книги из ГПНТБ / Гилод В.Я. Сжигание мазута в металлургических печах

вого остатка капель топлива. Очевидно, форсунка, в об­ щепринятом понимании представляющая собой узел

В дальнейшем под горелочным устройством для высоко­ интенсивного сжигания топлива будем понимать сочета­ ние собственно форсунки с индивидуальной камерой, где благодаря целесообразной организации подачи окислителя, принятию мер для стабилизации пламени и другим мероприятиям, подробно анализируемым ниже, сжигание топлива осуществляется с чрезвычайно высо­ кими тепловыми напряжениями.

Первые проекты устройств для высокоинтенсивного сжигания топлив появились 15—20 лет назад, однако широкая их разработка и внедрение в промышленность относятся лишь к последним 5—7 годам. По существу этот новый класс горелочных устройств, называемых в зарубежной литературе «комбасторами» от английского термина <<combustion»—горение, делает в технике лишь первые шаги. Поэтому особенно валено понять принци­ пы, на которых основывается развитие этого прогрес­ сивного направления топочной техники, применительно к сжиганию тяжелых жидких топлив.

2. ОСОБЕННОСТИ ГОРЕНИЯ Т Я Ж Е Л Ы Х ТОПОЧНЫХ МАЗУТОВ

Склонность тяжелых сортов жидкого топлива к об­ разованию коксового остатка является одним из основ­ ных препятствий на пути к организации форсированного сжигания топлива. Как указывалось ранее, коксуемость наиболее распространенного мазута марки 100 достигает 19%. В крекинг-остатках выделение кокса молеет со­ ставить 20—26% [4, 49]. На тяжелом жидком топливе, используемом в промышленности ССОР, весьма трудно

емости топлива с 1 до 12% приводит к увеличению поч­ ти в 10 раз длительности горения капли диаметром

чиняется закономерностям гетерогенного горения твер­ дого топлива и происходит поэтому значительно медлен­ нее, чем горение гомогенной смеси газов или паров с воздухом.

Последовательные стадии горения капель тяжелого жидкого топлива фиксировались в экспериментах Л. В. Кулагина и С. С. Охотникова [6] и Б. Лі. Жаркова [51]. Как видно из рис. 21, после внесения капли топлива в поток нагретого воздуха происходит ее прогрев. Дли­ тельность прогрева до момента воспламенения состав-

ляет от общего времени горения дизельного топлива ~30—40, мазута ~25—30%. Воспламенение капель того и другого топлива происходит довольно плавно. Увели­ чение свечения, отчетливо видимое «а осциллограммах, соответствует горению капли в жидкой и паровой фазах. Интересно, что промежуток времени, необходимый для выгорания жидкой фазы и паров, практически одинаков

как для дизельного топлива, так и для мазута. Почти внезапное прекращение свечения соответствует для ди­ зельного топлива полному завершению выгорания. Для тяжелого же топлива характерен новый подъем свети­

Таким образом, судя по экспериментальным данным, наиболее эффективна интенсификация двух основных периодов їв процессе горения тяжелого жидкого топли­ ва-— периода подготовки к воспламенению и периода выгорания коксового остатка, суммарная длительность которых достигает 50—80% от общей продолжительно­ сти горения капли.

3. А Н А Л И З У С Л О В И И Г О Р Е Н И Я К А П Е Л Ь

Т Я Ж Е Л О Г О ж и д к о г о Т О П Л И В А

до температуры начала кипения, длительность первоначального ис­ парения до образования горючей топливо-воздушной смеси и нагре­ ва паров до температуры воспламенения, а также период так назы­

среды, при граничных условиях, характерных для реальных тепло­

росином). Эффективной мерой сокращения времени прогрева капель

горения капли квадрату ее начального диаметра, носит название за­ кона Срезневского.

Л. В. Кулагин п С. С. Охотников [6] на основе литературных и собственных экспериментальных данных показали, что для мно­ гокомпонентных топлив, а также отдельных углеводородов со сложной структурой закон Срезневского соблюдается с достаточной строго­ стью в том случае, если константа <kT относится лишь к периоду соб­ ственно горения, начиная с момента воспламенения, т. е. без учета времени подготовки капли к горению.

Для жидких топлив, образующих коксовый остаток, константу

Из приведенных данных следует, что значения константы скоро­ сти реакции горения капли в жидкой фазе для дизельных топлив, сгорающих без коксового остатка, и для тяжелых топлив типа мазу­ тов, образующих коксовый остаток, отличаются незначительно.

коксового остатка, источник свободного углерода в продуктах сго­ рания жидкого топлива.

Для уяснения причин появления свободного углерода из газо­ образных углеводородов следует рассмотреть сущность физико-хими­ ческих процессов, происходящих в паровой (газовой) фазе вокруг горящих капель жидкого топлива.

Советские исследователи во главе с П. А. Теснером рассматри­ вают процесс образования сажи с единой физико-химической точки зрения, как процесс выделения новой дисперсной фазы из газообраз-

ного вещества, протекающий в две стадии [53]: 1) образование за­ родышей, представляющее собой химический процесс возникновения

счет ударов молекул исходного углеводорода, сопровождаемый тер­ мическим разрушением молекул на поверхности с образованием .уг­ лерода її водорода.

Существует її ряд других теории, рассматривающих либо чисто

физическую картину выделения сажи следующим образом. Во время испарения, предшествующего химической реакции окисления, на по­ верхности капли создается зона большого избытка топлива (недо­ статка воздуха). В то же время па определенном расстоянии от по­ верхности образуется фронт диффузионного пламени. По пути от поверхности капли топлива к пламени, т. е. к зоне активной химиче­ ской реакции с диффундирующим в зону кислородом воздуха, мо­ лекулы углеводородов подвергаются процессам термического разло­ жения под действием высокой температуры в атмосфере с недоста­

происходит частично с образованием углерода в виде крупных, бед­ ных водородом углеродных скелетов, в которых в небольшом количе­

объяснить выделение свободного углерода в пламени жидкого топ­ лива путем рассмотрения химизма реакций с участием углеводородов.

Несмотря на разнообразие гипотез и предположений о механизме сажеобразования, по-видимому, не подлежит сомнению факт пер­ вичного образования сажистых частиц в зоне, расположенной меж­ ду каплей топлива и поверхностью горения. Здесь, согласно диффу­ зионной теории, отсутствует окислитель и процессы смешения топли­ ва с воздухом роли не играют. Исследователями обнаружено, что процесс сажеобразования в зоне крекинга в значительной мере оп­ ределяется физическими свойствами жидкого топлива. Г. Майер цу Кёккер і [55, 57] экспериментально показал, что интенсивность саже­ образования связана с отношением С/Н экспоненциальной, а с ве­

во взаимной связи кинетику процессов, происходящих в зоне первич­ ного сажеобразования.

При температуре ниже 600°С скорость реакции горения значи­ тельно ниже скорости испарения. Это означает, что образуется большое количество иаров жидкого топлива, не участвующих пока в процессе горения. Лишь по достижении 800°С реакция горения на­ чинает опережать процесс испарения.

Пары топлива, нагретые до достаточно высокой температуры, подвергаются крекингу. В крекинге участвует все топливо, в каком бы состоянии оно не находилось, в реакции же горения — в основном лишь пары топлива. Кроме того, ход реакции горения обусловлен

наличием окислителя (кислорода) в окружающих пары газах. По­ этому процесс крекинга в общем протекает быстрее, чем процесс го­ рения, и тем быстрее, чем меньше содержание кислорода в реагиру­ ющих газах, т. е. чем хуже смесеобразование.

Кинетика процессов крекинга и горения углеводородов иллюстри­ руется зависимостями, изображенными на рис. 22 и 23 и отражаю­ щими влияние температуры на значения величин, обратных кон­ стантам скорости процессов крекинга (kH) и горения парообразного

температурної'! области превышает скорость реакции горения. Улуч­ шение смесеобразования, увеличение избытка воздуха и повышение температуры являются средствами приближения скорости реакции горения к скорости крекинга.

Теоретические условия отсутствия свободного углерода в факеле

(1/сек).

Проанализируем условия, необходимые для соблюдения завйси»

мостей (7) и (8):

1. САк -*и. Достигается при использовании специальных видов легкого топлива, при сжигании же обычных топочных мазутов такая

и в случае исключительно малых размеров капель топлива. Для до­

30.00 об/мин) получал очень тонкое распыливаиие.

3. k T c = k T . a . Выполняется при максимально возможных темпе­ ратурах реакции (выше 1550°С), причем для его соблюдения уровень температур должен быть тем более высок, чем неравномернее рас­ пределение кислорода в реакционном пространстве.

Условия, способствующие соблюдению равенства упомянутых двух констант: 1) устранение (или, во всяком случае, значительное ослабление) отвода тепла от факела, осуществляемое посредством керамической изоляции или экрана из потока высокотемпературных газов; 2) повышение равномерности температурного поля и устране­ ние относительно холодных зон, где поставленное условие заведомо не выполняется; 3) повышение равномерности распределения кисло­

сутствия сажистого углерода в факеле строго выполняются лишь в идеализированной системе сжигания, на практике приходится счи­

горючего с окислителем, ни от соотношения между их количествами. Г. Беренс i[56], например, обнаружил образование первичных сажи­

может носить локальный характер) возможно выделение свободного

Первый процесс представляет собой реакцию, обратную извест­ ной реакции Будуара, используемой при газификации кокса в газо­ генераторах. Реакция (10) является так называемой гетерогенной реакцией равновесия водяного газа. Реакция (111) демонстрирует

возможность образования сажи ііз метана при резком охлаждении газа. Представление о температурных областях существования этих реакций дает рис. 24. Под коэффициентом сажеобразования в данном случае понимается частное от деления количества углерода (в ки­ лограмм-молях), содержащегося в образовавшейся саже, к количе­

Горение углеродистых частиц в пламени

Следствием двоякого происхождения углеродистых частиц явля­ ется существенное различие в их размерах. Частицы, образовавшие­ ся из газовой (паровой) фазы, обладают очень .малыми размерами — обычно от 0,01 до 0,05 мкм, значительно реже — до 0,2 мкм [60]. Размеры коксового остатка капель топлива на несколько порядков больше. Они достигают 25—150, иногда 250 мкм (в зависимости от тонкости іра'ОПьіл.ніваіішя топлива и от его свойств).

печах предварительная подготовка мазуто-воздушной смеси обычно отсутствует. Поэтому, несмотря на исключительно малые размеры частиц сажи, было бы ошибочно пренебрегать диффузионным сопро­ тивлением, т. е. кинетикой процессов смешения капель топлива с мо­ лекулами окислителя. Так, эксперименты, проведенные в Московском институте стали и сплавов [63] с частицами газового происхожде­

Одним из факторов, способных интенсифицировать процесс горе­

ксила, а также атомарных кислорода и водорода приводит к уско­ рению реакции горения благодаря ее упрощению, связанному с от­ сутствием .ряда промежуточных стадии цепного процесса, возраста­ нием числа параллельных реакций и облегчением создания активных центров в газовой фазе и в объеме углеродной частицы [65, 66]. Инициирующие реагенты возникают в пламени вследствие диссоциа­ ции водяного пара и термического крекинга углеводородов, в част­ ности метана. При температуре пламени 1G00—1700°С диссоциация водяных ларов становится уже заметной. При парциальном давлении водяных паров в продуктах сгорания 9,8 кн/м2 (0,1 ат), что прибли­ зительно соответствует условиям сжигания мазута, степень диссо­ циации достигает I—2%. Соответствующая концентрация продуктов диссоциации может оказать существенное влияние па кинетику го­ рения.

4. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИНТЕНСИФИКАЦИИ ГОРЕНИЯ ТЯЖЕЛОГО Ж И Д К О Г О ТОПЛИВА

Пути интенсификации процесса горения в целом

На рис. 25 схематично изображена последователь­ ность стадий процесса горения тяжелого жидкого топли­ ва, составленная на основе современных представлений о механизме процесса. Несмотря на то, что в факеле рас­ пыленного жидкого топлива указанные стадии протекают практически одновременно, рассмотрение схемы процес­ са горения, наряду с анализом кинетики протекания от­ дельных этапов, позволяет выделить факторы, способ­ ствующие интенсификации горения в целом.