Файл: Несенчук А.П. Пламенные печи для нагрева и термообработки металла учеб. пособие.pdf

II

Низшая теплотворная способность рабочей массы водяного генера­ торного газа находится в пределах 2400—2800* ккал/нм3. Произ­ водство генераторного воздушного газа связано с газификацией (полной) твердого топлива. Генератор представляет собой шахту, в которую загружается твердое топливо. Топливо слоем толщиной примерно 500— 1500 мм располагается на колосниковой решетке или на поду. Через слой продувается воздух. Окисление углерода проис­ ходит в соответствии с одной из следующих реакций:

Поэтому его нецелесообразно транспортировать, так как примерно 30% тепла (от потенциального тепла углерода) будет потеряно при его охлаждении.

Доменный газ — побочный продукт доменных печей, в которых выплавляют чугун. Он содержит СО, С02, N2 и незначительное коли­ чество водорода и метана (табл. 3.1). Имея низкую теплоту сгорания (порядка 900 ккал/нм3), он чаще всего используется в смеси с кок­ совальным или природным газообразным топливом.

Одна из основных характеристик смеси топлива с воздухом (рабочая смесь) — скорость горения. Под скоростью горения пони­ мают скорость нормального распространения пламени он (рис. З.Г). Особенно важное значение для организации процесса горения эта характеристика имеет для диффузионного смесеприготовления, а также анализа устойчивости горения. На рис. 3.1 представлена модель образования фронта воспламенения. Область конуса зажи­ гания заштрихована, а фронт пламени показан жирной линией. На линии фронта пламени рассмотрим точки 1 у периферийной час­ ти кратера горелки и 2 — на некотором от нее расстоянии. Как вид­ но, у своего основания (левее точки 1) фронт пламени загибается с развертыванием краев на горизонталь. При этом нормальная ско­ рость горения он равна скорости потока топлива при его истечении из кратера, так как на участке 0—1 coscp=l. Равенство скоростей ои и wn обеспечивает высокую устойчивость горения, и этот участок фронта горения играет роль зажигательного пояса.

* Q„p= 30,18-50-1-25,8-50^2800 к к а л / н м 3 , так как теоретический выход Н2 и СО составляет соответственно 50 и 50%.

45

На всей остальной протяженности фронта горения (правее точки 1) компенсация ѵи и wn имеет лишь частичный характер, так как уравновешенной оказывается лишь часть скорости потока, а именно ее составляющая Шпгсоэф (точка 2). Вторая ее составляю­ щая шп2 sin cp, оставаясь неуравновешенной, относит точку воспла­ менения 2 и все за ней последующие к вершине конуса горения.

Устойчивость такого горения обеспечивается только зажигательным поясом и возможна лишь при ламинарном течении. Скорость исте­ чения смеси, при которой еще сохраняется устойчивое горение, равна 1—6 м/сек. Превышение этой скорости (форсирование производи­ тельности горелки) меняет режим течения. Площадь зажигательно­ го пояса при этом сильно уменьшается (рис. 3.2) и наступает отрыв или пульсация факела. Скорости потока при ламинарном и турбу­ лентном течении потока смеси соответственно равны и а ’ . Как

видно, роль зажигательного пояса при турбулентном течении неве­ лика. Фронт горения под действием силы wu2sin ф смещается к своей оси и пламя отрывается от кратера горелки.

пояса зажигания устойчивое горение не обеспечивается, то во избе­ жание срыва пламени он создается искусственно. В отдельных слу­ чаях зажигание обеспечивается непрерывно действующими запаль­

16

никами, которые, все время поджигая смесь, обеспечивают стабиль­ ное горение.

Наиболее часто стабилизация горения достигается установкой кратера горелки в специальном керамическом туннеле (горелочном камне), который, будучи нагретым выше температуры воспламене­ ния топлива, является источником непрерывного поджигания смеси Горелочный туннель наряду со стабилизацией горения позволяет ориентировать пламя на раскаленные своды печи. Это способствует более полному выгоранию из смеси горючих компонентов и интен­ сификации лучистого теплообмена в рабочем пространстве.

Из сказанного можно сделать заключение, что для сопостав­ ления скоростей ѵя и шп нужно знать абсолютную скорость горения. Такое сопоставление позволяет организовать горение смеси без опа­ сения срыва пламени. Кстати сказать, что для каждого конкретного случая скорость потока смеси шп на выходе ее из кратера легко рассчитать (см. параграф 3.7), в связи с чем такое сопоставление не вызывает трудностей. Принимая во внимание исключительную важность данного обстоятельства, ниже несколько подробнее оста­ новимся на определении скорости горения, или нормальной скорости распространения пламени ѵн.

Нормальная скорость распространения пламени в смесях газа с воздухом определяется экспериментальным путем.

Максимальные нормальные скорости горения пНшах для некото­

рых газовоздушных смесей в зависимости от процентного содержа­ ния в них горючего газа приведены в табл. 3.2. Таблица составлена для смесей, имеющих температуру 20° С. Нормальная же скорость распространения пламени пн в смесях горючих газов с воздухом и той же температуре приведена в табл. 3.3.

47

рючих газов может быть найдена расчетным путем. Предположим, что горение многокомпонентного газа можно рассматривать как не­ зависимое и одновременное горение его компонентов в смеси с воз­ духом, а также, что пламя распространяется в однокомпонентных составляющих с одинаковыми скоростями, тогда можно записать

где нНтах — максимальная нормальная скорость распространения

пламени в многокомпонентной горючей смеси с возду­ хом, м/сек;

L — содержание многокомпонентного газа в смеси, дающее максимальную скорость распространения пламени, %;

Гг — содержание і-компоненты газа, %,;

ÜHmax( — максимальная скорость горения і-компоненты в газо­ воздушной смеси, м/сек-,

k — содержание і-компоненты горючего газа в смеси с воз­ духом, дающее максимальную скорость распростране­ ния пламени, %.

-Наличие в многокомпонентном газе таких инертных примесей, как СОд и N2, приводит к снижению значения і/Нт . Действительная

48

где VN2 и Vcoa — соответственно содержание в горючем газе азота и углекислоты, %.

Скорости ун и увеличиваются приблизительно пропорцио­

нально квадрату возрастания температуры газовоздушной смеси. Наряду с теплотворной способностью QP и нормальной ско­

ростью горения уи для организации процесса не менее важное зна-

Рнс. 3.3. Кривые зависимости q = F { T )

чение имеет температура воспламенения топлива. Чтобы вскрыть физическую сущность этой величины, рассмотрим некоторое коли­ чество газовоздушной смеси при температуре окружающего воздуха ^о+273. Предположим, что смесь заключена в камере сгорания, имеющей объем V и поверхность F. Допустим также, что в камере протекает реакция окисления (без присутствия пламени), количест­ во выделившегося при этом тепла

где k — коэффициент, зависящий от условий теплоотдачи; F и V— поверхность и объем камеры.

Изолинии теплоотвода от смеси изображены на рис. 3.3 прямы­ ми отрезками 1—5. Экспонентой 4 для заданного сорта топлива представлена зависимость для теплопритока (q = f ( T )) в результате окисления. При значительном теплоотводе, превышающем теплоприток, разогрева смеси не произойдет, и ее температура останется равной или несколько ниже температуры окружающей среды. В камере будет протекать медленное окисление компонентов газо­ образного топлива. Снижая интенсивность теплоотвода (при всех прочих равных условиях), можно достичь некоторого повышения температуры смеси над температурой окружающей среды (линии 2 и 3). В своем пределе разогрев смеси за счет реакций окисления иллюстрируется линией 4. Процесс достигает своего равновесного состояния, которому отвечает температура Та (рис. 3.3). Дальней­ ший даже незначительный подвод тепла, например за счет сокраще­ ния дотв, нарушает установившееся равновесное состояние. Проис­ ходит воспламенение рабочей смеси.

Графики (рис. 3.3) удовлетворяют определенному сорту топли­ ва, для которого устанавливалась зависимость

__Е_ ^7прих—Fi(e RT ).

Температура Тв называется температурой воспламенения топ­ лива. В соответствии с рис. 3.3 можно сказать, что значения Гв для разных топлив различны. Более того, даже для одного и того же сорта топлива температура воспламенения не имеет постоянного значения, так как она зависит от целого ряда факторов (темпера­ туры подогрева воздуха, коэффициента избытка воздуха, формы сжигательного устройства и пр.) .

Температура Тъ может быть достигнута либо, как это имеет место на рис. 3.3, изоляцией системы от окружающей среды (умень­ шая ^отв), либо подводом теплоты извне, как это делают при сжи­ гании топлива в печах и других теплотехнических сооружениях.

В табл. 3.4 приведены данные о температуре воспламенения некоторых топлив. Из таблицы видно, что топлива, содержащие тяжелые углеводороды, имеют более низкую температуру воспламе­ нения по сравнению с горючими газами с большой примесью метана.

Нужно отметить, что изложенная выше тепловая теория воспла­ менения не объясняет целого ряда явлений, сопутствующих воспла­ менению и горению топлива.

Наряду с тепловой существует также разработанная Н. Н. Се­ меновым [27]—[29], Я. Б. Зельдовичем и др. цепная теория воспламе­ нения и горения. Сущность теории сводится к следующему. Процесс окисления не сразу достигает своей окончательной фазы, как это предусматривают стехиометрические уравнения, а проходит через ряд промежуточных реакций.

Зарождение цепи реакции происходит в результате распада молекулы водорода Н2 под действием катализатора М на два актив­ ных атома водорода:

Н2+М -э-2Н+М. (3.24)

50

В свою очередь атомарный активный водород расщепляет мо­ лекулу кислорода, образуя активный гидроксил и атомарный актив­ ный кислород:

Выделившийся атомарный кислород действует на молекулярный водород:

О+Нз-^ОН+Н. (3.26)

Реакции (3.25) и (3.26) сопровождаются выделением двух гид­ роксильных групп, которые вступают в реакцию с молекулярным водородом:

Как видно, реакция (3.27) сопровождается выделением атомар­ ного водорода.

Итак, в результате воздействия атомарного водорода на кисло­ род (3.25), помимо конечного продукта Н20 (3.27), образуется три новых активных центра атомарного водорода (два за счет гидро­ ксила по реакции (3.25) и один — за счет реакции (3.26). Выделив­ шийся атомарный водород образует новые цепи реакций. Схемати­ чески это можно представить так: