Исторические этапы развития паровых котлов на жидком топливе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мурманский государственный технический университет

Реферат

Исторические этапы развития паровых котлов на жидком топливе

Кан С.П.

Мурманск 2018



Введение

Топливо - это вещество используемое для получения тепла при его сгорании. С древних времён топливо при горении использовалось и как источник света (костры, лучины, масляные лампады, керосиновые лампы, газовые фонари и т.п.).

Жидкое топливо - это в основном нефть и её продукты переработки. Нефть - это природная смесь углеводородов с примесью сернистых, азотных и кислородных соединений. Она является природным горючим ископаемым, но отличается от остальных природных видов (уголь, торф, сланцы) большим содержанием водорода, углерода, малым количеством негорючего балласта и соответственно большим количеством теплоты, выделяющейся при горении.

Нефть известна человеку с древнейших времен. В разных странах ее называли по разному, однако большинство названий в переводе на русский язык означает «земляное» или «горное масло». Современное название происходит от слова «нафата», что на языке народов Малой Азии означает «просачиваться». Упоминания о нефти мы находим в различных древних рукописях и книгах дошедших до нас. Наиболее раннее упоминание о Бакинской нефти относится к временам Александра Македонского, греческий историк и философ Плутарх рассказывает об источниках нефти на реке Амударье.

В конце XVIII века в районе Баку было уже известно довольно много нефтяных колодцев. Нефть, добываемую из колодцев, сливали в ямы, обложенные камнем («амбары»). Перевозили нефть на верблюдах или арбах в кожаных мешках - бордюках в различные районы - в Шемаху, Гиляни даже в Западную Европу. Приблизительно в тоже время развивается нефтедобывающая промышленность и на Северном Кавказе (район города Майкопа). Большую известность получил прототип нефтеперегонного завода, построенный братьями Дубиниными в 1823 году. Этот кустарный завод был построен для получения из сырой нефти осветительных масел. Почти на 80 лет раньше Федором Прядуновым был построен подобный завод на Ухте.

Уже к середине XIX века относятся пробные попытки вскрытия нефтяных пластов с помощью нефтяных скважин. Первые попытки бурить были предприняты еще за 2000 лет до нашей эры в Китае в провинции Сычуань. Там применялось ручное бурение бамбуковыми штангами для добычи рассола. Подобного рода работы в XVI веке проводились и в Древней Руси в районах Солигалича, Нижнего Новгорода, Старой Руссы и других местах. Бурение на воду при помощи железных штанг широко применялось в России, начиная с XVIII века.

Сейчас к поиску и добыче нефти подключена наука, что значительно ускорила все процессы.

В процессе первичной переработке сырую нефть очищают от пластовой воды, примеси неорганических веществ и других. Затем очищенную нефть подвергают прямой перегонке на современных установках. На первом этапе перегонка осуществляется в условиях атмосферного давления. При нагревании нефти до 250 градусов выкипают углеводороды, относящиеся к бензиновой и лигроиновой фракциям. В пределах температур 250-315 градусов выделяются керосино-газолийные фракции, а при 300-350 градусах - масляная (соляровая) фракция. Остаток называется мазутом.

Мазут долго считался бесполезным отходом перегонки нефти. Затем его стали использовать как топливо. А позднее из него путем дальнейшей перегонки научились извлекать бензиновые, керосиновые и масляные фракции.

Вопросами горения занимались древнегреческие мыслители. С исследования в области горения связаны имена таких ученых как Бойль, Ломоносов, Лавуазье, Томсон, Фарадей. В результате исследований выдающихся советских ученых Семенова, Зельдовича сформулированы важные идеи современной теории горения. Однако многие из основных закономерностей, управляющих процессом горения, до сих пор изучены недостаточно. Отставание в изучении горения объясняется его сложностью. При горении приходится иметь дело с химическими реакциями, протекающими одновременно с процессами аэродинамики и диффузии, с тепло- и массообменом. Поэтому исследования в области горения ведутся в настоящее время во многих институтах, лабораториях и на промышленных предприятиях. Особое значение приобрели в последние десятилетия исследования горения мазута (последний остаток от перегонки нефти). Поэтому для наиболее рационального их использования необходимо правильно применять законы, управляющие горением.

Отечественной науке и технике принадлежит заслуга в решении проблем сжигания жидкого топлива в топках котлов. Так, способ сжигания жидкого топлива распылением был впервые предложен в 1865 г. А.И. Шпаковским. В конце XX в. коллектив инженеров Тентелевского завода создал первую форсунку с механическим распылом жидкого топлива.

Следует отметить, что серьезный вклад в совершенствование паровых котлов на жидком топливе внес прославленный адмирал Русского флота С.О. Макаров. Он предложил использовать в качестве топлива для паровых котлов остатки нефтяной перегонки - мазут. В результате именно русский флот первым стал использовать жидкое топливо в котельных агрегатах.

Реферат посвящён рассмотрению дальнейшего развития способов сжигания мазута и аппаратуры, используемой для этого. С каждым годом качество процессов переработки нефти повышается, то есть всё большее количество легко сгорающих составляющих удаляется из остатка (мазута). Качество мазута ухудшается, а экономические и экологические требования к процессу горения топлива в котлоагрегатах ужесточаются. Эти противоположные тенденции учёные и промышленники пытаются решить различными способами. Как проходили эти исследования и разработки в зависимости от требований времени? Какие перспективы у мазута, как топлива в будущем? Этим вопросам посвящена тема реферата.

1. Теоретические основы горения

В настоящее время горение является основным источником энергии. Отметим, что более 85% потребляемой энергии в мире имеет своим источником горение, большинство современных технологий основано на использовании горения. Количественное описание этого явления представляет не только чисто научный интерес, но также имеет большое практическое значение. Изучение огня началось в каменном веке как практическая проблема для первобытного человека.

По данным археологии, люди начали пользоваться огнем для обогрева и приготовления пищи 600 тысяч лет назад, а научились получать огонь - 30 тысяч лет назад. Порох был изобретен в Китае, а также использовался в Японии более трех тысяч лет назад. Огню отводилось значительное место в ранних мифах и легендах, например, в греческом мифе о Прометее, похитившем огонь у богов и отдавшем его людям.

Первые научные представления относительно пламени были сформулированы, по-видимому, греческим философом Гераклитом, считавшим, что огонь является одним из основных веществ. Из первых теорий, пытавшихся объяснить сущность процесса горения, следует отметить теорию флогистона. Эта теория сыграла известную роль в развитии химии и, в частности, в изучении процесса горения. Она появилась в XVII веке в связи с развитием металлургии.

По этой химической теории все вещества, способные гореть, содержат особое вещество - флогистон, которое выделяется при горении (флогистон - по-гречески «горючий» - флогистос). Процесс горения по этой теории заключается в разложении вещества на флогистон и остаток - землю. Считалось, что в углероде, сере, водороде содержится больше флогистона, чем в металлах. Однако ряд явлений, сопровождающих процесс горения, эта ошибочная теория объяснить не могла. Выделить чистый флогистон и изучить его, разумеется, также не удалось. Поэтому теория флогистона из фактора прогресса в развитии химии превратилась в его тормоз. Большинство химиков того времени придерживались теории флогистона. Английский ученый Роберт Бойль считал, что при нагревании металлов «огненная материя» соединяется с металлами и превращает их в окалину. Так как вес окалины больше веса металла, из которого она получена, то, по мнению Бойля, флогистон имеет вес.

Впервые теорию флогистона опроверг великий русский ученый М.В. Ломоносов (1711-1765 гг.). Он провел большое количество опытов с прокаливанием свинца и олова в открытых и запаянных сосудах. В этих опытах проводилось взвешивание вещества до и после прокаливания. При этом было показано, что металлы при прокаливании соединяются с воздухом и увеличиваются в весе. Прокаливая металл в запаянном сосуде, М.В. Ломоносов нашел, что хотя на металле и образуется окалина, но общий вес сосуда с металлом остается неизменным. Ломоносов М.В. показал, что флогистон не проникает сквозь стекло запаянного сосуда, а окалина образуется за счет присоединения к металлу воздуха, находящегося в сосуде. Своими опытами Ломоносов М.В. выявил не только сущность процесса горения, но и установил основной закон современной химии - закон сохранения массы вещества (1756г.), который описал в диссертации «Рассуждении о твердости и жидкости тел» (1760). Позднее, в 1773г. Лавуазье повторил опыты М.В. Ломоносова и показал, что только часть воздуха соединяется с металлом, причем эта часть содержит ~ 20% от объема воздуха, то есть составляет долю кислорода в воздухе. Среди ученых, живших и работавших до начала XX века, наибольший вклад в развитие науки о горении внесли П. Бертело, Р. Бунзен, Р. Бэкон, А. Лавуазье, М.В. Ломоносов, В.А. Михельсон, М. Фарадей, С. Чепмен и другие.

В ХХ веке наука о горении и основанные на ней технологии стали быстро развиваться. В 1926г. американский инженер Р. Годдард разработал, испытал и получил патент на первую ракету с жидким топливом. Примерно в это же время в СССР Ф.А. Цандер создал и испытал ракетные двигатели на жидком топливе. В 1932г. в Москве С.П. Королевым была создана группа специалистов по изучению реактивного движения - ГИРД. В августе 1933г. была запущена первая советская жидкостная ракета ГИРД-09, а в ноябре 1933г. - ГИРД-10. Эти работы были продолжены С.П. Королевым, В.П. Глушко и другими учеными уже после войны. В результате этих работ СССР стал пионером в освоении космоса. Бурными темпами наука о горении начала развиваться после Второй мировой войны.

Современная теория горения ведёт начало от работ Н. Н. Семёнова по тепловому взрыву, выполненных в 1920-е годы. В 1928 г. Н.Н. Семенов опубликовал работу «О критических условиях теплового взрыва», которая легла в основу современной теории горения. В этой работе Николай Николаевич, талантливый и тогда еще молодой ученый, впервые количественно рассмотрел тепловой баланс при протекании экзотермической реакции и нашел условия, при которых равновесие между тепловыделением в реакционном сосуде, то есть теплоприходом, и теплоотводом в окружающую среду. Н.Н. Семенов получил Нобелевскую премию по физике за открытие цепных разветвленных реакций, играющих определяющую роль в горении и взрыве. Н.Н. Семенов основал Институт химической физики АН СССР, который на протяжении многих лет занимает ведущее положение в области горения. Выдающимся ученым в области горения был академик Я.Б. Зельдович (трижды Герой Социалистического Труда). Вклад в науку о горении Я.Б. Зельдовича настолько велик, что мировое сообщество по горению учредило золотую медаль его имени за достижения в науке о горении, которая вручается каждые два года на Международных симпозиумах по горению [1].

На стыке химической кинетики и науки о горении плодотворно работали К.К. Андреев, А.Ф. Беляев, В.В. Воеводский, А.А. Ковальский, В.Н. Кондратьев, П.Ф. Похил, Д.А. Франк-Каменецкий, Ю.Б. Харитон и многие другие выдающиеся советские ученые. За рубежом наука о горении интенсивно развивается в США, где сложились крупные научные школы исследователей, возглавляемые Ф.А. Вильямсом, Т. Карманом, Б. Льюисом, А.К. Оппенгеймером, М. Саммерфильдом, Г. Эльбе. Из европейских ученых в области физики горения можно отметить М. Баррера, А.Г. Гейдона, Луиджи де Лука, Д.В. Сполдинга и других.

В 1931 г. в Ленинграде академиком Н.Н. Семеновым был создан научно-исследовательский институт химической физики, который вскоре перешел в систему Академии наук СССР и сделался ведущим институтом Советского Союза и сосредоточием крупного коллектива ученых. Этим коллективом в течение сравнительно небольшого периода времени (10-15лет) были проведены весьма важные работы в области изучения процессов воспламенения и горения газов и заложены основы теории значимых явлений горения: основы кинетики цепных реакций, теории теплового самовоспламенения, теории распространения нормального горения и др. Одним из создателей советской школы в науке о горении конденсированных систем является П.Ф. Похил. Его глубокие исследования механизма горения получили широкое признание в мировой науке и легли в основу многих работ по теории горения конденсированных систем. Большой вклад в изучение механизма и закономерностей горения конденсированных систем внесли А.Ф. Беляев, К.К. Андреев, О.И. Лейпунский и др. Широко известны работы академика В.Н. Кондратьева в области спектроскопического исследования газовых химических реакций и работы члена-корреспондента АН СССР Я.Б. Зельдовича по теории распространения пламени. Систематические работы по исследованию нормального горения и явлений воспламенения были начаты в этот же период и развивались кафедрой молекулярных и тепловых явлений физического факультета МГУ, руководимой членом-корреспондентом АН СССР А.С. Предводителевым. Значительный вклад в мировую науку по основным разделам газового горения был сделан учеными СССР, а созданная академиком Н.Н. Семеновым теория цепных реакций получила мировое признание и высокую оценку в виде присуждения ее автору Нобелевской премии.

Известен целый ряд крупных монографий, появившихся на протяжении последних лет. После первой крупной монографии У. Бона «Пламя и горение в газах» (1927), сыгравшей в свое время значительную роль в развитии исследований горения газов, вышли монографии Б. Льюиса и Г. Эльбе «Горение, пламя и взрывы в газах» (1938) и В. Иоста «Взрывы и горение в газах» (1939), систематизирующие и анализирующие под определенным углом зрения основные из накопленных к тому времени экспериментальных фактов. Обе эти монографии, переведенные в свое время на русский язык, достаточно хорошо известны российскому читателю. В 1951 г. появилась новая монография Льюиса и Эльбе под тем же названием, но капитальным образом переработанная и расширенная, освещающая ряд явлений горения, которые до тех пор теоретически были раскрыты мало. Весьма интересной и оригинальной представляется также монография А.Г. Гейдона «Спектроскопия и теория горений» (1948) и работа и X. Г. Вольфхарта, появившаяся в 1953 г. под очень кратким названием «Пламя». В ней рассматриваются вопросы действия механизма распространения пламени, диффузионные и неустойчивые пламя, излучение, температура и ионизация пламени, а также вопрос образования твердого углерода в пламени.

2. Физико-химические основы горения

Горение - это химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла и света. В зависимости от скорости протекания процесса горение может происходить в форме собственно горения и взрыва. Взрыв - это частный случай горения, протекающий мгновенно с кратковременным выделением значительного количества энергии и образованием сжатых газов, способных производить работу.

Для процесса горения необходимо иметь: наличие горючей среды, состоящей из горючего вещества и окислителя; источник воспламенения.

Чтобы возник процесс горения, горючая среда должна быть нагрета до определенной температуры при помощи источника воспламенения (пламя, искра электрического или механического происхождения, накаленные тела, тепловое проявление химической, электрической или механической энергий). После возникновения горения постоянным источником воспламенения является зона горения. Возникновение и продолжение горения возможны при определенном количественном соотношении горючего вещества и кислорода, а также при определенных температурах и запасе тепловой энергии источника воспламенения.

Наибольшая скорость стационарного горения наблюдается в чистом кислороде, наименьшая - при содержании в воздухе 14-15% кислорода. При меньшем содержании кислорода в воздухе горение большей части веществ прекращается.

Различают следующие виды горения:

полное - горение при достаточном количестве или избытке кислорода;

неполное - горение при недостатке кислорода.

При полном воздушном горении продуктами сгорания являются двуокись углерода (CО₂), вода (Н₂О), азот (N), сернистый ангидрид (SO₂), фосфорный ангидрид и другие продукты, не способные к дальнейшему горению.

При неполном горении обычно образуются едкие, ядовитые горючие и взрывоопасные продукты: окись углерода, спирты, кислоты, альдегиды.

Горючие вещества могут быть в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом, газообразном. Отдельные твердые вещества при нагревании плавятся и испаряются, другие - разлагаются и выделяют газообразные продукты и твердый остаток в виде угля и шлака, третьи не разлагаются и не плавятся.

В зависимости от агрегатного состояния горючих веществ горение может быть гомогенным и гетерогенным. При гомогенном горении исходные вещества (компоненты горючей смеси) находятся в одинаковом агрегатном состоянии - в виде газов.

Горение, при котором исходные вещества находятся в различных состояниях (например, твердое или жидкое горючее и окислитель), является гетерогенным. Различают бедные и богатые горючие смеси. К бедным смесям относятся смеси, содержащие в избытке, по сравнению со стехиометрическим соотношением компонентов, окислитель, а к богатым - содержащие в избытке горючее. Смесями стехиометрического состава называются горючие смеси, которые по своему составу (соотношение компонентов горючего и окислителя) отвечают уравнению химической реакции, а при их сгорании ни один из исходных компонентов не остается в избытке в продуктах реакции.

Известно, что чаще всего горение происходит в атмосфере воздуха, содержащего по объему 21 % кислорода, 78 % азота и 0,9 аргона. Так как аргон и азот в процессе горения органических веществ не принимают участия, то состав воздуха для простоты расчетов принимают 21% кислорода и 79% азота, т. е. на один объем кислорода в воздухе приходится 79/21 = 3,76 объема азота или на каждую молекулу кислорода приходится 3,76 молекулы азота.

Сущность тепловой теории самовоспламенения заключается в том, что определяющим условием возникновения процесса горения является превышение скорости выделения тепла химической реакции над скоростью отвода его в окружающую среду.

Представление о том, что ускорение реакции в газовой смеси может быть обусловлено преобладанием скорости тепловыделения над скоростью теплоотвода, было высказано Вант-Гоффом в 1840 г., а количественная теория теплового самовоспламенения разработана в 1928 г. Н.Н. Семеновым. В общем виде тепловая теория относится не только к процессам самовоспламенения, но и к зажиганию горючих газовых смесей и ко всем видам распространения пламени. Основной идеей тепловой теории является представление о наличии обратной связи между химической реакцией и выделяемым ею теплом.

В горючей смеси, состоящей из горючего вещества и окислителя, реакция всегда протекает по определенным кинетическим законам. Скорость этой реакции возрастает с увеличением температуры по закону Аррениуса (шведский ученый, 1889 г.):

щ = k c^v e^(Е/RT),

где k - постоянная (const) скорости горения;

С - концентрация окислителя;

v - стехиометрический коэффициент;

Е - энергия активации, требуемая для такого ослабления внутримолекулярных связей, чтобы началась реакция;

Т - абсолютная температура, К;

R - газовая постоянная.

Входящая в это уравнение энергия активации Е представляет собой энергию, необходимую для внутренней перестройки молекул, вступающих в реакцию. Для сложных химических реакций, к которым относят все химические превращения в процессах горения, зависимость скорости реакции от температуры определяется либо энергией активации самой медленно протекающей реакции, либо сочетанием значений энергии активации отдельных элементарных стадий.

В ходе протекания экзотермического превращения выделяется какое-то количество теплоты q₁, пропорциональное скорости реакции и при этом вещество разогревается. В зависимости от интенсивности химической реакции и условий теплообмена с внешней средой возможны следующие варианты развития этого процесса:

1. Если развитие процесса идет медленно и, следовательно, скорость тепловыделений невелика, то стенки реакционного сосуда успевают выделяющееся тепло отводить в окружающую среду. В этом случае при температуре t, не намного превышающей температуру окружающей среды, устанавливается тепловое равновесие между реагирующей системой и окружающей средой, при котором q₁ = q₂ (q₂ - это количество тепла, отводимое через стенки в окружающую среду);

2. Если начальная температура реагирующей системы достаточно высока и выделяющееся тепло не успевает отводиться в окружающую среду, то всегда q₁ > q₂. В этих условиях наблюдается процесс быстрого повышения температуры реагирующей системы, заканчивающийся появлением пламени. Такой процесс мы и воспринимаем как самовоспламенение или взрыв.

Обозначив тепловой эффект реакции через Q для скорости тепловыделения при превращении горючей смеси, получим следующее выражение:

q₁= Q k c^v e^(-Е/RT).

Тепло, выделяющееся при реакции, расходуется на нагрев смеси и на теплопотери через стенки реакционного сосуда в окружающую среду и изменяется экспоненциально.

Считая, что теплопередача от реагирующей системы к стенкам сосуда осуществляется только теплопроводностью, при которой отсутствуют конвекционные потоки и турбулентный перенос, то есть линейно, получаем выражение:

q₂= б S(T?T₀),

где б - коэффициент теплопередачи от реагирующей системы к стенкам сосуда, Дж · К-¹ · С-¹ · см²;

S - площадь поверхности стенок сосуда, см²;

Т - температура смеси, К;

Т₀ - температура стенок сосуда, К.

Графическая иллюстрация изложенных закономерностей теплового режима экзотермической реакции газовой смеси при заданном давлении приведена на рисунке 1[2].

Рисунок 1. Тепловой взрыв по Н.Н. Семенову: 1-3 - прямые теплоотвода; 4 - кривая тепловыделения; Т₀' - температура стенки сосуда, заполненного газовой смесью; Т₀ - температура газовой смеси в сосуде.

Из рисунка 1 видно, что при Т = Т₀' скорость выделения теплоты небольшая, поэтому реагирующий газ начинает нагреваться. При температуре Т₀' тепловыделение выше теплоотвода до Т < Т₁', а газовая смесь нагревается до температуры Т₁'. Величины q₁ и q₂ становятся равными. Вследствие этого температура реагирующей системы становится постоянной, а состояние системы - устойчивым.

Если в результате воздействия каких-либо причин температура реагирующей системы несколько превысит температуру T₁, то теплоотвод окажется больше тепловыделения, излишек тепла будет передан через стенки в окружающую среду и система возвратится в равновесное состояние.

Подобным же образом реагирующая система, искусственно охлажденная ниже температуры T₁', нагреется за счет тепла протекающей реакции.

При повышении начальной температуры реакционного сосуда тепловыделение по-прежнему будет описываться кривой 1, а прямая теплоотвода переместится вправо параллельно самой себе. При начальной температуре T₀'' вся кривая тепловыделения располагается выше прямой теплоотвода 3, которая соответствует температуре Т₀''. При таких условиях температура реагирующей системы, а вместе с ней и скорость реакции будут прогрессивно увеличиваться.

Явление перехода от медленно протекающей реакции, сопровождаемой незначительным разогревом, к прогрессивно ускоряющемуся выгоранию смеси и представляет собой тепловое самовоспламенение, или тепловой взрыв.

Начальная температура Т₀, для которой прямая теплоотвода 2, есть касательная к кривой тепловыделения (точка А на рисунке 1), является предельной для перехода от режима стационарной реакции к тепловому самовоспламенению. Температура Т₀ является критической температурой самовоспламенения. Картина, аналогичная рассмотренной, получается в том случае, если условия теплообмена (то есть начальная температура реагирующей системы) остаются неизменными, а скорость реакции изменяется в результате изменения соотношения исходных компонентов или начального давления. Количественные соотношения, характеризующие тепловое самовоспламенение, могут быть представлены следующим образом.

Поскольку интерес представляет минимальная температура самовоспламенения Т_св, и учитывая, что Т₀ много меньше Е/2R получаем:

Т_св = Т₀+ R Т₀²/Е.

Анализируя полученное уравнение можно сделать вывод, что температура самовоспламенения незначительно отличается от начальной температуры стенок реакционного сосуда. Поэтому часто вместо Т_св используют Т₀ (при Е = 83,8кДж· моль-¹ и Т₀ = 1000К величина допускаемой ошибки не превышает 2%).

Величина RT₀²/E характеризует необходимый нагрев реагирующей смеси до температуры, при которой происходит нарушение теплового равновесия и следует тепловой взрыв.

Таким образом, условие теплового взрыва сводится к начальному саморазогреву смеси, превышающему некоторое критическое значение RT₀²/E.

Уравнение устанавливающее связь между составом смеси и критическими условиями самовоспламенения принимает вид:

k·Q·c^v·e^(-Е/RT) = б S Т_св²/Е

паровой котел жидкое топливо

3. Форсунки для сжигания жидкого топлива

Самое первое изобретение Шухова - это форсунка для распыления тяжёлых фракций нефти, прежде всего мазута претерпела не очень большие изменения. С 70-х годов XIX века мазут никак не мог конкурировать с керосином, который широко использовался в качестве топлива в осветительных и нагревательных приборах. Мазут не мог конкурировать из-за густой консистенции, и в жидком виде поджечь мазут довольно трудно. В «керосиновую эпоху» мазут, получаемый в процессе перегонки нефти, долгое время считался отходом и сливался в естественные водоёмы и специально вырытые пруды, где выжигался с поверхности. В 1866 году, как отмечалось ранее, русский инженер Александр Шпаковский предложил распылять жидкое топливо с помощью пульверизатора собственной конструкции, который он встроил в паровой котёл. В начале 70-х Шухов, тогда студент Императорского московского технического училища (ныне Московский государственный технический университет имени Баумана), предложил более простое и надёжное решение для распыления подогретого мазута - форсунку.

В конце 70-х брат Альфреда Нобеля Людвиг приобрёл у Шухова патент на производство форсунки и стал оснащать ими паровые котлы для привода паровых машин нефтяных танкеров. С этого момента благодаря форсунке Шухова мазут стал широко использоваться как судовое топливо для судовых котлов и затем как топливо для промышленных печей и котлов. Не случайно Дмитрий Менделеев, большой «энтузиаст мазута», увековечил изображение форсунки на обложке своей книги «Основы фабрично-заводской промышленности». Он хорошо понимал значение Шуховского изобретения. Конструкция форсунки оказалась столь удачной, что с некоторыми модификациями её используют до сих пор. Форсунки в системе впрыска современных автомобильных двигателей тоже родственники Шуховской форсунки.

В монографии А.И. Карабина 1965г. [3] подробно описаны устройства и процессы сжигание жидкого топлива (мазута) в промышленных установках, которые использовались в середине 20 века

При всем разнообразии типов горелок для сжигания мазута, отличающихся видом и параметрами энергоносителя для распыления, а также конструктивными особенностями, все горелки состоят из двух основных узлов - форсунки и воздухонаправляющего аппарата - регистра.

Форсунки должны обеспечивать возможно более тонкое дробление и равномерное распределение частиц топлива в зоне горения. Регистры (см. рисунок 2) служат для создания завихренного потока воздуха, подводимого с большой скоростью к корню факела, способствующего интенсивному смешению с частицами топлива и подогреву образовавшейся смеси топочными газами, которые подсасываются вращающимся полым конусом потока к корню факела и ускоряют подготовку и сгорание топлива. Закрутка потока воздуха осуществляется при помощи косых (поворотных или неподвижных) лопаток, размещаемых в кольцевом канале регистра. В результате подсоса топочных газов в центральную часть вращающегося полого конуса в центральной части потока возникает циркуляция высоконагретых продуктов сгорания, обеспечивающих устойчивое поджигание вновь образующейся горючей смеси вблизи устья горелки. Количество продуктов сгорания, возвращаемых к устью горелки, возрастает с усилением закрутки. Это дает возможность получить устойчивое и полное сгорание мазута в широком диапазоне изменения нагрузок горелки путем применения сильной закрутки воздушных потоков в регистрах.

Рисунок 2. Схема закрутки факела двухзонной мазутной горелки воздушным потоком; 1-мазут; 2 - пар; 3 - воздух для турбулизации факела; 4 - газ; 5 - паромеханическая мазутная форсунка; 6 - лопатки воздушного регистпа; 7 - воздух для горения; 8 - зона рециркуляции продуктов сгорания

В котельных установках небольшой производительности получили преимущественное распространение мазутные горелки: с механическими мазутными форсунками конструкции ЦККБ (рисунки 3 и 4); газомазутные типа ГМГ с паромеханическими мазутными форсунками конструкции ЦКТИ (рисунки 5 и 6); низконапорные типа НГМГ с воздушным распылением конструкции ЦКТИ; низконапорные типа ОЭН конструкции Оргэнергонефти; с паровыми форсунками конструкции ЦККБ (рисунок 7) и др.

В последнее время начинают применять также горелки с ротационными мазутными форсунками.

Наиболее экономичными в условиях работы под котлами небольшой производительности являются горелки с паромеханическими форсунками ЦКТИ (типов ГМГМ, ГМГБ) и с ротационными форсунками, обладающие требуемой в этих условиях глубиной регулирования в широком диапазоне изменения нагрузок при малой длине факела. Для котлов теплопроизводительностью более 6 Гкал/ч при небольшом диапазоне изменения нагрузок или при возможности выключения части горелок экономичными могут быть горелки с механическими форсунками (количественное регулирование).

Рисунок 3. Головка механической форсунки по ОСТ 108.836.03-80: 1- Накидная гайка; 2 - Распределитель; 3 - Завихритель.

Рисунок 4. Головка механической нормализованной форсунки по ОН-521: 1- Ствол; 2 - Накидная гайка; 3 - распределительная шайба; 4 - Диск камеры завихрения; 5 - сопловой диск.

Рисунок 5. Головка паромеханической форсунки: 1 - Сопло паровое; 2 - Гайка; 3 - Завихритель топливный; 4 - Прокладка; 5 - Распределительная шайба

Рисунок 6. Головка паромеханической форсунки горелки ГМГ-М: 1 - Накидная гайка; 2 - Распределительная шайба; 3 - Завихритель топливный; 4 - Завихритель паровой.

Рисунок 7. Головка нормализованной паромеханической форсунки по ОСТ 108.836.04-80: 1 - Топливное сопло; 2 - Распыливающая головка; 3 - насадок.

Ротационные форсунки

В ротационных форсунках дробление и подача мазута в топку проводится центробежными силами вращающего стакана с расширяющейся внутренней полостью под углом 5…6° и срезом на конце к наружной образующей под углом 30°. Стакан вращается электродвигателем или турбиной с частотой 4000…5000об./мин.

Такого типа форсунки стали разрабатывать в 30 годы 20 столетия. В это время было запатентовано ряд конструкций форсунок с роторным принципом [4…9].

В монографиях [10 и 11] авторы описывают конструкции и работу форсунок и в частности ротационных форсунок. Для примера рассмотрим ротационную форсунку газомазутной горелки РГМГ (рисунок 8).

Рисунок 8. Ротационная форсунка газомазутной горелки РГМГ:1 - электродвигатель; 2 - клиноременная передача; 3 - воздушник; 4 - маслоразбрыз-гивающее кольцо; 5 - корпус масляной ванны; 6 - топливоподающая труба; 7- полый вал; 8 - корпус; 9 - гайка- питатель; 10 - распыливающий стакан; 11 - завихритель первичного воздуха.

Все выше рассмотренные типы форсунок на процесс горения мазута воздействуют только при помощи распыления мазута и совместно с воздухонаправляющим устройством - на смесеобразование. Но возможности у них ограничены величиной давления мазута и распыливающего агента. При работе этих форсунок время горения топлива в топке будет зависеть от прогрева его капель и времени испарения их. Пределы регулирования этих форсунок за исключением ротационных небольшие (до 70%) из-за ухудшения качества распыливания при уменьшении расхода топлива, который уменьшается снижением давления. Для устранения этого недостатка были созданы двухконтурные форсунки (рисунок 9).

Рисунок 9. Схемы двухконтурных форсунок: а - однокамерные; б - двухкамерные; в - двухсопловые.



Для правильного ведения топочного процесса с использованием механических, паро- и воздухомеханических форсунок, отвечающего высокой экономичности сжигания мазута, необходимо:

поддерживать температуру и давление мазута после регулирующего клапана, давление воздуха и содержание трёхатомных газов RО₂ в продуктах сгорания за котлом в соответствии с указаниями режимной карты в зависимости от нагрузки котла; нормальное содержание RО₂ за котлом должно быть около 13% (RO_макс2=16,5%);

наблюдать систематически за процессом горения, обеспечивая светло-соломенно-желтый цвет и прозрачность факела при нормальной его длине, отсутствии темных полос в корне, «мушек» и дымных концов, слабо-серый цвет продуктов сгорания в устье дымовой трубы; недостаток воздуха проявляется в появлении темно-желтой окраски и удлинении факела с образованием дымных языков на его конце и потемнением продуктов сгорания в устье трубы, что является признаками химической неполноты сгорания; не допускать ослепляющее белого цвета факела и его чрезмерного укорачивания, свидетельствующих об избыточном количестве воздуха и возрастании потерь тепла с уходящими газами;

добиваться равномерного заполнения всей топочной камеры факелом, не допуская при этом касания его краев амбразур, ударного действия факела на экранные трубы и обмуровку, вылета в трубный пучок; удалять наросты кокса с амбразур;

поддерживать разрежение в верхней части топки в пределах 1--2 мм вод. ст.;

производить регулирование производительности горелок изменением давления мазута и воздуха (качественное регулирование), пользуясь режимными характеристиками горелок, которые должны быть построены при выполнении наладочных работ и приложены к режимной карте. При нагрузках менее 70% номинальной для улучшения распыления мазута в паромеханических форсунках подается пар с избыточным давлением 0,7--2кгс/см². Изменение нагрузки котлоагрегата рекомендуется производить регулированием производительности всех работающих горелок; необходимо осуществлять регулярный контроль за исправностью и правильностью действия устройств автоматики горения;

прочищать и своевременно заменять изношенные детали форсунок и регистров исправными, соблюдая точность их сборки и установки;

следить тщательно за уплотнением мест возможного присоса избыточного воздуха в топки для мазута и устранять эти присосы; проверять после монтажа и ремонта направление закрутки потоков первичного и вторичного воздуха, которое должно быть одинаковым; в рядом установленных горелках закрутка потока должна быть противоположной.

Отечественные учёные Блинов В.И., Худяков Г.Н. [12] разработали теорию диффузионное горение жидкостей, которая обосновывает горение капель жидкого топлива, получаемых при работе форсунок.

На рисунке 10 представлена схема, соответствующая диффузионному горению капли мазута. Теплота сгорания (см. рисунок 8) выделяется на поверхности горения с диаметром d_г. Часть его идет к поверхности капли и расходуется на испарение и нагрев пара до температуры в зоне горения T_г. Пары мазута с поверхности капли переносятся к зоне горения. К поверхности горения переносится с внешней поверхности приведенной пленки кислород. В зоне горения концентрации паров топлива и кислорода равны нулю. Соотношение же между поступающим к поверхности горения кислородом и парами топлива соответствует стехиометрии. Во внутренней части приведенной пленки между поверхностями горения и капли находятся лишь продукты реакции и пары топлива, а с наружной стороны - только окислитель и продукты горения.



Рисунок 10. Потоки теплоты и паров мазута и кислорода для диффузионного горения капли мазута по схеме приведенной пленки: d_г - диаметр зоны поверхности горения; T_г - температура в зоне горения; d_п - диаметр зоны поверхности продуктов горения (пограничного слоя); d - диаметр капли мазут

Размер капли и толщина приведенной пленки, расположение зоны горения изменяются по мере выгорания капли. Поэтому следует учесть нестационарность процесса в пограничном слое. Однако в большинстве расчетов принимается во внимание, что плотность горячего газа в приведенной пленке в несколько тысяч раз меньше плотности жидкости в капле. Поэтому считается, что в каждый данный момент времени процесс в пограничном слое происходит квазистационарно.

Для экономичного сжигания мазута прежде всего должны быть обеспечены его тонкое распыление, быстрый прогрев и интенсивное смесеобразование подготовленного топлива с воздухом.

Горение мазута является очень сложным комплексом физических и химических процессов. В составе горючей массы топочных мазутов содержится 85-87% углерода и 10-12% водорода, химически связанных в виде углеводородов.

В мазутной горелке и в топки для мазута протекают стадии распыления, подогрева и испарения, образования газовой фазы, смешения ее с воздухом, воспламенения и сгорания продуктов газовой фазы.

Началом образования горючей смеси является момент, когда отдельные молекулы жидкости после перехода в парообразное состояние, претерпев термическое разложение, начинают смешиваться с кислором воздуха. Однако для зажигания уже готовой горючей смеси необходимо еще одно важнейшее условие - прогрев ее до температуры, достаточной для воспламенения.

В процессе подогрева и термического разложения выделяются как простейшие, относительно легко сгорающие углеводороды, так и тяжелые высокомолекулярные углеводороды и твердый сажистый углерод. При неблагоприятных условиях - недостаточно тонкое распыление, неудовлетворительное смесеобразование из-за недостатка воздуха или неудачной организации его ввода, низкая температура, недостаточный объем топочной камеры - трудно сжигаемые тяжелые углеводороды уходят из топки несгоревшими, вызывая потери тепла от химической неполноты сгорания, а образующийся сажистый углерод, обусловливающий потери от механической неполноты сгорания, уносится из топочной камеры или остается в ней в виде коксовых наростов.

При надлежащем подборе и хорошем состоянии мазутных форсунок и регистров, правильном ведении топочного процесса на разных нагрузках, поддержании температуры (вязкости) мазута в рекомендуемых пределах топки для мазута эксплуатируют с малым избытком воздуха (б_т = 1,10-1,15) и при небольшой потере от химической неполноты сгорания q₃<0,5%.

Работа с малым избытком воздуха повышает экономичность котельного агрегата и за счет уменьшения потери тепла с уходящими газами, однако при этом необходимо учитывать различную степень влияния изменения б_т на потери q₃ и q₄ о чем говорилось выше.

Особенно важно достигнуть экономичного сжигания при малом избытке воздуха высокосернистых мазутов. Отсутствие в продуктах сгорания избыточного кислорода препятствует окислению SО₂ в SО₃ и образованию серной кислоты, корродирующей металл поверхностей нагрева котла.

Быстрота и полнота сгорания мазута находятся в прямой зависимости от размера капель, т. е. от тонкости распыления. Так, при диаметре капли 60-80 мкм длительность выгорания мазута составляет около 0,01 сек, при увеличении диаметра капли до 300-400 мкм, и длительность выгорания возрастает в 10 раз. Это объясняется тем, что скорость протекания всего процесса горения жидкого топлива в наибольшей степени зависит от скорости испарения, так как эта стадия самая медленная из всех стадий процесса. Поэтому прежде всего необходимо стремиться к увеличению скорости испарения, что достигается развитием поверхности испарения, т. е. улучшением тонкости распыления, которая улучшается при снижении вязкости мазута путем его подогрева и зависит также от конструктивного совершенства, точности изготовления, сборки и установки форсунки, а также ее эксплуатационного состояния в отношении износа.

По расчетным данным механическое распыление при давлении мазута 20 кгс/см² позволяет получить капли диаметром 400 мкм, при давлении 10 кгс/см² - диаметром 800мкм. Распыление воздухом при давлении 300 - 400мм вод. ст. - диаметром 120мкм. Распыление насыщенным паром при давлении 10 кгс/см² позволяет получить капли диаметром до 2мкм. Однако паровые форсунки, несмотря на наилучшие показатели распыления мазута, применяются все реже из-за недостатков, не компенсирующих преимущество хорошего распыления. К числу этих недостатков относятся большой расход пара на распыление, достигающий 0,3-0,5 массы сжигаемого мазута, потеря конденсата, повышение влажности продуктов сгорания, вызывающее коррозию хвостовых поверхностей нагрева, а также сильный шум, ухудшающий условия труда. Для котлов небольшой производительности дополнительным недостатком этих форсунок является то, что они дают длину факела в 4-5 м, не вписывающуюся в оптимальные размеры топки для мазута.

Замена мазутных форсунок парового распыления на экономичные паромеханнческие, низконапорные воздушного распыления, ротационные или механические форсунки является одним из важных мероприятий по экономии топлива.

Рекомендуемые величины условной вязкости мазута (ГОСТ 6258-62) для форсунок: механического или паромеханического распыления - 3-3,5° ВУ, низконапорных воздушного распыления - 5 ВУ парового распыления и ротационных - 6 ВУ.

Необходимая для снижения вязкости температура подогрева мазута, зависящая от его марки и типа форсунки, может быть определена по номограммам. На этих номограммах указаны также величины предельной вязкости мазута для форсунок разных типов. Сжигание мазута при вязкости выше рекомендуемой не должно допускаться из-за снижения экономичности.

Наряду с высокой вязкостью мазута причиной неудовлетворительной работы форсунок механического и паромеханического распыления могут быть также чрезмерный износ проточной части, низкое качество изготовления, неточная сборка и установка форсунки. Большие скорости мазута в проточной части перечисленных форсунок вызывают довольно быстрый эрозионный износ, увеличение проходных сечений, иногда асимметричное, что приводит к ухудшению распыления.

Условиями нормальной работы форсунок наряду с точностью изготовления, сборки и установки является их своевременный ремонт. Распределительную шайбу и завихритель изготовляют из легированной стали марки ХВГ (ГОСТ 5950-63), поверхности контакта шайбы и завихрителя шлифуют, качество распыления отремонтированной форсунки проверяют водой на стенде, который должен быть установлен в ремонтной мастерской. В котельной всегда должен находиться запасной комплект форсунок для возможности их быстрой замены.



4. Водомазутные эмульсии

Как отмечалось ранее качество и скорость горения капли мазута зависят от размера этих капель. Если качественно смешать мазут и воду (до 20%) перед подачей его в форсунки при помощи специальных устройств эмульгаторов и диспергаторов до состояния эмульсии, то капли воды, покрытые мазутной плёнкой в высоко подогретой атмосфере топки начнут взрывоподобно испарятся увеличиваясь в объёме в тысячу раз. Это приведёт к дополнительному дроблению мазутной плёнки. В.М. Иванов [13, 14] в 1959 году теоретически обосновал и экспериментально подтвердил положительный эффект от применения водомазутных эмульсий (ВМЭ). На рубеже 20 и 21 века в связи с ухудшением качества мазута в России интенсивно разрабатывались способы получения ВМЭ и устройства для их реализации [13, 14].

Автором в 2016 году получен патент [22] в котором в состав ВМЭ введена продувочная вода парового котла. Наличие а ВМЭ перегретой продувочной воды сокращает время её испарения после попадания капли в топку. Продувочная вода является щелочной средой, которая соединяясь окислами серы нейтрализует их. Уменьшение окислов серы в продуктах сгорания мазута позволяет уменьшить температуру уходящих газов и соответственно уменьшить самые большие потери тепла с уходящими газами. Ранее в 2012 году была запатентована форсунка на продувочной воде для водогрейных котлов [23].

Э.Р. Зверева в монографии [24] приводит исследования сжигания высокосернистого топочного мазута марки М100 Нижнекамского НПЗ с присадкой на основе обезвоженного карбонатного шлама водоподготовки Казанской ТЭЦ-1 и в виде ВМЭ на основе воды отстоя из мазутных цистерн. Автором проведён сравнительный анализ влияния концентрации воды в ВМЭ, из которого следует, что оптимальной по экономическим и экологическим показателям является концентрация воды в ВМЭ в пределах 16…18% (по массе).

Применение ВМЭ увеличивает скорость горения мазута в следствии более качественного распыления топлива и незначительного разложения паров воды с образованием атомарного водорода. Но это не затрагивает время испарения топлива, которое самое продолжительное после времени догорания коксового остатка.

5. Форсунки с предварительным испарением и газификацией мазута

Период подготовки мазута к непосредственному горению, а именно подогрев и испарение, занимают основное время в процессе горения. При работе котлов на современном низкого качества мазуте последний не успевает полностью выгореть в пространстве топки, рассчитанной на качественный мазут. Чтобы добиться в этих условиях качественного сгорания мазута, то есть увеличить скорость горения топлива в топке необходимо: применять сверх высокий подогрев мазута до температур испарения основных его компонентов; газифицировать мазут.

Авторы в [25…28] приводят схемы сверх высокого (до 400°С) подогрева мазута в трубчатых подогревателях установленных в топочном пространстве. Ограничением в подогреве является разложение мазута и образование коксового остатка. С образованием коксового остатка при высоких температурах успешно борются при переработке нефти и мазута при помощи добавления воды в нефть и мазут.

Нагрев мазута до таких температур проводят при его перегонке в трубчатых печах. Нагретый в трубчатой печи до 420°С мазут поступает в испарительное пространство вакуумной колонны (для котлов - это топочное пространство). Здесь благодаря резкому снижению давления происходит однократное испарение всех заданных фракций. На испарение затрачивается теплота мазута, поэтому температура мазута в испарительном пространстве на 20--30° ниже, чем при выходе из печи. Глубина отбора фракций от мазута в испарительном пространстве достигает 60…70% [29].

Как упоминалось выше качество мазута, как топлива, при современных методах переработки нефти становится всё хуже и хуже. Но количество котлов на нём работающих остаётся достаточно много, особенно их много в Мурманской области. Чтобы сжечь качественно такой мазут в существующих котлах необходимо самый длительный период в процессе сжигания (нагрев и испарение) проводить до подачи мазута в топку котла.

Наиболее совершенное сгорание сернистых мазутов при избытках воздуха, близких к единице, может быть достигнуто в циклонных камерах (рисунок 11), в которых обеспечивается хорошее смесеобразование распыленного мазута с воздухом. Благодаря центробежному эффекту закрученных потоков воздуха и газов обеспечивается интенсивное гopeние жидкого топлива без сажеобразования при малых коэффициентах избытка воздуха, б= 1,02…1,03 (даже при плохом распыливании мазута механическими форсунками). Интенсивность сжигания характеризуется высокими значениями тепловых напряжений объема и при скорости тангенциального ввода воздуха W_B = 10 м/сек составляет q=12…15МВт/м³.

Рисунок 11. Циклонная камера для сжигания мазута или природного газа: 1 - вход воды в левую часть; 2 - вход воды в правую часть; 3 - выход воды из левой части; 4 - выход воды из правой части; 5 - подвод воды; 6 - отвoд воды.



Циклонная камера по существу представляет собой полугазовую топку для мазута, в ней протекают газификационные процессы, и поэтому для дожигания газов по выходе из камеры используется рабочая камера печи или топочный объем котла. Глубина газификационных процессов зависит от подачи воздуха и величины подогрева. При подаче в циклон части воздуха, необходимого для горения, а только части, соответствующей коэффициенту расхода воздуха б=0,3…0,5, температура газа на выходе будет порядка 800…1250⁰C и теплота сгорания 5…10 МДж/м^З с содержанием сажистого углерода 3…6 г/м³. В этих условиях циклон футеруется изнутри огнеупорным кирпичом.

При подаче полного объёма воздуха, то есть при коэффициенте избытка воздуха б=1,02…1,03, и при использовании горячего воздуха в камере достигаются очень высокие температуры и огнеупорная футеровка оплавляется и выходит из строя. Поэтому устраивается водяное или испарительное охлаждение корпуса циклонной камеры, а внутренняя часть покрывается тонким слоем высокоогнеупорной обмазки, укрепленной на шипах из жаростойкого материала.

Эффективными средствами уменьшения сажеобразования являются (кроме средств, исключающих перечисленные выше причины) энергичная рециркуляция газов у корня факела, подогрев воздуха, идущего на сгорание, и высокое качество смесеобразования. На рисунке 12 [30] показаны принципиальные схемы рециркуляции тазов, обеспечивающей интенсивное газообразование у корня факела.

Рисунок 12. Принципы рециркуляции газов в горелках: 1 - форсунка; 2 - вентилятор из жаростойкой стали.



В печах применяются не только циклонные мазутные горелки с предварительной газификацией, но и другие, представляющие собою сочетание небольших камер сгорания с форсунками (рисунок 13). Газификаторы позволяют получать полугаз, состав которого и температура зависят от глубины газификации, определяемой подачей окислителя, смесеобразованием и циркуляцией газов. Полугаз сжигается в рабочей камере печи или котла без избытка воздуха, и для полного cгoрания ему требуются меньший объем камеры, чем при непосредственно сжигании мазута.