Мазутные форсунки
По способу распыливания жидкого топлива мазутные форсунки можно разделить на три основные группы: механические; с распиливающей средой; комбинированные. В механических форсунках распыливание осуществляется главным образом за счет энергии топлива при продавливании его под значительным давлением через малое отверстие - сопло (рис. 5.1, а), или за счет центробежных сил, создаваемых при закручивании топлива (рис. 5.1,б), или при вращении элементов самой форсунки (рис. 5.1,в). Дальнейшее размельчение полученных капель происходит под воздействием давления окружающей среды.
Мазутные форсунки с распиливающей средой осуществляют распиливание топлива главным образом за счет энергии движущегося с большой скоростью распыливателя - пара или воздуха (рис. 5.1,e). В комбинированных форсунках (рис. 5.1, е) распиливание топлива осуществляется за счет совместного использования энергии топлива, подаваемого под давлением, и энергии распыливающей среды.
Дроблению выходящей из форсунки струи топлива способствуют возникающие в ней пульсации (колебания), интенсивность которых зависит от скорости истечения струи. Волновые колебания благоприятствуют распаду струи на отдельные капли. Дальнейшее дробление капель при их движении происходит вследствие превышения давления окружающей среды над силами поверхностного натяжения, стремящимися сохранить сферическую форму капель.
Для определения среднего диаметра капли dcp используют, в частности, критериальные зависимости вида
где D - характерный геометрический размер (диаметр сопла); We = Dw2pr/σ - число Вебера (для форсунок с распыливающей средой); w - относительная скорость распыли геля и распиливаемой жидкости, Рг - плотность распылителя (окружающей среды); 0 - коэффициент поверхностного натяжения жидкости; Lp = σD/(v2жpж) - число Лапласа; рж - плотность распыливаемой жидкости; vж - кинематическая вязкость жидкости; vг - кинематическая вязкость распылителя (окружающей среды); Re = wD/vж- число Рейнольдса (для механических форсунок); Gг/Gж - удельный расход распылителя (для форсунок с распыливающей средой).
Число Вебера характеризует соотношение инерционных сил распыляющего потока и сил поверхностного натяжения жидкости, число Лапласа - соотношение сил вязкости и поверхностного натяжения Жидкости. При расчетах используют и другие системы критериев.
С повышением температуры распыливаемой жидкости поверхностное натяжение изменяется незначительно. Однако при этом заметно уменьшаются силы внутреннего (вязкостного) трения. Поэтому для уменьшения вязкости и улучшения распыливания мазут перед сжиганием подогревают до 90- 120 °С, что облегчает также условия транспорта его по трубопроводам Для подогретого мазута влияние вязкости на тонину распыливания оказывается несоизмеримо меньшим влияния инерционных сил и сил поверхностного натяжения. Таким образом, размеры получающихся капель зависят от особенностей форсунки и уменьшаются с уменьшением выходного ее отверстия, с понижением поверхностного натяжения жидкости, с увеличением относительной скорости капли и среды и с увеличением плотности последней.
Для механической центробежной форсунки (рис. 5.1,6) тонина распыливания определяется в основном скоростью истечения жидкости, которая зависит от перепада давления на форсунку Δр. Средний размер капель dcp обратно пропорционален перепаду давления Δр0,35/0,5 прямо пропорционален диаметру сопла D0,5/1. Для форсунки с распыливающей средой важнейшим фактором, определяющим тонину распыливания, является относительная скорость распыливающего потока и жидкости w. Средний размер капель dcp обратно пропорционален относительной скорости w0,9/1,25 и прямо пропорционален начальному диаметру сопла (струи) D0,4/0,55 .
Во избежание застывания мазута в трубопроводах мазутные линии прокладывают вместе с паровыми и снабжают общей изоляцией. Распыливание мазута механическими форсунками. При механическом распыливании качество последнего в значительной мере зависит от давления мазута, создаваемого насосом. Обычно мазут поступает к форсункам под давлением 2,0-3,5 МПа. Наличие механических примесей в мазуте и малые выходные отверстия форсунок (1,5-3,5 мм) обусловливают необходимость тщательной фильтрации мазута перед сжиганием.
Для механических форсунок вязкость мазута рекомендуется поддерживать около 2,5 °ВУ. Для достижения этой вязкости мазут марок 40 и 40 В рекомендуется подогревать до 90-100 °С, марок 100 и 100 В - до 110-120 °С.
Механические мазутные форсунки. Широкое распространение получили механические форсунки завода «Ильмарине». На рис. 5.2 показана механическая форсунка типа ОН-547, предназначенная для распыливания топочного мазута по ГОСТ 10585-75 в топках стационарных паровых котлов. Мазутные форсунки выпускаются нескольких типоразмеров. При давлении мазута перед форсункой 2,0 МПа производительность форсунки (типоразмер ОН-547-02) составляет 0,167 кг/с, а при давлении 3,5 МПа - 0,22 кг/с. В пределах одного типоразмера мазутные форсунки выпускаются длиной от 400 мм до 4000 мм. К распыливающей головке мазут поступает через ствол, проходит через отверстия распределителя в кольцевой канал, затем по тангенциальным каналам завихрителя попадает в камеру завихрения, приобретая вращательно-поступательное движение, и далее выбрасывается через сопло в топку в виде пленки, имеющей форму гиперболоида вращения - пелены Взаимодействуя с окружающей газовой средой за счет возникающих пульсаций, пелена распадается на капли, которые в свою очередь от воздействия среды дробятся на мельчайшие капельки.
Производительность механических форсунок регулируют изменением давления мазута перед форсункой, вследствие чего они имеют малый диапазон регулирования. Так, если учесть, что производительность форсунки изменяется примерно в соответствии с соотношением
то при изменении давления, например, в 3 раза расход изменяется в 1,73 раза. Снижение давления ниже 11,2 МПа по условиям обеспечения необходимой тонины распыливания мазута не рекомендуется. В связи с этим более глубокое понижение нагрузки котла может быть осуществлено путем выключения части форсунок.
Следует отметить, что имеются специальные конструкции механических форсунок, позволяющие регулировать производительность в достаточно широком диапазоне (форсунки с рециркуляцией мазута, вращающиеся и др.). Некоторые типы этих форсунок, а также комбинированные форсунки рассматриваются далее (см. рис. 5.4-5.6). Распиливание мазута форсунками с распыливающей средой. Для распыливания мазута форсунками высокого давления применяют пар или компрессорный воздух (см. рис. 5.1, г), а форсунками низкого давления - воздух, подаваемый вентилятором (см. рис. 5.1,(3). При паровой пульверизации мазута применяют пар давлением 0,5-2,5 МПа. Удельный расход пара при этом составляет 0,3- 0,35 кг/кг мазута.
При воздушной пульверизации мазута в форсунках высокого давления воздух, подаваемый компрессором, имеет давление 0,3-0,6 МПа, а его удельный расход составляет 0,6-1 кг/кг мазута. Через форсунку в этом случае поступает всего около 5-10 % воздуха, необходимого для полного сгорания мазута. Остальной воздух подается к корню факела. В форсунках высокого давления относительная скорость распыливающего агента доходит до 1000 м/с, чем обеспечивается хорошее дробление капелек мазута с получением тонкого распыла. Давление мазута перед форсунками с учетом относительно больших размеров их каналов может быть небольшим. Менее жесткие требования предъявляются к очистке мазута.
Перед высоконапорными форсунками с паровым или воздушным распылом вязкость мазута должна быть около 6° ВУ, поэтому при работе на мазуте марки 40 рекомендуется поддерживать его температуру не ниже 85 °С, при работе на мазуте марки 100-105°С.
Паровые высоконапорные мазутные форсунки характеризуются значительным потреблением энергии - на распыливание мазута расходуется до 5 % выработки пара котлом. При сжигании мазута с паровым и воздушным распыливанием применяют форсунки различных конструкций. На рис. 5.3 показаны мазутные форсунки парового распыливания типа ФП завода «Ильмарине».
Из входного штуцера мазут попадает в кольцевой канал ствола форсунки между внутренней и наружной трубками. Пар поступает во внутреннюю трубу и выходит через расширяющееся сопло с высокой скоростью. Мазут, пройдя кольцевой канал, попадает в поток пара через кольцевую щель, образуемую отрезком сопла паровой трубы и внутренней конической поверхностью диффузора, где и распиливается. Качество распыливания мазута зависит от скорости истечения пара. Имеющийся на выходе форсунки насадок предназначен для увеличения угла раскрытия конуса распиливаемого мазута. Паровые форсунки типа ФП выпускаются различных типоразмеров производительностью по мазуту до 0,5 кг/с (1800 кг/ч). Давление пара перед форсункой 0,4- 2,5 МПа, давление мазута - 0,4-0,5 МПа. Относительный расход пара на распыл мазута 0,4 кг/кг. Для улучшения взаимодействия пара и мазута применяются также форсунки с многосопловым распыливателем.
Паровые мазутные форсунки характеризуются высоким качеством распыливания. Регулирование производительности осуществляется в широких пределах. Однако паровое распыливание мазута приводит к потере конденсата, к увеличению содержания водяных паров в продуктах сгорания и к повышенным потерям с уходящими газами, а также к усилению коррозии поверхностей нагрева. Работа таких форсунок отличается повышенным шумом.
Высоконапорные мазутные форсунки с воздушным распыливанием мазута не только распыливают топливо, но и интенсифицируют горение. Для высоконапорного воздушного распыливания (давление воздуха 0,5-2,5 МПа) могут быть использованы форсунки, предназначенные для парового распыливания.В форсунках с распыливающей средой низкого давления (см. рис. 5.1, д) применяют воздух под давлением 0,002-0,007 МПа. Через форсунку подают 50-100 % воздуха, необходимого для сгорания мазута, поэтому такие форсунки имеют относительно большие размеры. Мазут к форсунке поступает под небольшим давлением (0,03- 0,2 МПа).
Сравнительная оценка форсунок механических и с распыливающей средой. Как следует из рассмотренного, механические мазутные форсунки по сравнению с форсунками с распыливающей средой требуют более тонкой очистки мазута, что усложняет мазутное хозяйство предприятия. По сравнению с высоконапорными паровыми механические форсунки дают более грубое распиливание. Так, при давлении мазута около 2 МПа средний размер капелек составляет около 40 мкм, а при распыливании паром с давлением 1 МПа - около 2 мкм. Важнейшим преимуществом механических форсунок перед паровыми является значительно меньший (примерно в 10 раз) расход энергии на собственные нужды. Они создают при работе значительно меньший шум, более компактны. Работа механических форсунок не вызывает увеличения содержания водяных паров в продуктах сгорания, как это имеет место при паровых форсунках. Механические мазутные форсунки дают более короткий факел с большим углом раскрытия.
Существенным недостатком обычных механических форсунок является относительно малый диапазон изменения их производительности (80-100% по сравнению с 20-100% у паровых форсунок). С учетом изложенного для котлов средней и большой производительности при постоянной работе на мазуте применяют механические мазутные форсунки как наиболее экономичные. Паровые мазутные форсунки используют для установок малой мощности и в качестве растопочных. Распиливание мазута комбинированными форсунками. Устранение основного недостатка механических форсунок - малого диапазона регулирования производительности - достигается применением комбинированного паромеханического распыливания мазута. Используемые для этого мазутные форсунки (рис. 5.4) при повышенных нагрузках котла работают как механические, а при малых нагрузках (менее 60%), а также в пусковых режимах в них подают также пар.
К комбинированным могут быть отнесены и ротационные мазутные форсунки завода «Ильмарине» (рис. 5 5). Мазут по центральному трубопроводу подается в распиливающую чашу с частотой вращения 5-7 тыс об/мин. Мазут распределяется по внутренней поверхности чаши и в виде тонкой пленки выбрасывается в топочною камеру, дроблению пленки способствует первичный воздух, поступающий при давлении 0,01 МПа через зазор на выходе из чаши. Воздух подается крыльчаткой вентилятора, сидящеи на одном валу с приводом чаши В качестве привода применяются электродвигатели с большой частотой вращения, а также воздушные и паровые турбины. Первичный воздух составляет около 20 % общего количества воздуха, необходимого для горения мазута Остальной воздух посыпает в топку через кольцевое пространство, образуемое соплом и кожухом форсунки. Ротационные мазутные форсунки не требуют тщательной фильтрации мазута, дают хорошее распиливание и обладают широким диапазоном регулирования производительности (15-100%). Недостатками таких форсунок являются сложность конструкции и шум при работе. В последнее время благодаря указанным положительным особенностям ротационные форсунки начинают находить все расширяющееся применение как автономные мазутные форсунки, так и в комбинированных газомазутных горелках.
