Стабилизация процесса горения

Для стабилизации пламени необходимо создать около устья горелки условия для надежного воспламенения газовоздушной смеси.

Наибольшее распространение в качестве стабилизаторов получили керамические туннели (рис. 3.11), зажигательные пояса, тела плохообтекаемой формы (рис. 3.12), а из аэродинамических методов - закручивание воздушного потока, создающее зоны рециркуляции продуктов сгорания около выходного сечения смесителя.

При стабилизации в туннелях струя смеси выходит из насадка в туннель большего диаметра. В головной части туннеля образуются устойчивые вихревые зоны, в которых осуществляется рециркуляция продуктов сгорания. Раскаленные продукты поджигают свежую смесь. Существуют оптимальные соотношения диаметров, так как, с одной стороны, продукты рециркуляции поджигают исходную смесь и их должно быть достаточно для прогрева пограничной зоны струи до температуры воспламенения, с другой стороны, газы рециркуляции разбавляют исходную смесь, уменьшая скорость выгорания. Оптимальное соотношение диаметров, подобранное экспериментально, оказалось равным ~2,5.

Плохо обтекаемые тела также приводят к образованию вихревых зон за стабилизатором с зоной рециркуляции продуктов сгорания (рис. 3.12).

Рис. 3.11. Схема керамического туннеля	Рис. 3.12. Схема организации зажигания рециркуляцией продуктов сгорания за плохо обтекаемым телом

Зоны устойчивой рециркуляции продуктов сгорания можно организовать за счет закручивания струи (рис. 3.13). При этом образуются зоны разрежения по центру струи и у выходного сечения, обеспечивающие рециркуляцию раскаленных продуктов сгорания.

За счет взаимодействия струй при тангенциальном расположении горелок (рис. 3.14) в центре топки можно создать устойчивый вихрь раскаленных продуктов сгорания, являющийся источником зажигания.

Рис. 3.13. Стабилизация факела при использовании вихревых горелок	Рис. 3.14. Стабилизация факела при тангенциальном расположении горелок

3.6. Турбулентное горение предварительно подготовленных смесей

Ламинарное течение возможно только при малых значениях Re. При Re > Re_кp устойчивость течения нарушается и движение малых объемов становится неупорядоченным, пульсирующим. В этих условиях закономерности ламинарного распространения пламени теряют свою силу. Решающими факторами становятся турбулентные пульсации и связанная с ними интенсивность перемешивания.

Рассмотрим изменение структуры пламени (рис. 3.15) на примере работы горелки Бунзена. При ламинарном течении наблюдается гладкий и тонкий фронт пламени. Высота факела пропорциональна скорости потока. После достижения критического значения Rе пламя укорачивается, утолщается и выглядит сильно размытым. Укорочение пламени связано с увеличением скорости распространения пламени, обусловленной турбулентностью.

В турбулентном пламени химическая реакция ускоряется за счет турбулентной диффузии и турбулентной теплопроводности. Поскольку процессы турбулентного переноса являются функцией скорости (Rе), скорость турбулентного распространения пламени U_т также является функцией скорости (или числа Rе). Имеются две основные теории турбулентного распространения пламени:

Рис. 3.15. Изменение структуры пламени при переходе из ламинарного в турбулентный режим	Рис. 3.16. Схема пламени при мелкомасштабной турбулентности

1. Теория поверхностного горения.

Под действием турбулентности фронт пламени искривляется, его поверхность размывается и сильно увеличивается (рис. 3.13). Пламя распространяется с постоянной скоростью U_n по всей развитой поверхности, увеличение скорости распространения пламени будет пропорционально увеличению площади поверхности фронта горения .

Рассматривая площадь поверхности турбулентного фронта горения как площади конусов, получают, что увеличение отношения поверхностей пропорционально , тогда получим что . Теория хорошо подтверждается при мелкомасштабной турбулентности.

2. Теория объемного горения.

Используется, когда рассматривается крупномасштабная турбулентность. Элементарные объемы продуктов сгорания и горящей смеси, перемещаясь в свежую смесь, создают очаги поджигания (рис. 3.17). моли свежая смеси, попадая в зону горения, разрывает фронт на отдельные очаги горения. Горение происходит по законам нормального распространения пламени. Фронтом пламени является суммарная поверхность отдельных молей. В этом случае , и высота факела, как и показывает эксперимент, перестает зависеть от скорости истечения смеси .

Смесь, подаваемая через горелку в камеру сгорания, представляет собой неизотермическую струю, распространяющуюся в среде высоконагретых продуктов сгорания. В процессе турбулентного расширения струи горючая смесь нагревается и одновременно разбавленная продуктами сгорания. Нагрев происходит наиболее интенсивно по периферии струи и по мере удаления от устья горелки распространяется внутрь струи. Кривые распределения температур и концентраций показаны на рис. 3.18. По мере приближения к внешней границе температура повышается, а концентрация горючей смеси падает. Воспламенение струи происходит в ее наружных слоях по конической поверхности, где скорость распространения пламени имеет максимальную величину. От воспламенившихся периферийных слоев турбулентной теплопроводностью тепло передается соседним слоям, вызывая их последовательное воспламенение. Длина зоны воспламенения ограничивается точкой, в которой воспламенение впервые достигает оси факела, и рассчитывается по формуле , где U_т – скорость турбулентного распространения пламени. Видимым фронтом горения является участок факела ( ), где - толщина фронта горения. В нем происходит воспламенение струи и основное выгорание (до 90 %) горючих. Горение завершается за видимым фронтом, определяя общую длину факела . Участок до границы полного сгорания называют длиной зоны догорания.

3.7. Диффузионное горение газов

В случае когда через горелку подается газ, не содержащий кислорода, при его поджигании горение происходит за счет потребления кислорода окружающего воздуха, поступающего посредством диффузии. Поскольку горение происходит в процессе взаимной диффузии горючего и окислителя, причем скорость горения определяется интенсивностью процесса смешения, подобное горение называется диффузионным. В зависимости от характера смешения различают ламинарное и турбулентное диффузионное горение.

Ламинарное диффузионное горение происходит при ламинарном режиме движения газа, вытекающего из горелки. Зона устойчивого горения устанавливается по поверхности, где горючее и окислитель находятся в стехиометрическом соотношении. Образующиеся продукты горения диффундируют как в окружающее пространство, так и внутри факела. Структура диффузионного ламинарного факела показана на рис. 3.19. Концентрация горючего падает от наибольшего значения на оси струи до нуля во фронте пламени, а концентрация кислорода возрастает от нуля во фронте пламени до его значения в окружающем потоке. Концентрация продуктов максимальна во фронте.

В диффузионном ламинарном пламени температура достигает максимального значения в зоне горения. Вытекающий из горелки газ до поступления в зону горения нагревается за счет тепла, переносимого теплопроводностью и диффузией. В случае сжигания углеводородов их нагрев приводит к термическому разложению с образованием сажи и водорода. Находящиеся в пламени мелкодисперсные частицы сажи и свободного углерода, раскалившись за счет выделяемого при горении тепла, вызывают свечение пламени. Диффузионное горение частиц сажи протекает сравнительно медленно, в результате чего может возникнуть недожог топлива.

Высота ламинарного диффузионного пламени может быть рассчитана по формуле

, (3.15)

где W – скорость истечения газа; R – радиус соплового отверстия; D – коэффициент молекулярной диффузии.

Интенсивность диффузионного сжигания зависит от интенсивности смесеобразования. Поскольку массообмен при турбулентном течении пламени интенсивнее, чем при ламинарном, для промышленных условий более важным является способ турбулентного диффузионного горения. С увеличением скорости размеры факела растут, достигая некоторого максимума. Одновременно начинает теряться правильность очертаний и стабильность его вершины. Начинается турбулизация факела, захватывающая все большую его длину. По мере приближения турбулентного фронта к корню факела высота его несколько снижается, оставаясь дальше более или менее постоянной. По достижении некоторой критической скорости газовой струи весь факел становится турбулентным, и в дальнейшем при увеличении скорости высота факела не изменяется. Относительная высота турбулентного диффузионного факела рассчитывается по формуле

, (3.16)

где h – длина факела; d – диаметр устья горелки; V⁰ – теоретический объем продуктов сгорания; r_в и r_г – плотность воздуха и газа. Переход диффузионного факела от ламинарного режима горения к турбулентному наблюдается у разных газов при различных критериях Re, которое для водорода составляет 2200, для коксового газа - 3700-4000, для оксида углерода – 4750, для пропана и ацетилена - 8900-10400.

3.8. Горелки промышленных агрегатов

Основные характеристики горелок:

1. По давлению газа подразделяют на горелки:

· низкого давления – до 5 кПа (500 мм вод. ст.);

· среднего давления – 5 кПа–0,3 МПа (500 мм вод. ст. – 30 м вод. ст.);

· высокого давления - более 0,30 МПа (> 3 атм).

2. Тепловая мощность горелки рассчитывается как N= .

3. Коэффициент предельного регулирования горелки по мощности n=N_max/N_min, который должен быть не менее 3. Коэффициент регулирования мощности пропорционален корню квадратному из отношения максимально и минимального давления перед горелкой: n~B_max/B_min~W_max/W_min; ~ . Для того чтобы коэффициент регулирования n был равен 3, должна быть возможность изменения давления в 10 раз.

4. Коэффициент избытка воздуха a (в том числе первичного и вторичного).

5. Номинальная относительная длина факела , которая представляет собой расстояние от выходного сечения, выражения в калибрах горелки до точки, где концентрация СО₂ составляет 95 % от максимального значения.

6. Уровень шума допускается до 85 дБ.

Различают два основных типа - кинетические и диффузионные горелки.

В кинетических горелках осуществляется предварительное перемешивание газа с воздухом в пределах смесительной камеры, что позволяет сжигать топливо с минимальными значениями коэффициента избытка воздуха a = 1,02-1,05. Факел таких горелок слабосветящийся, стабилизация факела осуществляется за счет установки туннелей, тел плохообтекаемой формы, огнеупорных насадок и т.д. Недостаток таких горелок узкие пределы регулирования из-за возможности проскока пламени, а также невозможность подогрева воздуха более 500-600 °С.

В зависимости от способа приготовления смеси горелки делятся на две основные группы: дутьевые с вентиляторной подачей воздуха и инжекционные. В зависимости от способа подвода воздуха дутьевые горелки делятся на прямоточные и вихревые.