Энерготехнология химических производств
..pdf
Диффузионные горелки. Особенностью этих горелок является образование горючей смеси за счет медленного процесса молекулярной диффузии, возникающего за счет разряжения, вызванного газовой струей, выходящей в условно неподвижную среду (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Схема диффузионной горелки
Основные положительные характеристики горелок этого типа:
–устойчивость горения газа;
–возможность работы на газе низкого давления без принудительной подачи воздуха;
–большой диапазон регулирования с возможностью изменения длины факела и получения равномерной температуры вдоль факела пламени;
–практически бесшумная работа и простота конструкции. Недостатки горелок данного типа:
–сложность создания горелок высокой производительности;
–трудность получения высоких тепловых напряжений при отсутствии недожога топлива.
Атмосферные горелки. Атмосферными, или эжекционными горелками низкого давления, называются горелки с частичным пред-
варительным смешением газа с воздухом (αперв. возд = 0,3–0,7). Первичный воздух подается в горелку за счет эжектирующего действия газовой струи. Количество первичного воздуха регулируется с помощью шайбы или задвижки, которая закрывает вход воздуха в эжектор и тем самым ограничивает его подачу в горелку. Вторичный воздух, необходимый для полного сжигания газа, поступает из окружающей среды. Примером данной горелки может быть бытовая горелка газовой плиты (рис. 2.7).
Основные положительные характеристики горелок данного типа:
–простота и надежность устройства;
–простота регулирования.
71
Рис. 2.7. Схема атмосферной горелки
Кроме положительных, у этих горелок существуют и отрицательные характеристики:
–они очень чувствительны к колебаниям давления газа и разряжения в топке;
–невозможно проводить режим горения с коэффициентом избытка воздуха менее 1,3–1,4.
Эжекционные горелки. Существует множество разновидностей конструкций горелок данного типа. Несмотря на то что их принципиальная конструкция похожа на строение атмосферных горелок, их основным отличием от них является то, что эжекционные горелки являются горелками полного смешения, т.е. у данного типа горелок на смешение подается все количество воздуха, что позволяет достичь более полного сжигания топлива при меньшем избытке воздуха. Из существующего множества различных видов эжекционных горелок основные отличия одной их разновидности от другой заключаются в различной конструкции смесителя и стабилизатора пламени.
Так, известны горелки с одно-, двух- и трехступенчатыми смесителями. Принцип многоступенчатого смесителя заключается в том, что на первую ступень подается все количество топлива и только то количество воздуха, чтобы смесь загорелась. Далее на последующих ступенях дымовые газы эжектируют дополнительное количество воздуха, что позволяет сжечь топливо с минимальным коэффициентом избытка воздуха (рис. 2.8, б). Однако наибольшее распространение получили горелки с одноступенчатым смесителем (рис. 2.8, а), так как эти горелки наиболее компактны и просты в эксплуатации.
Одним из недостатков эжекционных горелок является то, что режим горения может быть нестабильным (из-за хорошего перемешивания топлива с воздухом пламя может проскочить в горелку, что вызовет ее разрушение, а при плохом – пламя может оторваться от горелки), поэтому для стабилизации горения используют различные стабилизаторы пламени. Как правило, стабилизатор пламени выполнен
72
Рис. 2.8. Схемы эжекционных горелок
из сотовой керамики или пластин из спецсталей и при работе горелки находится в раскаленном состоянии. При этом стабилизатор пламени одновременно выполняет две функции: огнепреградителя (каналы слишком узки для свободного проскока пламени) и «поджигателя» горючей смеси (если пламя вдруг погаснет). Наиболее широко известны горелки со щелевым стабилизатором пламени: щелевые (рис. 2.9, а) и панельные излучающие (рис. 2.9, б).
Панельные горелки иногда называют инфракрасными, так как диаметр каналов достаточно мал (от 1 до 20 мм) и процесс сгорания топлива полностью протекает внутри блока, который нагревается до достаточно высокой температуры.
Рис. 2.9. Схемы эжекционных горелок со стабилизаторами пламени
73
Кроме представленных выше, существует множество разновидностей эжекционных горелок, так как их преимущества по сравнению с другими горелками заключаются в том, что:
–они конструктивно достаточно просты и надежны;
–нет необходимости в дополнительном оборудовании для подачи и регулирования количества воздуха.
Однако эти горелки имеют и недостатки:
–необходимо использовать газовое топливо только среднего
ивысокого давления;
–мал диапазон надежного регулирования производительности горелки;
–достаточно длинные смесители препятствуют созданию горелок большой единичной мощности;
–они достаточно сильно шумят, особенно при высоком давлении газа.
Горелки с принудительной подачей воздуха. Как и у эжек-
ционных горелок, существует множество разновидностей горелок с принудительной подачей воздуха. Строго говоря, этот тип можно было бы называть горелками с принудительной подачей газа и воздуха, однако поскольку газ всегда подается принудительно, то горелки получили свое название по способу подачи воздуха. Для принудительной подачи воздуха, объем которого более чем в 10 раз больше газового топлива, требуется дополнительное оборудование: воздуходувки или вентиляторы, что значительно усложняет и удорожает конструкцию всего энерготехнологического агрегата. В связи с этим эти горелки рекомендуется использовать там, где непригодны или неперспективны горелки трех первых видов: диффузионные, атмосферные и эжекционные. Тем не менее горелки данного типа находят все большее применение и иногда даже вытесняют эжекционные горелки, так как потребители готовы платить за преимущества, которые появляются при их использовании:
–совмещение процессов смешения и горения в факеле позволяет создавать горелки с регулируемой длиной факела;
–принудительная подача газа и воздуха позволяет конструировать достаточно мощные горелки относительно небольших размеров, которыми легко управлять дистанционно и которые позволяют сжигать топливо при относительно небольших коэффициентах избытка воздуха;
–этот тип горелок малочувствителен к перепадам давления газа и разряжения в топке и может работать как на холодном, так и на
74
подогретом, за счет «бросовой» теплоты, воздухе, что улучшает общие техноэкономические показатели установки;
– кроме того, используя одну-единственную горелку можно сжигать как чисто газовое, так и жидкое, твердое (пыль) топливо и их смеси (существуют чисто газовые и комбинированные (газомазутные, пылегазовые и пылегазомазутные) горелки).
В химической промышленности наибольшее распространение нашли чисто газовые горелки. На рис. 2.10 видно, что для лучшего перемешивания и, соответственно, сжигания топлива воздух перед смешением закручивается в осевом направлении специальным лопаточным завихрителем. По принципу закручивания в разные стороны потоков газа и воздуха, либо только газа, либо только воздуха, либо вообще без закручивания потоков устроены другие конструкции горелок этого типа. Например, существуют многоструйные горелки с 6, 12 и большим количеством потоков газа, подаваемого в поток воздуха, причем каждый поток газа закручивается отдельно, и т.п.
Рис. 2.10. Схема горелки с принудительной подачей воздуха
Кроме сжигания газового топлива, горелки с принудительной подачей воздуха (иногда эжекционные горелки) используются для сжигания или термического обезвреживания газофазных отходов. По теплоте сгорания эти отходы можно разделить на две группы: с низшей теплотой сгорания более 3 МДж/нм3 (коксовый и доменный газы, газы ферросплавных печей и конверторов, сбросные сероводородные газы нефтепереработки и т.д.) и менее 3 МДж/нм3 (ваграночные и вентиляционные выбросы, отходящие газы сажевых заводов и т.д.). Граничное значение теплоты сгорания – 3 МДж/нм3 – обусловлено тем, что при теплоте сгорания менее этого значения газовая смесь является негорючей, поскольку теплоты сжигания не
75
хватит на подогрев исходных потоков и факел погаснет. При теплоте сжигания большей, чем 3 МДж/нм3, тепла на поддержание факела хватает, следовательно, существование факела возможно. Именно поэтому газовые отходы первой группы сжигают как обычное газовое топливо. Если их теплота сжигания приближается к 3 МДж/нм3, то для обеспечения стабильного факела их смешивают с топливным газом, а подаваемый на сжигание воздух предварительно подогревают. Газовые отходы второй группы являются условно негорючими, однако если в их составе не содержится кислород, то их также можно смешивать с топливом и сжигать. Если кислорода много, то смешивать их с топливным газом нельзя, поэтому они подаются на огневое обезвреживание вместе с дутьевым воздухом.
2.8. Особенности сжигания жидкого топлива
Процесс сжигания жидкого топлива в значительной мере отличается от процесса сжигания газового топлива. Это связано с тем, что жидкость невозможно нагреть выше температуры ее кипения, а ее температура кипения всегда ниже, чем температура самовоспламенения. Таким образом, можно сделать вывод, что при сжигании жидких топлив горит не сама жидкость, а ее пары, т.е. газовое топливо.
Известно, что для зажигания газового топлива необходимо соблюдение определенных концентрационных параметров, а температура газовоздушной смеси должна быть выше температуры самовоспламенения. При сжигании жидкого топлива количество паров в воздухе будет определяться интенсивностью кипения, т.е. интенсивностью теплоподвода, который, в свою очередь, зависит от коэффициента теплопередачи, поверхности теплопередачи и средней разности температур. Так как одним из наиболее определяющих параметров является температура, то для жидких топлив в качестве характеристики принимается нижний и верхний температурные пределы вспышки жидкого топлива:
–нижний – температура жидкого топлива, при которой пары топлива только вспыхивают от внешнего источника огня, но далее горения топлива не происходит (скорость испарения топлива ниже, чем скорость расходования топлива за счет горения);
–верхний – температура жидкого топлива, при которой пары топлива вслед за вспышкой продолжают гореть (скорость испарения топлива сравнима со скоростью расходования топлива за счет горения).
76
Таким образом, стадией, которая неизменно протекает непосредственно перед горением, является стадия испарения жидкого топлива.
Существуют два способа сжигания жидких топлив:
1)сжигание топлива с предварительным испарением (например, сжигание паров бензина в двигателе автомашины, сжигание сжиженного газа из баллона и т.п.), в этом случае сжигание топлива ничем не отличается от сжигания газа;
2)если топливо очень трудно испарить, то применяется непосредственное сжигание жидкого топлива (например, сжигание мазута
вкотлах, сжигание дизельного топлива в дизельных двигателях и т.п.). Рассмотрим более подробно процесс сжигания жидкого топлива
вэнерготехнологических агрегатах. Схема факела при сжигании жидкого топлива представлена на рис. 2.11.
Рис. 2.11. Схема факела при сжигании жидкого топлива
На схеме видно, что горение жидкого топлива имеет некоторые особенности:
–воспламенение топлива происходит на некотором расстоянии от самой горелки (фронт воспламенения), что определяется необходимостью нагрева топлива до температуры, соответствующей верхнему пределу (тепловой поток должен обеспечить скорость испарения, равную скорости сжигания топлива);
–далее процессы испарения, перемешивания паров с воздухом, термического разложения высших углеводородов и горения протекают одновременно до полного сгорания топлива;
–если не полностью сгоревшая капелька топлива выйдет из зоны высоких температур, то тепловой поток будет недостаточен,
ипроцессы испарения легких углеводородов и термического расщепления высших углеводородов, а следовательно, и процесс горения прекратятся, а не полностью сгоревшие углеводороды (в за-
77
висимости от глубины сгорания) будут образовывать «сухую» или «жирную» сажу;
– аналогичный процесс (образования сажи) будет иметь место при сжигании топлив, имеющих низкую теплоту сгорания из-за наличия большого количества воды или других примесей, а также для топлив, имеющих большое количество высокомолекулярных соединений, так как, в отличие от чистых жидкостей, жидкое углеводородное топливо состоит из смеси фракций, поэтому легкие фракции будут испаряться в первую очередь и температура кипения будет увеличиваться.
Как следует из сказанного, скорость горения жидких топлив определяется скоростью их испарения, т.е. количеством подведенной теплоты к единице массы топлива. Так как количество теплоты в основном определяется теплотой сгорания топлива, то для более интенсивного испарения можно увеличить площадь теплопередачи и уменьшить массу капли, что достигается при более мелком распылении топлива.
Таким образом, можно сформулировать основные требования
кгорелкам для сжигания жидкого топлива:
1)максимально мелкое и стабильное распыление топлива (если топливо вязкое, то его необходимо предварительно подогревать);
2)хорошее перемешивание образовавшегося аэрозоля топлива с окислителем и продуктами сгорания.
2.9.Горелки для сжигания жидкого топлива
ижидких отходов
Поскольку скорость сжигания жидкого топлива определяется степенью его распыления (размером капельки) и перемешиванием аэрозоля с воздухом и продуктами сгорания, то, в отличие от горелок, предназначенных для сжигания газового топлива, многообразие горелок для сжигания жидких топлив в основном определяется конструкциями форсунок для распыления жидкости. При этом любой тип форсунки устанавливают в горелке, через которую подается закрученный в завихрителе воздух (рис. 2.12).
Из всего множества существующих форсунок, предназначенных для распыления топлива, наибольшее распространение получили механические, пневматические и ротационные форсунки, разновидности которых достаточно широко применяются в горелках для сжигания жидкого топлива. Кроме того, существуют комбинированные газомазутные горелки, которые могут работать как на газовом, так и на жидком топливе.
78
Рис. 2.12. Схема горелки для сжигания жидкого топлива: Ф – форсунка; З – завихритель воздуха; Т – топливо; В – воздух
Механические форсунки. Согласно рис. 2.13 жидкое топливо (М) под высоким давлением (более 10 атм) подается в форсунку, которая имеет раскручивающий элемент 2. Проходя этот элемент, поток топлива достаточно сильно закручивается в осевом направлении и выходит через центральное отверстие в шайбе 1. Топливо после выхода из отверстия за счет центробежной силы растекается по чашеобразной поверхности форсунки и в виде пленки срывается в поток воздуха, который разбивает пленку топлива на очень мелкие капли.
Рис. 2.13. Схема механической форсунки: 1 – шайба с отверстием;
2 – раскручивающий элемент
Механическая горелка достаточно широко используется для распыления чистого топлива, например в дизельных двигателях, однако основным недостатком форсунок данного типа является то, что из-за очень маленьких отверстий они легко могут быть забиты механическими примесями.
79
Пневматические форсунки. В отличие от механических, пневматические форсунки специально предназначены для распыления топлива, которое может содержать механические примеси. Так, разновидности данного типа форсунок достаточно широко используются при сжигании мазута.
Согласно рис. 2.14 топливо (М) подается непосредственно в струю воздуха или пара (В), подаваемую в горелку с высокой скоростью. Так как топливо может содержать механические примеси, то для повышения надежности горелки оно вытекает не через одно отверстие, которое может быть забито, а через несколько щелевых отверстий в стенке канала. Для уменьшения вязкости топлива и облегчения распыла его предварительно подогревают (например, ма-
зут – до 100–140 °С).
Рис. 2.14. Схема пневматической форсунки
Ротационные форсунки. В отличии от предыдущих типов, ротационные форсунки абсолютно не боятся механических загрязнений, поскольку вообще не имеют тонких отверстий. Схема конструкции представлена на рис. 2.15.
Рис. 2.15. Схема ротационной форсунки
80