Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аналитический обзор и выбор направления исследований 18
1.1 Обзор передвижных битумоплавильных агрегатов 18
1.2 Анализ использования полигонов твердых бытовых отходов для получения альтернативного газообразного топлива 24
1.3 Применение газогорелочных устройств в открытых топках передвижных агрегатов 28
1.4 Оценка условий устойчивой работы горелочных устройств в открытых топках передвижных агрегатов 31
1.5 Постановка задач исследования.. 33
1.6 Выводы по главе 35
Глава 2 Экспериментальные исследования использования традиционных и альтернативных топлив в агрегатах с открытым топочным пространством 37
2.1 Экспериментальное планирование. Выявление определяющих факторов и критериев эффективности 37
2.2 Описание экспериментальной установки 40
2.3 Методика проведения экспериментов и описание измерительных приборов 44
2.4 Тепловой баланс битумоплавильного агрегата 50
2.5 Исследование и анализ применения различных видов газообразного топлива в передвижных агрегатах малой производительности с открытой топкой 60
2.6 Экстракция биогаза полигонов ТБО 68
2.7 Выводы по главе 72
Глава 3 Исследование и оптимизация способов сжигания газообразных видов топлива в открытых топках 73
3.1 Исследование газогорелочных устройств для передвижных агрегатов с открытой топочной частью 73
3.2 Оценка конструктивных ограничений и требований, предъявляемых к газогорелочным устройствам передвижных битумоплавильных агрегатов 75
3.3 Экспериментальные исследования технологических аспектов работы газовых горелок в передвижных агрегатах с открытыми топками 81
3.4 Оценка экологического воздействия газогорелочных устройств передвижных агрегатов с открытой топкой 88
3.5 Технолого-экономическая оценка работы горелок различного типа 92
3.6 Исследование параметров устойчивой работы газовых горелок в открытых топках передвижных агрегатов 93
3.7 Выводы по главе 95
Глава 4 Разработка методики расчета оптимальных параметров диффузионных горелок 97
4.1 Постановка экспериментальных исследований для определения параметров диффузионных горелок 97
4.2 Исследование влияния конструктивных особенностей диффузионных горелок на процесс разогрева битума в передвижных агрегатах 98
4.3 Исследование влияния линейных геометрических характеристик топочного пространства и горелок диффузионного типа на процесс разогрева 102
4.4 Исследование диффузионных горелок для агрегатов с широкой топкой 111
Исследование диффузионных горелок для агрегатов с произвольной формой топочного пространства 117
Выводы по главе 122
Практическая реализация результатов исследования 125
Система газоснабжения передвижных битумоплавильных агрегатов 125
Методика расчета оптимальных параметров системы газоснабжения передвижного битумоплавильного агрегата 127
Разработка рекомендаций по выбору метода разогрева строительных материалов в передвижных газопотребляющих агрегатах 135
Компримирование биогаза полигонов ТБО и его использование 138
Автоматизация работы передвижного битумоплавильного агрегата при сжигании газообразных видов топлива 141
Экономическая эффективность использования систем газоснабжения в передвижных битумоплавильных
агрегатах 144
Разработка программного комплекса расчета системы газоснабжения передвижных агрегатов с открытой топкой 147
Выводы по главе 149
Заключение 151
Список использованной литературы
- Анализ использования полигонов твердых бытовых отходов для получения альтернативного газообразного топлива
- Методика проведения экспериментов и описание измерительных приборов
- Оценка конструктивных ограничений и требований, предъявляемых к газогорелочным устройствам передвижных битумоплавильных агрегатов
- Исследование влияния конструктивных особенностей диффузионных горелок на процесс разогрева битума в передвижных агрегатах
Введение к работе
Актуальность проблемы. При ведении работ по созданию и ремонту усовершенствованных дорожных одежд, изоляции сварных стыков трубопроводов, созданию защитных покрытий железобетонных элементов подземных инженерных сетей и других изоляционных работах подготовка битумсодержащих материалов производится в специальных битумоплавильных котлах. Характер ведения работ вынуждает использовать передвижные агрегаты, что в значительной мере ограничивает использование стационарных энергоресурсов.
Наиболее широкое распространение получили битумоплавильные агрегаты, использующие для разогрева энергию сжигаемой древесины и древесных отходов, жидкого и газообразного топлива и электроэнергии.
В ходе экспериментальных исследований, проведенных на базе лаборатории кафедры «Теплогазоснабжение» ВолгГАСУ, доказано, что сжигание древесины приводит к неравномерному распределению температурных полей, вызывая локальный перегрев битумных материалов. При этом удаляемые продукты сгорания оказывают значительное отрицательное экологическое воздействие, а процесс разогрева практически не поддается регулированию и автоматизации, требуя значительных ресурсов на подготовку дров. Эксплуатация агрегатов на жидком топливе и электрической энергии требует высоких капитальных затрат и наличия источника электроэнергии на месте производства работ. Существующие модели битумоплавильных агрегатов, использующих газообразное топливо, не всегда отвечают современным требованиям и не могут работать на нескольких видах газа. В связи с этим целесообразно совершенствование существующих методов разогрева битумных материалов в полевых условиях путем замены используемых источников тепловой энергии газообразными видами топлива и усовершенствования системы газоснабжения битумоплавильных агрегатов для обеспечения требуемых параметров технологического процесса при минимальном воздействии на окружающую среду с учетом уменьшения эксплуатационных затрат.
Условия эксплуатации и конструкции агрегатов, используемых для разогрева вязких материалов, предъявляют повышенные требования к газогорелочным устройствам, что не позволяет использовать серийно выпускаемые горелки. Отсутствуют критерии выбора газогорелочных устройств низкого давления для агрегатов с открытой топкой, обеспечивающих равномерный разогрев материалов. Существующие методики расчета конструкционных параметров горелок не учитывают геометрических характеристик топочного пространства конкретных агрегатов, возможности попеременного сжигания газов с различной теплотой сгорания, динамического изменения давления в топке. Не в полной мере изучены технологические решения по двухстадийному разогреву материалов с применением компримированных газообразных топлив.
Достижение максимальной экономии капитальных средств, затрачиваемых на разогрев битумсодержащих материалов, возможно при использовании не только традиционных видов газообразного топлива (природный газ, паровая фаза СУГ), но и альтернативных, например, биогаза полигонов твердых бытовых отходов (ТБО). В крупных городах полигоны ТБО часто находятся в ведении муниципальных унитарных предприятий, которые занимаются строительством и ремонтом асфальтобетонных дорожных покрытий. Часто неподалеку от полигона располагаются автодорожные строительные управления и базы.
Актуальна разработка методологических основ определения геометрических размеров топочного пространства агрегата и параметров горелочного устройства в зависимости от вида сжигаемого газа с учетом условий работы, производительности и конструкции передвижных агрегатов, диапазона устойчивой работы при динамическом изменении ветровых нагрузок.
Работа выполнялась в рамках подпрограмм «Регулирование качества окружающей природной среды» и «Отходы» в составе федеральной целевой программы «Экология и природные ресурсы России (2002-2010 годы)»; договора о научно-техническом сотрудничестве между Волгоградской государственной архитектурно-строительной академией (в настоящее время ВолгГАСУ) и Муниципальным унитарным предприятием по благоустройству Красноармейского района г. Волгограда (в настоящее время ООО «Благоустройство»); подпрограммы «Автомобильные дороги» в составе федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы России (2002-2010 годы)».
Цель работы – разработка и исследование эффективных способов газоснабжения агрегатов для разогрева битумных материалов с использованием традиционных и альтернативных газообразных топлив, обеспечивающих требуемые технологические параметры, минимизацию негативной экологической нагрузки газоиспользующих агрегатов и полигонов ТБО, снижение капитальных и эксплуатационных затрат.
Поставленная цель работы достигалась решением следующих задач:
исследование работы систем газоснабжения битумоплавильных агрегатов с открытыми топками при сжигании традиционных и альтернативных газообразных топлив и выявление оптимального типа газогорелочного устройства;
разработка конструкции системы газоснабжения передвижных битумоплавильных агрегатов, обеспечивающей попеременное сжигание нескольких газов с различными характеристиками и учитывающей условия эксплуатации газовых горелок на открытом воздухе;
экспериментальное определение влияния геометрических характеристик топочного пространства передвижных битумоплавильных агрегатов на конструктивные особенности газогорелочных устройств;
разработка методики определения оптимальных параметров и конструктивных особенностей газогорелочных устройств для битумоплавильных агрегатов с учетом условий эксплуатации и практических рекомендаций по усовершенствованию процесса разогрева битума в передвижных котлах;
оформление предложенной методики в удобную для использования форму в виде программной оболочки в среде Windows .
Основная идея работы в разработке методики конструирования систем газоснабжения передвижных битумоплавильных агрегатов с открытой топкой, предназначенных для сжигания как традиционных, так и альтернативных газообразных топлив.
Методы исследования включали в себя аналитическое обобщение научных и технических результатов, технологических разработок; физическое моделирование; экспериментальные исследования; обработку опытных данных методами математической статистики.
Достоверность научных положений, выводов и предложенных рекомендаций обоснована планированием необходимого объема экспериментов, соблюдением критериев подобия при моделировании изучаемых процессов, удовлетворительной сходимостью полученных опытных данных, проверкой результатов экспериментальных исследований на действующих образцах.
Научная новизна работы состоит в том, что:
усовершенствована система газоснабжения передвижных битумоплавильных агрегатов с целью использования различных взаимонезаменяемых горючих углеводородных газов;
выработаны критерии выбора газогорелочных устройств для сжигания традиционных и альтернативных газовых топлив, учитывающие условия эксплуатации на открытом воздухе без привлечения дополнительных источников энергии;
получены экспериментальные уравнения по определению параметров топочной части, конструктивных размеров горелочных насадков и времени разогрева битума, на основании которых разработана методика выбора оптимальных параметров системы газоснабжения передвижных битумоплавильных агрегатов с открытой топкой;
определены режимы устойчивой работы газогорелочных устройств при сжигании традиционных и альтернативных газообразных топлив в открытых топках передвижных битумоплавильных котлоагрегатов.
разработан программный комплекс расчета топочной части битумоплавильных агрегатов «БАМП v1.0», имеющий дружественный визуальный интерфейс и предназначенный для работы в среде операционной системы Microsoft Windows .
Практическая ценность работы:
разработана система газоснабжения передвижных агрегатов с открытой топкой, обеспечивающая устойчивое сжигание традиционных и альтернативных газообразных топлив при динамическом изменении ветровых воздействий;
разработана комплексная система снижения экологического воздействия полигонов ТБО и экономии традиционных природных ресурсов за счет использования систем активной дегазации с последующей утилизацией биогаза;
предложена схема технологического цикла разогрева материалов, состоящая из двух стадий: начального разогрева с использованием стационарного источника газа и последующего поддержания требуемой температуры битумных материалов за счет сжигания баллонного газа;
разработаны рекомендации по компримированию и использованию сжатого биогаза полигонов твердых бытовых отходов;
разработана принципиальная схема комплексной системы автоматизации работы битумоплавильного котла.
Реализация результатов работы:
по предлагаемой методике в ряде предприятий и организаций запроектированы, изготовлены и внедрены системы газоснабжения с диффузионными газовыми горелками для передвижных битумоплавильных агрегатов, которые успешно прошли испытания и эксплуатируются в настоящее время, что документально подтверждается соответствующими актами и справками;
программа «БАМП v1.0» используется в качестве основного программного обеспечения для расчета топочной части при проектировании новых и переоборудовании эксплуатируемых битумоплавильных агрегатов в ООО «Благоустройство» Красноармейского района г. Волгограда;
внедрена и применена установка по приготовлению битума с диффузионными горелками в МГП–4 ОАО «Волгоградгоргаз», работающая на природном и сжиженном баллонном газе;
материалы диссертационной работы использованы кафедрой «Теплогазоснабжение» ВолгГАСУ в дипломном проектировании при подготовке инженеров по специальности 290700 «Теплогазоснабжение и вентиляция».
На защиту выносятся:
система газоснабжения передвижных битумоплавильных агрегатов с открытой топкой без использования принудительной подачи воздуха;
результаты экспериментальных исследований по выбору типа газогорелочного устройства в зависимости от параметров работы агрегата;
конструкция газогорелочного устройства, обеспечивающая непрерывность технологического процесса при изменении вида газа и обладающая повышенными ветроустойчивыми характеристиками;
методика выбора оптимальных параметров топочной части передвижных и стационарных агрегатов для разогрева материалов с открытой топкой;
экспериментальные зависимости выбора конструктивных геометрических параметров диффузионных горелок и топочной части передвижных газопотребляющих агрегатов с открытой топкой;
рекомендации по ведению двухстадийного технологического процесса разогрева и поддержания рабочей температуры материалов за счет сжигания альтернативных и традиционных газообразных видов топлива;
комплексная система активной дегазации полигонов ТБО и утилизации извлекаемого биогаза в передвижных агрегатах с открытыми топками.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на III-V Международных научных конференциях «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» Волгоград 2004-2006; VII-X Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области по направлению №16 «Экология, охрана среды, строительство», Волгоград 2002-2005; Ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВолгГАСУ, Волгоград 2005-2006.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 9 печатных работах, в том числе одна статья в издании, входящем в список журналов, рекомендуемых ВАК для публикации.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Результаты исследований представлены на 165 страницах основного текста, включают 20 рисунков, 23 таблицы, список использованной литературы из 149 наименований. Объем приложений составляет 15 страниц.
Анализ использования полигонов твердых бытовых отходов для получения альтернативного газообразного топлива
Резкий рост потребления в последние десятилетия во всем мире привел к существенному увеличению объемов образования твердых бытовых отходов (ТБО). В настоящее время масса потока ТБО, поступающего ежегодно в биосферу достигла почти геологического масштаба и составляет около 400 млн. тонн в год. Влияние потока ТБО остро сказывается на глобальных геохимических циклах ряда биофильных элементов, в частности органического углерода. Так, масса этого элемента, поступающего в окружающую среду с отходами, составляет примерно 85 млн. тонн в год, в то время как общий естественный приток углерода в почвенный покров планеты составляет лишь 41,4 млн. тонн в год.
В Волгограде в год образуется до 2,0 млн. тонн отходов производства и потребления, поэтому перед городом остро стоит задача правильной утилизации отходов.
Одним из основных способов удаления ТБО во всем мире остается захоронение в приповерхностной геологической среде. В этих условиях отходы подвергаются интенсивному биохимическому разложению, которое вызывает, в частности, генерацию биогаза.
Биогаз, состоящий в основном из 55-65 % метана и 35-45 % углекислого газа, образуется на полигоне из-за анаэробного разложения органической составляющей твёрдых бытовых отходов [80]. Для создания благоприятных условий для газообразования на сооружаемом полигоне предусматривается послойная укладка отходов с промежуточной изоляцией пластов. На практике условия в толще отходов не идеальны для функционирования метаногенных микроорганизмов, вследствие чего биологической деструкции с образованием метансодержащего газа подвержено не более четвертой части органических отходов. На правильно спроектированных и управляемых санитарных полигонах отходов может быть извлечено не более 70 % выделяющегося биогаза ТБО. Органическое вещество разлагается на полигонах и свалках отходов в течение 20-50 лет. Активное газообразование в толще складируемых отходов начинается примерно с третьего года от начала складирования, постепенно нарастая, и продолжается 10-15 лет, после чего процесс постепенно замедляется. Поэтому при среднем выходе биогаза ТБО 100 м /т отходов средняя скорость выхода его принимается, как правило, 5 м3/т отходов в год. При строительстве систем сбора и утилизации биогаза ТБО на полигонах и свалках твердых бытовых отходов (из отходов, захороненных в течение последних 15 лет в России, можно получить 2625 млн. м биогаза в год) достигается экономия природного топлива в количестве 2060 тыс. т у.т. при одновременном снижении загрязнения окружающей природной среды [80,114]. Такой энергетический потенциал биогаза свидетельствует о необходимости создания новых способов его утилизации.
Свободное распространение биогаза приводит к загрязнению атмосферы прилежащих территорий, токсичными и дурно пахнущими соединениями. Кроме этого, он является парниковым газом, который усиливает эффект изменения климата Земли в целом. После углекислого газа он вносит второй по величине, 19 %-й вклад в парниковый эффект и проявляет по сравнению с углекислым газом 32-кратное действие в отношении глобального повышения температуры.
Приведенный перечень негативных явлений, обусловленных неконтролируемыми эмиссиями биогаза полигонов ТБО, убедительно свидетельствует о необходимости борьбы с его эмиссиями.
Биогаз полигонов ТБО обладает достаточно большой теплотой сгорания (около 21,5 МДж/м) [80], что позволяет использовать полигоны в качестве источника альтернативного топлива. Для борьбы с неконтролируемыми эмиссиями биогаза на полигоне устраивается система активной дегазации полигона.
Для экстракции газа из тела полигона в настоящее время разработано несколько типов систем. Обычно используется следующая принципиальная схема: сеть вертикальных или горизонтальных газодренажных скважин соединяется линиями газопроводов, в которых компрессорная установка создает разрежение, необходимое для транспортировки биогаза до места использования. Установки по сбору и утилизации монтируются на специально подготовленной площадке за пределами свалочного тела. Скважины располагаются равномерно по территории полигона с шагом 50 - 100 м. Их диаметр колеблется в интервале 200 - 600 мм, а глубина определяется мощностью свалочного тела и может составлять несколько десятков метров.
Методика проведения экспериментов и описание измерительных приборов
После выявления и обособления исследуемых факторов производился розжиг битумоплавильного агрегата и начинался процесс разогрева битума. Через каждые 5 минут производились замеры температур в характерных точках. В соответствии с теорией постановки экспериментов замер производился не менее трех раз. Анализ состава уходящих продуктов сгорания производился после достижения исследуемой моделью постоянно стабильного режима разогрева. Для газообразного топлива при необходимости осуществлялось варьирование соотношения газ-воздух до достижения допустимых параметров путем изменения отношения суммарной площади отверстий газового сопла и диффузора смесителя. Характер горения газового топлива в факеле оценивался визуально.
В виду небольшой протяженности тракта дымоудаления и постоянства сечения дымовой трубы при отсутствии мест интенсивного перемешивания отбор проб для определения их газового состава производился на прямом вертикальном участке газоотводящего тракта в его геометрической середине, на максимальном удалении от местных сопротивлений и мест возможных подсосов воздуха. Скорость отбора пробы газа определялась в каждом конкретном случае и не превышала скорости движения удаляемых продуктов сгорания. Тарировка вытяжной дымовой трубы не производилась ввиду малого ее диаметра и необходимости получения осредненных значений состава отводимых продуктов сгорания.
В ходе проведения экспериментальных исследований измерялись следующие параметры: температура битума и уходящих продуктов сгорания, состав уходящих топочных газов, расход топлива, время.
Для выявления неравномерности разогрева материалов при использовании различных конструкций газогорелочных устройств смонтирован проволочный каркас, в узлах которого закреплены термопары. Схема каркаса приведена на рис. 2.2. Проведенные измерения показали, что температурные поля в одной горизонтальной плоскости при нагревании битума изотермичны в точках замера. Разность температур не превышает погрешность проводимых измерений.
Принципиальная схема каркаса для закрепления мест установки термопар в рабочем пространстве БАМП Замер температуры разогреваемого битума производился компенсационным методом термопарами типа хромель-алюмель. Вторичным прибором для измерения термоэлектродвижущей силы термопар был переносной потенциометр постоянного тока типа ПП-63 [ГОСТ 9245-79 ]. Класс точности прибора 0,05. При измерениях для исключения погрешности производилась поправка показаний потенциометра на температуру свободных концов термопар. Погрешность измерения ЭДС, выраженная в Вольтах, не превышает ±(5-10"4 -С/ + 0.5-АС/), где U- данное показание прибора, В; At/- цена деления шкалы реохорда, В (на используемом пределе «xl» АС/=5-10 5 В).
Контроль замеров проводился портативным цифровым мультиметром DT9208A с термопарой градуировки К. Согласно паспортным данным точность измерения температуры в пределах -40 С 400 С составляет 0,75%±3. Температура окружающего воздуха замерялась лабораторным ртутным термометром по /ГОСТ 28498-90/. Мониторинг температуры уходящих продуктов сгорания производился одновременно с анализом их состава на О2, СО, NO, NOx, SO2 портативным газоанализатором UniGAS. 3000+ производства фирмы Eurotron. Отбор проб уходящих продуктов сгорания осуществлялся непосредственно из дымоотводящего тракта топочной части установки при достижении стабильных технологических параметров работы модели. С помощью компрессора, встроенного в прибор, часть уходящих продуктов сгорания забиралась через зонд и попадала на чувствительный элемент газоанализатора. После преобразования импульса цифровой сигнал передавался на дисплей прибора в виде индикации, отображающей состав уходящих продуктов сгорания, % об. Газоанализатор аттестован и поверен соответствующими службами. Замеры температуры продуктов сгорания производились предустановленной термопарой типа К (хромель-алюмель). Вывод результатов измерений производился на дисплей газоанализатора с последующей распечаткой встроенным устройством. Все измерения состава и температуры отводимых продуктов сгорания производились сертифицированным специалистом, имеющим аттестацию на проведение указанных видов измерений.
Расход газообразного топлива производился газовыми счетчиками. При измерении расхода газа, превышающего 0,6 м /ч, использовался стационарно установленный ротационный счетчик G5. Измерение малых расходов газов проводилось барабанным счетчиком ГСБ-400 с жидкостным затвором. Ротор и корпус газового счетчика выполнены из латуни. Класс точности прибора 1. Номинальный расход газа К=0,4 м /ч. Номинальное рабочее давление не превышает 5885 Па. Потеря давления при номинальном расходе не более 78 Па. Допустимая относительная погрешность измерений ±1 %. После установки счетчика по уровню контролировалась правильность его заполнения водой.
Приведение расхода газообразного топлива к нормальным условиям производилось по показаниям контрольных термометров. Резервуар термометра погружен специальные термометрические гильзы по /ГОСТ 28537-90/, заполненные жидким маслом. Гильзы установлены перед счетчиком на прямолинейном участке. Для отбора импульсов давления в газопровод вмонтированы специальные импульсные штуцеры.
Оценка конструктивных ограничений и требований, предъявляемых к газогорелочным устройствам передвижных битумоплавильных агрегатов
Все виды рассмотренных газогорелочных устройств имеют принципиальные различия в конструкции, что накладывает ограничения на возможность их использования в топках передвижных битумоплавильных котлоагрегатов.
В горелках инфракрасного излучения подмешивание воздуха, необходимого для горения, происходит за счет инжектирующего действия газовой струи, однако в камере всасывания концентрации газа и воздуха сильно дифференцированы по объему, поэтому возникает необходимость в смесительном диффузоре. Поток смеси в нем характеризуется значительным развитием турбулентности, что приводит к выравниванию концентраций. Далее смесь поступает в распределительную коробку, которая является корпусом горелки и служит для равномерного распределения смеси по всей поверхности излучающей панели. Таким образом, горелка представляет собой массивную конструкцию, горелочный насадок которой не всегда может быть размещен в топке БАМП. При использовании набора горелок плоскопанельного типа возникает необходимость в точном позиционировании излучающей поверхности. Передача тепла идет за счет лучистого теплообмена, поэтому несоблюдение параллельности излучающей и тепловоспринимающей поверхности приводит неравномерному нерасчетному нагреву и увеличению теплопотерь в окружающую среду через стенки топочного пространства. К недостаткам инфракрасных горелок следует отнести нерациональную работу в условиях ограниченного объема. При большой площади излучающей поверхности подвод первичного и вторичного воздуха к горелкам, размещенным в глубине топочного пространства, затруднен.
Использование горелок инфракрасного типа представляется перспективным при эксплуатации стационарных установок разогрева или плавления материалов. В качестве поверхности, разделяющей рабочее пространство с битумом и топку, целесообразно применение материла (например, специального стекла) с высокой степенью прозрачности для лучистого теплообмена. При этом агрегат не должен подвергаться каким-либо вибрационным или разрушающим нагрузкам и механическим воздействиям.
Ипжещионные горелки низкого давления достаточно громоздки и должны разрабатываться под каждый тип битумоплавильного агрегата, что объясняется необходимостью тщательного усреднения состава газовоздушной смеси в смесительной камере после диффузора, что увеличивает габаритные размеры всего горелочного блока в целом. Большинство инжекционных горелок, предлагаемых в настоящее время, не могут быть размещены в плавильных агрегатах с низкой топкой. При наличии инжекционной горелки (например, от других газопотребляющих агрегатов) она может быть установлена в БАМП, если размеры топочного пространства позволяют создать условия для качественного развития факела и подвода воздуха в зону горения. К недостаткам газогорелочных устройств инжекционного типа следует отнести сравнительно небольшие пределы регулирования из-за возможности проскока или отрыва пламени. При длительной работе горелки ее корпус нагревается до значительных температур, что может вызвать опасность воспламенения газа в корпусе горелки в процессе смешения.
К недостаткам горелок предварительного смешения (инжекционных и инфракрасных) следует отнести необходимость изменения конструкции горелок при переходе на другой вид газообразного топлива. Чаще всего возникает необходимость в замене сопла перед смесителем, что приводит к остановке работы агрегата до его полного остывания. Технология разогрева битума не допускает значительных колебаний температур. Горелки с регулируемым соплом для сжигания газов с различной теплотой сгорания [35], [139], не оправдали себя в эксплуатации и в настоящее время не выпускаются.
Газовые горелки, работающие с первичным воздухом, достаточно сложны по конструкции. Изготовление смесителей и диффузоров, излучающих поверхностей в инфракрасных и некоторых моделях инжекционных горелок возможно только при использовании специального оборудования, материалов и инструментов. Передвижные битумоплавильные агрегаты часто изготавливаются по мере необходимости непосредственно на производственных базах эксплуатирующих предприятий без унификации что обусловливает невозможность установки и эксплуатации типовых горелок, выпускаемых промышленностью. Проектирование новых битумоплавильных агрегатов, вводимых в эксплуатацию, может осуществляться под выпускаемые типы горелок.
Инжекционные горелки низкого давления могут применяться в битумоплавильных агрегатах, эксплуатируемых стационарно. Такие агрегаты используются при приготовлении изоляционных покрытий непосредственно на территории предприятия при наличии сетевого природного газа.
Исследование влияния конструктивных особенностей диффузионных горелок на процесс разогрева битума в передвижных агрегатах
Если передвижной битумоплавильный агрегат имеет широкую топку, то использование одной диффузионной горелки в виде перфорированной трубы не может обеспечить равномерный прогрев битума в центре и рабочего пространства и по его краям у стенок. Это особенно актуально для передвижных котлов прямоугольного сечения. В подобных случаях используются горелки с огневыми насадками, приведенными на рис. 4.6.
В связи с тем, что в открытой топке передвижного котла невозможно создать устойчивое разрежение и сравнительно затруднен подвод вторичного воздуха в зону горения, использование горелки с центральным расположением газового буферного коллектора (рис. 4.6 б) нецелесообразно. Это объясняется большим объемом занимаемого топочного пространства. К недостаткам следует отнести и очень частое расположение трубок с огневыми отверстиями, т.е. малым шагом между осями рядов соседних трубок sm что вызвано необходимостью обеспечения беглости огня.
При использовании газогорелочных устройств диффузионного типа с фронтальным расположением буферного коллектора (рис. 4.6 а) возможно равномерное распределение тепловой энергии по теплообменной поверхности без ухудшения условий подвода вторичного воздуха. В ряде случаев, после внесения незначительных корректив в конструкцию передвижного битумоплавильного котла, возможна установка буферного коллектора вне топочного пространства агрегата. Металлоемкость горелок с фронтальным коллектором значительно меньше, чем с центральным. Для дальнейших исследований к рассмотрению были приняты горелки с фронтальным буферным коллектором.
На работу передвижного битумоплавильного котлоагрегата с указанными газогорелочными устройствами (рис. 4.6 а) оказывают влияние геометрические параметры огневых насадков, топочного пространства и вид сжигаемого газообразного топлива. Поиск эмпирической интерполяционной формулы для описания зависимости времени разогрева битума до рабочей температуры производился с помощью дробной реплики от полного факторного эксперимента 24. В качестве определяющих относительных факторов варьирования выбраны следующие параметры: низшая теплота сгорания рабочей массы газа; расстояние между осями рядов горелочных трубок; суммарная площадь горелочных отверстий при двухрядной перфорации; суммарная площадь газораспределительных коллекторов. Относительная длина газораспределительного коллектора по результатам предшествующих экспериментальных исследований принята равной 0,75 длины топочного пространства. Расстояния между осями горелочных отверстий для каждого диаметра приняты минимальными из возможных исходя из условий сжигания различных видов газообразного топлива. Исследуемые параметры приведены к относительным факторам для возможности использования полученных зависимостей применительно к любому передвижному битумоплавильному котлоагрегату. Получены следующие приведенные факторы варьирования: относительная теплота сгорания рабочей массы газа О = " , где Qn, Q"pup - соответственно низшая теплота сгорания используемого и природного газа, МДж/м ; относительное расстояние между осями рядов трубок s = - -, "топ где spHd, bmon - соответственно расстояние между осями рядов трубок и средняя ширина топочного пространства, м; 114 I 7C Cl її относительная площадь газовыпускных отверстий w = —-, 4 w где пг, - общее количество газовыпускных отверстий; wmn - площадь теплообменной поверхности, м2; ТТГІ - КПП іСЛ/7 относительная площадь газовых коллекторов W = ——!Ш-, ,утоп где пкол, -количество газораспределительных коллекторов; wmon - площадь поперечного сечения топочного пространства агрегата, м . Указанные факторы варьируются на двух уровнях. Условия эксперимента приведены в табл. 4.5. Таблица 4.5 Условия эксперимента Величина еЧ о s (x2) т/104( з) W(x4) Основной уровень 1,65 0,415 6,22 0,1 Интервал варьирования 1,12 0,085 3,079 0,06 Верхний уровень (+1) 2,77 0,5 9,299 0,16 Нижний уровень (-1) 0,53 0,33 3,142 0,04
В первом приближении выбрана линейная модель. По данным экспериментальных исследований (п.п. 4.3) и эксплуатации горелок, очевидно, что парное взаимодействие может наблюдаться лишь между факторами Q[ и w , s и W1. Влияние линейного взаимодействия между остальными факторами пренебрежимо мало. Двух- и трехфакторные взаимодействия между рассматриваемыми параметрами не встречаются. Применив полуреплику от полного факторного плана, производится 8 экспериментальных наблюдений. Генерирующее отношение х4 = х{х2, определяющий контраст / = ххх2хА. Система оценок для полуреплики сведена в табл. 4.6.
Анализ графической зависимости позволяет сделать вывод, что относительная площадь горелочных отверстий оказывает одинаковое влияние на время разогрева битума до рабочей температуры в битумоплавильных агрегатах с широким топочным пространством вне зависимости от вида сжигаемого газа. Значительное изменение времени разогрева происходит при изменении низшей теплоты сгорания газового топлива и расстояния между осями горелочных трубок. Последнее объясняется изменениями условий теплообмена с окружающей средой. При увеличении расстояния между осями свыше 0,5-6ТОП часть тепловой энергии передается через стенки топочного пространства атмосферному воздуху.
На основании проведенных экспериментальных исследований получена зависимость, устанавливающая связь между диаметром газовыпускных отверстий с геометрическими параметрами огневых насадков, топочного пространства, временем разогрева материала и видом сжигаемого газообразного топлива, м:
В зависимости от конструкции передвижной битумоплавильный агрегат имеет топочное пространство различной формы и размеров. Влияние геометрических характеристик топки рассмотрено выше (п.п. 4.2-4.4). Для охвата всех видов эксплуатируемых передвижных БАМП проведены исследования по оценке работы газогорелочных устройств диффузионного типа в зависимости от объема топочного пространства и площади нагреваемой теплообменной поверхности.
