автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Улучшение энергоэкологических показателей котельных установок предприятий железнодорожного транспорта сжиганием водомазутных эмульсий

КРАИНОВ Василий Васильевич

ш

На правах рукописи

т о«

УДК 662.61.502.36:656.2(075.8)

УЛУЧШЕНИЕ ЭНЕРГОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ПРЕДПРИЯТИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА СЖИГАНИЕМ ВОДОМАЗУТНЫХ

ЭМУЛЬСИЙ

Специальность 05.14.04 - «Промышленная теплоэнергетика»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск 2000

Работа выполнена в Омском государственном университете путей сообщения.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор ВЕДРУЧЕНКО Виктор Родионович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор НЕНИШЕВ Анатолий Степанович, кандидат технических наук ГААК Виктор Климентьевич.

Ведущее предприятие:

Омский государственный проектный институт «Омскжелдорпроект».

Защита состоится «_/_» _2000 г. в на заседании

диссертационного совета К. 114.06.02 при Омском государственном университете путей сообщения по адресу: 644046, г. Омск, пр. К.Маркса, 35.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке университета.

Автореферат разослан ОкупЗ^Ьу 2000 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу совета.

Ученый секретарь

диссертационного совета В. М. Лебедев

(с) Омский государственный университет путей сообщения, 2000

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В стационарной энергетике железнодорожного транспорта, а также в котельных установках промышленных предприятий в качестве топлива все еще широко используется жидкое топливо, главным образом, мазуты. В этом случае эффективность топливоиспользования зависит от правильной организации сжигания топлива, включающей процессы топливоподготовки, топлизоподачи и рационального сжигания.

Долгое время считалось, что присутствие воды в топливе является отрицательным признаком, поэтому воду из топлива старались удалить. Тем не менее, экспериментальные работы многих исследователей доказывают обратное: добавление воды в мазут и создание водомазутной эмульсии (ВМЭ) как нового вида топлива со своими характерными теплофизическими и энергетическими свойствами способствует повышению коэффициента полезного действия (КПД) котла и снижению токсичных выбросов в атмосферу.

Вместе с тем, подобные работы носили лишь экспериментальный характер, и на их основании делался вывод о целесообразности применения ВМЭ для конкретного котла при определенных условиях. Ни в Нормативном методе, ни в другой специальной литературе нами не обнаружена методика расчета процесса горения многокомпонентного топлива (в частности, ВМЭ) в топке котла, которая бы учитывала специфические свойства этих топлив и степень их влияния на экономичность и токсичность дымовых газов.

Задачи исследования:

- создать качественную модель горения единичной капли ВМЭ с учетом наблюдаемых физических явлений, происходящих с ней в процессе горения;

- разработать физико-математическую модель горения единичной капли ВМЭ с учетом эффекта «микровзрыва», позволяющей по заданному компонентному составу и диаметру капли приближенно оценить полное время выгорания, количество «микровзрывов» и моменты их возникновения;

- проверить численным моделированием на ЭВМ предлагаемую математическую модель на основе опытных данных и проанализировать выгорание единичной капли ВМЭ при различных значениях диаметра капли и ее компонентного состава;

- создать и проверить математическую модель горения факела ВМЭ методом численного моделирования на ЭВМ, позволяющую по заданным условиям сжигания топлива рассчитать геометрические размеры факела, его температурные

и скоростные поля, а также концентрации топлива и окислителя в заданном сечении факела;

- разработать и рассчитать на ЭВМ приближенную математическую модель горения капельного факела ВМЭ с учетом особенностей горения многокомпонентной капли эмульсии;

- экспериментально на реальной котельной установке подтвердить полученные расчетные и модельные результаты.

Методика исследования. В основу исследования положена разработка приближенных математических моделей и численное моделирование на ЭВМ с последующим качественным экспериментальным подтверждением результатов испытаний котельного агрегата. Экспериментальные исследования опытного сжигания нового вида топлива проведены на действующем котельном оборудовании с применением современной аттестованной измерительной аппаратуры.

Научная новизна:

- создана физико-математическая модель горения единичной капли ВМЭ с учетом эффекта «микровзрыва»;

- разработан алгоритм и выполнено численное моделирование на ЭВМ динамики выгорания единичной капли ВМЭ с последующим анализом;

- предложена приближенная математическая модель диффузионного горения капельного факела однокомпонентного тяжелого жидкого топлива применительно к его сжиганию в топке котельной установки малой и средней мощности;

- создана приближенная математическая модель горения капельного факела с учетом особенностей горения капли ВМЭ как многокомпонентного топлива;

- разработан алгоритм и выполнено численное моделирование горения факела мазута и ВМЭ, проведен их сравнительный качественный и количественный анализ;

- предложен обобщенный энергоэкологический критерий для комплексной оценки эффективности перевода котельной установки на новый (многокомпонентный) вид топлива.

Практическая ценность:

- результаты работы используются в отчетах НИР кафедры «Теплоэнергетика» ОмГУПС по госбюджетной и хоздоговорной тематике для расчетной оценки параметров горения ВМЭ в топке котла;

- предложенные методики могут быть применены для оценки изменения КПД и выбросов котельной установки при переводе котла на сжигание ВМЭ;

- результаты исследования используются в учебном процессе при изучении курсов «Котельные установки», «Топливо и основы теории горения».

Внедрение результатов работы. Результаты исследований и практические предложения внедрены в котельной НГЧ-9 ст. Карасук Западно-Сибирской ж.-д., что подтверждено соответствующими документами; опытное сжигание ВМЭ выполнено также в котельных депо Московка Западно-Сибирской ж.-д., котельной ПО «Сибкриотехника» - в паровых и водогрейных котлах различных типов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научно-технической конференции «Проблемы железнодорожного транспорта и транспортного строительства Сибири» (Новосибирск, 1997), третьей межвузовской научно-методической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Москва, 1998), научно-практических конференциях ОмГУПС (Омск, 1997, 1998), научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении» (Ростов-на-Дону, 1998).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 16 печатных работах; получено авторское свидетельство на изобретение (полезную модель).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, выводов, списка использованных источников (116 наименований), 5 приложений; изложена на 147 страницах текста; содержит 29 рисунков, 5 таблиц.

На защиту вынесены:

- физико-математическая модель горения единичной капли двухфазного топлива без учета «микровзрыва»;

- приближенная физико-математическая модель выгорания единичной неподвижной капли ВМЭ с учетом эффекта «микровзрыва»;

- приближенная модель горения факела однокомпонентного топлива в топке котельной установки заданных характеристик;

- приближенная математическая модель расчета параметров горения факела двухкомпонентного топлива с учетом особенностей структуры капли ВМЭ;

- энергоэкологический критерий как комплексный показатель изменения энергетического и экологического состояния котельной установки при сжигании нового вида топлива (ВМЭ).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определена цель и сформулированы задачи исследования.

В первой главе выполнен анализ исследований и опытов по сжиганию обводненного топлива в топках энергетических установок.

Как показали экспериментальные исследования, проведенные Г. А. Варшавским, В. М. Ивановым, Б. В. Канторовичем, В. Н. Клейтоном, А. Н. Воликовым, И. А. Тувом, О. А. Гладковым, В. Р. Котлером, С. Е. Беликовым, А. К. Абрамовым, Л. С. Рапиовец, С. Кумагаи и др., показали, что ВМЭ является принципиально новым, двухкомпонентным жидким топливом, применение которого, с одной стороны, делает ненужным удаление влаги из топлива, а с другой стороны, позитивно сказывается на улучшении полноты сгорания топлива в энергетических установок и, в частности, топках котельных установок. Перевод котлоагрегатов на сжигание ВМЭ улучшает его энергетические показатели: возрастает КПД, уменьшается удельный расход условного топлива, снижаются потери с химическим недожогом и т.д. Причем это улучшение имеет место при определенном соотношении водной и топливной фаз. По экспериментальным данным на широкой номенклатуре котельных установок наиболее оптимальным отношением является 5 - 10% воды в составе ВМЭ.

Кроме улучшения энергетических показателей, при переводе котла на сжигание ВМЭ снижается количество выбрасываемых в атмосферу вредных для окружающей среды и здоровья человека веществ: N0* и СО.

Проведенные эксперименты по горению единичной неподвижной капли ВМЭ (Г. А. Варшавский, В. М. Иванов, Б. В, Канторович и др.) выявили наиболее характерный признак горения топливной эмульсии - «микровзрыв», благодаря которому сокращается время горения капли и улучшается процесс смесеобразования.

Наблюдения за факельным горением ВМЭ (А. К. Абрамов, Л. С. Рапиовец, Б. В. Канторович, О. А. Гладков и др.) показали, что температурное ядро смещается к основанию факела, а сам факел становится несколько шире и короче.

Несмотря на обширный экспериментальный материал, теоретических разработок по горению капли и факела ВМЭ как многокомпонентного тяжелого топлива явно недостаточно.

Исходя из изложенного сформулированы цель и задачи исследования, определена последовательность их решения.

Во второй главе аналитически рассматривается горение единичной капли водомазутной эмульсии.

Мазут является тяжелым жидким топливом, реакции горения которого принято описывать в диффузионной области. Это означает, что горят испаряющиеся с поверхности капли пары топлива, и скорость горения лимитируется лишь скоростью испарения топлива (при условии достаточного подвода окислителя).

Рис. 1. Схема горения капли «чистого» мазута

Для определения основных соотношений и параметров капли топлива (в том числе «обезвоженного» мазута), ее скорости горения и испарения рассмотрена схема (рис. 1), позволяющая сформировать уравнения теплового баланса. На рис. 1 обозначено: А - жидкая капля; Б - зона горения (максимальной скорости реакции); 1 - диффузия паров топлива; 2 - диффузия воздуха в зону горения; 3 - поток тепла к поверхности капли; 4 - отток продуктов сгорания.

Количество теплоты, подводимой за время </гк капле радиуса гк составляет: с1<2 = А7а\ат (Тг - Тк )о?г. (1)

где ам, Тю Тг - соответственно коэффициент теплопередачи от газов к поверхности капли, температура поверхности капли и топочных газов.

Вследствие подвода этого количества теплоты с поверхности капли испаряется некоторое количество топлива, что вызывает уменьшение радиуса капли на величину <1гк\ соответствующее соотношение может быть записано в следующем виде:

dGK = ~ = -AnrlPycdrK, (2)

где рж - плотность жидкости при температуре кипения.

Из последних двух соотношений формируется уравнение теплового баланса:

drK (r,-Tj ~ Рж , =«« -- • (3)

at L

Так как скорость горения капли в основном лимитируется скоростью ее испарения, то величина р представляет собой массовую скорость горения ка-

df

пли, отнесенную к единице ее поверхности. Интегрируя выражение (3), можно получить время полного сгорания капли с начальным радиусом г о'.

г*=Рж*<) (4)

lajT,~TK)

Если принять, что Тг - Тк = const, т.е. температура газа, окружающего каплю в процессе горения, не изменяется, и принять критерий Нуссельта Nu = 2, то

_ _ РжL ,2 _ г 2 ...

Гг_ 2л' ( )

Соотношение (5) выражает закон Б. И. Срезневского - линейную зависимость квадрата диаметра испаряющейся или горящей по диффузионному механизму капли от времени.

Структура капли ВМЭ отличается тем, что содержит две фазы - топливную и водную. Рассмотрим аналитически процесс горения капли ВМЭ, используя методический подход к исследованию горения капли топлива. Схема горения капли ВМЭ представлена на рис. 2, где обозначено: Б - зона горения (максимальной скорости реакции); В - капля (глобула) воды; 1 - диффузия паров топлива (мазута); 2 - диффузия воздуха в зону горения; 3 - поток тепла к поверхности капли; 4 - отток продуктов сгорания; 5 - диффузия пара к поверхности капли мазута; 6 -поток тепла от мазута к поверхности глобулы воды.

£ чБ

Рис. 2. Схема горения капли ВМЭ

Составим уравнения теплового баланса капли ВМЭ в соответствии с рис. 2. Количество теплоты, подводимое за время с1т к капле ВМЭ, определяется по аналогии с выражением (1):

с1<2х = Ляг^ам(Гг-ТЛ11^т, (6)

7

где ам, Ты - соответственно коэффициент теплопередачи от газов к мазутной поверхности капли, температура мазутной поверхности капли.

Количество тепла, подводимое к глобуле воды в составе капли ВМЭ за то же время (¡г составит:

dQг=4яrв2aв(Tкм-Tв)dr, (7)

где ге, «в, Тв - соответственно радиус глобулы воды в составе капли ВМЭ, коэффициент теплопередачи от внутренней поверхности мазутной капли к поверхности глобулы воды, температура поверхности глобулы воды.

Вследствие подвода тепла к мазутной поверхности капли ВМЭ с этой поверхности испаряется некоторое количество топлива (мазута), а радиус всей капли ВМЭ уменьшается на величину с1гк. Тогда, по аналогии с (2), можно записать уравнение:

dO-, 2 dGK=—± = -AxrKpMdrK,

L> и

(8)

где рм — плотность мазута при температуре кипения.

По аналогии, из-за подвода тепла от мазутной оболочки капли к глобуле воды часть последней испаряется (превращается в пар и диффундирует в пленку мазута), а радиус глобулы изменяется на величину ¿г„. Тогда соответствующее выражение можно записать:

(9)

где гв, рв - соответственно радиус глобулы воды, плотность воды при температуре кипения.

После совместных преобразований уравнений (6) - (9), отражающих баланс подвода и отвода тепла и массы, получим уравнение горящей капли ВМЭ в форме, удобной для дальнейших исследований:

dr Т - Г Рм , = ам г +

(г2 Т -Т

в ^ км 1 в

Я " "V

к Le dre

Г2 Lu Рв dT

(10)

После преобразований, полагая, что Тг - = const и Тк,, - Та — const для интегрирования уравнение приведем к виду:

-"Л-у'а/"' '«¿г. (И)

г, г/к ьм 0 '■< Огх »<

Отсюда, после соответствующих дальнейших преобразований получим полное время т сгорания капли ВМЭ как полого шара мазута на сферической глобуле воды:

(Л

Т -Т

* w

г 2

Т -Т

км а

т =

Г1Ь rl к

'Рв+Рм

+ ГкРм

¿лЛ

¿ЛТг-Т^+^Л^-Т,,)

(12)

Из (12) следует, что при гя=0 время сгорания сферической капли «обезвоженного» мазута составит:

аА

г = 7—г/-;. (13)

Т.о., предложенная зависимость (12) является более общей, из которой закон Б. И. Срезневского (5) получается как частный случай.

Результаты расчетов выгорания капли ВМЭ различного фракционного состава по сравнению с каплей «обезвоженного» мазута с аналогичной массой мазута представлены на рис. 3.

3.5

° 3.0

¡2.5

2. 2.0

2 1.5 а;

5 1.0

ад

т 0.5 0.0

¿Г

А"

0.2 0.4

0.6 0.8 1.0 диаметр, мм

1.2 1.4

-мазут -ВМЭ-10 ■ ВМЭ-20

Рис. 3. Зависимость времени горения капли ВМЭ от диаметра

Как следует из рис. 3, расчеты по предложенной модели, учитывающей структуру капли ВМЭ, когда теплофизические свойства мазута и воды являются более достоверными, чем эти же параметры для ВМЭ, определяемые часто с использованием правила аддитивности, что не всегда допустимо, дают результаты, приближающиеся к экспериментальным данным, полученным разными авторами. Вместе с тем, в модели не учтен наиболее характерный для горения ВМЭ эффект - «микровзрыв», оказывающий сильное влияние на время выгорания капли, поэтому необходимо создание математической модели с учетом этого явления.

При рассмотрении горения единичной капли ВМЭ с учетом эффекта «микровзрыва» по предлагаемой нами методике процесс горения разбиваем на три циклически повторяющиеся стадии:

1) нагревание глобулы воды до температуры ее кипения;

2) кипение водной фазы и «микровзрыв»;

3) догорание полученных в результате «микровзрыва» капель «чистого» мазута и приобретение каплей ВМЭ первоначальной формы с новыми значениями массы воды и мазута.

Первой стадией является нагрев капли ВМЭ до температуры, при которой вода в ее составе не достигнет температуры начала кипения. Другими словами, первая стадия занимает столько времени, сколько необходимо для нагревания

внутренней поверхности мазутной фазы капли (или, что то же самое, наружной поверхности глобулы воды) до температуры кипения воды при данном давлении. Структура капли ВМЭ в первой стадии представлена на рис. 4.

Рис. 4. Структура капли ВМЭ до момента закипания воды

Т - топочные газы, М - мазут, В - вода.

В сферических координатах уравнение нестационарной теплопроводности, описывающей нагрев капли, выглядит следующим образом:

8Т 5t

_LJL р2др

дт)

- +-

1

д ( . адТЛ - sin б1— | +

1

д Т

р2 sin2 в дер2

(14)

др) ' р2втвдд{'"" дв)

Рассмотрим решение уравнения (14) для случая нагревания сферической капли ВМЭ в топке котельной установки.

Принимаем распределение температуры в топке равномерным, следовательно, изменение температуры в капле происходит только в одном направлении -вдоль радиуса. Начальное распределение температуры задано некоторой функцией T(r,0) -f(r). Температура окружающих топочных газов считается постоянной и равной Тн — const. Отвод теплоты осуществляется при постоянном во времени коэффициенте теплоотдачи. Отчет температуры капли для любого момента времени выполняется от температуры окружающей среды, т.е. Т -Тн =3. Тогда, учитывая сферическую форму капли, уравнение (14) перепишется в виде:

dt

■ = а

fd23 2дЗ 2 + г дг

дг

(15)

Начальные условия: при/=0 ¿1 = 50=/(г)-^=Г(г). (16)

При заданных условиях нагревания задача становится симметричной и начало координат удобно поместить в центре капли. При этом граничные условия в центре и на поверхности капли таковы:

^ =0;

в центре капли при г- 0

or

г=О

на поверхности капли при г = R

д9

(17)

. дг /гаК

Дифференциальное уравнение (15) совместно с начальными (16) и граничными (17) условиями однозначно формулируют поставленную задачу.

ч

Решение дифференциального уравнения (15) будем искать в виде произведения двух функций, одна из которых является функцией только времени /, а другая

- только координаты г (метод разделения переменных).

= = (18) После подстановки последнего выражения в дифференциальное уравнение (15) и некоторых преобразований получим:

т

•(Л Р"{г) + -ч/'(г) <РУ'Ка г (19)

Левая часть уравнения (19) есть функция только /, а правая - функция только

г.

Так как равенство (19) должно иметь место при любых значениях г и то обе

его части должны быть равны одной и той же постоянной величине. Обозначим последнюю через -кг и перепишем соотношение (19):

2

-со,« (20)

а р(/) г{г)

откуда

(р'^)+ак2<р{()=0-, (21)

у/"(г)+-у'(г) + к2р(г)= 0. (22)

г

В результате получается система обыкновенных дифференциальных уравнений (21) и (22).

Уравнению (21) удовлетворяет функция

?>(/) = С,*""*1', (23)

где С/ - произвольная постоянная.

Решением уравнения (22) после замены будет функция

г

/ >, _ бшАг _ соякг

у(г) = С2-+ С,---, (24)

г г

где С2 и С} - произвольные постоянные.

Подставляя полученные выражения (23) и (24) в исходное уравнение (15),

получаем частное решение:

■9= С-

(„ ¡ткг ^ собАтЛ,,

С2 ~~ + С3 —— IС{е "к . (25)

После нахождения неизвестных коэффициентов с помощью начальных и граничных условий получаем общее решение в виде суммы бесконечного ряда:

51П — У, .

«ад

£1 . г

где ц - решение уравнения = ———, где В/ = аг0 Л - число Био.

1-2?/

Постоянная А„ определяется из начальных условий:

Г° ( г\

¡ик - рг

--

roJ

i — (-"«-sin^cos/zj 2/V

В частном случае, при равномерно нагретом в первоначальный момент времени шаре, т.е. при F(r)=const = 90, имеем

(28)

*0'0 '( . \ • Ип \г*п

Подставив полученное выражение для коэффициента (28) в исходное (27), получим расчетное выражение для нахождения температуры в любой точке шара в любой момент времени при равномерном распределении температуры в нем в

начальный момент времени:

0 = £ ■ / ^

„=. (//„-яп^сов м„)м„Я

где 0 = <9 $0 — безразмерная температура; Я = г г0 — безразмерная координата;

Ро = ш г02 - число Фурье, представляющее собой безразмерное время. Коэффициент теплоотдачи а, входящий в граничные условия (17), в общем случае является суммой двух составляющих: коэффициентов теплоотдачи при конвективном ак и лучистом а, теплообменах:

а = аК+ал. (30)

Для нахождения коэффициента теплоотдачи при конвективном теплообмене используется критериальная зависимость:

ак=тХ (31)

а

где А'и - критерий Нуссельта;

Л - коэффициент теплопроводности среды (топочных газов); <1 - текущий диаметр капли ВМЭ. Для расчета коэффициента лучистой теплоотдачи применяется выражение:

1г. 100

ч4

/ liooj (32)

ал = Сае'кегф

где Со - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела; е'к - эффективная степень черноты поверхности капли; ег - степень черноты топочных газов;

ф—поправка, учитывающая отклонение лучеиспускания от закона Стефана-Больцмана;

Тг - температура топочных газов; Тк - температура поверхности капли.

Вторая стадия процесса горения капли ВМЭ представляет собой зарождение и рост паровых пузырьков в водной фазе капли эмульсии. Этап прекращается, как только пузырьки достигнут размеров, при которых толщина мазутной пленки станет критической, после которой она рвется.

Структура капли ВМЭ при зарождении паровых пузырьков в глобуле воды имеет вид, представленный на рис. 5.

Рис. 5. Структура капли ВМЭ при росте парового пузырька

М - мазут, В - вода, П - паровой пузырек

Критический (первоначатьный) радиус парового пузырька определяется из выражения:

Ьр„ А/

АР= "■■> (33)

^ и

где Ар - разность между давлением внутри парового пузырька и давлением на достаточно большом расстоянии от него (в данном случае, в топочном пространстве);

I - удельная теплота парообразования воды; рп - плотность водяного пара; Тн - температура насыщения пара;

- разность между температурой жидкости и температурой насыщения

пара.

Разность давлений создается благодаря действию сил поверхностного натяжения мазута на границе с топочными газами, воды на границе с мазутом и воды на границе с паровым пузырьком:

2а „ 2сг... 2 ай„

р • о + о > (34)

км кв Кк

где сги - коэффициент поверхностного натяжения мазута на границе с топочными газами;

оем - коэффициент поверхностного натяжения воды на границе с мазутом; авп - коэффициент поверхностного натяжения воды на границе с паром; Ям - радиус капли ВМЭ; Яв - радиус глобулы воды;

- критический радиус образовавшегося парового пузырька. Путем подстановки (34) в (33) получим выражение для определения критического радиуса парового пузырька:

2 ом

К

_ 2а „ _ 2<т.

Тн Ям Я„

(35)

Динамика роста пузырька во времени определяется выражением, предложенным В. П. Исаченко:

л

(36)

где

Р2 - числовой коэффициент, рг = 6; а - коэффициент температуропроводности жидкой фазы; За - число Якоба;

- функция от Ля, зависящая от способа передачи тепла в паровой пузырек (от степени перегрева жидкости).

На основании предложенной модели составлен алгоритм решения задачи выгорания единичной капли ВМЭ с учетом «микровзрыва», результаты численного моделирования которого представлены на рис. 6.

3.5 и 3.0 1 2.5

X

2.0

1 1.0 <и 0.5 0.0

Л

А Я

У

Г

" 1

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Диаметр капли, мм

1.4

- мазут -ВМЭ-10

- ВМЭ-20

Рис. 6. Диаграмма времени выгорания капли мазута и водомазутной эмульсии

В третьей главе предложена приближенная математическая модель горения факела однокомпонентного капельного жидкого топлива. В качестве базовой из числа известных была выбрана была выбрана и уточнена физико-математическая модель, предложенная В. М. Ивановым и Б. В. Канторовичем.

Математическая модель, описывающая горение факела однокомпонентного жидкого топлива в топке котельной установки описывается системой пяти уравнений:

1. Уравнение переноса масс с учетом испарения капель топлива. В этом уравнении скорость изменения количества кислорода на элементарном участке горения приравнивается скорости изменения паров топлива за счет их выгорания и испарения частиц жидкой фазы топлива на том же участке длины зоны горения.

..d{vc) d(vc ) . , d&3 - м = ~-pm{ 1 - m0К • , (37)

dx dx ax

где М- стехиометрический коэффициент реакции горения;

v - скорость потока газов и паров в данном сечении; с - концентрация кислорода в данном сечении; dx - элементарный участок длины зоны выгорания топлива; ст - концентрация паров топлива в данном сечении зоны горения; рт - плотность топлива;

тп - начальная порозность (объем пустот между частицами жидкого топлива в единице объема);

ип - начальная скорость частиц жидкого топлива;

Э = г г о - относительный радиус испаряющейся частицы топлива (здесь г«, г соответственно средний начальный и средний текущий радиусы частиц жидкого топлива).

2.Уравнение неразрывности

A)vo = pv + Gm> (38)

где /70 v0 - весовая скорость газов в начальном сечении зоны горения; pv - весовая скорость в рассматриваемом сечении этой же зоны; Gm - общее количество топлива (в жидкой и паровой фазах), проходящее

через начальное сечение камеры горения;

Gm - общее количество топлива (в жидкой и паровой фазах), находящегося в данном сечении камеры горения.

3. Уравнение реакции горения паров топлива

»V—Г

• т =Mk'Sc, (39)

dx

где к' - суммарная константа скорости горения (с учетом диффузии и кинетики реакций) в единице объема; с 3(1-/я)

5 - л- _ реакционная поверхность топлива.

г

4. Уравнение испарения частицы топлива определяется исходя из закона Срезневского

d(f)= МиФ(Т,ТКип1 (40)

dt Рж

где dK - диаметр частицы жидкого топлива; рж - плотность топлива;

Ф(Т, Ткип ) определяется соотношением:

ф(Г,Г„>а^;<г-Ч (41)

срп Lcpn

где Л - коэффициент теплопроводности топлива;

Срп - удельная теплоемкость паров топлива;

L — удельная теплота парообразования топлива.

5. Уравнение переноса энергии

-££.., (42,

где pv - весовая скорость газов;

ср - средняя теплоемкость газов;

Q' - тепловой эффект реакции за вычетом тепла, отводимого в зону подготовки на нагревание 1 кг топлива и соответствующего количества воздуха до температуры воспламенения:

Q' = Q!-Qn. (43)

где QH - низшая рабочая теплота сгорания топлива;

Q„ - теплота, затрачиваемая на подогрев топлива и воздуха от температуры на входе в камеру горения до температуры воспламенения.

R' - гидравлический радиус сечения камеры горения.

Т.о., в предложенной методике уточнено уравнение (40), которое представляет собой уравнение Б. И. Срезневского, описывающее процесс горения капли однокомпонентного жидкого топлива. Кроме того, при составлении алгоритма численного моделирования были учтены характеристики топочной камеры и используемых форсунок.

Четвертая глава посвящена разработке приближенной математической модели горения факела двухкомпонентного жидкого топлива. Выполнен сравнительный анализ горения факела мазута и ВМЭ в топке котельной установки.

Процесс факельного горения двухкомпонентного жидкого капельного топлива описывается предложенной во второй главе системой уравнений, в которой выражение (40), характеризующее процесс выгорания частицы топлива, заменяется моделью горения капли ВМЭ с учетом эффекта «микровзрыва», описанной в первой главе. Кроме того, в уравнении (43) учитываются потери тепла, идущие на испарение и нагрев влаги, попавшей в топочное пространство из ВМЭ в результате «микровзрыва».

На основании предложенных приближенных математических моделей горения факела одно- и двухкомпонентного топлива в топке котельной установки были составлены алгоритмы и проведено численное моделирование с применением компилятора MS Visual С++ 5.0, результаты которого представлены на рис. 7.

2500

координата, м

Рис. 7. Распределение температуры по длине зоны горения

Пятая глава посвящена качественному экспериментальному подтверждению полученных расчетных данных и опытному доказательству целесообразности перевода котельной установки на сжигание ВМЭ.

Экспериментальные исследования проводились на паровом котле КЕ-25-14М производительностью 25 т/ч, установленном в котельной НГЧ-9 ст. Карасук Западно-Сибирской железной дороги. В результате проведенных испытаний и выполненных расчетов было доказано увеличение КПД и снижение удельного расхода условного топлива котельной установки на всем диапазоне рабочих нагрузок (рис. 8).

5

91.0 90.5 90.0 89.5 89.0 88.5 88.0 87.5 87.0 86.5

"—

\ (

// ч^^ "И

/1

1

1

-1

- мазут -ВМЭ

50

60

70 80 нагрузка,%

90

100

Рис. 8. Зависимость КПД котлоагрегата от нагрузки

Кроме улучшения энергетических показателей котельной установки, переход на сжигание ВМЭ позитивно влияет на снижение выбросов вредных веществ в атмосферу (рис. 9,10).

50 60 70 80 90 100 нагрузка, %

-«—мазут -*-ВМЭ

Рис. 9. Содержание ЫОх в дымовых газах

ш о

4 С

5 Е и а

3 *

11

X О

та 9-

X «

и

300 250 200 150 100 50

>

/

/ г

/

-■

I —1

50 60 70 80 90 100

нагрузка, %

-♦-мазут -•-ВМЭ

Рис. 10. Содержание СО в дымовых газах

В шестой главе предложен энергоэкологический критерий для комплексной оценки изменения энергетических и экологических показателей котельной установки при переходе на новое топливо.

При переходе на новое топливо могут изменяться как энергетические, так и экологические показатели котельной установки, причем как в большую, так и в меньшую сторону. Ввиду отсутствия унифицированной методики в части определения эффективности применения ВМЭ как для экономии мазута, так и для одновременного снижения ущерба, причиняемого загрязнением окружающей среды, комплексную оценку энергоэкологических показателей работы котельной установки предлагается давать на основе анализа системы котлоагрёгат - ВМЭ - окружающая среда. Такой оценкой суммарного изменения состояния котлоагрегата является критерий, объединяющий показатели токсичности и экономичности, и

который применительно к котельным малой и средней мощности может быть записан так:

Кг=ЧТ»р-Пе-Кп> (44)

т

где т]пр, т]е, Кт( - соответственно КПД производства нового топлива, эффективный КПД котлоагрегата, коэффициент изменения токсичности г-го компонента вредных выбросов котельной установки:

Кп^ + с^;^-. (45)

где С,;, Сц, - соответственно концентрации 1-го компонента при работе котельной установки на мазуте и ВМЭ, значимость /-го компонента.

Уравнение (44) применительно к котельной установке, где используется в качестве топлива водомазутная эмульсия, в конечном виде можно записать так:

а:г =

0"еб -4 +см -им +2В„ А +оп

Пку

+а

пр

С/1 ~ Ог ^

(46)

' + г (=1

где дв"б, Лк, £в"б, Ом, Нм, Оп, А„, ()пот, (2„р, Цку - соответственно высшая теплота сгорания мазута (по бомбе), поправка на кислотообразование, высшая теплота сгорания (по бомбе) очищенной нефти, расход мазута, его энтальпия, расход пара на приготовление эмульсии и его энтальпия, неучтенные потери тепла, прочие потери тепла, эквивалентные энергии, затраченной на ремонт и обслуживание соответствующего устройства, КПД брутто котельной установки.

Значения энергоэкологического критерия по выбросам ЫОх и СО, рассчитанного по экспериментальным данным для котла КЕ-25-14М котельной НГЧ-9 ст. Карасук, приведены на рис. 11.

Л 1.5

1.0

1 I

—а

-мазут -ВМЗ поМОх -ВМЭ по СО -ВМЭ суммарно

50 60 70 80 90 100 нагрузка, %

Рис. 11. Значения энергоэкологического критерия для мазута и ВМЭ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Водомазутная эмульсия является принципиально новым видом топлива, состоящим из двух нерастворимых друг в друге жидкостей: глобулы воды и окружающей ее пленки мазута. Согласно экспериментальным наблюдениям многих авторов, при попадании такой капли в высокотемпературную зону топки вода в составе капли ВМЭ закипает, превращается в пар и, взрывообразно расширяясь, разрывает, окружающую ее пленку мазута - происходит так называемый «микровзрыв». В результате этого процесса капля мазута дробится на множество мелких капель «чистого» мазута, разлетающихся в разные стороны.

2. Горение ВМЭ с эффектом «микровзрыва» имеет ряд положительных сторон по сравнению с горением «чистого» мазута: в результате «микровзрыва» происходит дополнительное дробление капли, что увеличивает общую площадь поверхности окисления топлива и интенсифицирует процесс горения; дробление капли уменьшает радиус максимальной капли и, следовательно, уменьшается время горения первоначальной капли ВМЭ; при горении ВМЭ в факеле сокращается длина факела; улучшается процесс смесеобразования.

3. Разработанная физико-математическая модель горения единичной капли ВМЭ и составленные по ней алгоритм и программа позволили рассчитать зависимость времени выгорания капли от ее размера и компонентного состава. В результате расчетов было выявлено, что для уменьшения времени выгорания единичной капли необходимо уменьшение ее диаметра (мелкости распыления) и увеличение доли воды в ее составе.

4. Разработана математическая модель горения капельного факела многокомпонентного жидкого топлива. Составлены алгоритмы и проведено численное моделирование горения факела двух видов топлива: мазута и ВМЭ. Расчетами было выявлено, что длина факела ВМЭ короче факела мазута на « 30 - 40 %, что объясняется дополнительным дроблением капель «микровзрывом». Установлено, что температура топочных газов при горении ВМЭ-10 ниже, чем при сжигании мазута на 150 - 200 °С, что обусловлено затратами части тепла на нагрев и кипение дополнительной воды, оказавшейся в топке в результате «микровзрыва».

5. Проведенные эксперименты на паровом котле КЕ-25-14М подтверждают выполненные расчеты: увеличивается КПД котла на 0,5 - 1,0 % и снижается удельный расход условного топлива на получение единицы тепловой энергии на 0,4 - 0,8 кг/Гкал. В результате значение оптимальной нагрузки котла смещается в сторону больших ее значений на 2 - 3 %.

6. Снижение температуры в топке котла при сжигании ВМЭ положительно сказывается на уменьшении выбросов NOx в атмосферу на 28 ррш (0,0028 %) при 75 % нагрузке котла, а уменьшение недожогов отражается на сокращении концентрации СО в дымовых газах котла до 20 - 30 ррт (0,002 - 0,003 %).

7. Предложен комплексный критерий для энергоэкологической оценки работы котельной установки на любом топливе, позволяющий анализировать во взаимосвязи ее энергетические показатели и оценивать экологические характеристи-

ки, а также «вклад» отдельных загрязняющих компонентов в общую структуру загрязнения окружающей среды и экономичности.

8. Расчетный годовой экономический эффект от перевода котельной, НГЧ-9 ст. Карасук на ВМЭ составил 158000 руб.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Крайнов В.В., Ведрученко В.Р. Особенности сгорания водомазутных эмульсий в топках котельных установок железнодорожного транспорта. Материалы науч.-практ. конфер., Омск, ОмГУПС, 1997. С. 24 - 25.

2. Ведрученко В.Р., Крайнов В.В. Анализ сгорания капли водомазутной эмульсии на основе закона Срезневского: Тез. докл. науч.-техн. конфер. СГУПС ! Новосибирск, НИИЖТ, 1997. С. 210 - 211.

3. Ведрученко В.Р., Кокшаров М.В., Крайнов В.В. Каталитическое воздействие водной фазы водотопливных эмульсий и мобильные схемы их приготовления // Промышленная энергетика, № б, 1998. С. 21 - 24.

4. Ведрученко В.Р., Кокшаров М.В., Крайнов В.В. Повышение эффективности сжигания мазутов в топках котлов малой и средней мощности организаций железнодорожного транспорта Западно-Сибирской дороги: Тез. докл. третьей межвуз. науч.-методич. конфер., М.: РГОТУПС, 1998. С. 50.

5. Ведрученко В.Р., Крайнов В.В. Модели горения водомазутной эмульсии в топках котлов. Материалы межвузовской науч.-техн. конференции / Омск, ОмГУПС, 1998. С. 43 - 44.

6. Ведрученко В.Р., Крайнов В.В., Кокшаров М.В. О методах оценки дымно-сти и механизме сажсобразования при сжигании жидких углеводородных топлив и эмульсий в энергетических установках железнодорожного транспорта. - Промышленная энергетика, 1998, № 12. С. 33 - 40.

7. Крайнов В.В. Модель горения капли водомазутной эмульсии /7 Совершенствование устройств подвижного состава, электрификации, автоматики и связи железнодорожного транспорта: Сб. науч. статей аспирантов и студентов университета / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 1998. Вып. 2. С. 93 - 96.

8. Крайнов В.В., Кокшаров М.В. Модель горения единичной капли водомазутной эмульсии: Тез. докл. науч.-тех. конф. - Ростов-на-Дону, РГУПС, 1998. С. 22.

9. Кокшаров М.В., Крайнов М.В. О влиянии содержания воды на вязкость водотопливных эмульсий: Тез. докл. науч.-тех. конф. - Ростов-на-Дону, РГУПС, 1998. С. 21.

10. Кокшаров М.В., Крайнов В.В., Кузнецов В.Н. Эмульсатор ОмГУПС: технология и схема // Железнодорожный транспорт Сибири: проблемы и перспективы: Матер. Междунар. науч.-техн. конф. Омск, ОмГУПС, 1998. С. 44 - 45.

11. Ведрученко В.Р., Крайнов В.В. Общие закономерности и особенности воспламенения жидких топлив в топках котельных установок // Сибирский научный вестник. Новосибирск. 1999. Вып. III. С. 78 - 84.

12. Ведрученко В.Р., Крайнов В.В. Оценка времени сгорания капли водомазутной эмульсии в топке котельной установки // Вопросы теплоэнергетики и топ-

ливоиспользования: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омск, ОмГУПС, 1999. С. 42-47.

13. Ведрученко В.Р., Крайнов В.В. Оценка времени сгорания капли водома-

зутной эмульсии в топке котельной установки // Физико-технические и экологические проблемы, новые технологии, технико-экономическая эффективность: Сб. науч. тр. / Новосибирск, НГТУ, 1999. С. 170 - 176.

14. Ведрученко В.Р., Крайнов В.В., Кокшаров М.В., Кириенков A.B. Энергоэкологическая эффективность мероприятий по экономии топлива и тепловых ресурсов котельных установок // Вопросы теплоэнергетики и топливоиспользова-ния: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск. 1999. С. 10-17.

15. Крайнов В.В., Кокшаров М.В. О кинетике реакций горения мазута и во-домазутной эмульсии в топке котельной установки // Вопросы теплоэнергетики и топливоиспользования: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омск, ОмГУПС, 1999. С. 35.

16. A.c. 11097 РФ, МКИ 6B01F3/00. Устройство для получения эмульсии / М. В. Кокшаров, В. В. Крайнов, В. Н. Кузнецов, В. В. Овсянников, А. М. Парамонов. 1999.

17. Ведрученко В.Р., Крайнов В.В., Кокшаров М.В., Кириенков A.B. Состояние и перспективы повышения энерго-экологической эффективности инженерно-технических мероприятий в котельных установках железнодорожного транспорта. - Промышленная энергетика, 2000, № 1. С. 36 - 43.

Типография ОмГУПСа. Заказ 910. 644046, г. Омск, пр. К.Маркса, 35.

Тираж 100 экз.

ВВЕДЕНИЕ.

1. Состояние вопроса и постановка задачи.

1.1. Обзор исследований по сжиганию обводненных мазутов и водомазутных эмульсий в котлах малой мощности.

1.2. Формулировка цели и задачи исследований.

2. Разработка и анализ математических моделей горения единичных капель тяжелого и эмульгированного топлив в топках котельных установок.

2.1. Модель горения многокомпонентной капли тяжелого жидкого топлива без учета гипотезы «микровзрыва».

2.2. Модель горения многокомпонентной капли тяжелого жидкого топлива на основе гипотезы «микровзрыва».

2.2.1. Нагрев капли.

2.2.2. Учет типа теплопередачи.

2.2.3. Рост парового пузырька.

2.2.4. Догорание капель «чистого» мазута.

2.3. Составление алгоритма решения уравнений горения единичной капли тяжелого и эмульгированного топлива.

2.4. Решение на ПЭВМ тестовой задачи расчета горения многокомпонентной капли жидкого топлива.

2.5. Выводы.

3. Модели горения мазутного факела в топке котельной установки.

3.1. Предпосылки и формирование требований для эффективного сжигания тяжелых топлив в котельных установках.

3.2. Обоснование и разработка математической модели горения мазутного факела.

3.3. Разработка алгоритма расчета параметров горения капельного мазутного факела.

3.4. Результаты расчета горения мазутного капельного факела.

3.5. Выводы.

4. Разработка математической модели факельного сжигания водомазутной эмульсии в топке котла.

4.1. Предпосылки к сжиганию ВМЭ в факеле в котельных установках малой и средней мощности.

4.2. Создание математической модели и алгоритма горения факела ВМЭ

4.3. Результаты расчета горения факела ВМЭ.

4.4. Выводы.

5. Результаты производственных испытаний по сжиганию ВМЭ в котлах малой мощности.

5.1. Результаты сжигания ВМЭ в топке котла КЕ-25-14М котельной НГЧ-9 ст. Карасук Зап.-Сиб. ж.-д.

5.2. Анализ результатов сжигания ВМЭ в топке котла КЕ-25-14М.

5.3. Выводы.

6. Технико-экономическая эффективность и степень улучшения экологичности котлоагрегата при сжигании ВМЭ в котлах малой мощности.

6.1. Выбор вида и разработка методики оценки энергоэкологических показателей сжигания ВМЭ.

6.3. Анализ энерготехнической эффективности работы котла КЕ-25-14М на мазуте и ВМЭ.

6.4. Экономическая эффективность перевода котла КЕ-25-14М на сжигание ВМЭ.

6.5. Анализ энерго-экологической эффективности работы котла КЕ-25-14М на мазуте и ВМЭ.

В стационарной энергетике железнодорожного транспорта страны эксплуатируются более 30 тыс. котлоагрегатов, которые работают на всех видах топлива. В новых котельных установлены паровые котлы типов - ДЕ производительностью 10-25 т/ч на газомазутном топливе; КЕ и Е производительностью 10 т/ч на твердом топливе; водогрейные типа КВГ производительностью 6,5 Гкал/ч на твердом топливе. Множество котельных, в которых продолжают работать котлы ДКВР, Шухова, ВВД и др. Почти пятая часть всех котлоагрегатов сети - это котлы паровозного типа [78].

Теплоснабжение потребителей тепла на узлах и станциях является в значительной мере децентрализованным. Число котельных на некоторых узлах составляет до 30, которые эксплуатируются на площади в радиусе от одного до 1,5 км. На станциях число котельных значительно меньше. Однако имеются отдельные станции, на которых число котельных 10 - 14. Оценка теплопотребле-ния различными объектами МПС показывает, что суммарная потребность в тепловой энергии железнодорожного транспорта постоянно возрастает и сегодня она составляет 37,5 млн Гкал. В структуре технологического потребления в стационарном теплоэнергетическом хозяйстве отрасли на долю промышленности приходится 63,5 % потребляемой тепловой энергии [5, 9, 37, 78, 92].

Вместе с тем, качество энергопотребления и состояние теплогенерирую-щих, теплопотребляющих и ресурсопотребляющих установок в этой отрасли находится на крайне низком уровне [9, 59]:

- КПД котлов: на жидком топливе 60 - 65 %, на газе 70 - 75 %, на твердом топливе 40 - 50 %; водогрейные котлы 40 - 60 %. Эти цифры на 15 - 30 % ниже уровня, достигнутого в промышленности;

- потери с утечками, пролетным паром, на внешнее охлаждение в теплотрассах достигают 25 - 30 %;

- потери от невозврата конденсата - 25 - 30 %;

- эффективность топливоиспользования различных моечных машин различается в 2 - 4 раза; КПД моечных машин вагонов в 1,5-2 раза ниже нормативного;

- тепловая мощность сточных вод депо составляет 200 - 500 кВт;

- нагревательные печи расходуют в 1,7-2 раза больше топлива сравнительно с нормами;

- КПД сушильных установок на уровне 9 - 10 % вместо 25 - 30 %;

- потери сжатого воздуха в сетях достигают 20 - 50 %;

- на охлаждение компрессоров расходуется в 2 - 5 раз больше воды, чем необходимо, причем во многих случаях отсутствует кольцевание;

- системы сортировочных горок выбрасывают сжатый воздух с давлением 3 ата, а параллельно работают компрессоры с таким же давлением для внутреннего потребления;

- расход дизельного топлива на обогрев тепловозов в отстое в зимний период на дорогах севера и востока достигает 5-8 % от расхода на тягу поездов;

- на приготовление 1 т дистиллированной воды для дизелей тепловозов затрачивается 30 - 40 т сетевой воды и она сливается в канализацию;

- тепловая мощность воздуха, охлаждающего трансформаторы тяговых подстанций, составляет 1500 - 2000 кВт.

Многочисленные указания МПС, попытки научных и проектных организаций в реализации предложений по модернизационным мероприятиям встречаются дорогами и предприятиями без должного внимания, поэтому за последние годы практически ничего не сделано в направлении повышения эффективности энергопотребления и использования вторичных энергоресурсов в нетяговой энергетике. До сих пор не все стационарно установленные паровозные котлы переведены на работу с наддувом, не получают широкого внедрения такие доступные меры, как возврат конденсата, кольцевание воды, охлаждающей компрессоры, изоляция теплотрасс, уплотнение пневмосетей, регенерация тепла в нагревательных печах и др.

В настоящее время и в ближайшей перспективе нельзя рассчитывать на серьезное обновление энергетического хозяйства. Поэтому острота задачи экономии энергоресурсов выдвигает на первый план модернизационные, технологические меры и использование вторичных энергоресурсов [79].

С другой стороны, проблема ухудшения экологической ситуации становится одним из главнейших вопросов, на который необходимо обращать внимание при работе объектов энергетики [48] и, в частности, теплоэнергетики.

При сжигании органического углеводородного топлива образуется значительное количество отработанных газов, которые выбрасываются в атмосферу и в составе которых неизбежно присутствуют различные соединения, обладающие вредными воздействиями на здоровье человека и окружающую его природу.

В настоящее время в котельных установках промышленных предприятий в качестве топлива все еще широко используется жидкое топливо, главным образом, мазуты [2, 81, 93].

В связи с большой ролью в народном хозяйстве продуктов, полученных из нефти, в России применяются такие виды ее термической переработки, которые дают наиболее полный выход легких фракций. Котельное жидкое топливо - мазут, получаемый в процессе таких технологий, сжигать значительно труднее вследствие ухудшения физико-теплотехнических свойств. В этом случае эффективность топливоиспользования, а значит, в конечном счете, производительность и экологичность котлоагрегата в целом, зависит от правильной (оптимальной) организации сжигания топлива, включающей процессы топливо-подготовки, топливоподачи и рационального сжигания.

Для сжигания жидкого топлива в топках котлов необходима организованная подача топлива и окислителя. Роль окислителя выполняет кислород воздуха, поступающего в горелки холодным или подогретым. Подготовка топли-вовоздушной смеси к сжиганию в топках выполняется горелочными устройствами. Жидкое топливо в горелки подается форсунками. Назначением форсунок является дробление топлива на возможно мелкие капли и подача его в поток воздуха для получения готовой для сжигания топливовоздушной смеси [2, 37, 41,58, 113].

Топливный факел, выдаваемый форсунками, полидисперсен, то есть содержит капли разного размера. К тому же топливный факел, как правило, в радиальном направлении горелки имеет неравномерную плотность орошения, что определяет связь между использованием горелок того или иного типа с характеристиками и типом устанавливаемых форсунок [2, 113].

Для создания благоприятных условий для дробления пленки вязкого топлива и получения качественного распыливания необходимо уменьшить вязкость топлива подогревом его до определенной температуры [2, 113].

Кроме того, в высоковязких мазутах в виде отдельных местных скоплений имеет место повышенное содержание воды, обусловленное процессами перевозки, перекачки, хранения и подогрева топлива. Эти скопления представляют серьезную опасность при сжигании топлива в топках котлов и печей, так как приводят к срыву и пульсациям горения, снижению эффективности работы котлов и к прочим негативным явлениям, поэтому чаще всего водные примеси из мазута удаляют перед его сжиганием в топке.

Таким образом, проблемы экономии энергоресурсов и улучшения экологического состояния теплоэнергетического объекта во многом зависят от организации качественного сжигания топлива (в частном случае, мазута). Однако, учитывая тот факт, что все имеющиеся технологии топливоподготовки и собственно сжигания доведены практически до совершенства, а КПД и экологическая чистота котлоагрегатов во многих случаях оставляет желать лучшего, остро встает проблема поиска конструктивно новых методов в данной области. В этом случае актуальным в решении поставленных задач является применение принципиально нового вида топлива - водомазутной эмульсии (ВМЭ) [37, 50, 51].

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Водомазутная эмульсия является принципиально новым видом топлива, состоящим из двух нерастворимых друг в друге жидкостей: глобулы воды и окружающей ее пленки мазута. Согласно экспериментальным наблюдениям многих авторов [37, 50, 51, 57, 104], при попадании такой капли в высокотемпературную зону топки вода в составе капли ВМЭ закипает, превращается в пар и, взрывообразно расширяясь, разрывает окружающую ее пленку мазута -происходит так называемый «микровзрыв». В результате этого процесса капля мазута дробится на множество мелких капель «чистого» мазута, разлетающихся в разные стороны.

2. Горение ВМЭ с эффектом «микровзрыва» имеет ряд положительных сторон по сравнению с горением «чистого» мазута: в результате «микровзрыва» происходит дополнительное дробление капли, что увеличивает общую площадь поверхности окисления топлива и интенсифицирует процесс горения; дробление капли уменьшает радиус максимальной капли и, следовательно, уменьшается время горения первоначальной капли ВМЭ; при горении ВМЭ в факеле сокращается длина факела; улучшается процесс смесеобразования.

3. Разработанная физико-математическая модель горения единичной капли ВМЭ и составленные по ней алгоритм и программа позволили рассчитать зависимость времени выгорания капли от ее размера и компонентного состава. В результате расчетов было выявлено, что для уменьшения времени выгорания единичной капли необходимо уменьшение ее диаметра (мелкости распыления) и увеличение доли воды в ее составе.

4. Разработана математическая модель горения капельного факела многокомпонентного жидкого топлива. Составлены алгоритмы и проведено численное моделирование горения факела двух видов топлива: мазута и ВМЭ. Расчетами было выявлено, что длина факела ВМЭ короче факела мазута на « 30 - 40 %, что объясняется дополнительным дроблением капель «микровзрывом». Установлено, что температура топочных газов при горении ВМЭ-10 ниже, чем при сжигании мазута на 150 - 200 °С, что обусловлено затратами части тепла на нагрев и кипение дополнительной воды, оказавшейся в топке в результате «микровзрыва».

5. Проведенные эксперименты на паровом котле КЕ-25-14М подтверждают выполненные расчеты: увеличивается КПД котла на 0,5 - 1,0 % и снижается удельный расход условного топлива на получение единицы тепловой энергии на 0,4 - 0,8 кг/Гкал. В результате значение оптимальной нагрузки котла смещается в сторону больших ее значений на 2 - 3 %.

6. Снижение температуры в топке котла при сжигании ВМЭ положительно сказывается на уменьшении выбросов N0* в атмосферу на 28 ррт (0,0028 %) при 75 % нагрузке котла, а уменьшение недожогов отражается на сокращении концентрации СО в дымовых газах котла до 20 - 30 ррт (0,002 - 0,003 %).

7. Предложен комплексный критерий для энергоэкологической оценки работы котельной установки на любом топливе, позволяющий анализировать во взаимосвязи ее энергетические показатели и оценивать экологические характеристики, а также «вклад» отдельных загрязняющих компонентов в общую структуру загрязнения окружающей среды и экономичности.

8. Расчетный годовой экономический эффект от перевода котельной НГЧ-9 ст. Карасук на ВМЭ составил 158000 руб.

Таким образом, как показали теоретические расчеты и экспериментальные данные, перевод котла на сжигание ВМЭ является целесообразным, т.к. это улучшает как его энергетические показатели, так и экологическую чистоту его работы.

1. Абрамов А.К. Повышение эффективности стальных отопительных котлов малой мощности при сжигании газообразного и жидкого топлива: Дис. канд. техн. наук. Л., 1983. 162 с.

2. Адамов В. А. Сжигание мазута в топках котлов. Л.: Недра, 1989.304 с.

3. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: Т. 1: Пер. с англ. М.: Мир, 1990. 384 с.

4. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: Т. 2: Пер. с англ. М.: Мир, 1990. 392 с.

5. Ареланов A.A. Теплофизические свойства и метод сжигания смесей мазута с газовым конденсатом: Дис. канд. техн. наук. Ташкент, 1984. 186 с.

6. Ахмедов Р.Б. Основы регулирования топочных процессов. М.: Энергия, 1977. 208 с.

7. Ахмедов Р.Б., Цирульников Л.М. Технология сжигания горючих газов и жидких топлив. Л., Недра, 1984. - 283 с.

8. Бартош Е.Т. Пути совершенствования нормирования и экономии котельно-печного топлива в стационарной энергетике // Тез. докл. Школы передового опыта МПС РФ / МГУПС. М.: 1994. С. 1 4.

9. Басевич В.Я. О скорости горения распыленного топлива / Сб. «Сгорание и смесеобразование в дизелях». М.: АН СССР, 1960. С. 10-18.

10. Бахмачевский Б.И., Зах Р.Г., Лызо Г.П. и др. Теплотехника. М., Металлургия, 1964. 608 с.

11. Баум Ф.А., Станюкович К.П., Шехтер Б.И. Физика взрыва. М., Физматгиз, 1959. 647 с.

12. Беликов С.Е., Котлер В.Р. Малые котлы и защита атмосферы. Снижение вредных выбросов при эксплуатации промышленных и отопительных котельных. М.: Энергоатомиздат, 1996. 128 с.

13. Н.Большаков В.Ф., Гынзбург Л.Г. Применение топлив и масел в судовых дизелях. М.: Транспорт, 1976. 216 с.

14. Брозе Д.Д. Сгорание в поршневых двигателях. М.: Машиностроение. 1989. 248 с.

15. Бронштейн И.Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, 1986. 544 с.

16. Варшавский Г. А. Диффузионная теория горения капли. М.: БНТМАП, 1945.348 с.

17. Варшавский Г.А., Гермейер Е.М. Диффузионная теория горения капли жидкого водорода // ФГВ, 1967, №2. С. 236 241.

18. Ведрученко В.Р. Моделирование горения углеводородных топлив в условиях нестационарности // Электрофизика горения: Тез. докл. XIII Всесоюз. семин. по электрофизике горения. Чебоксары, ЧувГУ им. И. Н. Ульянова, 1990. С. 65.

19. Ведрученко В.Р. Перспективы развития и использования топливных ресурсов для транспортной и судовой энергетики // Двигателестроение. 1999. № 1.С. 20-22.

20. Ведрученко В.Р. Системные методы исследований топливоис-пользования в дизелях // Двигателестроение. 1995. С. 30 35.

21. Ведрученко В.Р., Кокшаров М.В., Крайнов В.В. Каталитическое воздействие водной фазы водотопливных эмульсий и мобильные схемы их приготовления // Промышленная энергетика, № 6, 1998. С. 21 24.

22. Ведрученко В.Р., Крайнов В.В. Анализ сгорания капли во-домазутной эмульсии на основе закона Срезневского: Тез. докл. науч.-техн. конфер. СГУПС / Новосибирск, НИИЖТ, 1997. С. 210 211.

23. Ведрученко В.Р., Крайнов В.В. Модели горения водомазут-ной эмульсии в топках котлов. Материалы межвузовской научно-технической конференции / Омск, ОмГУПС, 1998. С. 43 44.

24. Ведрученко В.Р., Крайнов В.В. Общие закономерности и особенности воспламенения жидких топлив в топках котельных установок // Сибирский научный вестник. Новосибирск. 1999. Вып. III. С. 78 84.

25. Ведрученко В.Р., Крайнов В.В. Оценка времени сгорания капли водомазутной эмульсии в топке котельной установки // Вопросы теплоэнергетики и топливоиспользования: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омск, ОмГУПС, 1999. С. 42-47.

26. Внуков А. К. Надежность и экономичность котлов для газа и мазута.-М.-Л.: Энергия, 1966. 368 с.

27. Внуков А.К. Теплохимические процессы в газовом тракте паровых котлов. М.-Л., Энергия, 1966. 368 с.

28. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. -М.: Машиностроение, 1977. 277 с.

29. Во л и ков А.Н. Сжигание газового и жидкого топлива в котлах малой мощности. Л.: Недра, 1989. 160 с.

30. Воликов А.Н., Гуров В.В., Николаевский H.H., Бор-щов Д .Я. Загрязнение атмосферы при эксплуатации котлов // Водоснабжение и санитарная техника, 1984, № 11. С. 14 16.

31. Волошко A.A. Внутренние физические характеристики процесса парообразования // Теплообмен и гидрогазодинамика при кипении и конденсации: Материалы XXI Сибирского теплофизического семинара. Новосибирск, 1979. С. 53 -58.

32. Вольфберг Д.Б. Основные тенденции в развитии энергетики мира // Теплоэнергетика, 1995, № 9. С. 2 5.

33. Волынский М.С. О дроблении капель жидкости в потоке воздуха. М.: Министерство авиационной промышленности союза ССР, труды №164, 1948.9 с.

34. Гершман И.И., Лебединский А.П. Многотопливные дизели. -М.: Машиностроение. 1971. 224 с.

35. Гидродинамика и теория горения потока топлива / Под ред. Б.В.Канторовича. М., Металлургия, 1971. 485 с.

36. Гладков O.A., Лерман Е.Ю. Создание малотоксичных дизелей речных судов. Л.: Судостроение, 1990. 112 с.

37. Глухов Б.Ф. О процессе горения высокоподогретого мазута // Теплоэнергетика. 1995. № 9. С. 32 - 36.

38. Демидович Б.П., Марон H.A. Основы вычислительной математики. М.: Мир, 1970. 664 с.

39. Дергарабедян П. Скорость роста пузырей пара в перегретой жидкости // Вопросы физики кипения / И. Т. Аладьев. М.: Мир, 1964. С. 256 260.

40. Доброхотов В.И. К проблеме воздействия энергетики на окружающую среду // Теплоэнергетика. 1995. № 2. С. 2 - 5.

41. Ерофеев В.Л. Использование перспективных топлив в судовых энергетических установках. Л.: Судостроение. 1989. 80 с.

42. Иванов В.М. Топливные эмульсии. М.: Изд-во АН СССР, 1962.216 с.

43. Иванов В.М., Канторович Б.В. Топливные эмульсии и суспензии. -М.: Металлургиздат, 1963. 183 с.

44. Иванов В.М., Нефедов П.И. Экспериментальные исследования процесса горения частиц натуральных и эмульгированных жидких топ л ив // Новые методы сжигания топлива и вопросы теории горения. М., Наука, 1962. С. 35 -45.

45. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. М., Энергия, 1977.240 с.

46. И щук Ю.Г. Топливо и полнота его сгорания в судовых дизелях. -Д.: Судостроение, 1985. 100 с.

47. Камфер Г.М. Процессы тепломассообмена и испарения при смесеобразовании в дизелях. М.: Высшая школа, 1974. 144 с.

48. Карабин А.И. Сжигание жидких топлив в промышленных установках. -М.: Металлургия, 1966. 371 с.

49. Клейтон В.Н. Эмульсии. Их теория и техника применения. М.: Изд-во иностр. лит., 1950. 675 с.

50. Кнорре Г.Ф. Топочные процессы. М.-Л., 1959. 396 с.

51. Кокшаров М.В., Крайнов В.В., Кузнецов В.Н. Эмульса-тор ОмГУПС: технология и схема // Железнодорожный транспорт Сибири: проблемы и перспективы: Матер. Междунар. науч.-техн. конф. Омск, ОмГУПС, 1998. С. 44-45.

52. Крайнов В.В., Ведрученко В.Р. Особенности сгорания во до-мазутных эмульсий в топках котельных установок железнодорожного транспорта. Материалы науч.-практ. конфер., Омск, ОмГУПС, 1997. С. 24-25.

53. Крайнов В.В., Кокшаров М.В. Модель горения единичной капли водомазутной эмульсии: Тез. докл. науч.-тех. конф. Ростов-на-Дону, РГУПС, 1998. С. 22.

54. Крайнов В.В., Кокшаров М.В. О кинетике реакций горения мазута и водомазутной эмульсии в топке котельной установки // Вопросы теплоэнергетики и топливоиспользования: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омск, ОмГУПС, 1999. С. 35.

55. Кокшаров М.В., Крайнов М.В. О влиянии содержания воды на вязкость водотопливных эмульсий: Тез. докл. науч.-тех. конф. Ростов-на-Дону, РГУПС, 1998. С. 21.

56. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи: Пер. с англ. М.: Мир, 1983. 512 с.

57. Кружилин Г.Н. ЖТД, т. VI, вып. 3, 1936.

58. Кузнецов М.С. Характеристики теплового действия при горении и взрывах топливо-воздушных смесей: Дис. канд. физ.-мат. наук. М., 1996. 176 с.

59. Кумагаи С. Горение: Пер. с японского. М., 1980.256 с.

60. Кутенев В.Ф., Звонов В.А., Заиграев Л.С. и др. Сравнительная оценка различных способов использования метанола в дизельных двигателях // Автомобильные и тракторные двигатели: Межвуз. сб. науч. тр., выпуск XV. М.: МГТУ «МАМИ». 1999. С. 233 - 246.

61. Лебедев О.Н. Влияние турбулентности струи на закономерности конвективного теплообмена и испарения взвешенных капель жидкости // Судовые силовые установки и механизмы: тр. Новосибирского инс. инж. водного тр-та, вып. 63. Новосибирск, 1971. с. 20 - 29.

62. Лебедев О.Н. Термодинамические особенности трехкомпонентной системы «газ-жидкость-пары жидкости» // Судовые силовые учстановки и механизмы: тр. Новосибирского инс. инж. водного тр-та, вып. 63. Новосибирск, 1971. С. 12-20.

63. Лебедев О.Н., Линевич О.И. Физико-математическая модель процесса тепломассообмена капель ВТЭ // Сибирский научный вестник. Вып. III.-Новосибирск. 1999.-С. 67-71.

64. Лебедев О.Н., Сомов В. А., Сисин В.И. Водотопливные эмульсии в судовых дизелях. Л.: Судостроение, 1988. 140 с.

65. Либефорт Г.Б. Судовые двигатели и окружающая среда. Л.: Судостроение. 1979. 144 с.

66. Лукас П. С++под рукой: Пер. с англ. К., «Диасофт», 1993.- 176 с.

67. Лушпа А.И. Основы химической термодинамики и кинетики химических реакций. -М.: Машиностроение, 1981. 240 с.

68. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М., Энергия. 1973. 320 с.

69. Об отраслевой программе энергосбережения // Указание МПС РФ №Б-1166у от 9 октября 1998 г. / МПС РФ. М.: 1998. 30 с.

70. Основы горения углеводородных топлив. Пер. с англ., под ред. Л.Н.Хитрина, В.А.Попова. Изд-во иностр. лит-ры, М., 1960. 664 с.

71. Основы практической теории горения. Под. ред. В.В.Померанцева. Учебное пособие. Л.: Энергия, 1973. 264 с.

72. Павлов П.А. Динамика вскипания сильно перегретых жидкостей / Уральское отделение АН СССР. Свердловск, 1988. 248 с.

73. Павлов В.А., Штейнер И.Н. Условия оптимизации процессов сжигания жидкого топлива и газа в энергетических и промышленных установках.-Л.: Энергоатомиздат, 1984. 120 с.

74. Пал ее в И.И., Агафонова Ф.А. Исследование горения капель жидкого топлива // Вопросы аэродинамики и теплопередачи в котельно-топочных процессах. JL, 1958. С. 57 - 80.

75. Перспективные автомобильные топлива.: Пер. с. англ. Под ред. Я.Б. Черткова.-М.: Транспорт. 1982.

76. Плезет М.С., Цвик С.А. Рост паровых пузырей в перегретых жидкостях // Вопросы физики кипения / И. Т. Аладьев. М.: Мир, 1964. С. 249 -255.

77. Рапиовец JI.C. Исследование процесса получения и свойств топливных эмульсий из обводненных торфяных смол, мазутов и др. применительно к их сжиганию: Дис. канд. техн. наук. М., 1960. 147 с.

78. Робустов В.В., Запевалов П.П., Иванов В.М. Эмульгирование жидкого топлива для тепловых двигателей: Сб. «Новые методы сжигания топлива и вопросы теории горения». М.: Наука, 1972. С. 136 - 143.

79. Русаков А.И. Фазовые равновесия и поверхностные явления. JL: Химия, 1967. 388 с.

80. Самойленко A.M., Кривошея С. А., Перестюк Н.А. Дифференциальные уравнения: примеры и задачи. Учеб. пособие. М., Высшая школа, 1989. 383 с.

81. Селиверстов В.М., Браславский М.И. Экономия топлива на речном флоте. М.: Транспорт, 1983. 231с.

82. Си дел ьковский J1.H., Юренев В.Н. Котельные установки промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1988. 528 с.

83. Смаль Ф.В., Арсенов Е.Е. Перспективные топлива для автомобилей. М.: Транспорт, 1979. 151 с.

84. Coy С.Jl. Гидродинамика многофазных систем. М., Мир, 1971.536 с.

85. Срезневский Б.И. Об испарении жидкостей // Журнал физ.-хим. об-ва, т. XIV, 1882. 442 с.

86. Сторожук Я.П., Павлов В. А. Процессы распыливания и смесеобразования при сжигании мазута в топках паровых котлов // Опыт сжигания мазута и газа на электростанциях. М.: Энергия, 1968. С. 46 - 71.

87. Талантов A.B. Горение в потоке. М., Машиностроение, 1978.160 с.

88. Теплопередача: Учебник для вузов / В.П.Исаченко, В.А.Осипова, А.С.Сукомел.М.: Энергоиздат, 1981. 416 с.

89. Теоретические основы химмотологии. Под ред. А.А.Браткова. -М.: Химия, 1985. 320 с.

90. Технологическое сжигание и использование топлива / А.А.Винтовкин и др. М., Металлургия, 1998. 286 с.

91. Тихонов А.Н. Самарский A.A. Уравнения математической физики. М.: Гос. изд-во технико-теор. лит-ры, 1953. 679 с.

92. Тув И. А. Сжигание обводненных мазутов в судовых котлах. Л.: Судостроение, 1968. 196 с.

93. Тюльпанов P.C. Расчет выгорания распыленного углеводородного топлива в форсированных топочных устройствах // ФГВ, 1966, №1. С. 88 -100.

94. Тюльпанов P.C., Соболев О.П. О горении полидисперсного факела жидкого топлива // ФГВ, 1967, №2. С. 94 97.

95. Хитрин JI.H. Физика горения и взрыва. М.: МГУ, 1957. 442 с.

96. Шерман Ф. Эмульсии. -М.: Химия, 1972.448 с.

97. Ши Д. Численные методы в задачах теплообмена. М.: Мир,1988.

98. Щелкин К.И., Трошин Я.К. Газодинамика горения. М.: АН СССР, 1963.254 с.

99. Эстеркин Р.И. Эксплуатация, наладка и испытание теплотехнического оборудования промышленных предприятий: Учебник для техникумов. Л.: Энергоатомиздат, 1984. 288 с.

100. Юдицкий Ф.Л. Защита окружающей среды при эксплуатации судов.-Л., Судостроение, 1978.

101. Ярин Л.П., Сухов Г.С. Основы теории горения двухфазных сред. Л., Энергоатомиздат, 1987. 240 с.

102. Garner W.E., Johnson С.Н.: J.Chem. Soc., p. 280. 1928.

103. Karlovich В., Denniston D., Wells F. Investigation of Turbulent Flames // The Journal of chemical Physics, 1951, vol. 19, No. 5. Pp. 541 -547.

104. Nelson W.L. Guide to Refinery Operating Costs. The Petroleum Publishing Co., Tulsa, Oklahoma, 1970.

105. Bi= (alphaConvective+alphaRadiant)*radiusOil/heatConductivityOil; } else

106. Полный текст программы находитсяна кафедре "Теплоэнергетика"

107. Re=oldSpeed*2*oldRadius0il/viscosityGas;

108. Re=oldSpeed*2*oldRadius0il/viscosityGas;