5.4 Сжигание жидкого топлива в факеле. Интенсификация горения. Снижение образования токсичных соединений

Факел, образующийся при горении распыленного жидкого топлива, представляет собой очень неоднородную систему, состоящую из воздуха, капель и паров горючего, частиц кокса, сажи и продуктов сгорания. Поэтому горение факела является весьма сложным процессом, включающим взаимосвязанные, накладывающиеся во времени стадии подогрева воздуха, испарения частиц топлива, образования горючей смеси, ее воспламенения и горения, а также горения твердых частиц кокса и сажи. Продолжительность протекания отдельных стадий для частиц разных размеров неодинакова, вследствие чего в любом сечении факела будут одновременно протекать различные стадии процесса. Совокупность процессов горения жидкого топлива в факеле оказывается настолько сложной, что современная теория не имеет не только количественного, но и достоверного качественного описания факельного горения.

Как показано выше, пары тяжелых жидких топлив (мазута, сырой нефти) при нагревании с недостатком окислителя расщепляются несимметрично с образованием как простейших углеводородов, так и высокомолекулярных углеводородов с высоким содержанием углерода, включая твердые частицы сажи. Процесс образования сажи особенно интенсивен при высоких температурах. Поэтому при сжигании тяжелых топлив необходимо предотвращать термическое разложение паров топлива в зоне испарения и смесеобразования. Для этого следует весь воздух, необходимый для горения, подавать в корень факела. Тогда в зоне испарения и термического преобразования паров топлива увеличивается количество кислорода и понижается температура, т.е. создаются благоприятные условия для протекания процессов предварительного окисления углеводородных соединений, называемых предварительной газификацией.

Факельное сжигание жидкого топлива можно осуществлять в прямоточном (незакрученном) и в вихревом (закрученном) потоках. Сначала рассмотрим наиболее простой для изучения прямоточный факел (рис. 29). Из горелки 2 в топочную камеру подается воздушный поток, в котором с помощью форсунки 1 производится распыление топлива. В результате инжектирования к воздушному потоку подмешиваются горячие топочные газы, что вызывает увеличение его сечения, прогревание и испарение частиц топлива.

В факеле в процессе турбулентной и молекулярной диффузии пары горючего и воздух перемешиваются, образуя горючую смесь. Воспламенение смеси происходит в таком сечении струи, где концентрация горючего достигает предела распространения пламени. Поэтому воспламенение в устье горелки наступает не сразу, а на некотором расстоянии от ее среза. Зона воспламенения 4 стабилизируется на такой поверхности факела, где скорость поступательного движения горючей смеси равна скорости распространения пламени. Нарушение этого условия может вызвать отрыв факела и его затухание или приближение зоны воспламенения к срезу горелки, что может вызвать ее перегрев и коксование выходного отверстия форсунки.

Горение основной части горючей смеси протекает в слое 5, называемом фронтом горения. При ламинарном режиме движения газовоздушного потока фронт горения имеет четкую границу и очень малую толщину. В турбулентном факеле образуется пульсирующий, размытый, местами разорванный факел горения. Его толщина зависит от степени турбулентности и может достигать значительных размеров (до нескольких сантиметров).

Рис. 29 Схема прямоточного факела жидкого топлива

Фронт горения делит факел на две части: внутреннюю 3 и наружную 6. Внутренняя часть факела заполнена смесью воздуха, жидких и газообразных горючих, а также продуктами сгорания, диффундирующими из фронта горения. В ней протекают процессы испарения топлива, образование горючей смеси, нагрев ее, процессы газификации и термические преобразования паров горючего. Наружная часть факела заполнена продуктами сгорания, избыточным воздухом, а также газообразными продуктами химически неполного горения и твердыми частицами кокса и сажи, которые в этой зоне догорают. Здесь же протекают процессы испарения и горения наиболее крупных капель, испарение которых не завершилось во внутренней части факела. Между фронтом горения 5 и зоной догорания 6 четко выраженной границы не существует. За начало зоны догорания обычно принимают границу, за пределами которой начинается понижение температуры среды в факеле.

Рассмотренный выше механизм горения отдельной капли и мазутного факела показывает, что горение жидкого топлива является сложным процессом, состоящим из ряда взаимосвязанных физических и химических стадий: испарения горючего, диффузии кислорода в зоне горения и продуктов сгорания и зону свежей смеси, химических реакций, протекающих во фронте пламени и в зоне догорания частиц кокса и сажи. При высокой температуре, характерной для мазутного факела, скорость химических реакций очень высока и значительно превышает скорость испарения и диффузии окислителя в зону горения. Таким образом, при горении мазута наиболее медленными являются процессы испарения топлива и диффузии окислителя. Следовательно, горение мазутного факела в целом протекает в диффузионной области.

Р ис. 30 Схема завихренного факела жидкого топлива

Для интенсификации всех стадий горения мазутного факела так же, как и в газовом факеле, применяется искусственная турбулизация воздушного потока путем его завихрения в горелке 1 с помощью направляющих лопаток 4 и 5, называемых воздушными регистрами (рис. 30). Воздух, подаваемый в корень факела, обычно делится на две части. Одна часть, называемая первичным воздухом 2, вводится в приосевую часть факела, где, смешиваясь с парами топлива, полученными при испарении наиболее мелких капель, образует первичную горючую смесь. Количества первичного воздуха должно быть достаточно для протекания начальных окислительных процессов (предварительной газификации). Остальной воздух 3, называемый вторичным, подается в периферийную зону корня факела. Крупные капли благодаря высокой инерции быстро проходят через слой первичной смеси, где происходит лишь начальная стадия их испарения. Испарение крупных капель завершается в зоне вторичного воздуха, где вследствие наличия свободного кислорода и более низкой температуры создаются благоприятные условия для предварительной газификации паров горючего. В зоне вторичного воздуха происходят также испарение и термическое преобразование средних капель, испарение которых не завершилось в зоне первичной смеси.

Для интенсификации горения мазутного факела применяют подогрев воздуха и топлива и завихрение газовоздушного потока (рис. 26 ж,з), условия работы которых рассмотрены. Однако повышение температуры и зоне горения, вызываемое интенсификацией горения мазутного факела, так же, как и при горении газового топлива, увеличивает интенсивность расщепления молекул избыточного кислорода с образованием атомарного кислорода. Атомарный кислород может вступать в реакции с азотом воздуха и топлива, а также с SO₂, образующи­мися при горении серы топлива. При этом образуются оксиды азота (NO*) н серы SO₃. В свою очередь, SO₃ всту­пает в реакцию с водяным паром, содержащимся в про­дуктах сгорания, с образованием пяров серной кислоты. Таким образом, при сжигании мазута образуются как токсичные оксиды азота, так и оксиды серы и пары H₂SO₄. Последние оказывают губительное действие на животный и растительный мир, вызывают интенсивную сернокислотную коррозию металла воздухоподогревателя и экономайзера.

Наиболее эффективным способом снижении образования оксидов серы и кислоты при сжигании мазута является выделение серы в процессе переработки нефти на нефтеперерабатывающих заводах. Однако такой способ переработки нефти возможен только на вновь строящихся заводах. Он связан с большими капитальными затратами на сооружение специального оборудования и значительными эксплуатационными расходами, и поэтому еще не нашел широкого промышленного применения. Поэтому какой-то период времени, по-видимому, длительный, для сжигания будут поставляться сернистые мазуты и остаются актуальными проблемы, связанные с образованием соединений серы и кислоты.

Для образования SO₃ требуется избыток кислорода. Следовательно, уменьшить содержание SO₃ и H₂SO₄ в дымовых газах можно при сжигании мазута с очень малыми избытками воздуха (до1–2%). Однако технический уровень и условия эксплуатации промышленных котельных установок не позволяют с такими малыми избытками воздуха сжигать мазут без потерь теплоты от недожога. Поэтому этот способ борьбы с образованием сернистых соединений не находит широкого применения. Наиболее перспективным для промышленных котлоагрегатов является метод двухступенчатого сжигания газа и мазута в циклонной топке (рис.27) с коэффициентом расхода воздуха при работе на мазуте r = 1,05...1,07.