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

паровой фазе и в организации интенсивного выгорания образовавшихся сажистых и коксовых частиц. Эти цели, как показано ранее, могут быть достигнуты прежде всего путем уменьшения размеров капель топлива, по­ вышения температуры среды, в которой протекает про­ цесс горения, и организации высококачественного сме­ шения топлива с окислителем. Ниже рассмотрены наи­ более перспективные средства реализации указанных резервов топочной техники.

•Строго говоря, подбор форсунок следовало бы про­ водить расчетным путем, приняв в качестве условия, что длительность горения капель определенного размера не должна превышать времени их пребывания в зоне реак­ ции. Однако существующие методы расчета предпола­ гают столь грубые допущения при определении основ­ ных характеристик горения, используемых .в расчете, что не могут дать достоверный результат. К тому же извест­ ные расчетные формулы исходят из прямолинейного движения частицы топлива — либо вдоль оси, либо под углом к ней. В то же время, как будет показано в даль­ нейшем, в большинстве горелочных устройств высоко­ интенсивного горения используется либо вихревое дви­ жение в камере, либо рециркуляция (организованная или естественная) части газов, так что достаточно точ­ ная оценка длительности пребывания частицы топлива в камере горения оказывается невозможной.

Дискуссионным является вопрос выбора величины определяемого расчетом критического диаметра капель. Вряд ли целесообразно исходить при этом из капель максимального размера, которых в конгломерате капель распыленного топлива обычно бывает лишь несколько процентов. Такая ориентация может привести либо к излишне жестким требованиям к узлу распыливания (повышенные параметры распылпвающего агента и т. п.),

мым, следует лишь задать требуемую степень выгорания

подхода к выбору форсунок не могут быть реализованы, пока отсутствуют достоверные характеристики выгора­ ния капель топлива не в лабораторных, а в промышлен­ ных условиях, пока не получены спектры размеров ка­ пель для большого числа наиболее распространенных промышленных форсунок и нет достаточно надежных методов аналитического расчета времени пребывания частиц топлива в камере при сложных формах движения газового потока.

Многостадийное горение топлива

Теоретический анализ, выполненный Дж . Хардкаслом [67, с. 322—331] для упрощенной модели (систем с кинетическим характером горения), показал, что орга­ низация многоступенчатого горения путем распределен­ ной подачи воздуха имеет значительные преимущества, особенно в тех случаях, когда требуется высокая полно­

неизбежной стадией процесса горения тяжелого жидкого топлива. Поскольку гетерогенный процесс газификации углеродных частиц, как наиболее замедленный этап го-

нают отказываться от общепринятого ранее способа вво­ да .всего количества воздуха в район узла распыливания топлива, т. е. к корню факела, так как при диффузион­ ном характере процесса значительная часть поступивше­ го воздуха оказывается в этом случае балластом, пре­ пятствующим быстрому подъему температур в началь­ ной зоне факела и тормозящим протекание предпламеиных процессов. К корню факела целесообразно пода­ вать лишь часть воздуха, необходимую для воспламе­ нения и горения наиболее мелких капель. Остальное же количество воздуха желательно распределять по длине факела. Характер распределения воздуха зависит от назначения горелочного устройства и от его конструкции.

Рециркуляция высокотемпературных газов

В том случае, если распределенный ввод воздуха ока­ зывается по какой-либо причине невозможным, подъема температурного уровня в зоне предварительного испаре­

ческих свободных струй. Предварительная закрутка од­ ного из компонентов топливо-воздушной смеси, являю­ щегося определяющим для суммарного импульса потока

По положению обратного потока газов .в объеме \VA- меры горения рециркуляцию можно назвать внешней, если рециркулирующий поток газов движется вдоль стенок камеры, или внутренней, если рециркулирующие газы располагаются в ее центре.

А. Хедли и Е. Джексон [70], теоретически исследо­ вавшие влияние рециркуляции газов на идеализирован­ ной модели гомогенного реактора, характеризуемого кинетическим режимом горения, подчеркивают влияние температуры рециркулирующих газов на полноту сго­ рания топлива в данном объеме. При адиабатических условиях рециркуляции, т. е. когда рециркулирующие газы транспортируются к зоне смешения с топливо-воз­ душной смесью без отвода тепла, сгорание сопровож­ дается более высокими температурами, чем при отсутст­ вии рециркуляции, причем разница в температурном уровне возрастает с увеличением кратности рециркуля­ ции. В неадиабатических условиях, в особенности если температура рециркулирующих газов перед зоной сме­ шения становится ниже температуры воспламенения топлива, рециркуляция газов может даже замедлять го­ рение.

Рециркуляция высокотемпературных газов как фак­ тор, благоприятствующий воспламенению топливо-воз­ душной смеси и стабилизации пламени, была теорети­ чески исследована Д. Сполдингом [71], связавшим ки­ нетику процесса горения с организацией топливо-воз­ душной смеси. Механизм воспламенения и стабилиза­ ции пламени рециркулирующими продуктами сгорания может быть представлен на основе теории цепных реак­ ций Н. Н. Семенова как процесс взаимодействия моле­ кул углеводородов и окислителя со свободными радика­ лами, содержащимися в потоке высокотемпературных газов, возвращаемых в зону воспламенения топливо-воз­ душной смеси, и являющимися активными центрами цепной реакции. Благодаря этому обстоятельству рецир­ куляция продуктов сгорания к корню факела не только интенсифицирует термические процессы, но и стабили­ зирует факел.

та марки І00. Схема Проведения экспериментов соот­ ветствовала рис. 26, / а (керамический туннель без вставки) и рис. 26, I I а (обычный режим работы горелочного уст­

ройства).

При отсутствии рециркуляци­ онной вставки топливо-воздуш­ ная смесь поступала из форсунки непосредственно в туннель отно­ сительно большого диаметра. Благодаря разнице в диаметрах туннеля и амбразуры форсунки (соответственно 190 и 35 мм) ре­ циркуляция газов в этом случае также возникала, но имела не ор­ ганизованный, а стихийный ха­ рактер.

ковым. Преимущества организованной рециркуляции пе­ ред естественной наиболее существенно оказываются в

возврата газов — возможностью отбора их из зоны мак­ симальных температур факела и направления в наиболее целесообразную зону горелочного устройства, каковой является район выхода топливо-воздушной смеси в горелочный туннель, где протекают предпламенные про­ цессы, наиболее нуждающиеся в интенсификации.

Исследования роли организованной рециркуляции га­ зов, направляемых к корню факела по внешней магист- _ рали с использованием рециркуляционного вентилятора (рис. 26, IIб), проведены в Японии [73]. К воздуху, на­ правляемому для сжигания тяжелого жидкого топлива (коксуемость 6%), добавляли до 60% продуктов сгора­ ния с температурой 330°С. При а=1,03 и доле рециркулиругощих газов 40—60% были получены тепло­ вые напряжения 8,2—11,6 Мвт/м3 [7—10 Гкал/ (м3 • ч) ] при степени выгорания топлива в камере не менее 94%.

Существенное повышение температуры рециркулируго­

достигнуть значительно более высоких тепловых напря­

вышенной степени предварительной турбулентности на­ чальный участок факела может быть уменьшен до преде­ ла, а основной его участок (автомодельный) — прибли­ жен к устью горелочного устройства, что приводит к зна­ чительному сокращению длины факела.

Технически простейшим способом ускорения смеше­ ния топлива с воздухом является турбулизация незакру-

ценного воздушного потока. Как показали Р. Кэймоу и сотрудники [75], с увеличением степени турбулентности воздушного потока механический недожог неуклонно уменьшается. Аналогичные данные получены Всесоюз­ ным теплотехническим институтом (ВТИ) и Башкирэнерго при испытаниях паровых котлов, оборудованных меха­ ническими форсунками [76, 77]. Установлено, что сниже­ ние коэффициента расхода воздуха с ,1,10 до 1,03 не со­ провождается появлением химического недожога лишь в том случае, если скорость воздуха на выходе из горе-

ха, больших 90 м/сек. Таким образом, влияние начальной турбулизацин потока становится наиболее заметным при эксплуатации форсунок в условиях, близких к стехиометрическим.

Другим способом турбулизацин воздушного потока является придание ему вращательного движения в реги­ стре перед смешением с распыленным топливом. П. Дрейк и Е. Хабард [78] исследовали влияние предва­ рительной закрутки воздуха в тангенциальном лопаточ­ ном завихрителе на качество работы механической фор­ сунки при сжигании тяжелого жидкого топлива № 6 по стандарту США (см. приложение I ) . Исследователями установлено, что изменение степени закрутки воздуха влияет на снижение механического недожога примерно вдвое сильнее, чем увеличение избытка воздуха от 2 до 25%. Эксперименты показали также, что может быть найден оптимальный угол установки лопаток завихрителя, при котором содержание несгоревших твердых частиц в продуктах сгорания можно снизить примерно в четыре раза.

Влияние интенсивности предварительной закрутки воздуха на химический недожог изучалось в упоминав­ шихся выше экспериментах ВТИ — Башкирэнерго [76, 77]. При коэффициенте расхода воздуха 1,07 изменение угла наклона лопаток завихрителя от 0 до 40° давало возможность снизить химический недожог с 2,1 до 0,8%.

•Следует, однако, иметь в виду, что закрутка воздуха оказывает положительное влияние лишь при подводе топлива вдоль оси горелочного устройства [79]. 'В усло­ виях периферийного ввода топлива может быть получен обратный результат [79, 80], если не обеспечено доста-

точно глубокое проникновение струй топлива в поток воздуха.

Следует осторожно подходить к применению предва­ рительной закрутки воздуха и в тех горелочных устрой­ ствах, где она используется в комплексе с рециркуляци­ ей высокотемпературных газов. Здесь надо различать два варианта. В том случае, когда закрутка воздушного по­ тока является единственным побудителем рециркуляции (по схеме рис. 26, 16), вместе с увеличением степени за­ крутки воздуха растет и интенсивность внутренней есте­

лочном туннеле. Полученные для стесненного потока значения кратности рециркуляции оказались на порядок выше, чем при свободном развитии закрученной струи. Этот вывод важен для конструирования горелочных уст­ ройств высокоинтенсивного горения. Исследователями

снизилась в восемь раз. Этот эффект, несомненно, выз­ ван положительным влиянием рециркуляции газов к кор­ ню факела.

В другом случае (например, при организации процес­ са по схеме рис. 26, Па), когда побудителями организо­ ванной рециркуляции являются не тангеициальные.а осе­ вые скорости потока топливо-воздушной смеси, перерас­ пределение импульса движения в пользу тангенциально­ го потока может отрицательно сказаться на развитии рециркуляционного движения газов. При определенных условиях возможен даже срыв рециркуляции. Эти пре­ дельные условия могут быть найдены при сопоставлении энергии осевого потока воздуха (с учетом действитель­ ных значений осевых скоростей) и гидравлических сопро­ тивлений на пути рециркуляционного потока. Указанные ограничения не означают, что в горелочных устройствах с организованной рециркуляцией, выполненной по упомя­ нутой схеме, следует отказаться от предварительной за­ крутки воздушного потока. Напротив, интенсификация смешения топлива с воздухом совершенно необходима для форсированных горелочных устройств. Однако для