Hořáky pro spalování zemního plynu (I)

Hořáky pro spalování zemního plynu jsou zařízení, ve kterých se chemická energie zemního plynu přeměňuje spalováním na energii tepelnou a slouží jako zdroj tepla pro plynové spotřebiče.

1. Rozdělení hořáků pro spalování zemního plynu

Hořáky se rozdělují podle těchto hlavních hledisek:

1.1 Tlak zemního plynu

Základní rozdělení plynových hořáků vychází z přetlaku zemního plynu na vstupu do hořáku:

• nízkotlaké hořáky s přetlakem zemního plynu do 5 kPa
• středotlaké hořáky s přetlakem zemního plynu 5 až 400 kPa

1.2 Přívod spalovacího vzduchu do hořáku

Podle tohoto hlediska se plynové hořáky dělí na hořáky ejekční, do kterých je spalovací vzduch přiváděn ejekčním účinkem zemního plynu, a na hořáky s nuceným přívodem spalovacího vzduchu, jehož zdrojem je obvykle radiální ventilátor.

Pro nízkotlaké ejekční hořáky (Δp₁ ≤ 5 kPa) se vžil název atmosférické hořáky. Do směšovačů atmosférických hořáků se nasává pouze část stechiometrického objemu spalovacího vzduchu, přičemž zbývající spalovací vzduch je přiváděn do spalovacího prostoru tahem spotřebiče.

Středotlaké ejekční hořáky, tzv. injektorové hořáky, mají vlivem vyššího tlaku zemního plynu (Δp₁ = 50 až 150 kPa) dostatečnou energii pro nasátí veškerého spalovacího vzduchu, potřebného pro úplné spálení zemního plynu.

Hořáky s nuceným přívodem spalovacího vzduchu jsou konstruovány buď jako blokové hořáky, kde radiální ventilátor je součástí hořáku, nebo jako hořáky, do kterých je spalovací vzduch přiveden vzduchovým potrubím od společného ventilátoru.

1.3 Způsob směšování plynného paliva se vzduchem

Dalším kriteriem pro rozdělení plynových hořáků je způsob směšování zemního plynu se vzduchem:

• hořáky bez předmísení plynu a spalovacího vzduchu před vstupem do spalovacího prostoru
• hořáky s částečným předmísením plynu a vzduchu
• hořáky s úplným předmísením plynu a vzduchu

1.4 Způsob přenosu tepla v pracovním prostoru

Podle způsobu přenosu tepla v pracovním prostoru spotřebiče se hořáky rozdělují na:

• hořáky s převážně konvekčním účinkem
• hořáky sálavé

1.5 Způsob spalování plynovzdušné směsi

Podle způsobu spalování se plynové hořáky rozdělují na:

• hořáky s volnými plameny
• hořáky s keramickými spalovacími kanály
• hořáky se spalováním na povrchu keramických desek
• hořáky se spalováním v uzavřeném prostoru

Hlavními představiteli hořáků s volnými plameny jsou atmosférické hořáky domácích i průmyslových spotřebičů. Hořáky s keramickými spalovacími kanály se používají převážně pro průmyslové pece s vyššími pracovními teplotami, u nichž má spalovací kanál jednak funkci stabilizace plamene a jednak chrání ústí plynových hořáků proti vlivu vysokých teplot v pracovním prostoru pecí.

Hořáky se spalováním na povrchu keramických desek se vyznačují velmi krátkým plamenem, takže jsou někdy nepřesně označovány jako hořáky bezplamenné. Tento způsob spalování plynovzdušné směsi se používá například u některých typů sálavých hořáků pro otop pracovních hal (tzv. infrazářiče).

Mezi hořáky, ve kterých se plynovzdušná směs spaluje v uzavřeném prostoru, přičemž spaliny nepřicházejí do styku s ohřívaným prostředím, patří tzv. "tmavé zářiče" a sálavé trubky, určené pro pece tepelného zpracování s ochrannou nebo aktivní atmosférou.

1.6 Rychlost spalin v ústí hořáku

Podle výstupní rychlosti spalin do pracovního prostoru spotřebiče se plynové hořáky rozdělují na:

• hořáky s nízkou rychlostí spalin (do 40 m.s^-1)
• hořáky se zvýšenou rychlostí spalin (40 až 80 m.s^-1)
• hořáky s vysokou rychlostí spalin (80 až 150 m.s^-1), tzv. impulzní hořáky

1.7 Teplota spalovacího vzduchu

Podle teploty spalovacího vzduchu se plynové hořáky dělí na:

• hořáky se studeným spalovacím vzduchem
• hořáky se spalovacím vzduchem předehřátým ve společném rekuperátoru nebo regenerátoru
• rekuperační hořáky (hořáky s rekuperátorem, vestavěným do tělesa hořáku)
• regenerační hořáky (hořáky s regenerátorem, vestavěným do tělesa hořáku)

1.8 Způsob řízení výkonu a spalovacího poměru

Podle způsobu řízení výkonu hořáků a spalovacího poměru se hořáky dělí na:

• hořáky s ručním řízením
• hořáky s individuální regulací
• hořáky řízené skupinovou regulací

2. Základní vlastnosti hořáků pro spalování zemního plynu

2.1 Přetlak plynu a spalovacího vzduchu

Pro překonání odporů při proudění plynu a spalovacího vzduchu hořákem a pro vyvození potřebných výtokových rychlostí v plynových a vzduchových tryskách hořáku je nutno zemní plyn a u hořáků s nuceným přívodem spalovacího vzduchu i spalovací vzduch přivést do hořáku s určitým přetlakem.

Tlakové parametry plynových hořáků nejsou stanoveny žádnou normou ani předpisem a jednotliví výrobci hořáků je volí podle požadovaných parametrů hořáku a jejich technologického určení. Většina typových hořáků českých výrobců je konstruována pro běžné přetlaky v rozvodech zemního plynu tj.:
zemní plyn nízkotlak:    Δp_p = 1,8 kPa
zemní plyn středotlak:   Δp_p = 50 až 150 kPa

2.2.1 Parametry hořáků pro spalování zemního plynu

Výkon plynového hořáku P_H je množství tepla, které hořák vyvine spálením množství zemního plynu V_ph za hodinu.

Jmenovitý výkon hořáku P_Hjmen je výkon dosažený při jmenovitých hodnotách tlaků plynu a spalovacího vzduchu.

Maximální výkon hořáku P_{H max} je výkon odpovídající maximálním dosažitelným hodnotám tlaků plynu a vzduchu před hořákem, pokud hořák při těchto tlacích splňuje podmínky bezpečné a hospodárné funkce (stabilita plamene a kvalita spalování).

Minimální výkon hořáku P_{H min} je nejmenší výkon, při kterém hořák bezpečně a hospodárně spaluje plynné palivo.

Regulační rozsah hořáku je rozmezí výkonů, ve kterých lze výkon hořáku plynule měnit.

Regulační poměr je poměr maximálního a minimálního výkonu hořáku, případně poměr jmenovitého a minimálního výkonu hořáku:

Spotřeba zemního plynu V_ph je množství plynu, které je nutno přivést do hořáku za jednu hodinu pro dosažení výkonu P_H.

Spotřeba spalovacího vzduchu V_vh je množství vzduchu, které je nutno přivést do hořáku pro úplné spálení hodinového množství zemního plynu V_ph.

Spalovací poměr je poměr množství spalovacího vzduchu V_vh a plynného paliva V_ph přiváděných do hořáku:

Násobek stechiometrického objemu spalovacího vzduchu n je bezrozměrný součinitel, který vyjadřuje zvýšení objemu spalovacího vzduchu na provozní hodnotu, potřebnou pro úplné spálení 1 m³ zemního plynu ve spotřebičích.

Velikost násobku stechiometrického objemu spalovacího vzduchu se volí podle typu hořáku a spotřebiče a je dána požadavky technologického procesu. Z hlediska hospodárnosti provozu plynových spotřebičů je účelné udržovat n na minimální hodnotě potřebné pro úplné spalování plynného paliva.

Přebytek spalovacího vzduchu (n - 1).100% je hodnota, která v procentech vyjadřuje zvýšení stechiometrického objemu spalovacího vzduchu, potřebné pro úplné spalování zemního plynu ve spotřebičích.

Regulace spalovacího poměru představuje proces, jehož účelem je udržet konstantní hodnotu násobku stechiometrického objemu spalovacího vzduchu n po celou dobu provozu hořáku, při jakékoliv změně jeho výkonu, v celém rozsahu regulovatelnosti výkonu.

Hořáky ejekčního typu se vyznačují vlastností nazývanou autoregulace spalovacího poměru, která umožňuje regulovat výkon hořáku snižováním, případně zvyšováním přetlaku plynného paliva, bez nutnosti regulace množství spalovacího vzduchu.

Hodinové množství spalin V_sh je objem spalin, který vznikne při spálení hodinového množství zemního plynu V_ph.

2.2 Stanovení parametrů hořáků pro spalování zemního plynu
Výkon plynového hořáku se stanoví z rovnic:

P_H = V_ph . H^o_i  (kWh)     [kW]    1

nebo:

Spotřeba zemního plynu se stanoví z rovnic:

nebo:

H^o_i (kJ) - výhřevnost zemního plynu (0°C, 101 325 Pa)   [kJ.m^-3] (Spalovací vlastnosti ZP I. - tab. 9)
H^o_i (kWh) - výhřevnost zemního plynu (0°C, 101 325 Pa)   [kWh.m^-3] (Spalovací vlastnosti ZP I. - tab. 9)

Spotřeba spalovacího vzduchu se stanoví z rovnice:

V_vh = V_ph . n . V_vT    [m³.h^-1]   (0°C, 101 325 Pa)   5

n - násobek stechiometrického objemu spalovacího vzduchu    [-]
V_vT - stechiometrický objem spalovacího vzduchu    [m³.m^-3]   (Spalovací vlastnosti ZP I. - tab. 13)

Hodinové množství vlhkých spalin se stanoví z rovnice:

V^v_sh = V_ph . [V^v_sT + (n - 1).V_vT ]    [m³.h^-1]    (0°C, 101 325 Pa)     6

V^v_sT - stechiometrický objem vlhkých spalin     [m³.m^-3]   (Spalovací vlastnosti ZP I. - tab. 15)

Spalovací poměr se stanoví z rovnice:

Násobek stechiometrického objemu spalovacího vzduchu se stanoví z rozboru spalin hořáku podle rovnic:

Rovnice 8 platí přesně pouze při obsahu CO = 0. Pokud spaliny obsahují vedle CO₂ i CO, stanoví se násobek n podle rovnice:

Z obsahu O₂ ve spalinách, zjištěného rozborem, se stanoví násobek stechiometrického objemu vzduchu podle rovnice:

CO_{2 max} - max. objem oxidu uhličitého ve spalinách    [%]    (Spalovací vlastnosti ZP I. - tab. 16)
CO₂ - obsah oxidu uhličitého, stanovený rozborem spalin    [%]
CO - obsah oxidu uhelnatého, stanovený rozborem spalin    [%]
O₂ - obsah kyslíku, stanovený rozborem spalin    [%]
V^s_ST - stechiometrický objem suchých spalin    [m³.m^-3]    (Spalovací vlastnosti ZP I. - tab. 15)
V_VT - stechiometrický objem spalovacího vzduchu    [m³.m^-3]    (Spalovací vlastnosti ZP I. - tab. 13)

Příklad 1

Stanovit výkon hořáku při spalování tranzitního zemního plynu. Změřená spotřeba zemního plynu V_ph = 12,6 m³.h^-1.

H^o_i   (kJ) = 35 870 kJ.m^-3
H^o_i   (kWh) = 9,964 kWh.m^-3

Řešení:
Z rovnice 1: P_H = V_ph . H^o_i   (kWh) = 12,6 . 9,964 = 125,5 kW

Z rovnice 2:

Příklad 2

Stanovit spotřebu spalovacího vzduchu V_vh, spalovací poměr S a hodinové množství vlhkých spalin V_sh pro hořák z příkladu 1, při násobku stechiometrického objemu spalovacího vzduchu n = 1,1

P_H = 125,5 kW
V_ph = 12,6 m³.h^-1
V_vT = 9,555 m³.m^-3    (Spalovací vlastnosti ZP I. - tab. 13)
V^v_sT = 10,4689 m³.m^-3 (Spalovací vlastnosti ZP I. - tab. 15)

Řešení:

Spotřeba spalovacího vzduchu se stanoví z rovnice 5:
V_vh = V_ph . n . V_vT = 12,6 . 1,1 . 9,555 = 132,43 m³.h^-1

Spalovací poměr se stanoví z rovnice 7:
S = n . V_vT = 1,1 . 9,555 = 10,51 m³.m^-3

Hodinové množství spalin se stanoví z rovnice 6:
V^v_sh = V_ph . [V^v_sT + (n - 1) . V_vT] = 12,6 .[10,4689 + (1,1 - 1).9,555] = V^v_sh = 143,95 m³.m^-3

Příklad 3

Rozborem spalin z hořáku plynového kotle, otápěného tranzitním zemním plynem, byl zjištěn obsah oxidu uhličitého CO₂ = 10,3 %, při obsahu CO = 0 %. Stanovte násobek a přebytek stechiometrického objemu spalovacího vzduchu.

CO_{2 max} = 11,723 % (Spalovací vlastnosti ZP I. - tab. 16)
V^s_sT = 8,5615 m³.m^-3 (Spalovací vlastnosti ZP I. - tab. 15)
V_VT = 9,555 m³.m^-3 (Spalovací vlastnosti ZP I. - tab. 13)

Řešení:
Násobek stechiometrického objemu spalovacího vzduchu z rovnice 8:

Přebytek spalovacího vzduchu:
(n -1).100% = 0,123.100 = 12,3 %