УДК 662.767.2
DOI: 10.15587/1729-4061.2021.242984
Визначення основних характеристик стабілізаторних мікрофакельних пальникових пристроїв при спалюванні забаластованих паливних газів О. Ю. Черноусенко, Л. С. Бутовський, О. О. Грановська, О. С. Мороз, О. С. Старченко
Були проведені експериментальні дослідження щодо спалювання альтер- нативних газів у вигляді суміші пропан-бутану з повітрям і двоокисом вуглецю за стабілізаторним плоским модулем, який обтікався з обох боків повітряним потоком. Забаластоване паливо подавалось струменями в повітряний потік із отворів, що розміщувались на бокових стінках стабілізатора. При цьому від- бувалось часткове попереднє перемішування палива і повітря. Встановлено, що при баластуванні палива інертними домішками довжина факелу і максимальна температура поступово зменшуються, а викиди оксидів азоту знижуються.
При збільшенні вмісту баласту в паливі відбувається зрив горіння. Встановле- на залежність стійкості факелу від відносної витрати баласту. Для стабілі- зації горіння в зону рециркуляції за стабілізатором з окремого колектора пода- ється високо реакційне паливо. Забаластоване паливо проходить через чергові факели високотемпературного палива і відбувається процес горіння всього па- лива. Комбінована схема сумішеутворення дозволяє регулювати витрату пали- ва по зонах і таким чином підтримувати стабільну потужність пальника. У разі подачі всього палива в зону рециркуляції за стабілізатором можлива поява так званого «багатого» зриву, при якому відбувається відрив факелу від стабі- лізатора. При роботі на таких режимах високо реакційне паливо подається з отворів на бокових стінках стабілізатора, які розміщуються ближче до його зривних кромок, ніж отвори подачі забаластованого палива. При цьому стру- мені забаластованого палива також проходять між факелами високо реакцій- ного палива і відбувається сумісне горіння всього палива.
Ключові слова: пальниковий пристрій, сталість горіння, забаластований паливний газ, довжина факелу, стабілізатор, баластування, паливний газ, ха- рактеристики горіння.
1. Вступ
В світі спостерігається карколомне підвищення цін на природний газ.
Оскільки рівень споживання в енергетиці та промисловості викопних палив, зокрема, природного газу, в значній мірі впливає на розвиток народного госпо- дарства промислово розвинених країн, ця подія ставить під загрозу економічну стабільність цих держав. Такий факт підсилює інтерес до проведення дослі- джень щодо широкого використання інших палив, що можуть замістити приро- дний газ. Сюди відносяться таке високо реакційне паливо, як скраплений газ (пропан-бутан), а також так звані альтернативні газові палива природного та штучного походження.
Not
a reprint
Озвучений стан речей має особливе значення для держав, в народному го- сподарстві яких відмічається дефіцит енергоносіїв, в першу чергу, природного газу. Враховуючи високу ціну імпортного природного газу для них є актуаль- ним заміщення витрат висококалорійного природного газу середньо та низько калорійними газовими паливами природного та штучного походження [1].
Наприклад, за даними Агенства з охорони оточуючого середовища США обсяг викидів метану в діючих та закритих вугільних шахтах склав у 2020 р.
1742 Мт у еквіваленті двоокису вуглецю [2].
Використання альтернативних палив дозволить скоротити витрату кошто- вних та дефіцитних викопних водне-вуглецевих палив. Включення в паливний баланс відходів сільськогосподарського та промислового виробництва також дозволить зменшити викиди двоокису вуглецю у навколишнє середовище.
Таким чином, питання використання альтернативних газових палив, в тому числі, в енергетиці і промисловості, та пошук засобів для їх ефективного спа- лювання є дуже актуальним і повинно бути одною зі складових політики раціо- нального та ощадливого використання відновлювальних джерел енергії.
2. Аналіз літературних даних та постановка проблеми
В роботі [3] викладені основи біогазових технологій, виконано аналіз влас- тивості біомаси як енергетичного палива, а також ефективності використання біоенергетичного палива.
Альтернативні палива в переважній більшості являють собою гази, що міс- тять у своєму складі метан в різних пропорціях, розбавлений вуглекислотою, азотом, повітрям і різними домішками. Якщо вважати баластні домішки інерт- ними, то їх присутність, фактично, зводиться переважно до зменшення частки метану, що виділяє тепло, і збільшенні баластної маси газів, що тепло поглинає.
Це призводить до зниження температури полум′я, звуження концентраційних меж горіння палива і зниження стійкості горіння в повітряному потоці.
Кінетика механізму горіння різних забаластованих газів вивчалась в [4].
Показано, що принципово механізми горіння метану і біогазу мають однаковий характер.
В Інституті Газу НАН України виконуються дослідження та впровадження в промислових котлах та установках різного призначення біогазу різного скла- ду [5]. Встановлено зменшення довжини факелу при збільшенні вмісту двооки- су вуглецю, зниження швидкості розповсюдження полум’я, а також зменшення виходу оксидів азоту. В той же час відмічається небезпека відриву полум’я.
При досліджені сумішей природного газу та диоксиду вуглецю (імітація біогазу) [6] був зроблений висновок, що така суміш може імітувати в певних межах біогаз і має з ним сходні характеристики. При збільшенні вмісту доміш- ки зменшується довжина факелу, знижуються викиди оксидів азоту, а також погіршується сталість факелу у порівнянні з метаном.
В [7] досліджувався вплив сумішей метан-повітря та біогаз-повітря на ха- рактеристики горіння ламінарного факелу. Були визначені швидкості горіння сумішей і зроблені висновки, що присутність інгібіторів (двоокис вуглецю і
For reading
only
азот) має більший вплив на зниження нормальної швидкості розповсюдження полум′я в багатій суміші.
Роботи [8] виконувались із спалювання газів з різним складом суміші, що імітувала різні гази: з воднем, двоокисом вуглецю та метаном. Встановлено, що на даний час відсутня універсальна модель турбулентного горіння газів. Най- більш придатною є K-ε модель. Експериментальні дослідження показали, що добавка водню покращує стабільність горіння завдяки збільшенню нормальної швидкості розповсюдження полум’я.
В промисловості з метою економії коштів часто при спалюванні низько ре- акційних використовують ті ж самі пальники, що призначені для спалювання високо реакційних палив. Але відмінності у властивостях цих газів призводять до звуження можливого діапазону горіння, зриву факелу і появи значного не- допалу [9].
Одним з підходів щодо інтенсифікації процесу спалювання низько кало- рійних газів при одночасному укороченні факелу може бути попереднє перемі- шування газу з повітрям в змішувачі, а також багатоструменева подача газу в прямоточний або закручений потік повітря [10]. Однак в обох випадках зали- шається проблема забезпечення сталості горіння при зміні вмісту баласту у газі.
У разі зміни концентрації домішок необхідні додаткові засоби для стабілі- зації полум′я. Таким засобом може бути використання додаткового джерела з високою температурою – стабілізуючого (чергового) факелу.
Такий спосіб спалювання газу із змінними характеристиками запропонова- но в [11]. В розробленому пальнику подача природного і генераторного газу передбачається по окремих каналах. Утворення суміші газів та їх перемішуван- ня з повітрям здійснюється в тунелі пальника та в самій топці, що призводить до зменшення інтенсивності процесу горіння і збільшення довжини факелу.
Останнім часом питанню використання забаластованих газів приділяється значна увага в енергетиці, зокрема, стосовно газових турбін.
В Європейському Союзі виконується проєкт «Високоефективна газова турбіна з використанням синтетичного газу» [12]. В рамках проєкту передбаче- но використання сучасних технологій газифікації та переробки біомаси для отримання біогазу (суміш 40÷75 % метану з вуглекислим газом і різними домі- шками) і синтетичного газу (синтез-газу – суміші водню і оксиду вуглецю плюс різні домішки).
Відповідні дослідження [13] виконано при роботі на синтез-газі газотур- бінної установки типу V94.2K компаній Siemens та Ansaldo. Вказано, що при розробці пальникових пристроїв даного типу довелось вирішувати задачу, пов’язану з високою швидкістю розповсюдження полум’я завдяки присутності водню. В модернізованому пальниковому пристрої для турбіни SGTS-4000F передбачено дві лінії подачі газу – пілотна і основна. Використання в якості пі- лотного палива синтез-газу дозволяє зменшити втрати природного газу. В зоні змішування спосіб спалювання наближений до спалювання попередньо підго- товленої суміші. Звертається увага на можливість «проскоку» полум′я в змішу- ючу частину пальника.
Not
a reprint
В роботі [14] для турбіни потужністю 2,5 МВт передбачено проведення досліджень на природному, попутному нафтовому і піролізному газі, дизельно- му паливі. Дослідження виконувались з використанням технології RQL (Rich- Burn, Quick-Mix, Lean-Burn Combustor), тобто горіння багатої суміші, швидке перемішування і горіння бідної суміші. Встановлено, що при роботі на синте- тичному паливі з’являється вірогідність збільшення NOx, що потребує додатко- вих досліджень.
В [15] визначались характеристики газової турбіни при використанні біо- газу, етанолу і синтез-газу у порівнянні з роботою на природному газі. Встано- влена можливість роботи з використанням біопалив, але потрібна відповідна перебудова конструкції камери згоряння.
При використанні іскрового запалювання факелу були проведені випро- бування на трьох видах біопалива у суміші з метаном [16]. Встановлено, що оп- тимальним варіантом є суміш біогазу з добавкою 50 % метану. При тих же умо- вах був досягнутий найвищий рівень ефективності і зниженні оксиду вуглецю і оксидів азоту.
Проведені дослідження показали, що для стабілізації і ефективного горіння низькокалорійного газу важливу роль має не тільки наявність чергового факелу, а і спосіб організації комбінованого горіння. Схема подачі газів залежить, як правило, від конструкції даного пальникового пристрою і не може бути розпо- всюджена на пальники іншого виконання.
В енергетиці та промисловості для організації робочого процесу спалю- вання палива, в тому числі низько реакційного, традиційно використовуються регістрові пальникові пристрої. До недоліків регістрових пальникових пристро- їв можна віднести значний гідравлічний опір, а також високу чутливість повно- ти згоряння до зміни коефіцієнту надлишку повітря (α) [17].
Таким чином, проблема спалювання альтернативних газових палив вирі- шується конкретним виробником в залежності від прийнятого способу органі- зації робочого процесу і конструктивного виконання пальникового пристрою.
Одним з можливих перспективних напрямків забезпечення ефективного спалювання альтернативних паливних газів може бути використання технології мікрофакельного спалювання палива в модульних пальниках стабілізаторного типу. Робочий процес в таких пальниках при спалюванні висококалорійних га- зів досліджено в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут (НТУУ «КПІ») [18, 19].
3. Мета та задачі дослідження
Метою роботи є визначення основних характеристик стабілізаторних мо- дульних пальникових пристроїв в умовах спалювання забаластованих газових палив при різних схемах сумішоутворення. Досягнення мети дозволить розро- бити рекомендації щодо вибору конструктивних параметрів пальника в залеж- ності від умов роботи, розширити номенклатуру низько реакційних палив і сферу застосування модульних пальників.
Реалізація поставленої мети передбачає розв′язання наступних завдань:
For reading
only
– визначити характеристики горіння палива за стабілізатором при подачі газу за різними схемами сумішеутворення;
– визначити вплив на характеристики горіння додавання домішок у вигляді повітря і двоокису вуглецю на попереднє перемішування з газовим паливом;
– розробити способи розширення діапазону сталого горіння забаластовано- го низько реакційного газу шляхом використання комбінованої системи сумі- шеутворення;
– виробити рекомендації щодо організації сталого спалювання забаласто- ваних палив в стабілізаторних пальниках.
4. Матеріали та методи досліджень
Експериментальні дослідження виконувались на дослідному стенді із змінними робочими ділянками за існуючими методиками з використанням від- повідних приладів та обладнання. Робоча ділянка стенду показана на рис. 1.
Повітря від компресора через спрямляючу ділянку 1, дросельну решітку 2 пода- ється в перехідну ділянку 3 і потім в робочу ділянку 4. Стінки робочої ділянки покриті вогнетривкою футеровкою 7 і додатково охолоджуються водою, яка подається через патрубок 9 в охолоджуючий канал 8 і виходить через патрубок 10. Для виконання замірів температури газів в топковому просторі і відбору проб для хімічного аналізу передбачена система штуцерів 6.
В стенді встановлюється система плоских колекторів-стабілізаторів 5, че- рез які подається паливо (газ) на горіння.
Рис. 1. Дослідний стенд: 1 – спрямляюча ділянка; 2 – дросельна решітка; 3 – пе- рехідна ділянка; 4 – робоча ділянка; 5 – колектор–стабілізатор; 6 – штуцер; 7 – вогнетривка футеровка; 8 – охолоджуючий канал; 9 – підведення охолоджуючої
води; 10 – відведення охолоджуючої води
Конструкція стенду дозволяє вимірювати і контролювати температуру га- зів, поле швидкості повітря, концентрацію газу при ізотермічних продувках і склад продуктів реакції при горінні.
Not
a reprint
Проведення експериментальних досліджень сумісного спалювання високо реакційного та альтернативних газових палив різного складу виконувалось на модулях пальникових пристроїв.
Під час досліджень були випробувані пальникові пристрої на базі плоских стабілізаторів порівняно невеликого розміру, які встановлюються в повітряно- му потоці (рис. 2).
В окремому модулі пальника за рис. 2, а в корпусі 1 передбачено дві роз- дільних камери і окреме підведення палива до кожної з них. По патрубку 2 па- ливо поступає в камеру 3 і далі через отвори 4 подається в аеродинамічний слід за стабілізатором (умовно – Ι схема газороздачі).
За другою схемою газороздачі (умовно – ΙΙ схема), паливо по патрубку 5 поступає в окрему порожнину стабілізатора і через отвори 6 струменями впро- вадженням подається в повітряний потік, що обтікає стабілізатор. На рис. 2, б показано розміщення модулів в пальниковому пристрої.
Під час досліджень для варіанта з подачею газу за Ι схемою прийняте таке умовне позначення стабілізатора, наприклад: 15,5-0,155-8Ø3-Ι. Перша цифра означає ширину стабілізатора, Вст, мм; друга – коефіцієнт затінення камери зго- ряння, Кf=Вст/tст, де tст – крок розміщення стабілізаторів; третя цифра – кількість і діаметр газових отворів, dг, мм; четверта – прийнята умовна схема газороздачі.
При подачі газу за ΙΙ схемою прийняте таке умовне позначення, наприклад:
15,5-0,155-12Ø2-60-ΙΙ. Перша цифра означає Вст, мм; друга – Кf; третя цифра – кількість і діаметр газових отворів, dг, мм; четверта – відстань L1, мм, від осі газових отворів до зривної кромки стабілізатора; остання цифра – умовна схема газороздачі.
На дослідній ділянці виконувались випробування одного або системи мо- дулів при зміні параметрів в такому діапазоні: Вст=15÷40 мм, Кf=0,15÷0,45, діа- метр газових отворів dг=1,5÷3,0 мм.
В якості високоенергетичного палива використовувався балонний природ- ний газ з вмістом метану до 98–99 % і балонна суміш пропан-бутану (50 % на 50 %). В якості баластових домішок використовувались двоокис вуглецю (СО2) і повітря.
Розроблений пальниковий пристрій відповідає сучасному підходу до ство- рення пальників, а саме принципу модульності і мікрофакельності, який реалі- зовано в конструкціях пальникових пристроїв і камер згоряння сучасних про- відних фірм [20–24].
Кожен елемент пальникового пристрою (у даному випадку стабілізатор) з відповідною системою організації процесу сумішоутворення та горіння являє собою окремий самостійно працюючий пальник, в якому процес горіння особ- ливо на початковій ділянці відбувається індивідуально (рис. 3).
Запропонований підхід дозволяє в процесі розробки пальника виконувати дослідження і доводку окремого модульного елементу. Якщо пальниковий при- стрій складається з N модулів, то при загальній витраті газу на пальник Gг на один модуль припадає Gг/N доля витрати палива. При розробці пальникового
For reading
only
пристрою для конкретного об′єкту можна змінювати кількість модулів і, таким чином, загальну потужність пальника.
а
б
Рис. 2. Пальниковий пристрій для спалювання газу: а – модульний стабілізатор для комбінованого спалювання газів; б – стабілізаторний мікрофакельний паль-
никовий пристрій; 1 – корпус; 2, 3, 4 – патрубок, камера і отвори подачі газу в зону рециркуляції (Ι схема); 5, 6 – патрубок і отвори подачі газу в обтічний по-
вітряний потік (ΙΙ схема)
Зменшуючи розмір модульного елементу, можна отримати мікрофакельне горіння із зменшеною довжиною зони горіння і топкового простору в цілому.
При цьому також знижуються викиди оксидів азоту, вміст яких залежить від часу перебування продуктів реакції в зоні високих температур.
Not
a reprint
а б в
Рис. 3. Розвиток факелу за стабілізаторами при зміні коефіцієнту надлишку по- вітря (Вст=15 мм, Кf=0,4): а – α=10; б – α=1,94; в – α=1,01
При реалізації запропонованого методу спалювання палива використовують- ся характерні особливості аеродинамічної структури потоку в кормовому сліді за погано обтічним тілом. При цьому виникає рециркуляційна течія в кормовій обла- сті стабілізатора і утворюється граничний шар з підвищеною інтенсивністю тур- булентності потоку за його зривною кромкою. Це забезпечує високі масообмінні характеристики зони рециркуляції, що значною мірою впливає на стабільність го- ріння і характер вигоряння в сліді за стабілізатором [25–27].
При струменевій подачі палива за Ι схемою – назустріч зворотньому току зони рециркуляції за стабілізатором, відбувається інтенсивне перемішування палива з високотемпературними газами цієї зони, паливо розсіюється і утворю- ється суміш, яка за своїм складом наближається до гомогенної. В той же час інтенсивність масообміну в зоні рециркуляції не достатня для утворення повні- стю гомогенної суміші. Крім того, в зону рециркуляції поступає тільки частина окислювача із граничного шару повітря, що обтікає стабілізатор.
Таким чином, процес спалювання газу за Ι схемою має риси, які притаман- ні дифузійному факелу, тобто можливістю сталої роботи пальника на режимах запалювання і «бідного» зриву при загальному коефіцієнті надлишку повітря в топковому просторі α>>1,0. Дифузійний факел характеризується широким діа- пазоном роботи з високою ефективністю горіння, а також збільшенням довжи- ни факелу при підвищенні витрати (швидкості газових струменів) палива.
При поступовому збільшенні витрати палива далекобійність газових стру- менів підвищується, основна маса палива перестає розсіюватись в зоні рецир- куляції, а виходить в прямий потік за межі зони звортних струменів. В резуль- таті процес горіння відбувається у супутньому повітряному потоці поза межами зони, що може призвести до так званого «багатого» зриву і обмежує можливість використання такої схеми при α→1,0.
При необхідності роботи із зменшеною довжиною факелу на режимах з α→1,0 із збереженням високої інтенсивністю процесу горіння слід використо- вувати подачу палива за ΙΙ схемою.
For reading
only
При роботі за такою схемою відбувається часткове попереднє перемішування газу з повітрям і в перерізі вихідної кромки стабілізатора на горіння поступає су- міш з більш високим ступенем гомогенності, ніж при подачі палива за Ι схемою.
Ступінь попереднього перемішування повітря і газу, який подається за ΙΙ схемою, залежить від далекобійності газових струменів у повітряний потік та відстані L1
(рис. 2, а) від зривної кромки стабілізатора до газових отворів. У випадку значного переміщення газових отворів від зривної кромки стабілізатора назустріч повітря- ному потоку (збільшення L1) в зону горіння може поступати практично гомогенна суміш газу з повітрям. Подача газу за II схемою дозволяє забезпечити інтенсивне горіння і зменшити довжину факелу при αІІ→1,0. В зв’язку з тим, що при подачі газу за другою схемою суміш газу з повітрям наближається до гомогенної, ста- лість факелу на режимах запалювання та «бідного» зриву зменшується. В той же час слід враховувати, що при роботі на часткових навантаженнях в пальнику може спостерігатись зменшення повноти згоряння палива і поява недопалу.
Таким чином, в стабілізаторних пальникових пристроях з мікрофакельним горінням палива забезпечується високий рівень ефективності спалювання пали- ва в широкому діапазоні зміни потужності і коефіцієнту надлишку повітря. Такі пристрої характеризуються легким та надійним запуском при знижених витра- тах палива, надійністю і простотою регулювання потужності при зменшеній емісії токсичних оксидів азоту і вуглецю.
Модульні стабілізаторні пальникові пристрої різного конструктивного ви- конання і потужності знайшли широке використання в народному господарстві країни при спалюванні газоподібного палива [19, 28].
Для забезпечення сталої і високоефективної роботи пальникового при- строю при зміні режимів в широкому діапазоні режимів передбачена можли- вість одночасної подачі газу за обома схемами. Подача газу за другою основ- ною схемою забезпечує ефективне згоряння палива при α→1,0. При необхідно- сті розширити діапазон сталої роботи при збільшених коефіцієнтах надлишку повітря α>>1,0. підключається подача газу за першою схемою.
5. Результати досліджень характеристик пальникового пристрою при спалюванні забаластованих газових палив
5. 1. Характеристики горіння при подачі газу за ΙΙ схемою – в обтічний потік повітря
На рис. 4, а–з наведено фотографії факелів за стабілізатором (Вст=15,5 мм) при однакових коефіцієнтах надлишку повітря для двох схем подачі газу: перша – стабілізатор 15,5-0,4-8Ø3-Ι при подачі газу в зону рециркуляції (режими а, в, д, ж), друга – стабілізатор 15,5-0,4-32ØΙ,5-85-ΙΙ з подачею газу зануренням в обтічний повітряний потік (режими б, г, е, з). При ΙΙ схемі подачі газу відстань від зривної кромки стабілізатора назустріч повітряному потоку складала L1=85 мм.
Як видно з рис. 4, а–з, подача газу на часткове попереднє перемішування з повітрям дає можливість, при необхідності, скоротити довжину факелу.
На рис. 5 наведена візуальна довжина факелу для трьох варіантів стабі- лізаторів.
Not
a reprint
а б в г д е ж з
Рис. 4. Характеристики факелу за стабілізатором при двох схемах подачі газу:
а–з - порівняльні фотографії факелів; а, б – α=5,53; в, г – α=6,78; д, е – α=7,73;
ж, з – α=8,9; а, в, д, ж – подача газу в зону рециркуляції за Ι схемою (15,5- 0,155-9Ø3-Ι); б, г, е, з – подача газу впровадженням в обтічний потік повітря за
ΙΙ схемою (15,5-0,155-32Ø1,5-85-ΙΙ)
Рис. 5. Візуальна довжина факелу за стабілізатором при подачі газу за різними схемами: 1 – подача в зону рециркуляції, стабілізатор 15,5-0,4-9Ø3-Ι; 2, 3 пода-
ча газу зануренням в обтічний потік, 2 – стабілізатор 15,5-0,4-32Ø1,5-85-ΙΙ
L =85 мм ;ΙΙ1
3 – 15,5-0,4-32Ø1,5-120-II
L =120 ммΙΙ1
Як видно з порівняння ліній 1 та 2, подача газу на попереднє перемішуван- ня з повітрям дає можливість скоротити дожину факелу. Подальшого зменшен- ня довжини факелу можна досягти при збільшенні відстані газових отворів до зривної кромки стабілізатора від L =85 ммΙΙ1 (крива 2) до L =120 ммΙΙ1 (крива 3).
При збільшенні відстанні LΙΙ1 відбувається більш рівномірне перемішування га- зу і повітря.
Порівняльні дані щодо впливу схеми сумішоутворення на вигоряння пали- ва в сліді за стабілізатором по довжині наведено на рис. 6, де q3 - хімічний не-
0 200 400 600
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
lф, мм
α 1
2 3
For reading
only
допал, а X=X/Bст – відносна довжина зони горіння, Х – абсолютна довжина.
Крива 1 отримана розрахунком за літературними даними [29] при горінні попе- редньо перемішаних сумішей (Вст=40 мм, Кf=0,40; α=2,0), крива 2 – дані, отри- мані при струменевій подачі газу впровадженням в обтічний потік окислювача (Вст=40 мм, Кf=0,40; α=2,0), крива 3 – при подачі палива в зону рециркуляції за стабілізатором (Вст=40 мм, Кf=0,40; α=2,0).
Рис. 6. Порівняння інтенсивності мікрофакельного горіння палива за стабіліза- торами в залежності від схеми подачі газу (tв=200 °С, α=2,0). 1 – попереднє пе- ремішування палива з окислювачем [29] (Вст=40 мм, Кf=0,40);2 – струменева подача газу впровадженням в обтічний потік окислювача (40-0,4-16Ø3-85-ΙΙ);3
–струменева подача палива в зону рециркуляції (40-0,4-9Ø3-Ι)
Таким чином, в залежності від використання відповідної схеми сумішоут- ворення є можливість впливу на характер горіння палива. Інтенсивність виго- ряння підвищується і довжина факелу зменшується в такій послідовності – го- ріння попередньо перемішаної суміші, подача палива впровадженням в обтіч- ний повітряний потік, подача газу в зону рециркуляції.
Розглянута технологія мікрофакельного спалювання газу за стабілізатора- ми дозволяє шляхом зміни конструктивних параметрів і системи сумішоутво- рення впливати на характеристики вигоряння, довжину зони горіння і, відпо- відно, необхідний розмір топкового простору.
Були проведені випробування щодо встановлення залежності сталості фа- келу при ΙΙ схемі газороздачі від конструктивних і режимних параметрів систе- ми стабілізаторів при спалюванні пропан-бутану.
Була проведена обробка експериментальних даних для систем стабілізато- рів при зміні конструктивних і режимних даних в такому діапазоні: ширина стабілізатора Вст=15,5÷30,0 мм; коефіцієнт затінення стабілізаторної решітки Кf=0,15÷0,45; відносна відстань газових отворів від зривної кромки стабілізато- ра L11,08,0, де L1 L1 /Bст; діаметр газових отворів dг=1,2÷3,2 мм; відно-
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40
q3
1 2
3
X
Not
a reprint
шення вихідної торцевої площини стабілізатора до площі газових отворів Fст/Fг=26÷80; температура повітряного потоку Т0=293÷393 K.
Узагальнена залежність коефіцієнту надлишку повітря на режимі бідного зриву maxII від цих параметрів має вигляд:
0,5 1,4
ст 0
max max
6,25 2
1,2 ст
1 г
273 ,
30
f
II II
K K
B T
K F
W e L
F
(1)
5 maxII 0.872 10
K – коефіцієнт пропорційності у разі спалювання пропан-бутану при інтенсивності турбулентності повітряного потоку ε≈1,5 %.
З рівняння (1) видно, що при ΙΙ схемі подачі газу в обтічний повітряний по- тік сталість факелу підвищується із збільшенням розміру стабілізатора і темпе- ратури повітря. Протилежний ефект спостерігається при збільшенні швидкості повітряного потоку, коефіцієнта затінення пальника, відстанні газових отворів, а також при зменшенні відносної площі газових отворів.
На рис. 7 показана залежність сталості факелу на бідному зриві при подачі газу зануренням в обтічний потік від швидкості повітряного потоку в камері для двох типів стабілізаторів: 1 – 15,5-0,155-10Ø3-15-ΙΙ; 2 – 15,5-0,155-10Ø3-85- ΙΙ, тобто відповідно на відстані L1=15 мм і L1=85 мм від зривної кромки стабілі- затора назустріч повітряному потоку.
Рис. 7. Залежність сталості факелу на бідному зриві від швидкості повітряного потоку при подачі палива в обтічний повітряний потік для двох типів стабіліза-
торів: 1 – 15,5-0,155-10Ø3-15-ΙΙ; 2 – 15,5-0,155-10Ø3-85-ΙΙ
При порівнянні кривих 1 та 2 на рис. 7 видно, як при інших однакових па- раметрах сталість факелу зменшується при збільшені відстані від газових отво- рів до зривної кромки стабілізатора.
Для обох варіантів коефіцієнт надлишку повітря при бідному зриві αmaxΙΙ >
2,0, що свідчить про близькість режиму горіння до дифузійного. Видно також, 0
10 20 30 40 50
0 5 10 15 20 Wк25, м/с -1 -2
II
αmax
For reading
only
що при зміщенні газових отворів назустріч повітряному потоку сталість факелу зменшується. Кінцевий вибір системи газороздачі визначається вимогами до режимів сталості горіння пальника щодо бідного зриву.
Результати досліджень для одного з варіантів стабілізаторів щодо впливу на сталість факелу баластування паливного газу повітрям і двоокисом вуглецю при ΙΙ схемі газороздачі наведено на рис. 8.
Вздовж осі ординат відкладено відносну витрату палива при зриві
GІІг minбал = GгІІ minбал /G , , де ст
GІІг балmin – витрата палива на режимі бідного зриву, Gст=Fст∙Wщ∙ρпов – умовна витрата повітря, що оббігає стабілізатор [30], Wщ=Wк∙(1–Kf) – швидкість повітря на вихідній кромці стабілізатора.Через
Gminг ІІ= Gminг /Gст позначалась відносна витрата палива на режимі бід- ного зриву факела без баласту. Вздовж осі абсцис нанесена відносна витрата домішок, повітря – Gбал/GIIг та диоксиду вуглецю –2
II II
CO г
G /G .
Рис. 8. Вплив на сталість факелу подачі повітря і СО2 на попереднє сумішеутво- рення з паливом при ΙΙ схемі газороздачі. Стабілізатор 15,5-0,155-16Ø3-85-ΙΙ.
Позначення режимів: х – подача повітря; ○ – подача СО2
Область допустимих робочих режимів знаходиться в лівій половині графі- ка від лінії зриву факела. Як видно з рис. 8, при збільшені витрати палива мож- на допустити підвищення долі витрати домішки без зриву факелу.
В межах точності експерименту вплив підмішування баласту у вигляді по- вітря і СО2 дає один і той же ефект.
Дослідження сталості факела виконувалось таким чином: встановлювалась певна витрата палива GIIг і поступово додавались на попереднє змішування з паливом домішки GIIпов або
2
II
GCO до моменту зриву факелу.
0 20 40 60 80 100
0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 Область робочих
режимів
Gminг II
GIIг maxбал 1032
II II пов CO
II II
г г
G G
G ; G
Not
a reprint
Таким чином, при подачі газу за другою схемою існує певний діапазон сталої роботи пальника при додаванні баласту до паливного газу.
Значення відносної сталості факелу
Gг балmax при попередньому підмішу- ванні до газу баласту (повітря, СО2) в залежності від витрати домішки Gбал/GIIг можна розрахувати:
г minбал
гmin бал бал г ,
ІІ II
II
G G K G
G (2)
min
гmin гщ ст пов
,
ІІ
ІІ G
G W F (3)
гmin пов0max 0
,
ІІ II
G G
L (4) де G0пов – загальна витрата повітря в пальнику, кг/с; L0 – масовий стехіометрич- ний коефіцієнт, кг/кг;
Gminг ІІ – відносна витрата газу на стабілізатор при бід- ному зриві факелу без баласту;
Gminг ІІ – абсолютна витрата газу на стабілізатор при бідному зриві факелу без баласту, кг/с; KIIбал 27,9 10 3 – коефіцієнт про- порційності при баластуванні повітрям або СО2.Спостереження за розвитком факелу при подачі палива за ΙΙ схемою пока- зали, що при збільшені витрати газу візуальна довжина факелу поступово збі- льшується (рис. 9, а–г) і температура газів підвищується (рис. 9, д). Це свідчить про наявність характеристик дифузійності у процесі горіння.
На рис. 9, д і наступних аналогічних рисунках через Х означена довжина зони вимірів параметрів на стенді, мм. З рис. 9, д також видно, що найбільш ін- тенсивний процес горіння спостерігається на початковій ділянці факелу в ме- жах зони рециркуляції (3÷5)∙Вст, де вигорає основна частка палива і спостеріга- ється максимальний рівень температур газів.
На рис. 10 показано розвиток факелу при горінні з подачею газу за ΙΙ схемою і попереднім підмішуванням до газу повітря. У разі роботи з баласту- ванням палива повітрям аналіз даних свідчить, що довжина факелу поступово зменшується (рис. 10, а–в) і рівень температур продуктів горіння в сліді за ста- білізатором знижується (рис. 10, г).
For reading
only
а б в г д
Рис. 9. Характеристики горіння палива (пропан – бутан) за стабілізатором з по- дачею газу в обтічний потік повітря за ΙΙ схемою – 15,5-0,155-16Ø3-85-ΙΙ;
Wк=6,6 м/с; а – г – фотографії факелу; д – температура газів вздовж осі сліду за стабілізатором; режими: а – GIIг 0,38 10 3 кг/с; б – GгII 0,58 10 3кг/с; в –
II 3
Gг 0,78 10 кг/с; г – GгII 0,93 10 3 кг/с
а б в д
Рис. 10. Характеристики горіння палива за стабілізатором з подачею суміші га- зу з повітрям в обтічний потік повітря за ΙΙ схемою – 15,5-0,155-16Ø3-85-ΙΙ при постійній витраті газу GIIг 0,64 10 3кг/с; Wк=7,0 м/с; а–в – фотографії факелу;
г – температура газів вздовж осі сліду за стабілізатором; режими: а –
II
Gпов 0 кг/с; б – GIIпов 0, 25 кг/с; в – GповII 0,50 кг/с
На рис. 11 показано розвиток факелу при горінні з подачею газу за ΙΙ схемою і попереднім підмішуванням до газу іншого баласту – диоксиду вуг- лецю. У разі роботи з баластуванням палива диоксиду вуглецю аналіз даних свідчить, що довжина факелу також поступово зменшується (рис. 11, а–в) і рі- вень температур продуктів горіння в сліді за стабілізатором знижується (рис. 11, г).
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
0 100 200 300 400 500 600 700 800 а бв г
tф, °С
X, мм
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
0 100 200 300 400 500 600 700
а б в tф, °С
X, мм
Not
a reprint
а б в д
Рис. 11. Характеристики горіння палива за стабілізатором з подачею суміші га- зу з диоксидом вуглецю в обтічний потік повітря за ΙΙ схемою – 15,5-0,155- 16Ø3-85-ΙΙ при постійній витраті газу GIIг 1,0 10 3кг/с; Wк=7,0 м/с; а–г – фото-
графії факелу; д – температура газів вздовж осі сліду за стабілізатором; режи- ми: а –
2
II
GCO 0 кг/с; б –
2
II 3
GCO 0,52 10 кг/с; в –
2
II 3
GCO 0,70 10 кг/с; г –
2
II 3
GCO 1, 23 10 кг/с
На рис. 12 показане скорочення відносної довжини факелу
бал
балф ф 0 / ф 0,
II II II
G G
l l l
де
lфII Gбал0 – довжина газового факелу без баластування,
lфII Gбал0 – довжина газового факелу при баластуванні, від відносних витрат домішок – повітря і СО2 при різних значеннях витрати газу на стабілізатор.Як видно з рис. 12, при баластуванні газу повітрям або СО2 довжина факе- лу поступово зменшується до виникнення зриву.
Вимірювання вмісту продуктів реакції в кінці зони горіння по осі факелу , виконані за допомогою газоаналізатора Testo 330 (Німеччина) (рис. 13), показа- ли, що із збільшенням витрати газу, що подається в обтічний повітряний потік (ΙΙ схема) концентрація оксиду вуглецю (а) і оксиду азоту (б) збільшуються.
В зв′язку з тим, що подача баластних домішок до основного газу пов′язана із зниженням максимальної температури газів, це приводить до зменшення ви- ходу оксидів азоту (рис. 14).
Вихід оксидів вуглецю залежить від кількості домішки. На першому етапі відбувається зменшення вмісту оксиду вуглецю при подачі обох видів домішок.
Потім в зв′язку із зниженням максимальної температури газів у факелі відбува- ється збільшення концентрації продуктів недопалу (рис. 15).
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
0 100 200 300 400 500 600 700 800 аб
в г tф, °С
X, мм
For reading
only
Рис. 12. Залежність відносної довжини факелу за стабілізатором при баласту- ванні палива повітрям і двоокисом вуглецю при різних витратах домішок: 1 – Gг=(1,1÷1,4) г/с; 2 – Gг=(0,56–0,77) г/с; 3 – баластування повітрям; 4 – баласту-
вання СО2
а б
Рис. 13. Вихід полюантів при роботі пальника з подачею палива в обтічний по- вітряний потік (ΙΙ схема). Стабілізатор 15,5-0,155-16хØ3-85-ΙΙ; Wк=6,8 м/с; а –
вихід диоксиду вуглецю; б – вихід оксидів азоту
Таким чином, в результаті випробувань стабілізатора з подачею палива за ΙΙ схемою – в обтічний повітряний потік, встановлена залежність бідного зриву факелу від конструктивних і режимних параметрів, що дозволяє впливати на характеристики стійкості факелу. При подачі баласту у вигляді повітря і диок- сиду вуглецю відбувається зменшення максимальної температури факелу, ско- рочення його довжини і наступне згасання полум’я. Згасання факелу відбува- ється внаслідок того, що при баластуванні палива і зменшенні температури го- ріння також зменшується теплова потужність зони рециркуляції за стабілізато-
0.4 0.6 0.8 1.0
0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8
3 4 1
2
0 100 200 300 400 500 600 700
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
II
lф
2
II II пов CO
II II
г г
G G
G ; G
COII, ppm
II 3
Gг 10 , кг/с GIIг 10 ,3 кг/с
II
NO ,X ppm
