Хорошая работа децентрализованной системы теплоснабжения здания в большей степени зависит от теплотехнических и эксплуатационных характеристик автономного теплогенератора, обеспечивающего тепловой энергией системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. В качестве первичного энергоносителя в основном используется химическая энергия ископаемого топлива, а для коммунально-бытовых целей в больших объемах применяется газообразное углеводородное топливо: природный газ и регазифицированный сжиженный газ (пропан-бутановые смеси). С легкостью можно сказать, что используемое в теплогенераторе газогорелочное устройство (ГГУ), как основное топливоиспользующее оборудование, будет в большей степени определять его теплотехнические, экологические и потребительские качества.
Процесс сжигания разделен на последовательно протекающие стадии:
а) образование гомогенной газовоздушной смеси (топлива и окислителя);
б) подогрев смеси до температуры воспламенения;
в) химическое реагирование — собственно реакция горения.
Стадия смесеобразования играет большую роль при горении и может осуществляться или как предварительная (подготовительная) стадия, или происходить параллельно с другими процессами. В теплогенераторах малой мощности (до 300-500 кВт), используемых в автономных системах теплоснабжения, применяются дутьевые или эжекционные (их называют еще «атмосферные») газовые горелки. Важнейшим преимуществом атмосферных ГГУ является их эксплуатация без наддувных вентиляторов для принудительной подачи воздуха. Процесс смесеобразования в них осуществляется благодаря кинетической энергии газовой струи, выходящей из дозирующего сопла горелки, которая и эжектирует воздух.
По степени завершения процесса предварительного смесеобразования газа с воздухом (перед воспламенением) атмосферные ГГУ разделяют на несколько следующих параметров:
- диффузионные — без предварительного образования смеси газа и воздуха (иногда их обозначают «jet»);
- кинетические — с полным предварительным смешением газа и всего воздуха, требуемого для горения («premix»);
- диффузионно-кинетические — с неполным предварительным смешением части воздуха, необходимого для полного сгорания (первичного воздуха), и газа.
Стадии смесеобразования в атмосферных ГГУ являются крайне особенными, т. к. стабилизация пламени, глубина регулирования, экологические показатели и надежность эксплуатации ГГУ в значительной мере определяются именно обеспечением стабильности условий образования газовоздушной смеси в различных режимах горения.
Газообразное топливо
В коммунальной энергетике в основном используются природный газ и сжиженные пропан-бутановые смеси. Природный газ различных месторождений из трубопроводов высокого и среднего давлений после редуцирования в газорегулирующих установках (ГРС, ГРП, ГРУ) поступает в газопроводы низкого давления с нормируемым избыточным давлением газа до РизбСжиженные пропан-бутановые смеси доставляются к потребителю в цистернах или баллонах. Перед сжиганием сжиженный газ регазифицируется. У потребителей малой мощности регазификация осуществляется путем снижения давления газовой фазы в емкости при отборе газа. Регулирование давления газовой фазы осуществляется местным регулятором, настраиваемым на низкое давление Ризб=20-35 мбар.
Магистральный природный газ 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, как правило, являются азот и углекислый газ. Среднее значение низшей теплоты сгорания природного газа Qн=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. Если рассматривать среднее значение низшей теплоты сгорания, в пересчете на 1 м3 регазифицированной пропан-бутановой смеси при нормальных условиях, то она будет равна Qн=92,2 мДж/м3. Плотность при нормальных условиях около 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 %). Необходимое для полного сжигания горючих компонентов газа количество воздуха рассчитывается по составу газа и для природного газа различных месторождений составляет Vо=8,5-10 м3/м3, а для сжиженного газа Vо=24-30 м3/м3. Вне зависимости от 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 лишь наличием балластных газов и образующихся продуктов сгорания, что объясняет необходимость работы ГГУ с большими расходами воздуха на горение. Проводя соотношение действительного количества воздуха, поступающего на горение и теоретически необходимого, определяется коэффициентом избытка воздуха: a=Vд/V0.
Для воспламенения гомогенной смеси природного газа и воздуха требуется: соотношение газ-воздух находится между нижней (смесь «бедная», концентрация газа более 5,3%, т.е. а0,65). Значение коэффициента, показывающее вконце, избытка воздуха для всех типов горелочных устройств а>1 и для атмосферных ГГУ, при работе с номинальной нагрузкой, находится в эксплуатционном диапазоне аэ=1,05-1,25. Значение коэф-та избытка воздуха на работающем теплогенераторе может быть определено на основнии результатов газового анализа продуктов сгорания по содержанию в них кислорода О2 (%) или углекислого газа СО2 (%). Для природного и сжиженного газов среднего составов соотношений концентраций О2 и СЩ2 в продуктах полного сгорания в зависимости от коэффициента избытка воздуха, а также значения теоретической (калориментрической) температуры горения и полного объема продуктов сгорания приведены в табл.1.
Таблица 1
Значения теоретической (калориметрической) температуры горения и полного объема продуктов сгорания
| Коэффициент 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 | 2010 | 10,52 | 14,00 | 0,00 | 2110 | 29,60 |
| 1,05 | 11,20 | 1,00 | 1940 | 11,00 | 13,50 | 1,20 | 2030 | 30,97 |
| 1,10 | 10,70 | 1,95 | 1890 | 11,48 | 12,60 | 2,10 | 1970 | 32,34 |
| 1,15 | 10,20 | 2,80 | 1820 | 11,96 | 12,10 | 2,85 | 1910 | 33,71 |
| 1,20 | 9,80 | 3,60 | 1780 | 12,43 | 11,50 | 3,75 | 1835 | 35,08 |
| 1,25 | 9,40 | 4,20 | 1730 | 12,91 | 11,20 | 4,20 | 1800 | 36,45 |
Данные, приведенные в табл. 1, говорят, что 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 достаточно оправданным является стремление работать с минимальными значениями коэффициента избытка воздуха. Однако показатель эффективности 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) — кроме загрязнения окружающей среды, также являются прямыми потерями химической энергии топлива. Именно значение потерь от химической неполноты горения топлива (q3) в первую очередь определяет значение эксплуатационного коэффициента избытка воздуха ГГУ.
Режимы работы атмосферных ГГУ
Существенно ограничивает возможности эжектирования воздуха малая кинетической энергия струи природного газа низкого давления при смесеобразовании в атмосферных ГГУ, а также сильно ограничивает глубину регулирования при сохранении соотношения газ-воздух в смеси.
Во время диффузионного сжигания газа процесс смесеобразования совмещен с процессом горения, развивающимся при достижении контакта газа с окислителем. Высокие температуры в топках котлов говорят нам о высоких скоростях химического реагирования, а время протекания процесса горения будет полностью определяться интенсивностью процесса смесеобразования. Поэтому, для получения относительно короткого диффузионного факела используются следующие 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.
Одной выгодной особенностью диффузионного горения (без предварительного смесеобразования) является принципиальная невозможность «проскока» пламени внутрь ГГУ. Но 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.
Во время кинетического сжигания газа удается сократить время горения (максимально увеличить скорость распространения пламени), т. к. из времени горения практически исключается самый длительный процесс — смесеобразование. Итак, скорость горения будет определяться интенсивностью прогрева смеси и кинетикой химического реагирования. Также беря во внимание 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.
Скорости «отрыва» и «проскока» пламени имеют зависимость 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. Зона устойчивого горения ГГУ полного предварительного смешения (a»>1) весьма узкая. Так, при a=1,2 (для приведенной в качестве примера горелки) соотношение скоростей на выходе: wот/wпр = 1,45/0,73=2, т. е. диапазон устойчивого горения, соответствует глубине регулирования мощности горелки от 50 до 100 %.
Отдельную группу атмосферных ГГУ полного предварительного смешения представляют «беспламенные» инфракрасные горелки, в которых кинетическое сжигание топливовоздушной смеси осуществляется внутри пористой огнеупорной насадки или системы большого количества мелких каналов, изготовленных в виде блоков из огнеупорной керамики. Высокотемпературная насадка обеспечивает достаточно быстрый прогрев и воспламенение топливовоздушной смеси, короткопламенное сгорание которой практически полностью завершается внутри огнеупорной насадки. Высокотемпературная часть инфракрасных горелок может быть выполнена в виде плоских, цилиндрических, полусферических (или иных конфигураций) блоков, рационально размещаемых в топке теплогенератора соответствующей формы, что обеспечивает эффективный радиационный теплообмен. Но стабильное горение в инфракрасных ГГУ имеет очень узкую область теплового режима работы высокотемпературной насадки (которая изготавливается с каналами меньше критического диаметра для природного или сжиженного газа) и по условиям беспламенного сжигания газа.
Для расширения диапазона устойчивой работы ГГУ можно обогащать первичную смесь (делая коэффициент избытка первичного воздуха более низким), что заметно уменьшает вероятность «проскока» пламени вплоть до исключения его по условиям воспламенения (a»Регулирование работы ГГУ — «включено-выключено» позволяет избежать рассмотренных негативных эффектов в предварительно отрегулированном режиме номинальной мощности. Но работа ГГУ в прерывистом режиме при частичных нагрузках на теплогенератор сопровождается колебанием температуры теплоносителя на выходе, что далеко не всегда допустимо по условиям эксплуатации, например в режиме горячего водоснабжения.
Технические особенности атмосферных ГГУ
Одной из самых важных проблем является проблема регулирования мощности для атмосферных ГГУ. Благодаря этому вопросу 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. Данные горелки при небольшом возрастании коэффициента избытка воздуха на частичных нагрузках способны обеспечивать устойчивое горение в диапазоне от 20 до 100 % номинальной мощности. В то же время у производителей достаточно хорошо 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 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 достаточно большую глубину регулирования, лучше адаптируется к колебаниям давления газа, характерным для отечественных газовых сетей низкого давления. Некоторые производители используют газовые сопла со сложной конфигурацией отверстия (иногда с несколькими отверстиями), что при истечении увеличивает поверхность газовой струи и улучшает эжекцию воздуха.
Также работы по разработке атмосферных инфракрасных горелок имеют продолжение, обеспечивающие высокую интенсивность теплообмена в топках теплогенераторов. Но, надо заметить, что малая глубина регулирования этих горелок, достаточно длительный период разогрева (что особенно важно при позиционном регулировании) существенно ограничивают их применение, вопреки ряду преимуществ, реализовать которые в полной мере без применения дутьевого вентилятора весьма проблематично. Итак, обычно удельные нагрузки топочного объема котла для атмосферных ГГУ в 2-3 раза ниже, чем для дутьевых горелок.
Если же рассматривать бытовую работу атмосферных ГГУ и её положительные качества, то заметим: 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 полностью 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.
Итак, мы заметили, что атмосферное ГГУ разрабатывается для конкретной топки автономного теплогенератора и его использование в других теплогенераторах без соответствующей адаптации конструкции топки, как правило, невозможно.
благодаря геометрическим факторам в топках малого объема автономных теплогенераторов имеет место большее значение отношения поверхности топки к ее объему, чем в топках большого объема мощных котлов. Поэтому, мы видим тепловые напряжения топочного объема в автономных теплогенераторах малой мощности достигают значений qV=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.
Таблица 2
Предельные нормы концентрации вредных выбросов для сухих неразбавленных продуктов сгорания
| N п/п | Тип котла, горелки | ГОСТ | Выбросы | |
|---|---|---|---|---|
| СО | NOx (в пересчете на NO2) | |||
| 1 | Теплогенераторы отопительные с атмосферными ГГУ мощностью до 70 кВт | Р 51733-2001 | 0,05 % (625 мг/м3) | 302, 6-8 1,5 мг/м3* |
| 2 | Теплогенераторы отопительные с атмосферными ГГУ мощностью до 1 00 кВт | 20548-87 | 119 мг/м3 | 240 мг/м3 |
| 3 | Теплогенераторы отопительные мощностью 0, 1 -3, 1 5 кВт (без разделения по типу ГГУ) | Р 50591-93 | 130 мг/м3 | 164- 100 мг/м3** |
* В зависимости от класса теплогенератора (1-5 класс), по классификации ГОСТ Р 51733-2001.
** Для котлов с эжекционными ГГУ среднего давления в зависимости от даты запуска котла (до 01.01.97 или позднее).
Важно заметить, что технические возможности подавления процессов образования вредных выбросов в атмосферных ГГУ весьма ограниченны, так как по экологическим показателям они уступают наддувным газовым горелкам.