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

ратуры точки росы, подробно описанного А. К. Внуковым, а также малого абсолютного различия между производительностями горелок (— 0,1 кг/сек), рассмотренные данные вряд ли можно считать предста­ вительными. Надежных же подтверждении, например, результатов непосредственного измерения скорости коррозии ни один из сторонни­ ков ограничения производительности горелок не приводит

Большие сомнения высказывались о возможности обеспечения доста­ точно полного выгорания мазута, сжигаемого мощными горелками (Кузнецов, Лебедев, 1958).

ОбЬснование возможности эффективного сжигания мазута в мощных горелках следует искать в сопоставлении фактического времени пребы­ вания в топке наиболее крупных капель распыленного мазута со вре­ менем, необходимым для их полного сгорания.

Особенности сгорания одиночных капель крекинг-мазутов заклю­ чаются в том, что процесс выгорания жидкой фазы сопровождается формированием коксового остатка, поэтому суммарное время выгора­ ния мазутных капель может быть подразделено на время их воспла­ менения, выгорания жидкой фазы и выгорания коксового остатка.

По данным Б. Л. Жаркова (1962), время воспламенения мазутных капель диаметром 0,5—1,5 лж при сжигании их в потоке воздуха, нагретого до температуры 850° C и движущегося со скоростью около 3 м/сек, составляет 0,4 + 0,1 сек. Время выгорания жидкой фазы капель мазута, как и время исчезновения жидкой фазы полностью испаряю­ щихся топлив, согласно 3. И. Геллеру (1965), Б. Л. Жаркову (1962), Kobajasi (1955), изменяется пропорционально квадрату начального диаметра, причем по данным Ф. К. Велижева (1966), коэффициент пропорциональности для мазута близок к 2 сек/мм, а время выгора­ ния коксового остатка для мазутных капель диаметром 0,5—1,5 мм составляет 0,45 ± 0,05 сек. Поэтому время выгорания мазутных капель с точностью до + 0,15 сек. может быть записано как функция только квадоата диаметра.

Проведенные расчеты показали, что в современных топках с теп­ ловым напряжением объема до 290 κβm Mi время сгорания мазутных капель диаметром 0,5; 1,0 и 1,5 мм в первом приближении составляет соответственно 1,0; 1,6 и 2,5 сек.

Из данных, рассмотренных выше, следует, что при распиливании мазута форсунками производительностью 0,28; 1,94 и 2,78 кг/сек под давлением 15 бар максимальный диаметр капель составляет соответ­ ственно 1,5; 1,9 и 2,2 мм. Поскольку мазут распыливается в быстро движущийся воздушный поток, должно происходить дальнейшее измельчение капель путем их вторичного дробления. Согласно Μ. С. Волынскому (1948), этот эффект оказывается тем заметнее, чем больше размеры капель, вводимых в поток, и чем выше его скорость.

На основании результатов исследования Μ. С. Волынский полу­ чил критериальное уравнение и ввел понятие критерия вторичного дроб­ ления, который зависит от диаметра, поверхностного натяжения капли и относительной скорости ее движения. В момент начала раздвоения капли критерий вторичного дробления равен 10,7, а при полном дроб-

лении критерий вторичного дробления не менее 14. Последний режим рассматривается Μ. С. Волынским (1948) как режим распыливания. Образующийся при этом спектр частиц тем мельче, чем больше крите­ рий вторичного дробления. Режим дробления сохраняется при всех значениях этого критерия свыше 14.

Физическая причина распада капли заключается в том, что дефор­ мация ее достигает критической фазы, соответствующей резкому изменению формы. Благодаря этому капля становится неустойчивой

определяется как алгебраическая сумма модулей вектора относитель­ ной скорости и проекции вектора скорости истечения мазута на ось горелки.

Кривые изменения относительной скорости и минимальной средне­ расходной скорости воздуха в зависимости от диаметра капель анало­ гичны. Дробление крупных капель диаметром 1,5 мм и более следует ожидать уже при сравнительно малых скоростях, практически у лю­ бой горелки. Это может привести к тому, что при увеличении давле­ ния распыливания в области выше 15—18 бар, когда влияние давления на диаметр капель относительно мало, горение мазута может сущест­ венно ухудшиться, что замечено в процессе исследований котлов ПК-10 и ТГМ-84 при распиливании подогретых до НО—130o C мазутов MlOO и М200 форсунками производительностью 0,4—0,7 кг/сек. Диа­ метр капель при увеличении давления выше 20—22 бар изменялся от 1 до 2 мм, а скорость воздуха достигала 35—40 м/сек.. В|этих условиях ухудшался процесс горения, удлинялся факел и наблюдалось потем­ нение дыма. Очевидно, это объясняется необходимостью увеличения

82

значения минимальной среднерасходной скорости воздуха при повы­ шении давления распиливания, вызывающем переход от значений кри­ терия вторичного дробления более 14 к значениям менее 10,7.

В то же время следует иметь в виду, что не все капли заданного диа­ метра подвергаются дроблению, так как время их деформации может оказаться больше времени, необходимого для увлечения капли воздуш­ ным потоком.

При расчете времени пребывания капель в объеме топки необходимо учитывать, что нераздробленные относительно крупные капли, находясь в восходящем потоке газа, будут перемещаться в топке со скоростью, значительно меньшей скорости газового потока и равной разности между скоростью газового потока и равновесной скоростью витания капель. Это подтверждается результатами сопоставления равновесной скорости падения капель в газе соответствующего состава и тем­ пературы со скоростью движения продуктов сгорания мазута в топке. Следует заметить, что равновесная скорость падения капель может быть определена лишь приближенно, поскольку влияние тепло- и массообмена на коэффициент аэродинамического сопротивления движу­ щихся тел изучено недостаточно, известно лишь, что это влияние проявляется слабо (Jenkins, 1961).

По Д. Б. Сполдингу (1959), испарение жидкости с поверхности кап­ ли вызывает уменьшение коэффициента аэродинамического сопротив­ ления. Такое уменьшение для капель мазута будет частично компен­ сироваться увеличением их диаметра вследствие нагревания. Поэтому суммарный эффект воздействия процесса горения мазутных капель диаметром 1—2 мм на их коэффициент аэродинамического сопротив­ ления вряд ли может оказаться существенным. Как показали опыты D. С. Jenkins (1961), значения коэффициента аэродинамического со­ противления для капель и для шара совпадают, если значения критерия Рейнольдса не превышают 250—300.

При сопоставлении значений равновесной скорости для мазутных капель диаметром более 2 мм со скоростью газа в топочном объеме, близкой к 10 ÷ 15 м/сек, можно убедиться, что значения этих двух про­ тивоположно направленных скоростей оказываются весьма близкими. Это значит, что капли диаметром 2—3 мм практически не будут увле­ каться газовым потоком в направлении его поступательного движения. Если бы такие капли не выгорали, то время их пребывания в топке могло быть сколь угодно большим. В действительности же по мере выгорания крупные капли увлекаются газовым потоком и скорость их все время увеличивается, пока она, наконец, не приблизится к ско­ рости потока.

Следовательно, в современных малонапряженных мазутных топ­ ках обеспечивается необходимое соответствие между фактическим вре­ менем пребывания в топке крупных нераздробленных и не подвергших­ ся разрыву при сгорании капель мазута и временем, необходимым Для их полного сгорания.

Поскольку наиболее крупные капли мазута сосредотачиваются в наиболее высокотемпературной нижней части топки и обдуйаютсЙ

концентрации в топочной камере и газоходах котла, в то время как при использовании большего количества горелок производитель­ ностью до 0,3—0,6 кг/сек указанная неравномерность существенно снижается.

Следует отметить, что определенная неравномерность распределе­ ния избыточного кислорода при малом числе горелок имеет место даже тогда, когда общая неравномерность распределения топлива и воздуха по горелкам сведена к минимуму, что осуществить тем легче, чем мень­ ше число горелок. По-видимому, влияние неравномерности распреде­ ления топлива и воздуха на неравномерность распределения избыточ­ ного кислорода и уровень топочных потерь заметно снижается при уменьшении числа горелок.

Можно сделать вывод, что если уменьшение неравномерности рас­ пределения топлива и воздуха при большом числе горелок непосред­ ственно вызывает выравнивание поля избыточного кислорода, то при малом числе горелок такое выравнивание наступает не Есегда. Рас­ смотренная неравномерность полей газового состава может и не вызы­ вать значительных топочных потерь благодаря совершенствованию конструкции и компоновки топочно-горелочных устройств, а также возрастанию гидравлического сопротивления и расходных скоростей воздушного потока при увеличении единичной производительности горелок (Верховский, Красноселов, Машилов, Цирульников, 1970).

Различие в степени увеличения скорости для высокопроизводитель­ ных горелок тем больше, чем менее совершенна конструкция проточ­ ной части воздухонаправляющего аппарата и чем более груб фракцион­ ный состав распыленного мазута. Выше отмечалось, что повышение ско­ рости подачи воздуха в топку усиливает процесс вторичного дробле­ ния капель, вследствие чего возрастают пульсации газового потока, способствующие интенсификации тепло-и массообмена между продук­ тами горения и горящими каплями, и увеличиваются температуры в зоне выгорания основной массы распыленного мазута. Действием этих факторов в значительной мере и обусловливается эффективность высо­ копроизводительных горелок, успешно применяемых в настоящее время для сжигания мазута с малыми избытками воздуха при тепло­ вом напряжении топочного объема до 290 квт!м\

Применение высоконапорных горелок увеличивает расход электро­ энергии на дутье, что не во всех случаях может быть оправдано. В ласт­ ности, из рассмотрения соответствия между временем пребывания ка­ пель в топке и временем, необходимым для сгорания, следует, что использование высоких напоров воздуха не обязательно для обеспе­ чения полного сгорания мазута с малыми избытками воздуха при теп­ ловом напряжении до 240—290 квт/м*. Действительно, конструкции горелок ХФЦКБ— ВТИ и Ф. А. Липинского различаются по сопро­ тивлению и скорости воздуха и в то же время характеризуются при­ мерно одинаковой эффективностью сжигания. Так, в горелках конст­ рукции Ф. А. Липинского производительностью 2,2 кгісек с сопротив­ лением 420 данім2 и горелках ХФКЦБ — ВТИ с сопротивлением около 150 данім2 можно сжигать мазут в топках котла ТП-230 с одинаковым

85