47 УДК 532.5 + 621.181.7 АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ В ТУРБУЛЕНТНЫХ СМЕШИВАЮЩИХСЯ ОСЕВЫХ И ТАНГЕНЦИАЛЬНЫХ ПОТОКАХ 48 Докт. техн. наук, проф. ЕСЬМАН Р. И., канд. техн. наук, доц. ЯРМОЛЬЧИК Ю. П. Белорусский национальный технический университет Промышленность заинтересована в развитии технологий и разработке эффективных технических устройств для комбинированного сжигания раз- личных видов альтернативного топлива, позволяющих придерживаться высоких требований к современным технологическим процессам, с одной стороны, и к возрастающим экологическим стандартам, с другой стороны. Программа развития подобных технологий и конструирование новых устройств должны включать в себя комплекс методов термодинамического анализа, вычислительной гидродинамики, экспериментальной и теоретиче- ской аэродинамики течений с горением. В случае турбулентных диффузионных факелов пламени процесс сго- рания определяется структурой потока и смешением. Применяемые мето- ды расчета основаны на законах подобия турбулентных струй, теории по- тока в гомогенном реакторе и на полных уравнениях в частных производ- ных для турбулентного течения. При сгорании капель и частиц необходимо учитывать скорости гетерогенных реакций и распределение частиц по раз- мерам и в пространстве. Эмиссия загрязняющих веществ, таких как угле- водороды, сажа и оксиды азота, может быть уменьшена соответствующим управлением закономерностями изменения температуры и концентрации в области сгорания. Также необходимо учитывать расчетный лучистый поток теплоты от пламени к тепловым стокам (модель с идеальным перемешивани- ем, модель длинной топки, многоструйная модель, зонный метод анализа). В течениях с горением влияние тангенциальных потоков подаваемого воздуха и топлива направлено на стабилизацию высокоинтенсивных про- цессов эффективного чистого сгорания. Течения с существенной тангенциальной составляющей являются ре- зультатом сообщения потоку спирального движения с помощью тангенци- альной подачи сред в камеру с формированием окружной компоненты ско- рости. Экспериментальные исследования показывают, что спиральное движе- ние оказывает существенное влияние на поле течения: на расширение струи, процессы перемешивания и затухания скорости в струе (в случае инертных струй), на размеры, форму и устойчивость факела пламени и собственно на интенсивность горения (в случае реагирующих потоков). На все эти характеристики влияет интенсивность окружной компоненты скорости, которая характеризуется параметром закрутки, представляющим собой безразмерное отношение осевой компоненты потока момента коли- чества движения к произведению осевой компоненты потока количества движения и эквивалентного радиуса сопла. Каналы подачи топлива располагаются внутри осевых и тангенциаль- ных (генерирующих вихревые потоки) каналов подачи воздуха и вокруг стабилизатора (при использовании распыленного топлива, газа и т. п.) или в центре стабилизатора (при использовании жидких видов топлива, аль- 49 тернативного твердого топлива и жидких видов топлива и газа при подаче с помощью распылителя). Такая схема обеспечивает: • образование завихрений у корня факела пламени, которые обеспечи- вают его абсолютную стабильность даже в холодной топке; • управление формой факела пламени; • насыщение факела пламени топливом (за счет аэродинамического за- хвата); • создание в центральной части факела пламени условий, способству- ющих значительному сокращению образования окисей азота. Наиболее эффективным представляется использование двух независи- мых каналов подачи первичного воздуха с регулировкой сечения выходно- го отверстия: • через осевой канал подачи первичного воздуха – воздух эффективно подавать на высокой скорости, что обеспечивает узкую направленность потока. • через тангенциальный (генерирующий вихревые потоки) канал подачи первичного воздуха – воздух эффективно подавать на высокой скорости с завихрением потока. Регулирование распределения подаваемого воздуха между этими двумя каналами позволяет оптимизировать форму факела пламени в зависимости от геометрии топки и запроса на теплоту (мощность). При этом принцип рабо- ты данных двух каналов должен соответствовать следующим условиям. Создание высокой скорости движения воздуха в осевом канале имеет две цели: • затягивание и затем смешение в факеле пламени вторичного воздуха. Этот эффект достигается за счет системы регулирования сечения канавок и выходных отверстий на конце горелки, позволяющей управлять процес- сом горения и оптимизировать его; • управление размером диаметра факела. Завихрение воздушного потока вызывает вращение внутри факела, обеспечивая смешение первичного воздуха и топлива. Это вращение изме- няет форму факела, влияя на его диаметр. В зависимости от используемого вида топлива, расход первичного воз- духа желательно оставлять в пределах от 7 до 11 % общего расхода воз- духа. Горелочное устройство, удовлетворяющее современным условиям, должно работать на следующих видах топлива: • твердом – размельченные в пыль твердые виды топлива, такие как уголь, нефтяной кокс, бурый уголь, антрацит и т. п., подаются дутьевым способом через кольцевой канал, расположенный вокруг центрального стабилизатора; • газообразном – природный, коксовый, конвертерный, другие искус- ственные газы впрыскиваются через кольцевой газовый канал или газовую форсунку; • жидком – мазут, сырая нефть, дизельное топливо и т. п. распыляются через форсунки, размещенные по центру горелки; 50 • жидком или твердом альтернативном топливе, вводимом через цен- тральную часть горелки; • смешанном топливе в любых пропорциях. Воздух, поступающий через осевой канал, создает сильный факел (за счет высокой скорости потока). Канавки улучшают поглощение факелом вторичного воздуха, в то же время кольцевой зазор, ограничивая факел по диаметру (не допуская его отклонения), делает его узким. Изменение соот- ношения между сечением канавок и сечением кольцевого канала, позволя- ющее оптимизировать процесс сгорания, осуществляется путем изме- нения конфигурации наконечника горелки. Воздух, поступающий через тангенциальный канал (отклоняющий поток воздуха от оси топки), обеспе- чивает изменение вращательного движения потока (завихрение). При уси- лении завихрения факел становится немного больше по диаметру и смеше- ние топлива с воздухом происходит быстрее. Варьирование сечением выходного отверстия изменяет скорость исте- чения газа, что позволяет управлять струей газа. Измельченный уголь подается узким факелом при помощи соответ- ствующего количества транспортирующего воздуха со скоростью подачи до 35 м/с, которая оптимизируется в зависимости от характеристик исполь- зуемого топлива (количества летучего вещества, дисперсности, плотности и т. п.). Эффективнее всего скорость подачи регулировать путем изменения поперечного сечения выходного отверстия, если горелка оборудована ре- гулируемым распылителем измельченного угля, или добавкой транспорти- рующего воздуха, если горелка оборудована обычным нерегулируемым распылителем с дополнительным каналом транспортирующего воздуха, использующим первичный воздух для увеличения скорости подачи из- мельченного угля. Обычно центральный канал частично закрыт стабилизатором факела, через который проходит незначительное количество воздуха. Используют разные конструкции стабилизаторов, например тугоплав- кий стальной или керамический диск с многочисленными отверстиями, которые выполняют функцию удержания пламени у поверхности диска. Гильзы позволяют установить форсунки для подачи жидкого топлива или газа для использования при запуске горелки (если основное топливо – трудновоспламеняемое) или в основном процессе (если являются основ- ным топливом). Гильзы также следует предусмотреть для установки электрода розжига и/или розжиговой горелки, а также топливных инжекционных трубок для распыления альтернативных видов топлива (жидкого или твердого). Наиболее эффективным представляется регулировка по оси путем про- дольного смещения (вперед или назад) осевой внутренней инжекционной трубки на незначительное расстояние (как правило, не более 20 мм). Изме- нение положения этой трубки изменяет температурный профиль факела, благодаря варьированию соотношением поперечных сечений канавок и кольцевого канала на конце горелки, а также изменению скорости потока первичного воздуха. В положении, когда поперечное сечение кольцевого канала на конце горелки минимально, поток первичного воздуха слегка уменьшен, а поток 51 нагретого вторичного воздуха в факел увеличен, что повышает температу- ру в корне факела. В положении, когда поперечное сечение кольцевого канала на конце горелки максимально, максимально увеличен и поток первичного воздуха, который уменьшает диаметр факела. Поддерживая постоянное давление на входе в горелку и используя эти регулировки, можно получать более горячее или более холодное пламя в корне факела. Клапан осевого канала обычно должен быть полностью открыт. (Он может частично закрываться в определенных случаях, напри- мер, если был установлен слишком большой размер отверстия для распы- ления топлива.) Слишком низкое давление воздуха в осевом канале (если закрыть осе- вой клапан) даст длинный, ленивый факел, который обычно не пригоден для обеспечения хорошей работы печи или топки. Слишком высокая температура корня пламени (если открыть слишком широко осевой канал или при слишком мелком измельчении твердого топ- лива и т. п.), естественно, сократит срок службы наконечника горелки. Поступление воздуха через тангенциальный канал управляется силой завихрения воздушного потока. Когда сила завихрения уменьшается, по- ступление воздуха через тангенциальный канал тоже снижается и факел становится тоньше. Когда сила завихрения увеличивается, диаметр факела становится больше. Сила завихрения может регулироваться (рис. 1а–г): • воздействием на давление тангенциального потока воздуха (уменьше- ние давления понизит расход и скорость истечения на выходе). Давление тангенциального потока воздуха может быть снижено до 80 мбар маномет- рического давления с помощью клапана радиального канала подачи воз- духа; • за счет изменения поперечного сечения тангенциального канала путем продольного смещения (вперед или назад) внутренней завихряющей труб- ки (уменьшение поперечного сечения снижает расход воздуха). а б в 52 г Рис. 1. а – тонкий и короткий факел: максимальный осевой поток / уменьшенный тангенци- альный поток; б – короткий факел: максимальный осевой поток / увеличенный тангенци- альный поток; в – длинный факел: уменьшенный осевой поток / сниженное давление осе- вого потока / уменьшенный тангенциальный поток; г – широкий и длинный факел: умень- шенный осевой поток / сниженное давление осевого потока / увеличенный тангенциаль- ный поток В Ы В О Д Ы В результате исследований доказано, что для случая турбулентных диффузионных факелов пламени процесс сгорания комбинированного многофазного топлива определяется структурой потока и условиями сме- шения различных видов топлива и распределенных потоков окислителя. Определено, что соотношение подводимого на горение воздуха по осевому и тангенциальному каналам определяет форму факела пламени, его разме- ры и интенсивность процессов, что позволяет эффективно оптимизировать технологические параметры. Таким образом, можно утверждать, что многоканальная схема подачи разных видов топлива и организация двух независимых потоков воздуха (осевого и тангенциального) представляется наиболее оптимальной при комбинированном сжигании различных видов органического топлива. Проведен термодинамический анализ процессов горения комбиниро- ванного многофазного топлива в турбулентных потоках камер сгорания сложной геометрии. Разработана математическая модель газодинамиче- ских развитых турбулентных потоков в камерах сгорания сложной геомет- рии, включающая систему дифференциальных уравнений движения турбу- лентных комбинированных газовых потоков, уравнение энергии и кинети- ческое уравнение горения. Проведен численный эксперимент, позволяю- щий установить оптимальные параметры стабильного функционирования процессов горения без отрыва пламени с вторичными турбулентными по- токами, обеспечивающими значительное снижение вредных веществ (NOx, CO, SOx и др.) в дымовых газах. В результате исследований разработана методика, позволяющая в оперативном режиме проводить пускона- ладочные работы для организации стабильного и чистого горения много- фазного топлива в камерах сгорания сложной геометрии. Представлена кафедрой ПТЭ и ТТ Поступила 12.12.2008 УДК 629.12.036