Файл: Цирульников, Л. М. Защита газомазутных котлов от сернокислотной коррозии [монография].pdf

ОБЗОР ДАННЫХ О СЖИГАНИИ ВЫСОКОСЕРНИСТЫХ МАЗУТОВ C МАЛЫМИ ИЗБЫТКАМИ ВОЗДУХА

Первые лабораторные опыты по сжиганию мазутов с коэффициентом избытка воздуха, близким к 1, были проведены в 40-х годах Μ. Б. Ра­ вняем (1949), который показал, что при коэффициенте избытка возду­ ха 1,01—1,03 (содержание избыточного кислорода — 0,2—0,6%) мож­ но добиться практически полного сжигания топлива. Однако прошло около 20 лет, прежде чем этот способ сжигания высокосернистого ма­ зута был опробован в промышленных условиях на электростанциях Марчвуд и Тильбури (Англия, 1959 г.), и доказаны преимущества этого способа сжигания в течение 3000 час. (Lachaux, 1960).

Опыт ФРГ по переводу котлоагрегатов на сжигание мазута с малы­ ми избытками воздуха изложен в работах F. Glaubitz (1960, 1961, 1963, 1964), H. Niepenberg (1963, 1970), F. Ensink (1961), Μ. Schindler

(1964).

Интересные данные получены F. Glaubitz на электростанции Лин­ ден при сжигании высокосернистого мазута в топках котлов неболь­ шой мощности (17,8 кг/сек, 44 бар, 475o С). На каждом из них установ­ лены прямоточные горелки, обладающие сопротивлением 450 дан!м2 и формирующие воздушный поток со средней скоростью 40 м/сек. Топ­ ливо, предварительно подогретое до 120—130° Сг распыливалось под давлением 1—7 бар Y-образными паровыми форсунками произво­ дительностью 0,05—0,08 кг/сек, работающими при параметрах пара 4—10 бар, 420—510o С. В указанных условиях они эксплуатирова­ лись в течение более 4000 час. в режиме сжигания высокосернистого мазута с предельно низкими избытками воздуха. F. Glaubitz считал наладку законченной, когда коэффициент избытка воздуха достигал значения 1,005 при практическом отсутствии окиси углерода. Диапазон изменения относительной нагрузки — от 0,3 до 1. Основной задачей считалось поддержание правильного соотношения воздуха и топлива в горелках.

Подобные результаты получены и H. Niepenberg (1963а) стой лишь разницей, что использовались более мощные форсунки (производитель­ ность 0,42 кг/сек) и применена горелка с тангенциальной подачей воздуха. В другой работе этого же автора (1963 б) приводятся данные об относительно высоконапорных горелках с сопротивлением 150— 250дан/ж2 при единичной производительности 0,14—0,7 кг/сек. Мазут, как и прежде, распыливался паровыми форсунками.

В работах F. Ensink (1961) и Μ. Schindler (1964) рассматриваются результаты сжигания мазута с малыми избытками воздуха в высоко­ скоростном потоке (80—85 м/сек) с использованием форсунок меха­ нического распиливания. В диапазоне нагрузок от 100 до 50÷-54% коэффициент избытка воздуха составлял соответственно 1,05 и 1,02.

Близость результатов, полученных F. Glaubitz (1960, 1961, 1963, 1964) и H. Niepenberg (1963, 1970а, б) при использовании парового рас­ пиливания и умеренных скоростях воздушного потока, с одной сторо­ ны, и данные F. Ensink (1961) и Μ. Schindler (1964) при использовании

59

более грубого механического распиливания и высоких скоростях воздуха — с другой, свидетельствует о том, что достижение пример­ но одинаковых характеристик смесеобразования и выгорания возможно как за счет тонкого диспергирования мазута, так и за счет повышения энергии воздушного потока. Этот вывод подтверждается при анализе данных, полученных в СССР в процессе изучения и освоения режимов сжигания мазута с малыми избытками воздуха.

Первые опыты по изучению процесса горения различных сортов жидких топлив с малыми избытками воздуха проведены в 1961 г. на котлах ПК-Ю (64 кг/сек, 108 бар, 510° С) и БКЗ-210—140Ф (58,3 кг!сек, 137 бар, 570° С). Л. А. Гвоздецкий, А. Д. Горбаненко и др. (1962, 1964), А. К. Внуков (1966), Н. И. Верховский, Г. К. Красноселов, Е. В. Машилов, Л. Μ. Цирульников (1970) установили, что при сжигании различных сортов мазута и нефти топочные потери могут быть сведены на нет, если добиться весьма ровного порционирования топлива и воздуха по отдельным горелкам. Отмечено также, что с умень­ шением числа включенных горелок с 18 до 8, несмотря на увеличение их единичной производительности, задача поддержания режима сжига­

Трудность поддержания режима сжигания мазута с малыми избыт­ ками воздуха при большом числе горелок была подтверждена в про­ цессе длительных экспериментов, поставленных на котле ТГМ-151 (61,1 кг/сек, 108 бар, 510o С), оборудованном 12 горелками ТКЗ с уме­ ренными напорами воздуха и механическим распыливанием топлива. Несмотря на указанную трудность, этот котел более 3000 час. работал с коэффициентом избытка воздуха 1,02—1,03 и пренебрежимо малыми суммарными топорными потерями. C учетом положительного опыта эксплуатации котла ТГМ-151 на режим сжигания мазута с малыми из­ бытками воздуха были успешно переведены все 5 котлов этой станции, h>⅜ Стремление избежать трудностей, связанных с поддержанием равно­ мерного распределения мазута и воздуха по большому числу горелок, обусловило тенденцию к увеличению единичной производительности и снижению числа горелок. Впоследствии это оформилось как целое направление в области сжигания мазута по разработке мощных горе­ лочных устройств, единичная производительность которых доведена к настоящему времени в СССР до 3,33, в ФРГ — до 1,39, в США — до 4,17 кг/сек. (Дмитриев и Роддатис, 1961; Schub, 1967; Kessler, 1969; Цирульников, 1970). , і

Первые образцы высокопроизводительных газомазутных горелок, разработанные Таганрогским (ТКЗ) и Подольским (ЗиО) котлострои­ тельными заводами, были экспериментально изучены на двух импорт­ ных котлах (27,8 кг/сек, 85 бар, 500°С). Тепловое напряжение объема 163 квт/м3. На котлоагрегатах ранее было установлено в два яруса 12 горелок (по 6 на каждой из боковых стен).

При подготовке к эксперименту, где подробно исследовалось влия­ ние отдельных факторов на топочные потери при малых избытках воз­ духа (Горбанёнко, Цирульников, Чупров, 1965), горелки нижнего яру­

60

са были демонтированы и на их месте встречно установлены опытные образцы. Сжигался высокосернистый мазут марок 100 и 200.

Горелка ЗиО производительностью 0,83 кг/сек. выполнена с танген­ циально-лопаточным подводом воздуха, с амбразурой диаметром 750 мм и пережимом диаметром 690 мм\ внутри амбразуры расположен коак­ сиальный цилиндрический распределительный шибер, позволяющий подавать воздух по наружному и внутреннему каналам, по одному или совместно по обоим, что обеспечивает широкий диапазон изменения ско­ рости и крутки воздушного потока. Гидравлическое сопротивление горелки в зависимости от положения распределительного шибера ко­ леблется при полной нагрузке от 110 до 380 данім2.

Горелка ТКЗ производительностью 0,27 кг/сек. выполнена с танген­ циально-лопаточным направляющим аппаратом, в котором 24 лопатки в трех сериях опытов были установлены соответственно под углом 40, 25 и 0° относительно касательной к внутренней окружности направляю­ щего аппарата. Диаметр амбразуры 1000 мм, пережима — 810 мм. Расчетная скорость воздуха на выходе из амбразуры 40 місек. Гидрав­ лическое сопротивление при расчетной нагрузке изменяется в зависи­ мости от угла наклона лопаток в пределах 40—50 данім2.

Горелки ЗиО испытывались с паромеханическими форсунками ПМФС, работавшими в режиме механического распыливания, а горел­ ки ТКЗ — с малогабаритными механическими форсунками, разрабо­ танными на базе форсунок ЦККБ (Цирульников, Горбаненко, Жарков, 1964). (

В период опытов в широких пределах менялись относительные на­ грузки котла (от 35 до 100%), давление мазута (от 3 до 38 бар) и его условная вязкость (от 2 до 28° ВУ). Исследовалась работа горелок с 20 конструктивными вариантами форсунок единичной производитель­ ностью 0,55—2,23 кг/сек.

Результаты опытов обработаны в виде зависимости топочных по­ терь от отдельных факторов. При коэффициенте избытка воздуха 1,10 химический недожог не превышает 0,5%. Он повышается по мере сни­ жения нагрузки, так как в этом случае ухудшаются условия смесе­ образования из-за уменьшения скорости и крутки воздушного потока. При переходе на подачу воздуха через внутренний канал недожог ста­ новится меньше. Однако при этом угол раскрытия мазутного факела, а также его устойчивость заметно снижаются. В таких условиях одно­ временно с удалением мазутного конуса от устья сопла меняется цвет факела и снижается его температура, что связано, по-видимому, с ди­ намическим воздействием мощной воздушной струи на корень факела при повышенных скоростях воздуха (до 60—70 м/сек).

При низких давлениях мазута (6—8 бар) химический недожог не превышает 0,4%, но по визуальной оценке качество горения заметно ухудшалось и сопровождалось выпадением искр из оконечностей коптя­ щего факела. В опытах с коэффициентом избытка воздуха ниже 1,05 наблюдалось сажевыделение, которое сопровождалось и некоторым увеличением недожога. В этих случаях потеря тепла с механическим недожогом достигала 0,34%. При повышении коэффициента избытка

61

воздуха до 1,10 механический недожог не превышал 0,1 %. Наилучшие показатели по экономичности сжигания мазута отмечены при скорос­ ти воздушного потока более 40 місек. В диапазоне изменения вязкости мазута перед форсунками от 2 до 6,8° ВУ она не оказывала заметного влияния на результаты сжигания. Различные конструктивные вариан­ ты паромеханических форсунок обеспечивают практически одинаковую полноту сжигания.

Наиболее подробно изучено сжигание мазута в горелках ТКЗ. Пер­ вая серия опытов включала в себя опробование форсунок производи­ тельностью по мазуту 0,7 кг/сек при давлении 18 бар и 1,11 кгкек — при 40 бар. Наблюдение за процессом горения мазута, распыленного такими форсунками, показало сравнительно высокую регулировоч­ ную способность этих форсунок, характеризуемую нижним допусти­ мым значением давления мазута 10 бар. При снижении давления ниже 10 бар на периферии факела появлялись черные полосы, дым приобре­ тал темную окраску и факел периодически затягивало в пароперегрева­ тель. C повышением давления мазута до 12—15 бар дым вновь стано­ вился белым, а горение заканчивалось в топочном объеме.

Опыты, проведенные при эксплуатационных высоких избытках воз­ духа, показали возможность добиться практически полного сгорания мазута, распыленного под давлением выше 17 бар при условной вяз­ кости до 20° ВУ. Повышение условной вязкости до 36q ВУ при сохра­ нении Остальных параметров неизменными сопровождалось резким ухудшением качества распиливания, цвет факела менялся со светло­ соломенного на темно-желтый, было отчетливо видно искрение круп­ ных капель.

В опытах установлено, что при работе двух горелок факел слабо заполняет топку. Выходя навстречу один другому, потоки образуют общий направляющийся вверх факел, ширина которого примерно рав­ на половине ширины топки (около 3,5 м), причем длина горизонталь­ ного участка составляла 1 лі, т. е. оказалась примерно равной диаметру амбразуры горелок. Нижняя граница факела располагалась примерно на 0,5 м ниже уровня горелок. Еще слабее заполнялась топка при работе одной горелки.

C увеличением крутки воздуха, определяемой углом наклона ло­ паток, химический недожог снижался. Так, при коэффициенте избытка воздуха 1,10 увеличение угла наклона лопаток от 0 до 25 и 40° вызыва­ ло химический недожог соответственно 0,8; 0,5 и 0,2%, а при коэф­ фициенте избытка воздуха 1,07 — 1,3; 0,7 и 0,5%. В этих опытах дав­ ление мазута было не ниже 18 бар, а вязкость топлива была близка к 5° ВУ.

C учетом присосов неорганизованного воздуха в топку и верхнюю часть конвективной шахты (около 8%) был сделан вывод о возможности практически полного сжигания мазута при коэффициенте избытка воз­ духа в горелке 1,02. Одновременно высказано предположение, что при присосах 2—3% воздуха в топку можно ожидать высокую эффектив­ ность процесса горения при весьма малых значениях коэффициента избытка воздуха, близких к Г.

62