Топки для газа

Природные газы важнейших месторождений состоят в основном из метана (93-98%) и содержат небольшое количество тяжелых углеводородов, преимущественно этана, и небольшое количество балласта, главным образом азота.

Процесс полного сгорания метана характеризуется следующей реакцией: СН₄+2О₂+7,52N₂=2Н₂О+ СО₂ + 7,52N₂ с образованием 10,52 м³ продуктов сгорания на 1 м³ сгоревшего метана. Эта реакция сопровождается выделением 8 558 ккал/м³ тепла.

Природный газ подготовлен к образованию смеси с воздухом для горения; однако при сжигании и такого топлива должна произойти предварительная высокотемпературная обработка сложных углеводородных молекул, приводящая к их разложению. Так, молекулы метана начинают разрушаться при температуре, превышающей 600 °С, распадаясь на углерод и водород по схеме:

Для полного сгорания газа необходимо: обеспечить тщательное смешение газа с воздухом; осуществлять процесс горения с коэффициентом избытка воздуха α_т=1,10-1,15 поддерживать в зоне горения высокую температуру. Нарушение этих условий может явиться причиной значительных потерь тепла от химической неполноты сгорания.

Экономичное сжигание газа зависит от совершенства топочного устройства - конструкции горелок и топочной камеры, а также от режимных факторов.

Для котлов небольшой производительности с ограниченным топочным объемом применяются главным образом короткопламенные горелки, к числу которых относятся:

смесительные (или двухпроводные) горелки с принудительной подачей воздуха, составляющие основную группу горелок, применяемых в котлах; конструкция этих горелок обеспечивает хорошее смешение газа с воздухом благодаря закрутке потока специальным лопаточным устройством; горелки характеризуются экономичностью, высокой производительностью, малыми габаритами, бесшумностью, возможностью регулирования производительности в широких пределах, удобством сочетания с мазутной форсункой, что позволяет обеспечить быстрый перевод с одного вида топлива на другой; горелки работают с незначительными потеря¬ми от химической неполноты сгорания при коэффициенте избытка воздуха α_т =1,05-1,1 и создают короткий факел;
подовые и вертикально-щелевые горелки, получившие значительное распространение, особенно при переводе топок с твердого топлива на газообразное, благодаря простоте устройства (см. гл. 4); они обеспечивают удовлетворительную полноту сгорания газа при α_т=1,1-1,15;
инжекционные горелки среднего давления; работа их протекает без принудительной подачи воздуха на горение; к их недостаткам относят трудность регулирования производительности а широких пределах, относительно высокий коэффициент избытка воздуха ат, особенно при нагрузках меньше номинальной, что снижает их экономичность, наличие шума, большие размеры при производительности более 100 м³/ч газа.

Характерной особенность топки для газа является способ подвода воздуха для обеспечения хорошего смешения его с газом. Если газовая горелка правильно подобрана и ее конструкция отвечает требованиям высокой экономичности сжигания, то роль топочного объема сводится к завершению дожигания воспламененного, хорошо перемешанного с воздухом газа.

Одним из важнейших режимных факторов топки для газа, обеспечивающих экономичное сгорание газа, является налаженность воздушного режима топки для газа. При недостатке воздуха или неудовлетворительном смесеобразовании продукты сгорания метана могут содержать горючие газы, а именно окись углерода (реакция горения: СН₄+1,5О₂+7,52N₂=2H₂О + CО+7,52N₂), чистый углерод (СН₄ + О₂ + 7,52N₂=2H₂О + C + 7,52N₂) и часть несгоревшего метана. Эти явления неполноты сгорания могут происходить одновременно. При чрезмерном избытке воздуха часть тепла продуктов сгорания бесполезно расходуется на подогрев излишнего воздуха и вызывает рост потерь тепла с уходящими газами. При совершенстве топочного устройства и квалифицированном ведении процесса горения на разных нагрузках потери тепла от химической неполноты сгорания невелики: q₃=0-0,5%.

При нарушении режимных факторов (соотношения газ - воздух, неоднородность газовоздушной смеси) газ начинает выделять углерод, придающий пламени мутный, желтоватый оттенок. Иногда потери тепла от химической неполноты сгорания в большей степени обусловлены содержанием в продуктах сгорания водорода и метана, чем окиси углерода. Поэтому контроль процесса горения газа визуально за прозрачностью продуктов сгорания является неполным.

Для экономичного сжигания газа необходимо:

поддерживать содержание СО₂в продуктах сгорания за котлом в соответствии с указаниями режимной карты в зависимости от нагрузки котла: нормальное содержание СО₂ за котлом должно быть около 9,5% (СО^макс₂= 11,8%);
обеспечивать хорошее смесеобразование газа с воздухом для создания такого процесса горения, при котором факел получается коротким, прозрачным и несветящимся, а топка заполнена раскаленными, прозрачными газами;
поддерживать в зоне горения высокую температуру для получения устойчивого и полного сгорания; для экранированных котлов с этой целью иногда уменьшают прямую отдачу тепла путем закладки огнеупорным кирпичом нижней части экранной поверхности нагрева:
производить регулирование производительности горелок изменением давления газа и воздуха (качественное регулирование) на основе режимных характеристик горелок; такие характеристики должны быть построены при выполнении наладочных работ и приложены к режимной карте;
не допускать работы горелок с большим или меньшим давлением газа и воздуха, чем это предусмотрено режимной картой;
производить регулярно контроль горения при помощи газоанализатора на СО₂, О₂ и СО, учитывая невозможность визуально обнаружить неполноту сгорания газа; при пусковой наладке, а также при периодическом контроле эксплуатации целесообразно проводить полный анализ газов с применением газоанализаторов с дожиганием для определения также Н₂ и СН₄;
поддерживать разрежение в верхней части топки для газа в пределах 1-2 мм вод. ст.;
следить за уплотнением мест возможных присосов воздуха в топку и своевременно устранять эти присосы;
контролировать регулярно исправность действия устройств автоматики горения.