КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

Горение жидкого топлива

Температура воспламенения жидкого топлива (нефть, мазут) выше, чем температура кипения его. Поэтому при поступлении в зону высоких темпе­ратур капля мазута вначале испаряется с поверхности за счет подводимой теплоты, а затем пары топлива смешиваются с воздухом, поступающим из окружающей среды, подогреваются до температуры воспламенения и горят в газообразном состоянии. В результате на некотором расстоянии от кап­ли г3.р достигается стехиометрическое соотношение между массой горючих газов и кислорода, и здесь устанавливается фронт горения (зона реакции), который для случая горения капли жидкого топлива в неподвижной окру­жающей среде представляет сферу вокруг капли (рис. 4.7). Расстояние гз р составляет обычно 4 ^ 10 радиусов капли. От капли к фронту горения идет интенсивное движение паров испаряющегося топлива, здесь практически нет кислорода. В зоне реакции имеет место химическое равновесие между количеством топлива и окислителя, а за ней идет догорание остатков топли­ва и отвод продуктов сгорания. Навстречу им к зоне реакции диффундирует окислитель. Концентрации паров топлива Ст и окислителя (кислорода) Сок резко уменьшаются в пределах зоны горения в результате интенсивной реак­ции окисления, а температура среды Т здесь достигает максимума. Горение паров топлива протекает по законам цепных реакций (см. раздел 4.2.1).

Организация сжигания жидкого топлива предусматривает прежде все­го его распыление в форсунке до мельчайших капель размером не более 1,0-1,5 мм (средний размер капель — 0,3-0,5 мм) с одновременным по-воз - можности равномерным распределением их в потоке горячего воздуха на выходе из горелки. Уже в процессе смешения с воздухом и при дальнейшем движении готовой смеси капли жидкого топлива быстро прогреваются за счет теплового излучения ядра факела и конвективного теплообмена с га­зовоздушной средой (начальная температура капли — 120-140°С, а окру­жающей ее среды — 300 - f - 500°С). При достижении поверхностью капли температуры испарения наиболее низкокипящих фракций жидкого топлива (для мазута — 200-320°С) начинается ее испарение.

Процесс смешения с воздухом и прогрев капель топлива до начала испарения определяет первый подготовительный этап сжигания жидкого топлива (рис. 4.8). Он занимает тпод =0,2-0,6 с, в зависимости от круп­ности размеров капель и уровня температур окружающей каплю среды. Наиболее длительным является процесс испарения капли. Исследованиями установлено, что время испарения капли прямо пропорционально квадрату ее начального диаметра — тисп = f(dо). Эту зависимость называют зако-

Горение жидкого топлива

Рис. 4.7. Механизм горения капли жидкого топлива: гк — радиус капли; rjp — ра­диус зоны реакции; Ст, Сок — объемная концентрация топлива (пары) и окислителя (кислород).

Ном Срезневского. При сжигании распыленного в форсунках мазута тисп = = 0,3-1,0 с. в зависимости от начального размера капель. Процесс нагрева паров до температуры воспламенения (на 50-70°С выше температуры ис­парения) и сам процесс горения по законам ЦРР при наличии окислителя (кислорода) занимает ничтожно малое время по сравнению с испарением. Горение паров топлива происходит, как правило, сразу по мере испарения капли. В итоге полное время сжигания капель жидкого топлива составляет тгор = Тпод 4- тисп.

В условиях присутствия в готовой смеси капель разного размера первы­ми прогреваются, испаряются и сгорают мелкие капли, обеспечивая более Ускоренный прогрев за счет роста температуры капель больших размеров. Вместе с тем, сжигание паров этих капель происходит в среде с понижен­ной концентрацией кислорода и содержащей уже много продуктов сгорания (диффузионная область горения), что приводит к затягиванию языков факе - Ла в верх топки и при ограниченности времени пребывания газов в топке ведет к возможному появлению химического недожога и сажи.

4.3. Развитие и воспламенение топливно-воздушной струи

В топочном объеме

В энергетике основным типом топок мощных паровых котлов является камерная топка. Топливно-воздушная смесь поступает в нее из горелочных

Горение жидкого топлива

Рис. 4.8. Схема сгорания капель мазута и изменение температур газов Т по длине факела Х/ф.- I — зона смешения с воздухом и прогрев капель; И — кинетическая зона горения мелких капель; III — диффузионное горение крупных капель; IV — зона догорания и охлаждения продуктов сгорания; Тгв, Тв — температуры горячего воз­духа и воспламенения паров мазута; Тм, Тф — максимальная температура горящего факела и продуктов сгорания на выходе из камеры.

Устройств в виде прямоточных или завихренных струй, развитие которых в топочном объеме определяет условия воспламенения и последующую интенсивность горения.

Рассмотрим вначале механизм развития прямоточной струи, втекаю­щей в топочный объем, заполненный горячими топочными газами (рис. 4.9). Из амбразуры горелочного устройства вытекает струя, имеющая началь­ные значения скорости wo, температуры - То, концентрации горючего Со - На поверхности раздела струи с топочной средой, за счет поперечной со­ставляющей пульсационных скоростей, происходит проникновение части массы струи в окружающий газовый объем и захват части массы из окру­жающего объема в струю. В зоне смешения, называемой пограничным сло­ем струи, взаимодействие масс подчиняется закону сохранения количества движения

М0ш0 + А/Г'ШГ = (Мо + л/, )шсм, (4.22)

Где Мо, Л/, — масса основной струи и окружающей газовой среды; wo, wr - их скорости, причем для данного условия /г, = 0.

Горение жидкого топлива

Рис. 4.9. Структура развития свободной турбулентной струи: 1 — выходная часть сопла (горелки); 2 — ядро струи; 3 — пограничный слой; 4 — распределение тем­ператур в струе; 5 — распределение концентрации горючего вещества в струе; 6 — эшора скоростей на выходе из горелки; 7 — эпюры скоростей на основном участке; 8 — внешний угол раскрытия струи; 9 — внутренний угол.

В связи с этим, средняя скорость поступательного движения смеси в пограничном слое определяется как

- - <етг

По мере приближения к внешней границе струи доля вовлеченной в движение массы Мг увеличивается, а массы Mq — уменьшается и ско­рость wCM падает.

За счет турбулентного переноса масс пограничный слой расширяется и внутрь струи, в результате ее потенциальное ядро, сохраняющее началь­ные значения wo, То, Со (невозмущенная часть струи), постепенно умень­шается. Внешний угол раскрытия струи 8 составляет 12-14°, внутренний угол 9 расширения пограничного слоя — 0°. Сечение, в котором оканчи­вается потенциальное ядро, называется переходным, а расстояние до него от устья горелки представляет собой начальный участок струи So - За пе­реходным сечением пограничный слой распространяется на всю струю, 11 параметры на оси струн также начнут изменяться по мере удаления от пе­реходного сечения (скорость падает, температура растет). Длина начального Участка струи

S0 = O. G7g, (4.24)

ГДс /-0 __ начальный радиус круглой струи или половина эквивалентного диа­метра струи прямоугольной формы; а, -- экспериментальный коэффициент структуры струи, учитывающий ее начальную турбулентность и неравно­мерность поля входных скоростей.

В турбулентном потоке при числе Re > 2 • Ш4 коэффициент ас = = 0,07 Ч - 0,08, откуда длина начального участка So — (4,2 — 5)d3t где d-> — эквивалентный диаметр струи. Для прямоугольной формы амбразуры горелки эквивалентный диаметр составляет

D3 = 1,13(а • б)0,5, (4.25)

Где a, b — ширина и высота выходного сечения горелки.

В переходном сечении в зависимости от внешнего угла раскрытия струи авнш полуширина струи составит

Гп. с = г0 4- SotgaBWU, (4.26)

Что примерно в 3 раза превышает начальный радиус струи.

Прогрев поступающего топлива до температуры воспламенения про­исходит за счет двух источников теплоты: теплового потока излучения из ядра факела — и более интенсивно — путем конвективного нагрева за счет смеси воздуха с горячими топочными газами. В связи с этим горелочные устройства должны выполняться таким образом, чтобы максимально ин­тенсифицировать вовлечение горячих газов в свежую струю на начальном участке и, тем самым, ускорить воспламенение топлива. Примером такого типа устройства является вихревая горелка с кольцевой закрученной стру­ей (рис. 4.10). Степень закручивания такой струи определяется параметром крутки, значения которого обычно составляют пг = 2 — 4.

Параметр крутки приближенно можно выразить в виде

(4.27)

Где wt — максимальная тангенциальная составляющая скорости потока на выходе из горелки; ша - тоже аксиальная составляющая скорости.

Параметр крутки дг, может быть определен для данной горелки по ее конструктивным размерам (диаметр канала, тип, размеры, угол установки завихрителя и т. п.). С увеличением параметра пГ растет турбулентность струи, интенсивность вовлечения окружающих газов в струю и угол рас­крытия струи.

В центральной (приоссвой) зоне закрученной струи создается область пониженного давления, куда устремляются высокотемпературные газы из ядра горения. Создается рециркуляция газов к корню струи. Длина зоны ре­циркуляции также зависит от степени крутки 5рц — 1,4??,,то. Таким образом, основное отличие закрученной кольцевой струи от прямоточной состоит

Горение жидкого топлива

Рис. 4.10. Структура кольцевой закрученной струи на выходе из горелки: а — об­щий вид движения потоков; 6 — распределение аксиальных скоростей; So — длина начального участка; 5рц — длина зоны рециркуляции газов.

В повышенной турбулентности и наличии, кроме внешней, еще внутренней зоны вовлечения газов в струю, что ускоряет ее прогрев.

Воспламенение горючей смеси топлива с воздухом возможно при со­блюдении двух условий: температура горючей смеси должна быть не ниже температуры воспламенения; концентрация горючего должна превышать нижний предел воспламенения.

У внешней границы струи, где температура tCM наибольшая, находит­ся незначительное количество топлива, недостаточное для воспламенения. В центральной зоне струи температура недостаточна для воспламенения, поэтому начало горения становится возможным в довольно узкой, близкой к периферии полосе струи, где выполняются оба указанные условия.

Фронт горения отличается повышенной турбулентностью за счет резко­го увеличения объема газов (благодаря росту температуры). Фронт горения будет устойчивым, если постоянно обеспечивается подвод свежих порций топлива и воздуха. Горение происходит всегда на определенном удалении от среза горелки, поскольку вблизи горелки в струе нет необходимого уровня температур. Фронт горения устанавливается в том месте, где поступатель­ная скорость потока оказывается равной скорости распространения турбу - лентного пламени (см. раздел 4.2.1).

Начальный этап горения топлива происходит в условиях высокой кон­центрации горючего и окислителя и при повышенной турбулентности пото - Ка> созданной горелкой. Зона топочной камеры, в пределах которой идет ин­тенсивное горение топлива до степени выгорания, составляющей 0, 85 -0, 9, ,,а'зьівают юной ядра факела. Она отличается высоким температурным уров-

Нем и значительным тепловым излучением на окружающие экранные поверхности на­грева (рис/ 4.11). По своим размерам зона ядра факела занимает 1/3--1/5 объема топоч­ной камеры. Остальную часть топки состав­ляет зона догорания топлива и охлаждения га­зов.

Горение жидкого топлива

Рис. 4.11. Зоны горения топли­ва в топочной камере: 1 — зона ядра факела; 2 — зона догора­ния топлива и охлаждения га­зов; 3 — условная длина факе­ла; Ягг — высота горизонталь­ного газохода.

Степень выгорания топлива в топоч­ной камере обычно относят к условной длине факела /ф, под которой понимают расстояние от устья горелки до оси топки по горизонтали, затем расстояние от уров­ня горелок до уровня середины горизон­тального газохода по вертикали и далее по горизонтали до выхода из топки (см. рис. 4.11). Исследования сжигания различ­ных видов топлив показывают, что в основ­ном (на 85-90%) сгорание твердого топлива завершается на относительной длине факела ^гор/'ф = 0,35 — 0,4, жидкого топлива (ма­зута) на длине 0,25, природного газа — на длине 0,15, что соответствует практически го­ризонтальной части длины факела на уровне горелки.

КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

Лучшее обслуживание и эксплуатация котельных

Сервисное обслуживание котельных наравне с правильной эксплуатацией считается невероятно важным фактором. Наша компания предлагает высококачественные услуги в данном направлении. Полный комплекс услуг позволит привести котельную в полный порядок, обеспечить ее …

Какой котел лучше для частного дома? Выбираем с умом

Каждый человек мечтает о комфортном жилье, одним из элементов которого является тепло. Если ваш дом отапливается централизовано, то вопрос становится проще. Но не все жилые здания имеют данные блага цивилизации. …

Преимущества твердотопливных котлов

Обзор основных преимуществ отопительного оборудования на твердом топливе

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.