Курс лекций «Основы экологии и охрана воздушного бассейна» Содержание (стр. 16 из 20)

Исследование аэродинамики потока в комбинированной двух- зонной горелке первого типа (с укороченной трубой) проведено на

224

горелке с расходом газа 250 м@/ч (см. рис. 5-16), с диаметром цилиндрического канала 6?ц=300 мм, а=0,Зд?ц (интенсивность крутки 1,8) и б@тр==0,Зб?ц и 0.5@ц. При исследовании интенсивность крутки изменялась с помощью языкового шибера. Характеристики воздушного потока определялись по 12 радиусам через интервалы, равные О,@. Распределение средней

Рис. 5-28. Распределение скоростей воздуха в цилиндрическом канале.

/-.7 - значения б при ото-0,511 и м=1,8: /-0.1; @-0,25; @О@. /-и - скорость воздушного потока: 1 - результирующая, а - аксиальная.

0,4

результирующей скорости шр. ф при различном расходе воздуха по осевой трубе, выраженное в процентах от общего расхода воздуха на горелку, при п=1,8 и б?тр= ==0,3@ц приведено на рис. 5-28.

Средняя результирующая (действительная) скорость потока определялась усреднением максимальных скоростей потока, изморенных на данном расстоянии от центра по 12 радиусам

шр. ср = @ пир/г.

(5-12)

Общий расход воздуха во всех опытах выдерживался постоянным и соответствовал а=1,1.

По оси ординат отложена приведенная осевая скорость щос.пр, определенная расчетным путем:

шос. пр == 0,353. 10-» (1 + ат @о) (В/Да) (7/273), (5-13) шр. ср/а@ос. пр == 772. 103 {шр. @/[Д (1 + пМ Т\ I (5-14)

где @о - теоретически необходимое количество воздуха.

По оси абсцисс отложено расстояние от оси в долях радиуса /? цилиндрического канала.

Подача части воздуха по осевой трубе приводит к значительному изменению эпюры скоростей в цилиндрическом канале горелки. При этом существенно изменяются дальнобойность газовых струй в газовой камере и концентрация кислорода в корне факела.

Штриховыми линиями показано изменение аксиальной составляющей скорости для тех же режимов. По оси ординат отложена безразмерная скорость ша, характеризующая отношение аксиальной составляющей скорости

Ша. ср == Шу. ср 51П рср (5-15) к осевой приведенной скорости

[е@а=Ша.Ср/ШОС.Пр· (5-16)

Определение аксиальной составляющей скорости на различном расстоянии от оси цилиндрического канала дает возможность рассчитать распределение расхода воздуха и определить количество газа, которое следует подавать в ту или иную зону поперечного сечения воздушного потока. Сумма расходов в отдельных кольцевых сечениях должна соответствовать общему расходу

20 == (@ шее' @гДг == шос. пря@. (5-17)

Взаимодействие прямого и закрученного потоков заключается в том, что прямой поток приобретает осесимметричное вращательное движение, а закрученный поток несколько «раскручивается», т. е. угол закрученного воздушного потока по спирали р возрастает.

Аэродинамические исследования при изотермических условиях, являясь одним из наиболее распространенных методов изучения качественных закономерностей организации топочных процессов, не могут дать количественных зависимостей, непосредственно связанных с параметрами факела, тем более определяющих выход оксидов азота. Поэтому при изучении влияния осевого потока на параметры вихревого факела при изменении конструктивных и режимных факторов были проведены исследования го- релочных устройств (см. рис. 5-27) с двухступенчатым комбинированным подводом воздуха на огневых стендах в открытой атмосфере и в камере сгорания больших размеров в лаборатории Института газа АН УССР (рис. 5-29).

В первом случае проводились визуальные наблюдения и фотографирование факела, во втором - изучение полей температур, концентраций, тепловых потоков от факела, а также исследования условий образования оксидов азота при комбинированной подаче воздуха и при подаче воздуха только через тангенциальный патрубок.

Экспериментальная установка (см. рис. 5-29) представляла собой прямоугольную горизонтальную топочную камеру из шамотного кирпича с внутренними размерами 1.5Х1.5Х4.5 м, стенки которой полностью экранированы водоохлаждаемыми трубами. В передней стенке камеры (1.5Х1.5 м) установлена вихревая горелка с периферийной подачей газа и комбинированным подво-

226

Гис. 5-29. Стенд для огневых исследований.

дом воздуха (расчетный расход газа 100 м@/ч). Продукты сгорания отводились через прямоугольный канал в задней экранированной стенке. Для измерений в камере имелось 33 лючка, расположенных по три в вертикальном ряду в десяти сечениях камеры с расстоянием друг от друга 400 мм, начиная от плоскости среза амбразуры.

На фотографиях (рис. 5-30) показано изменение размеров факела вихревой горелки с комбинированным подводом воздуха при изменении доли вторичного воздуха б от О до 0,5. С увеличением расхода по осевой трубе до б==0,3 жесткость факела уменьшается, а длина и, что наиболее трудно объяснимо, прозрачность увеличиваются. При б=0,4 факел становится менее прозрачным, а при бяО.5 резко увеличивает свою дальнобойность и желтеет, приближаясь по окраске к диффузионному прямоточному факелу.

Изменение относительной длины факела (@ф=@ф/@ф,,) приведено на рис. 5-31, здесь @фд - длина факела при б==0 и д=1,8. Изменение интенсивности крутки в интервале значений д=1,8- -4,3 достигалось путем изменения положения языкового шибера, а в интервале д@1.8-0.3-за счет увеличения доли воздуха, подаваемого по осевой трубе (б=0-0,5). Экспериментальные отрезки кривой в области п=1,8 удовлетворительно стыкуются, что свидетельствует о правильности выражения (5-11) для интенсивности крутки комбинированных потоков. Экспериментальная кри-

227

@Они

Рис. 5-30. Факел горелок с комбинированной податей воздуха (тангенциальной и осевой) при значениях б: О (а), 0,2 (б), 0,4 (в) и 0,5 (г).

200 400 600 0 Расстояние от оси намерь/ сеоранця

01 Ч

Рис. 5-32. Распределение температур в поперечных сечениях камеры при тангенциальном (1) и комбинированном (2) (б=0,5) подводах воздуха на расстоянии от горелки @: 2,5 (а), 5,5 (б) и 8 (в).

дал. 02, СО, %

Рис. 5-31. Изменение длины факела при разных интенсивности крутки и подаче части воздуха по оси.

вал @ф/@фо==/(л) удовлетворительно аппроксимируется эмпирической зависимостью

@ф/@ф„»1,2к-°·@. (5-18)

Интересно отметить, что несмотря на различный характер кривых @ф/@фа=@(п), абсолютные значения длины факела, определенные в открытой атмосфере, достаточно близко (Л@(1)=±0,07)

"128

@ @

200 400 еОО О 200 400 600 0 200 ЩО ВООмм

Расстояние от оси камеры сгорания

Рис.5-33. Концентрации СОа (1), Оа (2) и СО(,3) при комбинированном подводе воздуха на расстоянии от горелки @: 2,5 (а), 5,5 (б) и 8 (в).

совпадали с определенной визуально и по степени выгорания длиной факела в экранированной топочной камере с горизонтальным развитием факела. На графиках (рис. 5-32, 5-33) приведено распределение температур факела и концентраций выбросов в сечениях [,=2,5·, 5,5; 8 при сжигании газа (ат и р - постоянные Белизна

чины) в вихревом (п=1,8) и комбинированном (б=0,5) газого- релочных устройствах. В первом случае выгорание топлива практически заканчивается ()(=0,997-1) в сечении камеры, соответствующем @@о = 6, а при ступенчатом подводе воздуха это расстояние существенно увеличивается:

@@о. в < @@о. к' (5-19)

При комбинированном (ступенчатом) подводе воздуха положение Тф щах смещается к оси камеры горения лишь на значительном расстоянии от горелки (@«8). Максимальные изморенные температуры на отдельных участках зоны горения внутри амбразуры и вблизи нее при комбинированном подводе воздуха были существенно ниже, чем в вихревом факеле (1670 и1420 "С).

На рис. 5-34 приведено распределение тепловых потоков по длине камеры при двух способах сжигания, изморенное узкоуголь- ным радиометром. Подача части воздуха (б=0,5) прямым потоком по осевой трубе приводит к снижению Тф щах и уменьшению концентраций оксидов азота, образующихся в зоне горения. При подаче части воздуха по оси вихревого потока характер изменения концентраций меняется. Однако все локальные значения концентраций оксидов азота меньше минимальных значений в вихревом потоке и усредненные по сечению значения концентраций в комбинированном потоке всегда ниже, чем в вихревом (рис. 5-35, 5-36). В сечении, где горение еще не завершено, Ссо=1-1,4%, Си, = 0,4 - 1,2 %, я == 0,93 - 0,95, а концентрация оксидов азота достигает максимальных значений. В дальнейшем концентрация оксидов азота уже не изменяется по длине топочной камеры (см. рис. 3-31). При б=0,5 оптимальные соотношения концентраций при комбинированном и вихревом подводах воздуха составляют

(5-20)

у@, ккал/@- ч)

[Смо@ср = [(Смо@комб/@Смо@в@р = 0,64; [@СМО@1пах= [(СМО@омб/@мО@в@ах « 0,63.

(5-21)

Экспериментальные исследования двухзонных газогорелочных устройств, проведенные на той же крупной лабораторной установке (см. рис. 5-29) при изменении режимных и конструктивных факторов в интервале Дг=50-200 м@/ч и а=1,03-1,20, показали, что подача части воздуха (б==0,3-0,5) прямым потоком по оси вихревой горелки позволяет снизить концентрацию оксидов азота в факеле и конечных продуктах сгорания на 37-40%.

Г. Ф. Найденовым и автором в 1960-1970 гг. в Институте газа АН УССР был разработан ряд комбинированных горелочных устройств, рассчитанных на сжигание газового топлива, а впоследствии реконструированных при участии Белгородского котла- строительного завода, Промэнергогаза (Ленинград) и других организаций в газомазутные и пылегазовые.

330

7.2.4 Впрыск воды и введение пара в реакционную зону факела