книги из ГПНТБ / Щукин А.А. Экономия топлива в черной металлургии. Повышение тепловой эффективности огнетехнических агрегатов

ной камере, тем существеннее влияние рециркуляции на процессы теплообмена. Наибольшее влияние на теплообмен в топочной камере оказывает подача рециркулирующих газов в шлаковую воронку. Снижение температуры топочных газов во всем объеме топочной камеры вызывает значительное снижение интенсивности лучистого теплообмена в ней. При этом возрастает тепловосприятие конвектив-

40 60

Количество рециркулиру­ ющих газов, %

ных поверхностей. Суммарное теплопоглощение всеми поверхностями агрегата практически не изменяется (рис. 53, а ) .

Повышение тепловосприятия конвективными поверхностями наг­ рева обусловлено в основном увеличением расхода и скорости дымо­ вых газов. При этом чем дальше от топки по ходу газов расположена поверхность нагрева, тем больше прирост тепловосприятия. Темпе­ ратура газов на выходе из топки и далее в конвективных поверх­ ностях может несколько уменьшиться, возрасти или остаться посто­ янной в зависимости от соотношения нагрузки парогенератора

160

(теплового напряжения топочного объема) и кратности рециркуля­ ции. При высоком тепловом напряжении топочного объема ввод рециркулирующих газов в шлаковую воронку вызывает снижение температуры газов на выходе из топки, а при низком тепловом напря­ жении температура газов возрастает.

При подаче рециркулирующих газов вблизи места выхода газов из топки (рис. 53, б) на теплообмен в самой топочной камере рецирку­ ляция не отражается. В данном случае смешение горячих продуктов сгорания с холодными рециркулирующими газами приводит к суще­ ственному снижению температуры газов непосредственно в месте их входа в конвективные поверхности нагрева. Это снижение тем­ пературы газов оказывает более существенное влияние на тепло­ обмен в первых конвективных поверхностях, чем увеличение ско­ рости их движения и тепловосприятие в этой части газового тракта снижается. Тепловосприятие же хвостовых поверхностей возрастает.

Таким образом, в зависимости от места ввода рециркулирующих газов в топку может быть получено различное распределение тепло­ вой нагрузки между отдельными поверхностями нагрева, позволяю­ щее успешно решать ряд задач. Изменение кратности рециркуляции газов, подаваемых в шлаковую воронку за счет изменения поглоще­ ния тепла экранными поверхностями, дает возможность регулиро­ вать тепловосприятие конвективных поверхностей и тем самым поддерживать температуру пара на заданном уровне в достаточно широком диапазоне нагрузок. Кроме того, снижение температуры топочных газов в нижней части экранов вблизи горелок позволяет снизить весьма высокие локальные тепловосприятия, имеющие место в некоторых конструкциях парогенераторов. Снижение температуры стенок экранных труб на наиболее теплонапряженных участках устраняет перегрев металла и разрушение труб в этих местах.

За счет подачи рециркулирующих газов в верхнюю часть топочной камеры при высоких нагрузках парогенератора можно снижать температуру дымовых газов на выходе из топки, что очень важно при сжигании угля с легкоплавкой золой. Кроме облегчения борьбы с загрязнением поверхности нагрева, это мероприятие способствует снижению температуры стенок труб пароперегревателей, что в свою очередь является действенным средством в борьбе с наружной кор­ розией и ползучестью.

В отечественной практике (на Конаковской ГРЭС) получило применение подмешивание рециркулирующих газов к горячему воздуху, поступающему через горелки. Это мероприятие позволяет затормозить скорость реакций горения за счет отвода тепла для нагрева балластных (рециркулирующих) газов и уменьшения кон­ центрации кислорода. В результате имевшие место чрезмерно высо­ кие локальные тепловые потоки в нижней радиационной части паро­ генератора, вызывавшие интенсивный перегрев металла экранных труб, могут быть снижены до приемлемых величин.

Г л а в а Vl

g. ОСОБЕННОСТИ СЖИГАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА

И МАЗУТА

Общие вопросы теории горения и общие приемы сжигания топлива изложены во многих работах и здесь упоминаются только в связи с особенностями сжигания топлива в промышленных печах.

Гомогенное горение

Напомним, что процессы горения делятся на гомогенные, протекающие в объеме, когда топливо и окислитель находятся в оди­ наковом фазовом состоянии, и на гетерогенные, происходящие на поверхности твердого углерода. Примерами гомогенного горения являются реакции:

В приведенных реакциях горения окислителем является сухой воздух, состоящий примерно по объему из 21% кислорода и 79% азота, и поэтому продукты сгорания балластируются азотом. При использовании в качестве окислителя чистого сухого кислорода балласт будет отсутствовать. В дальнейшем для простоты мы будем писать реакции горения без балластного азота, не забывая учитывать его при расчете горения. Азот только в условиях высоких темпе­ ратур (выше 2200 °С) начинает связываться с кислородом, образуя закись азота N0 и поэтому в наших расчетах азот рассматривается как балласт.

Написанные реакции являются стехиометрическими, т. е. харак­ теризуют суммарные количественные соотношения исходных и конеч­ ных продуктов реакции. В действительности, горение идет с обра­ зованием промежуточных веществ в определенной последователь­ ности. Нельзя, например, считать, что водород сразу сгорает в водя­ ной пар. Горение протекает по цепной реакции с разветвленными цепями, когда каждая молекула порождает ряд новых активных центров, быстро ускоряющих ход реакции, т. е. носит взрывной характер. В технических устройствах скорость сгорания лимитиру­ ется не скоростью химического реагирования, а определяется смесе­ образованием — физическим процессом смешения горючих газов с воздухом.

Большой интерес представляют реакции взаимодействия кисло­ рода с метаном, являющимся самой существенной составляющей

162

ние, которое легко распадается на окись углерода СО и водород Н 2 : СН3 ОН + О -> НСНО + Н 2 0 ; НСНО — СО + Н 2 . (VI.7)

Образование стабильных молекул СО и Н 2 возможно из метило­ вого спирта путем отщепления от него водорода и с присоединением гидроксила:

СН + О Н - > СО + Н 2 . (VI.8)

Известно, что светимость пламени придают частицы дисперсного углерода, выделяющиеся при крекинге углеводородов. Размер сажи­ стых частиц очень мал — 0,1—0,3 мкм, а число их очень велико — порядка 1 • 10е в 1 см3 .

Но из описанного хода реакции горения метана видно, что при подводе к корню факела и достаточно хорошем смесеобразовании в пламени отсутствуют раскаленные частицы углерода (сажи), благодаря чему пламя будет полупрозрачным с лиловато-синеватой

помощи горелок (газогорелочных устройств) и реже посредством механических смесителей. В горелках с внутренним смешением газ перемешивается со всем количеством воздуха, необходимым для горения. В других газогорелочных устройствах смесеобразование не заканчивается и продолжается вне горелки. Может быть даже подача газа и воздуха в камеру сгорания раздельными струями. Если смесеобразование в горелке не закончено или осуществляется раздельная подача топлива и окислителя, то одновременно наблю­ даются процессы смесеобразования и окисления. Хороший контакт горючего и окислителя и хорошее смесеобразование горючих газов и воздуха — важнейшее условие интенсивного и полного сгорания топлива. Чем лучше контакт между топливом и воздухом и смесе­ образование газов, тем быстрее и полнее протекает процесс сгора-

При ламинарном движении перемешивание идет медленно и осу­ ществляется молекулярной диффузией, а длина факела будет большой. Наибольшая длина факела будет иметь место при подаче газа и воздуха раздельными, отделенными друг от друга струями при ламинарном характере их движения. Повышая скорости исте­ чения газов из сопел коаксиальной горелки, можно наблюдать

Рис. 55. Факел горелки с коаксиальными соплами типа «труба в трубе»

диффузии, появления пульсационной скорости, вызывающей перенос клочкообразных масс газа разного размера, движущихся с разной скоростью в разных направлениях, что и усиливает смесеобразова­ ние. Ламинарный факел переходит в турбулентный через переход­ ную область. Горящий факел вызывает газодинамические эффекты: смешение газов на границах струй, подчиняющееся закону сохра­ нения количества движения; смешение за счет инжекции, т. е. вов­ лечение воздуха быстро движущимися струями газа или наоборот. Для горелок газодинамическими критериями являются: отношение скорости воздуха к скорости газа u2/ut и отношение кинетических энергий и2р воздушного потока и потока газа [22]. Эти параметры влияют на интенсивность горения и, следовательно, на длину факела.

В топочных устройствах в большинстве случаев пламя распро­ страняется в турбулентном потоке, причем турбулентность может быть увеличена при помощи завихривающих вставок в газовых горелках. Поток воздуха (или газа), проходя через такой завихритель, закручивается и характер его движения становится циклон­ ным. В циклонных камерах благодаря преимуществам закрученного потока обеспечивается очень хорошее смесеобразование и горение факела с очень большой интенсивностью.

165

огнеупорного материала и заделанную в стальную коробку; послед­ няя снабжена фиксирующими лапками, позволяющими подвешивать всю конструкцию к арматуре свода печи, на котором горелка монти­ руется; внутренний фасад огнеупорного блока выравнивается запод­ лицо с внутренней поверхностью свода. Газ поступает в горелку через патрубок и движется затем с малой скоростью по междутруб­ ному пространству (газовая полость) 2. Воздух для горения посту­ пает через патрубок 3 и затем через четыре тангенциальных прорези 4 завихрителя подается в воздушную полость 5, где он движется по спирали и полностью завихряется.

пламенной горелки — обеспечение полного сгорания в зоне, располо­ женной вблизи кладки, без образования горячих зон на нагреваемых заготовках. Теория сжигания газа в плоскопламенной горелке изложена в работе [26]. Замеры температур факела с помощью отсасывающего пирометра и анализа продуктов сгорания на различных расстояниях от кладки показали, что сжигание закан­ чивается на расстоянии приблизительно 20 см от поверхности кладки. Для горелки при работе с а-1,1 факел образуется внутри круга диа­ метром 1,2—1,7 м. Важно отличить с точки зрения применения горелки плоскопламенные от обычных факельных горелок с излу­ чающим конусом. Горелки обоих этих типов могут быть установлены в своде печи, но их воздействие на нагреваемую садку и, главное, их влияние на длительность службы свода различны.

В обычной горелке факел шарообразный или имеет коническую форму. У горелки плоскопламенной факел у кладки печи разверты­ вается по длине раструба, ограниченного кругом у свода печи (рис. 57, б). Сравнивая горелки обоих типов с одинаковой номиналь­ ной мощностью, можно утверждать (что подтверждается опытом),

167

что температура кладки при излучающем конусе для одинаковой температуры садки значительно выше, чем для плоскопламенной горелки: так, в методической печи для нагрева заготовок темпера­ тура поверхности при излучающем конусе может достигать 1620

ттттттп

Излучение

Излучение

на поверхность нагрева

на поверхность нагрева

против 1400° С для плоскопламенной горелки. При сжигании одина­ кового количества газа выделяемая энергия сосредоточивается в излучающем конусе, в то время как она равномерно распростра­ няется по поверхности свода в случае плоскопламенной горелки. В обоих случаях, принимая в качестве примера методическую печь, нагрев происходит за счет излучения от свода на садку. В случае плоскопламенной горелки, свод вблизи горелки в диаметре 1,5 м

168

имеет равномерную температуру и излучает тепло равномерно на садку. В случае излучающего конуса часть садки, расположенная внутри большого угла, имеющего свою вершину и ось, совпадаю­ щими с излучающим конусом, подвержена более интенсивному излучению, чем остальная часть.

Важным преимуществом плоскопламенных горелок является возможность упрощения конструкции нагревательных печей. Раньше методические печи для нагрева заготовок с производительностью >> 50 т/ч конструировались только как многозонные с длиннопламенными горелками и двусторонним нагревом сверху и снизу садки. Камеры сгорания имели сложную и дорогую конструкцию. Благо­ даря применению плоскопламенных сводовых горелок современная печь представляет собой прямоугольную камеру простой конструк­ ции (рис. 57, в).

Новая форма печи обладает более простой геометрией и обеспе­ чивает лучшую теплопередачу садке. Сгорание в плоскопламенной горелке заканчивается приблизительно в 20—30 см от свода; поэтому высота рабочей камеры печи уменьшена.

По данным Б. С. Сорока и А. Е. Еринова [26], плоскопламен­ ные горелки работают в режиме косвенного радиационного тепло-

т[] Заготовки

'ыгрузт

Старый проозшь

ЗаготоЙш

Выгрузка tttj

Нобыи профиль

обмена. Благодаря веерообразному движению пламени, растекаю­ щегося по поверхности соответствующей фронтовой и сводовой стенки и имеющего незначительную осевую протяженность, тепловой поток от пламени в сторону кладки намного превышает поток в сто­ рону нагреваемой поверхности. Температурные поля разомкнутого факела характеризуются резким уменьшением температуры продук­ тов сгорания с удалением от поверхности кладки, где расположены

169