CC BY
12
УДК 621.182.23.001.42
О НЕКОТОРЫХ АСПЕКТАХ РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРЫ В ЗОНЕ МАКСИМАЛЬНОГО ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ ■ ПРШ ДВУХСТУПЕНЧАТОЕ СЖИГАНИИ - ТОПЛИВА
К.Т. Баубеков
Павлодарский государственный университет им. С. Торайзырова
111 ТГМ-94 цазаныц жануын зондпен тексеру кезшде твмегт цатардагы
газдыц жану Ш1лтелгр1не (6ip сатылы тэртттен ек1 саталы газдыц жану 111 mapmiBim втценде) артъщ отын бершенде факелдщ температурасы твмендемейтшщ xepcemedi, ал кей кездерде ол mmepijiedi, эйтсе де отын жану дэрежес1 ommezi хивгырыныц кему1не байланысты азаяды. Б1рак, орындалган жылу техникалык ece6i кврсеткендей бул цубылыс аномалъды емес, дегемен барльщ кезде mycmiKmi бола бермейд1.
Результаты зондирования топки котла ТГМ-94 показали, что (при переходе с одно- на двухступенчатый режим сжигания газа) на нижних ярусах горелок, куда подается избыток топлива, температура факела не снижается, а в отдельных случаях даже возрастает, хотя степень выгорания топлива уменьшается вследствие снижения концентрации кислорода. Однако, как показали выполненные теплотехнические расчеты, это явление не является аномальным, хотя не всегда представляется понятным.
The results of the boiler's furnace TGM-94 exploring has shown, that when the regime of the gas burning is changed from the one to the two staged regime in the lower tiers of the burners, where the surplus of the fuel is given, the temperature of the torch does not decrease, and even increases, in some cases, although the degree of the fuel's destroying of fire decreases owing to the concentration of the oxygen lowers. However, this phenomenon (as the executed thermal technical calculation has show) represents as a clear one.
Зондирование газового факела показало [1], что в восстановительной зоне (в условиях сжигания с а<1) не происходит интенсивного образования N0 даже в высокотемпературных зонах. В то же время прсдукты
неполного сгорания целесообразно дожигать в окислительной среде (в условиях сжигания с а>1) при более низких температурах, так как эта зона является основным «поставщиком» N0 при одноступенчатом сжигании топлива.
Результаты зондирования показывают также, что при сжигании такого высокореакционного топлива, как природный газ, в топке котла ТТМ-94 происходит более быстрое его выгорание и более быстрое достижение максимальной температуры, чем обычно представлялось. Причем высокотемпературная зона находится примерно на уровне оси каждого яруса горелок. При переходе с одно- на двухступенчатый режим сжигания газа на нижних ярусах горелок, куда подается избыток топлива (~ 14%), температура факела не снижается (или даже несколько возрастает), хотя степень выгорания топлива уменьшается вследствие снижения концентрации 02. Однако, это явление не является аномальным [2,3], хотя не всегда представляется понятным. Для объяснения этого факта выполним следующие допущения.
Учитывая, что зону максимального тепловыделения (которая при одноступенчатом сжигании принимается от подового экрана до сечения, расположенного на 1,5 м выше верхних образующих амбразур верхнего яруса горелок [4], можно условно разделить на восстановительную (от
б) при разработанном способе сгупенча-
а) при одноступенчатом сжигании
того сжигания
Рис.1. Схемы зон максимального тепловыделения в топке
подового экрана до сечения, расположенного между II и III ярусами горелок) и окислительную (от сечения между II и III ярусами горелок до сечения, расположенного на 1,5 м выше верхних образующих амбразур верхнего яруса горелок) подзоны (рис. 1), то, не противореча уравнению энергии, которое для установившегося состояния определяет связь между тепловыделением и теплообменом в отдельных зонах топочной камеры, молено рассчитать температуру газов в каждой подзоне, исходя из тепловыделения, изменения энтальпии продуктов сгорания и теплоотвода в ней. При этом в восстановительной подзоне находятся 2 яруса горелок (рис. 1, б). Примем для приближенного расчета температуры II (средний) ярус горелок (в этом случае можно в первом приближении пренебречь взаимным переизлучением на ярусах).
В соответствии с [4] температуру продуктов сгорания (на выходе из зоны максимального тепловыделения при сжигании природного газа в топке без рециркуляции) можно рассчитать методом последовательных приближений по уравнению:
РМ1+0ь 5,76^ЯУ [2?э
ф (К)"
где - степень выгорания, характеризующая долю топлива, сгоревшего в рассматриваемой зоне, выбирается по рекомендациям [4];
<2Ь - количества тепла, вводимые в топку с воздухом, кДж/кг;
(Ус)" - средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива, кДж/(кг-К), при Т;У и ат;
г^ - произведение коэффициента эффективности на суммарную
поверхность, ограничивающую зону: ^Р = РфУор+ УРс1+ \|/ ^ ;
Б - поверхность стен зоны, м2;
у - средний коэффициент тепловой эффективности стен зоны;
РС1, РС2 - сечение топочной камеры, ограничивающие зону сверху и снизу, ы2;
1|)/ - коэффициент, характеризующий отдачу тепла излучением в вышерасположенную зону, принимается равным 0,1 для топок работающих на газе;
- коэффициент, характеризующий отдачу тепла излучением в сторону пода топки или холодной воронки, принимается равным коэффициенту г^;
ат - степень черноты топки в зоне максимального тепловыделения.
Значения а и а рассчитываем по рекомендациям [4] на основе данных
газового анализа, используя измеренные значения температуры факела. При этом вместо температуры на выходе из топки подставляем измеренную температуру в данной точке зондирования,
На рис. 2 и показаны изменения степени выгорания топлива по длине факела при одно- и двухступенчатом сжигании, а на рис. З.а и в табл.1 -значения располагаемого тепла ((} = {Ю/ + Ов). Видно, что снижение р приводит к снижению 0.расп, а значит и 7\.
На рис. 4 показано изменение объема дымовых газов (У) по длине факела в режимах одно- и двухступенчатого сжигания (расчеты Ус м. в табл. 2). В интересующем нас режиме (нижний ярус горелок, аг<1) при двухступенчатом сжигании У, меньше, чем при одноступенчатом. Это значит, что при прочих равных условиях уменьшение У должно привести к повышению температуры факела Тф. И наоборот, на верхнем ярусе горелок (аг>1), где У, увеличивается, температура факела резко понижается.
На рис. 5 показан расход газа по ярусам горелок. Увеличение Вр через нижние I и II ярусы горелок приводит к увеличению Тф в режиме двухступенчатого сжигания.
Рассмотрим влияние степени черноты топки и степени черноты факела на-?', Ф
В табл. 1 представлены результаты расчета (по экспериментальным данным) значений аф и ат. Видно, что при переходе с одно- на двухступенчатое сжигание природного газа степень черноты факела уменьшается в
Я
0,8 1/г %6 2,0 2,4
1 - О - одноступенчатый режим
2 - □ - двухступенчатый режим (нижний ярус горелок, а <1)
3 - 0 - двухступенчатый режим (верхний ярус горелок, а;>1)
Рис. 2. Изменение степени выгорания топлива по длине газового факела
Таблица 1
Основные результаты расчета 0/КШ1> (К)", а
Величины Режимы горения
Одноступенчатый режим Диухступенчатый режим (нижний ярус горелок а < 1) Двухступенчатый режим (верхний ярус горелок а > 1)
Расстояние по длине факела Ьф, м 0,95 1,50 2,00 2,50 0,95 1,50 2,00 2,50 0,95 1,50 2,00 2,50
То же, в калибрах, Ьс1а .1,10 1,80 2,40 3,00 1,10 1,80 2,40 3,00 1,10 1,80 2,40 3,00
Располагаемое тепло, @рхп = 0 ■ (¿1 + , исал/нм3 5957 6417 7523 8742 5473 5973 6901 7660 6474 6659 7700 8854
То же, кДж/им 24960 26888 31521 36628 22932 25029 38917 32096 27125 27903 32265 37101
(Ус)' = V-0,01(^0 Сщ + гВз0СД)О + г^Сд^ + + + >ЬСс<? +'"ягСяг ),кДж/{кг-К) 15,62 16,08 17,33 19,34 14.15 15,32 16,16 15,95 18,51 18,80 14,19 18,13
Степень черноты факела, 0,352 0,352 0,369 0,371 0,339 0,345 0,354 0,362 0,337 0,340 0,342 0,333
Степень черноты топки в ЗМТ, с^ 0,529 0,537 0,557 0,561 0,520 0,525 0,500 0,500 0,560 0,565 0,563 0,545
грИЗМ ££ 1810 1840 1845 1850 1875 1877 1882 1884 1680 1690 1695 1700
гр бал _ мах ¿Bi+Q. 5.7б-ю-".аДгг)" ^ (Vc)" Bp(Vc)" + 273, A" 1650 1700 1800 1875 1685 1715 1820 1935 1455 1465 1745 1745
/ \ PQl +Q, r 1. 0,071 0,118 0,297 0,421 0,018 0,032 0,213 0,467 -0,023 -0,015 0,298 0,255
/ррасч _ max ¿Bi+Q. 5,76-10-".a;(rr)4 ^ (Vc)" Bp{Vc)" + 273, К 1810 1840 1845 1850 1875 1877 1882 1884 - - 1695 1700
Небаланс тепла, К Д7* = Г"41 -160 -140 -45 +25 -190 -162 -52 +51 -235 -225 -50 -45
2 - □ - двухступенчатый режим (нижний ярус горелок, о. <1)
3 - 0 - двухступенчатый режим (верхний ярус горелок, а;>1)
Рис. 3. Изменения но длине газового факела располагаемого тепла (а), степени черноты факела (б) и температуры (в)
основном за счет уменьшения концентраций трехатомных газов (Н20 и С02). Как известно [5], температурный уровень в ядре несветящегося факела выше, чем в светящемся. Быстрый рост температуры, которая достигает своего максимума в непосредственной близости от устья юре:пси, характерен для несве-тяшегося пламени [5].
Таким образом, при переходе с режима одноступенчатого сжигания на двухступенчатый в восстановительной подзоне, несмотря на снижение степени выгорания топлива р, изменения остальных трех величин (Вр, Уг и аф) действует в направлении повышения температуры факела в топке.
Этот вывод подтверждается результатами расчета балансовой температуры по длине факела (табл. 1, рис. З.в), хотя балансовые температуры оказались ниже измеренных. Небаланс тепла (особенно в начальной части - на расстоянии (1,1-1,8) калибров горелки) получается отрицательный, что не противоречит [6]. Здесь находится развитая зона обратных токов. На расстоянии (2,4-3,0) калибра по длине факела получена удовлетворительная сходимость между измеренной и балансовой температурами (расхождение не более 50К, или 3,0% при погрешности методики измерения у2,8%. Следует полагать, что можно достигнуть и абсолютной сходимости (100%), если а, определить обратным ходом при известном Тф-а", т.е. отнести небаланс тепла к погрешностям определения аф
ЧГ,м3/м*
Й 12 Ю В
°>8 № 1,6 2,0 ¿^ М
1 - О - одноступенчатый режим
2 - □ - двухступенчатый режим (нижний ярус горелок, аг<1)
3 - 0 - двухступенчатый режим (верхний ярус горелок, а >1)
Рис. 4. Изменение объема продуктов сгорания но длине газового факела
,м3/м3
(см.табл. 1).
Таким образом, расчетные значения Тфрасч удовлетворительно согласуются с измеренными Т™*, что позволяет использовать зависимость (1) и для приближенного расчета температуры на выходе из зоны максимального тепловыделения при двухступенчатом сжигании газа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Баубеков К. Т. Экспресс-способ сокращения выбросов оксидов азота путем ступенчатого сжигания природного газа в топках котлов // Наука и техника Казахстана. - 2003. - № 3. - С. 99-107.
2. Продукты сгорания природного газа при высоких температурах (состав и термодинамические свойства) / И.Н. Карпов, Б.С. Сорока, Л.П. Дашевский и др.- Киев: Техника, 1967,
3. Дьячков Б.Г., Блинова В.Л., Нефедова М.Г. Эффекгивность топливно-энергетических процессов - М: Энергоатомиздат, 1989 - С. 43-44.
4. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод).- 2-е изд. Пере-раб.- М.: Энергия, 1973,- 295 с.
5. Ахмедов Р.Б., Цирульников U.M. Технология сжигания газа и мазута в парогенераторах,- Л.: Недра, 1976.- 272 с.
6. РТМ 108. 130. 02 - 84. Котлы паровые станционарные. Расчеты теплотехнические по составу дымовых газов и результатам исследований процесса горения,-Л.: НПО ЦКТИ.
