CC BY
175
УДК 66.041.45
М. А. Таймаров, А. В. Симаков ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СТРУКТУРЫ ФАКЕЛА В ТОПКЕ КОТЛА
ПРИ СЖИГАНИИ МАЗУТА
Ключевые слова: запальник, прямоточная струя, закрученная струя, горелки.
При сжигании мазута в топке котла основные сложности связаны со смесеобразованием мазутовоздушной смеси. Поэтому ниже рассматриваются теоретические аспекты процесса смесеобразования мазутного факела в топке котла.
Keywords: pilot light, the direct-flow stream, the twirled stream, torches.
At black oil burning in a copper fire chamber the basic complexities are connected with smeseobrazovaniem mazutovozdushnoy mixes. Therefore theoretical aspects of process smeseobrazovaniy a black oil torch in a copper fire chamber are more low considered.
Введение
Топливовоздушная смесь поступает в топку из горелки в виде прямоточных или закрученных струй. Для воспламенения распыленного жидкого топлива необходимо испарить некоторую его часть и подогреть смесь паров топлива с окислителем до температуры горения. В начальный период при розжиге горелки теплота подводится от специального газового запальника.
Запальник отключается после достижения стабильного процесса горения. В дальнейшем воспламенение вновь поступающих порций топлива и устойчивое их горение происходит за счет двух источников теплоты: теплового излучения из ядра факела и от стен топочной камеры и за счет конвективного нагрева при перемешивании свежей топливовоздушной смеси с горячими топочными газами [1].
Прямоточная струя имеет небольшой угол раскрытия и слабое перемешивание капель топлива с потоком воздуха. Образовавшаяся топливовоздушная смесь нагревается высокотемпературными продуктами сгорания, рециркулирующими от наружной образующей горячего факела к устью горелки. Воспламенение в мазутном прямоточном факеле происходит с внешней границы струи свежей топливовоздушной смеси и распространятся вглубь струи.
Закрученная струя имеет больший угол раскрытия и большую интенсивность перемешивания капель топлива с окислителем, а также большую эжектирующую способность. Рециркуляция раскаленных продуктов горения к свежей топливовоздушной смеси к корню факела происходит как с наружной образующей горящего факела, так и внутри факела, в зоне обратных токов.
Скорость распространение пламени не зависит от гидродинамических условий, а зависит только от физико-химических свойств горючей смеси [1]. Для обеспечения стабильного положения в топочном пространстве зоны воспламенения, т.е. фронта горения факела, смесь к зоне воспламенения должна поступать со скоростью, равной скорости распространения пламени.
По результатам расчетов стабильному положению фронта пламени для сжигания мазута в котле при использовании паромеханической форсунки ФУЗ-5000 ТГМ-84Б соответствует точка пересечения кривых: скорости нормального распространения пламени Un и скорости смеси Wx (рис. 1.).
На оси абсцисс (рис. 1) откладывается расстояние от среза форсунки Хо, на этой же оси может быть показано время движения смеси (для Хо время То=0). Тогда Хф - расстояние от среза форсунки, на котором находился фронт пламени, а тин - время подготовки
топливовоздушной смеси до ее устойчивого горения, т.е. время индукции. Факел в топке имеет три области: не горящая часть, фронт, горящая и догорающая часть факела. Скорость смеси Wx при Х0 (рис. 1) взята по результатам расчетов равной скорости распылителя - пара 150 м/с (с учетом потерь на расщирение) в выходном сечении форсунки. Скорость смеси Wx при взята Хф по результатам расчетов. Скорости распространения пламени при 1 м, 2м , 4 м рассчитаны по данным [2] для распространения пламени в трубке с учетом закона площадей.
На рис. 2 показана структура турбулизированного мазутного факела.
0 2 4 6 X, М
Хо Хф
(То) (Тинд) (т, С)
Рис. 1 - Схема стабильного положения фронта воспламенения при сжигании мазута в топке котла ТГМ-84Б при использовании форсунки ФУЗ-5000: х -текущее расстояние от среза форсунки, м; тинд - расстояние от среза форсунки, на котором находился фронт пламени, м; тинд - время подготовки топливовоздушной смеси до ее устойчивого горения, т.е. время индукции, с; ип - скорость нормального распространения пламени, м/с; Wx- скорости смеси мазута с воздухом, м/с
Осевой регистр
Рис. 2 - Схема турбулизированного мазутного факела в топке котла ТГМ-84Б
Схема, представленная на рис. 2, состоит из: 1 - периферийный регистр (завихритель воздуха); 2 - форсунка; 3- обратные вихревые потоки; I- подвод турбулизированного потока воздуха к распыленному потоку мазута; II - перемешивание капель мазута с воздухом, подогрев основной массы капель до температуры испарения; III - воспламенение и кинетическое горение с мгновенным выделением до 50....70 % тепловой энергии мазута; IV -окончательное испарение всех капель мазута и одновременное горение его паров вокруг каждой отдельной капли с начальным переходом в диффузионную область горения; V -
82
диффузионное горение с взаимодействием вихревых образований и горением тяжелых углеводородов, сажи и коксовых частиц с выгоранием 98...99% мазута; VI- диффузионное дожигание твердой фазы при температура 1000...1200°С в отсутствие мелкомасштабной турбулентности; VII - зона движения продуктов сгорания по тракту котла
В зоне I осуществляется подвод турбулизированного потока воздуха к распыленному потоку мазута.
В зоне II происходит активное перемешивание капель мазута с воздухом, подогрев основной массы капель топлива до температуры испарения, частичное испарение наиболее мелких капель. Именно в этой зоне происходит распределение топлива по сечению факела. Границей зоны II является та часть факела, где прекращается действие сил инерции капель топлива, определяемых их массой и той скоростью, которую они имели на выходе из форсунки. Дальнейшее движение капель происходит вследствие воздействия на них движущегося потока смеси газов и воздуха.
В кинетической зоне III полностью испаряются мелкие капли мазута, частично испаряются более крупные. Смесь паров мазута и окислителя воспламеняется и сгорает в кинетической области. При этом практически мгновенно выделяется до 50...70 % тепловой энергии мазута. Протяженность области кинетического горения зоны III определяется тонкостью распыливания и равномерностью распределения капель по сечению факела. Количество выделяющейся теплоты и развивающаяся при этом температура определяют скорость испарения и временем подогрева мазутоовоздушной смеси до воспламенения в зонах II, III и последующих зонах.
В зоне IV происходит окончательное испарение всех капель и одновременное горение паров мазута, причем пары горят вокруг каждой отдельной капли. Горение в этой зоне переходит в диффузионную область. Перемешивание в зоне IV достаточно интенсивно: крупномасштабная турбулентность, значение которой зависит от энергии воздушного потока на выходе из воздухонаправляющего устройства и имеет еще высокий уровень. В этой зоне горящей факел расчленяется на отдельные очаги горения. Происходит это в результате возникновения в турбулентном потоке объемов с большей концентрации топлива и с отсутствием топлива.
Такая структура факела приводит к неполному сгоранию топлива. Основное влияние на выравнивание соотношения мазут-воздух по сечению факела оказывают крупномасштабные пульсации - взаимодействия между горящими и негорящими вихревыми образованиями факела.
В зоне V продолжается взаимодействие вихревых образований и выгорания мазута. Горят пары мазута, не сгоревшие в предыдущей зоне, а также тяжелых углеводородов, сажа и коксовые частицы, образовавшиеся в зонах III и IV в результате перегрева капель при испарении. Горение глубоко диффузионное. Существенную роль при горении в зоне V играет как крупномасштабная, так и мелкомасштабная турбулентность потока. Перемешивание крупных объемов и массообмен во всем сечении факела обеспечивается крупномасштабной турбулентностью.
Степень выгорания мазута в зоне V определяется равномерностью распределения мазута по сечению факела, достигнутой в зоне II. Протяженность зоны V (в конце ее выгорает 98...99% мазута) зависит также от структуры турбулентности в этой зоне и от коэффициента избытка воздуха в зоне I.
Увеличение коэффициента избытка воздуха в зоне V ускоряет процесс диффузионного выгорания. В зоне VI происходит диффузионное дожигание твердой фазы. Полное дожигание твердых частиц затруднено по двум причинам: низкая температура в конце факела (1000...1200°С) и отсутствие мелкомасштабной турбулентности. Поэтому абсолютно полное сгорание мазута в факеле практически недостижимо. Механическая неполнота горения для конкретных марок мазута и конструкций котлов нормируется.
Зона VII - это зона движения продуктов сгорания по тракту котла.
Протяженность зон I...VI по оси факела в долях диаметра устья горелочного устройства Огу для закрученной струи мазутовоздушной смеси, рассчитанная по рекомендациям [3], приведена в табл. 1.
При попадании мелких капель мазута в топочную камеру происходит их испарение. Вокруг капель образуется парогазовая смесь, которая воспламеняется, обеспечивая дальнейший прогрев, испарение и горение паров жидкого топлива [4].
Таблица 1 - Протяженность зон факела при сжигании мазута для котла ТГМ-84Б для закрученной струи мазутовоздушной смеси
Номер зоны Процесс, происходящий в зоне Протяженность зоны относительных единицах от Dry * Протяженность зоны, м
I Турбуляция и подача воздуха
II Распределение капель мазута в воздухе, его подогрев и частичное испарение 0,5 Dry 0,43
III Испарение и кинетическое горение (0,75...1,0) Dry 0,645...0,86
IV Испарение и начало диффузионного горения 1,5 Dry 1,29
V Диффузионное горение (2...3) 8 ,5 2, 2
VI Диффузионное дожигание ¿d 8 ,8 5 8 ,5 2,
Dry * - диаметра устья горелочного устройства.
На рис. 3. показана схема распределения параметров горения капли мазута, применительно к условиям в топке котла ТГМ-84.
т, к 2000 - s —v / / \ 4 T і, кДж/кг - 40000
1000 _ ! \ V / \ x N чГ' >> \ \ \ * - 20000
300 г-ЗЕ-Іг-ІЛ / С ’ -1500 .
го \ rr \ rn
С, кг/м3
- 0Д5
_ одо
- 0,05
Рис. 3 - Распределение парамазута по схеме приведенной пограничной пленки: С, I, Т -распределение концентраций кислорода, энтальпий и температур в пограничном слое; Г0 - начальный радиус капли (г0=1,27 мкм - для форсунки типа ФУЗ); Гг, - Гп радиусы зоны горения и пограничного слоя
На рис. 3 отмечен радиус капли Го=1,27 мкм, радиус пограничного слоя Гп ,где происходит изменение концентрации паров топлива и кислорода С, а также радиус зоны горения паров, Гг .Изменение концентрации кислорода С (в кг/м3) отнесено к 1м3 паров мазута в пограничном слое.
Выводы
Полный расчет горения капли мазута сложен и описывается системой уравнений энергии и массообмена для паров топлива и кислорода. Уравнение энергии может быть упрощено введением понятия для капли мазута о полной энтальпии парогазовой смеси:
юТ+СхО/р, (1)
где с - теплоемкость смеси, кДж/(кг К); р - плотность смеси, кг/м3; С - концентрация кислорода, кг/м3; х - стехиометрический коэффициент; О - теплота сгорания топлива, кДж/кг.
Литература
1. Таймаров, М.А. Горелочные устройства / М.А.Таймаров. - Казань: Изд-во Казан. гос. энерг. ун-та, 2007.-147 с.
2. Хзмалян, Д.М. Теория горения и топочные устройства / Д.М.Хзмалян, Я.М. Каган. - М.: Энергия, 1976. - 488 с.
3. Горелки газомазутные и амбразуры стационарных паровых котлов. ОСТ 108.836.05-82. 55 с.
4. http://www.kstu.ru/1leveltest.jsp?idparent=1910
© М. А. Таймаров - д-р техн. наук, проф., зав. каф. котельных установок и парогенераторостроения КГЭУ, [email protected]; А. В. Симаков - асп. той же кафедры.
