книги из ГПНТБ / Несенчук А.П. Пламенные печи для нагрева и термообработки металла учеб. пособие

о+н2,,,

X

Н+02

Н+0,2

Н20

Таким образом, реакции окисления водорода развиваются путем разветвляющихся цепей, которые возобновляют первоначаль­ ный активный центр; все время происходив образование новых активных центров. Разветвление и создание новых центров может вызвать образование тепловой волны и довести горючее до темпе­ ратуры воспламенения. Этим создается цепное воспламенение. При этом нужно иметь в виду, что не все активные центры сохраняются. Часть их обрывается на стенках камеры или при столкновениях с инертными газами. Если скорость образования цепи больше ско­ рости обрыва и число возникающих центров больше числа активных погибающих центров, то происходит цепное воспламенение. При не­ обходимости более глубокого изучения этих вопросов следует обра­ титься к широко известным работам Н. Н. Семенова, Г. Ф. Кнорре, Я- Б. Зельдовича, Д. А. Франк-Каменецкого и других, касающимся теории цепного воспламенения.

Как было отмечено, температура воспламенения Тв в какой-то мере зависит от коэффициента избытка воздуха. В связи с этим нужно добавить, что газовоздушные смеси могут воспламеняться

С увеличением температуры рабочей смеси пределы воспламе­ няемости расширяются, а при температуре, превышающей Тв, смесь газа и воздуха горит при любых объемных отношениях топлива и воздуха.

Интервалы воспламеняемости различных газов даны в табл. 3.5. Для тех газов, которые не указаны в этой таблице, нижний и верх­ ний пределы воспламеняемости могут быть определены по формуле

52

где Lr— предел воспламеняемости (соответственно верхний или нижний);

Гі — содержание /-компоненты в газовой смеси, % ;

Li — предел воспламеняемости і-компоненты газовой смеси (соответственно верхний или нижний),;

п — число компонентов горючей газовой смеси.

Т а б л . 3.5. Пределы воспламеняемости горючих газов (t = 20° С и р —760 мм рт.ст.) [26]

Формула (3.28) справедлива, когда газовая смесь не содержит значительного количества баластных примесей (,N2 и СО2) . Отыска­

ние Lr для газообразных топлив, содержащих эти примеси, выпол­ няется в соответствии с выражением

100+ Іг-Щ б

где б — содержание баластных примесей в долях единицы.

Указанные характеристики топлива имеют определяющее зна­ чение при разработке горелочных устройств и организации процесса горения.

53;

3.3. РЕАКЦИЯ ГОРЕНИЯ

Горение горючих элементов газообразного топлива происходит в соответствии с реакцией [23] и [30]

Здесь два объема СО, соединяясь с одним объемом 0 2, образу­ ют два объема С02:

На основании записанных реакций горения (3.30) — (3.39) мож­ но рассчитать процесс горения газообразного топлива.

3.4.РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ

Расчет процесса горения заключается в определении абсолют­ ных значений компонентов продуктов естественной печной атмосфе­ ры, образующихся при горении газообразного топлива. Сюда также относят расчет теоретически необходимого количества воздуха, по­ требного для сжигания 1 н м 3 газообразного топлива. Расчеты горе­

54

атмосферы, обладающей окислительными свойствами. Такая атмос­ фера состоит из углекислоты, азота, кислорода и водяных паров.

Теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 нм3топлива

Для полного сгорания горючих компонентов топлива в рабочее пространство подводится больше воздуха, чем теоретически необ­ ходимо. В связи с этим возникают понятия коэффициента избытка

лительного нагрева металла в открытом пламени, генераторах для приготовления контролируемых атмосфер и некоторых других слу­ чаях. Для выбора коэффициента избытка воздуха а для безокислительного нагрева (неполное горение) достаточно воспользоваться диаграммой окисления-восстановления (рис. 1.12). Определив по

KHO2=0,01 (CO+CH4+ S п CnHm+H2S + C 0 2) нм3/нм3. (3.42)

Элементарный состав топлива часто не содержит соединений серы. Тогда

^RO2= V CO2

и

Кео, = 0,01 (СО+СНі+ 2 п C„Hm+ C 0 2) нм3/нм3. (3.43)

55

Объемы азота п кислорода могут быть найдены из выражений

-‘56

Объем дымовых газов, образующихся в печи, находится в ео-

4

ответствии со значением а и обозначается ^ 1/,-а. г=і

Как было уже отмечено выше, расчет процесса горения при не­ достатке воздуха-окислителя имеет большое практическое значение.

коэффициента избытка воздуха. С этой целью используется диа­ грамма окисления-восстановления стали. По температуре tT в рас­ сматриваемой зоне (камере) находят равновесные отношения (кон­ станты равновесия)

Затем по графикам (рис. 3.4) определяют величину а (в зонах дожигания СО и Н2 печи а принимается равным 1,02— 1,07).

Определяя а и используя положения термохимии, по углероду, водороду и кислороду записываем балансовые уравнения:

топлива; Ксѵ.>Ѵну и Ѵоу — соответственно компоненты продуктов сгорания,

/— число компонентов топлива, соответственно содержащих С, Н и О.

57

Поясняя сказанное, для коксовального газа (СО = 5, Н2= 50,

2 нм3Н2г+ 2 нм3 Н2Ог->-2 нм3 Н2т+ 4 нм3 СН4т+ 4 нм3 С2Н4т.

По кислороду

1 нм3 СОг+ 2 нм3 С02г-И нм3 СОт+ 2 нм3 ССѴ+2 нм3 0 2во.

Подставляя значения компонентов топлива, записываем

1 нм3 СОг+ 1 нм3 С 02г-ѵ1 нм3-0,05+1 нм3-0,24+2 нм3-0,024+

+ 1 нм3-0,026;

2 нм3 Н2г+ 2 нм3 Н2Ог-^2 нм3-0,5+4 нм3-0,24+4 нм3-0,024

и

1 нм3СОг+ 2 ниі3С02г->-1 нлг3-0,026+2 нлі3-0,026+2 нм3(аѴo').

В окончательном виде получим:

Рсо+1+о2= 0,05+0,24+2 • 0,024+0,026;

2Ѵ+.+2 Ѵя2о= 2 ■0,5+4 • 0,024+4 • 0,024

и

Ѵсо+2У со2= 0,026+2• 0,026+2(аѴ0') нм3/нм3.

Решение этих уравнений относительно интересующих нас вели­ чин выполняется совместно с выражением

р— давление в зоне, ага.

*Индексы г и т при компонентах уравнений баланса соответственно отно­ сятся к дымовым газам и топливу.

58

Суммарный объем дымовых газов при неполном горении

Здесь объем азота VN2 находится по выражению (3.44).

На этом расчет процесса горения топлива в печи заканчивается.

3.5. ПРИНЦИПЫ СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА

камеру. Сюда же раздельно от топлива поступает воздух-окисли­ тель. Горение происходит в результате диффузии окислителя в струю горючего газа. Такой принцип смесеобразования носит на­ звание диффузионного. В силу того, что скорость химических реак­ ций горения при высокой температуре в камере несоизмеримо выше скорости смесеприготовления, скорость горения всегда равна ско­ рости смесеприготовления, в данном случае диффузии кислорода. Это — исключительное достоинство диффузионного принципа, так как при этом практически возможно регулировать скорость горения в широких пределах. Изменяя интенсивность смешения конструк­ тивным путем (дробление или укрупнение струи газа), а также скорость подачи газа в камеру горения, можно увеличить или сокра­ тить зону диффузии окислителя и тем самым изменять длину факела горения. При этом наибольшая длина пламени получается при ла­ минарном истечении горючего газа в камеру, так как в этом случае смешение происходит исключительно за счет молекулярной диффу­ зии кислорода воздуха в струю горючего газа.

Второй способ смесеобразования заключается в том, что рабо­ чая смесь получается в специальных устройствах с различными коэффициентами избытка воздуха. К очагу горения подается пол­ ностью подготовленная смесь топлива с воздухом, обладающая большой однородностью. Смесь сгорает практически мгновенно, и скорость распространения пламени в этом случае не играет суще­ ственной роли в процессе. Сгорание смеси полностью определяется скоростями ее приготовления и поступления в кратер горелочного устройства. В связи со сказанным можно заметить, что теплонапряжение туннеля (при кинетическом способе приготовления смеси) печей составляет (15—50) ■ІО6 ккал/м3-ч, что лишний раз позволяет

убедиться в незначительном влиянии скорости ѵп на процесс го­ рения.

Второй способ сжигания топлива называется кинетическим. Наряду с диффузионным и кинетическим принципами горения,

которые являются крайними, существует масса промежуточных способов. Один из них — горение в зоне печи безокислительного нагрева стали в открытом пламени. Промежуточные способы отве-

59

чают схеме, когда в горелочном устройстве приготавливается рабо­ чая смесь, содержащая только часть воздуха, необходимого для полного горения (а < 1 ), а остальной воздух поступает извне уже в процессе горения топлива. Воздух, идущий на образование газо­ воздушной смеси в горелочных устройствах, носит название первич­

ного, а поступающий непосредственно в рабочее пространство —

вторичного.

Изменяя состав смеси в горелке, можно перейти от кинетиче­ ского ( а ^ І ) к чисто диффузионному (а = 1 ), пройдя последова­ тельно все промежуточные этапы смесеобразования.

Сжигание газа по смешанному принципу обеспечивает работу горелок на газовоздушных смесях, находящихся вне пределов вос­ пламеняемости (<х=0,2—0,6). Последнее позволяет регулировать нагрузку в широких пределах.

Устойчивость факела и его размеры имеют важное значение при нагреве металла. Часто стремясь увеличить лучистую составля­ ющую теплового потока к металлу, процесс горения организуют таким образом, чтобы он заканчивался на небольшом участке рабо­ чего пространства в пределах сравнительно короткого огнеупорного туннеля. Сокращение длины факела снижает образование окалины и местный перегрев заготовок или изделий. Это особо важно в пе­ чах с ограниченным объемом рабочего пространства, как это имеет место при термической обработке. Несколько раньше говорилось, что размеры факела при диффузионном и кинетическом горении могут сравнительно легко регулироваться, корректируя коэффи­ циент избытка воздуха. Однако регулирование процесса горения за счет изменения а допускается не во всех случаях.

Чтобы найти дополнительные возможности регулирования раз­ меров факела, а также повысить его устойчивость, несколько под­ робнее рассмотрим процесс кинетического горения. Принимая во внимание, что диффузионный принцип сжигания горючих газов в промышленных печах используется реже, рассмотрим закономер­ ности, касающиеся лишь кинетического принципа.

Наблюдая за горением, удается выделить в факеле три харак­ терные зоны. Зоны в видимой части факела отчетливо различимы как при горении в свободной струе, так и керамическом туннеле (рис. 3.5).

Первая зона, считая от кратера горелки до фронта воспламене­ ния, по оси струи характеризуется отрезком k (зона 1). Изоповерх­ ность С02, соответствующая фронту зажигания (СО2= 0 ), образует конус зажигания 1 факела. За ним следует участок /2 (зона 2), на котором происходит основное выгорание горючих элементов топлива (СО,., =80% ). Пространство между изоповерхностями СО,0, = 0

и СО,., = 8 0 характерно ярким свечением факела. Из рис. 3.5 видно,

что зоны 1 и 2 по оси факела соответственно равны 5d и 9d (считая от кратера горелочного устройства). На участке между 5d и 9d наблюдается очень быстрое нарастание степени выгорания горючих элементов. Затем на отрезке /3 (третья зона), начиная от изолинии

60

С02= 8 0 —85%, скорость выгорания снижается до конца видимого факела (С 02%= 95—98%). Изолиния С 02%= 95—98% ограничи­

вает с внешней стороны третью зону горения. Оставшаяся часть горючих элементов сравнительно медленно догорает вне видимого факела.

Сопоставлением видимой части факела при горении топлива в свободной струе и керамическом туннеле было установлено, что

характер выгорания топлива в обоих случаях одинаков. В обоих случаях горение по оси факела заканчивалось на расстоянии приб­ лизительно (12— 13) d от его основания.

Распределение концентраций углекислоты СО* л) в продуктах

сгорания ( СО = ———— ) по оси факела носит название кривых

СОгтах

выгорания. Такие кривые приведены на рис. 3.6 соответственно для горения в свободной струе (кривая 1) и туннеле (линия 2), а также в керамическом туннеле с охлаждаемыми стенками (кривая 3). Сопоставление этих графиков указывает на их большое сходство, это позволяет сделать заключение, что сжигание в туннеле не при­ водит к заметному изменению размеров факела. Совершенно иная картина наблюдается при сопоставлении кривых выгорания, по­ строенных для различных скоростей истечения рабочей смеси из кратера.

Влияние скорости истечения смеси шп на характер кривых вы­ горания иллюстрируется рис. 3.7. Формула, описывающая кривую выгорания, имеет вид

61