Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М., страница 6

Кокс, оставшийся после прокаливания, по внешнему виду разделяют на неспекшийся (норошкообразный), слипшийся (один кусок, но состоящий из отдельных частичек) и спекшийся (один кусок без отдельных зерен!. Количество золы определяют взвешиванием остатка навески угля после неоднократного прокаливания в открытом тигле. Содержание золы приводят в массовых долях сухого угля. В прил. 12 дан примерный состав некоторых твердых топлив.

Наибольшее количество исследований прямого сжигания твердого топлива в камерах сгорания ГТД было проведено с использо- 21 ванием каменноутольнои пыли бптуминозных богатых летучими веществами каменных углей, имеющих достаточно высокую теплоту сгорания. 11ри непосредственном сжигании углей в камере сгорания газ на выходе из нее необходимо очищать от твердых частиц золы и шлака во избежание повреждений и изнашивания элементов проточной части турбины. Для обеспечения надежной работы ГТД продукты сгорания перед турбиной не должны содержать твердых частиц размером более 15 — 20 мкм. Два других способа сжигания твердого топлива (после газификации угля в ГТУ с газогенератором и в топке «воздушного котла> ГТУ замкнутого цикла) сопряжены с трудностями регулирования рабочего процесса, а также усложнением установки и повышением ее инерционности.

Для более полного и эффективного использования твердых топлив в ГТД их предварительно перерабатывают. Методы переработки природного твердого топлива, не связанные с химическим превращением его горючей массы, называют физико-механическими. К ним относятся сушка, сортировка, обогащение и дробление. Физико- химические методы связаны с изменением химической структуры вещее~за. Это — газификация, сжижение, углежжение, полукоксование и коксование. Основой этих методов является процесс дистилляцип (сухой перегонки), осуществляемый нагреванием топлива без доступа воздуха.

Сушке подвергают обычно такие топлива, как древесина и торф. Сортировку проходят ископаемые угли для разделения добытой массы по величине кусков. Коксооание каменных углей основано на том, что уголь при нагревании претерпевает существенные изменения. Коксованию подвергаются определенные сорта угля. Схема процесса коксования следующая: после прогревания и подсушки начинает разлагаться ряд сложных соединений угля, причем при температуре более 473 К выделяются первичные смолы и газ.

Проходя через слой раскаленного кокса, пары смолы дополнительно газифицируются. При температуре б73 — 773 К каменноугольная масса переходит в пластическое состояние, что обусловлено расплавлением битумов и растворением в них остальных твердых веществ. При дальнейшем повышении температуры до! 273 — ! 473 К пластическая масса вновь переходит в твердое состояние и получается кокс, который при повторном нагревании сохраняет твердость и прочность.

Кокс используется в основном в металлургической промышленности. Получаемый при коксовании газ может применяться как топливо. 77олукоксованием чаще всего получают жидкое топливо из углей. Полукоксование проходит при температуре 770 — 830 К. Полукокс, смола, газ и подсмольные воды — первичные продукты полукоксования, которые не подвергаются глубоким процессам термического разложения, сопутствующим процессу коксования. Твердый остаток (полукокс) — механически непрочный продукт, он содержит до 20 «« летучих веществ.

Смолы при полукоксовании получается значительно больше, чем при коксовании (табл. 3). Газ, выделяющийся при полу- 22 3. ПримеРный состав продуктов коксования и полукоксования углей Коксоввоге Папукоксоввпие при \270 в 7370 К ~ при 720 в 830 К Продукты Твердый остаток, пгв Газ, мв77 Смола безводная, в70 75 — 77 60 — 70 7 — !О 78 — 80 ЗΠ— 340 2,5 — 3 й 3. ГОРЕНИЕ ТОПЛИВА Условия, необходимые для горения топлива. Для эффективного горения топлива необходимы определенные условия.

Топливо и окислитель образуют смесь, способную вступать в химическую реакцию, а температурные условия вместе с друпгми факторами (условия 23 коксовании, имеет высокую теплоту сгорания (до 33,5 — 37.7 МДж7378), но его выделяется меньше, чем при коксовании. Полукоксованию подвергаются твердые топлива, дающие большой выход первичной смолы и газа: торф, сланцы, бурые угли и битуминозные каменные угли. Обогащение применяется для удаления из природного топлива пустой породы (негорючих материалов).

В результате обогащения увеличивается относительное содержание горючей массы в топливе и теплота сгорания его повышается. Брикетггроврние — переработка угля в куски определенном формы и размеров, практически одинаковой массы (брикеты). Если уголь влажностью до 20 070 содержит достаточное количество битумов, то из него под высоким давлением (до 10 МПае) можно без дополнительных связующих добавок сделать прочный брикет. Однако часто приходится добавлять связку: каменноугольный пек, смолу или КаКуЮ-ЛИбО друГув В КОЛИЧЕСТВЕ дО 7 070.

Дроблением и измельчснпам угольная мелочь измельчается до пылевидного состояния. Угольная пыль применяется в ГТД. Поверхность реагирования дробленого топлива с окислителем больше, чем нераздробленного, а это способствует интенсификации процесса горения. Размер частиц составляет от нескольких единиц до 200 — 300 мкм, с преобладанием пылинок размером 30 — 70 мкм. Тонкость помола определяют просеиванием пыли через ряд сит. Часть пробы, остающаяся на сите после просеивания, называется остатком )с.

Эта величина в процентах от массы исходной пробы н является характеристикой помола. Сита разделяют по номерам 30, 50, 70, 80 и 100. Номер сита указывает число отверстий, приходящихся на 1 см. Так, величина )7п, =. 30 показывает, что 30 йо пробы не проходит через отверстия сита М 70, т. е. частицы имеют размер более 85 мкм. Обычно пыль бурых углей имеет )270 =- 30 —; —:60 070, каменных углей, богатых летучими, — )270 = 10 —:30 370, антрацитов и тощих углей — Рт„= 5 —;15 'о. перемешивания, отвод продуктов сгорания, теплообмен и т. д.) определяют возможность воспламенения и характер горения смеси.

С изменением, например, состава смеси нли температурных условий изменяется скорость горения, состав продуктов сгорания. При определенных условиях возможно прекращение процесса горения. В технике для сжигания топлива в качестве окислителя обычно используется воздух, кислород которого при достаточно высокой температуре соединяется с углеродом, водородом и серой, образуя продукты сгорания (полного окисления): СО,, Н,О и 80з Поскольку объемные доли Оз и )ч, в воздухе составляют примерно 21 и 79 34, очевидно, что в продуктах сгорания будет присутствовать ззот.

Если горение происходит при избытке воздуха, то в продуктах сгорания содержится и некоторое количество кислорода. Кроме того, в продуктах сгорания могут присутствовать продукты неполного окисления горючих элементов: СО. СН и др. Изменяя концентрацию кислорода в воздухе, можно влиять на скорость процесса горения.

В чисгом кислороде достигаются наибольшие скорости реагирования, при объемной доле кислорода в воздухе меньше примерно 15 ')4 сжигание топлива становится невозможным. Количество воздуха, теоретически необходимое для полного окисления всех горючих веществ единицы массы топлива, можно определить следующим образом.

Если в рабочей массе топлива содержатся все три горючих элемента Сг, Нп и Вг, то реакции их полного окисления с указанием молекулярных масс исходных и конечных продуктов будут следующие: С+О,=СО,; 2Н,+0,=2НО; 8-'-, '0.,=50з 12-ц 32=44 4+32=36 32 ';32=64 Для полного окисления 12 кг С нужно 32 кг О,, а значит для горения 0,01 кг С (1 94 по массе) потребуется 0,01 32!12 кг О, дна. логично для горения 0,01 кг Н., и Я необходимо соответственно 0,01 8 и 0,01 1 кг О, Если кислород содержится в самом топливе, то для его горения нужно меньшее количес во кислорода из воздуха ровно на то количество, которое имеется в самом топливе. В этом случае для горения 1 кг ~оплива потребуется кислорода (в кг) йо, = 0,01 2,67Сг — 0,0! 8Не '- 0,018г — 0,0! О".

Так как в воздухе кроме кислорода содержится азот, то масса воздуха (в кг), необходимая для окисления 1 кг топлива, так называемое стехиометрическое количество воздуха, А, = (1 + 76,8~23,2) 7.о, или 7-о=0!149Сг+03448Нг ц 0043! (Вг Ог) (3) Разделив это выражение на плотность воздуха (1,293 кгlм' при давлении 0,1 МПа), получим его стехиометрическое количество, выраженное в единипах объема ',м')кг) Г,— 0 0889С:; 0 267Нг, 00333(8г О"), Обычно при сжигании ! кг топлива подают количество воздуха ), превышающее теоретически необходимое Д,. Отношение 1Л., =- а называется коэффициентом избытка воздуха. Коэффициент избытка воздуха а = (б,'6,),'1.„ где 6,!6,, = 7.; бр и б, — расход соответственно воздуха и топлива, кг,'с.

При полном окислении всех горючих элементов топлива в теоретически необходимом количестве воздуха (а = 1) и отсутствии потерь теплоты температура продуктов сгорания будет максимально возможной прп горении данного топлива. Действительная температура горения зависит от теплоты сгорания топлива, начальной температуры исходной смеси, состояния топлива и окислителя, степени долноты сгорания, условий теплоотдачи и др. Так, например, температура горения при постоянном давлении отличается от температуры горения прн постоянном объеме. При расчете температуры горения — конечной температуры Т„ продуктов сгорания — считают, что вся выделившаяся теплота Я передается продуктам сгорания. Тогда температура Тр будет зависеть от количества теплоты Я, количества продуктов сгорания и их теплоемкости, а также от начальной температуры Т„смеси.