Badania własności oraz parametrów płomienia podczas spalania lekkiego oleju opałowego

(1)

NAUKOWE

POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

A ntoni ZAJDEL

BADANIA WŁASNOSCI ORAZ PARAMETRÓW PŁOMIENIA PODCZAS SPALANIA LEKKIEGO OLEJU OPAŁOWEGO

v , ' b b ^ o ; o "

ENERGETYKA

z. 134

GLIWICE 2001

(2)

PO L IT E C H N IK A ŚLĄ SK A Z E S Z Y T Y N A U K O W E N r 1521

ł>?)50 I q /\

A ntoni ZAJDEL

BADANIA WŁASNOŚCI ORAZ PARAMETRÓW PŁOMIENIA PODCZAS SPALANIA LEKKIEGO OLEJU OPAŁOWEGO

Gliwice

2 0 0 1

(3)

P ro f. d r h a b . in ż. S ta n is ła w S łu p e k | P ro f, d r h ab . inż. S te fa n P o s tr z e d n ik

KOLEGIUM REDAKCYJNE

R E D A K T O R N A C Z E L N Y — P ro f. d r h ab . Z y g m u n t K le s z c z e w s k i R E D A K T O R D Z IA Ł U — D r h a b . in ż. A n d rz e j W itk o w s k i -

P ro f. P o lite c h n ik i Ś lą sk ie j S E K R E T A R Z R E D A K C J I — M g r E lż b ie ta L e sk o

REDAKCJA

M g r A n n a B la ż k ie w ic z

REDAKCJA TECHNICZNA

A lic ja N o w a c k a

Wydano za zgodą Rektora Politechniki Śląskiej

P L IS S N 0 3 7 2 - 9 7 9 6

Wydawnictwo Politechniki Śląskiej ul. Akademicka 5

44-100 Gliwice tel./fax (0-32) 237-13-81

Dział Sprzedaży i Reklamy (0-32) 237-18-48

w w w .w v d a w n ic tw o .p o ls l.g liw ic e .p l

wydawnictwo@polsl.gliwice.pl

N ak l. 100 + 5 0 e g z . A rk . w yd. 10 A rk . d ru k . 6,75 P a p ie r offset, ki. I I I 7 0 x 100, 80 g.

O d d a n o do d r u k u 11.12.2001 r. P o d p is, do d r u k u 11.12.2001 r. D ru k ukończ, w g ru d n iu 2001 r.

F o to k o p ie , d r u k i o p ra w ę w y k o n ał „ R O L E K ” , G liw ice, ul. K azim ierz a W ielk ieg o 4

SPIS TREŚCI

Str.

P R Z E D M O W A ... 7

W YKA Z W A Ż N IE JS Z Y C H O Z N A C Z E Ń ... 9

1. SPA L A N IE P A L IW C IE K Ł Y C H ... 11

1.1. W p ro w a d z e n ie ... 11

1.2. Przegląd literatury p rz e d m io tu ... 11

1.3. A spekty energetyczne i e k o lo g icz n e... 14

2. S PE C Y F IK A SPA L A N IA PA L IW CIEK ŁY C H ZA PO M O C Ą P A L N IK Ó W 15 2.1. E ksploatacja palników o le jo w y c h ... 15

2.2. P łom ienie o le jo w e ... 17

2.3. Cel i zakres p r a c y ... 18

3. W Y B R A N E B A D A N IA W S T Ę P N E ... 20

3.1. Spalanie oleju przy użyciu rozpylacza c iśn ie n io w eg o... 20

3.1.1. O pis stanow iska i zakresu p o m ia ró w ... 20

3.1.2. P rzebieg badań i w yniki p o m ia ró w ... 22

3.1.3. A naliza w y n ik ó w ... 26

3.2. Spalanie oleju przy użyciu rozpylacza dw uczy n n ik o w eg o ... 29

3.2.1. O pis zakresu b a d a ń ... 29

3.2.2. Przebieg badań i w yniki p o m ia ró w ... 30

4. E K SP E R Y M E N T A L N E B A D A N IA W ŁASNOŚCI PŁO M IEN I O LEJO W Y CH .... 40

4.1. Stanow isko badaw cze i zakres b a d a ń ... 40

4.2. Sposób przeprow adzania p o m ia ró w ... 44

4.2.1. P om iar te m p e ra tu ry ... 44

4.2.2. P om iar koncentracji s a d z y ... 46

(4)

str.

4.2.3. P om iar oprom ieniow ania ścian kom ory s p a la n ia ... 48

4.2.4. W yznaczanie rozm iarów p ło m ie n ia ... 48

4.2.5. P om iar średnic k r o p e l... 49

4.3. W yniki p o m ia ró w ... 50

4.3.1. W yniki szczegółow e w ybranej serii p ło m ie n i... 50

4.3.2. W yniki uśrednione zm ierzonych p a ra m e tró w ... 54

4.4. B łędy p o m ia ro w e ... 55

4.4.1. P aram etry substratów s p a la n ia ... 55

4.4.2. P aram etry w kom orze s p a la n ia ... 60

4.5. A naliza w yników p o m ia ró w ... 60

4.5.1. W pływ stosunku nadm iaru p o w ie trz a ... 61

4.5.2. W pływ param etrów r o z p y la n ia ... 64

4.5.3. W pływ stanu cieplnego k o m o ry ... 68

5. R A D IA C Y JN A W Y M IA N A C IE PŁ A W K O M O R ZE S P A L A N IA ... 72

5.1. O pis układu i m odelu o b lic ze n io w eg o ... 72

5.2. W yniki obliczeń i a n a liz a ... 75

5.2.1. W yniki o b lic z e ń ... 75

5.2.2. B łąd w yznaczenia em isyjności p ło m ie n ia ... 75

5.2.3.1. R ola p łom ienia i spalin w radiacyjnej w ym ianie c ie p ła ... 77

5.2.3.2. W pływ param etrów spalania i ro z p y la n ia ... 78

5.2.3.3. W pływ stanu cieplnego kom ory s p a la n ia ... 83

5.3. O cena efektów en e rg e ty c z n y c h ... 85

5.4. E m isyjność płom ienia o le jo w e g o ... 91

6 . Z A L E Ż N O ŚC I E M P IR Y C Z N E ... 95

6 .1. Z akres opracow anych z a le ż n o śc i... 95

6.2. D obór postaci z a le ż n o ś c i... 98

7. P O D S U M O W A N IE ... 101

L IT E R A T U R A ... 103

S T R E S Z C Z E N IE ... 108

PRZEDMOWA

N iniejsza rozpraw a dotyczy spalania paliw ciekłych i zaw iera analizę prawidłowości zachodzących pom iędzy różnym i param etram i spalania paliw a ciekłego w kom orze spalania a energetycznym i i ekologicznym i skutkam i tego procesu.

T em atyka pracy zrodziła się kilka lat tem u w trakcie w ykonyw ania prac badawczo- w drożeniow ych, których celem było opracowanie now ych konstrukcji palników olejowych dla potrzeb rozruchu pyłow ych kotłów energetycznych OP-650 i OP-380 i stabilizacji spala

nia p yłu w tych kotłach. Od now ych rozw iązań oczekiwano w yelim inow ania kłopotów ru

chow ych w ystępujących przy użytkow aniu dotychczasow ych palników i znacznego obniże

nia em isji sadzy. Spostrzeżenia poczynione w trakcie tych prac, zwłaszcza odnośnie do ener

getycznych efektów uzyskiw anych po zainstalow aniu w kotłach OP-650 i OP-380 nowych ekologicznych palników olejow ych, zainspirow ały autora do bliższego zajęcia się tem atyką spalania paliw ciekłych. D odatkow ym pow odem był też fakt, że w fachowej literaturze doty

czącej spalania zagadnienie spalania paliw ciekłych i płom ieni olejow ych je st opisane mało w yczerpująco i nie dostarcza narzędzi do analizy pracy urządzeń opalanych tym i paliwami.

B adania rozpoczęto od szeregu serii eksperym entów w ykonanych na kilku przygoto

w anych stanow iskach laboratoryjnych, które to badania w skazyw ały, że specyfika procesu spalania paliw ciekłych i uzyskiw anych płom ieni olejow ych je st na tyle odm ienna od praw i

dłow ości w ystępujących podczas spalania paliw gazow ych, że intuicyjna analiza w pływ u róż

nych param etrów , oparta na dośw iadczeniach spalania paliw gazow ych, m oże prowadzić do zupełnie niew łaściw ych wniosków.

Po tych w stępnych badaniach przygotow any został program usystem atyzow anych badań zasadniczych, m ożliw ych do przeprow adzenia w w arunkach laboratoryjnych, jednak w skali zbliżonej do procesów rzeczyw istych, tak aby uzyskane rezultaty i stw ierdzone praw i

dłow ości były użyteczne rów nież w skali rzeczywistej.

B adania przeprow adzono w laboratorium Zespołu Techniki Spalania Instytutu Tech

niki Cieplnej Politechniki Śląskiej.

W szystkim , którzy w ykazyw ali życzliw e zainteresowanie badaniam i i stworzyli wa

runki do ich prow adzenia, a w szczególności Panom Profesorom Ryszardow i Peteli, Janowi Szargutow i, Ryszardow i W ilkowi i A ndrzejowi Ziębikowi, serdecznie dziękuję.

(6)

A c

D d E e F G g H h I k L

P P Q R

r S T ,t V

w w d

A s

<P n X

p a c T

co

c

f g k

W YK AZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ

- absorpcyjność,

- koncentracja sadzy, m g sadzy/m 3spalin, m 3sadzy/ m 3spalin - transm isyjność,

- średnica, (im, m

- em isja w łasna prom ieniow ania, W - gęstość em isji własnej, W /m 2 - pow ierzchnia, m 2

- oprom ieniow anie, W

- gęstość oprom ieniow ania, W /m2 - ja s n o ś ć prom ieniow ania, W - w ysokość, m

- entalpia, J

- stała w łasności optycznych sadzy, - grubość w arstwy gazu, m - ilość paliw a, kg

- ciśnienie, Pa - strum ień ciepła, W - refleksyjność, - prom ień, m

- param etr w ielkości komory spalania, K/(s-m) - tem peratura, K, °C

- objętość, m 3

- pojem ność cieplna, J/K - w artość opałowa, J/kg - błąd bezw zględny, - em isyjność,

- stosunek konfiguracji, - spraw ność,

- stosunek nadm iaru powietrza, - gęstość, kg/m 3

- stała Stefana-B oltzm anna, 5,67-10“8 W /(m2 K4) - czas, s, h

- w skaźnik oszczędności energii, %.

In d ek sy - ciało czarne,

- płom ień, - gaz, spaliny, - kom ora,

(7)

n - w arunki norm alne, S - S autera (średnica kropel), s - sadza,

w - ściana,

c f - ciało czarne o tem peraturze płom ienia, cw - ciało czarne o tem peraturze ścian,

g f - dotyczy spalin przy tem peraturze płom ienia, gw - dotyczy spalin przy tem peraturze ścian.

1. SPALANIE PALIW CIEKŁYCH 1.1. Wprowadzenie

P aliw a ciekłe znajdują szerokie zastosow anie w w ielu dziedzinach przem ysłu i innych sferach działalności człow ieka. O bszar ich zastosow ań obejm uje kom ory spalania kotłów energetycznych, pieców przem ysłow ych oraz m niejszych urządzeń kom unalnych, ja k również silniki spalinow e i rakietow e. W edług różnych danych poprzez spalanie paliw ciekłych za

spokajane je s t około 35-40% całkow itego zapotrzebowania energii na św iecie [5, 78, 94].

P aliw a ciekłe obejm ują substancje o znacznie zróżnicow anych w łasnościach fizycz

nych, które w istotny sposób w pływ ają na m echanizm spalania tych paliw. W zależności od tych w łasności paliw a ciekłe spalane są na dw a podstaw ow e sposoby: pierw szy dotyczący paliw lekkich i drugi dotyczący paliw ciężkich.

Spalanie lekkich, łatw o parujących paliw ciekłych, takich ja k benzyny czy nafta, za

chodzi z reguły w sposób podobny do kinetycznego spalania gazu, gdzie do komory spalania doprow adzana je s t jednorodna m ieszanka par paliw a i powietrza.

M echanizm spalania ciężkich paliw ciekłych, obejm ujących szeroki w achlarz paliw od olejów napędow ych do ciężkich olejów sm ołowych, je st inny. Paliw a te wprow adzane są bezpośrednio do kom ory spalania w postaci strugi kropel uzyskiwanej za pom ocą rozpylacza, a proces spalania je st ostatnim etapem ciągu zjawisk, na przebieg których duży w pływ ma konstrukcja palnika olejow ego. Spalające się paliwo tworzy tu w yraźny, dobrze świecący płom ień obejm ujący obszar, w którym zachodzą zjaw iska podgrzew ania i odparow ania kro

pel, pow staw ania m ieszanki palnej, zapłonu i reakcji chem icznych.

N iniejsza praca dotyczy spalania tej drugiej grupy paliw ciekłych używ anych do opa

lania w iększości stacjonarnych kom ór spalania.

Struktura płom ienia olejow ego je st bardzo niejednorodna. W różnych m iejscach ob

szaru płom ienia różna je st koncentracja i także postać fazowa paliwa. Krople o zróżnicowanej średnicy p o ruszają się w różnych kierunkach z prędkościam i różniącym i się od prędkości głów nego strum ienia fazy gazowej.

Ta duża niejednorodność przestrzennej struktury oraz złożoność zachodzących zja

w isk sp ra w ia ją że spalanie rozpylonej strugi paliw a ciekłego stanowi proces trudny do teo

retycznego opisu. N ie w ypracow ano zatem zadow alająco dokładnych modeli przebiegu tego procesu. Liczne przeprow adzone badania um ożliw iły poznanie szeregu praw idłow ości, które o b o w iązu jąjed n ak że z reguły w w ąskim zakresie w ykonanych badań bez m ożliw ości formu

łow ania szerszych uogólnień.

1.2. Przegląd literatury przedmiotu

Pow stało szereg kom pleksow ych opracowań prezentujących stan wiedzy i badań nad procesem spalania paliw ciekłych w postaci rozpylonej strugi kropel [2, 11, 12, 19, 20, 47, 71]. A utorzy tych opracow ań koncentrują sw oją uw agę na różnych aspektach procesu, ja k na przykład na zjaw isku odparow yw ania kropel, na warunkach spalania pojedynczych kropel w otoczeniu grupy innych kropel, na spalaniu chm ury kropel, na spalaniu w przestrzeni między kroplam i, na w arunkach dynam iki dwufazow ego m edium i jeszcze na w ielu innych.

O m aw iane s ą też w nich modele spalania strugi kropel, w raz z ich licznym i ogranicze

niam i i założeniam i upraszczającym i. Z tych obszernych analiz w ynika, że zadow alająco po-

(8)

|

praw ne w yniki obliczeń niektórych param etrów rozpylonej struci uzyskiw ać m ożna jedynie dla takich przypadków spalania paliw ciekłych, w których przyjęcie hom ogeniczności proce

su, czyli je g o podobieństw o do spalania gazu w płom ieniach dyfuzyjnych, je s t bliskie rze

czyw istości. W edług takiego m echanizm u m oże przebiegać niekiedy spalanie je d y n ie lekkich paliw ciekłych. N atom iast obecność ciekłych cząstek paliw a w obszarze płom ienia, co zawsze m a m iejsce przy spalaniu paliw cięższych, w nosi w iele zasadniczych zm ian jakościow ych w stosunku do układu hom ogenicznego i m odele procesu oparte na przepływ ach jednofazow ych nie zapew niają popraw nego opisu param etrów takiej strugi.

Szereg podejm ow anych prób opracow ania dw ufazow ego m odelu spalania rozpylonej strugi p aliw a ciekłego w ykazało, że je s t to zadanie bardzo trudne i przy obecnym stanie roz

poznania tego procesu niem ożliw e do w ykonania. Jednym z w ażniejszych problem ów jest identyfikacja w arunków brzegow ych analizow anego obszaru, czyli m iędzy innym i dokładna znajom ość w szystkich param etrów na w ylocie z palnika olejow ego. Jest to zadanie m ożliwe do rozw iązania je d y n ie na drodze eksperym entalnej, a zatem dla ściśle określonych, szcze

gółow ych przypadków palników olejow ych i ściśle określonych param etrów fizycznych roz

pylanego paliwa.

Takie też przykłady m odelow ania m ożna spotkać w literaturze [2, 20, 52, 6 6 , 70, 83, 85], ale ich przydatność je s t ograniczona, zw łaszcza że w rów naniach energii nie je st uw zględnione prom ieniow anie. Tym czasem w łaśnie prom ieniow anie je s t charakterystyczną i is to tn ą dla energetycznego oddziaływ ania, cechą płom ienia olejow ego. W pływ a ono w za

sadniczy sposób na intensyw ność w ym iany ciepła i rozkład tem peratury w kom orze spalania.

Prom ieniow anie płom ienia je s t ściśle uzależnione od zaw artości cząstek stałych (sa

dza) i ciekłych (krople paliw a) w je g o obszarze. Znajom ość m echanizm u pow staw ania sadzy w płom ieniu, zw łaszcza olejow ym , je st ciągle niew ystarczająca i stanow i pow ażn ą przeszko

dę w opracow aniu m iarodajnego m odelu przepływ u ciepła w kom orze z płom ieniem olejo

wym.

O bliczeniam i radiacyjnego przepływ u ciepła zajm uje się w ielu badaczy. Jest bogata literatura na ten tem at. Jednakże przeprow adzenie popraw nych obliczeń radiacyjnej w ym iany ciepła w kom orach spalania nie je st łatwe, choć istnieje ju ż szereg opracow anych modeli tego procesu [8 , 26, 64, 65, 69, 82]. Podstaw ow y problem przy ich praktycznym w ykorzystaniu leży w niejednorodności i często niem ożności w yznaczenia param etrów radiacyjnych m ediów w ypełniających obszar kom ory spalania.

Stosunkow o skutecznie m ożna pokonać te kłopoty dla przypadków tak zw anych pło

m ieni nieśw iecących, czyli dla kom ór opalanych paliw am i gazow ym i. Problem staje się prak

tycznie nierozw iązyw alny przy spalaniu paliw ciekłych, gdy płom ień zajm ujący pew ną prze

strzeń w kom orze spalania intensyw nie św ieci, a koncentracja cząstek stałych i ciekłych w różnych częściach je g o objętości, często w ystępujących też poza płom ieniem , nie je st znana.

W obec takiego stanu rzeczy, gdy praktycznie brak je st użytecznych narzędzi um ożli

w iających obliczeniow e określenie param etrów płom ieni pow stających przy spalaniu różnych paliw ciekłych, p odstaw ow ą w tym zakresie wiedzę uzyskuje się poprzez badania ekspery

mentalne.

R ezultaty tych badań, prezentow ane w literaturze przedm iotu, d ostarczają inform acji o param etrach płom ieni olejow ych pow stających przy spalaniu różnych paliw ciekłych, w róż

nych układach spalania, przy użyciu palników różnej konstrukcji. B adane s ą w pływ y szeregu param etrów spalania n a param etry uzyskiw anych płom ieni.

D la przykładu, w pracach [18, 34, 59, 67] zaprezentow ano rezultaty badań w pływ u różnych param etrów paliw a i w arunków rozpylania na rozm iary uzyskiw anych kropel oraz ich prędkość poruszania się w strudze za rozpylaczem . Różni autorzy stosowali różnego typu rozpylacze. Przy spalaniu paliw lekkich, ja k np. nafta, m etanol, stosuje się z reguły rozpyla

cze ciśnieniow e, natom iast przy spalaniu paliw cięższych częściej stosow ane są różne kon

strukcje rozpylaczy dw uczynnikow ych, dla których w nazew nictwie polskim używ a się rów nież określeń: pneum atyczne bądź gazodynam iczne [57].

Inne param etry płom ieni, jak: długość płom ienia, rozkłady tem peratury wew nątrz płom ieni, koncentracja składników spalin, rozkłady prędkości, były przedm iotem badań auto

rów prac [1, 13, 24, 38, 55, 56, 96]. W w iększości tych prac prezentow ane są w yniki badań eksperym entalnych najwyżej kilku w ariantów płomieni. Oceniano w nich w pływ w ybranych param etrów spalania, takich ja k np. nadm iar powietrza, param etry pow ietrza, jakość rozpyla

nia, rodzaj paliw a, param etry paliw a itp., na param etry otrzym yw anych płomieni.

W poszczególnych pracach badano płom ienie otrzym yw ane przy zastosow aniu 2-3 różnych w artości jednego z w ym ienionych wyżej param etrów spalania. N a tej podstawie m ożna ocenić tylko jakościow e w pływ y analizow anych param etrów spalania oleju, natom iast ilościow y w ym iar tych efektów je st m iarodajny w yłącznie dla stosowanego w badaniach za

kresu i w arunków prow adzonych eksperymentów.

To ograniczenie w ażności poczynionych obserwacji na podstaw ie wąskiego zakresu prow adzonych badań prowadzi niekiedy do w yciągania odm iennych w niosków przez różnych badaczy. D la przykładu, autorzy pracy [56] stwierdzili, w oparciu o swoje badania, że spala

nie rozpylonego paliw a ciekłego, niezależnie od je g o rodzaju, przebiega podobnie do spalania gazu i struktura płom ienia olejow ego je st podobna do struktury dyfuzyjnego płom ienia gazo

w ego. N atom iast autorzy pracy [96] w yraźnie uw ypuklają różnice w przebiegu obu tych pro

cesów i w skazują na ogrom ny w pływ , ogólnie mówiąc, param etrów spalania na strukturę uzyskiw anego płom ienia.

Podobieństw o do dyfuzyjnego płom ienia gazowego m ożna uzyskać tylko wówczas, gdy zapew nione zostaną w arunki, przy których odparow anie znacznej w iększości paliw a w y

pływ ającego z palnika następuje na odcinku bardzo krótkim w porów naniu do całkowitej dłu

gości płom ienia. Jeżeli zatem są zapewnione takie warunki, to w pływ np. rozm iarów kropel na przebieg procesu je st nieduży. Ale w praktyce takie warunki m ożna zapew nić jedynie przy spalaniu lekkich paliw ciekłych. Przy spalaniu paliw cięższych, gdzie rozm iary kropel rozpy

lonego paliw a s ą z reguły większe, zawsze obserw uje się istotny w pływ tych rozm iarów na param etry uzyskiw anego płom ienia. Takie też wnioski w ynikały z badań autorów pracy [38], pom im o że badane płom ienie uzyskiw ano przy spalaniu nafty, która należy do bardziej lot

nych paliw ciekłych.

K olejną grupę param etrów badanych przy spalaniu paliw ciekłych stanowi koncentra

cja różnych szkodliw ych substancji w gazach popłom ieniowych. Szczególną uw agę zwraca się tu na tw orzenie i em isję takich składników, ja k sadza, tlenek węgla, tlenki azotu, w ęglo

w odory arom atyczne.

W szeregu prac zaprezentow ano wyniki takich badań [3, 4, 14, 15, 45, 72, 74, 75, 81, 88, 90, 92]. N ajczęściej zaw ierają one dane odnośnie do rozkładu koncentracji badanych składników w obrębie kom ory spalania, ja k rów nież wielkości em isji na w ylocie z komory.

O kreślano w pływ różnych param etrów spalania na pow stawanie i wielkość em isji składni

ków toksycznych. U zyskiw ane w yniki inform ują o w ystępujących poziom ach tych emisji i w skazują na sposoby ich zm niejszania. Sposoby te są z reguły dobrze znane specjalistom z techniki spalania, gdyż w iadom o jest, ja k ie okoliczności sprzyjają pow staw aniu różnych substancji szkodliw ych podczas spalania. Zazwyczaj zatem, na przykład, takie zm iany róż

nych param etrów spalania, które prow adzą do w zrostu tem peratury w płom ieniu, przynoszą zm niejszenie ilości pow stającej sadzy oraz CO, natom iast pow odują zwiększenie zawartości N O x w spalinach.

Przy spalaniu różnych paliw ciekłych, w różnych w arunkach kom ór spalania, rola konkretnych param etrów spalania w obniżeniu em isji substancji szkodliw ych nie je s t jednak jednakow a, a na dodatek m o g ą istnieć pew ne ograniczenia w swobodnej zm ianie takich pa

rametrów.

(9)

1.3. Aspekty energetyczne i ekologiczne

K ażdy proces spalania zachodzący w now oczesnym urządzeniu m usi spełniać w ysokie w ym agania zarów no energetyczne, ja k i ekologiczne. Sprawność term iczna, która je st m iarą doskonałości energetycznej procesu, je s t także pew nym param etrem ekologicznym , gdyż jej niska w artość niesie negatyw ne skutki dla środowiska. S ą jednak jeszcze inne param etry cha

rakteryzujące uciążliw ość procesu dla środow iska i dlatego w rzeczyw istych w arunkach do

bór param etrów spalania m usi być rezultatem pewnej optym alizacji. G odząc się na nieunik

nione skutki ekologiczne w postaci dopuszczalnej em isji zanieczyszczeń, należy dążyć do m aksym alnej efektyw ności energetycznej procesu.

Przeprow adzenie w pełni m iarodajnej optym alizacji w ym agałoby zastosow ania w spólnego kryterium dla energetycznych i ekologicznych skutków analizow anego procesu.

T akim kryterium je s t koszt ekologiczny ponoszony w zw iązku z w ytw arzaniem danego pro

duktu [77]. Jest on zdefiniow any ja k o skum ulow ane zużycie egzergii nieodnaw ialnych bo

gactw naturalnych w ykorzystyw anych w procesie produkcyjnym oraz w celu skom pensow a

nia strat zw iązanych z odprow adzaniem szkodliw ych substancji do otoczenia. Aby posłużyć się kosztem ekologicznym , należy jed n ak znać charakterystyki eksploatacyjne optym alizow a

nego procesu, a w iedza o tych danych je st często niepełna.

Przy spalaniu paliw ciekłych m ożna istotnie w pływ ać zarówno na skutki energetyczne, ja k i ekologiczne procesu poprzez odpow iedni dobór param etrów spalania. M ożliw a skala tego w pływ u je s t tu znacznie w iększa aniżeli przy spalaniu innych paliw. W ynika to z dużego uzależnienia zdolności prom ienistych płom ienia olejow ego, ja k rów nież poziom u em isji sub

stancji szkodliw ych, od w arunków spalania. Prom ieniow anie płom ienia olejow ego m a duży udział w prom ienistej w ym ianie ciepła w kom orze spalania, a ta z kolei decyduje o efektyw ności procesu przekazyw ania energii w typow ych kom orach spalania.

Przy spalaniu paliw gazow ych prom ieniow anie płom ienia je s t m niejsze i m niejsza je st też m ożliw ość oddziaływ ania na je g o wartość. Praktycznie jed y n y m param etrem płom ienia, którego zm iany, uzyskane przez zm ianę w arunków spalania, m ogą w płynąć na intensyw ność prom ienistej w ym iany ciepła w kom orze, je st tem peratura płomienia.

Inaczej je s t przy spalaniu paliw ciekłych. Przez zastosow anie różnych param etrów spalania m ożna uzyskać istotne zm iany w szystkich tych param etrów płom ienia, które w pły

w ają na je g o prom ieniow anie. Poza tem peraturą płom ienia są to: em isyjność i rozmiary.

M ożliw e zm iany tych dw óch ostatnich param etrów płom ienia, zw łaszcza uzyskiw ane w efek

cie zróżnicow anych param etrów rozpylania, są znacznie w iększe w sw oim zakresie aniżeli w ystępujące zm iany tem peratury. Dzięki tem u m ożna w dość dużym stopniu w pływ ać na intensyw ność prom ienistej w ym iany ciepła w kom orze spalania. W sw oich badaniach doty

czących spalania ciężkich paliw ciekłych w kom orach kotłów energetycznych, które w yko

nyw ane były na zlecenie dużych polskich elektrow ni, autor obserw ow ał w yraźne efekty zróż

nicow anego prom ieniow ania płom ieni olejow ych [104, 105, 110].

W literaturze przedm iotu, przy prezentacji rezultatów badań różnych param etrów płom ieni olejow ych, zam ieszczane są niekiedy rów nież w yniki pom iarów param etrów pro m ienistych [1, 13, 23, 25]. N ie je st jednak zauw ażany problem zróżnicow ania tych param e

trów oraz ich uzależnienia od param etrów spalania. Ze w zględu na poznaw cze i praktyczne znaczenie tego problem u, dające szansę na uzyskanie tą d rogą pew nych efektów energetycz

nych, autor postanow ił przeprow adzić szersze badania dla określenia w ystępujących w tym zakresie praw idłow ości. W yniki tych badań zostaną zaprezentow ane w niniejszej pracy.

2. SPECYFIKA SPALANIA PALIW CIEKŁYCH ZA POM OCĄ PALNIKÓW

2.1. Eksploatacja palników olejowych

Praktyka użytkow ania opałow ych instalacji olejow ych, zwłaszcza zasilanych ciężkim olejem opałow ym , w skazuje na m ożliw ość w ystępow ania pew nych problem ów eksploatacyjnych, które pojaw iają się przy niezbyt dokładnym dotrzym yw aniu w ym aganych param etrów technicznych pracujących urządzeń, co w warunkach ruchow ych występuje jednak dość często. A utor m a w tej m ierze własne dośw iadczenia uzyskane w trakcie realizacji w cześniej w spom nianych licznych prac badaw czych dotyczących spalania ciężkiego oleju opałow ego w kom orach kotłów parow ych polskich elektrow ni [104-106, 110, 111]. M ożna tu w ym ienić trzy zagadnienia: słabą stabilność płom ienia, dużą ilość sadzy w ydzielającej się podczas spalania oraz podatność na zatykanie otw orów paliw ow ych w rozpylaczu.

Słaba stabiln ość płom ien ia je st pow ażnym problem em eksploatacyjnym podczas spalania paliw ciekłych, a dolegliw ość ta nasila się zw łaszcza w tedy, gdy spalanie zachodzi w zimnej kom orze. Proces podgrzew ania i odparow yw ania strugi kropel tw orzących żagiew płom ieniow ą przebiega w ów czas wolniej, gdyż nie je st wspom agany dopływ em ciepła od gorących elem entów kom ory. Odcinek zapłonowy w ydłuża się, a czoło spalania oddala od w ylotu palnika, co m oże doprowadzić do oderw ania płomienia.

Potrzeba spalania oleju w zimnej kom orze m a miejsce na przykład podczas rozruchu parow ych lub w odnych kotłów opalanych pyłem w ęglow ym . Pył w ęglow y można bezpiecznie doprow adzać do kom ory kotła i stabilnie go w niej spalać dopiero w ówczas, gdy poziom tem peratury w kom orze je st w ystarczająco wysoki. Rozgrzew anie komory odbywa się najczęściej za p o m o cą płom ienia olejowego.

Z apew nienie dobrej stabilności płom ienia olejow ego je st zadaniem tym trudniejszym , im spalane paliw o m a w iększą gęstość, a m niejszą lotność, im w iększe są prędkości w ypływ u czynników z palnika oraz im chłodniejsze je st otoczenie płomienia.

Ciężkie paliw a m a ją w iększą lepkość, przez co trudniej je st je dokładnie rozpylić i otrzym ać krople o m ałych rozm iarach. D obre rozpylenie je st zaś podstaw ow ym warunkiem zapew nienia krótkiego czasu podgrzew ania i odparow yw ania kropel opuszczających roz

pylacz, a tym sam ym zm niejszenia długości odcinka zapłonow ego w płom ieniu i poprawy stabilności.

Przy spalaniu paliw ciekłych najczęściej stosowane są dw a podstaw ow e typy rozpylaczy: ciśnieniow e i dwuczynnikow e. Znacznie lepszą skuteczność rozpylania można uzyskać przy zastosow aniu rozpylaczy dw uczynnikow ych, w których paliw o rozpylane je st za p om ocą przepływ ającego, z du żą p ręd k o śc ią czynnika gazowego. N ajczęściej je st to lekko przegrzana para w odna lub sprężone powietrze. Te w ysokie prędkości w ypływ u czynników z rozpylacza z jednej strony intensyfikują przebieg zjawisk przepływ ow ych w obszarze płom ienia, ale z drugiej utrudniają stabilizację płomienia.

W idać zatem , że popraw iając jed en param etr procesu m ożna pogorszyć inny.

Tym czasem obydw ie te cechy: dokładność rozpylenia oraz dobra stabilność uzyskiw anego płom ienia są istotne i pow inny być traktowane równow ażnie przez konstruktorów palników olejow ych. Zapew nienie jednak dobrej stabilności płom ienia w w arunkach zimnej komory nie je st łatw e do osiągnięcia.

Problem stabilności spalania je st dobrze znany konstruktorom i użytkownikom palników i znane s ą sposoby stabilizow ania płom ieni [7, 62]. Jednakże praktyczne ich zastosow anie przy spalaniu ciężkich paliw ciekłych nie zawsze się udaje.

N ajlepsze rezultaty daje m etoda cyrkulacji aerodynam icznej, w której chodzi o w ytw orzenie w obszarze płom ienia, w pobliżu w ylotu palnika, strefy odpowiednio

(10)

zaw irow yw acz

R y s . 2 .2 . S ta b iliz a c ja p ło m ie n ia o le jo w e g o p rz e z z a p e w n ie n ie d u ż e g o k ą ta w p ły w u p a liw a z p a ln ik a

F ig . 2 .2 . O il fla m e s ta b iliz a tio n b y e n s u rin g a b ig a n g le o f fu e l-je t flo w in g o u t fro m b u m e r

intensyw nych przepływ ów zw rotnych w postaci wirów, które stanow ią źródło stałego zapłonu d la tw orzącej się m ieszanki palnej. E fekt ten m ożna uzyskać poprzez um ieszczenie odpow iednich zaw irow yw aczy w końcow ym odcinku przew odu pow ietrza w ypływ ającego z palnika. N a rysunku 2.1 pokazano istotę tego sposobu. Takie rozw iązania palników są stosow ane w przem yśle, jednakże sposób ten nie zaw sze je st skuteczny, gdyż różne zmiany dynam iki przepływ u gazów w kom orze spalania, często w ynikające z potrzeb eksploatacyjnych urządzenia, m o g ą spow odow ać utratę stabilności płom ienia.

Innym sposobem w ytw orzenia strefy w irów cyrkulacyjnych je st zapewnienie odpow iedniego kształtu płom ienia, który pow inien się cechow ać dużym kątem rozw arcia. We w nętrzu stożka płom ieniow ego, w pobliżu je g o osi, pow staje w ów czas naturalna strefa p rzepływ ów zw rotnych, któ ra istnieje niezależnie od ilości i sposobu doprowadzenia pow ietrza do spalania. Istota tego sposobu pokazana je st na rysunku 2.2. Jednym z rozwiązań konstrukcyjnych palników olejow ych, w którym znalazł praktyczne zastosow anie ten sposób w ytw arzania strefy cyrkulacyjnej stabilizującej płom ień, je st rozw iązanie znane w literaturze pod nazw ą palnika z rozpylaczem typu Y [58, 94]. W palniku tym żagiew płom ienia m a kształt palczasty i składa się z kilku osobnych kosm yków , których osie tw o rzą duży kąt. Taki sam kształt płom ienia m ożna też otrzym ać przy innych rozw iązaniach konstrukcyjnych palników , n a p rzykład przedstaw ionym w patencie [40].

P raktyka w ykazała, że stabilność takich palczastych płom ieni olejow ych je st lepsza niż płom ieni zw artych. Jest popraw na rów nież w w arunkach zimnej kom ory. Palniki zapew niające taki kształt płom ienia znajdują obecnie najszersze zastosow anie w now oczesnych kotłach energetycznych.

Przy spalaniu paliw lżejszych od m azutu, ja k na przykład lekkiego oleju opałowego, łatwiej je s t zapew nić stabilność płom ienia. Jednakże w przypadku palników z rozpylaczam i gazodynam icznym i, przy których uzyskuje się typow y, zw arty kształt żagw i płom ieniow ej, także i przy ty m paliw ie m oże w ystąpić utrata stabilności płom ienia, jeżeli dobór param etrów czynników nie je s t praw idłow y [ 101].

D rugim z w ym ienionych w yżej problem ów eksploatacyjnych spalania paliw ciekłych je s t podatność na em isję sadzy. Także i ten problem nasila się przy spalaniu w zimnej

kom orze.

D w a podstaw ow e czynniki o dgryw ają tu decydującą rolę: dokładność rozpylania i param etry p ow ietrza do spalania (ilość, prędkość, zaw irowanie). Popraw ę jakości rozpylania uzyskać m ożna na przykład przez zastosow anie, w spom nianych w yżej, rozpylaczy

R y s . 2 .1 . S ta b iliz a c ja p ło m ie n ia o le jo w e g o p rz e z w ir o w a n ie stru g i p o w ie tr z a

F ig . 2 .1 . O il f la m e s ta b iliz a tio n b y s w irlin g o f an a ir stre a m

dw uczynnikow ych. Przy m ałych rozm iarach kropel paliw a i w ysokich prędkościach przepływ u gazów płom ieniow ych, ja k ie zapew niają popraw nie skonstruow ane palniki z rozpylaczam i dw uczynnikow ym i, param etry pow ietrza nie są ju ż tak istotne. D la uzyskania dobrego w ypalenia paliw a w obszarze płom ienia i tym sam ym uniknięcia unoszenia sadzy poza obszar płom ienia należy w ów czas jedynie zapewnić dopływ wystarczającej ilości pow ietrza do przestrzeni, w której zachodzi spalanie, natom iast mniej w ażna je st prędkość przepływ u bądź zaw irow anie tego pow ietrza w przekroju w ylotow ym palnika.

Przy zastosow aniu dobrze skonstruow anych rozpylaczy ciśnieniow ych uniknięcie em isji sadzy je s t rów nież m ożliwe, jednakże pod w arunkiem ścisłego dotrzym yw ania w ym aganych param etrów paliw a oraz pow ietrza dostarczanego do spalania. W praktyce eksploatacyjnej zdarza się często, że param etry te nie są ściśle dotrzym yw ane i to powoduje niew łaściw y przebieg procesu spalania i em isję dużych ilości sadzy.

Z pow yższych rozw ażań w ynika, że zastosowanie palników olejow ych z rozpylaczami dw uczynnikow ym i je st najlepszym sposobem na skuteczne rozw iązanie analizowanych dw óch problem ów eksploatacyjnych przy spalaniu ciężkich paliw ciekłych.

R ów nież trzeci z w ym ienionych wcześniej problem ów, czyli podatność na częściowe lub całkow ite zatykanie otw orów paliw ow ych, rzadziej występuje przy zastosowaniu rozpylaczy dw uczynnikow ych. G łów na bowiem przyczyna tej dolegliw ości leży w małych rozm iarach otw orów paliw ow ych, co je st charakterystyczne dla rozpylaczy ciśnieniowych.

W rozpylaczach dw uczynnikow ych, w których sposób rozdrabniania paliw a je st inny niż w ciśnieniow ych, otw ory paliw ow e m ogą mieć większe średnice i przez to są mniej podatne na zatykanie.

Przy spalaniu lżejszych paliw ciekłych, w m ałych kom orach spalania, uciążliwość pow yższych problem ów eksploatacyjnych je st z reguły znacznie m niejsza i powszechne zastosow anie zn ajd u ją prostsze konstrukcyjnie rozpylacze ciśnieniow e. Przy mniejszej bow iem lepkości paliw a stosunkow o łatwo m ożna zapewnić w ystarczającą dokładność rozpylania także przy tym sposobie rozpylania. Problem owi zatykania zapobiega się tu poprzez dokładne filtrow anie paliw a podaw anego do rozpylacza.

W urządzeniach przem ysłow ych i kom unalnych palniki olejowe najczęściej pracują przy jednej w ydajności. Z jednej strony ogranicza to m ożliwość zm ian w ydajności cieplnej urządzenia, ale z drugiej daje szansę na zapewnienie poprawnego przebiegu procesu spalania oleju przy ustalonych, w łaściw ie dobranych, param etrach substratów procesu.

2.2. Płomienie olejowe

Płom ienie olejow e charakteryzują się w ysokim i zdolnościami radiacyjnym i i przez to dobrze spełn iają rolę m edium pośredniczącego w procesie przekazyw ania energii chemicznej paliw a, w yzw alanej w czasie spalania, do nagrzewanego obiektu. Jest to szczególnie istotne w takich w arunkach spalania, gdy ogólny poziom tem peratury w kom orze nie je st wysoki.

Sytuacja taka m a m iejsce, na przykład, podczas rozgrzewania kom ór ze stanu zimnego bądź gdy czynnik odbierający ciepło je st z natury niskotem peraturowy (kotły w odne). W takich przypadkach dobre prom ieniow anie płom ienia znacznie intensyfikuje proces przekazyw ania energii.

W ysokie zdolności radiacyjne płom ieni olejow ych w ynikają przede w szystkim z dużej em isyjności tych płom ieni, co je st rezultatem znacznej koncentracji cząstek sadzy posiadają

cej ciągłe w idm o prom ieniow ania. Sadza, jako produkt term icznego rozpadu w ęglowodorów, pow staje w dużych ilościach przy spalaniu paliw ciekłych. Z jednej strony zapew nia to w spom nianą w y so k ą em isyjność płom ienia, lecz z drugiej stwarza niebezpieczeństw o w ystę

pow ania sadzy także poza obszarem płom ienia i tym sam ym pojaw ienia się straty niecałkowi

tego spalania oraz efektu zanieczyszczenia środow iska naturalnego.

(11)

Param etry płom ieni olejow ych zależą zarów no od param elrów substratów , ja k również od konstrukcji zastosow anego palnika oraz od w arunków panujących w kom orze spalania. Ta kom plikacja w pływ ów spraw ia, że nie m a prostych zależności pom iędzy param etram i spalania oleju oraz param etram i uzyskiw anego płom ienia. Jest to sytuacja odm ienna aniżeli w przypadku spalania paliw gazow ych, do których sposobu i zakresu stosow anych urządzeń spalanie oleju je s t najbardziej zbliżone.

N ie m ożna zatem sform ułow ać ogólnie słusznych praw idłow ości dla w szystkich przypadków spalania paliw ciekłych. D la przykładu, w zrost prędkości w ypływ u pow ietrza w przekroju w ylotow ym palnika m oże pow odow ać różne skutki przy różnych konstrukcjach palników . D la je d n y ch rozw iązań następuje w ów czas w zrost tem peratury płom ienia, a dla innych obniżenie. Podobnie m oże być z innym i param etram i substratów oraz płom ienia.

W pracy prezentow ane są rezultaty różnych badań autora w skazujące na m ożliw ość w ystępow ania takich efektów . O kreślono m echanizm i w arunki ich w ystępow ania.

Także em isja w łasna energii prom ieniow ania płom ienia olejow ego, jako funkcja param etrów płom ienia, zależy od szeregu czynników. Interesujące jest, w ja k im zakresie, poprzez zm ianę w arunków spalania, m ożna w pływ ać na w artość tej energii radiacyjnej i jak przez to m oże się zm ieniać efektyw ność procesu przekazyw ania energii w kom orze spalania.

K om pleksow ej oceny w pływ u różnych param etrów substratów procesu spalania paliw a ciekłego na param etry uzyskiw anych płom ieni oraz na w ystępujące w komorze spalania efekty cieplne m ożna dokonać jedynie w w arunkach laboratoryjnych. Taki cel postaw ił sobie autor w niniejszej pracy.

2.3. Cel i zakres pracy

G łów nym celem pracy je s t przeprow adzenie kom pleksow ych badań procesu spalania paliw ciekłych pod kątem określenia praw idłow ości pom iędzy w arunkam i, przy których jest spalane paliw o, a uzyskiw anym i efektam i, czyli param etram i płom ieni oraz cieplnym i skutka

mi ich obecności w kom orze spalania.

B iorąc pod uw agę teoretyczną w iedzę o m echanizm ach procesu spalania oraz praw ach w ym iany ciepła m ożna postaw ić tezę, że na energetyczne efekty spalania paliw ciekłych głów ny w pływ w y w ierają następujące czynniki:

- ja k o ść rozpylania paliw a, czyli rozm iary i rozkład średnic zbioru kropel pow stają

cego za rozpylaczem ,

- param etry pow ietrza u w ylotu palnika: ilość, prędkość, kierunek w ypływ u, - param etry kom ory spalania: stan cieplny, rozm iary, warunki przepływ ow e.

Jakość rozpylania je st uzależniona w zasadniczym stopniu od param etrów czynników przed rozpylaczem oraz od konstrukcji rozpylacza.

B adania u m o żliw iają głębsze poznanie m echanizm u w ystępow ania różnych oddziaływ ań oraz określenie w agi i zakresu w pływ u na nie analizow anych param etrów . Pozw alają też na sform ułow anie w ynikających stąd zaleceń odnośnie do optym alnych w arun

ków eksploatacji palników olejowych.

P otrzeba takich badań uzasadniona je st niedostatkiem w iedzy w tym zakresie przy

czyniającym się do stosow ania często niew łaściw ych param etrów spalania paliw ciekłych, zw łaszcza w dużych kom orach.

K onieczna, ze w zględu na koszty, laboratoryjna skala badań um ożliw iła prze

analizow anie dosyć szerokiego zakresu param etrów spalania, obejm ującego param etry najczęściej stosow ane w rzeczyw istych urządzeniach. W badaniach używ ano dwóch podstaw ow ych typów rozpylaczy: ciśnieniow ego oraz dw uczynnikow ego, przy czym główny zakres badań zrealizow ano przy zastosow aniu rozpylacza dw uczynnikow ego, dającego szersze m ożliw ości zm iany param etrów rozpylania.

U znano, że najbardziej istotne w przeciętnych w arunkach użytkow ania paliw ciekłych są dw a param etry procesu: jakość rozpylania paliwa i stosunek nadm iaru powietrza. Ich zatem w pływ analizow ano przede w szystkim .

D la przyjętej skali badań najbardziej odpow iednim paliw em był olej napędowy, którego w łaściw ości są niem al analogiczne do szeroko stosowanego lekkiego oleju opałowego.

(12)

3. W YBRANE BADANIA WSTĘPNE

3.1. Spalanie oleju przy użyciu rozpylacza ciśnieniowego

3.1.1. Opis stanowiska i zakresu pomiarów

P odstaw ow ym param etrem term icznym każdego płom ienia je s t je g o tem peratura.

D latego tem u param etrow i autor pośw ięcił głów ną uw agę w pierw szych sw oich badaniach laboratoryjnych nad param etram i płom ieni uzyskiw anych przy spalaniu oleju.

P rezentow ane niżej badania przeprow adzone zostały na stanow isku, którego schem at ideowy pokazany je s t na rysunku 3.1 [93].

Spalanie oleju zachodzi w pionow ej, prostopadłościennej kom orze w ykonanej z blachy stalow ej w yłożonej od w ew nątrz w arstw ą substancji ognioodpornej. K om ora ustaw iona je s t na m etalow ym stelażu stanow iącym obudow ę pozostałych urządzeń stanow iska. N a stelażu zam ontow any je st przewód paliw owy z rozpylaczem , którego w ylot skierow any je s t pionow o ku górze. Paliw o ze zbiornika, w yposażonego w poziom ow skaz, podaw ane je st do rozpylacza za pom ocą pom py zębatej z zaw orem regulacyjnym .

Pow ietrze do spalania dostarczane je st z w entylatora i przepływ a kolejno przez przepływ om ierz, przew ód dolotow y oraz zam ontow any na je g o końcu zaw irow yw acz. Na rysunku 3.2 pokazano rozw iązanie w ylotu palnika, a na rysunku 3.3 zastosow ane w badaniach trzy zaw irow yw acze pow ietrza, różniące się polem przekroju w ylotow ego. Z aw irow yw acze w yposażone są w proste łopatki, których kąt odchylenia m ożna dow olnie ustaw ić.

W przedniej ścianie kom ory znajduje się szczelina zam knięta sz y b ą ze szkła kw arcow ego pozw alająca na obserw ację płom ienia, a po usunięciu szyby - łatw y dostęp do palnika. W ścianie tylnej je st druga, w ęższa szczelina um ożliw iająca w prow adzenie końców ki term opary i jej przesuw w zdłuż osi płom ienia.

Spalanym paliw em był olej napędow y, który rozpylano za pom ocą ciśnieniow ego rozpylacza firm y D anfoss. W badaniach używ ano rozpylacza o w ydajności nom inalnej 1.25 kg/h, k tórą uzyskuje się przy ciśnieniu oleju przed rozpylaczem rów nym 0.7 MPa.

W trakcie badań w ynikła jednakże potrzeba zastosow ania dodatkow ych filtrów paliw a przed rozpylaczem w celu zapobiegania zatykaniu kanalików przelotow ych w rozpylaczu, których rozm iary są rzędu 0.1-0.2 mm. Spow odow ało to znaczny w zrost oporów przepływ u, a przez to konieczność podniesienia ciśnienia przed rozpylaczem . O statecznie badania prowadzono przy stałym ciśnieniu oleju rów nym 1.7 M Pa (m ierzonym przed filtram i w czasie przepływ u paliw a), co zapew niało w ydajność rozpylacza rów ną 2.15 kg/h.

W badaniach zm ieniano param etry pow ietrza doprow adzanego do spalania. O ceniano w pływ trzech param etrów pow ietrza na tem peraturę otrzym yw anego płom ienia. Param etram i tym i były: stosunek nadm iaru powietrza, prędkość w ypływ u pow ietrza z palnika oraz kąt nachylenia łopatek zaw irow yw acza. Param etry te w czasie badań zm ieniane były w następujących zakresach:

stosunek nadm iaru pow ietrza: 0.41-1.44, - prędkość w ypływ u pow ietrza: 0.67-11.98 m/s, - kąt nachylenia łopatek: 0-75°.

W artość stosunku nadm iaru pow ietrza odnosi się do strum ienia pow ietrza dostarczanego z w entylatora i przepływ ającego przez zaw irow yw acz. P oniew aż kom ora spalania posiada szczelinę p o m ia ro w ą zatem nie je st szczelna, do płonącej żagwi dopływ a rów nież pow ietrze niekontrolow ane ze w zględu na lekkie podciśnienie panujące w komorze.

O intensyw ności spalania decyduje jednak to pow ietrze, które w ypływ a z palnika razem z paliw em , w je g o bezpośrednim sąsiedztwie.

Rys. 3.1. Schemat stanowiska do pomiaru temperatury w płomieniach olejowych Fig. 3.1. Scheme of stand for measurements of temperature in oil flames

Z a w iro w y w a c z 1 D = 34 m m Z a w iro w y w a c z 2 D = 54 mm Z a w iro w y w a c z 3 D = 72 m m

Rys. 3.2. Wylot palnika olejowego Fig. 3.2. Configuration o f oil burner mouth

Rys. 3.3. Zawirowywacze powietrza Fig. 3.3. Air swirl vanes

(13)

3.1.2. Przeb ieg badań i w yniki pom iarów ; S

W badaniach przeanalizow ano 76 przypadków płom ieni. D la każdego z trzech zaw irow yw aczy prow adzono pom iary przy pięciu w artościach stosunku nadm iaru powietrza:

0.45, 0.75, 1.00, 1.20 i 1.40 oraz pięciu w artościach kąta odchylenia łopatek zaw irowyw acza:

0°, 30°, 45°, 60° i 75°. K ąt odchylenia łopatek m ierzony je st od płaszczyzny przechodzącej przez oś zaw irow yw acza i d o ln ą kraw ędź łopatki. W ykonano także pom iary tem peratury dla p łom ienia uzyskanego bez w ym uszonego przepływ u pow ietrza w entylatorow ego. Spalanie zachodziło tu w pow ietrzu naturalnie dopływ ającym z otoczenia płom ienia. P rzypadek ten badano z o tw artą szczeliną obserw acyjną.

T em peraturę m ierzono w punktach leżących w osi każdego płom ienia. Pom iary w y

konyw ano w punktach odległych od siebie o 1 lub 2 cm w zależności od w ielkości gradientu tem peratury, przy czym zaczynano pom iary od miejsca, w którym tem peratura przekraczała 400 C. O statni p u n k t pom iarow y leżał w odległości 40 cm od w ylotu rozpylacza i w ynikało to z technicznych ograniczeń stanow iska. D la w iększości płom ieni tem peratura zm ierzona w tym ostatnim punkcie przyjm ow ała w artości w przedziale 600-800°C. W sporadycznych przypadkach były to w artości nieco wyższe.

Pom iary prow adzono przy użyciu term opary PtR h-Pt z odsłoniętą spoiną. W yniki takich pom iarów s ą niższe od rzeczyw istych w artości tem peratury w m ierzonych punktach o w ielkość odchyłki spow odow anej prom ieniow aniem spoiny term opary. D la danych w arunków pom iarow ych w artość tej odchyłki je st tym większa, im w yższa je st tem peratura spoiny, zatem jakościow y charakter zm ierzonego rozkładu tem peratury się nie zmienia.

P oniew aż dokładne obliczenie odchyłki pom iarowej je s t trudne i w ym agałoby znajomości jeszcze kilku dodatkow ych param etrów , uznano, że dla potrzeb niniejszych badań nie jest niezbędne. W zajem nego porów nania uzyskanych płom ieni i oceny w pływ u analizow anych param etrów pow ietrza doprow adzanego do spalania na charakterystyki tem peraturow e płom ieni dokonano zatem na podstaw ie w artości bezpośrednich odczytów wskazań term opary.

Spośród w yznaczonych 76 osiow ych rozkładów tem peratury zaprezentow ano tu, w różnych zestaw ieniach, 25 rozkładów w ybranych płom ieni. N a podstaw ie w ykonanych pom iarów w yznaczono w artości średniej tem peratury w osi płom ienia i pokazano ich zależność od badanych param etrów . Ś rednią w yznaczono ja k o średnią w a ż o n ą gdzie wagami były udziały długości odcinków , dla których przyjm ow ano stałą w artość tem peratury, w całkow itej długości odcinka osi palnika, w którym w ykonyw ano pom iary. D ługość stałotem peraturow ych odcinków w ynikała z rozm ieszczenia punktów pom iarow ych.

D oboru pokazanych płom ieni dokonano pod kątem zaprezentow ania praw idłow ości w ystępujących w obrębie badanego zakresu param etrów spalania. Sporządzono odpow iednie zestaw ienia grup charakterystyk tem peraturow ych płom ieni um ożliw iające dokonanie oceny analizow anych w pływ ów .

N a rysu n k u 3.4 zestaw iono cztery w ykresy osiow ych rozkładów tem peratury w płom ieniach otrzym anych przy użyciu zaw irow yw acza 2. N a w ykresach tych, z których każdy dotyczy innej w artości stosunku nadm iaru pow ietrza, w idać w pływ kąta nachylenia łopatek zaw irow yw acza na poziom uzyskiw anej tem peratury i jej rozkład w zdłuż osi płom ienia.

N a rysu n k u 3.5 zestaw iono cztery inne w ykresy rozkładów tem peratury, gdzie widać w pły w zastosow anego zaw irow yw acza. Z aw irow yw acze różnią się rozm iarem zewnętrznej średnicy, a zatem także w ielkością pola przekroju kanału, którym w ypływ a powietrze.

O znacza to, że przy ty m sam ym stosunku nadm iaru pow ietrza różna je st prędkość w ypływ u pow ietrza. P oszczególne w ykresy dotyczą różnych wartości stosunku nadm iaru pow ietrza oraz różnego kąta nachylenia łopatek zaw irowyw acza.

I

Temperaturaw osipłomienia, °CTemperaturaw osipłomienia, °C

Odległość od rozpylacza, cm Odległość od rozpylacza, cm

Odległość od rozpylacza, cm Odległość od rozpylacza, cm

R y s . 3.4. W p ły w k ą ta n a c h y le n ia ło p a te k z a w ir o w y w a c z a p o w ie trz a n a ro z k ła d te m p e r a tu ry w osi p ło m ie n ia p r z y ró ż n y c h w a rto śc ia c h sto s u n k u X n a d m ia ru p o w ie trz a - w y n ik i u z y s k a n e d la z a w ir o w y w a c z a 2: a ) A.=0.45, b ) A.=1.00, c ) X=1.20, d ) X=1.40; • k ą t 0°, X k ą t 30°, A k ą t 45°, ♦ k ą t 60°

F ig . 3.4. In flu e n c e o f a n g le o f in c lin a tio n o f a ir s w irle r v a n e s o n a x is d is trib u tio n o f fla m e te m p e ra tu re f o r a p p ly in g d if fe r e n t X v a lu e s o f a ir e x c e s s ra tio - re s u lts o b ta in e d w h e n a ir s w irle r N o 2 w a s u se d : a ) X=0.45, b ) A=1.00, c ) X=1.20, d ) X.=1.40; in c lin a tio n a n g le : • 0°, X 30°, ▲ 45°, ♦ 60°

(14)

p

OJ

£

Eu t-

Odlegtość od rozpylacza, cm Odległość od rozpylacza, cm

d

Odległość od rozpylacza, cm Odległość od rozpylacza, cm

R ys. 3.5. W pływ p rędkości w y pływ u pow ietrza z p alnika n a rozkład tem peratury w osi p ło m ien ia przy różnych w artościach kąta a n ach y len ia łopatek zaw irow yw acza i różnych w artościach stosunku * nadm iaru p ow ietrza: a) <x=0°, *.=0.45, b ) a = 4 5 ° , *=0.45, c) ct=45°, *=1.20, d) a = 6 0 °, *=1.20; • zaw irow yw acz 1, A zaw iro w y w acz 2, ♦ zaw irow yw acz 3, X przypadek płom ienia bez pow ietrza doprow adzanego z w entylatora

Fig. 3.5. Influence o f velocity o f air flow ing ou t from burner on axis distribution o f flam e tem perature for a p p ly in g differen t a values o f inclination angle o f sw irler vanes and different X values o f a ir e x c e s s ratio: a) tx=0°, * = 0.45, b) a = 4 5 ° , *=0.45, c) ct=45°, *=1.20, d) a = 6 0 °, *=1.20; air swirler: • No 1, A N o 2, ♦ N o 3; X no air delivered from fan

Temp, wosipłom.-średnia, °CTemp, w osi płom.-średnia, "C

1200

1000

800

600

400

1200

1000

800

600

400

Rys. 3.6.

Fig. 3.6.

25

Stosunek nadmiaru powietrza Stosunek nadmiaru powietrza

d

Stosunek nadmiaru powietrza Stosunek nadmiaru powietrza

Wpływ stosunku nadmiaru powietrza na średnią temperaturę w osi płomienia przy różnych wartościach kąta a nachylenia łopatek zawirowywacza: a) a=0°, b) a=30°, c) a=45°, d) a=60°; • zawirowywacz 1, ▲ zawirowywacz 2, ♦ zawirowywacz 3

Mean temperature in flame axis as a function of air excess ratio for applying different a values o f inclination angle o f swirler vanes: a) a=0°, b) a=30°, c) a=45°, d) a=60°; air swirler: • No 1, A No 2, ♦ No 3

(15)

e

i

N a rysunku 3.6 zestaw iono z kolei w ykresy, na k tó rjc h pokazano w pływ stosunku nadm iaru pow ietrza na w artość średniej tem peratury w osi płoTnienia, dla trzech stosow anych zaw irow y w aczy, przy różnych kątach nachylenia łopatek.

3.1.3. A naliza w yników

Przeprow adzone badania um ożliw iają poznanie i ocenę w pływ u podstaw ow ych param etrów pow ietrza dostarczanego do spalania na tem peraturę pow stającego płom ienia olejow ego. N ależy tu zaznaczyć, że niektóre z zaobserw ow anych praw idłow ości nie m ają charakteru uniw ersalnego, lecz są zw iązane z zastosow anym ciśnieniow ym sposobem rozpylania paliw a. Sposób rozpylania paliw a je st bardzo istotnym param etrem w pływ ającym na przebieg procesu spalania paliw a ciekłego i m oże decydow ać o charakterze oddziaływ ania innych param etrów n a proces.

Jakkolw iek n a podstaw ie rezultatów zaprezentow anych na każdym z rysunków 3.4-3.6 m ożna dokonać analizy w pływ u więcej niż jednego z badanych param etrów na tem peraturę płom ienia, to je d n ak w pływ w łaśnie jednego z tych param etrów jest, na poszczególnych rysunkach, w idoczny najw yraźniej. Tak więc, na rysunku 3.4 je s t to w pływ kąta nachylenia łopatek zaw irow yw acza, n a rysunku 3.5 w pływ p rędkości wypływu p ow ietrza z palnika, a na rysunku 3.6 w pływ stosu n ku nadm iaru pow ietrza.

W zrost kąta nach ylenia łopatek istotnie w pływ a na rozkład tem peratury w zdłuż osi płom ienia. N astępuje przybliżenie strefy w yższych tem peratur do w ylotu rozpylacza, a k rzy w ą rozkładu tem peratury w zdłuż osi płom ienia charakteryzują w iększe gradienty.

O bserw uje się najczęściej ogólny w zrost poziom u tem peratury w płom ieniu. Jest to efektem popraw y intensyw ności m ieszania par paliw a i utleniacza w przestrzeni reakcyjnej. Efekt ten najw yraźniej je st zauw ażalny dla w yższych wartości stosunku nadm iaru pow ietrza. W tych przypadkach zastosow anie w iększego zaw irow ania pow ietrza je st zresztą konieczne, gdyż popraw ia stabilność płom ienia.

Jeżeli kąt nachylenia łopatek je s t m ały, czyli kierunek w pływ u pow ietrza z palnika je st niem al rów noległy do osi palnika, to przy w iększych prędkościach w ypływ u pow ietrza, które w ystępują przy w yższych w artościach stosunku nadm iaru pow ietrza, następuje unoszenie płom ienia i pogorszenie je g o stabilności. W idać to szczególnie w yraźnie na przykładach płom ieni przy niezaw irow anym pow ietrzu (kąt 0°), w których ze w zrostem stosunku nadm iaru pow ietrza rejon zapłonu coraz bardziej oddala się od w ylotu palnika. O bserw uje się tu rów nież znaczne obniżenie poziom u tem peratury w płom ieniu.

N a rysunku 3.4 nie zam ieszczono rozkładów tem peratury uzyskanych przy kącie 75°, gdyż różniły się one niew iele od przypadków z kątem 60°, a ich um ieszczenie pogarszałoby czytelność prezentow anych wykresów.

N ajbardziej charakterystyczną p raw idłow ością ja k ą zauw aża się podczas analizy rozkładów tem peratury pokazanych na rysunku 3.5, je st obniżenie tem peratury w płom ieniu pod w pływ em w zrostu p rę d k o ści wypływu pow ietrza z palnika. N a poszczególnych w ykresach zestaw iono po trzy przypadki płom ieni otrzym anych przy tym sam ym kącie odchylenia łopatek zaw irow yw acza oraz tej samej w artości stosunku nadm iaru pow ietrza, ale przy użyciu trzech różnych zaw irow yw aczy, a przez to przy zastosow aniu trzech wartości prędkości w ypływ u pow ietrza z palnika. N a w ykresie a dla kąta 0° i stosunku nadm iaru pow ietrza 0.45 zam ieszczono dodatkow o rezultaty pom iarów dla płom ienia bez pow ietrza w entylatorow ego. N a w szystkich w ykresach najniższe tem peratury w ystęp u ją w płom ieniach otrzym anych przy u życiu zaw irow yw acza 1, w którym prędkość przepływ u pow ietrza jest największa.

W spom niany efekt obniżenia tem peratury przy w zroście prędkości pow ietrza najw yraźniej je s t w idoczny przy słabym zaw irow aniu pow ietrza i m ałych, niższych niż

stechiom etryczne, ilościach pow ietrza w ypływ ającego z palnika. W zrost intensywności zaw irow ania pow ietrza, uzyskiw any przez pow iększenie kąta odchylenia łopatek zaw irow yw acza, zm niejsza te różnice, co w idać przy porów naniu w ykresu a dla a = 0°, X=0.45 z w ykresem ' b dla a= 4 5 °, X.=0.45. W ystępujące niekiedy odw rócenie tej praw idłow ości zauw ażono jedynie przy zaw irowyw aczach 2 i 3, pom iędzy którym i różnice prędkości przepływ u pow ietrza były znacznie m niejsze niż w stosunku do zaw irow yw acza 1 i co m ogło być rezultatem oddziaływ ania innych, nie kontrolow anych system atycznie, czynników , ja k na przykład: tem peratury ścian komory.

M ożna stw ierdzić, że zaobserw ow any w pływ prędkości w ypływ u pow ietrza z palnika na tem peraturę płom ienia je st raczej nieoczekiwany, gdyż w w iększości typow ych przypadków spalania paliw skutki są odwrotne, to znaczy w zrost prędkości w ypływu pow ietrza pow oduje w zrost tem peratury płomienia. Dla potw ierdzenia w ystępow ania zaobserw ow anej praw idłow ości autor przeprow adził odrębne badania laboratoryjne, w czasie których, w podobnych w arunkach, spalany był olej napędowy oraz gaz koksow niczy. Badania w ykazały, że kierunek zm ian tem peratury płom ienia, będących rezultatem w zrostu prędkości w ypływ u pow ietrza, był, przy spalaniu gazu, odw rotny niż przy spalaniu oleju [ 102].

P rzy czy n ą zaobserw ow anego efektu je st negatyw ny w pływ w zrostu prędkości pow ietrza na jak o ść zachodzącego tu procesu rozpylania paliwa. Paliwo rozpylane było za pom ocą klasycznego rozpylacza ciśnieniow ego z kom orą wirową. O jakości procesu rozpylania realizow anego w taki sposób decyduje szereg param etrów , a wśród nich również param etry ośrodka, do którego w ypływ a rozpylana ciecz. W pływ param etrów ośrodka gazow ego w ynika głów nie z oporu aerodynam icznego, na jak i napotyka w ypływ ająca z rozpylacza ciecz. Im siła oporu je st w iększa, tym lepszą uzyskuje się jakość rozpylania, czyli tym m niejsze po w stają krople cieczy.

O oporze aerodynam icznym decydują dw a param etry ośrodka gazow ego: gęstość i prędkość, przy czym chodzi tu o prędkość w zględną między gazem a cieczą w ypływ ającą z rozpylacza. Przy nieruchom ym ośrodku ta prędkość je st rów na prędkości cieczy opuszczającej rozpylacz. Jeżeli gaz porusza się w tym sam ym kierunku co w ypływ ająca z rozpylacza ciecz, to przy wzroście je g o prędkości, w zakresie prędkości m niejszych niż prędkość w ypływ u cieczy, następuje zm niejszenie prędkości w zględnej, a zatem zm niejszanie siły oporu aerodynam icznego. W w yniku tego następuje z jednej strony pogorszenie jakości rozpylania, a z drugiej zm niejszenie intensyw ności m ieszania pow ietrza z paliwem , co w rezultacie pow oduje obniżenie poziom u tem peratury w płomieniu.

N ajw yraźniej efekt ten w ystępuje przy prostym , niezaw irow anym wypływie powietrza. Z m iana kierunku w ypływ u powietrza, którą uzyskuje się przez odchylenie łopatek zaw irow yw acza, w prow adza duże zm iany w tych relacjach.

N ależy zauw ażyć że wyżej opisany m echanizm w ystępuje w ów czas, gdy prędkość w ypływ u cieczy z rozpylacza je st stosunkowo niew iele w yższa od prędkości przepływu pow ietrza w przekroju w ylotow ym palnika, co sprawia, że wprow adzone zm iany wartości tych prędkości m o g ą w yraźnie zm ieniać wzajem ne relacje m iędzy nimi. W badanym przypadku dokładne określenie prędkości cieczy na w ylocie z rozpylacza nie je st łatwe, ale przybliżone obliczenia w sk a z u ją że je st to prędkość rzędu kilkunastu m/s. Przy innej m etodzie rozpylania paliw a, na przykład w rozpylaczach dw uczynnikow ych, efekt wzrostu prędkości pow ietrza m oże być inny.

N a rysunku 3.6 zaprezentow ano w yniki pom iarów opracowane w innej formie, niż to pokazano na rysunkach 3.4 i 3.5. Każdy z badanych płom ieni reprezentow any je st tu przez je d n ą w artość tem peratury. Jest to średnia tem peratura w osi płom ienia obliczona na podsta

wie przeprow adzonych pom iarów. N a poszczególnych w ykresach przedstaw iono wpływ stosunku n adm iaru p ow ietrza na wartość średniej tem peratury w płom ieniach uzyskanych przy trzech różnych zaw irow yw aczach, lecz tym sam ym kącie odchylenia łopatek.

Badania własności oraz parametrów płomienia podczas spalania lekkiego oleju opałowego

NAUKOWE

POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

A ntoni ZAJDEL

BADANIA WŁASNOSCI ORAZ PARAMETRÓW PŁOMIENIA PODCZAS SPALANIA LEKKIEGO OLEJU OPAŁOWEGO

v , ' b b ^ o ; o "

ENERGETYKA

z. 134

GLIWICE 2001

PO L IT E C H N IK A ŚLĄ SK A Z E S Z Y T Y N A U K O W E N r 1521

ł>?)50 I q /\

A ntoni ZAJDEL

BADANIA WŁASNOŚCI ORAZ PARAMETRÓW PŁOMIENIA PODCZAS SPALANIA LEKKIEGO OLEJU OPAŁOWEGO

Gliwice

SPIS TREŚCI

CONTENTS

PRZEDMOWA

w w d

|

3.1.1. Opis stanowiska i zakresu pomiarów

I

i