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.