книги из ГПНТБ / Гилод В.Я. Сжигание мазута в металлургических печах

нужденным возбуждением. Недостатки эти сводятся Ё основном к следующим [30]:

1. Собственная частота систем с самовозбуждением оказывается (из конструктивных соображений) практи­ чески очень высокой — от 50 до 200 гц. Надежность ме­ ханических воздушных клапанов в таких напряженных условиях невелика. В то же время меньшие частоты ко­ лебаний (10—25 гц) достижимы лишь в системах с вы­ нужденным возбуждением.

2.В агрегатах с повышенными требованиями к рав­ номерности температур в объеме следует стремиться к увеличению амплитуды колебаний движения частицы газа. В то же время амплитуда обратно пропорциональ­ на частоте колебаний. В данном случае, следовательно, предпочтительны системы с вынужденными колебани­ ями, позволяющими снизить частоту колебаний ниже собственной.

3.Диапазон регулирования производительности си­

стем с самовозбуждением очень ограничен. В агрегате с заданными геометрическими размерами изменение про­ изводительности осуществимо лишь посредством изме­ нения коэффициента избытка воздуха, колебания кото­ рого, при сохранении стабильности горения, возможны в сравнительно узких пределах. Изменение рабочей часто­

систем с вынужденным возбуждением достигается про­ стыми средствами.

Поэтому в промышленных тепловых агрегатах пред­ почтительнее системы с вынужденным возбуждением, имеющие, однако, свои недостатки:

1. Большей частью необходимо устанавливать воз­ душный вентилятор, так как периодического разрежения в камере недостаточно для подсоса необходимого коли­ чества воздуха.

2. Амплитуда давлений в камере, в отличие от ампли­ туды колебаний движения частиц, в большинстве случа­ ев меньше, чем в системах с. самовозбуждением, что ос­ лабляет положительное влияние пульсаций на коэффи­ циент теплоотдачи.

сточного филиала Всесоюзного теплотехнического инсти­ тута (ВоФВТИ) [31]. Стендовым испытаниям первона­ чально подвергались горелочные устройства производи­ тельностью 15—90 кг/ч, работавшие на керосине, тяже­

воздуха 0,8—0,9). В таком режиме отчетливо проявля­ лись преимущества пульсационного метода сжигания и прежде всего — высокая степень газификации углерода при а < 1 . Известно, что при сжигании тяжелых смазоч­ ных масел с а-<0,9 образуется коксовый налет, факел имеет ярко выраженный диффузионный характер. В слу­ чае пульсационного сжигания тех же масел с a=0,7-f- -4-0,9, светимость пламени мала: факел почти прозрачен,

ханического недожога не было. Как и следовало ожи­ дать, в случае предварительного испарения топлива пе­ ред воспламенением показатели работы пульсационных горелочных устройств улучшаются. При впрыске топли­ ва непосредственно в камеру горения удавалось качест­ венно сжигать только легкие сорта жидкого топлива (ке­ росин, соляровое масло). Горение тяжелых масел сопро­ вождалось дымлением и затуханием колебаний. Поэтому был разработан способ предварительной (до воспламе­ нения) газификации топлива. Распыливание топлива по­ средством механической форсунки осуществлялось в объеме предварительно включенного газификатора-резо­ натора. В горловине резонатора возбуждались колеба­ ния газового столба со скоростью знакопеременного дви­ жения частиц около 50 м/сек. Во время колебательного движения в объеме газификатора происходил скорост­ ной пиролиз топлива. Подключение резонатора сущест­ венно изменяло собственную частоту пульсаций камеры,

однако система оказалась значительно более устойчивой по отношению к резким колебаниям нагрузки.

В результате экспериментов был сделан вывод, что в случае сжигания тяжелых сортов топлива необходимо применение камер пульсационного горения с плохо запи­ рающимся воздушным клапаном. Это значит, что высо­ котемпературные продукты сгорания в течение полу­ цикла подъема давления ъ камере должны не только выходить в отводящий канал, но и частично возвращать­ ся 'в камеру .предварительной подготовки топлива, ус­ коряя процесс его термической газификации. Стробоско­ пические съемки факела подтвердили, что в режиме са­ мовсасывания или при слабом наддуве движение газов в предварительно включенной емкости имеет закономер­ ный характер и выброс очередной порции продуктов сго­ рания сопровождается мгновенным образованием и раз­ рушением мощного тороидального вихря. Интенсивное смешение продуктов неполного сгорания со вторичным воздухом способствует быстрому дожиганию с тепловым

лись ВоФВТИ на котлах ТЭС одного из металлургиче­ ских комбинатов, где в 1960 г. была смонтирована двух­ трубная противофазная установка (рис. 10) с предвари­ тельной газификацией топлива в рециркуляционных по­ токах за стабилизатором пламени, встроенным в аэроди­ намический воздушный клапан. Камеры и диффузорные колебательные трубы футеровали шамотом и охлаждали снаружи потоком вторичного воздуха. Давление первич­ ного воздуха, периодически вводимого через аэродина­

мазут средней вязкости. Регулярные колебания в противофазе устанавливались и сохранялись при расходе'ма­

Частота пульсаций 68 гц. Опыты показали, что при не­ большом наддуве могут быть достигнуты тепловые на-

пряжения, отнесенные к сечению горловин камер, поряд­ ка 64 Мвт/м2 [55 Гкал/(м2-ч)]. Однако вследствие ин­ тенсивного выделения кокса на стенках камер и на по­ верхности стабилизатора пламени длительность работы не превышала 3 ч.

амбразура топки; 5 — аэродинамический клапан

гания. Расчетный расход топлива на каждую камеру со­ ставлял 2 г/ч. В каждой камере радиально устанавлива­ лись по три паровые форсунки высокого давления. Блок работал под наддувом смесью подогретого и холодного

у выходного сечения каждой колебательной трубы. Ко­ лебательные трубы были полностью экранированы, а футерованы только камеры воспламенения. При гдрячем опробовании горелочных устройств было достигнуто

Камеры пульсировали в устойчивой противофазе. Факел был почти прозрачен.

За рубежом появление 'промышленных п'ульсациоН' ных горелочных устройств на жидком топливе также от­ носится к началу 60-х годов. Как правило, используются системы с вынужденным возбуждением.

Пуль'сационное горелочное устройство Oszillotherm (рис. 11) предназначено для сжигания легкого жидкого топлива (кинематическая вязкость 9,4 ест или 1,8° ВУ

при 20°С, коксуемость не более 0,1%). Оно содержит ци­ линдрическую камеру горения, закрытую с тыльной сто­ роны днищем, в центре которого расположено топлив­ ное сопло механической форсунки. Впрыск топлива осу­ ществляется с требуемой частотой под давлением 19,6— 24,5 Мн/м2 (200—250 ат) [32]. Ввод воздуха осуществля­ ется через две тангенциальные щели в стенке камеры го­ рения вблизи сопла и через радиальные отверстия в конце камеры. Вихревое движение воздуха после впрыс­ ка топлива передается и продуктам сгорания, являю­ щимся воспламенителем для новой партии топлива. Как показали эксперименты, продолжительность существова­ ния вихря перекрывает несколько циклов впрыска, по­ этому длительное включение запала не является необхо­ димым.

Первоначальное воспламенение осуществляется элект­ рическим запалом высокого напряжения, а подача воз­ духа с рабочей частотой — посредством воздушного кла­ пана, функционирующего как обратный клапан и состо­ ящего из ряда щелевых отверстий, перекрываемых пру­

устанавливают в радиационных трубах .промышленных печей, работающих на жидком топливе. При среднем гидравлическом сопротивлении трубы в 0,5 кн/м2 (50 мм вод. ст.) амплитуда колебаний давления в трубе достига­

7 м/сек измеренным амплитудам колебаний давления со­

Это очень важно при работе трубы на предельных тем­ пературных режимах. Средняя рабочая температура трубы может быть увеличена тем больше, чем меньше разница температур по ее длине.

При использовании большого числа пульсационных горелочных устройств в одном тепловом агрегате возни­ кает проблема их параллельной работы и объединения в группы. Обычно объединяют магистрали подачи возду­ ха и отвода продуктов сгорания; таким образом, имеют­ ся два коллектора—воздушный и газоотводящий. В кол­ лекторах происходит наложение колебаний давления, исходящих из отдельных излучающих труб или камер горения. Обратное действие суммирующихся в коллекто­ ре колебаний может отрицательно влиять на работу пульсационных горелочных устройств вследствие нару­ шения воспламенения и работы воздушных клапанов. Подавлять нежелательное обратное действие следует средствами акустики и учитывать это обстоятельство при расчете .магистралей воздуха и уходящих газов.

Пульсадионные горелочыые устройства могут рабо­ тать в системах позиционного автоматического регулиро­ вания температуры. Предпочтительны системы с обрат­ ной связью, однако хорошие результаты могут быть до­ стигнуты и без нее. Для контроля наличия пламени в пульсационных горелочных устройствах с вынужденным возбуждением целесообразно измерять амплитуду коле­ баний давления, наличие которой и является признаком воспламенения топливо-воздушной смеси. Отбор давле­ ния может осуществляться из камеры, примыкающей к воздушному клапану (см. рис. 11). Для увеличения чувствительности системы могут быть использованы два импульса давления в камере горения, соединенные, на­ пример, с пружинными клапанами, один из которых про­ пускает лишь избыточное давление, а второй—-разреже­ ние из поступающих из камеры волн давления. Таким образом, давление в измерительной камере за клапана­ ми пропорционально величине размаха колебаний дав­ ления в камере. Это давление подается на контактный

вой печи колебания температуры при двухпозидионном

Пульсационные горелочные устройства используются также в конвективных теплообменниках (рис. 12). Каме­ ра горения 3 снабжена выходными соплами 4, располо­ женными напротив входа 5 в магистраль отходящих га­ зов 6. При работе форсунки высокотемпературные про­ дукты сгорания импульсами поступают через сопла в ма­ гистраль 6. Пройдя по этой магистрали, газы через от­ верстия / попадают в наружную камеру 2, омывают ка­ меру горения и вновь, благодаря инжекции струи, выте­ кающей из сопел 4, частично возвращаются в магист­ раль 6. Таким образом, у входа 5 происходит смешение свежих продуктов сгорания с охлажденными газами, так что температура у входа в магистраль отходящих га­ зов снижается. Под воздействием циркуляции продуктов сгорания и колебательных движений газа в магистрали 6 достигается более равномерная температура поверхно­ сти и улучшается теплоотдача от газа к стенке.

Конструктивное выполнение контуров циркуляции может быть различным. Например, на колпаковых тер­ мических печах (рис. 13) контуры циркуляции выполне­ ны в виде колец с четырьмя расположенными верти­ кально пульсационными горелочными устройствами. За­ щитный газ, нагнетаемый вентилятором, нагревается, омывая горизонтальные кольца, и сверху попадает в ра­ бочее пространство печи.

Несмотря на частичное внедрение в промышленность, данных для расчета и проектирования пульсационных горелочных устройств на жидком топливе еще очень ма­ ло. Поэтому большой ценностью обладают эксперимен­ тальные работы, проведенные в Центральном котло-тур- бинном институте им. И. И. Ползунова ШКТИ) под ру­ ководством Б. Д. Кацнельсона ГЗЗ, 34]. Наиболее ин­ тересные результаты были получены в ходе исследова­ ний водоохлаждаемой камеры пульсапионного горения с двумя вариантами ввода воздуха: аксиальным и тан­ генциальным (рис. 14). Камера имеет вид усеченного конуса с диаметрами оснований 280 и 350 мм. Внизу она переходит в цилиндрическую резонансную трубу диамет­ ром 130 и длиной 1150 мм. Топливо (соляровое масло) распыливали с помощью механической форсунки центро­ бежного типа. Зажигание топливо-воздушной смеси осу­ ществляли электрозапалом. Расход топлива на камеру составлял 55—85 кг/ч.

Экспериментальное горелочное устройство устойчиво работало в диапазоне коэффициента расхода воздуха 0,6—1,6. Полное выгорание топлива в конце резонансной трубы происходило при а>1,05. Максимальное тепловое напряжение объема камеры горения достигало 40 Мвт/м3

fa

/

- Л

пульсаций давления соответствует отношению количест­ ва первичного (аксиального) воздуха ко всему воздуху, подаваемому на горение, 0,35. Кривая зависимости амп­ литуды от суммарного коэффициента расхода воздуха имеет два максимума — при а = 0 , 8 и 1,3, численно равных 17,7—22,6 кн/м2 (0,18—0,23 ат), и минимум, равный

З кн/м2 (0,03 аг), соответствующий стехиометрическим условиям сжигания топлива. Аналогичный характер за­ висимостей был получен и при сжигании предваритель­ но подготовленных смесей с воздухом ацетилена, мета­ на и водорода. Исследователи объясняют такое совпаде­ ние хорошей подготовкой топливо-воздушной смеси при тангенциальном вводе воздуха. В экспериментах с пода­

устойчивой работы экспериментального горелочного уст­ ройства частота колебаний составляла 60—70 гц, резко падая при значениях коэффициента расхода воздуха, близких к предельным.

2.СЖИГАНИЕ МАЗУТНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

ИСУСПЕНЗИЙ

Водо-мазутные эмульсии

Металлургические предприятия часто встречаются с необходимостью использования жидкого топлива, влаж­ ность которого значительно превышает допускаемые стандартами величины (1—2%). Подогрев высоковяз­ кого жидкого топлива «острым» паром при сливе его из нефтеналивных барж, железнодорожных .цистерн, течь нефтеналивных судов и другие причины приводят к об­ воднению мазута до влажности 20—30%'.. При очистке нефтеналивных судов и резервуарных емкостей получа­ ются так называемые мазутные зачистки с содержани­ ем влаги до 50—75%.

Исследования по приготовлению и сжиганию водомазутных эмульсий, проведенные в Институте горючих ископаемых (ИГИ) под руководоством Б. В. Канторови­ ча и В. М. Иванова [35] и в Ленинградском институте водного транспорта под руководством И. А. Тува [36], открывают перспективу эффективного использования обводненного высоковязкого жидкого топлива. Посколь­ ку температура горения мазута зависит от влажности лишь в небольшой степени, основной причиной, вызыва­ ющей трудности при сжигании обводненного топлива, является не содержание в нем влаги, а ее неравномерное распределение в объеме топлива. Попытки последующе­