В теории горения различают гомогенное и гетерогенное горение. Гомогенное горение происходит в объеме, а гетерогенное горение – на поверхности капелек, а затем, после испарения летучих составляющих – на сажистых частицах. Чем меньше размер частиц жидкого топлива, тем больше будет удельная поверхность взаимодействия жидкой фазы с газовой. Поэтому распыление жидкого топлива позволяет сжечь больше топлива в единице объема, т. е. интенсифицировать горение.
Гомогенное горение может происходить в двух случаях, которые называются кинетическим и диффузионным. В кинетическом случае в зону горения (скажем, в рабочее пространство печи) подают заранее подготовленную топливно-воздушную смесь. Главная часть процесса – это непосредственный прогрев смеси и окисление горючих составляющих топлива и горение. При этом факел становится коротким и высокотемпературным. Предварительный подогрев смеси или обогащение воздуха кислородом ускоряют процесс горения: подогрев практически всех газовоздушных смесей до 500 °С способствует увеличению скорости горения почти в 10 раз.
Но температура предварительного подогрева смеси не должна превышать температуры ее воспламенения. При диффузионном горении процессы прогрева, смешения смеси и горения осуществляются в факеле одновременно. Наиболее медленная стадия – встречная диффузия молекул микро– и макрообъемов газа и воздуха, другими словами – смесеобразование. Поэтому факел будет длиннее, чем в первом случае. В стремлении сократить длину факела производят дробление газового и воздушного потоков на отдельные струйки. Также уменьшить факел помогает увеличение скоростей струй и направление потоков газа и воздуха под углом друг к другу и т. д.
Воспламенение смеси горючего газа и воздуха возможно только при их определенном соотношении. Их предельные соотношенияназывают концентрационными пределами. Различают нижний и верхний пределы, определяемые предельным содержанием горючего газа в смеси, %. Для водорода пределы имеют значения 4,1 – 75; оксида углерода – 12,5-75; метана – 5,3-14; коксового газа – 5,6-30,4, а для природного газа – 4-13.
В теплотехнике часто используют понятие теплового напряжения, под которым подразумевают количество теплоты, выделяющееся при сжигании топлива в единицу времени, отнесенное к 1 м>3 топки или рабочего пространства печи. Для жидкого топлива оно доходит до 600 кВт/м>3, а для газообразного – вдвое больше.
6. Аналитический расчет горения топлива
Для расчетов используют следующие соотношения и величины:
1) отношение объемного содержания азота к кислороду в обычном воздухе, не обогащенном кислородом, k= 3,76;
2) молекулярную массу химических элементов (для водорода она приближенно равна 2, для азота – 28, кислорода и серы – 32 кг/моль);
3) объемы воздуха и продуктов горения при нормаль-ныхусловиях (температура 0 °С, давление 101,3 кПа).
Рассмотрим состав жидкого топлива:
С>P+ Н>P + О>P + N>P + S>p + А>р + W>p=100.
Горючими составляющими являются углерод, водород и сера. При использовании сухого воздуха реакции полного горения составляющих имеют вид:
С + О>2 + kN>2 =CO>2+ kN>2 +Q>1;
2H>2 + O>2+ kN>2 =2H>2O + kN>2 + Q>2;
S + O>2+ kN>2 = SO>2+ kN>2 +Q>3.
При горении 1 моля углерода и серы расходуется по 1 молю кислорода. При горении 2 молей водорода расходуется также 1 моль кислорода. С каждым молем кислорода в печь вносится k молей азота. Азот переходит в продукты горения. Поэтому, например, при горении 1 моля углерода получаются 1 моль углекислого газа и 3,76 моля азота. При горении углерода по этой реак6б ции выделяется количество теплоты Qt. При горении водорода образуется свой состав продуктов горения и выделяется иное количество теплоты.
На горение 1 моля углерода затрачивается 1 кмоль кислорода объемом 22,4 м>3. Если надо рассчитать расход кислорода на 1 кг углерода, то объем 1 кмоля кислорода делят на молекулярную массу углерода, равную 12. Поэтому на 1 кг углерода расходуется 22,4 / 12 = = 1,867 м>3/кг кислорода. Рассуждая аналогично, получим, что на горение 1 кг водорода затрачивается 22,4 / /(2 О2) = 5,5 м>3 кислорода (произведение в знаменателе означает, что в реакции горения принимают участие две молекулы водорода с молекулярной массой 2). На горение 1 кг серы расходуется 22,4 / 32 = 0,7 м>3 кислорода.
Отношение действительного расхода воздуха к теоретически необходимому расходу называют коэффициентом расхода воздуха:
α = L>a /L>0, или L>a= αL>0,
где L>a и L>0– действительный и теоретический расходы воздуха, м>3/кг или м>3/м>3. Коэффициент расхода воздуха зависит от вида топлива, конструкции топливосжигающего устройства (горелки или форсунки) и температуры подогрева воздуха и газа.
7. Контроль коэффициента расхода воздуха
При недостатке воздуха или несовершенстве топли-восжигающих устройств горение может быть неполным.
Наличие в продуктах горения горючих составляющих (оксида углерода, водорода, метана или сажистого углерода) обусловливает химическую неполноту горения или, как чаще говорят, химический недожог топлива. Последний характеризуется потерями теплоты в процентах от низшей теплоты сгорания топлива.
Чем больше коэффициент расхода воздуха, тем полнее протекает процесс горения. Однако увеличение этого коэффициента приводит к повышенному расходу воздуха и значительным потерям теплоты с газами, уходящими из печи. Температура в печи снижается, что приводит к ухудшению теплоотдачи в рабочем пространстве и усиленному окислению металлов. Поэтому в практике эксплуатации печей стремятся к выбору оптимального коэффициента расхода воздуха
