Теория горения жидкого топлива

http://040676.ru/?cat=4

Теория горения жидкого топлива

Д. М. ХЗМАЛЯН, Я. А. КАГАН
ТЕОРИЯ
ГОРЕНИЯ
И ТОПОЧНЫЕ
УСТРОЙСТВА
Под ред. доктора техн. наук, проф. Д. М. ХЗМАЛЯНА

Допущено Министерством высшего и средиего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов теплоэнергетических специальностей высших учебных заведений

ГЛАВА ДЕСЯТАЯ
ГОРЕНИЕ ЖИДКИХ ТОПЛИВ
10-1. ГОРЕНИЕ ЖИДКИХ ТОПЛИВ СО СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Каждое жидкое горючее, так же как любое жидкое вещество, при данной температуре обладает определенной упругостью пара над своей поверхностью, которая увеличивается с ростом температуры.
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.
Опыты показывают, что при сжигании жидких топлив со свободной поверхностью горение протекает в паровой фазе; факел устанавливается на некотором удалении от поверхности жидкости и ясно видна темная полоска, отделяющая факел от обреза тигля с жидким горючим. 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 горючего, при которой пары над его поверхностью образуют с воздухом смесь, способную воспламениться при поднесении 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. Ввиду того что тепло, излучаемое факелом на зеркало горючей жидкости, расходуется на подогрев жидкости до температуры кипения и на парообразование, можно записать уравнение теплового баланса для 1 м2 зеркала испарения в виде
qл = Wг[Сср(tK—t0)+ лп] (10-1)
В уравнении (10-1):
qл — количество тепла, излучаемого факелом на зеркало жидкости, кВт/м2;
Wг— скорость горения, отнесенная к единице поверхности испарения, кг/(м2*с);
Cср — средняя теплоемкость жидкости, кДж/(кг*К);
tK — температура кипения жидкости, К;
t0— температура горючей жидкости до опыта, К;
лп — теплота парообразования, кДж/кг.
Из уравнения (10-1) видно, что для данной жидкости массовая скорость горения со свободной поверхности зависит от температуры подогрева жидкости и интенсивности излучения ее диффузионного факела на зеркало испарения, а для различных жидкостей зависит также от величины теплоты парообразования и теплоемкости.

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. Это предположение следует из тех же соображений, что и в случае диффузионного горения газа, изложенного в § 9-3.
Химическая реакция протекает в очень тонком слое фронта факела, толщина которого не превышает нескольких долей миллиметра. Объем, занимаемый факелом, зоной горения делится 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.
Так как условия подвода кислорода к зоне горения при сжигании различных жидких горючих со свободной поверхности примерно одинаковы, следует ожидать, что скорость их горения, отнесенная к фронту пламени, т. е. к боковой поверхности факела, также должна быть одинаковой, а длина факела будет тем больше, чем больше скорость испарения.
Массовая скорость горения, отнесенная к фронту пламени для одного и того же горючего, не зависит от величины и формы зеркала испарения и является постоянной величиной. Для различных горючих с увеличением теплоты сгорания массовая скорость горения уменьшается, а скорость выделения тепла, отнесенная к единице фронта пламени, т. е. теплонапряжение зоны горения, остается примерно одинаковой. Некоторые отклонения в значениях скорости горения, отнесенной к фронту пламени, объясняются трудностями определения поверхности факела.
Таким образом, можно сделать интересный вывод: теплонапряжение боковой поверхности факела, устанавливающегося над свободной поверхностью жидкого горючего, практически не зависит от диаметра тигля и рода топлива.
Специфической особенностью горения жидких горючих со свободной поверхности является большой химический недожог. Каждое горючее, представляющее собой углеродистое соединение при сжигании со свободной поверхности, имеет свойственную ему величину химического недожога qз, которая составляет, %:
для спирта 5,3 для керосина 17,7
для бензина 12,7 для бензола 18,5
Картину возникновения химического недожога можно представить - следующим образом.
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 и водорода по уравнению:
СnНm→nС + m/2Н2, (10-2)
или
СnНm→хС + уН2 + Сn-xНm-2y (10-3)
Свечение пламени обусловливается нахождением в нем частиц свободного углерода. Последние, раскалившись за счет выделяемого при горении тепла, излучают более или менее яркий свет.
Часть свободного углерода не успевает сгорать и в виде сажи уносится продуктами сгорания, образуя коптящий факел.
Кроме того, наличие углерода согласно равновесию С + СО2↔2СО, вызывает образование СО.
Высокая температура и пониженное парциальное давление СО и СО2 в продуктах сгорания благоприятствуют образованию СО.
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.
Таким образом, исследования горения жидких горючих со свободной поверхности показали, что:
1) горение жидких топлив происходит после их испарения в паровой фазе. Скорость горения жидких топлив со свободной поверхности определяется скоростью их испарения за счет тепла, излучаемого зоной горения, при установившемся режиме теплообмена между факелом и зеркалом испарения;
2) скорость горения жидких горючих со свободной поверхности растет с увеличением температуры их подогрева, с переходом к горючим с большей интенсивностью излучения зоны горения, меньшей теплотой парообразования и теплоемкостью и не зависит от величины и формы зеркала испарения;
3) интенсивность излучения зоны горения на зеркало испарения, горящего со свободной поверхности жидкого горючего, зависит только от его физико-химических свойств и является характерной константой для каждого жидкого горючего;
4) теплонапряжение фронта диффузионного факела над поверхностью испарения жидкого горючего практически не зависит от диаметра тигля и рода топлива;
5) горению жидких горючих со свободной поверхности присущ повышенный химический недожог, величина которого характерна для каждого горючего.
10-2. ГОРЕНИЕ КАПЛИ ЖИДКОГО ТОПЛИВА
Имея в виду, что горение жидких топлив происходит в паровой фазе, процесс горения капли жидкого горючего можно представить следующим образом.
Капля жидкого топлива окружена атмосферой, насыщенной парами этого горючего. Вблизи от капли по сферической поверхности с диаметром dv устанавливается зона горения. Химическое реагирование смеси паров жидкого топлива с окислителем происходит весьма быстро, поэтому зона горения весьма тонка. Скорость горения определяется наиболее медленной стадией — скоростью испарения горючего.
В пространстве между каплей и зоной горения находятся пары жидкого топлива и продукты горения. В пространстве вне зоны горения — воздух и продукты сгорания.
В зону горения изнутри диффундируют пары топлива, а снаружи — кислород. Здесь эти компоненты смеси вступают в химическую реакцию, которая сопровождается выделением тепла. Из зоны горения тепло переносится наружу и к капле, а продукты сгорания диффундируют в окружающее пространство и в пространство между зоной горения и каплей (рис. 10-1). Однако механизм передачи тепла еще не представляется ясным.
Ряд исследователей считает, что испарение горящей капли происходит за счет молекулярного переноса тепла через пограничную застойную пленку у поверхности капли.
По мере выгорания капли из-за уменьшения поверхности общее испарение уменьшается, зона горения суживается и исчезает при полном выгорании капли.

Так протекает процесс горения капли полностью испаряющихся жидких топлив, находящейся в покое в окружающей среде или движущейся вместе с ней с одинаковой скоростью.
Количество кислорода, диффундирующее к шаровой поверхности при прочих равных условиях, пропорционально квадрату ее диаметра, поэтому установление зоны горения на некотором удалении от капли обусловливает большую скорость ее горения по сравнению с такой же частицей твердого топлива, при горении которой химическая реакция практически протекает на самой поверхности.
10-1. Схема горения капли жидкого топлива.
Рис.
Так как скорость горения капли жидкого топлива определяется скоростью испарения, то время ее выгорания можно рассчитать на основе уравнения теплового баланса ее испарения за счет тепла, получаемого из зоны горения, т. е.
qFdт = —p[cср(tK—t0)+лп ]dV (10-4)
В уравнении (10-4):
q — количество тепла, получаемое из зоны горения единицей поверхности капли в единицу времени, кВт/м2;
F — поверхность капли в текущий момент времени, м2;
т — время полного выгорания капли, с;
р — плотность жидкого горючего, кг/м3;
cср — средняя теплоемкость жидкого топлива, кДж/(кг*К);
tK и to — температура кипения и начальная температура жидкого топлива, °С;
лп —теплота испарения, кДж/кг;
dV=Fdr — уменьшение объема капли за промежуток времени dT
r и ro — текущий и начальный радиус капли, м.
В диффузионной теории горения капли жидкого топлива, разработанной [Л. 29] применительно к горению в неподвижной среде или в потоке при нулевой относительной скорости капли, принята схема процесса, приведенная на рис. 10-1. Используется представление о приведенной пограничной сферической (dпр) пленке у поверхности капли, в предела которой происходит только молекулярный перенос при резком изменении температуры и концентрации реагирующих веществ. Вне этой условной пограничной пленки благодаря интенсивному молярному переносу поток однороден по температурным и концентрационным условиям. Вокруг капли устанавливается зона горения в виде сферической поверхности. Часть тепла, выделяющегося в зоне горения, поступает к поверхности капли и расходуется на испарение и нагрев пара жидкого топлива до температуры в зоне горения Тr. В процессе горения это тепло возвращается.
В зону горения с внутренней стороны от поверхности капли молекулярной диффузией переносятся пары топлива, а с наружной стороны — кислород с внешней поверхности приведенной пленки. Принимается, что горение протекает в диффузионной области, т. е. что химическое реагирование в зоне горения совершается настолько быстро, что временем его протекания можно пренебречь по сравнению с временем диффузии. Это позволяет считать, что зона горения является поверхностью, на которой концентрации паров топлива и кислорода равны нулю вследствие практически мгновенного реагирования диффузионных потоков этих компонентов горючей смеси, поступающих в зону горения со стадиометрическим количественным соотношением между ними. Образующиеся в зоне горения продукты сгорания диффундируют во внешнюю среду и в пространстве между зоной горения и каплей, а выделяющееся тепло отводится молекулярной теплопроводностью во внешнюю среду. Во внутренней части приведенной пленки, между поверхностями горения и капли, находятся продукты горения и пары топлива, а с наружной стороны — окислитель и продукты горения.
Для расчета процесса выгорания для каждой из этих двух частей приведенной пленки составляется по два уравнения: теплового и материального балансов.
Для упрощения задачи [Л. 16] считает, что температура поверхности жидкой капли равняется температуре кипения и в основу расчета берется уравнение теплового баланса испарения капли в процессе горения:
q = — g [лп+Сп(Т-Тк)]=-лdt/dx (10-6)
В уравнении (10-6):
q — удельный тепловой поток к поверхности;
g — удельный поток паров с поверхности жидкости в единицу времени;
лп — теплота испарения жидкости;
Сп — теплоемкость паров топлива;
Тк Т — температура поверхности жидкости, принимаемая равной температуре кипения, и температура паров жидкого горючего;
л — коэффициент теплопроводности газовой среды.
Предполагая, что в условиях камеры сгорания тепловые потери от излучения в окружающую среду относительно малы, коэффициенты диффузии и температуропроводности равны между собой, и что можно пренебречь стефановским потоком ввиду его малости, показывается, что температура на поверхности горения равна теоретической температуре горения в среде одинакового состава и с одинаковой начальной температурой с окружающей средой при коэффициенте избытка воздуха б=1.
Для того чтобы показать определяющую роль испарения в протекании процесса горения капли и зависимость испарения от тепловых условий рассмотрел предельный случай, когда горение паров не лимитирует процесс, а тепловые условия задаются независимо от процесса горения паров горючего вблизи от поверхности капли. Им предложен [Л. 10] метод определения количества тепла, получаемого движущейся каплей в предположении, что теплообмен капель с окружающей средой совершается только конвекцией. В этом случае тепловой поток, воспринимаемый каплей, равен:
q=ac(Tc-TK), (10-8)
где Тс — температура окружающей среды.
Величина коэффициента теплоотдачи ас зависит от состояния движения среды и рассчитывается по зависимости критерия Nu от числа Re, определяемой экспериментально. Для мелких капель, движущихся в потоке с очень малой относительной скоростью (Re<100).
Продолжительность выгорания капли, испаряющейся в процессе конвективного нагрева в несущем газовом потоке, пропорциональна квадрату ее начального радиуса.
Горение единичных капель жидкого топлива исследовалось как в СССР в лаборатории теплофизики ЛПИ и в других научных учреждениях, так и за рубежом. Из большого опытного материала следует, что время выгорания капли пропорционально квадрату ее начального диаметра. Поскольку горение капель удовлетворяет закону Срезневского о линейной зависимости квадрата диаметра испаряющейся или горящей в диффузионном режиме капли от времени, то как характерную величину для горения капли принимают коэффициент горения.
При горении в воздухе с температурой 800—900°С и скоростях обтекания капель до 1 м/с для бензина k= 1,3 — 1,5; для керосина k = = 1 — 1,3 мм2/с, для мазута и солярового масла значение k приблизительно такое же. Коэффициент k возрастает с повышением температуры среды и концентрации кислорода, которые приводят к повышению температуры в зоне горения, а также с ростом скорости обтекания капли, приводящим к увеличению величины критерия Nu.
Опытные данные совпадают с расчетными данными по диффузионной теории, а также показывают, что формула (10-10) качественно правильно описывает зависимость выгорания от диаметра капли и параметров среды.
Вместе с тем опытные данные показывают, что горение капель не всегда диффузионно. С улучшением условий диффузии при уменьшении размера капель и увеличении скорости их обтекания потоком, т. е. при переходе к режимам, характеризуемым меньшими значениями критерия
Семенова Se. При Se→0,4 горением паров в пределах пограничной пленки очень мелких капель можно пренебречь. Выносимые в газовый объем пары жидкого топлива сгорают по законам горения газовых смесей.
Большие значения критерия Se→бесконечности соответствуют диффузионному горению паров в пределах пограничной пленки.
При сравнительно крупных каплях увеличивается расстояние от поверхности капли до зоны горения, вследствие чего роль конвективного теплообмена с каплей уменьшается и начинает превалировать передача тепла излучением из зоны горения.
При горении со свободной поверхности интенсивность излучения диффузионного пламени не зависит от величины и формы зеркала испарения.
Однако процесс горения капли жидкого топлива протекает значительно сложнее, чем описано выше, и до настоящего времени еще не создана теория, позволяющая рассчитать продолжительность горения капли с достаточной точностью.

10-3. СЖИГАНИЕ ЖИДКИХ ТОПЛИВ 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.
Рис. 10-2. Схема факела жидкого топлива.
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 + Ѕ02 →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.
Процесс горения нефтяного 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. Это обеспечивает устойчивое зажигание.
9-9. БЕСПЛАМЕННОЕ ГОРЕНИЕ ГАЗОВ
В поисках способов интенсификации сжигания газов было также предложено так называемое б еспл а м енное горение, позволившее сжигать газовую смесь с большими тепловыми напряжениями объема камеры (порядка десятков мегаватт на метр кубический).
Беспламенное горение характеризуется тем, что горение готовой горючей смеси происходит в непосредственной близости с раскаленными керамическими поверхностями. Поэтому этот вид горения получил также название поверхностного.
У многих, занимающихся изучением этого вопроса, сложилось мнение, что причиной высоких тепловых напряжений при поверхностном горении является каталитическое воздействие керамических стенок горелки на скорость реакции.
Исследования, проведенные МЭИ по интенсификации сжигания газов, не подтвердили каталитического воздействия керамических поверхностей на процесс горения и одновременно позволили объяснить сущность беспламенного горения, заключающуюся в организации развитого зажигания газовой смеси в этих горелках.
Рис. 9-13. Туннельная горелка.

Рассмотрим типичные горелки и способы осуществления беспламенного горения с указанной точки зрения.
Из беспламенных наибольшее распространение получила туннельная горелка (рис. 9-13). В ней газовоздушная смесь по каналу 1 подается в туннель 2 диаметром ~60—80 мм, где и сгорает с тепловым напряжением порядка 30-55 МВт/м3. Туннель горелки обычно выполняется в виде цилиндра из керамического огнеупорного материала. Газо-подводящий канал / у входа в туннель сужается для создания такой скорости газовоздушной смеси, при которой исключается возможность обратного проскока пламени. Этот канал часто выполняется в виде инжектора, причем подаваемый в него под давлением газ инжектирует воздух, создавая газовоздушную смесь.
Сжигание газа в туннельных горелках с большими тепловыми напряжениями объясняется следующим образом. Вытекающая из канала газовоздушная смесь увлекает газ из окружающего струю пространства abc, в результате чего в этих — местах создается зона разрежения, которая вызывает приток продуктов сгорания высокой температуры из
зоны горения к устью канала.
Рис. 9-14. Туннельная горелка.
В пространстве abc между расширяющейся струей и стенками начального участка туннеля создаются вихревые зоны продуктов сгорания высокой температуры, из них продукты сгорания расходуются, увлекаемые струей, и при одновременном притоке горячих газов. Увлеченные в струю продукты сгорания нагревают газовоздушную смесь и тем самым подготавливают ее к воспламенению. Кроме того, на стенках туннеля, на участке ей, благодаря шероховатостям керамики образуется застойная пленка продуктов сгорания, которая также способствует лучшему зажиганию смеси. Таким образом, эффект беспламенного горения в туннельной горелке объясняется развитым зажиганием смеси за счет застойных вихревых зон высоко нагретых продуктов сгорания, которые переносят тепло из зоны горения в свежую смесь, вытекающую из горелки, и за счет застойной пленки продуктов сгорания у стенок туннеля.
Из такого объяснения беспламенного горения в туннельной горелке следует, что если уничтожить вихревые зоны и шероховатость стенок, то этим будет исключена возможность получения беспламенного горения.
Для проверки этих теоретических предположений были поставлены опыты по зажиганию газов в туннельной горелке. Горючая смесь подавалась в кварцевую трубку (рис. 9-14) через подводящий канал и конический раструб, обеспечивающий истечение - струи без отрыва от стенок. Такое выполнение горелки дало возможность исключить участки застойных вихревых зон, а влияние застойной пленки продуктов сгорания у стенок горелки уменьшить до минимума. В этой горелке не удалось получить беспламенного горения: при малых скоростях газовой смеси имело место факельное горение у выходного сечения туннеля. При увеличении скорости свыше 1,25—1,4 м/с факел открывался и погасал. При удалении раструба благодаря восстановлению вихревых зон горячих продуктов сгорания в туннеле в горелке осуществлялось сжигание газа •с такими же высокими тепловыми напряжениями, как и в туннельных керамических горелках.
Следовательно, опытами установлено, что уничтожение вихревых зон и сведение к минимуму влияния застойной пленки продуктов сгорания у стенок исключает возможность получения беспламенного горения в туннельной горелке.
Таким образом, объяснение физической сущности беспламенного горения в туннельных горелках соответствует действительности.
Получение высоких тепловых напряжений в беспламенных керамических горелках не означает, что в этих горелках газ сжигается с высокой интенсивностью. Опыт показывает, что в этих горелках горение возможно при сравнительно малых скоростях.

Источник:  http://040676.ru/?cat=4