5. Горение жидкого топлива

5.1 Основные свойства и стадии горения жидких углеводородных топлив

Основными видами жидкого топлива являются про­дукты переработки нефти — бензин, керосин, соляровое масло, мазут. Первые три вида применяются в дви­гателях. В топках котлов и печей сжигают главным об­разом мазут. В последнее время для сжигания начали применять низкосортные высокосернистые нефти, на­пример арланскую, глубокая переработка которых эко­номически нецелесообразна. Перед сжиганием такая нефть подвергается только стабилизации путем отгон­ки наиболее легких (бензиновых) фракций.

Температура кипения отдельных фракций, входящих и состав жидких углеводородных топлив, ниже температуры их воспламенения, а температура воспламене­ния паров ниже температуры термического разложения. Поэтому при нагревании жидкого топлива начальным этапом преобразования является испарение с выделением различных газо- и парообразных горючих соединений, начиная с низших, наиболее легких, и кончая высшими, наиболее тяжелыми.

Легкие моторные топлива (бензин, лигроин) испаряются легко и быстро в обычных атмосферных условиях. В отличие от них тяжелые углеводородные топлива (соляровое масло, мазут, сырая нефть) имеют очень малую скорость испарения. Поэтому при горении тяжелых углеводородных топлив испарение является важным фактором, определяющим скорость процесса.

Интенсификация испарения тяжелых топлив достигается путем увеличения площади удельной поверхности жидкости, которая одновременно является поверхностью, воспринимающей от внешнего источника теплоту, которая необходима для эндотермического процесса испарения. Общепринятым способом увеличения площади поверхности испарения является дробление жидкого топлива на мельчайшие частицы (капли), называемое распылением. При распылении образуются частицы, размер которых составляет от нескольких микрометров (10^-9 м) до десятых долей миллиметра. В результате суммарная площадь удельной поверхности образующихся капель жидкости, т. е. площадь поверхности, отнесенная к единице массы капель, увеличивается в сотни и даже тысячи раз. Время испарения отдельной капли тем меньше, чем меньше ее размер.

Для распыления жидких топлив применяют форсунки, типы и конструкции которых рассматриваются в специальных курсах.

Температура кипения наиболее тяжелых углеводородных соединений мало отличается от температуры воспламенения мазута. Поэтому испарение наиболее тяжелых соединений накладывается на воспламенение паров более легких углеводородов. При воспламенении ранее выделившихся более легких соединений тяжелые соединения, оставшиеся в жидком состоянии, подвергаются интенсивному нагреву. На поверхности частицы мазута образуется оболочка кокса, внутри которой содержится некоторое количество наиболее тяжелых углеводородных соединений. Таким образом, в процессе нагревания мазута выделяются не только парообразные вещества, но и образуются твердые частицы кокса, дающие с воздухом гетерогенную смесь. Интенсивность коксообразования увеличивается при повышении температуры в зоне испарения.

Так как температура воспламенения паров жидких углеводородных топлив ниже температуры их термического разложения, то при нагревании паров в среде со свободным кислородом происходит окисление углеводородных соединений, если же кислород отсутствует, - термическое разложение с образованием частиц сажи, горение которых сопровождается потерями теплоты.

Для жидких топлив интенсивность образования сажи значительно выше, чем для газообразных. Это объясняется высоким значением отношения содержания углерода к водороду в составе топлива. Так, для мазута отношение С/Н = 7,5...8 против С/Н = 3...3,2 для природных газов. Поэтому при сжигании мазута предотвращение термического расщепления углеводородных соединений имеет важное значение.

Ход термического преобразования и предварительного окисления паров топлива зависит от количества кислорода, принимающего участие в этом процессе. Начальной стадией окисления жидких углеводородных топлив является образование спиртов – углеводородных соединений, содержащих гидроксильную группу СН, например СН₃СН₂ОН, а альдегидов – углеводородных соединений, характеризующихся наличием альдегидной группы СНО, например СН₃СНО. При отсутствии свободного кислорода спирты и альдегиды расщепляются с образованием простейших соединений:

СН₃СН₂ОН → СН₄ + СО + Н₂;

СН₃СНО → СН₄ + СО.

В этом случае кроме термически устойчивых веществ (СО и Н₂) получают метан, при разложении которого образуется сажа.

При наличии свободного кислорода спирты и альдегиды окисляются до формальдегида НСНО: СН₃СН₂ОН + О₂ = 2НСНО + Н₂О;

СН₃СНО + О₂ = НСНО + СО + Н₂О.

Как показано выше, окисление и термическое разложение формальдегида не сопровождаются образованием частиц сажи.

Эффективным способом предотвращения термического разложения тяжелых жидких топлив является частичное окисление углеводородных соединений в начальной стадии их термического преобразования. Такое окисление, называемое предварительной газификацией, благоприятствует последующему процессу горения, так как наличие кислорода в составе углеводородов способствует дальнейшему их окислению.

Экспериментальными исследованиями установлено, что для расщепления тяжелых углеводородов с частичным их окислением до формальдегида в зоне предварительной газификации необходимо иметь 40—50 % кислорода от теоретически необходимого (α=0,4...0,5)