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 длине тепловоспринимающей поверхности.

Достоинством диффузионных горелок являются:

- большие пределы регулирования (отсутствует проскок пламени),

- безопасная работа при практически неограниченной температуре подогрева воздуха,

- высокая степень черноты факела,

- возможность работы без дутья и при низком давлении газа.

К недостаткам диффузионных горелок относятся:

- необходимость повышения коэффициента избытка воздуха (a = 1,1…1,15) по сравнению с кинетическими горелками,

- более низкие тепловые напряжения топочного объема,

- 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 в топке. 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).

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

Рисунок 3.27 - Горелка ТКЗ для доменного 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 всегда 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.

Рисунок 3.28 - Схема горения капли жидкого топлива

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 от поверхности капли заметно увеличивает массовый подвод кислорода. Наиболее медленным процессом является испарение, которое и определяет скорость горения капли жидкого топлива.

Опыты и расчеты показывают, что время выгорания зависит от диаметра капли и параметров среды. Для распыления топлива и смесеобразования используют горелки с форсунками, которые распыляют жидкое топливо в поток воздуха, подаваемого в камерную топку через воздухонаправляющий аппарат горелки.

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 зону 3 – область догорания углеводородов.

1 – зона воспламенения; 2 – область испарения и образования горючей смеси; 3 – область догорания углеводородов;

l_з.в – длина зоны воспламенения; l_д – длина зоны догорания;

l_ф – длина факела

Рисунок 3.29 - Схема факела жидкого топлива

При достаточном количестве кислорода из углеводородов образуется формальдегид НСОН, 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 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:

¾ паровые форсунки;

¾ механические форсунки.

В паровых форсунках первичное дробление производится за счет кинетической энергии пара, истекающего из сопла. 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 ζ = 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 преобладают силы трения

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 форсунки, в которых использование центробежного эффекта (например, закрученной струи) приводит к разрыву сплошного потока. Дальнейшее дробление потока осуществляется также за счет давления воздушной среды. При использовании механических форсунок распыление улучшается с уменьшением вязкости и коэффициента поверхностного натяжения топлива, уменьшением диаметра сопла и с увеличением относительной скорости капли и потока.

3.10 Конструкции мазутных форсунок