автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Разработка эмульсионных распыливающих устройств для подавления оксидов азота при сжигании газа и мазута в топках котлов

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ Е5ВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРХДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ. ' ИНЛЕНЕйЮ-СТРОИТЕЛЬШ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

\ /

ЕМЕЛЬЯНОВ Александр Андреевич

. )

РАЗРАБОТКА ЭМУЛЬСИОННЫХ РАСПИЛИВАЮЩИХ «¡ТРОЙСТВ ДМ ПОДШЕНИЯ ОКСИДОВ.АЗОТА ПРИ МИГАНИИ ГАЗА И МАЗУТА В ТОПКАХ КОТЛОВ

Специальность 05.23.03 - теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Автореферат

диссертации на соискание ученор степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1992 ■

Работа вьполнена на кафедре "Теплотехника и газо-онабжение" Ленинградского ордена Октябрьской Революции ' и ордена Трудового Красного знамени инженерно-строительного института.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Кривоногое Б. И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор А. М. Левин.

кандидат технических наук, начальник отдела ЦКГИ В.Н. Шемякин.

Ведущая организация: ЛенГИПРОНефтеХим.

Защита диссертации состоится' "¿1?" 1992 года ,8 '0(/' часов на заседании специализированного совета

К.063.31.03 по.присуждению .ученой степени кандидата

• *

технических наук в. Ленинградском ян жен ер* о-с троите льном институте по адресу: 198005, г.Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, дЛ, Главный корпус..

С.диссертацией можно ознакомиться- в библиотеке института. ^

Автореферат разоолаи -4«|эвг-1992г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

• Г.П.Комина

ОБ!Щ ХАРАКТЕИ:стаКА РАБОТЫ

-Актуальность темы. Увеличение потребления топлива и количества обрабатываемых материалов приводит к удвоению вредных выбросов за каждые 12 -14 лет. Интенсификация сжигания углеводородных топят, приводит к образованию широкого спектра токсичных ц канцерогенных веществ, причем токсичность продуктов сгорания мазута на 40.. .50/«', а природного газа на 90. ..95$ определяет содержание_ оксидов азота.

Более трети тепловой нагрузки по стране обеспечивают котельные установки Малой и средней мощности с.котла-чи типоз ДКВР, ДЕ, ПТВМ и др., которые при форсированных режимах, особенно для жидких топлив, дают концентарции /Юх <150...300 иг/м) опасные уже при кратковременном вдыхании. Размещение производственных и отопительных котельных вблизи или непосредственно в жилых зонах выдвигает вопросы сокращения оксидов азота при ожи-гании топлив. в первоочередные проблемы энергетики. Стоимость различных методов очистки продуктов сгорания от вредных выбросов очень высока, поэтому наиболее доступными и перспективными представляются технологические методы подавления генерации вредных продуктов сгорания' непосредственно в факеле.

Исследовательские работы под руководством И.Я.Сигала (Институт газа АН Украины), Л.И.Цирульникова (СА5 ВНИШРОМГАЗ), Э.П.Волкова (ЭШН), А.Д.Горбаненко и Б.И.Бабия (ЭТИ) и др. позволили сократить вдвое выбросы оксидов азота на крупных онерго-блоках и котлах. Рядом организаций (ВШКПРОМГАЗ, ЛИСИ, ЦКТИ,-. БТИ и др.) проводились аналогичные исследования на котлах малой и средней мощности, достигалось снижение вредных выбросов, в том числе и ЛО , хотя результаты неоднозначны.

-г-

Еесмотр! на непрерывное сокращение доли мазута как топлива в обшей энергобалансе страны, его использование в абсолютно и исчислении Еозреотеет, кроне того повышается ого стоимость. Хотя токсичность продуктов сгорания жидкого топлива почти в два раза превышает токсичность продуктов сгорания газа, но з

■J

настоящее время не известно методов расчета и конструкций форсунок, позволявших снизить С(ШХ). Сжигание водомазутньх эмульсии 'тэ) позволяв'; снизить генерацию Н0Х, ло их использование ограт швает сложность получения и неустойчивость ВМЭ.

. Цель и задачи исследоланий. Основной целью диссертацион-

ной работы является разработка технологий аффективного сжигания углеводородных теплив в готаах малой и средней мощное та с

• ■• пониженным выходом оксидов азота, a так же разработка устройств для их реализации. .

Для достижения отой цели в работе решены слздуидие задачи;.

- дан анализ известных результатов исследований и промышленных внедрений, направленных тга сокращение выбросов оксидов азота;

- проведен анализ воздействия термодинамических условий и дисперсного строения нефтяных систем на процессы диспергирования и генерации вредных продуктов сгорания;

- разрабртана методика расчета газожидкос-тного диспергирования и конструкция гезожндкостной эмульсионной форсунки (31®);

- проведена расчетная ептаквьэдк.. конструктивных и решмных •параметров ЗШг по экокомкчес ¡»м и экологическим показателям;

г разработан.гидр&вличесхий стенд и огневая опытно-промашленная■ установка. Хроматограф ХШч-А переоборудован для анализа пр.crop.

- опжезРЛбш характер и дкиамиха Распределения С{АЮХ) в факеле» льяьлеки 30HJ лнгенаив.чой генерации оксидов азстд (ЭКГ);

- Oi'jcAe^eHU опте^алзнсго впрыска влаги в фокол;

- проведена экспериментальная оптимизация количества впрыскиваемой влаги, соотношения первичного и вторичного воздуха, а так же комплексного их воздействия по оксидам азота и КПД котла;

- проведены.гидравлические исследование различных распиливающих устро.Ютв (устройств для впрыска, форсунок, смесителей); .

- проведены огневые испытания ЭГ® и сопоставление ее о существующими конструкциями форсунок;

- определена экологическая и экономическая эффективность различ-них конструкций и технологий подавления о ко адов азота;

. Научная новизна. Выполнен комплекс экспериментальна* исследований по выявления ЗйГ в объеме топки и их динамики в зависимой та от резхзмных условий. Принята концепция, согласно которой наиболее эффективное пода-эление М)^ происходит при соответствии плотности орошения впрыскиэаемсГ: влаги градиентам нарастании С(Л'0Х). Разработан графоаналитический метод построения эпюра оптимального распределения влаги и определения ус.:овий впрыска влаги в факел. Определены условия комплексного подавления!'!)^водотрубных котйах о расходом пара 1,8...2,

Предложена методика расчета форсунок, учитывающая влияние поверхностно-акгивных своГстз нефтяных дисперсных систем, агро- ■ гативной устойчивости полученных дисперсий, оообеннозти гидродинамики двухфазных систем и мгссообиока мевду йсгдкостыо и распиливающим агентом £р.а.). Принята концепция, согласно которое неравномерность распределение хи.,кого топлива па сечению фа ко я е. распиливания влияет на генерацию бг одних продуктов сгорания и выявлена зависимость концентраций от ото я неравномерности.

' Разработана математическая модель газожхдкостнйге диспергирования не основе екологической и .экономической оптимизации, нь основе которой Скгнстргирования 0ГЯ5>, еннэотпцая выход /Л)х>

Практаческая ценность. В диссертационной работе проведена промышленная апробация методов подавления НО^ при сжигании газа к мазута для котлов 1RBP-IO-I3 и ДКВР-6,5-13.

На основе выявленных закономерностей составлена методика расчета газожидкостных эмульсионных форсунок и разработана конструкция, позволяиц&я 'кроме эффективного .кигания, снизить при получении ВМЗ выбросы оксидов азота в два раза, причем образование ВЫЭ производится непосредственно в форсунке (без специальных диспергаторов и обогреваемых храшаиа-мешалок).

Разработана методика, позволяющая для любых типов топок о вихревыми горелками обеспечить впрыск влаги, отвечающий максимальному подавлении Шх без снижения КПД котлоагрегата.

Разработаны и внедрены малоотходные технологии сжигания rasa и мазута и огневого обезвреживания производственных отводов. Результаты исследований использованы при проведении 4 хоздого-. ворных работ и прошли промшленниа апробации на котельных ПО "Пролетарский за^од'ЧС-Петербург), завода Р1И (г.Черкесск), Авторемонтного азвода (г.Цесисс Латвийская республика). Внедрение результатов исследований позволило сократить выбросы Д/0Х на

СО на 16%, сажи на 60/2, 3,4-бенз(а)пирена на 14%. Подтвержденный экономический эффект по котлам ДКВР-Ю-1Э и ДКВР-6,5-13. составил 3Q тыс.руб. в год.

Апробация рабрты. Основные пологегрч! к.разультаты диссертационной работы обсуздены,и одобрены на ЧЬ.,.49 научных конференциях ЛИСИ (19А9-92гг.), на научно- технической конференции "Снижение- . отелов азота при сжигании топлива"Сг.КиевД990г.), на Х-й обла-стно" конференции "Наука - строительному производству"(г.Пэрмь, 1289), на научно-технической конференции "Проблемы охраны окружа-Ъцай орады Дальнего Всотока"(г.Хабаропск,1969), на Всесоюзных научно-технических конференциях "Человек, Труд, Экология"(г.йолго-

град,1993), "Водогрейные ко тли и местные системы теплоснабжения зданий"(С-Петэрбург, 1991).

•Публикации. По темз диссертации опубликовано 5 работ и получено положительное решение патентной экспертизы.

Обьем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка используемой литературы из 145 наименований, в том числа 15 иностранных. Работа изложена на 202 страницах и включает 65 рисунков, 5 таблиц. Приложения к работе включают 38 рисунков, II таблиц и 9 текстовых материалов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой глава npo-зеден анализ методов снижения генерации врэдных продуктов сгорания с учетом влияния диспероного строения многофазных систем при сжигании уг.яеводородны* топлкв.

Показано, что разработанное метода подавления вредных продуктов сгоранет одной группы (например, А'0Х) часто сопроаоздает-сд усилением генерации дрггой группы вредных- шброаов (, - продуктов неполного сгорания: сата.СО.ПАУ'в т.ч. бэнз-а-пирена).

Неизотсрмичность топочных устройств, что особенно характе-* рно для котлов малой и средней мощности, вызванная неравномерностью распределения топливно-возд-ушной смеси в факела, обуславливает локальные максимумы температур и,соответственно, наличие зон интенсивной генерации оксидов азота (SUP). Неравномерность распрэделения топлива в условиях лс/ального недостатка кислорода приводит к pocTv продуктов неполного.сгорания, а при гомогенном переманивании о воздухом - к усилении генерации Н0Х» Неравномерное То распределения концентраций ЦО^ по обьем^г топки исследовалась недостаточно и нэ имеется данных по динамика ,

ЗШГ при изменении режимных условий.

Наиболее универсальным методом подавления обоих групп вредных выбросов является введение в определенном количестве влаги в корень факела, но эффективность впрыска у многих авторов неоднозначна'по сданкенив ШХ(Ю. ..60а). Разработанные струйные устройства для впрыска в топки крупных котлов (Л.М. Цирульников), для котлов типа ДКВР мало применимы. Кольцевая аэродинамическая структура факела от вихревых горелок определяет целесообразнееть для впрыска центробежных распылителей. Основываясь на соответствии поля концентраций и относительных энтальпий в факеле сделан вывод, что для эффективного подавления генерации НО необходимо обеспечить соответствие распределения распыляемой влаги градиенту пара с та;гая С(А/0Х). и ЗЙГ. Необходима разработка конструкции распыливаюдего устройства, отвечающего этии . условиям.

Наиболее распространенные способы распиливания жидких теплив (к.т.) основываются на положении, что оно представляет собой ' однородную сплопнуи среду, в та время как известно о коллоидно-дисперсном строении нефтяных систем. Опит воздействия на струк» ■ ттру к.т.Ссг.игание ВМ.З, пен, мазута. в снеси с газовым кондестаом и др.) и широкий опыт сжигания топлива бинарного состава (газооб-. разного и жидкого топлива) в двигателях внутреннего сжигания показали повышение экономичности использования ж.т. и снижение • всего спектра вредных выбросов. В работах ЛИСИ показано, что образование равномерной и тонкпдиоперсн<?й ВМЭ позволяет снизить • вредные выброси двух противоположных групп, однако применение ЖЕ сгр< 'лчнваотся сложность в <¿9 приготовления и хранения. В то же время, в самих форсунках реализуются достаточно динамичные про-цвеол для получения равномерной и тонк.одиспврсной ШЭ. Автором

поставлен вопрос о возможности получения ВЛ2 непосредственно в форсунке перед сжиганием путом дополнения конатрукции распили- . теля встроенным предварительным водомазутным смесителем, а окончательное диспергирование проводить в специальной камере смесеобразования (Ю) при помощи распылившего агента (p.a.).

Перспективным представляется и сжигание ж.т. в виде газо-жидкэстной омульсии (Г12), где в виде сложных структурных единиц выступают пузырьки газа, окруженные адсорбционно-сольватными слоями. Именно на них концентрируются все свойства двухфазной системы: переходность свойств, повышенная рас таоря гадая способность и химическая активность и др. При предварительном газонасы-цзнии ж.т. методами динамической активации (барбатирование, за-кручипанив, канальный vkOc и т.д.) и при переводе ИЗ в область низкого давления, можно получить большое количество тонкодисперсных пузырьковых включений, которые выступают как фактор предварительного нарушения целоотнооти жидкости (диспергирования). Механизм газожидкостного диспергирования представлен на рис.1. При' кипении ж.т. пузырьки становятся центрами парообразования и испарение жидкости происходит не только-чороз наружнуи поверхность 'капель, но и внпрь газовых Включений..Наличие большой поверхности раздела фаз в ГКЭ снижает толщину природных ПЛВ,рас-средотачивакшхоя по пленкам, и снижает склонность к сажеобрезо-вакию. Кроме того, предварительное газонасищение к.т., благодаря различной интенсивности десорбции различных газов, пазвалязт создатьлокруг капли ж.?, сроду способствуэдуо (горший газ. или кислород) или тормозящую (баласт) интенсивности горения* Таким образом,появляется еще охг.н фактор регулирорашт процесса горо-т'.я и генерации зредннх вецеста. '

Горение

• * * »* *

Е^парени!" Г '

Газо^а^астнаяД ев

•'."- Торможение Распад ^

/. ^- Я/г'-''!'--' ' П^ЗЫрЬКОЕ с'З 03никновение пузырьков

и их расширение Скоростное истечение

• ••.Десорбция

-мЖШ РГТ^ '

с4 . Сдвиг аэрозольных части^ Дробление капель потоком р.а

сз

Рис. I,.'Физическая модель.газонидкостного диспергирования и конструкция головки форсунки ЗГШ:

I - наружный ствол; 2 - внутренний ствол; 3 - распределительная лайба; 4 - вихревая шайба; 5 - накидная гайка; б - камера смесеобразования; 7 - сопло.

"Десорбция- газов" - перечень учитываемых при расчете п роцзсс ов;'Д}рошь- наименование структуры . . системы или ее элементов.

Во второй главе проводится расчет режимных и конструктивных параметров процессов образования, диспергирования и сгкига-ния газожидкостных систем.

Известные методики расчета распылителей не учитывают мно-гокомпонентнос-ть систем, поверхностные явления, сложный характер тепломассообмена и влияние распределения топлива на генерацию/!^ В работе разработана методика расчета ЭП® на основе оптимизации конструктивных парамэтров для обеспечения полного сжигания ж,т. с пониженной генерацией оксидов азота.

Снижение генерации/Лх в работе предпологалооь обеспечением более равномерного распределения я.г. по сечению факела распиливания. Для этого был введен коэффициент неравномерности (KJ), как отношение максимального-'ötr пленки значения плотности ороие-ния к среднему по сечению Равномерность распределе-

ния ж.т. достигается выдерживанием соотношений размеров вихревых шайб (ВЩ) и сопла №:

о.этз^.гЛ)0'07-^)-1.

На основании изложенных в I главе принципов газожидкостного диспергирования (см.рис.I.)"выполнено конструирование 2ИЭ, отличающейся' от типозой (ОСТ 108.568 конструкции ЦКГИ) для горелок ГМГ-М,внутренним взаимодействием, потоков ж.т. и p.a. в КС, позволяющей провести предварительное газонаоыцение жидкости, а так же встроенным в форсунку разрзйотэнним зодомазутным смесителем (С-5).

Оптимизация экономических характеристик проводилась по £ - удельному расходу p.a. для обеспечения полного сгораний капель ж.т. требуемой дисперсности. На рис. 2.-показано, что область допустимых значении /^ограничена сверху окоцомичностьв диспергирования, снизу - агрегатичнойнеустойчивость» аэрозольных

частиц (коалесценсиой) и допустимой дисперсностью для сжигания в обьеме топки с тепловым напряжением ). Оптимальный расход p.a. находился по дефициту энергии жидкой пленки на выходе из сопла для аффективного ее разрушения.

Конструктивные размеры Ю расчитывались по оптимизации перепадов давлений p.a. на сопле форсунки.^) и на отверстиях перфорации ВС (iro). На рис.3. указаны допустимые значения относительных перепадов и соотношение мезду ними. Расчеты показали, что обеспечение отпадения площади выходного сопла КС к суммарной плодади перфорации при критическом истечении p.a. (пара) состовляет 0,266, когда распологаемого давления p.a. теряется на отверстиях перфорации №.

FhcHeT гидродинамических параметров позволил определить соотношение (У) жидкости, находящаяся во взвешенном состоянии в газожидкостном ядре ¿ГЖЯ) и в пленке на поверхности КС и ооп-ла:

У-I - I,0S4xI0^(PrP/^V'926Q'V'V'89 »

и составляет до 9Q% в КЗ и 6. на выходе из сопла. Такое.разделение жидкости .позволило расчитать растворение гавов p.a. в каплях ГДЯ: . в пленке: ¡-,

р -5 Wr. • р-

гдо: I - интенсивность растворения газов, определяемая I • , Методика предусматривает расчет дробления капель как в так и на выходе кз сопла, возникновение и рост пузырьковых газовых »¡сличений ov он тсения давления, десорбцию растворенного p.a., испарения ж.т. и .температурного расширения, а так же средний их • , размор и количес*тю.; Б расчете учтен слоаныП характер теплообмена пгзирь>-~свих с руд, тормозаенке частиц по мэре движения их в

-и-

0,2 0,4 0,6 0, в 1,0. Давление распылнващего агента, ¡Я а.

Рис.2. Область допустимых'значений удельного расхода ¿аспшшва-пщего агента (здесь - перегретый водяной пар) для различных давлений перед форсункой (Р^).

Ц 0,3 0,6 0,9, 31,2 1,5 1,6 Рт,!51а. Давление распиливающего агента РрШа. . *

Рис.3. Оптимизация перепадов давлений на отверстиях.перфорации к сопле каперы смесеобразования для перегретого пара.

-52- .

1К0. Испарение ж. т. расчитывалось не только через наружную поверхность капли, но и, затухающе а по значению по мере насыще-ния,внутрь расширяющихся газовых включений. Время полного испарения капли - _ р

. брИ С 47,62{Г т

размером £к: • Чги - Г/ ^Е * —X с.

Уж. кип -

По море сгорания капель различной дисперсности как от пленки, так_и от ГЖЯ, можно получить диаметр и длину факела, которые проверяются габаритам топки и определяют ЗИР оксидов азота. Для расчета поданной методике составлена программа на ЭВМ.

В третьей главе приводится краткое описание экспериментальных установок, методик проведения испытаний и анализов продуктов сгорания. На специально оборудованной гидравлическом отенде было проведено снятие режимных характеристик, распреда-ления плотности орошения и дисперсионный анализ как для типовых распылителей, так и для вновь разработанных. В качестве моделирующих веществ использовались вода и воздух, испытания проводились р автомодельной области, а их результаты обрабатывались в соответствия с теорией моделирования с помощью критериев подобия.

В качестве огневой опытно-промышленной установки был использован котел ДКВР-Ю-1Э. Теплотехнические испытания рроводилис^. по общепринятой методике с расчетом КПД по обратному тепловому балансу. Определение концентраций М)х производилось при помощи 'реактива Грисса по методике СЖ НШГаза. Анализ продуктов полного и неполного сгорания производилзя как на газоанализаторах ГХП, так и на специально переоборудованном хроматографе ХПМ-*»-. Для .сследований- были реконструированы горелочные устройства и подввдвна продувочная вода, выполнены тарировки сечений воздуховодов, газоходов, в футеровке пробиты отверстия для зондажа.

-иВ четвертой главе описываются экспериментальные исследования газожидкостных распиливающих устройству процессах комплексного подавления оксидов азота и результаты промышленной апробации разработанных малоотходных технологий сжигания жидкого и газообразного топлива.

Зондирование объема топочного пространства в поперечных сечениях показало, что распределение С(Я>Х) отличается неравномерностью и при увеличении нагрузки котлоагрзгата 0,55«.1,2 от Дн отношение максимальных С(Л/0Х) к среднему уровню (Кр возрастает от 1,2 до 1,7. ЗИГ по форме близки к кольцевым, с искажениями,"ызванными теплоогводом к поверхностям нагрева и влиянием соседней горелки,- и распологаются по радиусу Й»0,Г.. ..0,26 и от оси горелки и на расстоянии от среза горелки 2...б Д^, где Лу - выходное сечение горэлочного устройства. По мере увеличения нагрузки котла, центр ЗИГ перемещается вглубь топки и удаляется от оси факела. Полярный угол положения этого.центра иожро апроксимировать с погрешностью до б% зависимостью от нагрузки: сИц^18,5£Д/Дн - 0,град., а

координаты центра ЗИГ'связаии между собой зависимостью : . .т. 5

Ьц<=2,5Рц' + 0,73 ,м; для сжигания природного газа в ДКВР-Ю.

Нахождение полей концентраций яо объему позволило в топке -выявить участки, на которых градиент нарастания концентраций приобретает большие значения, и именно й эти зоны с полярным углом Я,- необходимо подать рпрыскиваемую воду с плотностью орошения пропорциональной у—^Йзг/СС^),. На рис.'!« приведен графоаналитический метод построения зппрн оптимального распределения влаги по сечению факела, горения. Из графика следует, что для нас пажпо пах "/здзние.полярного угла максимума плотности ороршеэния ((/,, ). Используя отот метод для раэлич" нь'х нагрузок котла, была определена область оптимальных значо-

-К -ОВ&Рч о <021* +055Я

Рис, 4. Построение опары распределения плотности орошения факела .-',. влагой для максимального подавления генерации окислов азота: , ;-е - эпвра впрыска '-лаги в полярных координатах );

<5 - - опора распределения .плотности орошения в зоне максимальной • •; ' гоне;ви;:г. опкслов'аэота: итрихпуиктариая линия - необходимая какгю'плпюго подавления; с плоеная - полученная с учетом

{»лметрчк-огг.: ¿акелс. р&спияывния.. Ь ;Д - 1.0Дн.

дай параметров впрыска для подавления генерации оксидов азота: расход воды - Сг='«Ю.».60 кг/ч.; значение максимума плотности орошения от пленки распиливания кг/(н^с)(для

условий гидравлического стенда); угол этого максимума -.^.пл"1 6...16 град.; средняя дисперсность капель 180,..250 мкм. Оптимальное распределение имеет три максимума и 'два минимума и сохраняет геометрическое подобие при изменении нагрузки котла.

Полученные параметры впрыска позволили при помощи методики расчета ЭП§ расчигать устройство для оптимального впрыска воды. Для исследований были изготовлены как расчетная, так и с другими геометрическими характеристиками вихревые йайбы (Ш) для сопоставления, а затем они были подвергнуты гидравлическим испытаниям. Исследования на гидравлическом стенде показали, что плотность орошения снижается обратно пропорционально-квадрату расстояния от устья сопла, причем ее максимальное значение снижается менее интенсивно, с коэффициентом 1,1...2,0 относительно , среднего. Соответственного мере удаления от сопла повышается и ' неравномерность орошения (К^, Кривыедля каждого рас-■ пылителя остаются геометрически подобными при изменении давления

и расстояния-от сопла, 7гол<*н 'пл .возрастает с ростом давления . перед ВШ и; является, большим для ВЩ с'большей геометрической ха-; рактеристикой. ... ,- ■ . . ..

Проверка соответствия всех-четырех параметров впрыска по- . каз.ла,' что этим условиям отвечает именно расчетная конструкции' что подтверждает правильность.методики расчета ЗГИФ. '■ ■ ,

По'результатам расчетной оптимизации (Гл. 2.) била из го то вл е-на конструкция :эда. Она и ряд других сочетаний конструктивных • параметре^ для ЭГ® были подвергнуты исследованиям на гидравлическом ст-эидё. Д*я сопоставления различных способов распиливания

были исследованы механические центробежные, струйные и типовые паромеханические форсунки. В результате исследований на гидраьлическом стенде выявлено, что подведение p.a. увеличивает площадь орошения и снижает его неравномерность, „улучша- . ет дисперсность .и снижает 9„ „„ • Минимальному удельному расходу p.a. отвечает расчетное сочетание конструктивных параметров, оно же обеспечило и минимальный коэффициент неравно- . мерности орошения (^"»1,8).,что еще раз подтверждает достоверность расчетных исследований. Расхождение расчетных данных с результатами гидравлических испытаний-в среднем по 18 параметрам не п рема ело Ii. Сопоставление! различных способов распиливания жидкости, представленное на рис.5, показало: ..

- для паромеханического и газожидкостного диспергирования характерна "двойная структура факела распиливания: периферийная жидкая пленка и центральное ПШ (2...1С$ жидкости по массе);

- значение О „„.для ЗШг на 35...8С$ ниже, чем для паромеха-нической к, соотг.етсвеннО, .ниже К^/ самое большое значение. ; Kj, принимает для струйных "форсунок} . • •..._..'.

- дисперсность распиливания ЗИ& лучше по сравнению о другими способами распиливания, причем средний размер капель.ГЖ в два раза меньше, чем для пленки; '..

- увеличение нагрузки для всех форсунок ведет к росту но , для газовддкостного диспергирования его урорень ниже на 25%',

- удельный расход p.a. для обеспечения требуемой дисперсности для ЗГ1Ф на 1% пике, чем для ЦКГЙ.на 80/» ниже для обесп'еч K^S»

, На гидравлическом стевдо были испытаны различные конструкции предиаристльних водомазvtbhx смесителей и они показали,что достаточней ргтнопорпостъ смоления и дисперсность глобул «оды в '.¿'¿см.'; ГЛ2 оОеспсчкшот разработанная, автором конструкция

25 50 75 M 7Q Ш . IШ И Расстояние от сои сопла, » Ж Нагрузка форсунки,вдет нон.

Рио5. Сопс-тапление различных способов распиливания жидкости:

I - механическое;' II - паромеханичесгоа; III - гааэжидко-. стное (II 1а - от пленки; III6 - от газохидкостног© ядра).

-18- . струйно- ударного смесителя, где используется эффект ного удара струй мазута и вода. Зтот тип смесителя использовался в дальнейшем для получения Ы2 при огневых испытаниях как типовых .форсунок, так и вновь разработанной ЗГИ®.

После проведения прикидочных и балансовых опытов на огневой установке (котел ДКВР-Ю-13), были проведены исследоваяп по определении оптимального отношения расходов.вторичного воздуха к пэрвичному (В) для оценки эффективности подавления (¡0% при двухступенчатом сжигании природного газа (ДВС). Ступенчатое изменение Б,при поддержании постоянный коэффициента избытка воздуха на выходе из топки, погадало, что в пределах В ■ 0,08.* ..0,18 имеется минимум генерации //9Х . Обеспеченна подведения прямоточной струей вторичного воздуха в количестве % от первичного, снижает генерацию оксидов азота для котла ДКВР-10-13 на 25% и для. ДКВ?-о,5-13 ш 20%. . ' .

Ступенчатое изменение количества впрыскиваемой влаги через 'различные расрыливаюдие. устройства так же показало, что существует определенный минимум С<Л'0Х) в пределах во до топливного' отношения <кв) 0,08...0,20. При дальнейшем увеличении н^СО^) •"• сначала несколько возрастает, а затем снова снижается за счет общего охлаждения факела. Локальное повышение С(А/0Х) обьясЯя- ■ ется проскскйм каплями ЗКГ; а повышение м^ от 0,2 до 0,45 сип ~ кает БПД работы котла на 'Ъ%. Локальный минимум С(М>Х) обьсняе-всп испарением капель непосредственно в зонах интенсивной го-нерпгки //0>;, причем именно полученная расчетным путем и экспериментально подтвержденная на гидравлическом стенде, конструкция расщ.'дщавцегэ усчгроГстр.а обеспечивает максимальное (до 3870 «пакт» да>»цг*трацк1! оксилот азоте. Это подтверждает приемли-кссть талр",йог'Линого графов??; литчосюго метода расчета ппрыскэ; ■ Щуокон икспори.ч-тальнсго поиска оптимально .уехоте-

обеспечения комплексной технологии подавления вредных продуктов сгорания природного газа было установление стабильного режима работы котла по одному из параметров подавления ( В или м ) и ступенчатым изменением другого. Опиты ДВС показали собственное возрастание концентраций СО в продуктах сгорания При увеличении Н (п 1,5 раза для газа и в 3 раза_Для мазута). В1рыок влаги в оптимальном количество через выбранное устройство для впрыска, полноогьи ликвидировал продукты неполного сгорания на выходе из топки при нормативном коэффициенте избытка воздуха. Экспериментальное нахождение сочетаний двух методов Н0ПТ =0,09 и нв>опт<»0,18 позволило при сохранении ГОД работы котла, снизить выбросы НО оо 190 мг/м^ до 1Щ нт/н^ или на 42%. и в Г,5 раза снизить выбросы СО при сжигании природного газа. Аналогичные результаты получены на котле ДКВР-6,5-13. Результаты режимных испытаний различных методов подавления М0Х, .• представленные на рис,б;, показали» что ДВС эффективно при нагрузках более О,ЗДН» тогда как впрыск влаги и комтлексное подавление эффективны во воем диапазона нагрузок котлоагрегата.

ГГа рис.7, и 8. предо давлены результаты экс(. ^ментальных исследований сжигания мазута на опытно-промышленной установке. УЬтйиовленныа на котле форсунки струйного тапа (ФП) хота и имеют невысокий уровень генерации/УОх..<рио .7.кривая 3.), но это обуславливается незавершенноеть'и процесса горения и повышенным содержанием продуктов неполного сгорания (рис.в.кр.Л.) и в ходе исследований овд были заменена на типовые (к-ция ".К1И) форсунки к горолкам ГНГ. Паромеханич зкиэ ф'ороункк рабЬтавт в. области допустимого химнадожэг.., ко характеривувтоя овшенной . генерацией "коидоб азота (230...280, мг/м ), Использование раз раб о танкер. 'конструкции готроенного водомазутного смезиголя ;

0,6 0,7 ' 0,8 0,"9 1,0 Относительная нагрузка н-отла

Рас. 6. 'Зависимость генерации оксидов азота от нагрузки для различных методов их подавления ( топливо. - природный газ).

слгруйио-ударного типа для получений ШЭ непосредственно в форсунке, позволило снизить уровень • генерации "а '¿Ъ% (см. рпе„?.кр.О и годностью ликвидировать продукты неполного его-(рис.8.кр.З.).

Разработанная конструкция эмульсионной газожидкостной фор сунки благодаря более равномерному распределении? топлива по факелу распиливания и снижения локальных максимумов температу характеризуется более низким уровнем генерации У0Х (на 20%) по, сравнении с типовой (рис .7.кр.2>. Образование 10!«-ной ШЭ при помог»! встроенного смесителя снизила еще на 25%

(п;с.7.кр.5,) и обцее синение генерации по сравнению с

лПр.

С/У0Х

240

сГ

е-

<а

£200

т—| Г

Типовая форсунка для горелок

гмг

■г^Г

ап'льокоиная гф стная

V Хз^йповал форсунка со

~0}7 " 'О, В Т,Т ' Относительная нагрузка котла.

НОЛ .

Рис.7. Зависимость гена рации оксидов азота при сжигании мазута от нагрузки котла для различных типов форсунок и методоз самгашя;1;4 - типовая форттака конструкции ЦКТИ; 2;5-разработанная конструкция 2ГЯ§; 5 - струйная форсунка Й1. I; 2;3 - стаганиа^мазута; 5. - сетгате В^Э ^влаздость12Д,

Рис

юа • на ~ш Ш ш

Коэффициент из битка воздуха на выходе из котла. .6. ¿гзкгдеюсть хим.нодожега котла от конструкции форсунки и

метода сжигания жидкого то«лива.

Рмс.Э. Зависимость, генерации оксидов азота при сжигании мазута или водомазутной эмульсии от коэффициента неравномерности .плотности орошения-факела топливом.

типовой гаромеханической составило 50% (а 260 'мг/м3 до 130 мг/м' Причем за счет снижения концентраций СО и необходимого коэффищ ента воздуха для полного сжигания мазута достигнуто около 1$ увеличение- Щ (брутто) котлочгрсгата.- Ка ркс.5. доказано подтверждение исходного положения для расчетных исследований о влиянии распределения жидкого топлива по сечению факела-на уровень генерация оксидов азота. При обеспечении полного сгорания к. т. зависимоеть С(/Йх) <1^) с погрешностью до является прямопз:опо]1ппзналыю1'; ко« при сжигании мазута, так и для получении:: ВМЭ. 1'с„?тсчесжв паремотрн |а:<:еда "а котле' Дрр-Ю-13 т .-отличались ст реочйтг'« по иото.глхе (Гл.',;'.) белес, чеп га. Ш'.

В дегног: ггачс 11п?г у ятя ркометаллии по моптвху Казрсбо-. тг-'«гЫХ ччульскоп»и>: у,:г:'/.!.гтв-.колоТО:еЗ!:«э к татто-опоио-

мические Показатели -промышленной апробации разработанных технологий с пониженным выходам вредных веществ". 0 работе приведены схемы реконструкций различных котлоагрегатов для внедрения малоотходных технологий, приводятся апробированные варианты разработки режимных карт и дополнений к инструкциям по эксплуатации котельной, связанные с переходом на .экологические технологии сжигания топлив, приводится схема огневого обезвреживания производственных сточных вод 1Три помощи разработанной ЗГ@.

Результаты экспериментальных исследований на опытно-промыя- . ленной установке подтвердились промышленной апробацией на котлах ДКВР-6.5-13; ДКВР-20-13; ДЕ-10;. ПТВМ-ЗОМ с эффективностью близкой к опытно-промышленной установке.

Подтвержденный экономический эффект внедрения комплексных технологий подавления вредных выбросов по двум обьектам: П.О, "Пролетарский завод" и ЦеслсскшЗ авторемонтный . завод (Латвия); показал снижение выбросов оксидов азота на 26 «т/год (на 42$), СО на 29 т/год (75$) и экономическую эффективность.30 тыс.руб. в год.

основные внводи .

1, Комплексное .'воздействие двухступенчатого подвода воздуха

и оптимизированного впрыс ка. влаги в зоны интенсивной генерации оксидов азота позволяет снизить вредные выбросы двух противо^ . положных групп - оксидов азота (на 42%) и продуктов неполного сгорания (по СО в 1,5 раза) без снижения экономичное та водотрубных котлов при сжигании породного газа,

2. Англия динамики распределения концентраций АГОХ по обьему топочного пространства при применении предложенного прафо-в.ча-литичет'ог" г'с^-да позволяет определить условия оптимального

впрыска и разработать устройство для его реализации.

3. Воздействие на структуру жидкого топлива - образование газожидкостной пмульсии и обеспечение более равномерного распределения топлива по факелу распиливания позволяет снизить уровень генерации оксидов азота на 20% по сравнению с паромеха-н тес кум рас пыливши ем и снижает образование продуктов нвпо'лю-го сгорания топлива, в т.ч. и канцерогенные ПАУ.

Гидродинамические методы диспергирования позволяют подготовить достаточно равномерную и тонкодисперснум водомазутаув смесь для эффекта!ого сжигания и подавления 'генерации оксидов азота непосредственно в форсунке перед скигением. 5. Комплексное образование водо-газоидкостаой эмульсии в специально разработанных конструкциях эмульсионных форсунок со встроенный предварительным водомазутиым смесителем сникает к.он-цагтрации оксидов азота в два раза и СО в три раза по сраше-нив с типовыми форсунками для горелок П1Г.

Экспериментальные исследования гвзожидхосэдых эмульсионных распыживаших устройств показали достаточную достоверюсть принятых физических и математических моделей процессов.

Экономичебкий эффект от внедрения .укйзенннх разработок по двум котельным (котлы типа ДКВР) составил 30 тыс.руб.в год и снижение вредных выбросов более чем на 60 та. в год.

список публикаций по теме диссергщ5и

1. Кривоногов Б,М.,Ива>:вдов В.Ы., Емельянов Л. А, .Бриллиэнтова И.И. •Акустические горелочгше ус-троЙстг;г//Сб."Со1>вриенствовение систем тепл'бгезоснабяеняя к вг.нтуляции1-Л,,ЛКСИ, 1989.-С.52-61.

2. Емельянов A.A. Прякечени«з паточного алептрохимическото

газоанализатора АГЭ-1//Тазиси докладов Х-ой облаотной конференции студентов, молодых ученых и специалистов. - Пермь, 1989. - С.33.

3. Кривоногов. Б.М., Емельянов A.A. Эффективные метода сокращения выбросов в атмосферу токсичных канцерогенных продуктов сгорания.// Тезисы докладов Бзес.науч.-практич-ой конф. ШСИ-ВДРГ. - Волгоград, 1990. - C.Öt-86.

4. Емельянов A.A. Сжигание газожидкостных эмульсий как способ обезвреживания и утилизации отходов нефтепроводе тва.// Сборник научных трудов "Охрана атмосферы от промышленных выбросов". - XadapoBCK,I9SI. - С.«-^9.

5. Кривоногов Б.Н., Емельянов A.A. Газожидкостные топливные эмульсии: особенности их распиливания и перспективы использования. //Повышение эффективности систем теплогазоснабжения и вентиляции. - Л.,1991. - С.43-51.

Принятые обозначения

C(N0X) - приведенные к коэффициенту избытка роз духа 1,10 концентрации суммарных оксидов азота, мг/м^. Характеристики распиливающего агента (p.a.): g- показатель адиабаты; Н^ - молекулярная маооа газа; jUr - коэффициент динамической вязкости; J*¡- - плотность при начальном давлении Pj, кг/м^-Р^ - давление p.a. в камере смесеобразования (КС). Характеристики жидкого топлива Сж.т.): <5- повзрхносда>э натяжение, Wv - ксоффициент гаггематаческой вязкоста,, m^/oj 5\ж - коэффициент теплопроводности, пД*У(м;С.град.);Ч. - удель- ; на я тзплота 'иеттарения, - Д^/кг; j>K> - Плотность иПлотнооть при шпеник, кг/н'"; "Плотное т»>(*г/к^) итсгтясаккость

" -гб- • •• • ••

Дя/^кг. град) Паров. жидкосги;1) и Бп коэффициенты диффузии жидкости и са паров, и2/с; - секундный массовый расход, кг/с О» - теплотворная способность, кДж/кг.

Характерно таки дкспар -чгройагия: Ц/н- необходимая скорость выхода аддкости из .сопла, м/с; $- размер „частиц, м; • тол-

Г'ЛуО .

щииа жидкой пленки на выхода из сопла, м. Конструктивные характеристик..; с), диаметр сопла, м{ 4Ш - .. - диаметр вихревой иайбц беловой части), н; Д - диаметр гаме рц смесеобразования (НС), и{ тепловое напряжений тонкого объема, кйч/н^с. .".'•.