Технические особенности атмосферных ГГУ

Для атмосферных ГГУ одной из самых важных является проблема регулирования мощности. По этой причине в последних разработках атмосферных ГГУ все чаще встречаются горелки полного предварительного смешения, в которых для подачи воздуха на горение дополнительно используется разряжение в топке (закрытая топка), которое компенсирует недостаток кинетической энергии эжектирующей струи газа. Такие горелки при небольшом возрастании коэффициента избытка воздуха на частичных нагрузках способны обеспечивать устойчивое горение в диапазоне от 20 до 100 % номинальной мощности. Также у производителей достаточно четко просматривается тенденция деления мощности горелки, необходимая мощность которой набирается в блок из 10–20 и более модулей малой мощности. Общими элементами блока являются устройства подачи топлива от единого газового коллектора, системы розжига, автоматика регулирования и безопасности. Такой технический прием позволяет значительно снизить аэродинамические потери при эжектировании воздуха, смесеобразовании и выходе газовоздушной смеси из головки горелки, а также дает возможность достаточно просто набирать необходимые мощности ГГУ для всего производимого типоряда теплогенераторов. Модульная конструкция горелки полного предварительного смешения, имея большую глубину регулирования, лучше адаптируется к колебаниям давления газа, характерным для отечественных газовых сетей низкого давления. Ряд производителей используют газовые сопла со сложной конфигурацией отверстия (иногда с несколькими отверстиями), что при истечении увеличивает поверхность газовой струи и улучшает эжекцию воздуха.

Продолжаются работы и по разработке атмосферных инфракрасных горелок, обеспечивающих высокую интенсивность теплообмена в топках теплогенераторов. Однако малая глубина регулирования этих горелок, достаточно длительный период разогрева (что особенно важно при позиционном регулировании) существенно ограничивают их применение, несмотря на все преимущества, реализовать которые в полной мере без применения дутьевого вентилятора весьма проблематично. В общем случае удельные нагрузки топочного объема котла для атмосферных ГГУ в 2–3 раза ниже, чем для дутьевых горелок.

Для бытового потребителя положительной особенностью работы атмосферных ГГУ являются низкие шумовые характеристики их работы – эквивалентный уровень звука 20–25 дБ (А), что обусловлено меньшей турбулизацией факела в топке и отсутствием шумов дутьевого вентилятора.

Экологические показатели

Режимы работы атмосферных ГГУ в диапазоне допустимых значений теплового напряжения объема топки Q/V [кВт/м³] и тепловые напряжения поперечного сечения топки (форсировка) Q/F [кВт/м²] в значительной степени определяются условиями интенсификации всех этапов процесса горения и возможностями стабилизации фронта воспламенения. Высота и конфигурация топки автономного теплогенератора должны исключать появление продуктов химической неполноты горения вследствие контакта (наброса) пламени с «холодной» поверхностью теплообмена и срыва реакции горения из-за переохлаждения реагирующих масс. В ГГУ с неполным предварительным смешением факел должен располагаться в топке так, чтобы обеспечивался равномерный подвод вторичного воздуха с требуемым избытком воздуха по всей высоте пламени.

Таким образом, атмосферное ГГУ разрабатывается для конкретной топки автономного теплогенератора и его использование в других теплогенераторах без соответствующей адаптации конструкции топки, как правило, невозможно.

В силу геометрических факторов в топках малого объема автономных теплогенераторов имеет место большее значение отношения поверхности топки к ее объему, чем в топках большого объема мощных котлов. Поэтому тепловые напряжения топочного объема в автономных теплогенераторах малой мощности достигают значений q_V=1–2,1 мВт/м³, которые характерны для высокофорсированных мощных котельных агрегатов и, как правило, сопровождаются повышенным содержанием в продуктах сгорания загрязняющих окружающую среду выбросов монооксида углерода (СО) и оксидов азота (NО). Концентрация вредных выбросов в продуктах сгорания для современных теплогенераторов с атмосферными горелками регламентируется требованиями ряда ГОСТов. Предельные нормы концентрации вредных выбросов для сухих неразбавленных продуктов сгорания приведены в табл. 2.

Концентрация оксидов углерода (СО) в продуктах сгорания исправных и отрегулированных ГГУ в основном зависит от совершенства процесса смесеобразования и завершенности реакции окисления. Образование оксида углерода является промежуточной стадией горения газообразного топлива, поэтому недостаток кислорода и переохлаждения зоны горения обуславливают рост концентрации СО в продуктах сгорания. Оксиды азота в продуктах сгорания газообразного топлива имеют преимущественно термическое происхождение. При достаточно высоких температурах (более 1 800 °C) происходит окисление азота воздуха до монооксида азота (~97–98 % объемных NO), который затем в атмосфере окисляется до диоксида азота (NO₂), а их суммарная концентрация пересчитывается на диоксид азота часто представляемая символом NO_x. Источником термических оксидов азота являются высокотемпературные зоны газового факела, поэтому подавление их эмиссии связано с интенсивностью охлаждения зоны горения или снижением температуры в ней за счет рециркуляции в нее балластирующих масс продуктов сгорания.

Другой составляющей в объеме выбросов оксидов азота являются так называемые «быстрые» оксиды, источником которых является зона активного реагирования углеводородного топлива и окислителя (характеризующаяся высокой концентрацией активных радикалов) при недостатке последнего. Температурный уровень процесса образования «быстрых» оксидов азота (~1 200 °C) значительно ниже, чем термических, поэтому избежать их образования практически невозможно. Однако снизить эмиссию «быстрых» оксидов можно исключив дефицит окислителя в факеле путем увеличения первичного коэффициента избытка воздуха в атмосферных ГГУ или осуществив переход на горелки полного предварительного смешения.

Следует отметить, что технические возможности подавления процессов образования вредных выбросов в атмосферных ГГУ весьма ограниченны, поэтому, как правило, по экологическим показателям они уступают наддувным газовым горелкам.

ЛЕКЦИЯ 15-16 (раздел 8)