6.2. Горение капли жидкого топлива

В промышленных топках и печах применяют тяжелые углеводородные топлива (мазут и сырую нефть), интенсификация испарения которых достигается путем увеличения площади удельной поверхности жидкости. Общепринятым способом увеличения площади поверхности испарения является дробление жидкого топлива на мельчайшие частицы (капли), называемое распылением.

В технических устройствах жидкое топливо распыляется форсунками того или иного типа и затем поступает в факел в виде капель. При распылении образуются частицы, размер которых составляет от нескольких микрометров (10^-6 м) до десятых долей миллиметра. В результате суммарная площадь удельной поверхности образующихся капель жидкости увеличивается в сотни и даже тысячи раз. Очень мелкие капли успевают полностью испариться при прогреве образуя с окислителем горючую газовую смесь. Эта смесь воспламеняется. Более крупные капли горят в процессе испарения и могут окружаться собственными факелами.

Поэтому чтобы понять сложный процесс горения факела рассмотрим сначала механизм и закономерности горения отдельной капли.

Рассмотрим процесс горения отдельной капли в неподвижной среде или капли, движущейся в воздушном потоке со скоростью, равной скорости потока. Такой гидродинамический режим наблюдается при горении частиц топлива очень малых размеров, которые в потоке принимают скорость, весьма близкую к скорости движения среды.

При нагревании капли происходит ее испарение. Вначале при температуре ниже температуры кипения топлива испаряются наиболее легкие фракции. По мере повышения температуры начинается испарение более тяжелых соединений. Скорость испарения капли зависит от интенсивности теплообмена между газовой средой и каплей, а также от разности парциальных давлений паров испаряемых фракций в капле и в окружающей среде. В топке между газовой средой и каплей жидкого топлива происходит конвективный и лучистый теплообмен. Удельные тепловые потоки конвекции q_к и излучения q_л, Вт/м², можно

определить из формул:

q_к = α_к(Т_с – Т_к);

q_л = α_л(Т_с – Т_к ),

где α_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м²∙К);

α_л – коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м²∙К);

Т_с – температура среды в зоне теплообмена, К;

Т_к – температура поверхности капли жидкого топлива, К.

Скорость образования пара резко возрастает, когда температура частицы достигает температуры кипения топлива. Навстречу зоне паров горючего диффундирует кислород из окружающей среды. В результате вокруг капли образуется горючая смесь.

Горение смеси происходит вблизи от капли по сферической поверхности. Концентрация горючего в зоне горения близка к стехиометрической. Так как химическое реагирование смеси паров жидкого топлива с кислородом происходит весьма быстро, то толщина зоны горения обычно составляет несколько долей миллиметра. Продукты сгорания диффундируют в двух направлениях: в сторону капли – в зону паров горючего и в противоположную сторону – в зону их догорания (рис. 6.1).

Кислород не проникает внутрь замкнутого фронта горения и процесс испарения капли и термического разложения паров топлива протекает в среде без кислорода. В этом случае термическое разложение сопровождается образованием твердых частиц сажи, а тяжелые фракции и зола топлива, оставшиеся в капле после выделения более легких фракций, образуют твердый пористый остаток (кокс). Гетерогенное горение частиц сажи и коксового остатка значительно увеличивает общую продолжительность процесса сжигания капли и протекает с потерями теплоты от неполного сгорания сажи и кокса.

Рис. 6.1. Горение капли в неподвижной среде (а) и в турбулентном

потоке (б)

Характер горения существенно изменяется при движении капли в турбулентном потоке с некоторой относительной скоростью. Вследствие пульсаций газовоздушного потока фронт пламени теряет четкие очертания, пульсирует и местами разрывается. В пространство между каплей и фронтом горения проникает кислород воздуха, благодаря которому наряду с термическим разложением паров горючего происходит также процесс их предварительного окисления (предварительной газификации). В результате окислительных реакций преобразование паров горючего протекает с образованием частично окисленных углеводородных соединений (спиртов, альдегидов). При этом выделение частиц сажистого углерода уменьшается. Если количество кислорода, проникающего в пространство между каплей и фронтом пламени, составляет не меньше 0,4-0,5 от теоретически необходимого для горения, то процесс преобразования паров горючего протекает практически без выделения сажи.

При турбулентном режиме горения, характерном для промышленных установок, скорость диффузии кислорода в зону горения капли выше скорости ее испарения. Поэтому фактором, определяющим скорость горения капли, является продолжительность испарения. Установлено, что продолжительность испарения и выгорания капель очень малого размера пропорциональна квадрату ее начального радиуса, а крупных капель - пропорциональна начальному радиусу капли.