ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

ТОПКА СО ВСТРЕЧНО-СМЕЩЕННЫМИ СТРУЯМИ

В топке с встречно-смещенными струями (ВСС) сжигание пыле­видного топлива организуется в факеле, состоящем из системы встреч­но-смещенных плоских струй. В топке системы МЭИ с встречно-сме­щенными струями (рис. 20-10) щелевые горелки размещаются на двух противоположных стенах на одинаковом уровне, расстояние между ося­ми соседних горелок 2£о, горелки располагаются в один или несколько* ярусов.

В горизонтальной плоскости горелки противоположных стен сме­щены относительно друг друга на половину расстояния между сосед­ними горелками, т. е. на величину Во. На стене с большим на единицу числом горелок расстояние крайних из них до примыкающих стен #1 = = (1,5-ь-2) 2Н, где 2Н — расстояние между двумя соседними горелками - В топках с прямоугольным сечением целесообразно горелки размещать на широких стенах.

Аэродинамика топки была исследована на воздушной модели. Учи*- тывая симметрию в горизонтальном сечении топки по оси горелок*, поток можно разбить на полосы шириной 2В0 (рис. 20-Г1), в каждой из которых картина течения повторяется.

На этом рисунке сплошными линиями показаны профили скоро­стей в поперечных сечениях камеры в одном направлении, а пунктир­ными— в обратном направлении. Для полноты представления кинема­тической структуры системы встречно-смещенных струй на полях ско­ростей проведены линии тока так, что расход между двумя соседними из них составляет 10% начального расхода.

Между каждой парой смежных встречных струй, например сопл А и В, образуется продолговатая замкнутая циркуляционная зона, для краткости названная вихрем, внутри которого располагается поверх­ность нулевых продольных скоростей 3. В зависимости от геометриче­ского параметра Н/Ь, представляющего собой отношение величины про­стенка 2Н между двумя соседними соплами к расстоянию между сте - 438

Нами 2Ь, на которых они располо­жены, вихрь в межструйном про­странстве занимает часть при (#//,<: 0,17) или простирается по всей глубине камеры (при >0,17).

Потоки, вытекая из сопл, эжектируют газ встречной ветви вихря, образуя струю с внутренней границей зоны смещения 0—1 и внешней —0—2. По мере распро­странения струи зона смешения расширяется и в сечениях Х — Хсл занимает все сечение полосы В0, выделяя на участке Х0—Хсл зону раздельного движения струй.

В средней части камеры на уча­стке между сечениями слияния струй потоков сопл каждой сте­ны смежные встречные струи име­ют общую зону смешения шири­ной, равной расстоянию между их осями В0. В этой зоне совместно­го движения струй пограничный слой простирается от оси одной до оси примыкающей встречной струи.

Течение в системе встречно - смещенных струй является трех­мерным. Однако наиболее ха­рактерной и опредляющей яв­ляется структура течения в пло­скости ХУ при 2=0. Так как при Т0 = 10/Ьо = 3-^-5 длина участка дву­мерного течения в плоскости Х2 при У—0 Хи.7 >2Ь, то в этой характер­ной плоскости в пределах камеры течение можно рассматривать пло­ским.

При полном взаимном проникновении встречно-смещенных струй, отсутствии утечки газов при ударе струй в стены и удовлетворении эжекционных свойств струй за счет газов вихря согласно закону сохра­нения массы количество газа, направляющегося на, выход из системы, должно равняться его расходу через сопла. Газы же, эжектируемые струями, на протяжении зоны их раздельного движения должны вовле­каться в замкнутое циркуляционное движение. Поэтому потоки газов, поступающие эжекцией в струи как присоединенные массы, в зоне их

Смешения образуют противоположные ветви вихря 4 и 5. После выхода основной массы газа из системы струй эти ветви вихря направляются по осям струй, формируя их конечные участки 6 и 7. Последние в виде встречного потока становятся окружающей средой в зоне раздельного движения встречных струй, эжектируются встречными струями и вместе с ними в качестве присоединенной массы направляются обратно, про - 440
должая дальнейший круговорот. Следовательно, в каждой паре смеж­ных встречно-смещенных струй одна ветвь вихря принадлежит одной из струй, а другая — встречной струе. Находясь в зоне смешения встреч­ных струй на пути движения от одной стены к противоположной, в процессе турбулентного обмена каждая ветвь приобретает свойства газов своей струи. У противоположной стены газ, содержащийся в вих­ре, перетекает во встречную струю и передает ей приобретенные каче­ства (температура, концентрация составляющих, примеси и т. д.). Име­ет место также непосредственный турбулентный обмен между двумя ветвями вихря как находящимися в зоне смешения, общей для этой пары смежных встречно-смещенных струй. Следовательно вихрями, развивающимися в системе встречно-смещенных струй, осуществляется перенос из струй сопл одной стены камеры в струи сопл противополож­ной стены и в обратном направлении всех субстанций этих струй. Вих­рями может быть осуществлен перенос газовых компонентов, твердых примесей, тепла и количества движения.

На рис. 20-12 аэродинамическая картина течения по высоте топки с Н/Ь = 0,18; /0/Ь0 = 3,5 при горизонтальном расположении горелок представлена полями скоростей в различ­ных поперечных сечениях и линиями то - ГдрвлкаА ка, изображенными пунктирными линия­ми в плоскости, проходящей через боль­шую ось симметрии фронтовой горелки параллельно продольной оси топки, а сплошными — через большую ось зад­ней горелки. Профили скоростей в верти­кальных плоскостях, проходящих через оси фронтовой и задней горелок, не сим­метричны и смещены к противоположным стенам. В полосе шириной Во между указанными двумя вертикальными плоскостями течение проте­кает при повышенных поперечных градиентах скорости. Вследствие по­вышенного трения происходит быстрое выравнивание скоростных полей. Восходящий поток интенсивно расширяется и в сечении III практически равномерно заполняет все сечение топки. Сравнивая область течения в топке над горелками с областью в топке с встречно-лобовым располо­жением горелок (рис. 20-6 и 20-7), видим, что заполнение топки лучше и более равномерно, а средняя скорость значительно меньше. Соответ­ственно нисходящий поток и вихри в холодной воронке слабее, менее опущены вниз, скорости в них меньше, и они более плавно омывают ска­ты холодной воронки.

В соответствии с описанной аэродинамикой топки с встречно-сме­щенными струями, которая была изучена на воздушной модели, процесс горения в ней можно представить протекающим следующим образом. При стационарном горении в топочной камере между (факелами двух смежных встречно-смещенных пылевоздушных струй щелевых горелок А и В образуется продолговатый вихрь продуктов горения, изображен­ный замкнутыми линиями тока 4—5 (рис. 20-13).

Пылевоздушные потоки; вытекая из горелок, расположенных на противоположных стенах топки, на длине зоны их раздельного движе­ния эжектируют продукты сгорания из встречной ветви вихря, что обеспечивает их устойчивое зажигание ограниченным количеством га­зов. Газы, поступающие эжекцией в струи как рециркуляционные, могут •совершать движение по замкнутому контуру. В двумерном потоке в плоскости, проходящей через малые оси начального сечения горелок,
это движение совершается в межструйном вихре. Поэтому расход газов в вихре равен количеству газов, поступивших эжекцией в струю в еди­ницу времени.

В зоне совместного движения струй вихрь входит в состав замыка­ющих его факелов горелок А и В ветвями 4 и 5. В этой зоне между встречно-смещенными факелами и вихрем происходит интенсивный массо - и теплообмен. Теплообмен совершается между ветвью вихря и примыкающим факелом, в состав которого она входит, а также между обеими ветвями, входящими в общую зону смешения факелов, замы­кающих вихрь.

При описанной организации процесса посредством переноса такими вихрями компонентов горючей смеси и продуктов ее сгорания в топке с встречно-смещенными струями происходит интенсивный тепло - и массообмен, выравнивается распределение компонентов горючей сме­си, а поток турбулизируется. Это интенсифицирует горение и позволяет вести процесс при меньших избытках воздуха. Выгорание угольной пыли продолжается в потоке, восходящем из системы встречно-смещен - ных струй в топочное пространство.

В топке со встречно-смещенными струями создаются благоприят­ные условия для интенсификации процесса сжигания и обеспечения бесшлаковочной работы. Обеспечивается устойчивое зажигание прину­дительной подачей горячих продуктов сгорания факелов горелок одной стены в межструйное пространство встречных факелов. Зажиганию способствуют умеренные вихри, образующиеся в холодной воронке и над факелом. При этом способе зажигания горячие газы на пути своего течения изолированы от экранных поверхностей и поступают в корень пылевоздушных струй с более высокой температурой, а факел не балла­стируется избыточным количеством инертных газов.

При зажигании встречным потоком скорость на границе горящей пылевоздушной струи падает до нуля и устанавливается расширенная зона с малыми скоростями и малыми поперечными градиентами про­дольной скорости. Это способствует уменьшению теплоотвода из зоны интенсивного реагирования, а следовательно интенсификации воспла­менения.

Периферийной подачей угольной пыли с ограниченным количест­вом первичного воздуха обеспечивается непосредственный контакт за­пыленной струи с горячими топочными газами, что способствует высо­кому нагреву горючей смеси и повышению концентрации угольной пыли в ней, т. е. созданию благоприятных условий для протекания химиче­ских реакций в реагирующей смеси.

Уменьшение количества рециркулируемых продуктов сгорания, рас­ходуемых для обеспечения зажигания факела, ограничение количества первичного воздуха и уменьшение теплоотвода из реакционной зоны создают благоприятные условия для прогрессирующего роста темпера­туры за счет тепла, выделяющегося при химическом реагировании, т. е. для воспламенения.

Таким образом, при организации сжигания в системе встречно-сме­щенных струй зажигание обеспечивается комплексом мероприятий, на­правленных, с одной стороны, на обеспечение высокого нагрева горю­чей смеси и создание в ней благоприятных концентрационных условий, а с другой — на создание условий для прогрессирующего развития хи­мического реагирования, приводящего к воспламенению.

Увеличение нагрева за счет тепла химического реагирования, кото­рое достигается благодаря уменьшению массы реагирующей среды, от - 442 каза от рециркуляции продуктов сгорания для целей зажигания, умень­шению теплоотвода, сжигание в системе струй и своевременный ввод вторичного воздуха в процесс горения обеспечивают значительное пре­вышение интенсивности тепловыделения над интенсивностью теплоотво­да. В результате этого равновесие между тепловыделением и теплоотво­дом наступает при более высоких температурах, устанавливающихся в ‘факеле. В этих условиях процесс горения протекает весьма интенсивно и в ядре факела выгорает основная масса топлива при повышенных температурах.

Глубокое взаимное проникновение встречных струй и наличие по­перечных градиентов скорости турбулизирует поток. Значительная тур - булизация потока имеет место при хорошем заполнении топочного пространства, а следовательно, при увеличенном времени пребывания горючей смеси в камере.

Вследствие интенсификации радиационной теплопередачи в нижней части топочной камеры и снижения тепловыделения в зоне догорания существенно уменьшается температура газов на выходе из топки. Вме­сте с этим сжигание в системе взаимодействующих струй с окислитель­ной средой при отсутствии прямых ударов факела в экраны способст­вует бесшлаковочной работе топки и устранению прочных отложений на конвективных поверхностях.

Топка с встречно-смещенными струями получила значительное рас­пространение для сжигания -бурых и каменных углей на парогенерато­рах производительностью до 66 кг/с. Парогенераторы с топками ВСС ■'работают с высокой интенсивностью, экономичностью и надежностью. Для топок с встречно-смещенными струями (ВВС) можно пользоваться расчетными характеристиками для пылеугольных топок с твердым шла - коудалением, приведенными в табл. 19-5, а с жидким шлакоудалени - ^ем — в табл. 21-1.