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-
|
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
|
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.
|
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
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
|
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.
|
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.
