ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ ТОПЛИВ

В современных топочнырс устройствах газообразные топлива сжига­ются в топочной камере, куда они вводятся струями совместно с воз­духом, необходимым для горения. Горение происходит при распростра­нении пламени в турбулентной струе горючей смеси, непрерывно по­ступающей в топочную камеру. Поэтому сжигание интенсифи­цируется с увеличением скорости турбулентного распространения пламени и с увеличением поверхно­сти фронта пламени.

Скорость турбулентного распространения пламени определяется интенсивностью тепло - и массообмена и скоростью химического реаги­рования горючей смеси в потоке в специфических условиях зоны турбу­лентного горения, обусловливаемых ее аэродинамической и тепловой структурой.

Сама скорость химического реагирования растет с увеличением тем­пературы и концентрации реагирующих веществ. Для повышения тем­пературы смеси применяется предварительный подогрев воздуха, иду­щего на горение, а в случаях сжигания низкокалорийных газов также 168
и топлива. При применении предварительного подогрева газов следует учесть, что при сильном нагреве возможно термическое разложение содержащихся в газах тяжелых углеводородов, что не желательно. В случаях, когда объем воздуха, идущего на горение, значительно больше объема сжигаемого газа, как, например, в случае природного газа, роль подогрева воздуха больше, чем подогрева газа.

Даже при существенном предварительном подогреве воздуха, а в некоторых случаях и газа, основной нагрев горючей смеси до ее воспламенения происходит в топочной камере за счет диффузии в нее высоконагреты, х продуктов сгорания.

Как известно, экономичное сжигание газов производится с ограни­ченным количеством воздуха. В этих условиях образование зон с мест­ным недостатком окислителя может быть предотвращено хорошим сме­шением газа с воздухом, а понижение действующей концентрации ки­слорода— уменьшением разбавления горючей смеси продуктами сгорания.

Смесеобразование осуществляется за счет первичного смешения по­токов газа и воздуха с помощью горелочных устройств и в самой топоч­ной камере. Первичное смешение должно обеспечить возможно более равномерное распределение потоков топлива и воздуха по выходному сечению горелок. Молярное и молекулярное смешение продолжается и завершается в процессе горения в самой топочной камере.

При сжигании газов в топках парогенераторов, когда химическое реагирование протекает в потоках большие масс воздуха и газа, интен­сивность смесеобразования и нагрева в топочной камере зависит от интенсивности массо - и теплообмена в факеле. Поэтому для интенси­фикации смесеобразования и теплообмена сжигание горючей смеси в топочной камере следует организовать в потоках повышенной тур­булентности, в частности сжиганием в системе струй с повышенной на­чальной скоростью и с эффективным взаимодействием. При этом необ­ходимо организовать устойчивое зажигание, обеспечивающее воспламе­нение у устья горелок при высоких скоростях истечения горючей смеси из них.

Однако для интенсификации сжигания высокая турбулентность не­обходима в ядре факела и в особенности в зоне догорания. Напротив, для возможности воспламенения горючей смеси у устья горелок в корне факела желательно иметь умеренную турбулентность. Таким образом, рациональная аэродинамическая организация процесса горения должна обеспечить повышенную турбулентность в ядре факела и в зоне догора­ния при сохранении умеренной турбулентности в корне факела. Такую структуру факела невозможно получить только за счет конструкции го­релочных устройств. Она может быть обеспечена разработкой новых, более совершенных методов аэродинамической и тепловой организации факела и топочного процесса в целом.

Поверхность фронта пламени зависит от способа зажигания и >ха - рактера движения газов. При ламинарном горении газовой смеси, пода­ваемой через круглую горелку, факел принимает форму конуса вслед­ствие того, что зажигание смеси происходит по периферии основания конуса от застойного пояса продуктов сгорания, образующегося у устья горелки.

Тепловое напряжение объема факела можно представить в виде

В формуле:

Ит — массовая скорость горения; р и у — соответственно поверхность и объем факела;

<5рн — теплота сгорания газа.

Приближенно принимая форму факела конической, можно для по­верхности и объема факела написать:

В формуле:

/? — радиус горелки;

К и I — соответственно длина образующей и факела.

Подставив (9-42), (9-43) и значение массовой скорости горения ит = ипр в (9-41) и имея в виду схему образования факела, изображен­ную на рис. 9-1, согласно которой Я = ипт, а / = №т, получим:

<2 _ ^Рнип? V ич . ,плл^

Написав это соотношение для двух горелок различных диаметров при одинаковой скорости смеси в них и приняв во внимание, что нор­мальная скорость распространения пламени для данной смеси является постоянной величиной, получим:

(£).:(£).=к, Ль (9-45> т. е. тепловое напряжение объема факела обратно пропорционально радиусу горелки.

Последнее объясняется тем, что горение протекает на поверхности факела, а внутри образуется инертный объем. С уменьшением диаметра горелки увеличивается поверхность факела, приходя­щаяся на единицу его объема, и соответственно увели­чивается тепловое напряжение объема факела.

Это натолкнуло на мысль о том, что если поток га­зовой смеси, выходящий из устья горелки, искусственно разбить на множество мелких струй и организовать их зажигание, то горение в каждой струе закончится в пределах малого конуса и общий факел заменится множеством мелких конусов пламени (рис. 9-11), в ре­зультате чего поверхность фронта пламени, приходя­щаяся на единицу объема факела, резко возрастет и соответственно увеличится тепловое напряжение объема факела.

Подобное горение, названное микрофакельным [Л. 24], было полу­чено путем наложения металлической решетки на устье горелки. Газо­воздушная смесь, пройдя решетку, разбивается на мелкие струи и соот­ветственно образуется такое же количество очагов зажигания и конусов горения. Очагами зажигания струй являются вихревые зоны продуктов сгорания высокой температуры, которые образуются за простенками решетки.

170

Рассмотренное горение является ламинарным. При турбулентном горении, как было сказано ранее, фронт пламени искривляется и раз­мывается, при этом его поверхность увеличивается, что соответственно увеличивает и наблюдаемую скорость распространения пламени. Кроме того, при турбулентном горении увеличивается протяженность зоны го­рения, но конусообразная форма факела сохраняется. Поэтому при тур­булентном горении также с уменьшением диаметра горелки тепловое напряжение объема факела увеличивается.

Из сказанного следует важный вывод о том, что для интенсифика­ции сжигания газовой смеси следует организовать развитое и устойчи­вое зажигание смеси путем дробления потока на мелкие струи и созда­ния устойчивых очагов их зажигания. Создавая развитое зажигание, можно получить соответственно развитую поверхность горения и тем самым уменьшить инертный объем факела и увеличить тепловое на­пряжение его объема.

В широко распространенны^ круглых горелках возможности интен­сификации сжигания за счет уменьшения их диаметра ограничены, так как при этом пришлось бы значительно увеличить количество горелок, устанавливаемых на парогенераторе, что конструктивно может оказать­ся нецелесообразным. Более целесообразным может быть переход от круглых горелок к щелевым горелкам, имеющим выходное сечение в виде вытянутого прямоугольника. При одинаковой площади выходно­го сечения ширина щелевой горелки окажется значительно меньше диа­метра круглой горелки или горелки с прямоугольным выходным сечени­ем и соотношением сторон, не превышающим двух. При узких горелках, воспламенение, начинающееся на периферии, быстрее распространится до оси струи и согласно (9-3) и (9-13) обусловит меньшую длину фа­кела. Следовательно, развитое зажигание может быть также осуществле­но путем увеличения периметра воспламенения.

Развитое зажигание можно получить как разработкой соответст­вующей конструкции горелки, так и рациональной организацией аэро­динамики горелки и топки в целом. Например, придав газовой смеси в горелке закрученное движение, можно на оси струи получить зону разрежения, вызывающую приток мощного потока высоконагретых про­дуктов сгорания к корню факела с его внутренней стороны. В этом случае факел примет вид полого расходящегося конуса, в котором за­жигание осуществляется как по периферии горелки, так и по внутренней поверхности факела.

Таким образом, к условиям интенсификации сжигания газов относятся следующие.

1. Предварительный подогрев воздуха, идущего на горение, и га­зообразного топлива в случае сжигания низкокалорийных газов.

2. Подача всего воздуха, необходимого для горения, в корень факе­ла. При этом следует добиваться возможно лучшего предварительного смешения газа с воздухом.

3. Организация устойчивого зажигания, обеспечивающего горение при возможно высоких скоростях истечения газовоздушной смеси из горелок.

4. Организация зажигания по развитому периметру для получения соответственно развитой поверхности воспламенения и горения.

5. Интенсификация выгорания путем усиления тепло - и маесообме - на в самом факеле. Этого следует достигать такой аэродинамической организацией топочного процесса, когда в ядре горения и в зоне дого­рания обеспечивается высокая турбулентность при умеренной турбу­лентности в периферийных слоях корня факела, способствующей усилению зажигания.

6. Устранение или сокращение зон рециркуляции продуктов сгора­ния в топочной камере, которые не требуются или чрезмерны для обес­печения зажигания факела, но наличие которых уменьшает действую­щую концентрацию газа и окислителя, а также несколько понижает температуру.