Горение жидкого топлива

Лекция 15 Горение жидкого топлива Распыливание топлива. Обязательными условиями быстрого воспламенения и полного сгорания топлива являются интенсивное его нагревание до температуры воспламенения и хороший доступ кислорода ко всему топливу. При сжигании жидкого топлива в промышленных топках указанные условия выполняются благодаря дроблению его на мелкие капли с помощью специальных устройств - форсунок. При малых размерах капель достигается большая площадь их поверхности, приходящейся на единицу массы топлива. Тем самым ускоряется прогревание этой массы и облегчается доступ к ней кислорода. При дроблении жидкости требуется преодолеть силы поверхностного натяжения, для чего необходимо затратить энергию. Носителем необходимой энергии может быть само топливо, подаваемое к форсунке под повышенным давлением (до 6 МПа). Форсунки, работающие по такому принципу, носят название механических. Источником энергии может быть также водяной пар давлением 0,3 - 1,5 МПа, подаваемый в форсунку параллельно с топливом, которое в этом случае может поступать с небольшим напором. Такие форсунки называются паровыми. Существуют также форсунки комбинированного типа - паромеханические. Степень дробления капель топочного мазута (тонкость распыливания) выбирают с учетом двух основных обстоятельств. Слишком крупные капли требуют длительного времени для своего сгорания и могут не успевать сгорать полностью на участке пути до выхода из топки. Слишком мелкие капли в потоке воздуха, подаваемого в топку для горения, летят практически с такой же скоростью, с какой движется воздух. Из-за отсутствия движения капель относительно газовой среды ухудшается подвод теплоты и кислорода к поверхности капли, что тормозит ее горение и также может приводить к неполному сгоранию. Поэтому существует промежуточный, оптимальный размер капель, соответствующий минимальному недожогу. Качество распыливания жидкого топлива сильно зависит от его вязкости. Оптимальные значения вязкости лежат в пределах до 3°ВУ для механических и до 6°ВУ для паровых форсунок. Соблюдение требований по вязкости обеспечивается путем подачи в форсунки мазута в нагретом состоянии. Чаще всего мазут перед форсунками имеет температуру 90 - 110°С, а иногда она достигает 120°C и выше. Горение мазута. Рассмотрим процесс горения отдельной капли в неподвижной среде или капли, движущейся в воздушном потоке со скоростью, равной скорости потока. В том и в другом случае относительная скорость движения капли в среде равную нулю, что облегчает исследование процессов горения. такой гидродинамический режим наблюдается при горении частиц топлива очень малых размеров, которые в потоке принимают скорость, близкую к скорости движения среды. При нагревании капли сначала происходит испарения. Вначале при температуре ниже температуры кипения топлива испаряются наиболее легкие фракции. По мере повышения температуры начинается испарение более тяжелых соединений. Скорость испарения определяется разностью парциальных давлений паров испаряемых фракций в капле и в окружающей ее среде. Скорость образования пара резко возрастает при температуре частицы равной температуре кипения топлива. На рис.15.1 представлено горение капли жидкого топлива в неподвижной среде (а) и турбулентном потоке (б). Рис. 15.1. Горение капли жидкого топлива в неподвижной среде (а) и турбулентном потоке (б). 1 – капля мазута, 2 – зона паров горючего, 3 – фронт горения, 4 – зона догорания паров горючего, 5 – окислитель, 6, 7 – продукты сгорания. Сначала разберем горение капли мазута в неподвижной среде.При испарении топлива вокруг капли 1 образуется зона паров горючего, навстречу которой из среды диффундирует окислитель 5. В результате вокруг капли образуется горючая смесь. Горение полученной смеси происходит в тонком слое 3, называемом фронтом горения, концентрация горючего в котором близка к стехиометрической. Продукты сгорания 6 и 7, образующиеся в зоне горения 3, диффундируют в двух направлениях: в сторону капли - в зону паров горючего 2 и в противоположную сторону – в зону их догорания 4. Таким образом, объем занимаемый факелом делится на две части: внутреннюю, состоящую из паров топлива и продуктов сгорания, диффундирующих из фронта горения в сторону капли, и внешнюю, состоящую из продуктов сгорания и диффундирующего навстречу им воздуха. При горении капли в неподвижной среде или в потоке с относительной скоростью, равной нулю, кислород не проникает внутрь замкнутого фронта горения 3 и процесс испарения капли и термического разложения паров топлива происходит в среде без кислорода. В этом случае термическое разложение сопровождается образованием твердых частиц сажи, а тяжелые фракции (асфальтены, карбены и карбоиды) и зола топлива, оставшиеся в капле после выделения легких фракций , образуют твердый пористый остаток (кокс). Гетерогенное горение частицы сажи и коксового остатка значительно увеличивает общую продолжительность процесса сжигания капли и протекает с потерями теплоты от неполного сгорания сажи и кокса. При движении капли в турбулентном потоке с некоторой относительной скоростью характер горения значительно изменяется (рис.б). Вследствие пульсации газо-воздушного потока фронт пламени теряет четкие очертания, пульсирует и местами разрывается. Во внутрь фронта пламени проникает кислород воздуха, благодаря которому наряду с термическим разложением паров горючего происходит процесс их предварительного окисления (предварительной газификации). В результате окислительных реакций преобразование паров горючего протекает с образованием частично окисленных углеводородов: спиртов, альдегидов; при этом выделение частиц сажи уменьшается. Если количество кислорода, проникающего во внутрь оболочки пламени, составляет не меньше 0,4-0,5 от теоретически необходимого для горения, то процесс преобразования паров горючего протекает практически без выделения сажи. Таким образом ход термического преобразования и предварительного окисления паров топлива зависит от количества кислорода принимающего участие в этом процессе. Начальной стадией окисления жидких углеводородных соединений является образование спиртов СН3СН2ОН и альдегидов СН3СОН. При отсутствии свободного кислорода спирты и альдегиды расщепляются с образованием простейших соединений СН4, СО и Н2. Метан в свою очередь тоже разлагается до углерода и водорода по реакции СН4  С + 2Н2. Атомы углерода, имея четыре свободные валентности, соединяются между собой с образованием сажистых частиц по реакции: При наличии свободного кислорода спирты и альдегиды окисляются до формальдегида по реакции: СН3СН2ОН + О2 = 2НСНО + Н2О СН3СОН + О2 = НСНО + СО + Н2О Формальдегид в свою очередь легко окисляется кислородом воздуха до СО и СО2. НСОН + 0,5О2 = СО + Н2О ( при недостатке окислителя) НСОН + О2 = СО2 + Н2О ( при избытке окислителя). Причины сажеобразования: 1 – локальный недостаток окислителя в факеле (<1); 2 – низкие температуры в зоне горения (менее 1000 ОС); 3 – распыление топлива с высокой долей крупных капель (dк>500 мкм); 4 – низкие относительные скорости движения капель мазута и окислителя. Недостатки сажеобразования: 1 – снижение полноты сгорания; 2 – загрязнение поверхностей нагрева при ухудшении теплоотдачи к рабочей среде; 3 – загрязнение воздушного бассейна; 4 – горение отложений сажи на конвективных поверхностях нагрева с последующим пережогом труб. Схема рассмотренной совокупности процессов, протекающих при сгорании капли мазута, показана на рис. 2. Рис 15.2. Совокупность процессов, протекающих при сгорании капли мазута: 1 - распыливание топлива, нагревание капель; 2 - испарение легких фракций; 3 - горение паров, 4 - термическое разложение тяжелых фракций; 5 - горение летучих веществ; 6 - горение коксового остатка. Для уменьшения недожога при сжигании мазутов наиболее эффективный средствами являются: введение специальных присадок в мазут, оптимизация его распыливания, удлинение траекторий движения капель мазута путем устройства в топке завихренных потоков, применение паровых и паромеханических форсунок (присутствие водяного пара при термическом разложении мазута позволяет уменьшить саже образование). Продолжительность горения капли жидкого топлива. Исследование процессов горения мазута показали, что при турбулентном режиме горения, скорость диффузии кислорода в зону горения капли выше скорости ее испарения. Поэтому фактором, определяющим скорость горения капли является продолжительность испарения. Время испарения капли зависит от ее начального размера r0, температуры окружающей среды Т и содержания кислорода О2п. Продолжительность испарения и выгорания капель очень малого размера пропорциональна квадрату ее начального радиуса, а крупных капель – первой степени начального радиуса. – для капель малого размера – для крупных капель.