Особенности горения газового топлива

Газообразное топливо

Состав магистрального природного газа зависит от месторождения или состава смеси газов различных месторождений и состоит преимущественно из метана СН₄=65–98 % и небольшого количества более тяжелых углеводородов. Негорючими компонентами (балластом) в составе природного газа чаще всего являются азот и углекислый газ. Среднее значение низшей теплоты сгорания природного газа Q_н=31–40 мДж/м³. Плотность при нормальных условиях r=0,72–0,85 кг/м³.

Сжиженные технические смеси пропан-бутана должны содержать не менее 93 % пропан-бутановых (С₃Н₈+С₄Н₁₀) фракций. Среднее значение низшей теплоты сгорания, в пересчете на 1 м³ регазифицированной пропан-бутановой смеси при нормальных условиях, Q_н=92,2 мДж/м³. Плотность при нормальных условиях r=2,2–2,4 кг/м³.

Особенности горения

Сжигание топлива осуществляется в атмосферном воздухе, состоящем из окислителя – кислорода О₂ (21 %) и инертного, не участвующего в горении азота N₂ (79 %). Теоретически необходимое для полного сжигания горючих компонентов газа количество воздуха рассчитывается по составу газа и для природного газа различных месторождений составляет V^о=8,5–10 м³/м³, а для сжиженного газа V^о=24–30 м³/м³. Как бы ни было совершенно ГГУ, его работа в режимах, соответствующих подаче на горение теоретически необходимого объема воздуха, сопровождается потерями от химической неполноты горения. Взаимная диффузия топлива и окислителя при образовании газовоздушной смеси затрудняется наличием балластных газов и образующихся продуктов сгорания, что объясняет необходимость работы ГГУ с большими расходами воздуха на горение. Соотношение действительного количества воздуха, поступающего на горение и теоретически необходимого, определяется коэффициентом избытка воздуха: a=V_д/V°.

Воспламенить гомогенную смесь природного газа и воздуха можно только в том случае, если соотношение газ-воздух находится между нижней (смесь «бедная», концентрация газа более 5,3 %, т. е. a≤1,8) и верхней границей воспламенения (смесь «богатая», концентрация газа менее 14 %, т. е. a>0,65). Результирующее значение коэффициента избытка воздуха для всех типов горелочных устройств a>1 и для атмосферных ГГУ, при работе с номинальной нагрузкой, находится в эксплуатационном диапазоне a_э=1,05–1,25. Значение коэффициента избытка воздуха на работающем теплогенераторе может быть определено на основании результатов газового анализа продуктов сгорания по содержанию в них кислорода О₂ (%) или углекислого газа СО₂ (%). Для природного и сжиженного газов среднего состава соотношение концентраций О₂ и СО₂ в продуктах полного сгорания в зависимости от коэффициента избытка воздуха, а также значения теоретической (калориметрической) температуры горения и полного объема продуктов сгорания приведены в табл. 1.

Как следует из приведенных в табл. 1 данных, разбавление продуктов сгорания избыточным воздухом (с ростом a) приводит к снижению теоретической температуры горения топлива и, следовательно, к снижению интенсивности теплообмена в топке теплогенератора, а также к увеличению объема продуктов сгорания и, как следствие, к росту потерь теплоты с уходящими газами (q₂). Поэтому вполне оправданным является стремление работать с минимальными значениями коэффициента избытка воздуха. Однако эффективность работы конкретного ГГУ определяется не столько значением эксплуатационного коэффициента избытка воздуха, сколько полнотой сжигания горючих компонентов газа. Продукты неполного сгорания в дымовых газах: оксид углерода (СО), метан (СН₄), водород (Н₂) – не только загрязняют окружающую среду, но являются также прямыми потерями химической энергии топлива. Именно значение потерь от химической неполноты горения топлива (q₃) в первую очередь определяет значение эксплуатационного коэффициента избытка воздуха ГГУ.

Таблица 1 Значения теоретической (калориметрической) температуры горения и полного объема продуктов сгорания

Коэф- фициент избытка воздуха, a Природный газ среднего состава Сжиженный газ среднего состава СО2, % О2, % Теоретическая температура горения, °С Объем продуктов сгорания, м3/м3 СО2, % О2, % Теоретическая температура горения, °С Объем продуктов сгорания, м3/м3 1,00 11,80 0,00   10,52 14,00 0,00   29,60 1,05 11,20 1,00   11,00 13,50 1,20   30,97 1,10 10,70 1,95   11,48 12,60 2,10   32,34 1,15 10,20 2,80   11,96 12,10 2,85   33,71 1,20 9,80 3,60   12,43 11,50 3,75   35,08 1,25 9,40 4,20   12,91 11,20 4,20   36,45

Режимы работы атмосферных ГГУ

Малая кинетической энергия струи природного газа низкого давления существенно ограничивает возможности эжектирования воздуха при смесеобразовании в атмосферных ГГУ, а также ограничивает глубину регулирования при сохранении соотношения газ-воздух в смеси.

При диффузионном сжигании газа процесс смесеобразования совмещен с процессом горения, развивающимся при достижении контакта газа с окислителем. Высокие температуры в топках котлов обуславливают высокие скорости химического реагирования, а время протекания процесса горения будет полностью определяться интенсивностью процесса смесеобразования. Поэтому для получения относительно короткого диффузионного факела используются приемы максимальной интенсификации смесеобразования:

- деление потоков газа и воздуха (уменьшение единичной мощности отдельных горелок в составе блока, образующего ГГУ);

- закручивание смесеобразующих потоков на выходе, у корня факелов ГГУ;

- искусственная турбулизация в зоне смесеобразования и горения и др.

Выгодной особенностью диффузионного горения (без предварительного смесеобразования) является принципиальная невозможность «проскока» пламени внутрь ГГУ. Однако условия стабилизации фронта пламени по «отрыву», из-за малой скорости распространения пламени, и сравнительно большие размеры диффузионного факела существенно ограничивают тепловые напряжения топочного объема и мощность ГГУ в режимах максимальных нагрузок теплогенератора.

При кинетическом сжигании газа удается сократить время горения (максимально увеличить скорость распространения пламени), т. к. из времени горения практически исключается самый длительный процесс – смесеобразование. Таким образом, скорость горения будет определяться интенсивностью прогрева смеси и кинетикой химического реагирования. Учитывая значительные объемы воздуха, которые должны эжектироваться газовой струей для реализации кинетического процесса горения, при разработке атмосферных ГГУ с полным предварительным смешением стремятся минимизировать аэродинамические сопротивления узла эжекции и смешения, а также головки горелки. Стабилизация процесса горения в ГГУ полного предварительного смешения осуществляется в диапазонах скоростей выхода газовоздушной смеси из отверстий головки горелки, исключающих «проскок» и «отрыв» фронта пламени. Графически зона стабильной работы атмосферного ГГУ полного предварительного смешения на природном газе иллюстрируется (рис. 1) областью между кривыми «проскока» и «отрыва» пламени для значений a>1.

Рисунок 1. Зона устойчивого горения для атмосферной газовой горелки на природном газе

Скорости «отрыва» и «проскока» пламени зависят от соотношения скорости выхода топливовоздушной смеси и скорости распространения пламени (т. е. от состава газа и коэффициента избытка первичного воздуха a’) и от условий стабилизации горения у корня каждого горящего факела ГГУ. Как следует из рис. 1, зона устойчивого горения ГГУ полного предварительного смешения (a’>1) весьма узкая. Так, при a=1,2 (для приведенной в качестве примера горелки на рис. 1) соотношение скоростей на выходе: w_от/w_пр = 1,45/0,73=2, т. е. диапазон устойчивого горения, соответствует глубине регулирования мощности горелки от 50 до 100 %.

ЛЕКЦИЯ 12 (раздел 6)