3.2.3 Сжигание жидких топлив в факеле

Так как горение жидких топлив происходит после их испарения 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 равномерном распределении мелкодисперсного топлива в нем. Эти задачи выполняют, применяя горелки с форсунками, которыми распыляют жидкое топливо в потоках воздуха, подаваемых в камерную через воздухонаправляющие аппараты горелок.

Рассмотрим вначале горение прямоточного факела жидкого топлива

Рис.10. Схема факела жидкого топлива.

l_з.в – длина зоны воспламенения;

l_д – длина зоны догорания; l_ф – длина факела; 1 –зона воспламенения; 2 – внутренняя зона; 3 – наружная зона

Воздух, необходимый для горения, подается в устье форсунки, за­хватывает тонко распыленное жидкое топливо и образует в топочной камере неизотермическую затопленную струю (рис.10). 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.

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 следующие фазы: распыление жидкого топлива, испарение и образование газовоздушной смеси, воспламенение горючей смеси и горение дней.

Температура и концентрация газовоздушной 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 хающих топочных газов несмотря на то, что здесь горючая смесь о разбавлена продуктами сгорания. Поэтому воспламенение в мазутном факеле начинается у корня с периферии и затем распространяя вглубь струи на все сечение, достигая ее оси на значительном расстоянии l_з в 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.

Зона воспламенения 1 делит пространство, занимаемое факелом, на две области: внутреннюю 2 и наружную 3. Во внутренней области протекает процесс испарения и образования горючей смеси

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 l_д, обу­словливая общую длину факела l_ф.

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.

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.