3. ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА КОТЛОВ

3.1 СЖИГАНИЕ ЖИДКИХ ТОПЛИВ В ТОПКЕ КОТЛА

Горение одиночной капли жидкого топлива. Горение факела распыленного жидкого топлива определяется движением и горением отдельных капель. Из рассмотренных основ теории горения следует, что для сгорания капли необходимо, чтобы топливо испарилось, пары его прошли термическую обработку (газифицировались) и смешались с окислителем, а образовавшаяся смесь прогрелась до температуры воспламенения. На все эти процессы необходимо время, которого может оказаться недостаточно для сгорания движущейся капли в пределах топки. Поэтому нужно знать закономерности протекающих при горении капли процессов.

Рис. 3.1. Принципиальная схема горения одиночной капли жидкости топлива.

Механизм выгорания капли жидкого топлива представляется следующим (рис. 3.1, а). При нагревании капли до температуры выше 100 0С начинают испаряться легкие фракции топлива, пары которых смешиваются с окружающим каплю воздухом, образуя горючую смесь. При температуре 150 - 200 "С смесь образует устойчивый сферический фронт пламени толщиной порядка 0,001 мм. Теплота, выделяющаяся в зоне горения, совместно с теплотой, подводимой к капле извне (конвекцией от горячих газов, излучением от горячей кирпичной кладки), повышает температуру ее до 300 - 400 "С, при которой начинается интенсивное испарение тяжелых углеводородов, . диффундирующих с поверхности капли к фронту пламени.

Снаружи из межкапельного пространства к фронту пламени диффундирует кислород воздуха. Образующиеся в зоне горения продукты реакции путем молекулярной диффузии отводятся в окружающее пространство и в зону между каплей и фронтом горения. Некоторая часть выделившейся в зоне горения теплоты Q1 за счет теплопроводности и излучения передается капле топлива, остальная теплота Q2 отводится с продуктами горения в окружающее пространство. Теплота Ql частично расходуется на прогрев и активацию (расщепление) паров углеводородов, движущихся к фронту горения, подготавливая их таким образом к реакции горения. Большая часть теплоты Q1 передается капле, поддерживая испарение топлива. Так как при испарении в капле остаются более тяжелые углеводороды, то ее температура кипения возрастает и создаются условия для коксования. Причина коксования заключается в том, что скорость испарения капли топлива меньше скорости термического разложения углеводородов, которое протекает на поверхности капли.

Так как при термическом разложении возникают летучие фракции (метан и т. п.) и твердый остаток (кокс) с большим содержанием углерода, то на поверхности капли образуется твердая оболочка и механизм горения капли приближается к механизму горения твердых угольных частиц.

Так представляется механизм выгорания одиночной капли со скоростью, равной скорости потока, в котором она находится. Для этой идеализированной схемы Г.А. Варшавским разработана диффузионная теория горения одиночной капли, основные положения которой достаточно хорошо

подтверждаются экспериментально. С ее помощью можно определить продолжительность выгорания капли в предположении, что лимитирующим процессом является испарение топлива.

В реальных условиях скорость капли не равна скорости потока. При наличии относительной скорости вокруг капли возникает гидродинамический пограничный слой, смещающий фронт горения относительно ее центра. При некоторой скорости в 'кормовой части капли происходит отрыв пограничного слоя, а в лобовой части его толщина достигает минимума и скорость горения капли резко возрастает (рис. 3.1,6).

Сжигание жидкого топлива в факеле. В топочных устройствах судовых котлов предусматривается раздельная подача распыленного топлива и воздуха в топку - струя топлива окружена потоком воздуха. Образующийся при этом факел (прямоточный, т. е. незакрученный) имеет следующее строение (рис. 3.2). На границе воздух -топливо образуется гетерогенная смесь, нагревающаяся за счет теплоты продуктов сгорания, которые увлекаются потоком смеси, и теплоты, излучаемой топочными газами и кирпичной кладкой. При нагревании с поверхности капель испаряются пары легких фракций топлива, образуют горючую смесь с воздухом и воспламеняются. Воспламенение начинается у корня потока в наружных слоях струи, температура которых близка к температуре топочных газов, распространяется к оси факела и достигает ее на некотором удалении от корня из-за того, что центральные струи за время распространения пламени успевают переместиться на какое-то расстояние. Зона воспламенения, таким образом, приобретает форму конуса.

Рис. 3.2. Идеализированный факел жидкого топлива. (WH – начальная скорость, WПОТ - скорость потока)

Горение основной части топлива происходит в зоне (фронте) горения 1, занимающей наружный слой факела небольшой толщины и делящей факел на две области: внутреннюю 2 и наружную 3. Во внутренней области протекают процессы испарения топлива, смесеобразования и активации молекул паров углеводородов (частичное окисление и расщепление). В наружной области происходит догорание высокомолекулярных углеводородов, сажи, кокса и неиспарившихся капель топлива. Качество горения определяется процессами, протекающими во внутренней области факела.

Процесс частичного окисления высокомолекулярных углеводородов положительно влияет на последующий процесс горения, так как при окислении выделяется теплота, повышающая температуру смеси, а частично окислившиеся углеводороды легче сгорают в зоне горения. Процесс термического расщепления углеводородов, протекающий в бедных кислородом центральных струях факела, нежелателен, так как при этом образуются трудносгораемые сажа и кокс, догорание которых обусловливает свечение факела.

Прямоточный факел здесь использован как удобная модель идеализации процессов, протекающих при факельном сжигании топлива. В практике эксплуатации котлов прямоточные факелы не используют, так как время выгорания топлива в них велико из-за малой степени турбулентности факела и низкой скорости прогрева топливно-воздушной смеси. Применяемые конструкции воздухонаправляющих устройств придают воздушному потоку вращательное движение, т. е. создают так называемый закрученный поток, что резко увеличивает относительные скорости движения воздуха и распыленного топлива и ускоряет процессы испарения капель, газификации паров

топлива и смесеобразования. Так как распыление топлива полидисперсное, то первыми прогреваются и воспламеняются самые мелкие капли, образуя фронт воспламенения. Средние и крупные капли продолжают движение и за счет выделившейся теплоты прогреваются и испаряются, пары углеводородов активируются (окисляются и расщепляются) и по мере готовности вступают в реакцию горения. Это, а также высокая степень турбулизации закрученного потока обусловливают размытость фронта горения, которое протекает практически во всем объеме факела.

Для обеспечения устойчивого зажигания факела и стабилизации фронта воспламенения к устью форсунки должен подаваться не весь воздух, а только часть его (примерно 10 - 20 %), называемая первичным воздухом. При подаче же всего воздуха к корню факела на подогрев и подготовку топлива потребуется значительное количество теплоты, что затянет процесс образования горючей смеси. Фронт воспламенения при этом отдалится от устья форсунки, что еще более ухудшит подогрев топлива и воздуха у корня факела и приведет к его отрыву (сдуванию). Поэтому количество первичного воздуха должно быть таким, чтобы обеспечить устойчивое сгорание мелких капель топлива и выделение необходимого количества теплоты для подготовки основной массы топлива и воздуха.

Рис. 3.3. Схема факельного сжигания жидкого топлива в топке котла.

Чтобы ограничить приток воздуха к устью форсунки, на ней устанавливают диффузор (рис. 3.3), положение которого относительно фурмы регулируют при наладке горения. Установка диффузора обусловливает создание вихревого движения за ним, что способствует притоку теплоты от фронта горения и интенсификации смесеобразования у корня факела. В свою очередь, при вращательном движении в центре вихревого потока создается разрежение, и горячие топочные газы с периферии движутся во внутреннюю часть вихря по направлению к корню факела.

Таким образом, повышение качества сгорания жидких теплив связано с интенсификацией испарения топлива и смесеобразования. Это достигается увеличением суммарной поверхности испарения путем тонкого (мелкодисперсного) распыления топлива и турбулизации потока смеси. Для полного сгорания топлива температура в факеле должна поддерживаться выше 1000 - 1050 "С, что обеспечивается соответствующей организацией теплоотвода в топке (основная роль при этом принадлежит экранированию) и предварительным подогревом топлива и воздуха.

3.2. КЛАССИФИКАЦИЯ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТОПОЧНЫХ УСТРОЙСТВ

Классификация. Топочное устройство судового котла представляет собой совокупность форсуночных устройств и топочной арматуры, обеспечивающих сжигание топлива в топке. Форсу-

ночное устройство (горелка) предназначено для образования горючей смеси и стабилизации процесса горения. Оно состоит из воздухонаправляющего устройства и форсунки. Воздухонаправляющее устройство служит для организации потока воздуха с целью обеспечить полное сгорание топлива в топке котла. Так как сгорание топлива происходит в топочной камере, то она является неотъемлемым элементом топочного устройства, и характеристики форсуночных устройств следует рассматривать с учетом этого.

Классификация топочных устройств определяется типом форсунок и компоновкой их совместно с топочной камерой.

По способу распыления мазута форсунки могут быть разделены на механические, паровые и комбинированные - паромеханические (вместо пара возможно применение воздуха).

Механические форсунки имеют две разновидности: обычную - с распылением мазута благодаря давлению, создаваемому топливным насосом, и с вращающимся распылителем.

В паровой форсунке топливо распыляется кинетической энергией парового потока, который имеет непосредственный контакт с движущейся струей мазута. Безвозвратная потеря довольно значительного количества пара, расходуемого на распыление мазута, исключает применение паровых форсунок на морских судах.

Паромеханические форсунки обеспечивают почти столь же высокое качество распыления мазута, как и обычные паровые форсунки, чем объясняется широкое их применение для главных и вспомогательных котлов.

Для обеспечения требуемой аэродинамики применяют два основных принципа расположения горелок: фронтовое и потолочное (верхнее). При фронтовом расположении форсунки размещают на торцовой стенке топки, которую называют иногда передним фронтом в отличие от другой, противоположной задней стенки (заднего фронта), на которой обычно нет форсунок. На некоторых специальных котлах применялось двухфронтовое расположение форсунок: так как они были установлены на обеих стенках, то назывались агрегатами с двухфронтовым отоплением.

Котлы морских судов имеют обычную компоновку форсунок на одном фронте. Имеются котлы с потолочным расположением форсунок в верхней части топочной камеры.

Рис. 3.4. Механическая форсунка с распылением под воздействием давления топлива (со сменными шайбами)

Конструктивные особенности в характеристики топочных устройств. В механической форсунке обычного типа (рис. 3.4) мазут по центральному каналу 4 в стволе 3 поступает к распыляющей головке 2 со сменными распиливающими элементами (шайбами 8), которая закрыта от прямого воздействия потока воздуха коническим диффузором 1. Далее мазут через тангенциальные каналы 9 направляется в вихревую камеру И, из которой закрученная струя входит в отверстие 10 распылителя, занимая периферийную часть кольцевого сечения. Из отверстия распылителя мазут вытекает в виде пленки, которая над действием сил инерции приобретает форму конуса и утоняется по мере удаления от устья форсунки. В момент, когда силы инерции превысят силы вязкости в тонкой пленке, происходит разрыв ее на отдельные капли, которые под действием сил поверхностного натяжения приобретают сферическую форму. Это так называемое первичное дробление топливной пленки. Двигаясь в воздушной среде с достаточно высокой относительной скоростью, капли испытывают воздействие сил трения. Если сила трения превышает силу поверхностного натяжения, то происходит дробление капли на более мелкие части. Именно это вторичное дробление и определяет дисперсный состав распыленного топлива.

Качественное сжигание мазута в топке судового котла достигается при размерах капель менее 150 - 200 мкм при среднем размере 50 - 70 мкм. Кроме того, степень совершенства форсунки оценивается по однородности распыления: чем больше капель, близких по размеру к среднему диаметру капли, тем качественнее процесс распыления.

Например, пусть при распылении получились капли только двух размеров: 50 и 300 мкм. Если допустить, что количество капель размером 50 мкм составило 95 % их общего количества, то по массе они будут составлять всего 10 %, остальное приходится на капли размером 300 мкм.

Важной характеристикой процесса распыления топлива является угол раскрытия конуса распыления, от которого зависят геометрические характеристики факела: при уменьшении угла раскрытия конуса факел удлиняется, что приводит к затягиванию горения и возрастанию потерь от химического недожога; при увеличении угла раскрытия конуса факел укорачивается, что способствует лучшей рециркуляции горячих топочных газов и интенсификации процессов подготовки смеси к сгоранию. Однако при малом поперечном сечении топки факел касается поверхностей труб и кирпичной кладки, что приводит к их коксованию и, следовательно, к неполному сгоранию топлива. Снижается также интенсивность горения вследствие прерывания цепной реакции на стенках.

Для судовых водотрубных котлов угол раскрытия конуса распыления обычно принимают равным 80 - 100 °, для огнетрубных и огневодотрубных котлов, имеющих небольшие топочные камеры, - до 60 - 80°. Угол раскрытия конуса распыления у механических форсунок зависит от отношения суммарной площади сечения всех тангенциальных канавок fК к площади сечения центрального отверстия f0. Чем меньше отношение fK/f0, тем больше силы инерции, действующие на пленку при выходе ее из устья форсунки, и тем больше угол раскрытия конуса распыления. Кроме того, чем больше силы инерции, тем выше скорость первичных капель и тем лучше вторичное их дробление. Отсюда следует, что угол раскрытия факела должен быть по возможности больше, но не более 100 - 110° при условии отсутствия касания факела труб и стен топки.

При смене шайбы во время эксплуатации ствол 3 вынимают (см. рис. 3.4), для чего пробку 6, перекрывающую топливный канал, устанавливают в требуемое положение вручную рычагом 7, который служит также ограничителем для рукоятки ствола 3 форсунки. Для предотвращения подтекания мазута из корпуса форсунки служит запорный шаровой клапан 5.

Подачу форсунки изменяют путем смены распыляющих шайб, имеющих разные размеры, а расход мазута для данного номера шайбы регулируют изменением давления в пределах 0,8 - 2,5МПа.

Качество распыления мазута в значительной степени зависит от состояния внутренних поверхностей тангенциальных канавок, вихревой камеры и центрального отверстия. Механическое изнашивание и загрязнение этих элементов шайбы ухудшают процесс распыления, поэтому шайбы изготовляют из высоколегированной хромо-никелевой стали. Во время эксплуатации их необходимо тщательно чистить, а износившиеся заменять.

Рассмотренные обычные механические форсунки имеют некоторые недостатки: узкий диапазон регулирования подачи изменением давления распыляемого мазута (в пределах 70 - 100 %) либо сменой распыляющих шайб (в пределах 20 - 100 %}, Это вызывает неудобства в эксплуатации

и снижает эффективность работы котла, особенно в условиях их полной автоматизации. Паромеханические (комбинированные) форсунки лишены этого недостатка, так как высокое

качество распыления в диапазоне регулирования 10 - 100 % достигается благодаря дополнительной энергии пара давлением около 0,15 МПа. При этом давление топлива перед форсунками может быть несколько снижено по сравнению с давлением в механических форсунках. Расход пара на распыление составляет всего 10 - 12 кг/ч на одну форсунку.

Рис. 3.5. Распыливающая шайба паромеханической форсунки.

Впаромеханической (рис. 3.5, а, б), как и в механической форсунке топливо под давлением подводится в .кольцевой канал 3, откуда через шесть тангенциальных каналов 9 распылителя 2 поступает в вихревую камеру 4, закручивается в ней и через центральное отверстие 5 в виде конусной пленки выходит в топку. В паровой части 1 распылителя имеется также кольцевая камера 6, куда по тангенциальным каналам 7 подается пар, закручивается в ней и по кольцевому зазору 8 выходит в топку у самого корня конусной пленки топлива, которая таким образом получает дополнительную энергию и распыляется на мелкие капли. Далее эти капли проходят вторичное дробление за счет сил сопротивления.

Впоследнее время в отечественных водотрубных котлах применяют паромеханические форсунки нормированной производительности. Ниже приведены ряды значений производительности

ВФ при вязкости 1,5 - 2,5 °ВУ и избыточном давлении мазута 2 МПа, а также расход распыляющего пара GПР при давлении 0,15 МПа.

ВФ, кг/ч	GПР кг/ч
100,110,125,140,160,180, 200, 220, 250….....		5
280,320, 350,400, 450,500...............................		7
560, 630, 710, 800, 900,1000..........................		10
1120,1250,1400,1600,1800, 2000..................		15

Каждая форсунка имеет свой индекс. Например, ФПМ140 - форсунка паромеханическая производительностью 140 кг/ч.

Воздухонаправляющее устройство с неподвижными лопатками, образующими тангенциальные каналы, широко применяют в отечественных котлах. В показанном .на рис. 3.6 устройстве установлены 24 неподвижные лопатки 2. Воздух из короба 9 поступает в тангенциальные каналы, а затем в виде завихренного потока подводится к фурме 1, где смешивается с распыленным мазутом. Воздухонаправляющие каналы перекрываются или открываются цилиндрическим шибером 3, перемещающимся автоматически серводвигателем (на рисунке не показан), с которым шибер соединен тягой 4. Главное достоинство этого ВНУ в том, что оно выполнено из простых по конструкции лопаток 2.

При выводе ствола форсунки из трубы 5 захлопка 8 предотвращает выброс горячего воздуха. Диффузор 10 перемещают вручную тягой 6, закрепленной стопором 7. На наружном фланце установлена асбестовая изоляция.

Размеры рассмотренных ВНУ нормализованы. Диаметр фурмы d. от которого зависят размеры других элементов, может иметь одно из следующих значений, м: 0,18; 0,22; 0,28; 0,36; 0,45; 0,56.

В некоторых котлах старой постройки использовалось воздухонаправляющее устройство с профильными поворотными лопатками, отличающееся сложностью конструкции и низкой надежностью. В зарубежных котлах возможно применение ВНУ, конструктивное исполнение которой

отличается от рассмотренного, однако основной принцип организации подвода воздуха - создание закрученного потока -остается неизменным в устройствах любых типов

Рис. 3.6. Воздухонаправляющее устройство с неподвижными лопатками.

Во вспомогательных котлах иногда используют механические форсунки с вращающимся распылителем (ротационные). Топливо в такой форсунке распыляется благодаря центробежной силе, создаваемой быстровращающимся распыляющим стаканом. Внутренняя (рабочая) поверхность стакана имеет некоторую конусность. Топливо к стакану поступает по центральному отверстию его вала и, растекаясь по рабочей поверхности стакана в виде тонкой пленки, под действием осевой составляющей центробежной силы движется к выходной кромке, срывается с нее и образует конус распыления, к основанию которого подводится первичный воздух (около 10 %), способствующий вторичному дроблению капель и образованию гомогенной топливовоздушной смеси. Давление топлива в такой форсунке намного ниже, чем в механической и паромеханической (возможна даже подача топлива самотеком, если расходная топливная цистерна расположена на достаточной высоте над форсункой).

Конструктивной особенностью ротационной форсунки является то, что она выполнена в виде единого агрегата, состоящего из воздухонаправляющего устройства, вентилятора первичного воздуха, электродвигателя.

У форсунки с вращающимся распылителем (рис. З.7) вал 9, на котором закреплены распыляющий стакан 13 и рабочее колесо 3 вентилятора первичного воздуха, приводится во вращение от электродвигателя 4 через ременную передачу 5. Мазут от топливного насоса подводится к головке 6 по гибкому шлангу 7, далее он поступает в канал 8, расположенный внутри вала 9.

К распыляющему стакану 13 мазут подводится через отверстия в цилиндрической части головки, которая имеет торцовый колпачок, закрывающий ее отверстия и канал 8 от прямого излучения из топки (для предотвращения коксования мазута). Вентилятор забирает воздух через патрубок id, в котором имеется регулирующая заслонка, и подает его по каналу 11 в кольцевую щель 12 с давлением, равным примерно 5 кПа.

Основное количество воздуха (около 90 %) подводится от другого вентилятора к воздухонаправляющему устройству 1, каналы которого открываются или закрываются регулирующим шибером 2.

Форсунки с вращающимся распылителем рассчитаны на весьма широкий диапазон подачи (2 - 3000 кг/ч), причем обеспечивают плавное ее изменение от минимальной до максимальной. При полном диапазоне регулирования форсунки (0 - 100 %) получают хорошее качество распыления мазута, поступающего к форсунке с низким давлением. Подачу регулируют изменением про-

ходного сечения топливного клапана (при постоянной частоте вращения распылителя).

Рис. 3.7. Механическая форсунка с вращающимся распылителем.

Недостатки форсунок с вращающимся распылителем обусловлены сложностью их конструкции. Кроме того, для надежной работы форсунок и их безопасного обслуживания требуется поддерживать разрежение в топке при всех нагрузках котла, так как в процессе эксплуатации необходимо извлекать форсунки из топки для осмотра, очистки или ремонта. В этих условиях разрежение в топке исключает выброс пламени: амбразуру для распыливающего стакана во время его очистки закрывают стальным щитком, который прижимается к амбразуре вследствие разности давлений в машинном отделении и топке. Форсунки, особенно при подводе мазута внутри вала, работают с повышенным шумом. Отмеченные недостатки ротационных форсунок препятствуют их широкому использованию.

Современные вспомогательные котлы дизельных судов, построенных за рубежом, часто оборудуют топочными устройствами типа "Монарх" (рис. 3.8).

Топочное устройство представляет собой агрегат, который состоит из двух распыливающих сопел 6: основного (рабочего) и так называемого дежурного (запасного), скомпонованных в одной головке. Топливный насос 10 и вентилятор 1 смонтированы на одном валу, приводимом во вращение электродвигателем 2. Топливо из расходной цистерны поступает самотеком по приемной трубе 9 к насосу 10, затем направляется по напорной линии в электрический подогреватель и далее к электромагнитным клапанам 7 и 8, от которых по трубам подводится к соответствующим соплам, расположенным в распыливающей головке. Топочное устройство является элементом системы автоматического регулирования котла по давлению пара. Подачу регулируют либо отключением сопел, либо сливом части топлива в приемную часть насоса 10. Форсунка снабжена электрозапальным устройством 3. Топливо зажигается от вольтовой дуги, которая образуется электродами 5, Если зажигание форсунки не произошло, наличие фотоэлементов обеспечивает прекращение по-

дачи топлива и включение световой сигнализации. Головка и другие внутренние части топочного устройства, размещенные в корпусе 4, защищены от лучистого воздействия из топки щитком и отражательным диском.

Рис. 3.8. Топочное устройство типа «Монарх»

В заключение отметим, что основными характеристиками технического совершенства топочных устройств являются коэффициент избытка воздуха и аэродинамическое сопротивление ВНУ. Обе характеристики зависят от теплового напряжения топочной камеры и принципа расположения горелок -фронтового, двухфронтового или потолочного.

З.3. СЖИГАНИЕ ВОДОТОПЛИВНЫХ ЭМУЛЬСИЙ.

Интенсификация процесса сгорания топлива. Необходимость экономии энергетических ре-

сурсов делает все более актуальной проблему эффективного использования тяжелых жидких топлив в СЭУ (и в первую очередь - в котлах). Однако сжигание тяжелого жидкого топлива в топках котлов с использованием традиционных методов и оборудования приводит к неполному выгоранию топлива и, как следствие, к усилению загрязнения поверхностей нагрева. Обусловлено это тем, что в малых по объему топках судовых котлов крупные частицы тяжелого жидкого топлива не успевают полностью сгореть. Например, время, необходимое для полного сгорания капли топлива размером 0,3 - 0,5 мм, составляет 0,5 - 1 с, а фактическое время нахождения этой капли в топке не превышает 0,2 - 0,3 с.

Известны следующие методы и средства интенсификации процесса сгорания тяжелых топлив: создание мономассы топлива путем гомогенизации (от "гомогенный - однородный"); организация процессов образования топливовоздушной смеси до поступления в камеру сгорания; применение новых типов горелок и предварительный подогрев воздуха до температур, превышающих темпе-

ратуру горячего топлива; использование водотопливных эмульсий вместо чистого топлива.

Из-за дороговизны оборудования и незначительной эффективности гомогенизация топлива, а также организация процессов образования топливовоздушной смеси до поступления в камеру сгорания применительно к котлам нецелесообразны.

Применение горелок новых типов обычно требует дополнительных капиталовложений и серьезных исследований. В то же время используемые форсунки и воздухонаправляющие устройства обеспечивают качественное сгорание стандартных топлив. Эти обстоятельства не стимулируют поиска новых конструктивных решений при проектировании горелок.

Применение ВТЭ. Таким образом, в настоящее время перспективным является использование водотопливных эмульсий вместо чистого топлива. Обусловлено это следующим. Известно, что содержание воды в реальных жидких топливах обычно превышает стандартные требования и составляет 3 - 5 % и более. В тяжелых топливах вода располагается либо слоями, либо локальными крупными включениями. Отстой таких топлив неэффективен, так как плотности собственно топлива и воды примерно одинаковы. Кроме того, асфальтены, являясь природными ПАВ, создают в топливе устойчивые крупноглобульные включения воды. Поэтому необходима специальная подготовка обводненного топлива с целью равномерного распределения воды в мелкодисперсном состоянии по всему объему топлива.

При такой подготовке топлива сжигание водотопливной эмульсии сопровождается положительными эффектами: полным сгоранием при более низких избытках воздуха, экономией чистого топлива, резким снижением интенсивности загрязнения и заметным уменьшением вредных выбросов (СО, сажи, SO2, окислов азота и др.) в атмосферу. Это объясняется следующим.

Во-первых, в сухой газообразной среде скорость испарения распыленных капель топлива существенно меньше, чем при наличии в ней паров воды.

Во-вторых, наличие микрокапель воды в каплях ВТЭ приводит при нагревании к дополнительному дроблению последних благодаря энергии "микровзрывов", являющихся следствием того, что температура кипения воды значительно ниже температуры кипения топлива. Увеличение суммарной площади фронта горения резко ускоряет процесс выгорания топлива и способствует уменьшению концентрации СО и сажи в продуктах сгорания.

В-третьих, наличие паров воды в продуктах сгорания заметно ускоряет процесс догорания окиси углерода и тяжелых углеводородов. Предполагают, что пары воды, активированные вследствие их нагревания в факеле, являются не только активными центрами начала цепных реакций, но и участвуют в развитии этих реакций.

В-четвертых, повышенное содержание паров воды в продуктах сгорания вызывает снижение температуры горения, что приводит к уменьшению выбросов в атмосферу на 30 - 40 % окислов азота и более чем на 50 % СО и сажи.

Рис. 3.9. Зависимости тепловых потерь от влагосодержания топлива.

Перечисленные особенности физико-химических процессов, протекающих в топке при сжигании ВТЭ, обусловливают снижение тепловых потерь от химического q3 до механического q4 недожога, а также уменьшение потерь с уходящими газами q2 вследствие снижения коэффициента избытка воздуха. В результате возможна (при правильной организации процесса сжигания ВТЭ) экономия топлива до 5 %.

По результатам многочисленных исследований построены усредненные графики зависимостей q2, q3, q4 от процентного содержания воды в топливе (обводненности топлива). Как следует из графиков (рис. 3.9), оптимальное содержание воды WP, %, в топливе колеблется в широких пределах (6 - 20 %). Значительный разброс объясняется различными способами подготовки водотопливных эмульсий, использованием топлив различного качества, применением разных методов проведения испытаний и обработки результатов. На практике следует, вероятно, ориентироваться на WP = 10 - 12 %, но в каждом конкретном случае оптимальное значение WP целесообразно определять по результатам наладочных испытаний.

Способы получения ВТЭ. Несмотря на то что исследования по сжиганию водотопливных эмульсий ведутся уже давно, этот метод интенсификации сжигания тяжелых топлив в судовых котлах еще не получил широкого распространения. Причин такого положения несколько, однако главной из них является существовавший способ ведения народного хозяйства. Следует ожидать, что происходящие в экономике перемены откроют дорогу этому методу на суда морского флота. При этом понадобится выбор одной из двух технологий подготовки водотопливных эмульсий к сжиганию, каждая из которых предполагает использование специфического оборудования для диспергирования воды в топливе (от латинского dispersio - рассеяние):

-предварительная подготовка эмульсии, ее стабилизация и хранение в отдельной емкости до возникновения потребности в сжигании;

-подготовка эмульсии непосредственно в потоке чистого топлива перед подачей в топку. Водотопливная эмульсия представляет собой однородную смесь воды и топлива, в которой то-

пливо является основной фазой (дисперсионная среда), а вода присутствует в виде отдельных капель (дисперсная фаза), окруженных топливом. На основе исследований установлено, что размеры капель воды в эмульсии не должны превышать 10 - 20 мкм.

В зависимости от вида силового воздействия на глобулы воды и другие примеси в топливе различают следующие методы диспергирования: механический, барботажный, гидродинамический, ультразвуковой и кавитационный. Конструктивно эти методы реализуются либо в роторных диспергаторах (шестеренных, центробежных, специальных), либо в диспергаторах с неподвижными рабочими органами (струйных, щелевых, сопловых, клапанных и т. п.). Диспергирование воды в них осуществляется вследствие передачи энергии к жидкости извне либо преобразования энергии самой жидкости.

Механические смесители (лопастные мешалки) и барботаж обводненного топлива паром или сжатым воздухом дают грубодисперсные (диаметр капли воды более 60 мкм) ВТЭ и непригодны для топливных систем котлов.

Роторные гидродинамические и кавитационные диспергаторы могут обеспечить требуемую дисперсность воды в эмульсии, но они рассчитаны на большую производительность, что экономически нецелесообразно для вспомогательных КУ. Для главных котельных установок, где более выгодна технология предварительной подготовки эмульсии, роторные диспергаторы предпочтительнее.

Диспергирование с помощью ультразвуковых устройств позволяет получить размеры капель воды менее 10 мкм, но имеет существенные недостатки, ограничивающие его применение на судах.

Впоследнее время инж. В.М. Суменковым разработаны диспергаторы с неподвижными рабочими органами, в которых использованы гидродинамический и кавитационный принципы диспергирования. Отличительным признаком такого устройства является то, что оно имеет небольшие размеры, обеспечивает высокую дисперсность (< 10 мкм) капель воды в эмульсии при подготовке

еенепосредственно в потоке чистого топлива перед подачей в топку и может быть изготовлено на любую производительность, что исключительно важно для вспомогательных котельных установок. Подробное описание конструкций и технические характеристики диспергаторов различных типов можно найти в специальной литературе и патентах.

Взаключение отметим, что опыт сжигания ВТЭ в топках судовых котлов на нескольких судах дает весьма обнадеживающие результаты как в экономическом, так и в экологическом аспектах.

Контрольные вопросы и задания

1.Пояснить механизм выгорания одиночной капли жидкого топлива.

2.Раскрыть сущность процесса сжигания топлива в факеле.

3.Каковы назначение первичного и вторичного воздуха при сжигании топлива в факеле?

4.Какие типы топочных устройств используют в судовых котлах?

5.В чей заключается принцип действия механических форсунок (с неподвижным и вращающимся распылителями)?

6.Раскрыть механизм распыления жидкого топлива (первичное и вторичное дробление).

7.Перечистить положительные эффекты, сопровождающие сжигание водотопливных эмульсий.