Диффузионные горелки

Диффузионные горелки применяют чаще всего на установках с большим объемом камеры сгорания, когда за счет растянутого горения требуется обеспечить равномерную теплоотдачу по всей тепловоспринимающей поверхности.

Достоинством диффузионных горелок являются большие пределы регулирования (отсутствует опасность проскока пламени), безопасная работа при практически неограниченной температуре подогрева воздуха, высокая степень черноты факела, возможность работы без дутья и при низком давлении газа. К недостаткам относятся необходимость некоторого повышения коэффициента избытка воздуха (a = 1,1-1,15) по сравнению с кинетическими горелками, более низкие тепловые напряжения топочного объема и ухудшения условия догорания в хвостовой части факела.

К диффузионным горелкам относится горелка ТКЗ для сжигания доменного газа (рис. 3.27). Газ и воздух в соизмеримых количествах поступают с противоположных сторон приемного двустороннего коллектора. Далее газ и воздух проходят через слоистый распределитель параллельными перемежающимися плоскими потоками. Из горелок воздух выходит через щели плоскими потоками с обеих сторон газового сопла, что создает благоприятные условия для смешения потоков. Скорость газа и воздуха на выходе из сопел составляет ~20-30 м/с. Производительность горелки по доменному газу составляет 3,35-4,2 м³/с (12000-15000 м³/ч).

Рис. 3.27. Горелка ТКЗ для доменного газа:

1 – приемный двусторонний коллектор для газа и воздуха; 2 – шиберы для регулировки подачи воздуха; 3 – слоистый распределитель; 4 – щели для воздуха; 5 – сопла для газа

3.9. Горение жидких топлив

При сжигании жидких топлив температура воспламенения и тем более температура горения оказывается выше температуры кипения отдельных фракций, входящих в состав жидкого топлива. Поэтому вначале происходит испарение топлива с поверхности за счет подводимой теплоты, а затем пары топлива смешиваются с воздухом, подогреваются до температуры воспламенения и горят. Рассмотрим схему горения капли жидкого топлива (рис. 3.28). Вокруг капли образуется облако паров, которое диффундирует в окружающую среду. Навстречу происходит диффузия кислорода. В результате на некотором расстоянии устанавливается стехиометрическое соотношение между горючими газами и кислородом. Здесь и находится фронт горения паров топлива, образующий сферу вокруг капли.

В зоне реакции устанавливается максимальная температура горения, которая затем снижается в обе стороны от фронта горения, но более интенсивно по мере приближения к капле ввиду затраты теплоты на нагрев и испарение топлива.

Скорость горения капли жидкого топлива определяется скоростью испарения с поверхности капли, скоростью химической реакции и скоростью диффузии кислорода к зоне горения. Скорость реакции в газовой фазе очень велика и не может тормозить скорость горения. Количество кислорода, диффундирующего к фронту горения, пропорционально квадрату диаметра шаровой поверхности, на которой протекает горение, поэтому небольшое смещение зоны горения от поверхности капли заметно увеличивает массовый подвод кислорода. Наиболее медленным процессом обычно является испарение, которое и определяет скорость горения капли жидкого топлива.

Время выгорания капли можно рассчитать в первом приближении с помощью уравнения теплового баланса испарения капли за счет тепла, получаемого из зоны горения:

, (3.18)

где q – количество теплоты, получаемой из зоны горения единицей поверхности капли, в единицу времени, Вт/(м²×К); F – площадь поверхности капли, в данный момент времени, м²; t - время, с; r - плотность жидкого топлива, кг/м³; с_к – средняя теплоемкость жидкого топлива, кДж/(кг×К); t_к и t₀ – температура кипения и начальная температура жидкого топлива, ºС; χ – теплота испарения жидкого топлива, кДж/кг; dV=Fdr – уменьшение объема капли за промежуток времени dt, м³.

Сложность интегрирования данного уравнения заключается в том, что величина q является функцией текущего радиуса капли. Предположим, что теплообмен капель с окружающей средой определяется только конвекцией (это справедливо для капель малого диаметра). В этом случае тепловой поток, воспринимаемый каплей:

, (3.19)

где a - коэффициент теплоотдачи; t_г – температура окружающей среды (газа); t_к – температура поверхности капли (практически равная температуре кипения капли).

Движение мелких капель жидкого топлива, взвешенных в потоке воздуха, характеризуется малыми относительными скоростями обтекания капли. В этом случае конвективный коэффициент теплоотдачи может быть определен как

, (3.20)

где - коэффициент теплопроводности газа, Вт/(м·К); r – текущий радиус капли жидкого топлива, м. Подставив выражение для потока в уравнение теплового баланса, получим

. (3.21)

После интегрирования по времени в пределах от 0 до полного времени выгорания капли τ_г и по радиусу в пределах от r₀ до 0 получим выражение для определения времени выгорания капли t_г в зависимости от ее начального радиуса r₀ и других параметров:

. (3.23)

Опыт показывает, что формула качественно правильно описывает зависимость времени выгорания от диаметра капли и параметров среды. Для распыления и смесеобразования используют горелки с форсунками, которые распыляют жидкое топливо в поток воздуха, подаваемого в камерную топку через воздухонаправляющие аппараты горелок.

Структура образующегося факела при сжигании жидких топлив представлена на рис. 3.29. Горение основной части парообразных углеводородов происходит в зоне воспламенения, занимающей наружный слой факела. Зона воспламенения 1 делит пространство на две области: внутреннюю 2, в которой протекает процесс испарения и образования горючей смеси, и наружную 3.

При достаточном количестве кислорода из углеводородов образуется формальдегид, который сгорает с образованием СО₂ и Н₂О (НСОН + О₂ = СО₂ + Н₂О). При недостаточном количестве окислителя после испарения происходит термическое разложение углеводородов с образованием тяжелых высокомолекулярных комплексов вплоть до сажистого углерода.

Для улучшения выгорания топлива необходимый для горения воздух следует подавать в корень факела. Эффективность сжигания жидкого топлива в значительной степени зависит от первых подготовительных этапов, определяемых работой форсунки. Чем меньше диаметр капли жидкого топлива, тем быстрее протекают процессы испарения и смесеобразования.

По способу распыливания жидкого топлива форсунки разделяются на паровые и механические. В паровых форсунках первичное дробление производится за счет кинетической энергии пара, истекающего из сопла форсунки. Движущаяся капля подвергается давлению газовой среды, которая стремится расплющить и раздробить каплю. Давление среды на движущуюся в ней каплю определяется силой трения среды на лобовое сечение капли. Давление, создаваемое силами трения, Р₁ = zrW², где ζ – коэффициент сопротивления среды (обычно при Re = 10³-10⁵ составляет 0,2); r - плотность среды, кг/м³; W – относительная скорость капли, м/с. Поверхностное натяжение придает частице сферическую форму. Давление, определяемое силами поверхностного натяжения, составляет Р₂ = 2 σ/r, где σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м; r – радиус капли, м. Дробление жидкого топлива на более мелкие капли происходит когда Р₁ > Р₂, а максимальный диаметр капли определяется при условии Р₁ = Р₂, т.е. 2z/r = zW²r. Отсюда максимальный размер капель жидкого топлива может быть рассчитан как .

Тонкость распыления зависит от величины поверхностного натяжения, плотности среды и относительной скорости движения капли и газа (воздуха или пара). Поскольку для нефтепродуктов поверхностное натяжение уменьшается с повышением температуры, предварительный подогрев мазута существенно повышает тонкость распыливания.

Вторым типом форсунок являются механические, в которых использование центробежного эффекта приводит к разрыву сплошного потока. Дальнейшее дробление потока осуществляется также за счет давления среды. При использовании механических форсунок распыление улучшается с уменьшением вязкости, коэффициента поверхностного натяжения, диаметра сопла и с увеличением относительной скорости капли и потока.

3.10. Конструкции мазутных форсунок