ОБ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ В ТОПКЕ ПРИ СЖИГАНИИ ВЫСОКОПОДОГРЕТОГО МАЗУТА
Глухов Б. Ф., канд. техн. наук
Вологодский политехнический институт
В ближайшей перспективе предстоит использовать на электростанциях и в котельных сверхтяжелые мазуты в связи с более глубокой переработкой нефти, вызванной необходимостью увеличения выхода из нее легких моторных топлив. Поэтому актуальной является разработка и освоение сжигания мазута с высокотемпературным предварительным его подогревом [1—6].
В работе [7] был решен принципиальный вопрос о возможности подогрева до 200— 300 °C и сжигания мазута М-40 и М-100 в топках котлоагрегатов вопреки существовавшей противоположной точке зрения о невозможности такого сжигания.
Получившее в последнее время определенное развитие на ряде ТЭС и котельных сжигание подогретого до 200—300 °C мазута не всегда приводило к ожидаемому результату, поскольку не хватало знаний о механизме процесса [8]. Особенности распыливания и сжигания такого мазута отмечены в статьях [1, 2, 3]. В работах [2, 3] на основе опытных данных и теоретических исследований показана возможность интенсификации горения и увеличения полноты сгорания мазутов, в том числе и мазутов тяжелых марок, за счет предварительного высокотемпературного их подогрева. Установлено, что в процессе интенсификации сжигания такого мазута решающее значение приобретает фактор смесеобразования, в значительной степени зависящий от аэродинамических процессов топки.
Исследовались аэродинамические структуры струй в изотермических условиях с применением термоанемометра двух видов горелок: с закрытым регистром и типа ТЛ (Таганрогского завода). Горелка типа ТЛ общеизвестна, схема горелки с закрытым регистром приведена на рис. 1. Горелка представляет собой камеру круглого сечения конической или цилиндрической формы с подачей воздуха двумя потоками: основного закрученного тангенциальными лопатками и дополнительного осевого без закрутки. Механическая центробежная форсунка расположена соосно и глубоко по отношению к направляющим воздушным лопаткам, так что топливная струя не имеет свободного выхода из горловины горелки.
Эта горелка эффективно применялась в прямоточных парогенераторах, работающих с низким наддувом воздуха мощностью до 7 МВт при использовании солярового масла с предварительным подогревом до 190—400 °C в подогревателе, расположенном в топке.
Рис. 1. Горелка с закрытым регистром: 1 — механическая центробежная форсунка; 2 — кольцевая щель для подачи прямого воздуха; 3 — тангенциальный подвод воздуха; D0 — диаметр выходной части горелки
Рис. 2. Аэродинамическая структура изотермической струи горелки с закрытым регистром:
1 — поля продольных скоростей в сечениях струи; 2 — степень турбулентности потока в сечениях струи; 3 — зона обратных потоков
В работе принимали участие ст. преподаватель Белорусского политехнического института Н. Л. Палладий и асс. И. И. Ковшик.
Были получены высокие удельные габаритные и весовые показатели: теплонапряжение топочного объема — 25 МВт/м и расход металла 0,1 кг на 1 кг паропроизводительности в час, что во много раз превышает эти показатели для лучших транспортных установок при КПД котла 85 % [9].
Производилось снятие полей скоростей и продольной интенсивности турбулентности для трех режимов работы моделей этих двух типов горелок с воздушным сопротивлением 500, 1000 и 1500 Па. Установлена сходимость результатов, полученных на стенде БПИ1 и в работе на Полоцкой ТЭЦ [10], в которой применялся трехканальный цилиндрический зонд для определения полей скоростей при холодной продувке моделей горелок разных типов с отработкой на стенде в них сжигания мазута М-100 с подогревом до 190—315 °C. Следует отметить наиболее высокую точность и совершенство метода с применением термоанемометра.
Эпюры осевых скоростей и степени турбулентности в поперечных сечениях струи с воздушным сопротивлением 1000 Па горелки с закрытым регистром представлены на рис. 2. Следует отметить подобие профилей скоростных полей во всех сечениях. Выдерживается закон падения скорости вдоль оси струи, соответствующий классическим соотношениям Абрамовича [11]. Это относится также и к горелке типа ТЛ.
Характерная для закрученных струй зона обратных потоков как бы раздвигает с середины в ширину свободную турбулентную струю, и максимум скоростей от оси струи перемещается в одну и другую сторону со спадом до нуля на периферии и переходом до отрицательных скоростей в приосевой области. Для рассматриваемых струй безразмерная длина обратной зоны составляет величину x/D0= 2,8-3,0. Ее безразмерная ширина для горелки с закрытым регистром — 0,7 D0 и для горелки типа ТЛ — 0,85 D0. На стыке зон прямого и обратного потоков возникают максимальные градиенты скоростей и соответствующие им максимальные степени турбулентности — ε~ [и2—и1]/и, где [и1] и [и2] — абсолютные значения продольных скоростей на границах слоя потока и [и] — абсолютная средняя скорость потока (ε — величина скалярная).
Для горелок с закрытым регистром средние значения ε = 20 %, для горелки типа ТЛ — ε=25-30 %. Несколько пониженное значение ε для первой горелки объясняется наличием в ней дополнительного прямоточного осевого потока воздуха, влияющего на уменьшение тангенциальной составляющей скорости воздуха. Практикой установлено, что такая дополнительная подача осевого воздуха снижает сажеобразование и не сказывается отрицательно на стабилизации фронта горения при высоком подогреве топлива.
Попытки использования такого типа горелок не единичны. Возникает необходимость установления условий ее возможного осуществления. С этой целью прежде всего проведено теоретическое исследование взаимодействия газового потока с каплей жидкости [12]. Принята следующая аэродинамическая модель: газовый поток движется равномерно с некоторой скоростью, характерной для существующих низконапорных горелок в пределах, не превышающих 75 м/с. Единичная частица с постоянной массой и диаметром вдувается (вносится) в поток с некоторой начальной скоростью, обычной для существующих форсунок, под любым углом к направлению потока.
После решения системы уравнений найдены координаты положения частицы в момент полного (на практике почти полного) увлечения ее потоком во избежание ее попадания на стенки канала и коксования при горении.
Анализ полученных данных свидетельствует об определяющем влиянии диаметра частицы на величину радиуса h, на котором частицы полностью увлекаются газовым потоком, и о меньшем влиянии скорости воздушного потока. Определяющее значение имеет радиус подъема капли, сносимой воздушным потоком. Уменьшение диаметр в 3 раза (со 150 до 50 мкм) снижает R в 10 раз, в то время как повышение скорости потока с 20 до 70 м/с (при δч=150 мкм) уменьшает cтолько на 1—2 %.
Полученные теоретические данные согласуются с опытными при сжигании солярового масла и мазута. В качестве основной принята предложенная Г. Ф. Кнорре аэродинамическая характеристика парашютоспособности частицы
где k — коэффициент пропорциональности; v — коэффициент кинематической вязкости, мм/с; р — давление топлива перед форсункой, МПа.
Неоднократно поставленными опытами установлено, что применение горелок с закрытым регистром возможно только при подогреве солярового масла не ниже tм = 180-190 °C и мазута М-40 и М-100 tм = 190-200 °C и обязательном качественном распыливания (средний размер по данным испытаний на воде составлял 50 мкм). Ухудшение последнего не компенсировалось высоким подогревом топлива.
Горение топлива возникало при визуальном наблюдении свечения пламени внутри горелки. Скорость воздуха на лопатках составляла 20— 70 м/с. При более низкой скорости (10—15 м/с) наблюдалось выбрасывание пламени навстречу потоку воздуха, что свидетельствовало о нарушении необходимого соответствия скорости горения и воздуха. Этим фиксировалась наинизшая нагрузка горелки. Наибольшая нагрузка ее не превышала расхода топлива 125 кг/ч.
В таблице приведены результаты обработки опытных данных. Их анализ позволяет установить, что горелка работоспособна при парашютоспособности частиц не ниже α=35-40 м2/кг. Значение а увеличивалось в 2,9—3,3 раза для солярового масла при исходной тонине распыла δмакс=100 мкм и подогреве до tм=180-300 °C за счет снижения вязкости в 7—10 раз и плотности топлива в 1,15—1,3 раза. Для мазута, при исходной тонине распыла δмакс=75 мкм (применялась авиационная форсунка), подогреве до tм=190-300 °C а увеличивалось в 2,7—2,8 раза за счет снижения вязкости в 13,3—20 раз и плотности в 1,07—1,11 раз.
Таким образом, определяющими являются размер капель и подогрев топлива. Исходя из этого, применение горелки с закрытым регистром для сжигания жидкого топлива ограничивается мощностью, не превышающей 125—150кг/ч, поскольку существует зависимость
Применение такой горелки на котлах в чистом виде невозможно.
Однако анализ аэродинамических и других процессов позволяет наметить полезные для использования особенности: внутреннее смесеобразование, двухпоточная ступенчатая подача воздуха — основного закрученного и дополнительного осевого с продвижением в «пустоту» обратных потоков вдоль по потоку и в глубь топки. С этим связаны: ранняя огневая газификация высокоподогретого (до tм>200 °С) топлива, уменьшение коэффициента расхода воздуха в корне факела и снижение температурного уровня процесса. Следует ожидать более равномерное распределение тепловыделений и тепловых потоков на стенки топки. Это имеет значение при сжигании супертяжелых мазутов с подогревом выше 200 °C для проведения симметрично развиваемого окислительного крекинга тяжелых углеводородных частиц и капель с целью предотвращения повышенного саже- и коксообразования. При организации внутреннего смесеобразования (например, в низконапорных предтопках) должно учитываться раскрытие корневого угла топливной струи с обеспечением свободного выхода ее через амбразуру горелки. Парашютоспособность частиц топливной струи, имеющая большое значение для удержания их в газовом потоке, возрастает с подогревом топлива, но не обеспечивает надежного режима работы горелки с внутренним смесеобразованием котельных агрегатов.
Оценим аэродинамическую структуру мазутного факела котла ТП-35-У с фронтовым расположением горелок типа ТЛ. Совмещая геометрическую ось изотермической струи (рис. 2) с химической осью действительного факела, структура газовых концентраций которого исследована в работах [2] рис. 1 и [3] рис. 2, получим представление об аэродинамике топки при сжигании высокоподогретого мазута, рис. 3.
Рис. 3. Аэродинамическая структура мазутного факела топки котла ТП-35-У при сжигании мазута с высоким подогревом: 1 — зона обратных потоков; 2 — зона газификации мазута; h — дальнобойность факела; D0 — диаметр выходного сечения горелки
В работе [2] показано, что значения характеристик теплонапряженности объема топки qv, сечения топки qF, форсировки, отнесенной к сечению горелок qг и Fт/∑Fт котлов ТП-35-У и ТГМП-114 (D=950 т/ч), идентичны. Они входят в число требований огневого моделирования [14].
Можно считать допустимым опыт сжигания мазута с tм>250°С на котлах ТП-35-У и ТМ-84 при идентичных характеристиках и соблюдении геометрического подобия переносить на условия работы котлов большой мощности.
Целесообразно накопление этого опыта и изучение особенностей сжигания тяжелого мазута с высоким подогревом в мощных энергетических и водогрейных котлах.
Предполагая подобие полей концентраций, скоростей и температур [11], можно установить, что зоне газификации [2, 3] соответствует и ее определяет зона обратных потоков, рис. 3. В действительном факеле, понимая под ним турбулентную газовую струю при наличии фронта пламени, несколько изменяется характер турбулентной струи. Расширяется зона обратных потоков и размеры струи. При обычном подогреве мазута 110-140 °C длина зоны газификации составляет 2,5—3,0 D0, увеличиваясь с повышением tм=200—300 °C до 4,5—6,5 D0, при существующих горелках.
В качестве величины, определяющей смешение, в горелке используется относительная дальнобойность h/D0, которая определяется выражением [13]
где w02, p2 и w01, p1 — средняя скорость и плотность в устье горелки, а также средняя скорость и плотность подъемного потока дымовых газов в топке; А — некоторый коэффициент пропорциональности.
Из рассмотрения рис. 3 следует, что действительное значение h/D0= 3/0,4=7,5. Это больше обычно принимаемых h/D0=3-5 [13]. Для котла ТП-35-У с фронтовым расположением горелок и небольшой глубиной топки оно является завышенным. Факел в этом случае оказывается прижатым к задней стенке. Заполнение объема топки факелом явно ухудшено.
Но увеличенное h/D0 положительно сказалось на улучшении условий смешения в топке и способствовало увеличению КПД котла на больших нагрузках при сжигании мазута tм=200-300 °C даже при существующих горелках [6].
Из рассмотрения рис. 3 следует, что длина зоны газификации превышает больше чем в два раза длину обратной зоны. Такое несоответствие зон возникает в существующих горелках из-за неудовлетворительного развития процессов смесеобразования, вызванного недостатком воздуха в приосевой части факела. Осуществление рассмотренной схемы «внутреннего смесеобразования» в опытах на котле с реконструированными горелками [6] дало эффект снижения критического коэффициента расхода воздуха горелок и повышения КПД котла.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Глухов Б. Ф., Белосельский Б. С. Некоторые особенности распыливания высокоподогретого мазута. — Теплоэнергетика, 1986, № 9.
- Глухов Б. Ф. Исследование состава газов факела при сжигании высокоподогретого мазута — Теплоэнергетика, 1987, № 4.
- Глухов Б. Ф. О выгорании высокоподогретого мазута в факеле. — Изв. вузов. Энергетика, 1987, № 7.
- О целесообразности высокотемпературного подогрева мазута перед распыливанием / В. Г. Булгаков, Е. В. Чернышев, Л. М. Цирульников, А. К. Эрнест. —Теплоэнергетика, 1978, № 9.
- Глухов Б. Ф. Определение коэффициента расхода центробежной форсунки при сжигании высокоподогретого мазута в котлах. — Промышленная энергетика, 1986, № 6.
- Глухов Б. Ф. Экспериментальное исследование характеристик теплообменника при высокотемпературном подогреве мазута. — Энергомашиностроение, 1987, № 3.
- Борушко А. П., Глухов Б. Ф. Предварительные результаты экспериментального исследования сжигания мазута при малых избытках воздуха. — В сб.: Энергетика, Минск, 1968, вып. 4.
- Глухов Б. Ф. Эксплуатационное исследование сжигания сверхвысокоподогретого мазута в котле ТП-35-У. — Тр. ЛИСИ, 1984.
- Глухов Б. Ф. Особенности рабочего процесса и основы проектирования малогабаритных одновитковых парогенераторов. Автореф. дис. на соиск. учен. степени канд. техн. наук. Л.: ЛПИ, 1947.
- Глухов Б. Ф., Борушко А. П. Экспериментальное исследование газификации в самой горелке при сжигании мазута в котлах. Минск: ИТМО АН БССР, 1971.
- Абрамович Г. Н. Теория турбулентных струй. М.: Физматгиз, 1960.
- Исследование движения частицы, находящейся в потоке газа (жидкости). А. С. Зелепуга, Г. Л. Сироткин, А. П. Борушко, Б. Ф. Глухов. — Изв. АН БССР, серия физ.-энерг. наук, 1973, № 4.
- Шатиль А. А., Поляцкин М. А., Афросимова В. Н. О применении теории струй к проектированию топок. — Теория и практика сжигания газа. Л.: Недра, 1968. Вып. IV.
- Шатиль А. А., Афросимова В. Н., Поляцкин М. А. Огневое моделирование и дальнейшее повышение мощности топок. — Теория и практика сжигания газа. Л.: Недра, 1972, вып. V.
