автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка и исследование двухступенчатой... барбатажно-циклонной топки для сжигания жидких топлив и технологического сырья

■ - п • »¡и.

"'"ÍHI^KiL OPJ^rLV ТРУДОВОГО ЯСНОГО SHAiSHIí ТВЛТОЛОБПЕСЖ

ИНСТИТУТ ЦЕШОЛОЗНО-БУТДМКО;; n?o:.2LsiciocTii

аа права:-;-рукоплсд

0БПЗ)ЗС12-1 Валери!"; Ожльев:тч

7Д1-1 С21. loi. ? : £62. 94

?:.:.?ÀIO?:;À а ДВУХСТУПЕНЧАТО!

ггсшдшетю.. ГА?ЕОТА:::;0-1::ПОН::С^ ТОП:": ДПП cizirAnnn Топ^тз п тзпгопогпчпгпого спуьа

Специальность 05.^,4.04 - Промышленная теплоэнергетика

A3T0PEQ5FAT лйссертациз на соискание ученой степени ■ технически; наук

Ле ЕЕЯград-1990

Работа выполнена в Северо-Западном отделении Всесоюзного научно-иссдедовательского и проектного института энергетики, промышленности (СЗО ВНИПйэнергопром)

Научный руководитель: ....

доктор технических' наук Е.Д.КАЦНЕЛЬСОН

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, црофессор А.С.ИССЕРЛИН,

кандидат технических наук, ст.н.с. Г.Е.ОЖИГОВ

организация - Ленинградский политехнически!;

институт им. 1/иИ.Калинина

Оацпта диссертации состоится $0" ¡¿¿-СиХ- в ¿¿> час

на заседании специализированного совета X 055.24.02 з Ленинградском технологическом институте целлюлозно-бумажной промышленности

-А-т)

С диссертацией могло ознакомься з библиотеке Ленинградского технологического института целлюлозно-бума-шой промышленности.

¿з-ореуерат разослан алА^^

Отзыв на автореферат в двух экземплярах;. заверенный печатью учреждения, просим направить по адресу: 196052, Ленинград, ул. -Ивана Черных, д.4.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат 'технических наук

доцент З.ДЛЮЛНОЗ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОМ

Актуальность работы. Зо многих отраслях промышленности (целлюлозно-бумажной, химической, нефтеперерабатывающей и др.) при- • меняются топочные устройства,.предназначенные для сжиганйтт жидких топлив и сырья с цельв получения дымовых газов заданного состава технологического назначения...

Для осуществления ряда технологических процессов, например, получение сернистой кислоты, йодобромное производство, дегалоиди-рование сбросных вод, производство синтетических моющих средств требуются толки очень малой производительности.

В Советском Союзе и за рубежом практически отсутствуют топки подобного рода, несмотря на растущую в них потребность. Объясняется это прежде всего тем, что успешное сжигание жидкого топлива в камерных топках требует мелкого дробления тошшва, для чего применяются форсунки. Применение форсунок связано с большими трудностями: необходимость изготовления сложных деталей с высокой точ-ностыо, засорение отверстий, явления кавитации й эррозиа. Влияние этих недостатков значительно усиливается при наличии.взвешенных частиц в сжигаемом продукте. При малых расходах тошшва шш Сы- ' рья, когда размеры деталей форсунок, определяющих высокое качество распиливания, еще уменьшаются, форсунки, а следовательно* и топки становятся практически неработоспособными. Важное значение приобретают и такие вопросы, как необходимость обеспечения полного выгорания топлива при широкой маневренности о одновременным снижением окислов азота в .уходящих газах. Актуальной задачей является разработка и исследование топок малой производительности высокой экономичности с широким диапазоном регулирования и низким содержанием окислов азота для сжигания жидкого топлива и технологического сырья.

Настояния работа выполнена в соответствия с заданием 01.09 (С33-И) программы 0.01.11 ГКНТ при Совете Министров СССР на период 1981-1985 гг. и заказ-нарядом 1Ь 97-86 по задания 01.09 Минэнерго СССР программы 3.01.001 (СЭВ-И) на период 1986-19е9 гг.

Цель работы. Разработка и исследование бесфорсуночной широко-мапевронной высокоэкономичной топки с изучением газообразования на стадии подготовки топливч- к горению и в процессе его сжигания для получения даиних по расчету, проектированию и эксплуатации

'Подобных ТОПОЧНЧХ 7С?Р0ЙСТП.

- 4 -

Методика исследования. Исследования аэродинамических и тепловых характеристик проводились по известным апробированным мгл о- ■ дикам с использованием математических методов статистической обработки опытных данных. Сравнительный анализ конструктивных и режимных параметров при исследовании процессов в барботажной части топки осуществлялся с помощью метода математического моделирования. При проведении опытов выполнялась предварительная тарировка применяемых измерительных устройств. Стандартные контрольно-измерительные приборы проходили регулярную государственную проверку. . .

Научная новизна. На основе теоретического анализа процесса горения и проведенных исследсьани й' высокофо рсированных топочных устройств при сжигании мазута и кадкой серы разработайаи подробно исследована двухступенчатая барботажно-циклонная топка малой производительности; для сжигания жидкого топлива и технологического сырья. .

Разработана математическая шдель процессов, протекающих в барботажной части топка, получены зависимости для расчета основных конструктивных и режимных параметров. .

В результате вдаолаенЗых исследований выявлен характер аэроди-намичеоних и телловьк хфощессов, .протекащих как в первой ступе-, ни, где в основном происходит дроблепие, испарение и газификация • жидкогф топлива, так и второй ступени, в которой главным образом завершается выгорание Топлива.■

На защиту выносятся результаты! исследования в циклонных топках процессов газификации и горения мазута и.кидкой серы, разра-, ботки оригинальной консгрукции двухступенчат ой барботажно-циклон-ной топки для сашганид задкого тоПйща и технологического сырья, изучения аэродинамической структуры потока и процесса горения на промышленной топке разработки математической модели процесса подготовки жидкого тошшва в первой ступени к сжиганию во второй ступени. '.'■•" - .

• Практическая 'денноеть .^ реализация работц в промышленность. ■ Результаты работы реадщабванц рри внедрения барботажио-цйклонных топок.для сжигашш жидко^ оеры на КПО "ХимпрОм", что позволяло "полностью обесцечйть сернистым г&зом' процесс производства брома и таким образоЬ исключить ранее применявдгайся для- этой цели доро-гостоящяй в дефицитней продукт тиосульфат натрия. Ряд топок на-

- 5 -

ходитсн в стадии внедрения на предприятиях химической и нефтяной 'промышленности.

3 процессе работы била также модернизирована циклонная топка ЦКТИ-НХЗ для сжигания жидкой сери на Архангельском ЦБК, благодаря чему ее производительность существенно увеличилась - до 80 т/сутки и внедрена циклонная топка для. сжигания мазута к финской сушилке и Раутэ" на Пермском фанерном комбинате, позволивши заменить паровой обогрев сушилки на газовый и тем самым повысить ее надежность и производительность.

Экономический эффект от внедрения разработанных конструкций топок составляете 300 тыс. рублей в год.

Апробация работы. Результаты диссертации доложены и обсуждены на-Первой:конференции молодых специалистов членов НТОЭ й ЭП(;г. Ленинград, 1978 г.),Девятом Всесоюзном научно-техническом, совещании по знерготехнологическим циклонным комбинированным и комплексным процессам (г.Москва,1976 г.),Всесоюзном научно-техническом совещании нПроблемы эффективного- использования энергоресурсов в промышленности" (г.Миасс,1985 г.)»Всесоюзном научно-техническом совещании «Разработка и исследование новых типов энерготехнологических и теплоутилизационных установок с глубоким использованием вторичных энергоресурсов"(г.Баку,1985. г.).Всесоюзном научно-техническом совещании ..Разработка и реализация региональных программ энергосбережения" (г. Ленинград, 1987 г.)-, научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. пАктуальные проблемы рационального использования и восстановления природных ресурсов Европейского Севера",посвященной 60-летиш АЛТИ .(^.Архангельск,1989 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано .5 печатных работ, 5 тезисов докладов, а та!?ке получено 7 авторских свидетельств СССР и 2 положительных решения по заявкам за изобретение.

Структура и .объем, диссертации.. Диссертация состоят из введения, шести глав, выводов и приложений. Содержание работы изложено па 1-Г- -сграницах «аайнощюноуо текста и дополняется £0 рисунками, разделом "Практическая реализация результатов работы", спис»оы дитехатуры из 117 наименований и 12 прзлокеяиЯ на 20 • «Г^йкдглх. Общяй об\;е.м диссертации - составляет Я34 странвад.

- СОДСРхАНИЕ ' - '

T-j.ii сличи ги:доа1 ни е высокого ¡¡сиротливых технологических

- 6 -

топок для сжигания жидкого топлива к сырья является актуальной задачей..Основными требованиями, предъявляемыми к топкам подобного рода, являются необходимость обеспечения стабильности параметров „отходящих газов при полном выгорании топлива, широкая маневренность, высокие теплонапряжешя как объема, так и сечения топок, низкий выход вредных веществ. Рассматривал с этих позиций применяемые в настоящее время различные конструкции промышленных трпок, следует выделить два.характерных типа - барботазкные и циклонные ,

Анализ работы барбстажных и.циклонных топок привел к выводу о возможном объединении принципа действия этих топок в единый агрегат с использованием положительных особенностей каждой из них. Исхода из этого, в СЗО ВНШШзнаргопром была разработана, так называемая, барботажно-циклонная топка, состоящая из двух взаимосвязанных частей - барботажной и циклонной. Особенность этой топки заключалась в том, что первые три стадии подготовки топлива к горению'(дробление, испарение и газификация) сосредоточены в бар-ботажной части (газификаторе),а четвертая стадия (горение подготовленного топлива) в основном протекает в высокофорсированной циклонной»части. Такая организация двухступенчатого горения жидкого топлива- должна била обеспечить полное выгорание е широких пределах, изменения производительности с высокой экономичностью при широкой маневренности и низким выходом окислов азота. Следует, также отметить, что барботажно-циклонная топка работает в бесфорсуночном режиме, так как дробление топлива происходит при барботаке воздуха через слой тбшшва.

Создание нового.топочного устройства потребовало проведения предварительного широкого исследования для выяснения характера газообразования и горения, а .также получения тепловых.и аэродинамических характеристик процессов, протекающих в каждой .ступени двухступенчатой топки и при их совместной работе. Для этой цели была использованы две циклонные топки, сжигающие разные виды жидкого тошшва.

Исследования газификации и горения жидкого топлива (мазута), проведены на двухступенчатой циклонной топке, разработанной.030 ВШШэнергопром и установленной на Пермс.ком фанерном комбинате К финской роликовой сушлке "Раута". ''..•"

До принципу своего действия' исследуемая топка подобна барбо-

- 7 -

тажно-циклонной и отличается в основном тем, что дробление топли- ' ва в ней осуществляется с.помощью форсунки, а в барбот&тао-цик-лонной топке измельчение топлива обеспечивается при барботаже ' воздуха через слой.

При проведении исследования аэродинамики топки скорости воздуха на входе в форкамеру .составляла - S0 м/с, на входе в циклон - 23 м/с, на входе в переяим - 35 м/с, на входе в смеситель -13 м/с.

По результатам измёрений были получены поля тангенциальных (W(p) И осевых (И£) составляющих скорости, полного () и статического (fyr) давлений в сечениях топки, выявлен характер распределения по сечениям значений W\p • Wx »Р^ » Per » коэффициента крутки К и коэффициента сохранения скорости«?-» •

Как показали исследований, характерной, особенностью аэродина-тческой, структуры в двухкамерной циклонной топке является наличие обратных токов в периферийных областях й их отсутствие в центральной части, lía выходе из форкамеры в циклон возрастает крутка потока. Получены зависимости коэффициента сопротивления от скорости входа воздуха для форкамеры л циклона».

.Hc^eAOB¿KHe газообразования и степени Выгорания топлива про-, водилось на двух режимах при расходе топлива 372 и 200 кг/ч.

Анализы полей газового-состава показали, что газификация топлива (образование H¿ .CO.Cfy) в значительной степени происходит в первой ступени (форкамере) и заканчиваете« во второй ступени (циклоне). По направлению к выходу из топки постепенно загорают горючие компоненты топлива, причем наиболее замедленно происходит Еыгоранйе СО. В аэромеханическом переаиМе происходит эффективное дожигание топлиаа. ' .

В результате проведенных опытов получена зависимость среднего содержания окислов.азота, на выходе из топки от нагрузки. Величина NOx*приведенная к CL =1,167, с ростом производительности увеличивается и составляет 45 мг/мэ при максимальной нагрузке • (4,3 UBT). .

v .Для изучения структуры газового потока и особенностей сжигания жидкой серы была использована реконструированная одноступенчатая циклонная топка ЩСГИ-НХЗ производительностью 60 т/сутки, установленная на Архангельском аеллплозно-буМахяом комбинате. Толка находится-в постоянной непрерывной-эксплуатации в.течение

- В -

нескольких лет, полностью обеспечивает комбинат необходимым продуктом, и заменяет три ранее установленные вращающиеся камерные топка. '. •■

Исследования, проводились на номинальной (80 т/сутки) и половинной (40 т/сутки) нагрузках. . .

В результате проведенных экспериментов получены поля распределения компонент скорости в сечении циклона и за пережимом. Рас-. считаны для.Этих же сечений коэффициенты крутки К . и сохранения скорости € .

Установлено, что изменение..тангенциальной и осевой (

составляющей для 50-процентной.и 100-процентной нагрузок носит подобный характер. Минимальное значение IУ/р наблюдается у стенки. По мере приближения к центру Цвозрастает до максимального значения, а затем убывает.

Характерной особенностью распределения относительной осевой составляющей скорости УУх является наличие центральной зоны с преобладанием прямоточного движения .газов и кольцевого вихря. В пристенной зоне наблюдается незначительный периферийный вихрь. Расчетные величины коэффициента крутки и сохранения, скорости для 100-процен^яой нагрузки составляли К =2,64 "и ё =0,59, для 50-Процентной -/Г =2,5 и =0,48.

Газовый, анализ показал, что при номинальной и 50% нагрузках концентрайионные' И температурные поля подобны. . Для сечения циклона максимальная* концентрация { 17/?). наблюдалась .в цриосевой зойе. В периферийной зоне указанного сечения концентрация ' изменялась в пределах 3-5%, а содержание Дд достигало 18%. В сечении газохода поля газового состава сглаживаются. Среднее значение концентрации при номинальной нагрузке составило. 16%.

, Температура газов в сечений газохода за пережимом при номи- . вальвой нагрузке составила. «¿1300 К, а при 50£ от номинальной -<»1225 К, Более высокие'эначерия температуры.в газоходе по срав-• невию с собственно топкой (7"=1150 К) свидетельствуют об аффективном, дожигании газов в аэроиеханическои пережиме".

При проведении опытов механический недожог был обнаружен тодыю в периферийной .зоне:сечения циклона, .а в сечении газохода, полностью отсутствовал» . ; . *

.. БарботЕлно-гдаклопиая топка била разработана для дтлганий падко! серы, х установлена на': Перекопском бромной'заводе СКПО^ХЕгг-

- 9 -

лром") з 1982 г. Топка предназначена для получения сернистого газа при дегалоидировании сбросной рапы в процессе цроизводства брома. В 1986 г. на предприятии, была установлена вторая барботаж-но-циклонная топка и в 1989 г. - третья, топка.

Топка (рис.1) состоит из четырех основных элементов: отстойника I, газификатора 2, циклона 9, смесителя 7.

Жидкое топливо поступает самотеком из приемной емкости. Дробление жидкой серы осуществляется барботажем сжатого воздуха через топливный слой с помощью решеткй.13, состоящей из перфорированных труб. Над барботатлой решеткой в вертикальной части газификатора расположены. тангенциальные сопла 12 для подачивторичного воздуха, образующие вихрь с вертикальной осью вращения. В верхней части газификатора установлен горизонтальный участок с тангенциальны?,« воздушными соплами II, расположенными перпендикулярно плоскости расположения сопл 12. При взаимодействии двух взаимоперпендикулярных вихрей в надблоевоМ пространстве газификатора осуществляется эффективное смесеобразование топлива я воэдуха. В птой зоне, практически завершается испарение серы, происходит частичное горение и сепарация крупных частиц неаспаре'нной сери, которые возвращаются обратно в слой.. ■ >

После газификатора поток испаренного и газифицированного топлива поступает в горизонтально расположенную циклонную камеру 9. , На входе в камеру установлен.аэродинамический пережим 3. Воздух в циклонную камеру подается через тангенциальные сопла 4. На выходе из циклона установлен аэромеханический пережим 8. В циклоне и аэромеханическом пережиме происходит окончательное догорание серы. Подача воздуха в пережим осуществляется через тангенциальные сопла. 5. За аэромеханическим пережимом продукты сгорания по. ступают в смеситель 7, где охлаждаются и разбавляются до требуемой концентраций воздухом, вводимым в смеситель радиальйо через трубы 6. ' '

Разработана схема КИП и А и система для измерения и регулиро- ■ вамия уровня серы, характерной особенностью которой является установка перед тонкой бака-стабилизатора. Еидкая сера первоначально подается в бак-стабилизатор, после чего поступает в топку.

Л: рояи(?ампчесгсие исследования барботажно-циклонной топки в основное билй'прбведеяы в изотермических условиях при расходах воздух, спетветстгф'лчлм нагрузкам по топливу от 50 до 200 кг/ч. Для "к-си'^'пя а.гйянк.'т' яеизотермичностп два опыта проводились при

. ' - 10 -

горения серы. Расход жидкой серы в первом из них был равен 38 кг/ч, скорость воздуха на выходе из сопл газификатора - 17,6 м/с на выходе из сопл циклона - 13,1 м/с и на выходе из сопл аароме-ханического пережима - 12,4 ц/с. Во втором опыте расход серы составлял 58 кг/ч, скорость воздуха на выходе из сопл газификатора была равна 14,9 м/с, на выходе из сопл циклона - 12 м/с, на выхо де из сопл аэромеханического пережима - 13,8 м/с.

Исследования показали, что закрученная струя претерпевает зна чительяце изменения, В газификаторе четко выражен максимум, значение которого, увеличивается с ростом входной скорости. С переходом газового потока в циклон струя дополнительно подшучиваете В этом 'сечеши наблюдается формирование второго максимума скоростей. Во всех сечениях, заметны-обратные токи. Величина максимума скоростей возрастает с увеличением скорости воздуха на входе в циклон. '

При исследовании аэродинамики в неизотермических условиях отмечено, что тангенциальные скорости возрастают от периферии до •максимума, а затем снижаются до минимального, значения в приосевс зоне. Осевые скорости возрастают по направлению к центру тонки, где достигают наибольшей величины. Значение коэффициента крутки {{ для сечения циклона в первом опыте было равно 1,72 > для сечения газохода - 1,55, во втором опыте, соответственно,. 1,7 и 1,0! Величина коэффициента сохранения скорости £ составляла в перво] Опыте. 0,2 в сеченки цщрюна и 0,32 в сечении газохода. Во второ] опыте <£ был раве'н 0,69 и 0,55. Сравнительно низкую величину ко эффпциента крутки обусловили шероховатость стенок и небольшие з чения входных скоростей. Увеличение £ во втором сечеши проис дат за счет установленного за циклоном аэромеханического пережк который способствует, усилению футки.

На рис.2 и 3 приведены графики, распределения' осевых и танген альных скоростей по сечениям топки для опытов в изотермических непзотермических условиях при сравнительно близких режимных пар метрах. Анализ'графиков показывает, что в условиях горение осев скорости значительно выше, Увеличиваются и зоны обратных токов. Примерное .совпадение положения максимумов осевых скоростей поз! ляет говорить об. автомодельности потока.. В сечении газохода за>, тен рост тангенциальных, скоростей.

Коэффициент крутки для опыта в нэизотермичмких условиях- несколько чем в пёотершшсклх.. Для. коэТДициеата сохранен;»

. - II -

скорости £ наблюдается обратная картина.

Установлена зависимость коэффициента сопротивления тонки *jfr от зходно-i скорости Wsx • Вели чипа уг уменьшается от 1,3 дс 1,5 с ростом Wgx от 7 до ЕЮ гл/'с. .

Исследования процесса горения жидкой серы в барбото&но-циклон-ной топке при нагрузке К8 кг/ч показали; что в сечении циклона и газохода за пережимом концентрации газов шеет асимметрию относительно центрально": осн. В периферийных зонах этих сечений гонцентрация сернистого- газа SO¿ колебалась в пределах 3-5^. Максимального значения (6-7/S) SÜ2 достигает в цёнтре. Состав газовой средь: в пристенной зоне обогащен кислородом. Практически равномерное поле концентраций наблюдается в сечении после смесителя. В этом-сечении концентрации SO¿ составляет 4,2^, концентрату! - 16,6$. Средняя температура газоз в сечении циклона составляла 1020 К, в сечении газохода за пережимом - 550 К. Характерно!: особенностью температурных полей является наличие пристенной зоны с болео.низкими значениями температуры. 1то обстоятельство благоприятствует увеличению'срока службы футеровки.

По результатам измерений были рассчитаны коэффициенты избытка воздуха ОС .в сечениях, тепки. Минимальное значение ОС принимают п пркосевои области, а максимум находится в пристенной зоне.

Процесс выгорания серы илтастрирует рис.4, на котором показало изменение средних' концентраций ¿?¿ по сечения.! топки (газификатор, циклон и газоход за пережимом).

Л/л изучения процесса газификации' в рабочем объеме топки на нагрузке 58 кг/ч был проведен газовый анализ-и определены поля температур не только в -сечениях циклопа п..газохода, но и в сечении газификатора.' Как показали результаты исследований, в этом сечении концентрация 50¿меняется от 2.до 5$, а концентрагдая ¿7г соответственно, от 10 до 8?-'. .Поле температур носит скачкообразный • характер и изменяется от 173-до.1175. К, что объясняется, пз-вида-г.ому, "<у:ожйигл взаамоде!;ствием двух взаимно перпендикулярных вихрей"' ' с/7

Концентрация OU¿ в циклонной части, несмотря на таэбаллЕНпв

зтэричкнм воздухам, выло,, чем в газификаторе, что свидетельствует об .активном догорании в ней паров -се¡..и* Избыток поздуха.-в сечении газификатора распределен почти равномерно (Qf-Í,7), как и- поло концентраций SQ* п

'¿к 'обзгос (q. a 5¿i кг/ч) гл-хкодйгог.'ка заходе' из .

топки отсутствовал...

Содержанке окислов азота в уходящих газах определялось и сечениях Ш и 1У барботажно-цйклонной топки (газоходе за пережимом и гахоходе за.смесителем). Измерения проводились.в трех режимах {В$=2>2, 44 и 58 кг/ч). Максимальное значение МОх .приведи ни >.; к '=1,167 находится в центре и составляет С,8-16,^;лг/гл3.

Исследования процессов, .подготовки жидкого топлива к горенто, протекающих в барботажно-циклонной толке» проводились на катог/а- • тической модели применительно-к жидкой' сере. При этом были приняты следующие допущения:

топка работает в.режиме малых скоростей барботата; ■ 'пузыри всплывают медленно и пары топлива в них находятся в сс~ ■ стоянии насыщения; .'

воздух и пары топлива, подчиняются законам' идеальных газов; температура в барботакном слое всюду олн:акова (активное помешивание ); .'..-'

при разрыве пузыря -капли-вылетают'вертикально вверх; ..температура газовой среда постоянна по высоте. Полагая, . что сила подъема пузыря'уравновешивается садами поверхностного, натяаёнйя, можно систему уравнений-для определения отрывного размера'пузыря 7позаписать в следующем виде ^

V ¿4 > Г) 3/Ъ УУп 7по

Ре. > = /3 ^

где уС^ , р5 - .плотности, воздуха и жидко го. топливакг/?л ; О ~ . коэффициент поверхностного натяжения топлива, к/м;- козаид;-

циент динамической вязкости топлива, ,-ПаС; Р¥/г - скорость перемещения раздела фаз при росте пузыря на выходе из отверстия, .к/о;.. Ид- число барботажннх отверстий, , шт; - расход первичного . (барботажного) воздуха, нм3/с; ОС^ - коэсМ-шиент расхода первичного воздуха; - температура первичного воздуха, К; В$ ~ расход топлива,•кг/с; - теоретически'необходимое количество воздуха, нм3/кг; ^ - коэффициент сопротивления." ' ■

Величина радиуса пузыря на' поверхности слоя Х/7 огг^еА^лч-'те <> в результате решения следукиях. уравнений. • '

4- Tí^-Zno Pg — ¿T/PÏPÏ"

n'-Pr+AfA+g+TtW;

рп e.ZJ)(ï4328P - Тс* - SM

Mo Pg, Pf - давление воздуха в пузыре, отрывающемся от отвергли к находящемся на поверхности слоя, 'Па; 7с4 - температура Ларботааяого слоя, К; Лг - давление в топке, ¡la; - высота ис-.чоллиго слоя топлива, м.

При разрыве оболочки пузыря, находЗДегося на поверхности раз-'[аз а возникающего при этом волнового движения жидкости, образуется столбил гадкостп, который: распадается на капли.

)'jút расчета вылета каядо;:. капли из слоя И/ао использовались уравнения, связывающие'свободную поверхностную энергии. £aa¿ и кинетическую энергию вылетающих.капель Л £, поверхностную энергию столбика Еет* э;к\ргш разрыва столбика £ ,а тайке соотношения для средне объс-моз. столбика Ver,пузыря Vn п каплиÍ/Kü. 'При этом лршшмахос'ь, что при разрыве пузыря выбрасывается tlK .ашель ( /?а=1+5), уоргла к.-.илчулюго столбика 'цилиндрическая, а радиус столблка ter Р^о-н радиусу .капли

Епоб ~ л£ + Есг+ S ; ¿

\à£KÛ №*»■/£ /

Вот — s.&'Zarticrd; £=¿nH згг1г(э; Ver = Û,OfVn ; miñ ; QSP,

гдо Her ~ высота столбика, м; Otea -средний диаметр вылетающей капли, м. _

При рассмотрении.- вопросов испарения капель- адщ>й' серы на начал ьйоы участке их движения в условиях нестационарного теплообмена установлено,. что время стабилизации теплообмена много' меньше г-рьмекп пребывания капель.'в надслоеаом пространстве, поэтому расчет ;:cáa?otaiH"-капли uasuo проводить как;"дйя стационарного -,'• Teü-v¿ofr.:<Tií, считан, -чю- пэ-за болкссл велинш». «геллоотдДча'йа

- 14 ,

начальном участке капли топлива' начинают испаряться сразу-же щ ь вылете из барботажного- слоя, -

Испарение капли для стационарных условий описывается следую-

где &к - диаметр.капли через секунд поело вылета, ы; Тг -температура среды, К; Сд- теплоемкость паров топлива, Дж/кгК; ■ - теплота испарения топлива, Дзг/кг.

Уравнение движения капли, вылетающей вертикально вверх из ' слоя .со скоростью имеет вид

где- скорость.восходящего потока, м/с.

Расчеты показали, что высоту надслоевего пространства //<? следует выбирать в соответствии с наибольшей величиной подтема круп нвх капелькоторая определяется из условия.равенства нулю их скорости на'этой высоте.

Производительность барботажного слоя В определяется суммарным количеством паров топлива, образующихся в процессе барбота>.;а ((^и испарения капель в объеме' газификатора .( О-К)

П УгТелГРт /■)-'■

где коэффициент- испарения капель: Ока- Шамет]

капли, падающей обратно в слой, м;' Ра - парциальное датзлент паров топлива, Па; Рт - давление в топке, Па.. ' Для'расчета температуры факела 7*Р .используется, равнение' теплового'баланра . . . ■

Цт = О* + $иегг + Цп +£?п + (¿3 + Ц* г

где ¿2г ~ теьлэта сгорания паров тоилила.'.• кДж/п*: - колич«-во- тепла, необходимо? для-, кьгрс-ва гадкого-пЪшгнва. до.тзыператух 'кинеякя,' кЛ»/кг.: Ць/сп- теп,;;:?, рагаодугл/ое на.иейа^ние• тодш кДз> кг; (Зп г'-'лолачостэс тааля,:- иле ¿ходите да.-чагрева цагов л '.-а-VI по т«;ш?рат:,г-к gj.4i.au,:(Зг?-'тепло, ^зехэду^ое к/

- 15 -

нагрев несгоревших паров от температуры среды до температуры, факела, иДк/кг; - количество тепла, необходимое для нагрева воздуха до температуры среды, кДж/кг; - количество тепла,необходимое для нагрева воздуха, не участвующего в горении, от температуры среда до температуры факела, кДж/кг; - энтальпия продуктов сгорания, кДн/кг.

Температура слоя 7сл определяется из уравнения теплового баланса, левая часть которого представляет собой .тепло, передаваемое слою от факела излучением и конвекцией, а правая - тепло, расходуемое на нагрев слоя, испарение в слое и нагрев барботакпо™ го воздуха

^Цг(Тг- тш) =д5с8 (Тс, - г5)+ап $

где С3 - теплоемкость квдкого топлива, кД?/кг.К;- теплоемкость барботажного воздуха, кДж/яг ¿А^р/ - плотность воздуха, кг/нм3; Т$ - температура подаваемого топлива, К.

Коэффициент конвективной теплоотдачи ССК и количество тепла, переданного излучением Ол рассчитываются по формулам

где И^г ~ скорость вторичного воздуха на выходе из сопл газификатора, м/сгД^р козффпциент теплопроводности вторичного воздуха, Вт/м.К; у^г - коэффициент кинематической вязкости вторичного воздуха, м^/с; <Хк - приведенная степень Черноты; Нл - лучевоспри- . нямающая поверхность, .

Вычислительный эксперимент был проведен на ПЭВМ "Искра-226" и ПЗВМ типа ЕМ ГС . • ■ ■

Расчетам установлено, что на производительность слоя существенным образом влияют суммарный коэффициент^расхода воздуха, подаваемого в газификатор, доля сгоревшего топлива, скорость вторичного воздуха и'диаметр газификатора..

В результате расчетнс-теоретичеокого анализа с использованием математической модели разработаны рекомендации по выбору оптимальных значений наиболее существенных режимных параметров л определению на их основе характерных размеров газификатора с целыо обеспечения заданной производительности и полноты подготовки тошава . к сглгащш, ' " .

•• - 16 -выводы

I. На основе проведенных исследований и теоретического анализа разработана конструкция двухступенчатой барботакно-циклонной топки для сжигания жидких топлив, технологического сырья и отходов, устойчиво и экономично работающей в широком диапазоне изменения. нагрузок.

. 2. Исследование характера газификации'при сжигании жидкого топ лива (мазута), выполненное на двухступенчатой циклонной топке,показало, что .газификация топлива в основном протекает в первой, сту пени (форкамере),а во.второй ступени, (циклоне) происходит полное выгорание Топлива. Тепловыделение в форкамере составляет около 40%. К выходу из топки;выделяется все тепло топлива. Окислы азота в уходящих газах не превышали 50 -мг/м3,

"3. При изучении процессов, происходящих при сжигании .жидкой серы на реконструированной однокшлер.ной циклонной топке ЦКТК-ЖЗ, установлено, что максимальная концентрация сернистого ангидрида (до 18$) и минимальное содержаще кислорода (до. 3%) находится в центральной зоне топки. В периферийной зоне состав газбвой "среды обогащая.кислородом. Подтверядена роль аэромехаш5Ческого пережиме как элемента, обеспечивающего эффективное дожигание топлива.

4г Выполнено экспериментальное,исследование аэродинамических и тепловых характеристик промышленной .барбот&здо-циклонноГг топки для сжигания жидкой серы производительностью 60 кг/ч.

•Исследование аэродинамики в изотермических условиях показало, что по мере движения Закрученной струи уменьшается зона обратных токов, формируется второй максимум в профиле осевых скоростей. Основное влияние на величину.этих изменений оказывает скорость вторичного воздуха. В условиях, горения осевые скорости возрастает, зоны обратных токов увеличиваются, снижается коэффициент кру ки К .возрастает коэффициент сохранения скорости £ .

Опытами установлено, что максимальное .содержание сернистого газа наблюдается в центральной зоне,. Состав газово и среды в ив— риферийной.области обогащен кислородом. После смесителя поля концентраций газов становится -практически девшлеркшг. Отмечено наличие пристенной зоны с более низкими температурами, что способствует увеличении сро^а службы футеровки.

Мехкс;;эу.ог за топкой стсутствогчъч во гсгх опктцх.

.Содерзгдяг.е окислов азота в. ухоц.-хпг. гая:г>„ иг «у-свукъчэ ...

■ - 17 -

5. Разработана математическая модель для расчета основных параметров и конструктивных размеров первой ступени (газификатора) топки. В результате вычислительного эксперимента, проведенного на математической модели для сжигания жидкой серы, установлена зависимость производительности топки от осноёных режимных и конструктивных параметров, даны рекомендации по проектированию барботаж-но-циклонных топок. _ . ,

6. Барботакно-циклонные топки для сжигания жидкой серы внедрены на Крымском производственном объединении "Химпром".

■ На основании опыта эксплуатации, проведенных исследований й результатов математического моделирования, разработаны проекты барботаяно-циклонкых топок для ряда отраслей промышленности(неф-тёхимической, производства минеральных удобрений).,внедрение кото-ркх ожидается в течение I990-IS92irr.- , ' .

7. Экономический эффект от внедрения топок на КПО "Химпром", а также циклонных топок на Пермском.,фанерном комбинате и Архангельском ЦБК составляет «в 300 тыс. рублей в год.

Основное содержание диссертации опубликовано в.следующих работах:

1. Дорман Е.И.,ОбухоЕский В.Э.,Куклев Ю.И.,Терк А.Р. Разработка и исследование двухкамерный циклонных топок для сушильных ус-• тановок /Тезисы докладов к Девятому Всесоюзному научно-техническому совещанию по энерготехнологическим циклонным комбинированным и комплексным процессам (23-25 ноября 1976 г.): Сборник ГКНТ, ВСНТО.-М., 1976.- С.68. .

2. A.c. 585380 СССР, MKhF26BI3/02 F 26В 15/12: Газовая сушилка /Стерлин Д.М.,Дорман Е.И.,Воскресенская.А.И.,Возиков Н.Э., Обуховскйй В.Э. //Открытия. Изобретения.- 1978.- J& 47.

3.. Обуховский В.Э. Разработка конструкций циклонных топок для сжигания мазута и древесной пыли /Тезисы докладов молодых специалистов к 1-й конференций молодых специалистов членов НТ0."Э и £П, Энергия, Ленинградское отделение, 1978.- C.2I-22i •

4. Дорман Е.И.,Возиков Н.3.,Марков Э^А-.,Обуховский В.Э. Циклонная топка /Информационный листок ЛенЦНТИ, 1979.

v5. A.c. .918691 СССР, Ш;р2зН1/02. Устройство для сжигания топлива /Домнкчев А.' Дорман Е.И.,Обуховский В.Э. //Открытия. Изобретения.-. 1982.- й 13. -■ .

. 6,- Обуховский В.д. Циклонная барботажная топка /Информашган-ный листок ЛенЦСТП, Т9Ь2.

- 18 -

7. A.c. II74S7I СССР, МКИ F 23'Д 5/02. Барботажнай горелка / Обуховский В.Э. //Открытия.- Изобретения - 1985.- й'ЗГ.-

8. A.c. II8502I СССР, МКИF2sfî7/05 Печь для'сжигайия жидкого' топлива и горючих отходов /Дорман Е.И.,Обух.овскйй:З.-З.-.Доиничев A.A. //Открытия. Изобретения.- 1985.- Jè Зв.-

9. Кахщельсон Б.Д,..Обуховский'В.Э. Разработка-,- исследование и внедрение барботажно-циклонных топок- для]сжиганий жидких тошшв/ Тезисы докладов к Всесоюзному научно^УХ-МйЧё'скому совещанию "Проблемы эффективного использования- эйёрГйресуреов в промышленности (сентябрь 1985 г.):Сборник, ЦЙТП'Э и'Э ,Мяасс,1985.~ С.61-83.

10. Обуховский В.Э..Кацнельсон Б.Д. Разработка барботажно-цик-лонной топки для жидкого- топлива и опыт ее работы при сжигании серы /Тезисы докладов: к^Всесоюзному научно-техническому совещанию "Разработка и исследование новых типов энерготехнологических установок с глубоким использованием энергоресурсов в промышленности" (Баку, октябрь 1985 г.);Сборяик, ЦНТП Э и Э , Москва,1985.-С.93-94,

11. Обуховский В.Э.,Кацнельсон Б.Д. Разработка и исследование барботажно-циклонных топок для сжигания жидких топлив. Эффективность использования энергоресурсов'.в промышленности //Сб.научных трудов'.- MВНИПЙэнергопром, 1986.- С.67-75..

12. А„с;,.I2I9872 СССР, МКИ F23Î5/I2. Устройство для сжигания тошшза /Обуховский В.Э..Домничев А.А.,Кацнельсон Б.Д. //Открытия. Изобретения.- 1986.- Jë II.

13.-Результаты испытаний и исследований барботажно-циклонной топки душ сжигания серы на Крьмском производственном объединении "Химпром" /Б.Д.Кацнельсон, В.Э.Обуховский, А.С.Добровольский, А.А.Домничев, В.И.Немировский //Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического совещания "Разработка и реализация региональных программ энергосбережения"(ноябрь 1987 г.) /Сборник, СЗО ВНИПЙэнергопром.- 'Л., 1987.- С.104.

-14. A.c. 1402765 СССР, МКИF2305/02. Барботажнан горелка/Обу-ховский В.Э. //Открытия. Изобретения.- 1988,- Я 22.

15. A.c. 1444587 СССР, ММ F 2з(Ь/04. Печь для сжигания жидкого топлива и горючих отходов /Домничев A.A...Обуховский В.Э.Дсбро--вольский A.C. //Открытия. Изобретения.- 1968.-й 46.

16. Адамович Б.В.,Голик И.В..Кацнельсон Б.Д..Обуховский В.Э. Движение -испаряющихся капель при барботажном способе подготовки жидкого топлива к сжиганию /Создание малоотходных технологи? и совершенствование утилизационного оборудования'//Сб. научных тру-

- Iii

доб.- М.:ВНИПИэнергопроы,' 1988.- C.I09-II8.

17. Опыт применения барботаано-циклойной топки для сжигания серы в производстве брома /Обуховский В.Э.,Красиков В.В.,Кацнель-сон Б.Д.,Николаенко В.П.,Рило Р.П. //Химическая промышленность.

- IS8S.- ji I.- С.54-56.

18. Домничев A.A.»Обуховский В.Э.,Кацнельсоя'Б.Д.,Адамович '■■ Б.В. Печь для саигания жидкого топлива и отходов //Положительное решение на заявку js 4645242/33 от 20.08.89.

. 19. Обухозский В.3.,Домничев A.A..Кавдельсон Б.Д.,Адамович . Б.В. Способ сжигания газов низкой калорийности //Положительное тзешение на заявку 4641556/33 от 25.I0.S9.

-HC.i

"холодные" опыты, - "горящие" опытн

Рис.2 Рис.з