Горение при раздельной подаче в зону горения горючего и окислителя

При раздельной подаче горючего и воздуха в зоне горения будут протекать все стадии процесса горения: образование горючей смеси, ее нагрев, воспламенение и горение. Горение газообразных топлив – высокотемпературный процесс. При высоких температурах скорость протекания химических реакций значительно выше скорости образования горючей смеси, завершающим этапом которой является сравнительно медленный процесс молекулярной диффузии. Поэтому скорость процесса горения в целом будет определяться скоростью смесеобразования. Как известно (см. главу 4), такое горение называется диффузионным.

В зависимости от характера движения различают ламинарное диффузионное горение и турбулентное диффузионное горение.

Вначале рассмотрим наиболее простой случай диффузионного горения – горение свободной ламинарной струи горючего газа в атмосферном воздухе (рис. 5.3). В процессе развития струи происходит

Рис. 5.3. Схема ламинарного Рис. 5.4. Схема турбулентного

диффузионного факела диффузионного факела

взаимное проникновение молекул: молекулы газа диффундируют в воздушную среду, а воздуха – в струю газа. Глубина проникновения молекул воздуха в струю газа ограничена поверхностью 1, называемой поверхностью ядра струи. Внутри этой поверхности находится только чистый газ. Коэффициент расхода воздуха будет изменяться от α = 0 на поверхности ядра струи 1 до α = ∞ на границе 3 между струей и воздухом. Между этими поверхностями существует поверхность 2, на которой соотношение горючего и воздуха соответствует стехиометрическому (α = 1). Горючую смесь поверхность 2 разделяет на внутреннюю область – с избытком топлива и недостатком воздуха и внешнюю – с избытком воздуха и недостатком топлива. При поджигании смеси от высокотемпературного постороннего источника фронт горения стабилизируется на поверхности 2 со стехиометрическим составом смеси.

Скорость химических реакций во фронте пламени обычно велика и неизмеримо больше, чем скорость поступления к нему компонентов горючей смеси. Поэтому скорость горения всецело определяется скоростью смешения газа и воздуха за счет их диффузии в зону горения через слой продуктов сгорания. Следовательно ламинарное диффузионное горение не может быть интенсивным, а возможно только при малых скоростях выхода горючего газа из горелки. Длина ламинарного диффузионного факела определяется по формуле:

l_ф = WR² / 2D,

где W – скорость истечения газа из горелки;

R – радиус горелки;

D – коэффициент молекулярной диффузии.

Ламинарный диффузионный факел поддерживается стационарно, так же как при горении однородной смеси, за счет существования кольцевой зоны зажигания. В случае, когда в горелку подается только газ, а окружающая среда находится в покое, у кромки горелки газ диффундирует наружу и, смешиваясь с воздухом, образует смесь, которая в зоне малых скоростей устойчиво сгорает. Благодаря образованию более богатой смеси в области зажигающего кольца и сгоранию ее в зоне меньших скоростей диффузионный факел обладает большей устойчивостью зажигания по сравнению с факелом однородной смеси

При диффузионном горении также наблюдается явление отрыва факела. Но проскок пламени в горелку исключается из-за раздельной подачи горючего газа и воздуха.

Интенсивность диффузионного сжигания зависит от интенсивности смесеобразования. Так как массообмен при турбулентном течении происходит во много раз интенсивнее, чем при ламинарном режиме, то для промышленных целей более важным является способ турбулентного диффузионного сжигания горючих газов.

При переходе от ламинарного истечения газа к турбулентноиу структура факела в целом сохраняется. Однако вследствие пульсаций молей газа фронт пламени становится пульсирующим, волнистым, размытым, а его толщина значительно увеличивается. В режиме развитой крупномасштабной турбулентности фронт пламени местами может разрываться на отдельные части. Через фронт пламени 3 (рис. 5.4) из внутренней части факела во внешнюю диффундируют моли горючего газа, а из внешней во внутреннюю – моли кислорода и продукты сгорания.

Таким образом, при турбулентном диффузионном горении зона 1 кроме горючего газа и продуктов сгорания содержит включения кислорода 2, а в зоне догорания 4 наряду с воздухом и продуктами сгорания находятся включения исходного газа 5.

В зоне фронта пламени 3 горение протекает при соотношении концентраций горючего и окислителя, близком к стехиометрическому. Несмотря на это, здесь успевает прореагировать только 65-85% горючего; остальные 15-35% реагируют в зоне догорания 4, что значительно увеличивает общую длину факела. Полуэмпирические формулы для определения безразмерной длины открытого турбулентного диффузионного факела при предварительном подогреве газа в пределах от 20 до 680^оС и при скорости истечения газа из сопл диаметром от 2,7 до 10,1 мм, доходящей до 50 м/с, имеют вид:

для природного газа

L_{ф /} d_o = 56,3 (W² / gd_o)^0,125 (ν / D)^0,3;

для сжиженного газа

L_{ф /} d_o = 56,3 (W² / gd_o)^0,162 (ν / D)^0,3,

где d_o – диаметр сопла;

W – скорость истечения газа из сопла;

g – ускорение свободного падения;

ν - коэффициент кинематической вязкости;

D – коэффициент молекулярной диффузии.

На длину факела сильное влияние оказывает конструкция горелочного устройства и способ организации процесса сжигания в топках и камерах сгорания различного назначения.

Диффузия молекул раскаленных продуктов сгорания в горючий газ, находящийся внутри фронта пламени, вызывают его нагревание в среде, не имеющей кислорода. В результате происходит термическое разложение углеводородных соединений с образованием мелкодисперсных частиц углерода (сажи) и водорода. В пламени частицы сажи раскаляются, что вызывает интенсивное тепловое и световое излучение факела. Факел получается плотным, ярким, длина его увеличивается за счет горения частиц сажи за пределами фронта пламени. В факеле раскаленные частицы свободного углерода взаимодействуют с диоксидом углерода:

С + СО₂ = 2СО.

Полученный при этом оксид углерода вместе с сажистыми частицами составляют потери теплоты с недожогом.

Для уменьшения длины диффузионного факела и снижения потерь теплоты применяют дробление газового потока на мелкие струи. Поэтому горелки для диффузионного горения газа обычно выполняют в виде трубчатой распределительной системы с мелкими отверстиями для его выхода. Такие горелки применяются в небольших промышленных установках и в бытовых нагревательных приборах. Основным недостатком горения в таких установках являются малая интенсивность процесса и большой избыток воздуха, необходимый для обеспечения достаточно полного сжигания газа.

Вместе с тем диффузионное горение отличается высокой устойчивостью в широком диапазоне нагрузок. В зажигающее кольцо диффузионного факела из газовой струи поступает чистый газ (без воздуха). При разбавлении его воздухом происходит образование горючей смеси, концентрация которой даже при турбулентном режиме горения не выходит за концентрационные границы воспламенения. Это создает благоприятные условия для устойчивого горения зажигающего кольца, а следовательно, и диффузионного факела.

Оценивая технические характеристики диффузионного горения следует учитывать, что при этом способе сжигания газа исключается проскок пламени в газовую систему горелки, заполненную только газом, не способным гореть без окислителя. Поэтому при диффузионном горении условия взрывобезопасности не ограничивают предварительный подогрев газа и воздуха до их смешения. Применение подогретого газа, особенно воздуха, до температуры, превышающей температуру самовоспламенения горючей смеси, создает условия для использования диффузионного горения в высокотемпературных огнетехнических установках, например в мартеновских печах.