опишите процесс горения жидкого топлива в факеле

Так как горение жидких топлив происходит после их испарения в паровой фазе, то его интенсификация связана с интенсификацией испарения и смесеобразования. Это достигается за счет увеличения поверхности испарения путем распыления жидкого топлива на мельчайшие капельки и хорошего смешения образовавшихся паров с воздухом при равномерном распределении мелкодисперсного топлива в нем. Эти две задачи выполняют, применяя горелки с форсунками, которыми распыляют жидкое топливо в потоках воздуха, подаваемых в камерную топку через воздухонаправляющие аппараты горелок. Рассмотрим вначале горение прямоточного факела жидкого топлива. Воздух, необходимый для горения, подается в устье форсунки, захватывает тонко распыленное жидкое топливо и образует в топочной камере неизотермическую затопленную струю (рис. 10-2). Струя, распространяясь, нагревается за счет увлечения продуктов сгорания высокой температуры. Мельчайшие капельки жидкого топлива, нагреваясь благодаря конвективному теплообмену в струе, испаряются. Нагрев распыленного топлива происходит также за счет поглощения ими тепла, излучаемого топочными газами и раскаленной обмуровкой. На начальном участке и в особенности в пограничном слое струи интенсивный нагрев вызывает быстрое испарение капель. Пары горючего, смешиваясь с воздухом, создают газовоздушную горючую смесь, которая, воспламеняясь, образует факел. Таким образом, процесс горения жидкого топлива можно разбить на следующие фазы: распыление жидкого топлива, испарение и образование газовоздушной смеси, воспламенение горючей смеси и горение последней. Температура и концентрация газовоздушнои смеси изменяются по сечению струи. По мере приближения к внешней границе струи температура повышается, а концентрация компонентов горючей смеси падает. Скорость распространения пламени в паровоздушной смеси зависит от состава, концентрации и температуры и достигает максимальной величины в наружных слоях струи, где температура близка к температуре окружающих топочных газов несмотря на то, что здесь горючая смесь сильно разбавлена продуктами сгорания. Поэтому воспламенение в мазутном факеле начинается у корня с периферии и затем распространяется вглубь струи на все сечение, достигая ее оси на значительном расстоянии Lзв от форсунки, равном перемещению центральных струй за время распространения пламени от периферии до оси. Зона воспламенения принимает форму вытянутого конуса, основание которого находится на малом расстоянии от выходного сечения амбразуры горелки. Положение зоны воспламенения зависит от скорости смеси; зона занимает такое положение, при котором во всех ее точках устанавливается равновесие между скоростью распространения пламени и скоростью движения. Центральные струи, имеющие наибольшую скорость, затухают по мере продвижения в топочном пространстве, определяя длину зоны воспламенения местом, где скорость падает до абсолютной величины скорости распространения пламени. Горение основной части парообразных углеводородов происходит в зоне воспламенения, занимающей наружный слой факела небольшой толщины. Горение высокомолекулярных углеводородов, сажи, свободного углерода и неиспарившихся капель жидкого топлива продолжается за зоной воспламенения и требует определенного пространства Lд, обусловливая общую длину факела Lф. Зона воспламенения / делит пространство, занимаемое факелом, на две области: внутреннюю 2 и наружную 3. Во внутренней области протекает процесс испарения и образования горючей смеси. Во внутренней области парообразные углеводороды подвергаются нагреву, который сопровождается окислением и расщеплением их. Процесс окисления начинается при сравнительно низких температурах — порядка 200—300°С. При температурах 350—400°С и выше наступает процесс термического расщепления. 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 сгорают трудно. Горение углеводородов представляют протекающим по следующей схеме. Оно начинается с присоединения ими кислорода с образованием спиртов и альдегидов. Образующиеся спирты и альдегиды или расщепляются, или окисляются далее до формальдегида по следующим реакциям: СНзОН+О2→НСНО + Н2О; СН3СНО + 02→НСНО + СО + Н20. Образовавшийся формальдегид в зависимости от избытка кислорода может вступить в одну из трех следующих реакций: 1) при отсутствии кислорода происходит расщепление на водород и окись углерода
СН20→СО + Н2; 2) при наличии кислорода — частичное окисление с выделением
продукта полного горения водорода CH20 + ½02 →Н20 + СО;
3) при большом количестве кислорода происходит полное сгорание формальдегида
CH20 + 02 = CO2+H2O. Отсюда видно, что если предварительное окисление углеводородов успевает закончиться образованием формальдегидов, процесс горения пойдет без образования тяжелых углеводородов и, в частности, сажи, так как даже в случае местного недостатка кислорода могут образоваться лишь Н2 и СО, сравнительно легко и быстро дожигаемые в топочном пространстве. Таким образом, окислительные процессы благоприятствуют успешному ходу горения углеводородов и поэтому являются желательными. В таких благоприятных условиях протекает горение периферийных струй. Распыленное жидкое топливо центральных струй факела при своем движении во внутренней области до зоны воспламенения находится в среде, менее насыщенной кислородом, и более длительно пребывает в этой области. В этих условиях пары углеводородов, обладая определенной теплоустойчивостью, продолжают нагреваться до некоторого температурного предела, после которого наступает процесс теплового расщепления. В случае местного недостатка кислорода процесс расщепления может продолжаться и во внешней зоне. Характер расщепления главным образом зависит от температуры и в меньшей степени от природы сжигаемого мазута; при температурах до 500°С сложные углеводороды расщепляются более симметрично с образованием более мелких молекул; при повышении температуры расщепление происходит все ближе к концам цепи строения молекул. При температуре 650°С и выше расщепление происходит несимметрично с образованием, с одной стороны, водорода и простейших углеводородов, а с другой стороны — тяжелых, сложных углеводородов вплоть до высокомолекулярных углеводородов, очень богатых углеродом, т. е. кокса или сажи, которые сгорают весьма трудно.
Из нефтяных топлив в энергетике применяется лишь мазут. Мазут представляет собой остаток от перегонки нефти при температуре порядка 300°С, но ввиду того, что процесс перегонки происходит не полностью, мазут при температурах ниже 300°С еще выделяет некоторое количество паров более легких погонов. Поэтому при входе распыленной струи мазута в топку и постепенном нагревании часть его превращается в пары, а часть еще может находиться в жидком состоянии даже при температуре порядка 400°С. Поэтому при сжигании мазута необходимо способствовать протеканию окислительных реакций и всемерно препятствовать термическому разложению при высоких температурах. Для этого весь воздух, необходимый для горения, следует подавать в корень факела. В этом случае наличие большого количества кислорода во внутренней области будет, с одной стороны, благоприятствовать окислительным процессам, а с другой — понижать температуру, что обусловит расщепление молекул углеводородов более симметрично без образования значительного количества трудно сжигаемых высокомолекулярных углеводородов. Смесь, получающаяся при сжигании мазута, содержит паро и газообразные углеводороды, жидкие более тяжелые погоны, а также твердые соединения, образующиеся в результате расщепления углеводородов (т. е. все три фазы — газообразную, жидкую и твердую). Паро и газообразные углеводороды, смешиваясь с воздухом, образуют горючую смесь, горение которой может протекать по всем возможным способам горения газов. Аналогично сгорает и СО, образовавшийся при горении жидких капель и кокса. В факеле зажигание капель осуществляется за счет конвективного нагрева; вокруг каждой капли устанавливается зона горения. Горение капли сопровождается химическим недожогом в виде сажи и СО. Капли высокомолекулярных углеводородов при горении дают твердый остаток — кокс. Образующиеся в факеле твердые соединения — сажа и кокс сгорают так же, как происходит гетерогенное горение частиц твердого топлива. Наличие накаленных частиц сажи обусловливает свечение факела. Свободный углеводород и сажа в среде с высокой температурой при наличии достаточного количества воздуха могут сгореть. В случае же местного недостатка воздуха или недостаточно высокой температуры
они сгорают не полностью с определенной химической неполнотой горения, окрашивая продукты сгорания в черный цвет — коптящий факел. Зона догорания газообразных продуктов неполного сгорания и твердых частиц, следующая за зоной горения, увеличивает общую длину факела Lф. 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. Таким образом, для интенсификации сжигания мазута необходимо хорошее распыление. Предварительный подогрев воздуха и мазута способствует газификации мазута, поэтому будет благоприятствовать зажиганию и горению. Весь воздух, необходимый для горения, следует подавать в корень факела. При этом рациональной конструкцией воздухонаправляющего устройства горелки, правильной установкой форсунки и соответствующей конфигурацией амбразуры горелки необходимо обеспечить хорошее перемешивание распыленного топлива с воздухом, а также перемешивание в горящем факеле и в особенности в конечной его части. 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°С. Факелу должно быть обеспечено достаточное пространство для развития процесса горения, так как в случае соприкосновения продуктов сгорания (до завершения процесса горения) с холодными поверхностями нагрева парогенератора температура может настолько понизиться, что содержащиеся в газах недогоревшие частицы сажи и свободного углерода, а также высокомолекулярные углеводороды не смогут гореть.