5. ОСОБЕННОСТИ ГОРЕНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО, ЖИДКОГО И ТВЁРДОГО ТОПЛИВА
5.1. Краткие теоретические сведения
Газообразное топливо В зависимости от режима движения газообразного топлива и окислителя
при любом способе сжигания топлива (кинетического или диффузионного) может формироваться ламинарный или турбулентный факел.
Длина (высота) кинетического ламинарного факела определяется из соотношения
lк |
= |
|
w |
см d |
, м, |
(5.1) |
|
|
|
||||
ф |
|
|
Un |
|
||
|
|
|
|
|||
где wсм – средняя скорость истечения горючей смеси из горелки, м/с;
d – диаметр устья горелки, м.
Длина диффузионного ламинарного факела определяется из формулы
l |
д |
= |
|
w |
d |
2 |
, м, |
(5.2) |
|
|
|
см |
|
||||
|
|
|
|
|
||||
ф |
|
|
4 Dг |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
где Dг – коэффициент молекулярной диффузии газа в воздухе м2/с.
На практике длину диффузионного ламинарного факела определяют по эмпирической формуле
l |
д |
= 0,0004 |
V (V о +0,5) |
|
, м. |
(5.3) |
|
г в |
|
||||
|
|
|||||
ф |
|
νг Dг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где νв – коэффициент кинематической вязкости газа, м2/с.
Кинетический турбулентный факел не зависит от скорости истечения горючей смеси и составляет пять-шесть диаметров горелки, а длина диффузионного турбулентного факела определяется из соотношения
l |
= d 20 |
K |
|
w |
см |
0,17 |
, м, |
(5.4) |
|
|
|
|
|||||
ф |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
g d |
|
|
||
где K – эмпирический коэффициент (для природного газа K = 1,5, для генераторного газа K = 0,6; для коксового газа K = 1).
34
Жидкое топливо Горение жидкого топлива происходит в паровой фазе, т.е. горение носит
гомогенный характер (топливо и окислитель находятся в одном агрегатном состоянии). Процессу смесеобразования предшествует процесс испарения жидкого топлива.
Время испарения капли жидкого топлива зависит от режима её движения в потоке несущей среды. В случае испарения капель при малой скорости их движения (при критерии Рейнольдса Re <5) коэффициент теплообмена вычисляется из уравнения
|
|
|
Nu = α D = |
2 , |
|
(5.5) |
|||
|
|
|
|
|
λ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
где Nu – критерий Нуссельта; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 K); |
|
||||||||
D – диаметр капли, м; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
λ – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м2 |
K). |
||||||||
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При Re >5 значение коэффициент теплоотдачи определяется из соотно- |
|||||||||
шения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Nu = 0,33 Re0,6 . |
(5.6) |
|||||
Плотность теплового потока на поверхность капли |
|
||||||||
|
q =α (T −T ), Вт/м2, |
(5.7) |
|||||||
|
|
|
|
|
г |
к |
|
|
|
где Tг – температура горения топлива, K; |
|
|
|
|
|||||
Tк – температура кипения жидкого топлива, K. |
|
||||||||
Время полного выгорания капли |
|
|
|
|
|||||
0 |
ρ |
т |
(T |
−T |
) c |
+ r |
|
||
τ = ∫ |
|
|
к |
o |
т |
п |
dR , с, |
(5.8) |
|
|
|
|
|
q |
|
|
|||
Ro |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где ρт – плотность жидкого топлива, кг/м3;
cт – теплоёмкость жидкого топлива, кДж/(кг K);
rп – теплота парообразования жидкого топлива, кДж/кг. R0 – начальный радиус капли, м;
To – начальная температура жидкого топлива, K.
Например, если Re <5, то соотношение (5.8) с учётом (5.5) и (5.7) будет иметь следующий вид
35
|
ρ |
т |
(T |
−T |
) c |
+ r |
|
|
|
τ = |
|
|
к |
o |
т |
п |
R2 , с. |
(5.9) |
|
|
|
2 λ |
(T |
−T ) |
|||||
|
|
|
|
с |
г |
к |
|
|
|
Твёрдое топливо В промышленности применяется два способа сжигания твёрдого топлива:
слоевое и камерное.
При слоевом сжигании топливо в топке лежит плотным слоем или находится в псевдоожиженном состоянии. Установки, реализующие этот вид сжигания, подразделяются на топки с псевдоожиженным и плотным слоем.
При камерном сжигании топливо предварительно размалывается в тонкий порошок в специальных пылеприготовительных установках – углеразмольных мельницах. Установки, реализующие этот вид сжигания, разделяются на факельные и циклонные.
Твёрдое топливо сгорает в плотном слое, если скорость окислителя (воздуха) в топке
w0 |
< wкр , м/с, |
(5.10) |
|
′ |
|
где w0 – скорость окислителя на входе в топку, м/с;
wкр′ – нижняя (первая) критическая скорость псевдоожижения, м/с.
Для вычисления нижней скорости псевдоожижения применяется следующая формула Тодеса:
′ |
Ar |
|
|
νв |
|
|
wкр = |
|
|
|
dэ |
, |
(5.11) |
1400 +5,22 |
|
|
||||
Ar |
где dэ – эквивалентный диаметр частиц топлива, м;
νв – кинематическая вязкость окислителя, м2/с Значения вязкости воздуха
взависимости от его температуры приведены в прил. 10;
Ar – критерий (число) Архимеда.
При переходе в псевдоожиженное состояние частицы топлива приобретают подвижность и с дальнейшим увеличением скорости воздуха w0 происхо-
дит их расхождение друг с другом, слой топлива при этом расширяется. Потери давления в слое вычисляются по формуле
∆p =(ρт − ρв ) g H0 (1−ε0 ), Па, |
(5.12) |
где ρт – плотность топлива, кг/м3; ρв – плотность окислителя, кг/м3. Значения плотности воздуха в зависимо-
сти от его температуры приведены в прил. 11;
36
H0 – высота плотного (стационарного) слоя, м; ε0 – порозность плотного (стационарного) слоя.
Перепад давления является одной из величин, по которым осуществляется выбор вентилятора для подачи воздуха в топку. Другая важная величина – необходимый расход окислителя.
Для частиц топлива неправильной формы эквивалентный диаметр вычисляется по формуле
dэ = 3 |
|
6 а b c |
|
, м, |
(5.13) |
|
π |
||||||
|
|
|
|
|
где а , b, c – характерные линейные размеры куска топлива, м. Число Архимеда вычисляется по формуле
|
g |
3 |
|
|
|
|
Ar = |
dэ |
|
ρт |
−1 . |
(5.14) |
|
ν |
2 |
|
||||
|
в |
|
ρв |
|
||
Плотность органической массы твёрдого топлива зависит от его химической структуры, обусловленной происхождением и степенью углефикации. Значение плотности можно определить по эмпирическим формулам:
– для антрацитов и каменных углей марки Т
|
105 |
3 |
|
ρт = |
|
, кг/ м , |
(5.15) |
0,53 Сг +5 Hг |
где Сг , Hг – содержание углерода и водорода в горючей массе топлива, %;
– для остальных типов углей
|
105 |
3 |
|
ρт = |
|
, кг/ м . |
(5.16) |
0,354 Сг + 4,25 Hг + 23 |
Если выполняется условие
wкр < w0 |
< wкр , м/с, |
(5.17) |
′ |
′′ |
|
то твёрдое топливо сгорает в псевдоожиженном слое.
Здесь wкр′′ – верхняя (вторая) критическая скорость псевдоожижения, м/с.
При приближении к данной скорости начинается унос самых мелких части топлива из слоя. При её превышении все частицы уносятся потоком воздуха.
37