Сравнительные расчеты показывают, что дл большинства топочных устройств время пребывания капель топлива в топочном объеме значительно больше времени, необходимого для испарения основной массы топлива. Такое соотношение времени испарения и пребывания объясняется, как указывалось выше, необходимостью за время пребывания не только превратить топливо в парообразное состояние, но и перемешать пары топлива окислителем.
Нетрудно представить, что процессы испарения и перемешивания паров осуществляются параллельно. Перемешивание паров может происходить по мере их образования и: капель топлива. Одновременно конвективными потоками турбулентными пульсациями может осуществляться переносом сравнительно мелких капель жидкою топлива.
На рис. 4 представлена примерная структура нормально го развития диффузионного факела. Условно факел можно разбить на зоны. В первой зоне осуществляется турбулизация и распределение потока воздуха в соответствии с принятой схемой организации дальнейшего перемешивания топлива и воздуха.
Рис. 4. Структура диффузионного факела
1—воздушный короб; 2 — форсунка; 3—газораздающее устройство; 4 — воздухонаправляющее устройство
Далее по оси факела можно выделить зону II, в которой топливо подводится и распределяется по поперечному сечению факела в соответствии с принятой схемой организации перемешивания. В этой зоне осуществляется также подогрев основной массы капель жидкого топлива до температуры испарения, а также частичное испарение наиболее мелких капель. Однако основным процессом в этой зоне является распределение топлива по сечению факела. В соответствии с этим границей этой зоны является момент, когда прекращается действие первичных инерционных сил, определяемых массой и начальной скоростью движения капель жидкого топлива или струей газообразного топлива, и дальнейшее движение капель или молей топлива определяется характеристиками сносящего потока.
Третьей зоной (III) по ходу факела следует считать зону испарения, воспламенения и кинетического горения топлива в среде с большой концентрацией окислителя. Распределение топлива в предыдущей зоне и высокая дисперсность распыления жидкого топлива в значительной степени определяют объем зоны кинетического горения, в которой практически мгновенно выделяется большое количество (до 50—70%) тепловой энергии топлива. От количества выделяющейся теплоты и соответствующей температуры треды в этой зоне зависит скорость испарения и подогрев топлива до температуры воспламенения в этой, предыдущей и последующих зонах.
В следующей, четвертой зоне факела полностью заканчивается испарение жидкого топлива, и весь процесс горения переходит в диффузионную область. Характерной особенностью процесса перемешивания в этой зоне является сохранение достаточно высокой интенсивности и больших масштабов турбулентности в зависимости от их первоначального уровня на выходе из воздухонаправляющего устройства. Поток в этой зоне в зависимости от масштабов турбулентности фактически расчленяется на отдельные объемы (очаги горения) с различными концентрациями топлива и воздуха. В некоторых объемах может наблюдаться сильно обогащенная топливно-воздушная смесь, в других объемах концентрация топлива может быть равна нулю. Взаимодействия между этими вихревыми образованиями, которые определяются турбулентной структурой потока, оказывают основное влияние на выравнивание соотношения топливо — воздух по сечению факела. Чем больше отличаются концентрации топлива в различных объемах — очагах горения, тем больше роль крупномасштабных пульсаций в достижении среднего соотношения топливо — воздух, достаточного для полного сгорания топлива.
После полного испарения жидкого топлива или расчленения потока на отдельные очаги при сжигании газообразного топлива процесс перемещается, в пятую зону. В этой зоне осуществляется дальнейшее взаимодействие вихрей и выгорание топлива по мере выравнивания неравномерностей концентраций до молекулярного уровня. Протяженность зоны диффузионного горения по длине факела зависит главным образом от структуры турбулентности и общего избытка воздуха в начальном сечении факела. Повышение избытка воздуха уменьшает интервал времени, необходимый для получения стехиометрического соотношения топливо — воздух. Судить об оптимальной структуре турбулентности в этой зоне крайне сложно. Однако можно предполагать, что при диффузионном горении существенную роль играет как крупномасштабная, так и мелкомасштабная турбулентность потока. Крупномасштабная турбулентность осуществляет перемешивание крупных объемов и массообмен в наиболее отдаленных точках сечения, а мелкомасштабная обеспечивает перемешивание в отдельных небольших объемах, в которых имеется недостаток или избыток окислителя. На процесс смесей образования в пятой зоне, так же как и в предыдущих продолжает оказывать значительное влияние равномерность распределения топлива в потоке окислителя, достигнутая во второй зоне.
Если во второй зоне была получен; большая неравномерность распределения (например, одной стороны факела наблюдается большой избыток, с другой — недостаток окислителя), то без крупномасштабного перемешивания получить достаточно высокое выгорание топлива будет практически невозможно. В связи с этим вопросу распределения топлива и воздуха в начальном сечении факела при оптимизации процесса горения уделяется очень большое внимание.
После зоны диффузионного горения, в конце которой наблюдается выгорание 98—99% топлива, следует выделить зону диффузионного дожигания. В этой зоне осуществляется дожигание различных очаговых остатков в виде тяжелых углеводородов, сажи, а также коксовых частиц, образовавшихся в результате перегрева топливных капель при испарении. Гетерогенное дожигание этих остатков протекает наиболее успешно при наличии мелкомасштабной турбулентности, которая, к сожалению, при большой протяженности факелов практически вырождается уже до четвертой — пятой зоны. Это обстоятельство накладывает определенные трудности на организацию полного дожигания топлива. Эти трудности растут также в связи с тем, что температура факела в шестой зоне уменьшается до 1000—1200°С вследствие теплового излучения и конвективного теплообмена факела с граничными объемами и поверхностями. Все это приводит к тому, что абсолютно полного сгорания топлива при факельном сжигании практически никогда не достигают. Нормирование неполноты горения осуществляется в каждом конкретном случае в зависимости от вида топлива, типа и рабочих параметров топочного устройства.
Являясь по существу концом факела, зона диффузионного дожигания непосредственно переходит в зону, по которой продукты сгорания далее транспортируются по тракту установки. В некоторых случаях, учитывая, что в шестой зоне достигается дожигание небольшого количества топлива, за конец факела принимается завершение до определенного уровня процессов пятой зоны. Приблизительная протяженность вышеупомянутых зон по оси факела в долях диаметра воздухонаправляющего устройства для случая наиболее равномерного распределения полей концентраций в начальном сечении факела и достаточно высокой турбулентности потока (вихревой поток) приведена в табл. 7.
Примечание, D—-диаметр устья горелочного устройстве,
На основе вышеизложенного можно представить физическую схему процесса выгорания газообразного и распыленного жидкого топлива в факеле. При этом необходимо учитывать, что капли топлива, введенные в начальное сечение факела посредством распыливающего устройства (форсунки), или объемы газообразного топлива распределяются в начальном сечении неравномерно. На практике, как показывают измерения, в начальном сече· нии факела могут наблюдаться объемы, в которых топли· во отсутствует или его концентрация приближается к100%. Одновременно с введением жидкого топлива начинается образование его паров вследствие испарения капель, взвешенных в потоке воздуха. С этого момента отдельные капли или группы капель можно рассматривать как источники горючего вещества, движущиеся в потоке окислителя. Вероятность увлечения капель турбулентными пульсациями потока зависит от размера капли, а также масштаба и интенсивности турбулентности. Чем больше диаметр капли, меньше масштаб и интенсивность турбулентности, тем менее вероятно их воздействие на траекторию движения капли. Расчеты показывают, что основ ное перемешивание топлива осуществляется в парообраз ной фазе.
Учитывая, что время химической реакции пренебрежимо мало по сравнению со временем испарения и смесеобразования, задачу обеспечения полного выгорания топлив, в факеле можно свести к решению уравнения диффузии паров топлива от источников, которыми в практических случаях являются объемы потока с большой кон центрацией взвешенных капель топлива. Конечные характеристики выгорания в этом случае будут определять с скоростью выравнивания концентраций во всех точка потока.
Естественно, что точность выравнивания концентрации, отождествляемая с полным выгоранием топлива, будет определяться исходным избытком воздуха. Так, на пример, при α=1,0 для полного сгорания необходимо полное выравнивание концентрации и любое отклонение будет связано с образованием недожога.
В предложенной схеме выгорания жидкого топлива большое значение отводится дисперсности распыления топлива, которая определяет интенсивность испарения топлива. Малая скорость парообразования приводит к задержке основного процесса перемешивания паров топлива с окислителем. С другой стороны, малая интенсивность перемешивания может быть причиной образования зон с высокой концентрацией паров топлива, что отрицательно влияет на процесс горения. Поэтому для успешной работы горелки необходимо, чтобы время пребывания топлива в объеме факела в парообразном состоянии было минимальным. Это условие остается справедливым и для газообразного топлива, которое уже в начальном сечении факела должно быть внедрено в поток отдельными зонами, которые в дальнейшем окончательно дробятся турбулентными пульсациями потока. Наличие большой неравномерности распределения газа и задержка смесеобразования всегда визуально наблюдается как плотное, красноватое, коптящее пламя. При достаточно быстром перемешивании газа или паров топлива наблюдается совершенно прозрачное пламя без излучения в видимом спектре. Излучение в видимом спектре с голубоватым оттенком указывает на некоторую задержку смесеобразования, которая, как правило, не оказывает отрицательного воздействия на конечные характеристики процесса. При сжигании жидкого топлива при хорошем смесеобразовании в ядре факела наблюдается яркий «солнечный» свет, а границы факела четко выражены. Описанные структурные изменения в факеле могут более точно измеряться путем внутреннего зондирования факела специальным охлаждаемым зондом с отбором газа и измерением основных компонентов его химического состава (O2, СO2, СО, Н2, СН4, С и др.).
Процесс выгорания топлива в факеле горелки представляет существенный интерес для разработки принципов расчета и проектирования горелочных и топочных устройств. Наиболее важной характеристикой факельного сжигания топлива следует считать длину факела. Длина факела в значительной степени определяет конструкцию топки, компоновку горелок, характер теплообмена и другие характеристики топочной камеры и топочного процесса. Под длиной факела подразумевается длина пути выгорания по оси факела, на которой сгорает основная масса поданного топлива, а недожог не должен превышать определенной и, как правило, незначительной величины (практически 1—2%). Следует отметить, что эта фактическая длина обычно бывает существенно больше видимой длины факела.
Если учесть, что производительность горелки выражается зависимостью В≈vхπD2/4, получим
Рассматривая формулу (19), можно сделать ряд интересных практических выводов и предположений.
Так, например, из этой формулы следует, что общая длина факела определяется как условиями испарения топлива (первый член уравнения), так и условиями перемешивания образовавшейся на первой стадии газообразной фазы (второй член уравнения). В частных случаях могут быть варианты, когда длина факела будет зависеть в основном от условий испарения (второй член уравнения значительно меньше первого) или условий смесеобразования. Доля длины факела, определяемая испарением, пропорциональна переносной (осевой) скорости потока и времени испарения капель, которое, в свою очередь, пропорционально квадрату диаметра капли. Доля длины факела, определяемая смесеобразованием, пропорциональна корню квадратному из мощности горелки, квадрату отношения неравномерностей концентраций в начальной зоне и конце факела, корню квадратному из переносной скорости потока и обратно пропорциональна полной скорости потока. При этом следует обратить внимание на сильное влияние неравномерности распределения начальной концентрации топлива. Этот параметр трудно измерить или оценить на практике, но именно ему уделяется основное внимание при накладке горелочных устройств. При сжигании газообразного топлива максимальная равномерность достигается путем оптимального расположения газораспределительных отверстий, выбора их сечения и скорости газовых струй. При сжигании жидкого топлива основными факторами, влияющими на начальное распределение топлива, являются место расположения распиливающей головки форсунки в воздухонаправляющем устройстве горелки и угол раскрытия топливного факела форсунки.
Представляет интерес также характер влияния поля скоростей потока. Из формулы (19) следует, что длина факела увеличивается при увеличении осевой скорости потока vx и уменьшается при увеличении полной скорости. Такое противоречивое влияние характеристик потока объясняется тем, что осевая скорость является одновременно переносной скоростью, и все процессы смесеобразования совершаются в процессе движения элементарного объема по направлению оси факела. Полная скорость потока была введена при выводе формулы (19) как величина, характеризующая коэффициент турбулентного перемешивания, который по теории турбулентности пропорционален полной скорости потока.
Получить минимальное значение отношения √vx/v, используя реальную конструкцию горелки, довольно сложно. Одним из наиболее распространенных и проверенных способов достижения этого требования является применение завихривающих воздухонаправляющих устройств. При закручивании потока можно получить значительное снижение осевой и увеличение полной скорости потока. Это обстоятельство широко используется при проектировании горелочных устройств. Однако при этом следует учитывать, что чем сильнее закрутка воздуха, тем больше неравномерность расхода воздуха по сечению потока и тем труднее получить необходимую равномерность распределения топлива и воздуха в начальном сечении факела. Кроме этого, следует иметь в виду, что при сильной закрутке может возникнуть разомкнутое течение, когда воздушная струя на выходе раскрывается на 180° и более. В этом случае распределение топлива и воздуха полностью нарушается, и горелка фактически становится неработоспособной. При проектировании горелочных устройств оптимальный угол закрутки, как правило, выбирается равным 30—60°.
Как уже отмечалось, из всех факторов, влияющих на длину факела, наиболее трудно определить Сн и Ск. Величина Сн характеризует степень равномерности распределения топлива в начальном сечении факела, а Ск — допустимую неравномерность в конце факела. Очевидно, что чем более жесткие требования предъявляются к смесеобразованию, тем меньшее значение принимает величина Ск.
На практике в горелочных устройствах концентрация выравнивается неполностью, а только до некоторого предела, определяемого избытком воздуха и требованиями к результирующим характеристикам процесса. Величины Сп и Ск можно представить через избытки воздуха в соответствующих сечениях:
(20)
где а — средний избыток воздуха по подаче воздуха и топлива в горелку; ан —· избыток воздуха в локальном объеме начального сечения факела; ак — избыток воздуха в локальном объеме в конце факела.
Используя формулу (20), получим
(21)
Экспериментальные исследования горелочных устройств различных типов показывают, что в начальном сечении факела наблюдаются очень большие неравномерности. Практически во всех горелках можно наблюдать зоны с αн≈0. Если наличие этих зон положить в основу расчета, то тогда αн в выражении (21) можно пренебречь.
Более сложно оценить возможные значения локальных избытков воздуха в конце факела. В идеальном случае этот избыток должен быть близким к αк=1,0. Однако из эксперимента следует, что если в конце горелки допускается средний по сечению недожог 97—98%, то локальный избыток воздуха в отдельных зонах может иметь значение αк=0,5:0,8.
Если в связи с этим принять αк = 0,5, то формулу (21) можно представить в виде
(22)
При выводе зависимости (22) был сделан целый ряд допущений, а введением экспериментальных коэффициентов предполагалось ее скорректировать. Учитывая это, можно попытаться еще больше упростить формулу (22) и привести ее к виду, удобному для практических расчетов. В связи с этим можно использовать известное положение— диаметр капли пропорционален корню квадратному из производительности форсунки δmax ~ √В. В этом случае получим, что первый член выражения (22) пропорционален В, а второй √B. От
сюда следует, что, когда процесс горения определяется испарением длина факела должна быть пропорциональна производительности горелки В, а когда процесс горения определяется только смешение (например, при сжигании газа), длина факела должна быть пропорциональна
√В. В общем случае, когда оба процесса оказывают существенное влияние, можно предположить, что длина факела будет зависеть от производительности горелки в п-й степени. Тогда выражение длины факела примет вид
где l — длина факела, определяемая расстоянием, на котором обеспечивается выгорание определенного процента топлива, м; В — производительность, т/ч; а — избыток воздуха на поданное топливо: п — коэффициент, характеризующий влияние процессов испарения и смесеобразования; k1 — коэффициент, характеризующий влияние других факторов.
Анализ опытных данных по испытанию горелочных устройств различных типов показывает, что зависимость (23) хорошо согласуется с данными опыта. При этом коэффициент пропорциональности изменяется в сравнительно небольших пределах. Для ориентировочных расчетов можно принять k1= 1,5. Это значение получено при сжигании мазута М-100 для горелок с завихривающим воздухонаправляющим устройством с углом установки лопаток 45° при сопротивлении 1,3 кПа и распылении топлива механической форсункой с номинальным давлением топлива 4 МПа при вязкости около 3°ВУ. Коэффициент n уточняется в зависимости от мощности горелки (рис. 6).
Зависимость, представленная на рис. 6, показывает, что влияние процесса испарения более ярко выражено в горелках малой производительности и с увеличением их мощности относительное влияние процесса смешения возрастает. Это хорошо согласуется с экспериментальными данными по дисперсному составу капель в горелках разной производительности, которые показывают, что максимальный диаметр капли в горелках производительностью 4 т/ч и более практически не увеличивается и поэтому время, необходимое для испарения топлива в этих горелках, сохраняется на одном уровне.
Рис. 6. Значение коэффициента п в зависимости от мощности горелки
Слабая зависимость дисперсности от производительности у мощных горелок объясняется дроблением капель в воздушном потоке воздухонаправляющего устройства, так как воздушный поток со скоростью 40—50 м/с способен дробить капли диаметром более 2000—2500 мкм.
Влияние на длину факела других факторов или параметров, по значению отличающихся от приведенных выше, может учитываться введением более точного значения k1:
Прямоточно-вихревые горелочные устройства с подачей прямотоком не более 60% воздуха со стандартными рабочими параметрами .....1,65
Прямоточные горелочные устройства с подачей прямотоком более 60% воздуха со стандартными рабочими параметрами .............1,95
Повышение сопротивления воздухонаправляющего устройства до
2400 Па...................................... .......................1,35
Повышение сопротивления воздухонаправляющего устройства до 10 000 Па................1,20
Снижение номинального давления воздуха до 600 Па и топлива до 2,0 МПа .......1,80
Уменьшение вязкости жидкого топлива в два раза................................................................1,35
Повышение вязкости жидкого топлива в два раза................................................................1,73
Переход на сжигание мазута М40..............1,27
Переход на сжигание углеводородного топлива (дизельное, соляровое масло, керосин).......1,05
Переход на сжигание природного газа..........0,9
При уменьшении межгорелочных расстояний в удлиненных горизонтальных топках для транспортабельных промышленно-отопительных котлов процесс выгорания топлива затягивается в зависимости от так называемой степени накладки факелов отдельных горелок (см. гл. 4). Исследования показали, что существует зависимость между степенью удлинения факела и расстояниями между осями соседних горелок bг и расстояниями до стен αг, которая учитывается дополнительным коэффициентом k2.
При расчетах по формуле (23) полученный результат следует умножить на k2:
Существенный интерес при проектировании и наладке топочных устройств представляет определение интенсивности тепловыделения по длине факела. Экспериментальные измерения показывают, что максимальная интенсивность горения имеет место в начальной зоне факела. Так, например, при сжигании мазута на 25% длины факела выгорает 60—80% топлива, а на 50% длины —80—90% топлива.
Таким образом, на второй половине длины факела догорает всего около 10% топлива. Снижение интенсивности горения в конце факела объясняется ухудшением процесса смесеобразования из-за вырождения турбулентности потока, уменьшения скоростей потока, снижения концентрации реагирующих веществ, повышения содержания тяжелых фракций в сжигаемом топливе, дожигания твердого углерода, а также других физико-химических факторов. Характер выгорания жидкого и газообразного топлива может быть представлен в виде зависимости
(24)
где Вх — количество топлива, выгоревшее в факеле до сечения х, т; В — общее количество топлива, подведенное к начальному сечению х=0, т; х — расстояние по оси факела, м; l — длина факела, м; b — коэффициент, который может быть принят постоянным для определенного вида топлива; q — коэффициент, который принимается равным величине недожога топлива в конце факела.
Если за длину принимается расстояние от устья горелки до зоны, где допускается недожог топлива, равный 1%, q= 0,01, то формула примет вид
При сжигании мазута можно принимать b=1, при сжигании природного газа —b=0,5.
