Отрыв и проскок пламени. Устойчивость горения. Что представляют собой «проскок» пламени в горелку и отрыв его от горелки и как их предупреждают

Первичным называется воздух, поступающий в горелку, для смешения в ней с газом до момента горения.

Вторичным называется воздух, поступающий из объема топки в зону горения.

Расстояние на которое сдвигается фронт пламени в единицу времени в заданном направлении относительно неподвижной горючей смеси – есть скорость распространения пламени.

Для каждого газа скорость распространения пламени своя. Для метана она равна 0,67 м/сек. Это число лабораторное, испытание проводилось в трубке Æ 25 мм при концентрации газа в смеси с воздухом 10%. При увеличении диаметра трубки, скорость газа увеличивается.

Скорость распространения пламени зависит от следующих факторов:

1. От характера движения смеси (ламинарное или турбулентное).

2. От состава газа, т.е. от примесей, находящихся в газе.

3. От температуры газовоздушной смеси.

4. От соотношения газ-воздух.

5. От давления газовоздушной смеси.

6. От диаметра сопла-отверстия, через которое выходит газ.

Для каждого газа существует критическая величина отверстий, через которое пламя данного газа не протекает. Для метана размер отверстия Æ 2,5 мм является критической величиной или щель, шириной не более 1,2 мм.

На основании этих данных критических величин изготавливают стабилизаторы различной конструкции для горелок, для предотвращения проскока пламени внутрь горелки.

Отрыв пламени от горелки и проскок.

Отрыв пламени от горелки произойдет в том случае, если скорость истечения ГВС (газовоздушной смеси) будет больше скорости распространения пламени. При этом пламя укорачивается, удаляется от устья горелки, может оторваться полностью и может загазоваться топка.

Отрыв пламени от горелки может произойти от чрезмерной тяге в дымоходе, при подаче газа с большей скоростью, при большом давлении ГВС, поступающей в горелку.

Отрыв может произойти при розжиге горелки, при выключении части горелок. Нельзя подавать давление газа и воздуха в горелку больше, чем указано в паспорте горелки.

Проскок пламени в горелку произойдет, если скорость истечения ГВС будет меньше скорости горения – распространения пламени. Проскок сопровождается хлопком. При этом языки пламени вылетают через все отверстия в горелке и оператор может получить ожог.

Проскок пламени наиболее вероятен в горелках, внутри которых имеется газо-воздушная смесь, т.е. газ и воздух. Это горелки инжекционные и с принудительной подачей воздуха (кинетические).

При проскоке пламени в горелку она перегревается, может выйти из строя, а топка может загазоваться. Проскок пламени возможен из-за плохой тяги, а также при подаче давления в горелку ГВС давлением меньше, чем указано в паспорте горелки. Проскок возможен при уменьшении производительности горелки, при выключении инжекционной горелки с открытым регулятором первичного воздуха, при перегретой горелке.

При отрыве или проскоке необходимо немедленно перекрыть подачу газа на горелку, а затем выяснить причину и разжечь снова согласно инструкции.

1.Проскок и отрыв пламени в горелках. Причины и последствия этого явления. Проскок пламени в горелку - горение топлива непосредственно в горелке.Последствия - образуются продукты неполного сгорания топлива, горелка раскаляется и может выйти из строя.Причины проскока пламени в горелку – понижение давление газа или воздуха, уменьшение производительности горелки ниже значений, указанных в паспорте.Отрыв пламени от горелки – это перемещение пламени в направлении движения газовоздушной смеси, сопровождается погасанием пламени. Последствия - приводит к наполнению топки газовоздушной смесью, а затем к хлопку или взрыву.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.

2.Взрывной предохранительный клапан, его назначение. Предохраняет обмуровку, и каркас от разрушений при взрыве газо-воздушной смеси в топке, газоходах и борове, т. е. там, где возможно образование газовоздушных мешков Конструкция может быть различной.Представляет собой круглые или квадратные рамки, перекрытые листом асбеста, толщиной 2-2,5 мм асбеста и армированные медной сеткой, с откидной дверцей на петлях. При взрыве сначала разрывается асбест, а затем открывается дверца над асбестом., давление снижается, уменьшается опасность разрушения, после выхода газа. Необходимо ежедневное наблюдение оператором за клапаном (герметичность, отсутствие подсоса воздуха). При выполнении взрывного предохранительного клапана из асбеста необходимо следить за его целостностью, так как вследствие пульсаций в топке возможен его разрыв и повышенный присос холодного воздуха. При выполнении взрывного предохранительного клапана в виде откидывающихся дверей необходимо проверять плотность прилегания клапана к раме.Требования к взрывным предохранительным клапанам:Число, расположение, размеры для паровых и водогрейных котлов определяет проектная организация..Следует их предусматривать в верхней части топки и дымоходов, газоходах и где возможно скопление газов.Должны предусматриваться защитные устройства, на случай срабатывания взрыв. клапан.

3.Режимная карта котла, её назначение. Для обеспечения безопасного и экономичного сжигания топлива с минимальным коэффициентом избытка воздуха и устойчивого теплового режима котла, на каждый котёл составляется режимная карта пусконаладочной организацией, после испытания котла на разных режимах горения для получения разной производительности. Режимная карта является основным оперативным документом, в соответствии с которым регулируется работа котла при изменениях его нагрузки. Режимная карта, как правило, составляется на несколько режимов. Каждый режим имеет строгую зависимость между параметрами (давлением топлива, воздуха, разрежения в топке и др).При работе на котле, надо строго придерживаться режимов горения, указанных в режимной карте.Режимные карты должны быть вывешены у агрегатов и доведены до персонала. Пуско-наладочная организация выдаёт режимные карты, и они утверждаются главным инженером предприятия. Раз в три года, при работе на газе, должна составляться новая режимная карта. При работе на мазуте – 1 раз в 5 лет. Режимная карта должна уточняться после ремонта оборудования.

4.Ручной розжиг инжекционных горелок. Растопка котла производятся только по распоряжению начальника котельной или лица, его заменяющего, записанного в вахтенном журнале. Растопка котла должна производиться в течение времени, установленного администрацией предприятия (производственной инструкцией по безопасному обслуживанию котельных агрегатов), при слабом огне, уменьшенной тяге. Непосредственно перед розжигом включают вначале дымосос, а затем вентилятор и вентилируют топку, газоходы и воздуховоды согласно производственной инструкции,если время в инструкции не указано,то не менее 10- 15 мин.Окончание вентиляции топки и дымохода, определяют взятием пробы на наличие газа с помощью газоиндикатора, с верхней части топочного пространства. Отрегулировать тягу растапливаемого котла. По приборам КиП проверяют давление газа, разрежение в топке, они должны соответствовать режимной карте. После проверки закрытия кранов перед горелками открывают регуляторы первичного воздуха, проверяют давление газа перед кранами горелок, открывают газовый кран перед переносным запальником, который зажженным вводит в топку, подводя пламя к выходному отверстию горелки. Затем открывают кран перед горелкой (примерно наполовину) до появления ясно слышимого шума от истечения газа, который и должен загореться.В процессе регулирования инжекционной горелки надо следить, чтобы пламя не проскакивало в горелку, особенно при снижении ее нагрузки. В этом случае горелку выключают и после остывания ее снова включают в работу. При появлении сильных пульсаций в топке уменьшают подачу газа. Если розжиг не удачен, то снова вентилируем топку, проверяем герметичность котловой задвижки и выполняем розжиг горелки. Если розжиг удачный то: делается запись в журнале о времени растопки котла.

5.Предъявляемые требования к противогазу. Каждый участвующий в газоопасных работах должен иметь подготовленный к работе шланговый или кислородно-изолирующий противогаз. Применение фильтрующих противогазов не допускается. Разрешение на включение кислородно-изолирующих противогазов дает руководитель работ.При работе в кислородно-изолирующем противогазе необходимо следить за остаточным давлением кислорода в баллоне противогаза, обеспечивающем возвращение работающего в незагазованную зону. Продолжительность работы в противогазе без перерыва не должна превышать 30 мин. Время работы в кислородно-изолирующем противогазе следует записывать в его паспорт. Воздухозаборные патрубки шланговых противогазов должны располагаться с наветренной стороны и закрепляться. При отсутствии принудительной подачи воздуха вентилятором длина шланга не должна превышать 15 м. Шланг не должен иметь перегибов и защемлений. Противогазы проверяют на герметичность перед выполнением работ зажатием конца гофрированной дыхательной трубки. В подобранном правильно противогазе невозможно дышать.

Пределами устойчивой работы горелок является отрыв пламени от горелок и проскок пламени внутрь горелки.

Стабилизация пламени производится с помощью специальных устройств и создания условий для предотвращения отрыва или проскока:

· Поддержание скорости выхода ГВС в безопасных пределах;

· Поддержание температуры в зоне горения не ниже температуры воспламенения ГВС.

Когда в горелку поступает чистый газ без воздуха, то пламя в этом случае наиболее устойчиво, т.к. проскока быть не может, а отрыв маловероятен, т.к. такие устройства работают на низком давлении газа.

В горелках, в которых имеется готовая газо-воздушная смесь, т.е. газ и воздух, возможен отрыв и проскок. Проскок пламени в горелку можно предотвратить, если:

· Уменьшить выходное отверстие для ГВС;

· В устье горелки установить щелевой стабилизатор с размером щели не более 1,2мм или сетки с мелкой ячейкой, размером не более 2,5мм;

· Если охлаждать выходное отверстие горелки.

Отрыв пламени от горелки можно предотвратить, установив у устья горелки постоянно горящую запальную горелку, с помощью огнеупорных туннелей различной конструкции, установки рассекающего стабилизатора, установки в топке котла огнеупорной горки из огнеупорного кирпича. Горка (огнеупорная) в топке предотвращает отрыв пламени и поддерживает температуру в топке котла.

Газовые горелки

Газовой горелкой называется устройство, обеспечивающее устойчивое сжигание газообразного топлива и регулирования процесса горения.

Основные функции горелок:

· Подача газа и воздуха к фронту горения;

· Смесеобразование;

· Стабилизация фронта пламени;

· Обеспечение требуемой интенсивности процесса горения газа.

Типы газовых горелок

1. Диффузионные горелки.

2. Инжекционные среднего и низкого давления.

3. Кинетические – с принудительной подачей воздуха низкого и среднего давления.

4. Комбинированные газомазутные горелки низкого и среднего давления.

Все горелки должны пройти государственные испытания в специальных испытательных центрах и иметь «Сертификат соответствия российским стандартам»

(Испытания: г.Шахты, Ростовской области, Свердловская область: «Уральский испытательный центр горелочных устройств».

Диффузионная горелка . Диффузия – процесс самопроизвольного проникновения одного вещества в другое.

В диффузионных горелках весь, необходимый для сгорания газа воздух – вторичный. Диффузионные горелки практически нигде не применяются. Диффузионная горелка представляет собой трубу с отверстиями для выхода газа, расстояние между отверстиями определяется с учетом распространения пламени от одного отверстия к другому. В такую горелку подается чистый газ без примеси воздуха. Горелки маломощные, требуют большой объем топочного пространства или подачу воздуха в топку вентилятором.

В промышленности на старых заводах применяется подово-щелевая диффузионная горелка, представляющая собой трубу Æ 57мм с высверленными на ней в 2 ряда отверстиями.

К преимуществам диффузионных горелок можно отнести простоту конструкции и устойчивое пламя.

Инжекционная горелка. Подсос воздуха за счет разряжения, создаваемого струей истекающего газа, называется инжекцией, или подсос воздуха осуществляется за счет энергии струи газа. Инжекционные горелки бывают с неполной (50…60%) инжекцией воздуха и полной инжекцией.

В инжекционных горелках в горении участвует воздух первичный (50…60%) и вторичный из объема топки. Горелки эти называются еще саморегулирующимися (т.е., чем больше подача газа, тем больше засасывается воздуха).

Недостатки этих горелок: нуждаются в стабилизации пламени от отрыва и проскока. Горение – с шумом при работе.

Достоинства горелок: простота конструкции, надежность в работе, возможность полного сжигания газа, возможность работы на низких и средних давлениях, подача воздуха за счет энергии струи газа, что экономит электрическую энергию (вентилятора).

Основными частями инжекционных горелок являются:

· Регулятор первичного воздуха (1);

· Сопло (2);

· Смеситель (3).

Регулятор первичного воздуха представляет собой вращающийся диск, шайбу или заслонку, с помощью которых регулируется подача первичного воздуха.

Сопло служит для превращения потенциальной энергии давления газа – в кинетическую (скоростную), т.е. для придания газовой струе такой скорости, которая обеспечивала бы необходимый поток воздуха.

Смеситель горелки состоит из 3-х частей:

· Инжектора (4);

· Конфузора (5);

· Диффузора (7).

В инжекторе создается разрежение и создается подсос первичного воздуха.

Самая узкая часть горелки – конфузор, в котором происходит выравнивание газо-воздушной смеси.

В диффузоре происходит окончательное перемешивание газовоздушной смеси и увеличение ее давления за счет снижения скорости.

Горелка с принудительной подачей воздуха. Это кинетическая или двухпроводная горелка. Воздух для сгорания газа подается в горелку принудительно вентилятором 100%, т.е. весь воздух первичный. Горелка эффективная, большой мощности, не требует большого топочного пространства. Работает на низком и среднем давлении газа, нуждается в стабилизации пламени от отрыва и проскока.

В горелке имеется завихритель воздуха, предназначенный для полного перемешивания газа с воздухом внутри горелки.

У горелки имеется керамический туннель, выполняющий функции стабилизатора.

Комбинированные газомазутные горелки. У этих горелок помимо газовой части имеется форсунка для распыливания жидкого топлива. Одновременное сжигание газа и жидкого топлива разрешается кратковременно при переходе с одного вида топлива на другой.

Форсунка представляет собой конструкцию типа труба в трубе. По центральной трубе подается жидкое топливо, по межкольцевому пространству подается распыливающий воздух или пар.

Электромагнитная арматура.

Это клапаны КГ-70,40,20,10 и вентиль СВМГ, предназначенные для автоматического выключения и включения горелок.

Работают в системе автоблокировок и регулирования, предназначенных для отключения подачи газа на котел в случае отклонения какого-либо параметра работы котла от нормально-заданного.

Электромагнитные клапаны КПЭГ-100п, КПЭГ-50п также предназначены для работы в системе автоматической блокировки по отключению напряжения. Включается только вручную.

Устройство клапанов.

Клапаны КГ работают на газопроводах с давлением не более 0,5 кг/см . Клапан состоит из корпуса, крышки, между которыми зажата мембрана.

Сверху мембраны имеется металлический диск, снизу уплотнительная прокладка, выполняющая функцию клапана. Прокладка и металлический диск между собой стянуты болтом.

В верхней части крышки имеется колпак, под которым имеется болт-ограничитель прогиба мембраны.

В состав клапана КГ входит сервоклапан и катушка электромагнита. В сервоклапане имеются два отверстия, в верхней части перепускное, а снизу сбросное, которые по очереди бывают открытыми и закрытыми золотником, связанным через шток с сердечником катушки электромагнита.

В сервоклапане над золотником имеется короткая жёсткая пружина, которая при отключении напряжения плотно прижимается к седлу сбросного отверстия золотника.

При отсутствии напряжения на катушке электромагнита золотник сервоклапана под действием веса сердечника электромагнита, силы пружины перекрывает сбросное отверстие, т.е. сидит на седле сбросного отверстия.

Через сбросное отверстие, закрытое золотником, прекращается сброс газа из надмембранной полости ЭКГ в атмосферу. Перепускное отверстие в сервоклапане осталось открытым. Подмембранная полость клапана через прорези в корпусе, через открытое перепускное отверстие сообщается с надмембранной полостью, по принципу сообщающихся сосудов. Давление газа в подмембранной и в надмембранной становится равным. При этом мембрана, под действием веса диска на ней и силы пружины перекрывает проход газа.

При подаче напряжения на катушку электромагнита сердечник втягивается внутрь катушки, через шток приподнимает золотник от седла сбросного отверстия, открывая его и закрывая перепускное отверстие в верхней части сервоклапана.

Газ из надмембранной полости клапана КГ через открытое сбросное отверстие сбрасывается в атмосферу через импульсную трубку. При этом давление в надмембранной полости становится равным атмосферному давлению.

Мембрана, под действием входного давления газа под ней, прогнется вверх вместе с уплотнительной прокладкой снизу, и обеспечит проход газа на горелку. А перепускное отверстие сервоклапана при этом закрыто золотником и связи по дмембранного и надмембранного пространства клапана – нет.

Неисправности клапана КГ:

1. Негерметичность прилегания клапана к седлу. Пропуск газа на горелку в топку.

2. Негерметичность прилегания золотника сервоклапана к седлу сбросного отверстия. В этом случае, если сбросная трубка врезана в выходной газопровод горелки, согласно паспорта на клапан завода-изготовителя, то также произойдет загазовывание топки.

3. Негерметичное перекрытие золотником перепускного отверстия сервоклапана (напряжение на катушку подано, клапан открыт). При такой негерметичности, клапан может закрыться вследствие того, что газ из по дмембранной полости через прорези в корпусе и негерметично закрытое перепускное отверстие поступит в надмембранную полость клапана и он закроется. Для устранения негерметичности (вышеназванных) необходимо заменить уплотнительные поверхности, проявив при этом незаурядную фантазию, т.к. Российскими предприятиями ЗИП не поставляются. Для устранения негерметичности сервоклапана можно регулировать ход золотника устройством, находящимся в присоединении сердечника электромагнита со штоком золотника сервоклапана.

4. Утечка газа наружу через уплотнительную прокладку сервоклапана (нарисована синим).

5. Утечка газа через болт в крышке клапана под колпаком.

6. Негерметичная сборка в центре мембраны клапана. Если утечка сильная, то давление над мембраной и под мембраной выровняется, то клапан закроется и перекроет газ.

7. Порыв мембраны. При открытом клапане, когда напряжение подано. Давление над и под мембраной выровняется и клапан закроется. Мембраны обычно рвутся по периметру, там, где мембрана зажата болтами.

8. В верхней части сервоклапана прогибается пластмассовая втулка. Нарушается герметичность закрытия перепускного отверстия.

9. Утечки газа через микропоры в корпусе, крышки.

10. Сгорела катушка электромагнита.

Соленоидный вентиль СВМГ.

Устанавливается на ГП с давлением от 0,1 кг/см до 1 кг/см в системах автоматики безопасности и регулирования.

Напряжение есть – клапан открыт.

Напряжения нет – клапан закрыт.

Время закрытия или открытия клапана 1 сек. Клапан состоит из корпуса, крышки, катушки электромагнита. Сердечник катушки электромагнита через разгрузочный плунжер, выполняющий функцию штока, соединен с клапаном, находящимся в корпусе вентиля.

Под клапаном находится хвостовик разгрузочного плунжера с пружиной. В разгрузочном плунжере имеются отверстия для пропуска газа из надклапанного пространства в подклапанное пространство (служит для выравнивания давления над и под клапаном при пуске вентиля в работу, при подаче на катушку ЭМ напряжения).

В нижней части корпуса имеется устройство для ручного подъема клапана в том случае, когда сгорела катушка электромагнита.

Работа.

При отсутствии напряжения на катушке электромагнита, клапан металлический, залитый резиной, сидит на седле корпуса вентиля. На него воздействует сверху вес сердечника электромагнита и входное давление газа, которое через отверстие в мембранной перегородке, соединенной с клапаном, поступает в надклапанное пространство, т.е. клапан прижат к седлу.

При подаче напряжения на катушку электромагнита, сердечник втягивается, при этом в первую очередь приподнимается разгрузочный плунжер и открывается перепускное отверстие в хвостовике разгрузочного плунжера. Газ из надклапанного пространства перетекает в подклапанное пространство, давление над и под клапаном выравнивается и клапан открывается на полную величину, обеспечивая проход газа к потребителю.

Неисправности:

1. Сгорела катушка электромагнита.

2. Клапан СВМГ негерметичен изначально, по паспорту. Могут быть утечки газа наружу через микропоры корпуса, по резьбовым соединениям и через устройство для ручного подъема клапана. Чтобы обнаружить утечку газа на фланцевом соединении необходимо это соединение обмотать бинтом и обмылить.

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.

При горении газовоздушных смесей в ламинарном потоке устойчивой частью конусного фронта пламени является только его нижняя периферийная часть, прилегающая к кромке огневого канала горелки. Объясняется это тем, что в этом месте фронт пламени за счет тормозящего действия стенки канала развернут по горизонтали. стабилизация конусного фронта горения обусловливается наличием постоянного источника зажигания в виде кольцевого пояска, без которого остальная часть фронта была бы снесена потоком газовоздушной смеси. При повышении форсировки горелки, т. е. при переходе ламинарного режима движения в турбулентный, ширина зажигающего пояска начинает уменьшаться, пока не станет ничтожно малой. В этом случае устойчивость фронта горения нарушается, и пламя начинает отрываться от кромки горелки. Наоборот, при чрезмерном снижении форсировки горелки скорость распространения пламени в кольцевой пристенной области может превышать скорость потока, и пламя начинает втягиваться внутрь сместителя горелки. Первый случай получил название отрыва пламени, а второй - проскока, или обратного удара пламени.

В практике при отрыве пламени наблюдаются следующие явления:

Срыв пламени с горелки, вызывающий его погасание;

Отрыв от кромки огневого канала, когда пламя достигает нового достаточно устойчивого положения в потоке над горелкой;

Срыв поднятого пламени, ведущий к его погасанию;

Обратный отброс приподнятого факела к кромке огневого канала горелки;

Создание взвешенного пламени при движении струи на некотором расстоянии от горелки.

Пределы устойчивой работы горелок ограничиваются скоростью отрыва и скоростью проскока пламени. Для расширения диапазона устойчивости горения любых горючих газовоздушных смесей скорость потока принимается в несколько раз большей скорости отрыва. Предотвращение отрыва пламени в этих случаях достигается различными искусственными стабилизаторами. Стабилизатор представляет собой оголовок инжекционной горелки, в котором часть горючей смеси (5-10 %) проходит через боковые отверстия 1 в канал 2, где возникает спокойное кольцевое пламя, окружающее основной поток .

Рис. 6.1 Схемы стабилизаторов горения в отношении отрыва пламени: а - кольцевой стабилизатор; б - стабилизатор в виде цилиндрического туннеля; в - стабилизатор в виде осесимметричного тела; г - стабилизатор в виде шамотной наброски; 1 - боковые отверстия; 2 - канал.

Стабилизирующее действие этого устройства основано на рециркуляции части раскаленных продуктов горения к корню струи, возникающей за счет создаваемого струёй разрежения. Конструкции стабилизирующих туннелей и их оптимальные размеры могут быть различны в зависимости от типа горелок и способов их установки в топках. В тех случаях, когда установка кольцевых и туннельных стабилизаторов горения нецелесообразна или неудобна, применяются U-образные стабилизаторы, размещаемые в центральной части потока газовоздушной смеси. В качестве простейших стабилизаторов, создающих обратные токи продуктов горения, применяются также стержни, размещаемые поперек потока смеси. В отдельных случаях для стабилизации горения используются шамотные наброски (горки), размещенные в непосредственной близости от кратера горелки .