Горение жидких топлив, имеющих свободную поверхность

      При зажигании жидкого горючего, имеющего свободную поверхность, загорается его пар, содержащийся в пространстве над поверхностью, образуя горящий факел. За счет тепла, излучаемого факелом, испарение резко увеличивается. При установившемся режиме теплообмена между факелом и зеркалом жидкости количество испаряющегося, а следовательно, и сгорающего горючего достигает максимального значения и далее остается постоянным во времени.

Факел устанавливается на некотором удалении от поверхности жидкости. Интенсивность излучения зоны горения на зеркало испарения не зависит от его формы и величины, а зависит только от физико-химических свойств горючего и является характерной константой для каждого жидкого горючего.

Температура жидкого топлива, при которой пары над его поверхностью образуют с воздухом смесь, способную воспламениться от постороннего источника зажигания, называется температурой вспышки.

Поскольку жидкие горючие сгорают в паровой фазе, то при установившемся режиме скорость горения определяется скоростью испарения жидкости с ее зеркала. Тепло, излучаемое факелом на зеркало горючей жидкости, расходуется на подогрев жидкости до температуры кипения и на парообразование. Следовательно, уравнение теплового баланса для 1 м² зеркала испарения имеет вид:

 

                                      q_л = W_г [c_ср(t_к – t_o) +λ_п],

 

где q_л – количество тепла, излучаемого факелом, кВт/м²;

  W_г – массовая скорость горения, отнесенная к единице поверхности испарения, кг/(м²∙с);

  c_ср – средняя теплоемкость жидкости, кДж/(кг∙К);

   t_к  - температура кипения горючей жидкости, К;

   t_{o -}  температура горючей жидкости до опыта, К;

   λ_п – теплота парообразования, кДж/кг.

Значения массовой скорости горения и интенсивности излучения факела для некоторых жидких горючих приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1

Массовая скорость горения и интенсивность излучения диффузионного факела на зеркало испарения

Жидкое горючее	Плотность, г/ см3	Массовая скорость горения, кг/(м2∙ч)	Интенсивность излучения, кВт/м2
Керосин	ρ 19 = 0,845	49,33	12,1
Бензин	ρ 17 = 0,77	80,85	14,3
Бензол	ρ16 = 0,875	45,37	23,3
Метиловый спирт	ρ16  = 0,80ρ	57,60	19,7

 

Процесс горения жидких горючих со свободной поверхностью происходит следующим образом. При установившемся режиме горения за счет тепла, излучаемого факелом, жидкое горючее испаряется. В восходящий поток горючего, находящегося в паровой фазе, посредством диффузии проникает воздух из окружающего пространства. Полученная таким образом смесь образует горящий факел в виде конуса, отстоящего от зеркала испарения на 0,5-1 мм. Устойчивое горение протекает на поверхности, где смесь достигает пропорции, соответствующей стехиометрическому соотношению горючего и воздуха. Длина факела тем больше, чем больше скорость испарения жидкого горючего.

Химическая реакция протекает в очень тонком слое фронта факела, толщина которого не превышает нескольких долей миллиметра. Объем, занимаемый факелом, делится зоной горения на две части: внутри факела находятся пары горючей жидкости и продукты сгорания, а вне зоны горения – смесь продуктов горения с воздухом.

Горение восходящих внутри факела паров жидких топлив можно представить состоящим из двух стадий: диффузионного подвода кислорода к зоне горения и самой химической реакции, протекающей во фронте пламени. Скорости этих двух стадий не одинаковы; химическая реакция при имеющих место высоких температурах протекает очень быстро, тогда как диффузионный подвод кислорода является медленным процессом, ограничивающим общую скорость горения. Следовательно, в данном случае горение протекает в диффузионной области, а скорость горения определяется скоростью диффузии кислорода в зону горения.

Важной особенностью горения жидких горючих со свободной поверхности является большой химический недожог. Появляется он вследствие того, что парообразные углеводороды при движении внутри конусообразного факела до фронта пламени при нахождении в области высоких температур при отсутствии кислорода, подвергаются термическому разложению вплоть до образования свободного углерода (сажи) и водорода по уравнению:

                                            С_nH_m→ nC + mH₂ / 2.

 

Свечение пламени обусловливается нахождением в нем частиц свободного углерода. Часть свободного углерода не успевает сгорать и в виде сажи уносится продуктами сгорания, образуя коптящий факел. Следует отметить, что для жидких топлив интенсивность образования сажи значительно выше, чем для газообразных топлив. Это объясняется высоким значением отношения содержания углерода к водороду в составе топлива. Так, для мазута отношение С/Н = 7,5 – 8 против С/Н = 3,0 – 3.2 для природных газов.

Кроме того, наличие углерода благодаря высокой температуре и пониженному парциальному давлению СО и СО₂ приводит к образованию оксида углерода по уравнению:

                                                              

                                                  С + СО₂ ↔ 2СО.

 

Присутствующие в продуктах сгорания количества углерода и СО обусловливают величину химического недожога. Чем больше содержание углерода в жидком топливе и чем меньше он насыщен водородом, тем больше образование чистого углерода, ярче факел, больше химический недожог.

 

 

                       6.2. Горение капли жидкого топлива

В промышленных топках и печах применяют тяжелые углеводородные топлива (мазут и сырую нефть), интенсификация испарения которых достигается путем увеличения площади удельной поверхности жидкости. Общепринятым способом увеличения площади поверхности испарения является дробление жидкого топлива на мельчайшие частицы (капли), называемое распылением.  

   В технических устройствах жидкое топливо распыляется форсунками того или иного типа и затем поступает в факел в виде капель. При распылении образуются частицы, размер которых составляет от нескольких микрометров (10^-9 м) до десятых долей миллиметра. В результате суммарная площадь удельной поверхности образующихся капель жидкости увеличивается в сотни и даже тысячи раз. Очень мелкие капли успевают полностью испариться при прогреве образуя с окислителем горючую газовую смесь. Эта смесь воспламеняется. Более крупные капли горят в процессе испарения и могут окружаться собственными факелами.

. Поэтому чтобы понять сложный процесс горения факела рассмотрим сначала механизм и закономерности горения отдельной капли.

Рассмотрим процесс горения отдельной капли в неподвижной среде или капли, движущейся в воздушном потоке со скоростью, равной скорости потока. Такой гидродинамический режим наблюдается при горении частиц топлива очень малых размеров, которые в потоке принимают скорость, весьма близкую к скорости движения среды.

При нагревании капли происходит ее испарение. Вначале при температуре ниже температуры кипения топлива испаряются наиболее легкие фракции. По мере повышения температуры начинается испарение более тяжелых соединений. Скорость испарения капли зависит от интенсивности теплообмена между газовой средой и каплей, а также от разности парциальных давлений паров испаряемых фракций в капле и в окружающей среде. В топке между газовой средой и каплей жидкого топлива происходит конвективный и лучистый теплообмен. Удельные тепловые потоки конвекции q_к и излучения q_л, Вт/м², можно

определить из формул:

                                          q_к = α_к(Т_с – Т_к);

 

                                          q_л  = α_л(Т_с – Т_к),

где α_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м²∙К);

  α_л – коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м²∙К);

  Т_с – температура среды в зоне теплообмена, К;

  Т_к – температура поверхности капли жидкого топлива, К.

  Скорость образования пара резко возрастает, когда температура частицы достигает температуры кипения топлива. Навстречу зоне паров горючего диффундирует кислород из окружающей среды. В результате вокруг капли образуется горючая смесь.

  Горение смеси происходит вблизи от капли по сферической поверхности. Концентрация горючего в зоне горения близка к стехиометрической. Так как химическое реагирование смеси паров жидкого топлива с кислородом происходит весьма быстро, то толщина зоны горения обычно составляет несколько долей миллиметра. Продукты сгорания диффундируют в двух направлениях: в сторону капли – в зону паров горючего и в противоположную сторону – в зону их догорания (рис. 6.1).

  Кислород не проникает внутрь замкнутого фронта горения и процесс испарения капли и термического разложения паров топлива протекает в среде без кислорода. В этом случае термическое разложение сопровождается образованием твердых частиц сажи, а тяжелые фракции и зола топлива, оставшиеся в капле после выделения более легких фракций, образуют твердый пористый остаток (кокс). Гетерогенное

          

 

Рис. 6.1. Горение капли в неподвижной среде (а) и в турбулентном

                                                  потоке (б)

горение частиц сажи и коксового остатка значительно увеличивает общую продолжительность процесса сжигания капли и протекает с потерями теплоты от неполного сгорания сажи и кокса.

Характер горения существенно изменяется при движении капли в турбулентном потоке с некоторой относительной скоростью. Вследствие пульсаций газовоздушного потока фронт пламени теряет четкие очертания, пульсирует и местами разрывается. В пространство между каплей и фронтом горения проникает кислород воздуха, благодаря которому наряду с термическим разложением паров горючего происходит также процесс их предварительного окисления (предварительной газификации). В результате окислительных реакций преобразование паров горючего протекает с образованием частично окисленных углеводородных соединений (спиртов, альдегидов). При этом выделение частиц сажистого углерода уменьшается. Если количество кислорода, проникающего в пространство между каплей и фронтом пламени, составляет не меньше 0,4-0,5 от теоретически необходимого для горения, то процесс преобразования паров горючего протекает практически без выделения сажи.

При турбулентном режиме горения, характерном для промышленных установок, скорость диффузии кислорода в зону горения капли выше скорости ее испарения. Поэтому фактором, определяющим скорость горения капли, является продолжительность испарения. Установлено, что продолжительность испарения и выгорания капель очень малого размера пропорциональна квадрату ее начального радиуса, а крупных капель - пропорциональна начальному радиусу капли.

 

                6.3. Сжигание жидкого топлива в факеле

Факельное сжигание жидкого топлива можно осуществлять в прямоточном (незакрученном) и в вихревом (закрученном) потоках. Сначала рассмотрим горение прямоточного факела жидкого топлива (рис. 6.2). Из горелки 2 в топочную камеру подается воздушный поток, в котором с помощью форсунки 1 производится распыление топлива. В результате инжектирования к воздушному потоку подмешиваются горячие топочные газы, что вызывает увеличение его сечения, прогревание и испарение частиц топлива. Нагрев распыленного топлива происходит также за счет поглощения каплями тепла, излучаемого топочными газами.

 

        Рис. 6.2. Схема прямоточного факела жидкого топлива.

 

В факеле в результате молекулярной и турбулентной диффузий пары горючего и воздух перемешиваются, образуя горючую смесь, которая, воспламеняясь, образует факел.

Таким образом, процесс горения жидкого топлива можно разбить на следующие фазы: распыление жидкого топлива, испарение и образование горючей смеси, ее воспламенение и горение.

Воспламенение в устье горелки наступает не сразу, а на некотором расстоянии от ее среза. Зона воспламенения 4 стабилизируется на такой поверхности факела, где скорость поступательного движения горючей смеси равна скорости распространения пламени. Нарушение этого условия может вызвать отрыв факела и его затухание или приближение зоны воспламенения к срезу горелки, что может вызвать ее перегрев и коксование выходного отверстия форсунки.

Горение основной части горючей смеси протекает в слое 5, называемом фронтом горения. При ламинарном режиме движения потока фронт горения имеет четкую границу и очень малую толщину. В

 турбулентном факеле образуется пульсирующий, размытый, местами разорванный факел горения. Его толщина зависит от степени турбулентности и может достигать значительных размеров (до нескольких сантиметров).

Фронт горения делит факел на две части: внутреннюю 3 и наружную 6. Внутренняя часть факела заполнена смесью воздуха, капелек топлива, паров топлива, а также продуктами сгорания, диффундирующими из фронта горения. В ней протекают процессы испарения топлива, образование горючей смеси, нагрев ее, процессы газификации и термические преобразования паров горючего. Нагрев парообразных углеводородов сопровождается их окислением и расщеплением. Процесс окисления начинается при сравнительно низких температурах – порядка 200–300^оС. При температурах 350-400^оС и выше наступает процесс термического расщепления горючего.

Процесс окисления углеводородов благоприятствует последующему процессу горения, так как при этом выделяется некоторое количество тепла и повышается температура, а наличие кислорода в составе углеводородов способствует дальнейшему их окислению. Напротив, процесс термического расщепления является нежелательным, так как образующиеся при этом высокомолекулярные углеводороды, сажа и кокс сгорают трудно. Наличие накаленных частиц сажи обусловливает свечение факела.

  Наружная часть факела заполнена продуктами сгорания, избыточным воздухом, а также газообразными продуктами химически неполного горения и твердыми частицами кокса и сажи, которые в этой зоне догорают. Здесь же протекают процессы испарения и горения наиболее крупных капель, испарение которых не завершилось во внутренней части факела. Поэтому температура в факеле должна поддерживаться на достаточно высоком уровне и для обеспечения интенсивного завершения процесса горения в конце факела должна быть не ниже 1000-1050^оС.

При высокой температуре, характерной для мазутного факела, скорость химических реакций очень высока и значительно превышает скорость испарения и диффузии кислорода в зону горения. Следовательно, горение мазутного факела в целом протекает в диффузионной области.

Для интенсификации горения мазутного факела применяют подогрев воздуха и топлива и искусственную турбулизацию воздушного потока путем его завихрения в горелке. 

Процесс горения факела в закрученной струе протекает аналогично рассмотренному случаю при прямоточной струе. При закрученном движении на оси струи создается зона разрежения, вызывающая приток горячих продуктов сгорания к корню факела (рис. 6.3.). Это обеспечивает устойчивое зажигание.

 

            Рис. 6.3. Схема завихренного факела жидкого топлива

 

Необходимо отметить, что повышение температуры в зоне горения для интенсификации горения мазутного факела одновременно увеличивает интенсивность расщепления молекул избыточного кислорода с образованием атомарного кислорода. Атомарный кислород может вступать в реакции с азотом воздуха и топлива, а также с сернистым газом SO_2, образующимся при горении серы топлива. При этом образуются оксиды азота NO_x и серы SO₃. В свою очередь,  SO₃ вступает в реакцию с водяным паром, содержащимся в продуктах сгорания, с образованием паров серной кислоты:

                                                           

                                          SO₃ + Н₂О = Н₂SO₄.

 

Таким образом, при сжигании мазута образуются как токсичные оксиды азота, так и оксиды серы и пары Н₂SO₄. Последние оказывают губительное действие на животный и растительный мир, вызывают интенсивную сернокислотную коррозию металла.

Сажа, коксовый остаток и свободный углеводород в случае местного недостатка воздуха или недостаточно высокой температуры сгорают не полностью с определенной химической неполнотой горения, окрашивая продукты сгорания в черный цвет – коптящий факел.

Химический недожог, характерный для горения жидких топлив со свободной поверхности, при сжигании их в факеле, соответствующими режимными мероприятиями может и должен быть сведен практически к нулю.

 

Контрольные вопросы

  1. Каковы особенности горения жидкого топлива со свободной                 

          поверхности?

1. Чем определяется скорость горения жидкого топлива со свободной поверхности?
2. Почему при горении жидкого топлива со свободной поверхности всегда образуется коптящий факел.
3. Назовите основные стадии горения жидких топлив.
4. Для чего производят распыление жидкого топлива?
5. Как протекает горение капли в неподвижной среде и в турбулентном потоке?
6. От чего зависит продолжительность горения капли жидкого топлива?
7. Нарисуйте схему прямоточного мазутного факела и укажите его основные зоны.