Газовые струи в поперечном потоке

Обычно в качестве энергетического топлива используется природный газ, имеющий высокую теплоту сгорания. Характерной особенностью сжигания газов с высокой теплотой сгорания является необходимость смешения больших объемов воздуха с малым количеством газа. Интенсификация процесса смешения обеспечивается в большинстве случаев подачей газа тонкими струями (рис. 3.21) с большой скоростью (~100 м/с) в поток воздуха, подаваемого со скоростью 15…40 м/с.

 

 

Рисунок 3.21 - Глубина проникновения струи газа в поток воздуха

 

При истечении турбулентной струи газа через отверстие диаметром d в поперечный сносящий поток воздуха (рис. 3.21) струя постепенно разворачивается и на расстоянии h по нормали к направлению сносящего потока становится спутной ему. Величина h называется глубиной проникновения струи в сносящий поток и рассчитывается по выражению [13]

                                       ,                                 (3.17)

где k – коэффициент, зависящий от относительного шага S / d между струями;

b - угол между направлением газовой струи и направлением потока воздуха (90°).

Диаметр расширившейся газовой струи составляет D = 0,75 h.

Коэффициент k выбирается в зависимости от относительного шага S / d между струями.

Относительный шаг S / d	4	8	16	¥
Коэффициент k	1,6	1,7	1,9	2,2

Вентиляторные горелки ГНП

Горелку низкого давления ГНП (рис. 3.22) выпускают тепловой мощностью от 0,08 до 2,26 МВт [14]. Горелка рассчитана на сжигание природного газа. Выпускается двух модификации: модификация А имеет от 4 до 6 отверстий для выхода газа и обеспечивает хорошее смешение газа и воздуха; модификация Б имеет одно отверстие и обладает ухудшенным смешением и длинным факелом. Горелки могут работать на холодном и горячем воздухе с давлением от 0,8 до 3,2 кПа (80…320 мм вод. ст.).

 

 

1 – сопло подачи газа;

2 – лопатки для закрутки потока воздуха; 3 - туннель

                             Рисунок 3.22 - Горелка ГНП

 

Вертикально-щелевая горелка

Вертикально-щелевая горелка (рис. 3.20) широко использовалась при переводе котлов ДКВР на сжигание газа.

1 – коллекторы подачи газа; 2 – воздушный короб; 3 – отверстие для запальника; 4 – гляделка; 5 – амбразура; 6 – профилирующие листы;

 7 – теплоизоляционный слой; 8 – кладка

 

Рисунок 3.23 - Вертикально-щелевая горелка

 

Газораспределительная часть включает в себя две трубы Æ 40…60 мм. В каждой трубе насверлен ряд отверстий для выхода газа под углом 45° к оси горелки. Газовоздушная смесь подается в щель, имеющую сечение шириной 80 мм. Высота щели определяется тепловой мощностью горелки. Параметры горелок: a = 1,05…1,1; тепловая мощность N = 0,89…2,22 МВт. Горелка предназначена для котлов паропроизводительностью от 2,5 до 10 т/ч. На котле устанавливают 4 горелки по 2 на каждой боковой стороне топки.

 

Горелочные устройства энергетических котлов

    Обычно горелочные устройства котлов комбинированные, рассчитанные на сжигание различных видов топлива.

Газомазутные горелки ГМГ

В газомазутных горелках ГМГ (рис. 3.24) воздух первичный и вторичный закручиваются лопаточными аппаратами в одну сторону. Газ подается из кольцевого коллектора через отверстия малого диаметра, которые выбираются в зависимости от теплоты сгорания газа. Горелки ГМГ выпускают тепловой мощностью 1,5; 2; 4; 7 Гкал/ч. Для распыливания мазута используют паромеханические форсунки с давлением мазута 2…5 атм, давление пара составляет 0,6…2 атм.

 

1 – газовоздушная часть; 2 - лопаточные завихрители вторичного воздуха; 3 – монтажная плита; 4 – керамический туннель; 5 – лопаточные завихрители первичного воздуха; 6 – паромеханическая форсунка

Рисунок 3.24 - Горелка ГМГ

 

Для больших мощностей (от 4 до 30 Гкал/ч) выпускают горелки РГМГ (рис. 3.25), отличающиеся тем, что вместо паромеханической устанавливается ротационная форсунка. Ротационные форсунки устанавливают на водогрейных котлах в котельных, не имеющих пара.

Для котлов большой и средней мощности получили распространение комбинированные пылегазовые горелки ОРГРЭС (рис. 3.26). Горелка предназначена для сжигания тощих углей и природного газа. При сжигании газа подача воздуха осуществляется через канал вторичного воздуха. Скорость истечения газа из отверстий 60…150 м/с. Скорость истечения воздуха 35 м/с. Длина факела при работе на газе 3 м.

 

1 – запальное устройство ЗЗУ;  2 – газоподводящий патрубок; 3 – патрубок первичного воздуха; 4 – газовый коллектор; 5 – лопаточный аппарат;

6 – газовыпускные отверстия; 7 – ротационная форсунка

 

Рисунок 3.25 - Горелка РГМГ

 

1 – рассекатель (тело плохообтекаемой формы); 2 – кольцевой газовый коллектор; 3 – канал подачи первичного воздуха и угольной пыли; 4 – улитка для подачи вторичного воздуха; 5 – газовыпускные отверстия; 6 – отверстие для запальника

Рисунок 3.26 - Комбинированная горелка ОРГРЭС

 

Диффузионные горелки

    Диффузионные горелки применяют чаще всего на установках с большим объемом камеры сгорания, когда за счет растянутого горения требуется обеспечить равномерную теплоотдачу по всей длине тепловоспринимающей поверхности.

    Достоинством диффузионных горелок являются:

- большие пределы регулирования (отсутствует проскок пламени),

- безопасная работа при практически неограниченной температуре подогрева воздуха,

- высокая степень черноты факела,

- возможность работы без дутья и при низком давлении газа.

К недостаткам диффузионных горелок относятся:

- необходимость повышения коэффициента избытка воздуха (a = 1,1…1,15) по сравнению с кинетическими горелками,

- более низкие тепловые напряжения топочного объема,

- ухудшения условия догорания в хвостовой части факела.

    К диффузионным горелкам относится горелка ТКЗ для сжигания доменного газа (рис. 3.27). Газ и воздух в соизмеримых количествах поступают с противоположных сторон приемного двустороннего коллектора. Далее газ и воздух проходят через слоистый распределитель параллельными перемежающимися плоскими потоками. Из горелок воздух выходит через щели плоскими потоками с обеих сторон газового сопла, что создает благоприятные условия для смешения потоков в топке. Скорость газа и воздуха на выходе из сопел составляет 20…30 м/с. Производительность горелки по доменному газу составляет 3,35…4,2 м³/с (12000…15000 м³/ч).

 

1 – приемный двусторонний коллектор для газа и воздуха; 2 – шиберы для регулировки подачи воздуха; 3 – слоистый распределитель; 4 – щели для воздуха; 5 – сопла для газа

 

Рисунок 3.27 - Горелка ТКЗ для доменного газа

 

3.9 Горение жидких топлив

При сжигании жидких топлив температура воспламенения и тем более температура горения оказывается выше температуры кипения отдельных фракций, входящих в состав жидкого топлива. Поэтому вначале всегда происходит испарение топлива с поверхности за счет подводимой теплоты, а затем пары топлива смешиваются с воздухом, подогреваются до температуры воспламенения и горят. Рассмотрим схему горения капли жидкого топлива (рис. 3.28). Вокруг капли образуется облако паров, которое диффундирует в окружающую среду. Навстречу происходит диффузия кислорода. В результате на некотором расстоянии устанавливается стехиометрическое соотношение между горючими газами и кислородом. Здесь и находится фронт горения паров топлива, образующий сферу вокруг капли.

Рисунок 3.28 - Схема горения капли жидкого топлива

 

В зоне реакции устанавливается максимальная температура горения, которая затем снижается в обе стороны от фронта горения, но более интенсивно по мере приближения к капле ввиду затраты теплоты на нагрев и испарение топлива.

Скорость горения капли жидкого топлива определяется скоростью испарения с поверхности капли, скоростью химической реакции и скоростью диффузии кислорода к зоне горения. Скорость реакции в газовой фазе очень велика и не может тормозить скорость горения. Количество кислорода, диффундирующего к фронту горения, пропорционально квадрату диаметра шаровой поверхности, на которой протекает горение, поэтому небольшое смещение от поверхности капли заметно увеличивает массовый подвод кислорода. Наиболее медленным процессом является испарение, которое и определяет скорость горения капли жидкого топлива.

    Опыты и расчеты показывают, что время выгорания зависит от диаметра капли и параметров среды. Для распыления топлива и смесеобразования используют горелки с форсунками, которые распыляют жидкое топливо в поток воздуха, подаваемого в камерную топку через воздухонаправляющий аппарат горелки.

    Структура образующегося факела при сжигании жидких топлив представлена на рис. 3.29. Горение основной части парообразных углеводородов происходит в зоне воспламенения, занимающей наружный слой факела. Зона воспламенения 1 делит пространство на две области: внутреннюю 2, в которой протекает процесс испарения и образования горючей смеси, и наружную зону 3 – область догорания углеводородов.

 

 

1 – зона воспламенения; 2 – область испарения и образования горючей смеси; 3 – область догорания углеводородов; 

  l _з.в – длина зоны воспламенения; l _д – длина зоны догорания; 

l _ф – длина факела

Рисунок 3.29 - Схема факела жидкого топлива

 

При достаточном количестве кислорода из углеводородов образуется формальдегид НСОН, который сгорает с образованием СО₂ и Н₂О

 

НСОН + О₂ = СО₂ + Н₂О.

 

При недостаточном количестве окислителя после испарения происходит термическое разложение углеводородов с образованием тяжелых высокомолекулярных комплексов вплоть до сажистого углерода.

Для улучшения выгорания топлива воздух следует подавать в корень факела. Эффективность сжигания жидкого топлива в значительной степени зависит от первых подготовительных этапов, определяемых работой форсунки. Чем меньше диаметр капли жидкого топлива, тем быстрее протекают процессы испарения и смесеобразования.

По способу распыливания жидкого топлива форсунки разделяются на:

¾ паровые форсунки;

¾ механические форсунки.

В паровых форсунках первичное дробление производится за счет кинетической энергии пара, истекающего из сопла. Движущаяся капля подвергается давлению газовой среды, которая стремится расплющить и раздробить каплю. Давление среды на движущуюся в ней каплю определяется силой трения среды на лобовое сечение капли. Давление, создаваемое силами трения,

Р ₁ = zr W ²,

где ζ – коэффициент сопротивления среды (обычно при Re = 10³-10⁵ ζ = 0,2);

r - плотность среды, кг/м³;

W – относительная скорость капли, м/с.

Поверхностное натяжение придает частице сферическую форму. Давление, определяемое силами поверхностного натяжения, составляет

Р ₂ = 2 σ/ r,

где σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м;

r – радиус капли, м.

Дробление жидкого топлива на более мелкие капли происходит, когда преобладают силы трения

Р ₁ > Р ₂,

а максимальный диаметр капли определяется при условии Р ₁ = Р₂, т.е.

2z/ r = z W² r.

Отсюда максимальный размер капель жидкого топлива может быть рассчитан как

.

    Тонкость распыления зависит от величины поверхностного натяжения, плотности среды и относительной скорости движения капли и газа (воздуха или пара). Поскольку для нефтепродуктов поверхностное натяжение уменьшается с повышением температуры, предварительный подогрев мазута существенно повышает тонкость распыливания.

 

    Вторым типом форсунок являются механические форсунки, в которых использование центробежного эффекта (например, закрученной струи) приводит к разрыву сплошного потока. Дальнейшее дробление потока осуществляется также за счет давления воздушной среды. При использовании механических форсунок распыление улучшается с уменьшением вязкости и коэффициента поверхностного натяжения топлива, уменьшением диаметра сопла и с увеличением относительной скорости капли и потока.

 

3.10 Конструкции мазутных форсунок

Механические форсунки

Распыливающая часть форсунки имеет камеру для завихрения с несколькими каналами. Производительность механической форсунки зависит от размера сопла, давления и вязкости топлива.

 

1 – ствол; 2 – накидная гайка; 3 – распределительная шайба;

 4 – диск камеры завихривания; 5 – сопловой диск

 

Рисунок 3.27 - Головка механической форсунки

 

    При механическом распыливании качество последнего зависит от давления мазута, создаваемого насосом. Обычно мазут поступает к форсункам под давлением 2,5…3,5 МПа. Вязкость мазута перед механическими форсунками должна быть не менее 3,5 °ВУ. Форсунки нормализовали по конструкциям и типоразмерам. Детали форсунки выполняют в основном одинаковые, кроме распыливающих элементов. На парогенераторах малой и средней мощности используют форсунки ОН-547-01, имеющие производительность 0,122…0,514 кг/с (0,4…2 т/ч), при давлении 1,96 МПа и диаметрах отверстия сопла 2,5…7 мм.

К достоинствам механических форсунок относится:

- высокая экономичность сжигания,

- хорошее распыление,

- низкий расход энергии на создание давления мазута,

- бесшумность работы.

При давлении мазута 3,5…4 МПа расход энергии на распыление не превышает 0,1 % мощности парогенератора. Бесшумность работы механических форсунок создает благоприятные условия для обслуживания персонала.

    Недостатки механических форсунок:

- требуют повышенной плотности мазутопроводов;

- возможность засорения распылителей;

- механические форсунки нормально работают в небольших пределах регулирования нагрузки.

Производительность механической форсунки можно регулировать, изменяя давление мазута или изменяя проходное сечение распылителя. Первый способ неэффективен, так как снижение давления приводит к ухудшению распыла. Давление мазута перед форсунками должно быть не менее 1 МПа. Диапазон регулирования изменением давления не превышает 30 %. Второй способ – изменение проходного сечения - усложняет конструкцию форсунки при небольшом изменении выходного сечения распылителя. Иногда регулирование производительности осуществляется путем отключения части форсунок без изменения давления перед форсунками. На парогенераторах большой мощности такое регулирование может привести к существенным температурным перекосам в топке.

Ротационная форсунка

В ротационной форсунке (рис. 3.31) мазут под давлением 0,12…0,13 МПа через полый вал и распределитель поступает в полую вращающуюся чашу 10, которая соединена с валом. При вращении вала со скоростью ~750 об/мин с края чаши стекает тонкая непрерывная пленка. Воздух, нагнетаемый вентилятором, который расположен на том же валу, с большой скоростью проходит через кольцевой зазор между вращающейся чашей и неподвижным корпусом и обеспечивает распыливание топлива. Эти форсунки не требуют высокой степени очистки мазута. Качество распыла сохраняется в диапазоне 20-100 % от номинальной производительности.

 

1 – электродвигатель;  2 – клиноременная передача;  3 – воздушник;

4 – маслоразбрызгивающее кольцо;  5 – корпус масляной ванны;

6 – топливоподающая труба;  7 – полый вал;  8 – корпус;  

9 – гайка-питатель;  10 – распыливающий стакан;

11 – завихрители первичного воздуха

 

Рисунок 3.28 - Ротационная форсунка газомазутной горелки РГМГ

 

Характеристики мазутных форсунок приведены в табл. 3.1.

Таблиця 3.1 - Сравнительные характеристики мазутных форсунок

Тип форсунки	Средний диаметр капель, мкм	Затраты энергии на распыл, %	Диапазон регулирования, %
Механические	2	менее 1	70…100
Пневматические высокого давления	40	2	20…100
Пневматические низкого давления	100	5	20…100