5.2 Горение капли жидкого топлива
В промышленных установках горение жидкого топлива происходит в факеле, состоящего из большого количества капель различного размера, процесс термохимического преобразования которых сопровождается взаимным влияем горения одних капель на другие и на факел в целом. Это значительно усложняет изучение горения факела. Поэтому сначала рассмотрим механизм и закономерности горения отдельной капли, что позволит лучше понять сложный процесс горения мазутного факела.
Рассмотрим процесс горения отдельной капли в неподвижной среде или капли, движущейся в воздушном потоке со скоростью, равной скорости потока. В том и другом случае относительная скорость движения капли в среде равна нулю, что облегчает исследование процесса горения. Следует отметить, что 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 определяется главным образом разностью парциальных давлений паров испаряемых фракций в капле и в окружающей её среде. Скорость образования пара резко возрастает когда температура частицы достигает температуры кипения топлива.
Рис. 28 Горение капли в неподвижной среде (а) и турбулентном потоке (б)
При испарении топлива вокруг капли 1 (рис. 28, а) образуется зона паров горючего 2, навстречу которой из среды диффундирует окислитель 5. В результате вокруг капли образуется горючая смесь. Горение полученной смеси происходит в тонком слое 3, концентрация горючего в котором близка к стехиометрической. Толщина слоя 3, называемого фронтом горения, обычно составляет несколько долей миллиметра. Продукты сгорания 6 и 7, образующиеся в зоне горения 3, диффундируют в двух направлениях: в сторону капли – в зону паров горючего 2 и в противоположную сторону – в зону их догорания 4. Таким образом, объем, занимаемый факелом, делится на две части: внутреннюю, состоящую из паров топлива и продуктов сгорания, диффундирующих из фронта горения в сторону капли, и внешнюю, состоящую из продуктов сгорания и диффундирующего навстречу им воздуха.
При горении капли в неподвижной среде или в потоке с относительной скоростью, равной нулю, кислород не проникает внутрь замкнутого фронта горения 3 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 (асфальтены, карбены, карбоиды) 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.
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 (рис. 28, б). Во внутрь фронта пламени 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 внутрь оболочки пламени, составляет не меньше 0,4 – 0,5 от теоретически необходимого для горения, то процесс преобразования паров горючего протекает практически без выделения сажи.