;
-увеличивается опасность отрыва пламени от горелки.

II. Смешанный метод сжигания газа
Смешанный метод обеспечивается предварительным смешиванием газа только с частью воздуха, необходимого для полного сгорания газа. Остальной воздух поступает из окружающей среды, непосредственно к факелу.
Сначала выгорает часть газа смешанного с первичным воздухом, а остальная часть, разбавленная продуктами горения, выгорает после присоединения кислорода вторичного воздуха. В результате факел получается менее коротким и менее светящимся. Теплонапряженность в единице объема факела возрастает.

Рис. 2 Горелка использующая смешанный метод сжигания газа

III. Кинетический метод горения газа
К месту горения подается газовоздушная смесь, полностью подготовленная внутри горелки. Газовоздушная смесь сгорает в коротком факеле и обладает малой светимостью.

Достоинства кинетического метода горения:
-малая вероятность химического недожога;
-высокая теплопроизводительность.

Недостаток. Необходимость стабилизации газового пламени. Это вызвано тем, что горелки чувствительны к изменению параметров давления газа и воздуха, что приводит к нарушению процесса горения. Для устранения данного недостатка горелки оснащаются стабилизаторами пламени.

Методы сжигания газа

Горение газа складывается из смесеобразования, подогрева газовоздушной смеси до температуры воспламенения и стадии химической реакции горения, т. е.

где т_гор — общая продолжительность процесса горения; т_см — продолжительность смесеобразования; т_под — продолжительность подогрева смеси до температуры воспламенения; т_хим — продолжительность химической реакции горения; Тф_ИЗ = т_см -j- + т под — продолжительность физической стадии подготовки горения.

Поскольку подогрев и химическая реакция горения Смеси протекают весьма быстро, основным фактором, лимитирующим длительность процесса горения, является время, затрачиваемое на перемешивание газа и воздуха. От быстроты и качества перемешивания газа с необходимым количеством воздуха в горелке определенной конструкции зависят скорость и полнота сгорания газа, длина и температура пламени. В зависимости от места и способа смесеобразования методы сжигания газа условно подразделяют на диффузионпый, кинетический и смешанный. Схематически эти методы представлены на примере инжекционной горелки (рис. Х.8).

При диффузионном методе сжигания (рис. Х.8, а) к месту горения из горелки поступает только газ (а_Г — 0), а весь необходимый, для его горешгя воздух поступает из внешней среды за счет молекулярной, а при большой скорости истечения газа и за счет турбулентной диффузии. В этом случае к струе холодного газа 1 от периферии диффундирует воздух, а из струи газа к периферии — газ. В результате вблизи струи газа создается газовоздушная смесь горючей концентрации, горение которой образует зону первичного горения газа 2. В зоне 3 происходит горение основной части газа, в зоне 4 движутся продукты сгорания. Взаимная диффузия газа и воздуха, осложняемая выделением продуктов сгорания, протекает медленно, с образованием вследствие термического разложения углеводородов сажистых частиц. Поэтому характерными особенностями диффузионного метода сжигания являются светимость и значительная длина пламени.

К преимуществам такого метода сжигания можно отнести: высокую устойчивость пламени в широком диапазоне изменения теп-

Рис. Х.8. Схема строения газового пламени.

а — диффузионное; б — смешанное; о — кинетическое.

1 — внутренний конус; 2 — зона первичного горения; 3 — зона основного горения; 4 — продукты сгорания; 5 — первичный, 6 — вторичный воздух.

ловых нагрузок, невозможность проскока, относительную равномерность температуры по длине пламени. Недостатками этого метода являются: низкая интенсивность горения, неизбежность термического распада углеводородов, потребность в больших топочных объемах, обеспечивающих разбитие пламени без соприкосновения с теплообменными поверхностями, вероятность химического недожога даже при значительном коэффициенте расхода воздуха.

При кинетическом методе сжигания (см. рис. Х.8, в) к месту горения подается заранее подготовленная внутри горелки однородная смесь газа с количеством первичного воздуха, несколько превышающим теоретически необходимое (а_г = 1,02 1,05). Сгорание такой смеси происходит быстро, в коротком прозрачном факеле, без видимого образования продуктов термического распада углеводородов.

Достоинствами этого метода сжигания являются высокая теп- лопроизводительность, малая вероятность химического недожога и небольшая длина пламени, а недостатком — необходимость стабилизации пламени.

При смешанном методе сжигания (см. рис. Х.8, б) часть воздуха в виде первичного подмешивается к газу за счет инжекции в самой горелке (0

Принципы сжигания газа. Основные режимы распространения пламени. Методы сжигания газа. Газовые горелки. Классификация. Основные параметры, характеристики. Область применения.

Процесс горения газа состоит из трех последовательно протекающих стадий. Первая стадия представляет собой процесс смесеобразования, в результате которого обеспечивается физический контакт между топливом и окислителем. Вторая стадия — это подогрев смеси до температуры воспламенения. Третья стадия — химическая, в этой стадии протекают реакции горения газа. При сжигании заранее приготовленной газовоздушной смеси суммарная скорость процесса будет определяться скоростью подогрева и горения смеси. В этом случае стадия смесеобразования исключена и горение протекает по кинетическому принципу.

Приготовленная смесь должна иметь однородный состав с некоторым избытком воздуха ( >1). Таким образом, процесс кинетического горения определяется свойствами горючей смеси: энергией активации, концентрацией реагирующих веществ, коэффициентами теплопроводности и температуропроводности, т. е. физическими и кинетическими свойствами газовоздушной смеси. При горении в ламинарном потоке эти свойства полностью определяют интенсивность процесса. При горении в турбулентном потоке на суммарной скорости процесса начинают сказываться турбулентные его характеристики, причем тем в большей степени, чем сильнее турбулизация потока.

Кинетический процесс горения характеризуется малой устойчивостью, поэтому при сжигании газа таким способом необходимо применять приемы искусственной стабилизации фронта воспламенения. Если газ и воздух предварительно не перемешивают, а подают в горелку раздельно, смесеобразование протекает одновременно с горением и скорость процесса горения в целом определяется скоростью течения физической стадии, т. е. скоростью смесеобразования, ибо в этом случае «узким» местом процесса будет возникновение контакта между газом и воздухом. Такую область горения называют диффузионной, так как необходимый для процесса горения контакт между газом и воздухом осуществляется за счет молекулярной или турбулентной диффузии.

При сжигании газа по диффузионному принципу процесс смесеобразования совмещается с процессом горения в единую поточную систему. Как только достигается контакт между газом, и воздухом и образуется горючая смесь необходимого состава, сразу же начинается процесс горения. Так как при высоких температурах, господствующих в топочном пространстве, скорость химических реакций несоизмеримо больше скорости процесса смесеобразования, то суммарная скорость процесса в целом определяется скоростью образования горючей смеси. Таким образом, скорость диффузионного горения определяется аэродинамическими, диффузионными факторами и практически не зависит от физических и кинетических свойств смеси.

Одним из достоинств диффузионного метода сжигания газа является возможность регулирования процесса в широком диапазоне, ибо процесс горения определяется характером и интенсивностью смесеобразования. Процессом же смесеобразования довольно легко управлять путем изменения конструкции газогорелочной системы или введением в нее регулировочных элементов. В результате этого можно значительно сокращать размеры факела или, наоборот, предельно его вытягивать.

Для повышения интенсивности процесса диффузионного горения и получения короткого и компактного факела необходимо максимально интенсифицировать процесс смесеобразования. Этого достигают следующими способами: дроблением потоков газа и воздуха, закручиванием потока воздуха, направлением струи газа под углом к потоку воздуха, выбором оптимальных скоростей газа и воздуха, искусственной турбулизацией потоков. Используя указанные методы, повышающие интенсивность смесеобразования, можно получать факелы различных размеров и характеристик. С повышением интенсивности смесеобразования факел по своим характеристикам будет приближаться к кинетическому. Диффузионный процесс горения характеризуется большей устойчивостью, чем кинетический. Однако при больших форсировках применяют искусственные приемы стабилизации фронта воспламенения. .

Находит применение и смешанный принцип сжигания газа, когда горелка обеспечивает предварительное смешение газа только с частью необходимого воздуха, а остальной воздух поступает непосредственно к факелу. В этом случае кинетически выгорает только часть газа, смешанная с первичным воздухом. Оставшаяся часть газа, разбавленная продуктами горения, выгорает за счет кислорода вторичного воздуха, т. е. по диффузионному принципу. В частности, такой метод сжигания используется в атмосферных горелках. Факельное горение можно легко регулировать изменением коэффициента первичного воздуха. Так, уменьшая коэффициент первичного воздуха до нуля, можно перейти к чисто диффузионному горению, а увеличивая его до единицы, можно обеспечить сжигание газа по кинетическому принципу.

Все стадии процесса горения (смесеобразование, подогрев и горение) осуществляются в газовой горелке и в камере горения. Основные функции газовой горелки сводятся к подаче газа и воздуха в топку, смесеобразованию, стабилизации фронта воспламенения, обеспечению требуемой интенсивности процесса горения газа и минимальных концентраций токсичных газов в продуктах горения.

Для смешения газа с воздухом горелка имеет смесительное устройство. Если горение осуществляется по кинетическому принципу, то смеситель представляет собой самостоятельный элемент, в котором приготовляется однородная газовоздушная смесь. При сжигании газа диффузионным методом смесительное устройство создает только необходимые условия для протекания процесса смесеобразования с требуемой интенсивностью. Сам же процесс смешения полностью происходит в топочной камере или частично начинается на выходе из горелки и заканчивается в топке.

Другим элементом горелки является головка. Она обеспечивает выход газовоздушного потока в топочную камеру или воздушное пространство. Основное назначение головки — стабилизировать фронт воспламенения уже готовой или только что образовавшейся горючей смеси у устья горелки и предотвратить проскок и отрыв пламени.

Третий элемент горелки — огневая часть — представляет собой амбразуру или туннель, где частично или полностью протекает процесс горения. Огневая часть горелки одновременно служит и составной частью гопочной камеры. Огневое устройство горелки создает устойчивый очаг зажигания и стабилизирует процесс горения, предотвращая отрыв пламени. Горелка может не иметь огневого устройства, в этом случае устойчивость факела полностью обеспечивается головкой, а сам факел располагается непосредственно в топке или в открытом пространстве. Строгого разграничения функций между отдельными элементами горелки, а также между горелкой и топкой провести нельзя, так как ряд операций выполняется совместно горелкой и топкой.

Основным свойством горелки является осуществляемый ею метод сжигания газа, который в значительной степени зависит от степени подготовленности горючей смеси, выходящей из головки горелки. Именно этот признак следует рассматривать как основной и использовать для классификации горелок.

По способу подачи воздуха горелки подразделяются на:

1) эжекционные, в которых воздух засасывается энергией газовой струи (эжектирование воздухом газа применяют весьма редко);

2)бездутьевые, у которых воздух поступает в топку вследствиеразрежения;

3)дутьевые с подачей воздуха в топку с помощью вентилятора.

Эжекционные горелки иногда называют инжекционными. Основное назначение эжектора горелки состоит в засасывании необходимого количества воздуха из атмосферы. Это количество должно находиться в определенном соотношении с расходом газа, так как соотношение газа и воздуха в смеси зависит от осуществляемого метода сжигания газа.

По давлению газа горелки подразделяются на горелки низкого давления (до 5 кПа) и горелки среднего давления (5—300 кПа). Горелки с более высоким давлением широкого применения не имеют.