Курсовая работа (т): Разработка рациональных методов сжигания газа

ω_н=ω_пот cosφ=U_H

Приведенное равенство носит название закона косинуса, или закона Гюи - Михельсона.

Так как при ламинарном движении газовоздушной смеси распределение скоростей подчиняется параболическому закону, то для каждой точки, лежащей на образующей конуса, можно определить нормальную скорость распространения пламени.

Для приближенных расчетов обычно принимают скорость прохождения смеси через фронт пламени постоянной, равной U_н по всей поверхности конуса [2]:

Для равнозначных газовоздушных смесей высота конусных фронтов пламени малых каналов может быть определена с достаточной для практики точностью по высоте фронта пламени одиночного канала по формуле [2]:

где h - высота конусного фронта пламени малого канала; H - высота конусного фронта пламени одиночного канала; п - число малых каналов.

6.2    Горение в турбулентном потоке

При переходе ламинарного потока в турбулентный гладкий конусный фронт пламени вследствие вихревого движения и пульсации начинает размываться и терять четкое конусное очертание. При этом наблюдаются два характерных вида горения, соответствующих мелкомасштабной и крупномасштабной турбулентности. При мелкомасштабной турбулентности, не превышающей толщины зоны ламинарного горения, конусный фронт пламени сохраняет свою форму и остается гладким, хотя толщина зоны горения увеличивается. Если же масштаб турбулентности несколько превышает толщину зоны нормального горения, поверхность конусного фронта горения становится неровной и волнистой, имеющей как бы выступы и впадины. Это ведет к увеличению суммарной поверхности фронта горения и, как следствие, к способности одновременного сжигания больших количеств горючей смеси на единицу поперечного сечения потока.

Турбулентную скорость распространения пламени применительно к фронтовой модели горения обычно выражают следующей зависимостью [2]:

где U_т скорость распространения пламени в турбулентном потоке, см/с; ω- средне-квадратичная пульсационная скорость, зависящая от средней скорости потока, см/с; В - безразмерный коэффициент.

Эта формула показывает, что при отсутствии пульсации турбулентная скорость горения становится равной нормальной скорости распространения пламени.

В результате приближенного подсчета поверхности турбулентного фронта горения и отработки экспериментальных данных была получена следующая эмпирическая зависимость [2]:

где Re - критерий Рейнольдса.

Расчеты, проведенные по указанной формуле, показывают, что они не всегда согласуются с практическими данными.

.3      Отрыв и проскок пламени. Устойчивость горения

При горении газовоздушных смесей в ламинарном потоке устойчивой частью конусного фронта пламени является только его нижняя периферийная часть, прилегающая к кромке огневого канала горелки. Объясняется это тем, что в этом месте фронт пламени за счет тормозящего действия стенки канала развернут по горизонтали. стабилизация конусного фронта горения обусловливается наличием постоянного источника зажигания в виде кольцевого пояска, без которого остальная часть фронта была бы снесена потоком газовоздушной смеси. При повышении форсировки горелки, т. е. при переходе ламинарного режима движения в турбулентный, ширина зажигающего пояска начинает уменьшаться, пока не станет ничтожно малой. В этом случае устойчивость фронта горения нарушается, и пламя начинает отрываться от кромки горелки. Наоборот, при чрезмерном снижении форсировки горелки скорость распространения пламени в кольцевой пристенной области может превышать скорость потока, и пламя начинает втягиваться внутрь сместителя горелки. Первый случай получил название отрыва пламени, а второй - проскока, или обратного удара пламени.

В практике при отрыве пламени наблюдаются следующие явления:

срыв пламени с горелки, вызывающий его погасание;

отрыв от кромки огневого канала, когда пламя достигает нового достаточно устойчивого положения в потоке над горелкой;

срыв поднятого пламени, ведущий к его погасанию;

обратный отброс приподнятого факела к кромке огневого канала горелки;

создание взвешенного пламени при движении струи на некотором расстоянии от горелки.

Пределы устойчивой работы горелок ограничиваются скоростью отрыва и скоростью проскока пламени. Для расширения диапазона устойчивости горения любых горючих газовоздушных смесей скорость потока принимается в несколько раз большей скорости отрыва. Предотвращение отрыва пламени в этих случаях достигается различными искусственными стабилизаторами. Стабилизатор представляет собой оголовок инжекционной горелки, в котором часть горючей смеси (5-10 %) проходит через боковые отверстия 1 в канал 2, где возникает спокойное кольцевое пламя, окружающее основной поток [2].

Рис. 6.1 Схемы стабилизаторов горения в отношении отрыва пламени: а - кольцевой стабилизатор; б - стабилизатор в виде цилиндрического туннеля; в - стабилизатор в виде осесимметричного тела; г - стабилизатор в виде шамотной наброски; 1 - боковые отверстия; 2 - канал.

Стабилизирующее действие этого устройства основано на рециркуляции части раскаленных продуктов горения к корню струи, возникающей за счет создаваемого струёй разрежения. Конструкции стабилизирующих туннелей и их оптимальные размеры могут быть различны в зависимости от типа горелок и способов их установки в топках. В тех случаях, когда установка кольцевых и туннельных стабилизаторов горения нецелесообразна или неудобна, применяются U-образные стабилизаторы, размещаемые в центральной части потока газовоздушной смеси. В качестве простейших стабилизаторов, создающих обратные токи продуктов горения, применяются также стержни, размещаемые поперек потока смеси. В отдельных случаях для стабилизации горения используются шамотные наброски (горки), размещенные в непосредственной близости от кратера горелки [2].

.       
Анализ механизмов образования загрязняющих веществ при горении газов

Процесс сажеобразования при сжигании газов тесно связан непосредственно с конструкцией топочно-горелочных устройств, видом и режимом горения топлива. При этом различают три основных метода сжигания топлива: диффузионный (топливо и воздух предварительно не смешиваются и подаются в топку раздельными потоками), кинетический (топливо предварительно перемешивают с необходимым для сгорания количества воздуха) и диффузионно-кинетический, или смешанный метод горения. При диффузионном горении протекают реакции как полного окисления, так и термического разложения углеводородов, приводящие к появлению в пламени сажистых частиц. Раскаляясь в пламени, эти частицы придают ему ярко-желтую окраску. Процесс горения образовавшихся твердых частиц протекает сравнительно медленно, так как они перемещаются со скоростью потока и их контакт с окислителем осуществляется за счет молекулярной диффузии. В результате выгорания сажистых частиц затягивается и может прекратиться полностью при омывании пламенем холодных теплообменных поверхностей.

Данное явление нередко наблюдается в котельной практике, когда при наличии в дымовых газах кислорода на поверхностях нагрева обнаруживается сажа. При этом в продуктах сгорания могут присутствовать не только сажистые частицы, но и канцерогенные углеводороды.

В процессе горения углеводородных топлив при высоких температурах углеводороды разлагаются и образуют формальдегид, ацетилен, которые претерпевают процесс удлинения цепи и в результате реакций циклизации и дегидратации могут превратиться в сильнодействующий бензапирен C₂₀H₁₂. В условиях недостатка окислителя часть этих канцерогенных углеводородов не сгорает и уходит с дымовыми газами (вместе с сажистыми частицами). Концентрация углеводородов в продуктах сгорания зависит от конструкции топочно-горелочных устройств и режима горения. Так, при кинетическом методе сжигания топлива имеет место минимальное содержание канцерогенов или даже их полное отсутствие в дымовых газах[4].

Кроме перечисленных вредных веществ, при сжигании топлива всегда образуются оксиды азота - наиболее токсичные из всех компонентов, содержащихся в продуктах горения. Так как при полном сжигании газообразного топлива, не содержащих сернистых соединений в своем составе, отсутствуют оксиды серы, сажистые частицы, оксид углерода и углеводороды, то основными загрязнителями атмосферы становятся оксиды азота (NO и NO₂), присутствующие в дымовых газах даже при нормальном режиме горения. Токсичность продуктов сгорания газообразного топлива на 92-98 % определяется содержанием в них оксидов азота, причем в результате реакций в топочной камере образуется в основном оксид азота NO (более 95 %), поэтому при анализе механизмов и условий образования вредных веществ на него обращают пристальное внимание.

Образование NO происходит за счет окисления азота атмосферного воздуха и азота, содержащегося в топливе. Условием окисления азота воздуха является диссоциация молекулы кислорода воздуха под действием высоких температур в топке (1900…2200 К), потом образование оксида азота идет по цепному механизму[4]:

О₂+ М = О + О + М.

Согласно теории Семенова-Зельдовича - Франк-Каменецкого в процессе горения происходит окисление в высокотемпературной зоне по цепному механизму (по реакциям) [4]:

₂ + O₂2NO.

Определяющей в образовании NO считается данная реакция, скорость которой зависит от концентрации атомарного кислорода и максимальной температуры в зоне горения, вследствие этого теория получила название термической. Поскольку в этом случае NO образуется в результате окисления азота воздуха, NO получил название воздушного.

Концентрация образовавшегося NO не превышает равновесную при максимальной температуре в реакционной зоне. Образование NO зависит от концентрации исходных веществ, температуры и времени установления равновесия.

Термическая теория предполагает экспоненциальную зависимость равновесной концентрации С (NO) от температуры [5]:

,

где С (О₂), С(N₂) - соответственно концентрации кислорода и азота в зоне реакции, %; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль∙К); Т - максимальная температура в зоне реакции, К.

Таким образом, состав оксидов азота на выходе из дымовой трубы почти не изменяется и только в атмосфере происходит процесс постепенного доокисления NO в NO₂. Анализ основных факторов, влияющих на образование оксидов азота, позволяет наметить основные методы их подавления. Выбросы оксидов азота при сжигании газообразного топлива могут быть значительно сокращены, если понижается максимальная температура горения (вводом в факел инертных дымовых газов или влаги; использованием методов теплоотвода от факела и др.). При сокращении времени пребывания реагирующих компонентов (азота и кислорода) в высокотемпературной зоне, а также при уменьшении концентрации кислорода в реакционной зоне (т. е. при снижении локального избытка воздуха)[4].

.       
Разработка рациональных методов сжигания газов

В последнее время в нашей стране и за рубежом большое внимание специалистов уделяется методам снижения выбросов загрязняющих веществ, включая оксидов азота (NO_x) непосредственно в топках котлов. Очистка продуктов сгорания от вредных примесей технически сложна и экономически нерентабельна, поскольку относительно малые концентрации вредных веществ извлечь из достаточно больших объемов дымовых газов крайне затруднительно. В то же время изменение топочного процесса в нужном направлении может привести к сокращению выбросов токсичных веществ без дорогостоящих мероприятий по очистке продуктов горения при сжигании газов[4].

При сжигании природного газа, не содержащего связанного азота, для подавления выбросов оксидов азота необходимы методы, ограничивающие образование «воздушных» NO_x, т. е. влияющие на снижение температурного уровня в зоне горения.

Теплотехнические методы снижения вредных выбросов с продуктами сгорания котлоагрегатов, которые охватывают наиболее апробированные в промышленности способы борьбы с NO_x при сжигании газов. Как показали результаты многочисленных исследований, частичная рециркуляция дымовых газов в топочную камеру является одним из эффективных методов подавления выбросов NO_x. В этом случае дымовые газы на выходе из котла забираются и подаются в топку либо через шлицы под горелками, либо через кольцевой канал вокруг горелок, либо путем подмешивания газов в воздух перед газовыми горелками[4].

Последний способ ввода рециркулирующих газов обеспечивает наибольшее снижение температуры в зоне горения. Рециркуляция дымовых газов наряду с уменьшением температурного уровня в топке приводит к снижению концентрации кислорода, т. е. к растягиванию зоны горения и более эффективному охлаждению этой зоны топочными экранами. Подмешивая до 20-25 % продуктов сгорания в воздух, удается снизить содержание NO_x на 30-35 %[4].

Подача влаги (воды или пара) в ядро факела также приводит к снижению выбросов оксида азота. Этот способ предусматривает впрыск влаги в количестве 3-5 % от расхода топлива, что по аналогии с вводом рециркулирующих газов уменьшает максимальную температуру в зоне горения. По сравнению с обычным сжиганием газа данный метод позволяет на 10 % подавить образование NO_x. Кроме того, впрыск влаги в топку эффективен не только для подавления оксидов азота, но и для уменьшения образования оксида углерода и углеводородов вследствие увеличения их скорости выгорания за счет повышения концентраций радикалов Н* и ОН* в реакционной зоне.

Радикальным способом подавления образования оксидов азота является организация многоступенчатого сжигания газа. В отличие от традиционного (одноступенчатого) сжигания топливо сжигают в несколько ступеней, подводя на каждой ступени только часть воздуха, необходимого для горения. В котельной практике иногда применяется двухступенчатое сжигание топлива, а в некоторых случаях - трех- и многоступенчатое (если позволяет объем пространства в топочной камере, необходимого для завершения выгорания топлива). Зарубежный и отечественный опыт эксплуатации котлов свидетельствует о возможности в 1,5-2,0 раза уменьшить концентрацию NO_x в продуктах сгорания при организации двухступенчатого сжигания (по сравнению с обычным сжиганием топлива)[4].

Сущность данного метода заключается в том, что в первичную зону горения подается воздуха меньше, чем необходимо теоретически, т. е. α₁<1 (α₁=0,85…0,95), а во вторичную зону с некоторым избытком: α₂ >1 (α₂= 1,3…1,35). В результате в первичной зоне происходят снижение максимальной температуры в ядре факела и уменьшение содержания кислорода, что способствует подавлению образования оксидов азота. Из-за разбавления продуктами сгорания последующее горение протекает при более низкой температуре, вследствие чего во вторичной зоне горения оксиды азота фактически не образуются. Конструктивно метод двухступенчатого сжигания топлива можно осуществить в котельных агрегатах с двухъярусным расположением газовых горелок на высоте топочной камеры. При этом практически не требуется существенной реконструкции котла, связанной с дополнительными затратами. В приведена зависимость для определения экологической эффективности процесса двухступенчатого сжигания

газов[4]:

В выражении показатель «m» принимается равным = 3. В последние годы за рубежом разработаны горелочные устройства котлов для трехстадийного сжигания топлива, которые представляются весьма перспективными.