ВЛИЯНИЕ ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ ПОДАЧИ ВОЗДУХА НА ПРОЦЕСС ГОРЕНИЯ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ФАКЕЛА В ТОПКАХ ПАРОВЫХ КОТЛОВ

П.К. Сеначин, М.А. Утемесов

ВВЕДЕНИЕ

Интенсификация горения и воспламенения твердого топлива в энергетических установках постоянно привлекает внимание исследователей. Среди многочисленных методов интенсификации горения организация подачи пульсирующей подачи привлекает своей технологической простотой. Работы по исследованию акустических и гидродинамических воздействий на процессы горения факел ведутся с начала 50-х годов [1-10]. Известны работы Урал-ВТИ в этой области, которые были доведены до стадии промышленных испытаний [11]. В доменном процессе с помощью пульсирующего дутья было достигнуто увеличение производительности печи до 4% и снижение кокса до 5% [12]. Разрабатывались специальные устройства, например, камера детонационного сжигания (ДКС-ЭНИН) наряду с акустическим воздействием на факел производит также и гидродинамическое воздействие [13].
Один из возможных механизмов воздействия пульсирующей подачи воздуха на горение воздушно-пылеугольной смеси заключается в следующем [2, 14]. В турбулентном факеле преобладают вихри, масштаб которых задается диаметром струи на начальном участке. Представим число Струхаля в виде:

где Vr- скорость движения вихря; n – число оборотов вала пульсатора; d - диаметр выходного сопла горелки; Uo - скорость газа на выходе из сопла; λ - длина волны пульсаций скорости.
Скорость движения центров вихрей, по данным [14], полученным методом скоростной киносъемки, составляют ~0,5U0. Тогда число Струхаля можно переписать в виде:

Экспериментальные значения числа Струхаля, полученные на оси струи при x/d=2¸ 4, укладываются в интервале 0,4¸ 0,6. Из сравнения последних формул получим d/l = 0,8 ¸ 1,2. Искусственные возмущения скорости, частота которых равна частоте максимума в спектре турбулентных пульсаций факела, будут наиболее интенсивно усиливаться в этой струе. Экспериментальные данные [14] и других авторов показывают, что воздействие пульсаций с частотами, попадающими в интервал чисел Струхаля 0,4¸ 0,6 на струи с развитым турбулентным профилем скорости заметно интенсифицируют турбулентное смешение и уменьшают дальнобойность струи. С увеличением частоты пульсаций дальнобойность струи возрастает. Наибольшее удлинение ядра постоянных скоростей достигается при Sh=1.5 d/l . Такое воздействие возбуждает вихри с масштабом значительно меньшим начального диаметра струи и подавляет процесс зарождения больших вихрей.
Другой механизм воздействия пульсирующей подачи воздуха предложен в работах [15, 16]. Он предполагает механизм воздействия на факел через его зажигание. Изменение концентрации топлива в воздухе с частотой, приблизительно равной обратной величине периода воспламенения летучих, приведет, согласно представлениям, развитым в [17-19], к улучшению воспламенения факела, поскольку при изменении соотношения топливо-воздух всегда проходится оптимальное значение этого соотношения. И система должна подстроиться таким образом, чтобы воспламенение летучих и начало горения частиц мелкой фракции угля всегда соответствовало оптимальному соотношению топливо-воздух. Это подтверждается результатами экспериментов на лабораторной установке [15].

КОНСТРУКЦИЯ СТЕНДА ДЛЯ ОГНЕВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Эксперименты по исследованию влияния низкочастотных вынужденных пульсаций вторичного воздуха на пылеугольный факел проводились на огневом стенде. Стенд для огневого моделирования должен отвечать следующим требованиям:
  1. Обеспечивать достаточный масштабный переход от стенда к промышленным парогенераторам;
  2. Обеспечивать возможность исследования синхронности работы нескольких горелок;
  3. Снизить по возможности влияние на горение стенок установки, что неизбежно в лабораторных установках.
Были выбраны следующие виды подобия, рекомендуемые при огневом моделировании [20-22]:
  1. Геометрическое - геометрические размеры были приняты в масштабе 1:10, соответственно объем топочного пространства моделировался в масштабе 1:1000.
  2. Массообмена - соотношение пыли и воздуха, иначе равенства коэффициентов избытка воздуха в модели и натуре.
  3. Аэродинамическое - равенство скоростей воздушного и пылевого потоков. Применение одного и того же топлива для модели и натуры и одинаковый помол угольной пыли. Для соблюдения этого условия в экспериментах применяли угольную пыль, подготовленную для сжигания на Барнаульской ТЭЦ-2.
В качестве основного элемента для огневого стенда была взята электрическая печь СШЦМ-6,6/9М1 Бийского завода “Электропечь” с внутренним диаметром 800 мм. При монтаже печи была изменена кладка внутренней огнеупорной изоляции, при этом смонтировано 4 горелки с тангенциальным вводом, 6 смотровых лючков и нижний ввод для удаления шлака. Для удовлетворения требованию масштабности по объему высота печи была увеличена вдвое с соответствующей изоляцией верхней части.

Рис.1. Общая схема огневого стенда:
1- печь СШЦМ 6.6/9М1; 2-электронагреватели; 3 -силовые трансформаторы; 4, 5- шкафы управления; 6 - вентилятор острого дутья; 7-аэродинамический питатель; 8- горелки; 9- регулирующие краны; 10- пульсатор; 18-барабанный питатель; 19-двигатель постоянного тока; 20- выпрямитель; 21-трансформаторы РНО-250; 22-воздуходувка ВЛ-1; 23- баллон с бензином; 24- подвод бензиново-воздушной смеси; 27- трубопровод для топочных газов; 28- дымовая труба

Общая схема огневого стенда представлена на рис.1. Электропечь СШЦМ-6.6/9М1 (1) обогревается тремя электроспиралями (2) общей мощностью 40 кВт, что обеспечивает исходный нагрев печи до 400° С. Питание спиралей осуществляется через трансформатор (3). Управление нагревом осуществляется при помощи шкафов управления ИЗР-242 ДГАЭУЧ (4) и ИЗР-242 АЭУЧ (5). В этих же шкафах сосредоточено регулирующее и пусковое оборудование для электромоторов, а также контрольно-измерительная аппаратура. Подача воздуха производится вентилятором острого дутья 1ЭП-1 (6). На выходе из вентилятора воздух разделяется на две части - одна направляется в аэродинамический питатель (7) и далее используется для транспортировки пыли (первичный воздух), вторая часть через кольцо подводится сразу к горелкам (8) (вторичный воздух). Перед каждой горелкой на каждом воздуховоде для регулировки расхода воздуха установлены краны (9).
Для пульсации воздушно-пылевого потока на линиях первичного воздуха перед горелками установлены пульсаторы (10). Пульсатор представляет собой плоский диск, вращающийся вокруг своего диаметра на оси; Степень перекрытия пульсатором живого сечения трубы в закрытом состоянии составляет 80%. При вращении пульсатор создает колебания воздушно-пылеугольного потока синусоидального типа. Влияние пульсатора на процесс движения воздушно-пылеугольного потока рассмотрено в работе [16].
Для синхронизации вращения всех четырех пульсаторов применена схема с использованием сельсинов (рис. 2). Четыре сельсина-приемника БС-404 НА (11) управляются одним сельсином-датчиком БД-404 НА (12). При этом средняя максимальная ошибка сдвига фаз составляет 0,35 градуса. В качестве задатчика числа оборотов для сельсинов применяется двигатель постоянного тока (13); регулирование числа оборотов производится изменением подаваемого на двигатель напряжения. Схема управления двигателем включает выпрямитель (14), вольтметр (15) и лабораторный автотрансформатор (16). Питающее напряжение 127 В на рабочие обмотки сельсинов подавались также через РНО-250(17).

Рис.2. Схема размещения горелок и управления пульсаторами.
8 - горелки; 10 - пульсаторы; 11,12 - сельсины; 13 - двигатель постоянного тока; 14 - выпрямитель; 15 – вольтметр; 16, 17, 26 - трансформаторы РНО-250; 25 - электрический запальник

Аэродинамический питатель (7) представляет собой полый сосуд в форме перевернутой четырехгранной пирамиды. В нижний патрубок через диспергатор подается воздух от вентилятора. Сверху из бункера через барабанный питатель (18) подается пыль. Образующаяся пылевоздушная смесь через симметрично расположенные боковые патрубки отводится к горелкам. Количество подаваемой пыли регулируется числом оборотов питателя. Вращение барабана питателя производится двигателем постоянного тока (19).
Для зажигания воздушно-пылеугольной смеси применялась следующая методика. Была смонтирована линия для подачи горючей смеси паров бензина с воздухом, которая включала воздуходувку ВЛ-1 (22), баллон с бензином (23), соединительные линии и кварцевую трубку (24), через которую смесь вводилась в топочное пространство. Для зажигания паров бензина применяли электрический запальник (25) (нихромовую нить), запитываемую от РНО-250 (26). Отсос топочных газов производился через трубопровод (27) в дымовую трубу (28) высотой 15 м, так, что общая высота от уровня днища печи составляла 20м. При нагрузке 20 кг угля/час и соответствующем расходе воздуха труба создает достаточное разрежение.
Контроль температуры производится двумя стационарными хромель-алюмелевыми термопарами (29) с потенциометрами КСП-3 (30) и одной переносной хромель-алюмелевой термопарой (31) с потенциометром КСП-4 (32), при помощи которой можно контролировать температуру в любом необходимом месте внутреннего пространства печи. Измерение статического и динамического давления в трубах и расходов воздуха проводили с помощью трубки Прандтля и микроманометра ММН-10 на выходе из вентилятора, перед горелками и на выходе из печи.
Разогрев топочного пространства производили в следующем порядке. Вначале при помощи электрических спиралей прогревали топку до 400° С. Затем при помощи вспомогательного бензинового факела поджигали воздушно-пылеугольную смесь. При этих условиях внутреннее пространство печи прогревалось до температуры 800° С за время 25+30 мин.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В экспериментах использовали кузнецкий уголь марки 1СС с характеристиками: Wp=9%, Ap=18,2%, Spk=0,3%, Cp=61,5%, Hp=3,7%, Np=1,5%, Ор=5,8%, низшая теплотворная способность топлива =5700 ккал/кг (24 МДж/кг), выход летучих на горючую массу VT=30%,
Как было отмечено в работе [15], на процесс воспламенения воздушно-пылеугольной смеси решающее влияние оказывает выход и горение летучих. Поэтому для осуществления активного воспламенения необходимо ускорение процесса за счет выхода и сгорания летучих, Чем быстрее это происходит, тем быстрее растет температура в начальный момент зажигания и горения пылеугольного факела.
Для исследования динамики изменения температуры в момент зажигания факела применялась следующая методика. Для создания квазистационарных условий и уменьшения влияния радиационного охлаждения факела стенками топки перед началом каждого опыта топочную камеру прогревали до 950-1000° С, затем прекращали подачу угольной пыли и подавали только холодный воздух. При этом топочное пространство быстро остывает. После охлаждения камеры до 800° С операцию прогрева и охлаждения повторяли.

Рис.3. Зависимость скорости нарастания температуры от частоты пульсаций: 1-2 пульсатора; 2-4 пульсатора.

Эксперименты проводили в два этапа. На первом этапе было поставлено два пульсатора на диагональных горелках. Частоту пульсаций изменяли в диапазоне от 3 до 9 Гц. Опыты на этом этапе проводили в диапазоне температур от 700° С до 800° С на расстоянии 2-5 см от стенок камеры. В процессе подачи воздушно-пылеугольной смеси непрерывно фиксировали температуру в центре топки при помощи термозонда и потенциометра КСП-4. На втором этапе были включены все четыре горелки, а частоту меняли в пределах от 2 до 10 Гц. При этом температура у стенки менялась от 800° С до 900° С. Необходимо отметить, что вблизи нижней границы частот пульсаций наблюдалась некоторая асинхронность в работе пульсаторов.
Результаты экспериментов приведены на рис. 3. Видно, что и при двух, и при четырех пульсаторах максимальная скорость роста температур наблюдается в районе 7 Гц, что полностью подтверждает результаты лабораторных испытаний [15]. Таким образом, можно утверждать, что частота 7 Гц является оптимальной для зажигания факела в исследуемом частотном интервале.
Это вполне объяснимо в рамках предположения, что при наложении низкочастотных вынужденных пульсаций в определенные моменты времени достигается оптимальное соотношение между топливом и воздухом. Возможно, при этом происходит также более интенсивная рециркуляция топочных газов к корню факела и, как следствие, уменьшение длины факела.

ВЫВОДЫ

  1. Разработан и изготовлен стенд для полупромышленного огневого моделирования.
  2. Проведены испытания зажигания и горения воздушно-пылеугольной смеси при наложении на эти процессы низкочастотных пульсаций.
  3. Показано, что при наложении низкочастотных пульсаций улучшается зажигание за счет того, что в определенные моменты времени достигается оптимальное соотношение между топливом и воздухом. Максимальный эффект наблюдается при пульсациях 7-8 Гц.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Бабкин Ю.Л., Жирнов B.C. Пульсационная интенсификация горения пылеугольного факела // Пульсационное горение: Матер, к научно-техн. конф. Челябинск: Изд-во ВоФ ВТИ, 1968. С. 31-35.
  2. Подымов В.Н., Северянин B.C., Щелоков ЯМ. Прикладные исследования вибрационного горения. Казань: Изд-во КазГУ, 1978. 132 с.
  3. Исследование влияния низкочастотных пульсаций на аэродинамику турбулентной неизотермической струи / Н.П. Мурахвер, З.П. Сакипов, М.Б. Хожателев, Л.П. Ярин // Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики. Вып. 7. Алма-Ата: Изд-во Наука, 1971. С. 189-195.
  4. Кузнецов О.А., Ярин Л.П. Исследование влияния низкочастотных пульсаций на аэродинамику газового факела // Теория и практика сжигания газа. Вып. 5. Л.: Изд-во Недра, 1972. С. 53-56.
  5. Вулис Л.А., Ярин Л.П. Аэродинамика факела. Л.: Энергия, 1978. 216 с.
  6. Кацнельсон Б.Д., Северянин B.C., Лысков В.Я. Исследование пульсирующего горения твердого топлива // Пульсационное горение: Матер, к научно-техн. конф. Челябинск: Изд-во ВоФ ВТИ, 1968. С. 43-49.
  7. Бухман СВ., Крылова Н.П. Исследование влияния пульсации скорости на горение мелких угольных частиц // Пульсационное горение: Матер, к научно-техн. конф. Челябинск: Изд-во ВоФ ВТИ, 1968. С. 59-65.
  8. Северянин B.C. Горение частицы топлива в пульсирующем потоке // Изв. ВУЗов. Энергетика. 1975. № 6. С. 144-147.
  9. Северянин B.C. О сжигании твердого топлива в пульсирующем потоке //Теплоэнергетика. 1969. № 1. С. 6-8.
  10. Северянин B.C., Кацнельсон Б.Д. Горение частицы твердого топлива в пульсирующем потоке // Физика горения и взрыва. 1970. Т. 6, № 2. С. 157-162.
  11. Гусев Л.Н. Анализ влияния пульсаций подачи топлива на процесс горения // Энергомашиностроение. 1974. № 3. С. 23-25.
  12. Сорокин B.C. Пульсирующее дутье в доменном процессе // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1967. № 1.
  13. Экомасов С.П., Фонберштейн Л.М. Камера детонационного сжигания // Физика горения и взрыва. 1970. Т. 6, № 3.
  14. Исатаев СИ., Тарасов СБ. О воздействии на струю акустического поля, направленного вдоль оси струи. // Известия АН СССР. Сер. Механика жидкости и газа. 1971. № 2.
  15. Волков В.И., Сеначин ПК., Утемесов М.А. Влияние низкочастотных пульсаций на процесс воспламенения воздушно-пылеугольной смеси. // Проблемы энергетики. 2000, №3-4 (в печати).
  16. Утемесов М.А., Утемесов Р.M. Влияние прерывателя потока на течение вязкой несжимаемой среды в цилиндрической трубе. // Известия АГУ. 2000. №1. С. 19-21.
  17. Горение натурального твердого топлива // А.Б. Резняков, И.П. Басина, СВ. Бухман, М.И. Вдовенко, Б.П. Устименко. Алма-Ата: Изд-во Наука, 1968. 410 с.
  18. Бухман СВ. Механизм зажигания пылеугольного факела. // Известия АН. Каз. ССР. Сер. Энергетическая. Вып. 2/22. 1962.
  19. Бухман СВ., Найбургер Н.В. Расчет времени выхода летучих в свободном осесимметричном монодисперсном пылеугольном факеле // Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики. Вып.З. Алма-Ата: Изд-во Наука, 1966. С. 59-63.
  20. Резняков А.Б. Условия огневого моделирования пылеугольных топочных устройств. // Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики. Вып.6. Алма-Ата: Изд-во Наука, 1972. С. 3-15.
  21. Резняков А.Б. Моделирование тепловых и химико-технологических процессов и устройств. Алма-Ата: Изд-во Наука, 1979. 72с.
  22. Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования. Л.: Энергоатомиздат, 1987.264 с.