Prędkość wypływu substratów z palnika a jakość płomienia gazowego

Seria: E N E R G E T Y K A z. 68 \‘' kol, 567

Kr y st ia n '.VILK

Instytut Te ch n ik i Cieplnej

P R ę O KO ŚĆ W Y P Ł Y W U S U BS TR A T Ó W Z PALNIKA a o a k o ś ć p ł o m i e n i a g a z o w e g o

St r e s z c z e n i e . W pracy analiz o wa no w pł yń prę ¡kości wy. J y«u subutra- tów s palania na jakość płomienia gazowego. Zapropon ow a ne pewną no?,1.' wielkość, z a w i er aj ąc ą s kładowe prędkości su bs tr a tó w i i > zykładacr:

w y k a za no jej p raktyczną pr zydatność do o pr acowania wynik ti bada:..

1. Wstęp

W piecach prz em ys ło w yc h stosuje się najczęściej d yf u zyjne scalanie pa­

liw gazowych. Polega ono na oddzielnym do pr ow a dz en iu paliwa gizruego i p o ­ wietrza do k omory spalania, za pomocą odpow ie d ni o z a p r o j e k to wa ne g o p a l n i ­ ka. Strugi su bs t r a t ó w po op uszczeniu palnika najp ie rw m iesz .ją cię ze s o ­ bą, a n as tępnie odbywa się spalanie. S z ybkość procesu spalania, wartość i rozkład tempe ra tu ry w płomieniu, stopień wypalenia, a zatem ws zy st k o co składa się na poję ci e jakości płomienia, zale ży w d ec ydującym stopniu oi in t en sy wn o śc i procesu m ie szania substratów. Na intensywność mieszania pa­

liwa ga zowego z p ow i et r z e m w pływają takie pararoetry,jak prędkości wypł yw u s u b s t r a t ó w z palnika, z aw ir ow a ni e strug oraz kąt, pod którym strugi s p o t y ­ kają się. O d p o w i e d n i e wa rt oś ci w y mi e ni on yc h p ar am e tr ów zapewnia w łaściwa kons tr uk c ja palnika. Poniżej podano p rz y kł ad y zależn oś ci prędkości w y p ł y ­ w u s ub st r a t ó w od sto s un ku obciążenia PVV^ do o bciążenia nomi na ln e go fP"^, i cech k o ns t ru kc yj n yc h palnika. W i e lk o ść P oznacza strumień poliwa gazo­

wego, a iV . jego w a r t oś ć opałową.

Na rys. 1 pr z ed s t a w i o n o o bl iczone wart oś ci sk ł ad ow yc h [indeks: x - osie­

wa, r - promieniowa, ip - st yczna) prędkości wypły wu gazu i powietrza (iYp ) z palnika 2 0 / 40 z typu Biprohut o moc y 38 ktV, w kt órym wy p ły w a j ą c a centra ln i e riiezawirowana struga gazu otoczona jest strugą powietrza z a w i ­ rowaną i skier ow a ną pod kątem ok. 25° w z g l ę d e m osi.

Paln ik i typu Bi prohut o większej mocy posiadają m oż liwość zmiany p r ę d ­ kości w y p ł yw u gazu z d y sz y za pomocą grzybka regulacyjnego. Na rys.2 po­

dano przy kł ad o wo o bl iczone składowe prędkości wyp ły wu s ub s tr at ów z p al n i­

ka 6 5 / 12 5 Z dla dwóch wa rt oś c i [1,00 i 0,25) stopnia otwarcia dyszy gazo­

wej. Stopień otwarcia dyszy gazowej jest s to su n ki em pola A^ przekroju d y ­ szy gazowej do jego w a r t oś ci maksymalnej A^ [6] . VI obydwu przypadkach (rys. 1 i 2 prędkość strug i powietrza jest wię ks z. d prędkości strugi

172 K. Wilk

0

0

Rys. 1. Prę d ko śc i s ub s tr a t ó w w funkcji obciężenia w palniku 20/40 z typu Biprohut

Rys. 2, Pr ęd ko ś ci s u b s t r a t ó w w funkcji o bciążania w palniki- 65/125Z typu Biprohut

Rys. 3.

Rys.

W

40

m/s

30

20

10

-10

-20

\

\wr

\ w

\

\

\

\

“ V \ »V

A

\

12

/ I

■-'i /

.

X .

/

. i

r s.

'—

.

/

i i i

f/ /

0,2 0,4 0,6 0J6 V W

W pł yw s t o p ni a otwa rc ia d y sz y gazowej na p rę dkości substratów w p al­

niku 6 5 / 1 25 z typu Biprohut

W

30

m/s 20

10

-10

y

/

/ /

A /

y y

y 1---- X / s

/ s

s /

/

0 1 2

i iy*P

4. W p ły w stop ni a z aw i ro wa ni a p ow ietrza na pr ędkości su b st r a t ó w

174 K. Wilk

gazu palnego. Z m n ie js z an ie w artości stopnia otwarcia dyszy gazowej w pal­

niku 65/125z pocięga za sobę wzrost wart oś ci prędkości składowych gazu,aż do p rz ek r oczenia wart oś ci prędkości powietrza (rys. 3). Obliczenia p rę d ko ­ ści w ykonano dla gazu ko ks o wniczego przyjmujęc war to ś ć stosunku nadmiaru powietrza 1,05.

Zmiana kęta pochylenia łopatek zawirowy w ac za powietrza w palniku po wo ­ duje zmianę war to śc i składowej stycznej w p(p prędkości powietrza. Na ry­

sunku 4 pr ze d stawiono zależność składowej stycznej w p|^ prędkości p o wi e­

trza od stopnia z aw irowania ^ z p dl® palnika 2 0 / 4 0 z , w którym kęt po­

chylenia łopatek zawirow yw ac za zmi e ni an o w z akresie od 0 do 60°.

2. Intensywność mieszania su b st r a t ó w spalania

Mi e sz an ie su b st ra tó w s palania po w y p ł yw ie z palnika odbywa się drogę d yfuzji t u r b u l e n t n e j . W s p ó ł c z y n n i k dyfuzji turbulentnej z a leży od g r a di en ­ tu prędkości w kierunku p ro mieniowym [3]. Największej wa rt oś c i gradientu należy oczekiwać na granicy strug gazu i powietrza. Rozważania prz ep r ow a­

dzone dla o s i o w o- s ym et ry c zn eg o układu strug pr zy zał oż e ni u, że rozkłady od­

powiednich skład ow yc h prędkości w przekroju wy lo t o w y m palnika sę j ednorod­

ne [3j, dopr ow a dz ił y do wniosku, że wsp ół cz y nn ik dyfuzji turbulentnej DT w przekroju w y l o to wy m palnika jest pr op or c jo na ln y do czynnej sumy p r ęd ko ­ ści S w .

d t ~ Z w ,

gdzie

= iwpx " " g x } + * W

W dalszym cięgu przea na l iz ow an o pod tym kętem niektóre wyniki badań pło- nieni gazowych.

3. P r z y k ł ad y i nterpretacji w y n i k ó w badań płomieni

W y b r an e wyniki badań płomieni gazowych uzyskanych za pomocę palników ty­

pu Biprohut w l aboratoryjnych komorach spalania lub w piecach p rz em y s ł o ­ wych o pracowano w postaci zależ no ś ci pewnych w s k a ź n i k ó w charakteryzuję- płomień od w i e l ko śc i 2 w . Dla płomieni badanych laboratoryjnie wyniki po­

miarów pola t em peratury wy k or z y s t a n o do określenia takich ws k aź n i k ó w jak temperatura m aksymalna "rniax i gęstość egzergii płomienia k^ fl] . B a d a ­ nia prowadzone w piecach p rzemysłowych d o starczyły informacji o wskaźniku j ednostkowego zużycia energii chemicznej paliwa 6 .

Na rys. 5 p r z e d s t a w i o n o w y n i ­ ki pomiarow płomieni u zyskanych za pomoc? palnika 2 0 / 4 0z typu Bi- p r o h u t . dla różnych s tr um i en i g a ­ zu koksowniczego, przy stosunku nadmiaru po wi etrza równym 1,09 [2]. W y n i k i te op r ac o w a n o w p o ­ staci z al eż no ś ci gę stości egzer- gii fizycznej pł o mienia k^ od czynnej su my p r ę d k o ś c i z L w . S t w i e r ­ dzono że w b a d an ym zakr es ie i s t ­ nieje dobra k o re lacja liniowa p o ­ m ię dz y gęs t oś ci ? egzergii f i z yc z­

nej p ł o m ie ni a k^ a w i el k oś ci ? Z w .

Dość dobrę ko relację liniow? s t wi e rd zo no pom i ęd zy temperaturę maksymal- nę T max 3 w ie lk o śc i? £ w dla płomieni u zy sk an y ch za pomoc? palnika 65/125z typu Biprohut ,'rys. 6'. P os zc z e g ó l n e p u nkty o d p o wi ad aj ? płomieniom z r e a l i z o w a n y m przy s t e c h i o m e t r y c z n y m spa la ni u z m i e n ne go strumi en i a gazu k ok so w n i c z e g o oraz przy różnych w a rt o śc ia ch p rę dkości w y p ł yw u gazu. u z y s ­ kanych poprzez zmianę stopnia otwarcia dy s zy gazowej.

U

7750

°K

1700

1650

0 10 20 30m/s

Rys. 6. W p ł y w w i e l k o ś c i X w na t em peraturę m a ks y ma ln ? w płomieniu

W y r a źn ? zależność p o m i ę d z y stosunkiem 3C [t] gę stości egzergii p ł o m i e ­ nia do gę stości egz e rg ii s u bs tr a t ó w a czynnę sum? p rę dkości 2 w rys. 7 stwierdzono po opraco wa ni u w y n i k ó w badań uzyska ny c h przy z m i an i e kęta p o ­ c hylenia łopatek zawirowy.v3Cza powietrza dla stałe go obciąże ni a palnika.

Badania p ro wa d zo ne w piecach p r z e m ys ło wy c h w y p o s a ż o n y c h w kilko lub kilk an aś c ie paln ik ó w p o l e ga ły na obserwacji zużycia paliwa i ilości na-

5 10 15 20m/s

Ew

Rys. 5. W p ł y w wie l ko śc i £ w na g ę ­ stość egzergii płomienia

176 K. Wilk

Z w

Rys. 7. Z al e żn oś ć stos un k u gęstości egzergii płomienia i s ub s tr at ów od wi el k oś ci S w

g rz ew a ne go w sa du [5]. Podczas badań u trzymywano w miarę stałę wart o ść s t o ­ sunku n a dmiaru powietrza oraz zm i en ia no prędkość wypły w u gazu z p a l n ik ów poprzez zmianę pola pr z ekroju w yl o to w e g o dyszy. W yn i ki badań prowadzonych na trzech różnych ob ie ktach prz ed st a wi on o w postaci zależno śc i wzglę dn e go pr z yrostu w s k a źn i ka je dn o st ko we g o zużycia energii chemicznej paliwa od w i e l k oś ci S w (rys. 8). N u me r y linii łamanych oznaczają wyniki dla:

1 - pieca z a s i l a n e g o gazem koksowniczym.

2 - pieca z a s i l a n e g o gazem kopalnianym,

3 - pieca z a s i l a n e g o mieszankę gazu cz ad n icowego z gazem ziemnym.

-20 -10 0 10 20m/s

Rys. 8. Z a l e ż no ś ć w s k a źn i ka jed no st k ow eg o zużycia energii chemicznej pali- liwa od wi el ko ś ci 2 w

Z w y k r e s u w y n ik a w y r a ź n y zwi ą ze k pomi ęd zy jakością płomieni a p r ę d k o ­ ścią w y pł y wu s u b s t r a t ó w z palników. Dla każdego p rz ypadku w y s t ę p u j e w y r a ź ­ ne min im um zużycia paliwa w piscu, przy czym w s z y s t k i e minima wy st ęp u ję dla st o su n k o w o w ę s k ie g o zak re su wa rt o ś c i czynnej s u m y prędkości

= 5fl0 m/s. E k s p l o a t a c j a pieca pr zy innych w a r t o ś c i a c h 2 w zwi ęz an a jest ze z w i ę k s z o n y m z u ż y c i e m paliwa.

O pt ym a l i z a c j a t e r m o d y n a m i c z ­ na [3] składowej stycznej pr ęd- kości po wi etrza w w s t ru dz e

P V

z aw irowanej została p r z e d s t a w i o ­ na na rys. 9 w postaci z a l e ż n o ­ ści st os un k u p rz yrostu g ę s t o ­ ści egz e rg ii fizycznej p ł o m i e ­ nia A k ^ do pr zy ro s tu gęstości e gzergii fizycznej s ub st ra t ów Akfes od wi el k oś ci 2 w . Z a l e ż ­

ność ta posiada mak si m um dla od­

ciętej równej ok. 1,3 m/s.

Ro z pa t r u j ą c łącznie wyniki pr z ed s t a w i o n e na rys.8 i 9 m o ż ­ na ocenić, że ekstrema badanych w i e l ko śc i w y s t ę p u j ę w za k re si e p rę dkości 2 w = 1*10 m/s.

D y Rys. 9. Za l eż n o ś ć sto su nk u pr zy rostu g ę s t oś ci egz er g ii fizycznej płomienia do p r z y ro st u gęst oś c i egze rg ii fizyc z­

nej s u b s t r a t ó w od w i e l k oś ci S w

4. P o d s u m o w a n i e

W n in ie j s z y m o pr ac o w a n i u z as yg n a l i z o w a n o probiera w p ł y w u p rę dkości s u b ­ s t r a t ó w na jakość p ło mi e ni a zn an y b a d ac z om [4], p ro je k t a n t o m i u ż y t k o w n i ­ kom p a l ni k ów ale d ot yc h cz as w y c z e r p u j ą c o nie rozwiązany. P r z ed st a wi on o il o ściowo w p ł y w p rę d kości s u b s t r a t ó w na jakość płomienia i spal an i a w k i l ­ ku przypadkach.

Z a p r o p o n o w a n o również pewną w i e l k oś ć c h a r a k t e r ys ty c zn ą - czynną sumę pr ę dk oś ci S w , która wpływ a na inten s yw no ść m i es zania s u b s t r a t ó w oraz w y ­ kaza no w pr zy k ł a d a c h jej prakty cz ną przyda t no ść pr z y o p r ac ow an i u w y n i k ó w b a d a ń .

Z p r z e p r o w a d z o n y c h rozważań w y ni k 3 też pot rz eb a prowa d ze ni a dalszych badań nad w p ł y w e m p r ę d ko śc i s u b s t r a t ó w na jakość p ł o m i en ia celem w z b o g a ­ cenia dany ch pomiarowych, uogó ln ie ni a w y n i kó w oraz oprac ow an i a p r a k t y c z ­ nych w n i o s k ó w do p ro je k t o w a n i a i użytko w an ia palników.

178 K.. Wilk

LI T ER A T U R A

[1] Pete la R . , Wil k K. : Egz er gi a płomienia, GPiE 1975, nr 3.

[2] P e t el a R . , Wil k K . , S t r z es ze ws k i R . : Badania palnika wir o we go 20/40z typu Biprohut, GPiE 1975, nr 2.

[3] Wilk K . : T he Inf lu e nc e of S wirling on the Ga9 Flame Quality, V-th In­

tern at i on al S y m p o s iu m on C om b us ti on Processes, M a t e r i a ł y ,K r a k ó w . w r z e ­ sień 1977.

[4] S p a l di ng D.B. : O s n o w y tieorii gorenja, Gas. Energ. I z d . , Moskwa 1959.

[5] W i l k K . : Bad an ia nad w p ły w em niektórych parame tr ó w substr at ów i cech g e o m e t r y c z n y c h pal ni k ów wir ow yc h typu Biprohut na zużycie paliwa g a ­ z ow e go w hutni cz yc h piecach grzewczych. Postęp T e ch ni c z n y w E n e r g e t y ­ ce Hutniczej, K r a kó w 1977.

[5] P etela R . , W i l k K . : Badania gazowych paln i kó w wiro wy ch typu Biprohut, GPiE 1973, nr 8-9.

'’KOPOCTb BHTEKAHHfl TA3A H B03ayXA H3 TOPEJIKH A KA'ÍECTBO rA30B0r0 IUIAMEHH

P e 3 » M e

B p a ó o i e a H a ż H 3 H p o B a j i o c b B j i a a H H e C K O p o c i H H C T e q e H H a r a 3 a h B 0 3 j , y x a H a K a - * u e c T B o r a 3 0 B o r o n j i a M e H H , B u z a B B e a e H a H O B a a B e j i i M H H a , b K o i o p o í í B H C i y n a m T K O M H O H e H T u C K o p o c T H r a 3 a H B 0 3 A y x a , a B n p H M e p a x ó u j i a n o K a 3 a H a e e n p a K T H H e c - K a a n o j i e 3 H O C T b n p a o Ö p a Ö o i K e s K c n e p H u e H i a j i b H i o c p e 3 y j r b i a i o B .

INFLUENCE OF C O M B U S T I O N S UB ST R AT ES O UT LE T V EL OC IT I ES O N THE FLAME Q U A L I T Y

S u m m a r y

In the paper the influence of c ombustion s ub s trate veloc it ie s on the flame q u a l i t y was analysed. T h e new quantity in which the v e l o c i t y co mp o­

nents are inc lu d ed was proposed and its practical a pp lication for i n te r­

pr e ta ti on of e x p e r im en ta l results was shown.