Особливості розрахунку газових пальників і топок

Для існуючого пальника, при заданому тиску газу і повітря, розрахунок проводиться для визначення продуктивності пальника. Можливий також випадок коли необхідно визначити тиск газу і повітря який необхідний для забезпечення певної продуктивності пальника.

При проектуванні нового пальника спочатку вибирають необхідний тип пальника для забезпечення отримання довгого або короткого факела з більшою або меншою світимістю. Далі при заданому тиску газу і повітря розраховують швидкість їх виходу з пальника і визначають розміри прохідних січень, які забезпечать необхідну теплову продуктивність пальника. Якщо необхідно визначити тиск газу і повітря то задаються їх швидкістю на виході з пальника.

При реалізації дифузійного принципу спалювання, тобто коли газ і окисник з пальника виходять роздільно (див. рис. 1 а) швидкості виходу газу і повітря з пальника вибирають з умови якнайкращого їх перемішування в топковій камері. Так, при спалюванні доменного газу рекомендована швидкість повітря і газу для щілинних пальників знаходиться в межах 20-30 м/с, для кутових пальників (див. рис. 4) – 30-40 м/с.

При реалізації кінетичного (див. рис. 1 б) або змішаного (див. рис. 1 в і г) принципів спалювання коли газ і повітря попередньо повністю, не повністю або частково змішуються в пальнику, швидкість виходу з пальника газоповітряної суміші має бути більшою від швидкості розповсюдження полум'я в цій суміші за даних умов. Дотримання вказаного правила необхідне для запобігання проскакування полум'я в пальник.

Видима швидкість розповсюдження полум'я, яка використовується при розрахунках пальникових пристроїв, залежить від складу газоповітряної суміші і є тим більшою чим більше в ній водню і вище її температура. Вона залежить також від швидкісного поля суміші і збільшується при збільшенні діаметру пальника і розігріванні стінок його вихідної частини. З метою виключення проскакування полум'я в пальник швидкість витікання з нього газоповітряної суміші при спалюванні газу з низькою теплотою згорання приймається не нижче 10-15, а з високою теплотою згорання - не нижче 20-30 м/с.

Для оцінки необхідної за умовами сумішоутворення довжини факела використовують різні напівемпіричні співвідношення. Відзначимо лише, що довжина факела зменшується з зменшенням вихідного розміру пальника. Збільшення теплоти згорання газу приводить до збільшення необхідної довжини факела, оскільки на одиницю палива доводиться більше значення і для перемішування газу і повітря потрібний більший шлях. Підвищення концентрації окисника в повітрі приводить до зменшення значення , що визначає і отримання коротшого факела.

Довжина факела в ламінарній області Re<Re_кр збільшується пропорційно тепловому навантаженню (швидкості виходу газу з пальника), в турбулентній області Re>Re_кр довжина факела мало залежить від навантаження. Підігрів газу приводить до збільшення швидкості його виходу, що прискорює процес перемішування і скорочує факел. Збільшення швидкості повітряного потоку і підвищення його температури також приводять до скорочення довжини факела.

Пальники з попереднім змішуванням газу з повітрям (див. рис. 1 б), в яких має місце повний або частковий підсос одного середовища іншим, розраховують як звичайні струменеві апарати.

Значне поширення одержали газові пальники в яких повітряний потік в поперечному напрямку перетинається дрібними газовими струменями як при центральній (мал. рис. 5 а), так і при периферійній (див. рис. 5 б) роздачі газу. Для покращення сумішоутворення введення газових струменів в повітряний потік може бути організований в два, три шари (рис. 6).

Рис. 6. Розвиток газових струменів в повітряному потоці:

а) центральна роздача газу; б) периферійна роздача газу

Бажана відносна глибина проникнення газових струменів в повітряний потік може бути визначена по формулі:

(1)

де d_г - діаметр отворів для виходу газу, м; ω_г - дійсна швидкість газу на виході з отворів, м/с; ω_п - дійсна швидкість повітряного потоку, м/с; ρ_г і ρ_п – густина газу і повітря за даних умов, кг/м³; К_S - коефіцієнт пропорційності, який залежить від відношення кроку s між отворами до діаметру отворів d_г (при зміні s/d_г від чотирьох до безкінечності (одиночний струмінь) К_S змінюється від 1,6 до 2,2); η - коефіцієнт, який характеризує відношення сумарного і набігаючого потоків, тобто маси суміші і маси повітря:

де В і V_п - витрати газу і повітря, м³/с.

Газоподібне паливо може застосовуватися для котлів будь-якої потужності. Загальна продуктивність усіх пальників має забезпечувати повну теплову потужність установки, тобто відповідати розрахунковій витраті палива (запас 10-20%). При збільшенні кількості пальників їх одинична продуктивність зменшується. При цьому є можливість плавного регулювання продуктивності установки шляхом відключення окремих пальників. Разом з тим ускладнюються повітряні і газові комунікації і дещо ускладнюється експлуатація агрегату.

Для спалювання доменного газу рекомендується застосовувати щілинні пальники з цегляними каналами змішувачів при зустрічній установці пальників на бічних або фронтовій і задній стінах топки. Застосовують також вихрові і комбіновані пальники. Рекомендуються наступні розрахункові характеристики: коефіцієнт надлишку повітря на виході з топки α_т=1,1; об'ємна густина тепловиділення q_v=0,2-0,25 МВт/м³; втрата теплоти від хімічного недопалу q_х.н=1,5%. При організації «безполум’яного» спалювання доменного газу для установок малої паропродуктивності (до 5,5 кг/с) приймають α_т= 1,05-1,1; q_v=0,3-0,75 МВт/м³; q_х.н=0-1%.

Для спалювання природного газу застосовуються пальники з центральною або периферійною подачею газу (рис. 5) при зустрічному, кутовому і фронтовому їх розташуванні. Рекомендуються наступні розрахункові характеристики процесу: α_т=1,1; q_v = 0,35-0,47 МВт/м³; q_х.н=0,5%.

Для котельних установок з газощільними суцільнозварними екранами розрахунковий коефіцієнт надлишку повітря в топці може бути понижений до 1,05. При спалюванні газу в неекранованих топках з метою захисту обмурівки від високої температури коефіцієнт надлишку повітря може бути збільшений до 1,2.

Слід відзначити, що значення q_v часто вибирають з умови розміщення в топці необхідної кількості екранних поверхонь нагріву для зниження температури газу перед конвективними поверхнями. Застосування підвищеного напору дуття і спеціальних пристроїв для поліпшення перемішування газу з повітрям дає можливість значно підвищити об'ємну густину тепловиділення при збереженні високої економічності топкового процесу. Прикладом цього є організація спалювання газу в циклонних камерах, де значення q_v складає 5- 10 МВт/м³ і більше.

Тема 2. Спалювання рідкого палива. Схеми розпилення рідкого палива. Мазутні форсунки. Комбіновані газомазутні пальники. Топки для спалювання рідкого палива і газомазутні передтопки

Рідке паливо (в основному мазут), не дивлячись на загальну тенденцію до скорочення його використання, знаходить достатньо широке використання в котельних установках промислових підприємств. Як наголошувалося раніше горіння рідкого палива відбувається в основному в парогазової фазі. Останнє пов'язане з тим, що температура кипіння рідких палив значно нижче за температуру їх займання.

Рідке паливо, яке поступило в топковий простір, за рахунок теплоти топкових газів прогрівається і випаровується. Насамперед випаровуються його найбільш легкі фракції. Інтенсивність випаровування краплин зростає з збільшенням їх відносної поверхні і збільшенням підведення теплоти.

В присутності окисника і досягненні температури займання відбувається загоряння утвореної горючої парогазової суміші. Теплота, що виділилася при цьому, сприяє ще інтенсивнішому випаровуванню палива. Швидкість згорання рідкого палива визначається швидкістю його випаровування з поверхні (ця поверхня суттєво збільшується при розпилюванні рідкого палива на окремі дрібні краплі для чого застосовують спеціальні пристрої – форсунки).

Оскільки інтенсивність спалювання рідкого палива визначається значною мірою інтенсивністю його випаровування найважливішим і першим етапом підготовки рідкого палива до згорання є розпилювання його на найдрібніші частинки (з краплі діаметром 1 мм подрібненням можна отримати 10⁶ крапель діаметром 10 мкм, площа поверхні випаровування при цьому збільшується в 600 разів).

При розпилюванні рідкого палива отримують краплі різних розмірів - від декількох до сотень мікрометрів. Найбільш дрібні краплі випаровуються і спалахують першими, сприяючи випаровуванню і займанню більших.

При розгляді горіння рідких палив слід пам'ятати, що їх горюча частина складається з різних вуглеводнів, спалювання яких іде з утворенням проміжних сполук і залежить від вмісту окисника в горючій суміші і температури. При достатній кількості окисника проміжні сполуки, які утворюються з початкових вуглеводнів (наприклад, формальдегід НСОН) легко розкладається на водень і оксид вуглецю

які згорають з утворенням діоксиду вуглецю і водяної пари:

В реальному факелі окремі його ділянки мають різні надлишки окисника і різну температуру. При недостатній кількості окисника після випаровування відбувається термічний розклад вуглеводнів. Характер цього процесу залежить від температури. При низьких температурах (до 500-600°С) розклад складних вуглеводнів іде симетрично з утворенням простих вуглеводнів. Останні порівняно легко можуть бути окислені до СО₂ і Н₂О. При вищих температурах розклад іде несиметрично, крім простих сполук утворюються і важкі високомолекулярні вуглеводневі комплекси і навіть вуглець сажі:

високомолекулярні комплекси і вуглець сажі спалюються погано.

Таким чином, горюча частина мазутного факела може бути сумішшю легких паро- і газоподібних вуглеводнів, важких рідких вуглеводнів і навіть твердих частинок (сажі). Отже, необхідне для горіння повітря необхідно подавати в корінь факела, що сприяє посиленню окисних реакцій і послаблює несиметричне розщеплювання вуглеводнів. Важливе значення при цьому має швидке і ретельне змішування горючих компонентів факела з окисником, тобто з киснем повітря.

Мазутний факел є неізотермічним затопленим струменем. По мірі розвитку струменя до нього за рахунок турбулентної дифузії підмішуються високотемпературні продукти горіння, які забезпечують прогрів, випаровування і займання розпорошеного рідкого палива. Зона займання в мазутному факелі встановлюється там, де є рівновага між швидкістю розповсюдження полум'я і швидкістю руху струменя. Займання факела починається в найбільш гарячому приграничному турбулентному шарі і розповсюджується в глиб струменя. При цьому відбувається прогрівання до температури займання нової пароповітряної суміші, яка поступила в область горіння.

Форма зони займання залежить, зокрема, від форми струменя, який виходить з форсунки. Для не закрученого струменя зона займання має форму конуса, основа якого знаходиться поблизу виходу (гирла) форсунки а вершина лежить на осі струменя на значній відстані від форсунки. При закрученому струмені краплі мазуту концентруються в зовнішніх його шарах. В середній частині факела створюється розрідження, за рахунок якого в нього підсмоктуються високотемпературні продукти горіння. В цьому випадку разом із займанням зовнішньої поверхні струменя відбувається також і займання його внутрішньої поверхні, що забезпечує інтенсивніше протікання процесу горіння.

З викладеного виходить, що процес спалювання рідкого палива складається з наступних послідовних етапів:

- розпилювання (пульверизації палива);

- утворення горючої суміші, яка складається з продуктів випаровування і термічного розкладу вуглеводнів та окисника;

- займання горючої суміші;

- горіння горючої суміші.

Ефективність спалювання рідкого палива в значній мірі залежить від перших підготовчих етапів, які визначаються роботою форсунки.