СЖИГАНИЕ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ТОПКАХ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ
МЕХАНИЗМ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ И ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ПЫЛЕВОЗДУШНЫХ СТРУЙ
Для характеристики развития процессов смешения и воспламенения следует определить потоки сгоревшего и несгоревшего топлива, а также неиспользованного воздуха в каждой точке факела. Полученные поля скоростей, температур, состава газов, концентрации пыли и содержания горючих позволяют определить эти потоки, а также свести материальные балансы расходов воздуха и топлива в каждом поперечном сечении факела. Они позволяют также определить местные значения коэффициентов избытка воздуха, характеризующих перемешивание топлива с воздухом. При определении потоков, проходящих через каждое элементарное сечение факела и далее, при расчете суммарных расходов через сечение рассматривается элемент топочного объема, ограниченный районом действия единичной горелки и определяемый в зависимости от конструкции горелки н компоновки ее с топкой.
В топочной камере парогенератора ТП-90 область действия одной прямоточной горелки в плане занимает 1/4 топки и ограничена фронтовой и задней боковой стенками топки и. вертикальными плоскостями симметрии полутопки. Высота сечения принимается равной высоте яруса, и баланс по каждому ярусу сводится отдельно. Предполагается, что по высоте горелки соответствующие поля идентичны полям в осевом сечен]]]! горелки. При определении локальных значений потоков рассматриваемые сечения разбиваются на большое количество элементарных участков в зависимости от величины градиентов до*, |я, Гс, С02,О2 и £ каждого участка. Внутри выделенных элементарных площадок принимаются средние значения указанных величин. Задача считается плоской. Зазор между ярусами практически отсутствует, и струя в каждом ярусе в вертикальной плоскости может расширяться только в одну сторону. Количественно это расширение не имеет большого значения, так как ширина струи в 6 раз меньше ее высоты.
Проведенные в соответствии с формулами, изложенными в § 4-1, расчеты позволили определить количество газов в основном потоке II в зоне обратных токов и построить для каждого яруса горелок распре-
Гор —
Деление потоков сгоревшего ё и несгоревшего ёс. топлива, остаточного кислорода g0л и локальных коэффициентов подачи (избытка) воздуха щ = в сечениях, находящихся от устья горелки на различном расстоянии.
В качестве примера на рис. 5-5 приведено распределение локальных избытков воздуха в сечениях факела верхнего яруса прямоточных длиннощелевых горелок при сжигании АШ.
Анализ полученных результатов [24] показывает, что на всем протяжении горизонтального участка факела верхнего и нижнего ярусов горелок движутся плохо перемешанные потоки несгоревшего топлива и воздуха. На расстоянии 300 мм по обе стороны от рассекателя наблюдаются два резко выраженных узких потока несгоревшего топлива, движущиеся на расстоянии 400—450 мм от оси горелки. На расстоянии от оси горелки 600 мм движутся по обеим сторонам рассекателя воздушные потоки, на внутренней границе которых происходит незначительное перемешивание с топливом. Вдоль границы смешения пылевых и воздушных потоков движется незначительный поток частично сгоревшего топлива. В застойных областях (пристенная и область между горел-
Рис. 5-5. Коэффициенты избытка воздуха в поперечных сечениях факела длиннощелевых горелок на различных расстояниях от их устья / — пылевоздушная смесь; 2 — вторичный воздух |
Ками) наблюдаются значительные потоки остаточного кислорода, и избытки воздуха в этих областях значительно выше 1,0. В зоне основного пылевого потока коэффициенты -подачи воздуха равны величинам, определяемым долей первичного воздуха.
На расстоянии 1200 мм от устья область смешения вторичного воздуха с аэросмесью и с топочными газами несколько расширяется и вследствие этого выравниваются коэффициенты подачи воздуха а*. Однако они остаются еще различными по сечению и малыми в зоне пылевого потока.
Далее на протяжении всего горизонтального участка факела происходит медленное перемешивание пылевых и воздушных струй, а также этих струй с топочными газами. Несколько более интенсивное перемешивание наблюдается в струях, развивающихся от внутренней щели.
На вертикальном участке факела, на расстоянии 6120 мм от оси верхнего яруса (отметка 1700), пылевоздушные струи уже полностью перемешаны, о чем свидетельствует практически одинаковый избыток воздуха по всему сечению [24].
Рис. 5-6. Коэффициенты избытка воздуха в поперечных сечениях факела прямоточно-улиточных горелок на различных расстояниях от устья 1 — пылевоздушная смесь; 2 — вторичный воздух |
Для тонок с вихревыми горелочными устройствами область действия одной горелки принимается от стенки топки до середины промежутка между горелками. Расчет производится в цилиндрической системе координат с началом в топке пересечения оси горелки с плоскостью горелочного фронта. Из этой точки как из центра проводятся полуокружности, между которыми располагаются полукольца, составляющие поперечное сечение факела данной горелки. Значения параметров, входящих в расчет, брались из экспериментальных графиков (см. рис. 3-10) в центре каждого полукольца и распространялись на все полукольцо.
В случае неполной симметрии полей условно допускалось, что на вертикальном диаметре, проходящем через ось горелки, измеренные и расчетные характеристики скачком изменяют значение.
В качестве примера на рис. 5-6 приводится распределение локальных относительных коэффициентов избытков воздуха в сечениях начального участка факела при работе вихревых прямоточно-улиточных горелок парогенератора ТП-70.
Вблизи устья горелок (на расстоянии от 0,4 до 0,8Оа) наблюдается концентрированный поток несгоревшего топлива [24] с недостатком воздуха в этой зоне. В приосевой зоне обнаружено в основном сгоревшее топливо.
На периферии факела, особенно в пристенной области, избытки воздуха достигают больших значений. В отличие от топок с длиннощелевыми горелками в топках с вихревыми горелками перемешивание происходит значительно интенсивнее.
На относительном расстоянии, равном 21)а, газы и остаточный кислород переносятся всем сечением факела и только несгоревший углерод сохраняет значительные градиенты в поперечном направлении.
Дальнейшие исследования, проведенные в топках с вихревыми горелками, в которых закручивается не только вторичный воздух, но и пылевоздушная смесь, показали, что в факелах двухулиточных и улиточно-лопаточных горелок [16] перемешивание пыли с воздухом завершается в основном на относительном расстоянии, равном (2-н2,5)£>а.
Выполненные по формулам (4-20) и (4-21) расчеты позволили определить соотношение выделившегося и воспринятого тепла в каждом сечении факела при работе прямоточных и вихревых горелок. Для обоих типов горелок кривые имеют одинаковый характер.
Результаты расчетов [24] показывают, что в первых двух сечениях факела примерно на расстоянии 1000 мм от амбразуры имеет место значительный поток тепла навстречу пылевоздушному потоку. Последний разогревается, получая тепло из зон с более высокой температурой. Наблюдается значительная разница в дальнейшем развитии процесса воспламенения при работе вихревых и прямоточных длиннощелевых горелок.
В факеле длиннощелевых горелок до встречи со струями встречно расположенной горелки теплоотдача сравнительно невелика (менее 1% располагаемого тепла) В месте встречи двух противоположно направленных потоков, по-видимому, происходит значительное увеличение скорости горения, связанное с искривлением линий тока и с турбулизацией на границе двух потоков. Поэтому в конце горизонтального участка факела (/ф = 4 м) сгорает около 40% топлива (см. рис. 5-13,6) В факеле вихревых горелок на расстоянии 1,2£>а от амбразуры, т. е. сразу после рециркуляционной зоны, наблюдается значительный положительный небаланс, который к сечению, равному 2£>а, возрастает до 10% располагаемого тепла. Характерно, что в сечении 2£>а тепло отдают все элементы сечения.
Конвективный перенос тепла рециркулирующими газами на расстоянии 1000 мм от амбразуры в 5 раз превышает соответствующую величину в прямоточных длиннощелезых горелках. При таком благоприятном тепловом балансе к сечению на расстоянии 2Оа от амбразуры завершается воспламенение и выгорает 58% топлива (см. рис. 5-13,а), что и обеспечивает устойчивую работу каждой индивидуальной вихревой горелки.