Подробные экспериментальные данные о влиянии аэродинамических параметров на образование при горении загрязняющих веществ получены в Объединенном центре технологических исследований [59]. В выходном сечении осесимметричной камеры сгорания измерялись средние по сечению концентрации оксида азота (NO), диоксида азота (NO2), угарного газа (СО) и несгоревших углеводородов при значительной вариации режима работы устройства. Кроме того, получены распределения: концентрации компонент, поля температуры и скорости в камере для отдельных режимов. Газообразное топливо (природный газ, метан или пропан) истекало через круглую трубу, расположенную соосно с цилиндрической камерой сгорания длиной 1,8 м, в которой оно смешивалось с воздухом и сжигалось. В некоторых опытах в качестве топлива использовался жидкий пропан.
Основные параметры изменились в широких пределах:
суммарное эквивалентное отношение....0,5... 1,3
отношение скорости воздуха к скорости топлива 0,1 ...40
параметр закрутки воздушного потока.....0 —0,6
расход воздуха, кг/с.........0,09...0,14
температура воздуха, К...........730 ... 860
давление в камере сгорания. МПа..........0,1...0,7
Было обнаружено, что повышение давления и интенсивности закрутки способствует переходу от кинетического к диффузионному механизму горения, усиливает неоднородность распределения параметров в результате сильного повышения температуры в кольцевой области вокруг оси симметрии камеры, а это в свою очередь ведет к увеличению выхода NO и углеводородов. При стабилизации пламени в системах с большой величиной отношения потоков количества движения воздуха и топлива с помощью аэродинамических средств, но без использования закрутки и стабилизаторов происходит интенсивное перемешивание, которое приводит к уменьшению температуры, снижению выхода NO и углеводородов.
Кольцевая камера сгорания оригинальной конструкции, предложенная в исследовательском центре им. Льюиса (NASA), обладает, как было показано в работе [91], хорошими потенциальными возможностями по снижению эмиссии оксидов азота NO. Камера состоит из 48, 72 или 120 отдельных трубчатых камер сгорания (модулей) с закруткой потока, расположенных по окружности в два или три ряда, что позволяет равномерно распределить горение по кольцу. В первоначальном варианте конструкции (с плосколопаточными завихрителями) не уделялось специального внимания вопросам распыления топлива и смешения в отдельном модуле. Впоследствии стало ясно, что оксиды азота и сажа, образующиеся в малых зонах реакции, а также несгоревшие углеводороды могут сохраняться в потоке и выбрасываться с выхлопными газами. Поэтому сейчас больше внимания обращено на проблемы распыления топлива и улучшение перемешивания в каждом модуле, к концентрации которого предъявляются специальные требования по пониженному уровню эмиссии оксидов азота. Результаты исследовании показывают, что такая модульная конструкция камеры сгорания обеспечивает существенное снижение уровня концентрации оксидов азота по сравнению с обычной камерой. Это снижение связано с уменьшением времени пребывания частиц в короткой камере сгорания, быстрым перемешиванием горящих продуктов с воздухом и равномерным распределением топлива при использовании модульной конструкции камеры. При работе рассматриваемого устройства с малой нагрузкой содержание в выбросах угарного газа и несгоревших углеводородов довольно сильно возрастает, но этот эффект частично можно скомпенсировать за счет радиальной подачи топлива в один или два ряда модулей.
Образующиеся в процессе горения оксиды азота NO, (главным образом это оксид азота NO) подразделяют на термический NO (получающийся при высокой температуре за счет окисления азота из подводимого в камеру сгорания воздуха, что имеет место в основном при использовании газообразных топлив и жидких нефтепродуктов) и топливный NO (получающийся из азота, содержащегося в топливе, что обычно имеет место при использовании жидких нефтепродуктов и угля). Процесс образовании термического NO в устройствах, работающих на газообразном топливе, уже довольно подробно изучен. Образование NO в зоне за фронтом пламени происходит в соответствии с расширенной кинетической схемой Зельдовича. В зоне реакции основное количество NO образуется в виде быстрого ΝO, как полагают, за счет реакций с атомарным кислородом, обильно выделяющимся при горении углеводородов, и других неисследованных реакций углерода с азотом. Механизм образования топливного NO не исследован, хотя последние работы показывают, что этот способ образования является основным источником NO при горении распыленного угля.
Рис. 4.58. Эймёйденское закручивающее устройство с адаптивными блоками:
a — продольный разрез; б — поперечный разрез вихреобразователя
Данные о влиянии закрутки на образование загрязняющих веществ показывают, что для учета воздействия этого фактора необходимо принимать во внимание конструкцию устройства. Закрутка сама по себе может повышать, а может и не влиять на концентрацию оксидов азота NO. В общем случае увеличение закрутки приводит: 1) к увеличению количества эжектируемых холодных продуктов сгорания и тем самым к уменьшению концентрации термического NO; 2) к увеличению локальной концентрации активного кислорода и тем самым к увеличению концентрации топливного NO (а возможно, к увеличению концентрации и быстрого NO; 3) к повышению интенсивности процесса горения, что способствует образованию термического NO.
Воздействие закрутки на концентрацию быстрого NO можно отнести ко второму пункту вышеприведенной классификации, т. е. воздействие определяется увеличением концентрации активного кислорода. Однако это воздействие двоякое. Углеводородные радикалы не столько образуют азотсодержащие соединения, сколько реагируют с кислородом. Такой механизм реакции существенно влияет на содержание быстрого NO и приводит к уменьшению его образования [38, 39]. С другой стороны, азотсодержащие свободные радикалы имеют больше возможностей реагировать с кислородом, что приводит к увеличению образовании быстрого NO. Пока нет данных, позволяющих решить, какой из этих противодействующих процессов является доминирующим.
Рис. 4.59. Типы факелов и картин течения в эймёйденской горелке.
В работе [92] показано, что в вихревой горелке эймёйденского типа (рис. 4.58, 4.59), работающей на распыленном угле,
выбросы NO могут быть очень значительными (более 700 млн-1), причем эмиссия сильно зависит от содержания активного кислорода в зоне горения летучих угольных фракций. Распыленный уголь в различных пропорциях с воздухом первичного контура вдувался через ряд форсунок, установленных в горловине горелки. На рис. 4.60, а показана зависимость концентрации NO от параметра закрутки для различных типов форсунок. При этом обнаружены следующие характерные особенности:
- Подача топлива через форсунку типа А приводит к резкому снижению выбросов NO.
- При использовании форсунки типа Д уровень эмиссии NO очень высокий и практически не зависит от закрутки.
Рис. 4.60. Влияние параметра закрутки на концентрацию оксида азота при горении распыленного угля [92]:
а — влияние типа форсунки, форсунки А. Б, В, Г — с аксиальной подачей топлива через одно отверстие; Д — с радиальной подачей топлива: скорости истечения из форсунок; А — 19 м/с, Б — 19 м/с, В —26 м/с, Г — 52 м/с, Д —27 м/с; б — влияние расхода воздуха в первичном контуре, радиальная форсунка; в — влияние расхода воздуха в первичном контуре, кольцевая форсунка.
- При использовании форсунок типов Б и Б концентрация NO с ростом закрутки сначала растет, а затем падает.
- При использовании форсунки типа Г наблюдается низкий уровень эмиссии NO, что обусловлено большой величиной импульса топливной струн, которая пробивает зону обратных токов, уменьшает ее размер и тем самым уменьшает время пребывания частиц в зоне реакции.
Расход воздуха первичного контура также влияет на эмиссию NO (рис. 4.60,б и е), особенно при кольцевой подаче топлива. Существенно, что минимум образования NO достигается при параметре закрутки S ≈ 0,9.
