Горелка представляет собой техническое устройство, основное назначение которого — формирование горючей смеси из топлива (газообразного, жидкого или пылевидного) и окислителя (воздуха или кислорода) с последующей её подачей к месту сжигания. Её ключевые функции включают ввод компонентов в топку или печь, их смешивание (до или в процессе горения) и стабилизацию пламени. Под стабилизацией понимается создание условий для надёжного, непрерывного горения без отрыва факела, пульсаций или затуханий. Как правило, это достигается за счёт специальной аэродинамики, при которой раскалённые продукты сгорания постоянно подмешиваются к свежей топливовоздушной смеси, обеспечивая её воспламенение.
Классификация газовых горелок по принципу смесеобразования
По способу образования смеси газовые горелки делятся на две основные группы: инжекционные и смесительные. Классическим примером инжекционных горелок являются устройства в бытовых газовых плитах. В них газ под давлением вытекает из сопла в смеситель, выполненный по принципу эжектора, и за счёт своей кинетической энергии подсасывает необходимое количество воздуха из окружающей среды. Важное преимущество таких горелок — автоматическое поддержание примерно постоянного соотношения «газ-воздух» при изменении расхода топлива (регулируемого краном или вентилем). Для точной настройки коэффициента избытка воздуха на воздушном тракте может устанавливаться регулируемая заслонка.
Инжекционные горелки не требуют принудительной подачи воздуха с помощью вентилятора, но для их работы необходимо относительно высокое давление газа. В промышленных установках, таких как котельные топки, чаще применяются двухпроводные смесительные горелки. В них и газ, и воздух подаются под давлением по отдельным каналам и смешиваются либо внутри корпуса горелки, либо на её выходе. Интенсивность смешения позволяет управлять характеристиками факела: при хорошем смешении горение происходит компактно, а при ухудшении (приближении к диффузионному режиму) длина факела увеличивается. Стабилизация пламени в таких горелках часто обеспечивается закруткой потока вторичного воздуха, что создаёт зону рециркуляции раскалённых газов у среза горелки для надёжного поджига смеси.
Пример промышленной горелки и работа с отходами
В качестве примера рассмотрим принцип работы газомазутной горелки, широко используемой в крупных паровых котлах. Газ из кольцевого коллектора с высокой скоростью подаётся через радиальные отверстия в поток воздуха. Основная часть воздуха (вторичный) проходит через лопаточный завихритель, который закручивает поток для улучшения смешения и стабилизации. Другая часть (первичный воздух) подаётся напрямую через регулирующий шибер, что позволяет изменять длину факела. Скорость истечения смеси в топку составляет около 30 м/с. Такие горелки часто являются комбинированными и могут работать как на газе, так и на жидком топливе (мазуте) благодаря возможности установки мазутной форсунки. Производительность современных промышленных горелок может достигать 3.1 м³/с по газу и 2.8 кг/с по мазуту. Их размещают на стенах, потолке или поде камерной топки, где подготовленная смесь сгорает с высокой интенсивностью.
Горелки также играют важную роль в утилизации технологических горючих газов, содержащих вредные вещества. Эти отходы делят на две категории. К первой относятся газы с теплотой сгорания выше ~3 МДж/м³ и нормальной скоростью горения более 10–15 см/с (например, коксовый, доменный, сероводородсодержащие газы). Их сжигают аналогично природному газу, иногда с предварительным подогревом воздуха или самого газа и использованием специальных горелочных устройств.
Ко второй группе относятся газы с очень низкой теплотой сгорания (менее 3–4 МДж/м³) и малой скоростью горения. Для их эффективного и безопасного сжигания требуются особые технические решения, направленные на стабилизацию пламени и обеспечение полноты сгорания.
Отдельной разновидностью устройств для сжигания жидкого топлива является форсунка.
