Пламя, горение, огонь, факел. Теория. Коптит, дымит, гаснет. Неполное сгорание. Копоть, сажа, дым.
Как происходит горение? Пламя, огонь, факел. Копоть, сажа, дым. Теория
Для горения необходимы высокая температура и достаточное количество воздуха.
Избыточная подача воздуха охлаждает область горения и может служить причиной плохого сгорания или даже погасания огня.
Недостаток воздуха порождает неполное сгорание и избыточную температуру в области факела. Слишком высокая температура приводит к окислению азота из воздуха и образованию токсичных оксидов азота.
Котлы и печи рассчитаны на работу в определенном диапазоне мощностей. Не следует топить их слишком интенсивно или слишком слабо. Именно работа за пределами расчетного температурного режима является причиной копоти, сажи, дыма и засорения отопителей.
Этот материал не излагает научную теорию пламени. В нем популярно излагаются некоторые особенности горения, причины появления копоти, сажи и дыма. Почему пламя иногда горит стабильно, а иногда погасает?
Как происходит горение?
Вашему вниманию подборка материалов:
Все, что нужно знать об отоплении и климат-контроле Особенности выбора и обслуживания котлов и горелок. Сравнение топлива (газ, дизель, масло, уголь, дрова, электричество). Печи своими руками. Теплоноситель, радиаторы, трубы, теплый пол, циркуляцинные насосы. Чистка дымоходов. Кондиционирование
В обычных условиях нашей планеты окислителем бывает кислород воздуха. Однако горение возможно и в других окислительных средах, например, во фторе, хлоре, азотной кислоте, чистом кислороде, озоне и т. д.
Топливом при горении могут быть самые разные вещества, способные окисляться, например, углерод, водород, природный газ, ископаемые углеводороды, угарный газ, спирты, углеводы, металлы и т. д.
Для быстрого протекания реакции окисления необходимы либо высокая температура, либо наличие катализатора, либо и то и другое. К примеру, в катализаторе автомашины угарный газ доокисляется (сгорает) при довольно высокой температуре (выхлопная система машины довольно горячая) и в присутствии катализатора из платиноидов.
Что такое огонь, пламя, факел
Очень часто, хотя далеко не всегда, при горении мы наблюдаем некоторую светящуюся область, которую принято называть огнем или пламенем. На самом деле пламя образуется только при сгорании газообразных веществ или очень мелкой пыли / аэрозоли. Действительно, чтобы горение проходило в некоторой области, необходимо, чтобы вещества смешались с окислителем, проникли в него, заполнили эту область.
Пламя при горении некоторых веществ, например, природного газа, водорода, CO, есть, но оно может быть почти невидимым. Именно поэтому при работе с таким пламенем очень важно использовать защитные очки. Иначе можно случайно лишиться глаз, не заметив пламя и попав под него.
Не всякое горение сопровождается пламенем. Некоторые вещества горят без факела, огня. Это, прежде всего, металлы (железная пыль). Практически без пламени также горит антрацит, кокс, качественный древесный уголь. Другие угли горят с пламенем, так как выделяют при нагреве коксовый газ, который раньше даже использовался в освещении и отоплении. Подробнее о горении угля.
Продукты сгорания
Копоть, дым, сажа, задувание
Теперь поговорим про условия горения. В большинстве случаев катализаторы не используются. Так что горение происходит просто в условиях высоких температур. Чтобы пламя не гасло, и топливо сгорало полностью, необходимо выполнение двух условий. Во-первых, достаточное количество окислителя (например, кислорода из воздуха). Во-вторых, достаточная температура, чтобы все составляющие топлива хорошо реагировали с этим кислородом. Обычно в топливе много всяких фракций, и они горят при разных температурах. Необходимо, чтобы температура была достаточной для сгорания самой устойчивой фракции.
К сожалению, два названных требования конфликтуют друг с другом. Воздух, который поступает в область горения, имеет комнатную температуру. Избыточное поступление воздуха приводит к снижению температуры в области горения, неполному сгоранию, копоти, саже и дыму, а иногда погасанию пламени. При очень большом количестве воздуха пламя задувается и гаснет. Недостаточное количество воздуха служит причиной неполного сгорания уже по другой причине. Не хватает окислителя.
Кстати о саже. Сажа представляет собой углеродный порошок. Углерод горит при более высоких температурах, чем другие фракции. Наличие сажи однозначно свидетельствует о слишком низкой температуре в области горения. Сажа образуется, если топить печь или котел слишком малым количеством топлива, не нагревая его до оптимальной температуры.
К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.
Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.
Газовая плита. Переводим на природный / сжиженный, баллонный газ. Поме.
Как перевести кухонную газовую плиту на другой газ, поменять местами горелки, за.
Неисправности стиральных машин. Не включается, не поступает вода, не н.
Перечень распространенных неисправностей стиральной машины. Признаки той или ино.
Как забить гвоздь в сучок.
Очень надо забить гвоздь в сучок, как это сделать.
Реально ли сделать шкаф самому.
У меня нет каких-либо специальных навыков и знаний. Гвоздь забить и саморез заве.
Выращивание томатов, помидоров в Подмосковье, Москве. Сорта.
Мой практический опыт выращивания томатов в Московском регионе. Мне обычно удает.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Факел горения был очень вялым и сильно растянутым. [2]
Факел горения природного газа находится вблизи устья го-релок. В результате сопло горелок перегревается и часто обгорает. Процесс обжига при этих горелках характеризуется работой печи на ближней зоне и повышенной температурой клинкера, поступающего в холодильник. Необходимо отметить, что, несмотря на завихрение газового потока и подачу первичного воздуха, смешение газа с вторичным воздухом при низких скоростях истечения газа из сопла горелки все же часто недостаточно полное, что проявляется в содержании в отходящих газах некоторого количества продуктов химического недожога природного газа. [3]
Факелом горения называют горящую струю. [4]
В факел горения по направлению стрелки подается сжатый воздух. [6]
Управление факелом горения по высоте обогревательных каналов при отношении высоты к ширине канала 12: 1 и 18: 1 наиболее сложно и достигается рациональным размещением выходов для газа и воздуха как по отношению к стенам каналов и их основанию, так и по отношению друг к другу. [7]
Для обеспечения устойчивого факела горения необходим устойчивый и желательно не зависимый от основного потока топливо-воздушной смеси непрерывно действующий источник зажигания. [8]
Для контроля факела горения смеси водорода и хлора и протекания процесса синтеза хлористого водорода в печи смонтировано смотровое окно, герметично закрытое кварцевым стеклом. Кроме того, печь снабжена двумя патрубками со встроенными в них фотоэлементами, которые при погасании факела подают сигнал на включение звуковой сигнализации и автоматическое закрытие отсечных клапанов на линии подачи в печь хлора и водорода. [10]
Для устранения этого явления и перемещения факела горения на более высокий уровень группа специалистов Коксохим-станции совместно со специалистами Криворожского коксохим-завода разработала и осуществила вынос гнезда горелок из шахточек на уровень основания вертикала. [13]
Для регулирования распределения газовых потоков и высоты факела горения в обогревательных простенках применяют регулировочные устройства: горелки, регулировочные кирпичи ( регистры), рассекатели и шиберы для прикрытия окон рециркуляции. В особо тяжелых условиях работают горелки для коксового газа. Они попеременно нагреваются от интенсивного излучения горящего факела и охлаждаются при кантовках. Кроме того, материал горелки вступает в химическое взаимодействие с золой угля, который попадает в обогревательные простенки через смотровые шахточки. [14]
Факельное сжигание
В основу факельных (камерных) топок положен принцип, при котором топливо вдувается в топку (камеру сгорания) через горелки вместе с необходимым для горения воздухом (рис.8).
Рис.8. Факельный способ сжигания
Топливо непрерывно транспортируется через топочную камеру потоком воздуха и продуктов сгорания. На пути от входа (выход из горелки) до выхода из топки совершается процесс горения с образованием факела горящего топлива, заполняющего объём топочной камеры. Температура в зоне активного горения (ЗАГ) порядка 1300÷1500 °С. Продолжительность пребывания частиц топлива в зоне активного горения от 0,5 до 2 с. Для обеспечения полного выгорания топлива за такое короткое время твёрдое топливо перед поступлением в топку предварительно подсушивают и тщательно размалывают до пылевидного состояния, а жидкое – распыляют с помощью форсунок до мельчайших капель.
Твёрдое топливо измельчается в мельничных устройствах и вдувается в топочную камеру через пылеугольные горелки (рис.9). Конструкции горелок чрезвычайно разнообразны, так как диапазон изменения теплотехнических характеристик углей очень велик. Например, выход летучих, в значительной степени определяющий реакционные качества топлива, меняется от 2 % у метаантрацита до 92 % у эстонского сланца. Тем не менее, практически во всех пылеугольных горелках определённая часть воздуха, предназначенная для подсушки и транспортировки угольной пыли к горелке, смешивается с топливом до поступления в топку (первичный воздух), а оставшаяся часть (вторичный воздух) смешивается с аэросмесью уже после выхода из горелки, т.е. в топочном объёме.
Рис. 9. Вихревая пылеугольная горелка
При камерном сжигании угольной пыли летучие вещества, выделяющиеся в процессе её прогрева и термического разложения, сгорают в факеле, образуя с воздухом гомогенную смесь, что способствует разогреву твёрдых частиц (кокса) до температуры воспламенения, а также стабилизирует факел. Первичный воздух должен обеспечить сжигание летучих, поэтому его количество VIВ (доля от общего объёма воздуха) определяется выходом летучих веществ. Для углей с малым выходом летучих (например, антрацита или тощего угля, температура воспламенения которых от 800 до 1000 °С) доля первичного воздуха VIВ =(0,15÷0,25)∙V, а для топлив с высоким выходом летучих (бурых углей с температурой воспламенения от 550 до 600 °С) VIВ =(0,2÷0,55)∙V.
Остальной необходимый для горения воздух (вторичный воздух), как уже было отмечено, подаётся в топку по отдельному каналу и смешивается с угольной пылью уже в процессе горения непосредственно в топочном объёме.
При сгорании летучих расходуется, главным образом, кислород первичного воздуха. Горение летучих ускоряет прогрев коксовых частиц и их воспламенение. Горение же коксовых частиц происходит, в основном, за счёт кислорода вторичного воздуха.
Изложенная схема факельного способа сжигания угольной пыли, безусловно, является упрощённой, так как в реальных условиях сжигается полидисперсная пыль. Поэтому стадии выхода летучих и горения коксового остатка протекают последовательно только для каждой отдельной частицы (или отдельной фракции). А для всего факела, в целом, эти процессы протекают параллельно, поскольку мелкие частицы (размером в несколько микрометров) прогреваются, воспламеняются и сгорают значительно быстрее, чем крупные частицы. При факельном сжигании максимальный размер частиц может достигать: для каменных углей – нескольких сотен микрометров, для бурых углей, сланцев и торфа – нескольких миллиметров.
6.2.1. Расположение горелок на стенках топочной камеры
Интенсивность процессов горения, тепло- и массообмена, а следовательно, и условия надёжной эксплуатации топочной камеры определяются не только конструкцией горелок и режимными параметрами, но и схемой размещения горелок на стенках топки. Наибольшее распространение для обычных однокамерных топок получили фронтальное, встречное и угловоерасположение горелок (рис. 10).
Рис.10. Схемы расположения горелок в топочной камере:
а – фронтальное, б – встречное, в – угловое
При фронтальном расположении горелок (рис.10а) струи, истекающие из отдельных горелок, первоначально развиваются самостоятельно, а затем сливаются в единый поток. По мере распространения струя подсасывает (эжектирует) топочные газы, масса её значительно увеличивается, а концентрация окислителя снижается. Во избежание касания струёй противоположной (задней) стенки топочной камеры при фронтальном расположении целесообразно использование вихревых горелок, которые дают относительно короткий факел.
При встречном расположении (рис.10б) горелки устанавливаются либо на противоположных боковых стенках, либо на фронтальной и задней, причём возможна как встречно-лобовая, таки встречно-смещённая компоновка.
На рис.11 представлены модельные снимки свободно распространяющегося пламени вихревой осесимметричной горелки при различных углах крутки вторичного воздуха в сравнении с пламенем незакрученного параллельноструйного потока.
Рис.11. Длина газового факела вихревой горелки Lвихр
при различных углах крутки вторичного воздуха α2
в сравнении с прямоточным факелом Lпр
При встречно-смещённой компоновке горелок потоки взаимно проникают друг в друга, при этом происходит лучшее заполнение факелом топочного объёма, выравнивается поле температур, обеспечивается интенсивный подвод теплоты к корню факела, стабилизируется воспламенение.
При угловом расположении горелок (рис.10в) возможны следующие схемы их установки (рис.12): диагональная, блочная, тангенциальная. Подобные компоновки также имеют ряд преимуществ, аналогичных встречно-смещённой компоновке.
Рис.12. Схемы угловой установки горелок
а – диагональная; б, в – блочная; г, g – тангенциальная
Ещё более интенсифицируются процессы тепло- и массопереноса за счёт дополнительной турбулизации (крутки) потоков с помощью вихревых горелок, однако при несоответствии импульсов возможно искажение аэродинамики результирующего потока и, как следствие, неравномерность тепловосприятия по горизонтальному сечению топочной камеры.
Применение вихревых горелок кардинально изменяет аэродинамику истекающих потоков: профиль скорости, скорость вдоль оси струи, угол раскрытия струи, эжектирующую способность струи, – по сравнению с прямоточными горелками (рис.13).
При незначительной крутке на оси струи уменьшается статическое давление. Струя распространяется под действием центробежных сил, вызванных движением вращающихся частиц потока. До тех пор, пока между силами сжатия и центробежными силами сохраняется равновесие, профиль осевой составляющей скорости подобен случаю распространения свободной незакрученной струи (рис.13, кривая а).
Рис.13. Изменение профиля осевой составляющей скорости
в окологорелочной области:
а – незакрученная струя; б – слабозакрученная струя; в – сильнозакрученная струя (сверхкритическая крутка)
При усилении крутки потока силы сжатия компенсируют часть импульса осевого потока и тем самым замедляют его. Поскольку максимальное падение давления происходит на оси струи, наибольшее торможение осевого потока имеет место также на оси. При дальнейшем повышении степени крутки образуется профиль скорости со впадиной посередине (рис.13, кривая б).
Последующее увеличение крутки приведёт к тому, что силы сжатия превысят осевой импульс потока вблизи оси и вынудят повернуть осевой поток в обратном направлении (рис.13, кривая в).
Образующийся в окологорелочнойобласти обратный вихрь играет важнейшую роль, в первую очередь, при стабилизации вихревого пламени, поскольку за счёт эффектавнутренней рециркуляции (рис.14) происходит подсос горячих дымовых газов в корень факела, в отличие от прямоточных горелок, которые эжектируют горячие газы только с внешней (периферийной) поверхности.
Рис.14. Зона обратных токов на выходе из вихревой горелки
Вихревые горелки обеспечивают устойчивое воспламенение угольной пыли (особенно при сжигании топлив с низким выходом летучих), при этом вторичный воздух закручивается с помощью аксиально или радиально расположенных направляющих лопаток или “улитки” (рис.27). В результате, истекающий в топочное пространство поток образует мощный турбулентный закрученный факел, на оси которого создаётся разрежение, что обеспечивает подсос большого количества раскалённых продуктов сгорания из ядра факела к устью горелки – так называемая зона внутренней (приосевой) рециркуляции дымовых газов. Это ускоряет прогрев смеси топлива с первичным воздухом и её воспламенение, т.е. стабилизирует факел. Размер зоны внутренней рециркуляции (зоны обратных токов) и её удаление от среза горелки определяются геометрией горелки, степенью крутки и соотношением режимных параметров.
При факельном сжигании угольной пыли в топке в каждый момент времени находится ничтожный запас топлива – не более нескольких десятков килограммов. Это делает факельный процесс значительно более чувствительным к изменениям расходов топлива и воздуха (в сравнении со слоевым сжиганием) и позволяет в случае необходимости практически мгновенно изменять тепловую производительность топки (как при сжигании газа и мазута). Факельный способ сжигания предъявляет дополнительные требования к надёжности непрерывной подачи угольной пыли в топку, поскольку малейший (даже несколько секунд) перерыв может привести к погасанию факела, что связано с опасностью взрыва при возобновлении подачи топлива. Поэтому в пылеугольных котлах устанавливают несколько горелок.
Преимущества факельного способа сжигания по сравнению со слоевым:
· камерные топки пригодны для сжигания любого вида топлива, включая отходы углей, образующиеся при их обогащении;
· возможность создания топки практически на любую, сколь угодно большую мощность;
· надёжная эксплуатация при низких коэффициентах избытка воздуха (даже при сжигании угольной пыли α = 1,15÷1,2);
К недостаткамследует отнести следующее:
· ограничен нижний предел производительности (при сжигании угольной пыли тепловая мощность не ниже 20 МВт), т.е. невозможно сжигать угольную пыль в маленьких топках, особенно при переменных режимах работы;
· повышенные энергозатраты на собственные нужды в связи с необходимостью предварительной подготовки топлива (системы пылеприготовления – СПП);
· более высокие концентрации токсичных газов (оксидов азота и серы).
Факельное сжигание топлива
Факел в отличие от обычной струи представляет горящую струю. Под длиной факела Lфак подразумевают расстояние от горелки, на котором практически заканчивается полное горение топлива.
Факел образуется при смешении газового и воздушного потоков. По месту встречи и характеру перемешивания потоков различают три метода сжигания газов:
1 метод. Газ и воздух встречаются вне горелочного устройства (в рабочем пространстве печи) и перемешиваются в рабочем пространстве печи в процессе горения. Воздух и газ могут быть нагреты до высокой температуры. Этот метод используется в горелках типа «труба в трубе».
2 метод. Газ и весь воздух, необходимый для полного горения топлива, перемешиваются друг с другом до вылета в рабочее пространство печи. Это возможно, если температура образующейся смеси меньше температуры воспламенения, тогда газ не может гореть внутри горелочных устройств, если скорость распространения пламени меньше скорости истечения смеси. Длина факела весьма мала и способ называют беспламенным или бесфакельным. Этот метод используется в инжекционных и скоростных горелках.
3 метод. Предварительное перемешивание газа с частью воздуха, необходимого для полного сжигания топлива. Окончательное перемешивание смеси с остальной частью воздуха происходит в рабочем пространстве печи в процессе горения. Регулируя процесс предварительного перемешивания можно управлять длиной факела. Этот метод используется в большинстве горелок типа горелок нагревательных колодцев, плоскопламенных и др.
Различают ламинарный и турбулентный факел. При ламинарном факеле контакт горючего с кислородом воздуха происходит на поверхности струи. Внутренние слои газа не соприкасаются с кислородом, что хорошо видно на рисунке 2.1 (темная полоска первичного газа охвачена светлой оболочкой горящего слоя).
Рисунок 2.1 – Фотография ламинарного факела
В ламинарном факеле по его сечению можно выделить две зоны: зону горючего газа и зону продуктов сгорания. На границе зон происходит горение топлива. Таким образом, имеет место послойное включение слоев газа в процесс горения. Фронт горения постепенно приближается к оси струи.
При турбулентном факеле отсутствует послойное выгорание газа в струе. Внешний вид и структура факела определяется свойством турбулентной струи захватывать окружающую среду, перемешиваться с этой средой и проталкивать ее вперед. Поэтому турбулентная струя газа после вылета из сопла горелки – устройства для сжигания газообразного топлива – приобретает форму конуса. По своей структуре турбулентная струя представляет совокупность хаотично перемещающихся макрочастиц, объединенных в одно целое силами вязкости и общим направлением движения.
При поджигании турбулентной струи горючего газа процесс горения начинается на поверхности струи. Образующиеся здесь продукты сгорания вовлекают в свое движение макрочастицы воздуха и вместе с ними проникают вглубь струи. Таким путем постепенно очаги горения возникают и внутри струи. Процесс горения из поверхностного превращается в объемный. Вследствие хаотичности турбулентного перемешивания очаги горения в каждом элементарном объеме факела возникают дискретно. Они то появляются, то исчезают. При зрительном восприятии большого числа близко расположенных и дискретно появляющихся очагов горения в объеме факела они сливаются воедино, и турбулентный факел представляется в виде сплошной конусной струи горящего газа.
Для уяснения динамики перехода ламинарного факела в турбулентный рассмотрим изменение длины вертикального факела при возрастании скорости в сопле (рисунок 2.2). С ростом скорости истечения длина ламинарного факела сначала возрастает почти пропорционально скорости истечения Wист, а факел имеет неизменную форму. При достижении критической скорости Wкр вершина факела становится неустойчивой и начинает пульсировать. При дальнейшем увеличении скорости эта неустойчивость развивается и факел как бы складывается из двух частей: нижней ламинарной и верхней турбулентной, что видно из фотографии, приведенной на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 – Фотографии факелов при переходе от ламинарного факела
к турбулентному при возрастании скорости
При еще большем увеличении скорости истечения длина факела начинает уменьшаться и граница раздела частей факела перемещается от вершины к соплу. При некотором значении скорости факел становится полностью турбулентным и дальнейшее увеличение вызывает противоположное явление – длина факела вновь начинает увеличиваться, но уже в более медленном темпе, чем при ламинарном режиме (рисунок 2.3).
Рисунок 2.3 – Изменение длины факела при возрастании скорости