Особенности горения водомазутной эмульсии

В настоящее время роль воды в топливной эмульсии ещё полностью не исследована. Сложность исследований заключается в том, что влияние воды осуществляется в процессе сгорания топлива.

Экспериментальные исследования процесса горения единичной капли мазута и ВМЭ позволили установить ряд особенностей [29, 30].

Рисунок 1.2 – Время выгорания ВМЭ и мазута.

1 – ВМЭ; 2 – мазут.

При одинаковых температурных условиях воспламенение паров капли ВМЭ происходит раньше, чем капли обезвоженного мазута. Процесс горения эмульсии сопровождается разрывами поверхности капли и выбросом из неё паров воды. Капля эмульсии сгорает быстрее, чем такая же по размеру капля обезвоженного чистого мазута, вследствие дробления капли, происходящего благодаря «разрывному воздействию» водяных паров (рисунок 1.2). Капля эмульсии начинает закипать в топочной среде раньше по времени и при более низкой температуре. Так, при температуре 350ºС капля ВМЭ начинает закипать через 2сек., при 500ºС уже через 1сек., а капля мазута только через 7сек.

Кипение ВМЭ происходит в две стадии. Сначала закипает содержащаяся в эмульсии вода в глобулах. Давление в глобулах дисперсной фазы резко возрастает. Внутренние силы разрывают поверхностную плёнку и дробят каплю ВМЭ. Частички капли разлетаются в разные стороны, приобретая дополнительную скорость относительно окружающей среды. Резкое падение давления внутри капли, её микродробление, приобретение частичками капли дополнительной кинетической энергии ведут к мгновенному испарению и образованию парового облака.

С уменьшением диаметра глобул возрастают силы поверхностного натяжения, в результате растёт температура кипения внутри капли дисперсной фазы (по некоторым данным она может достигать 240-270ºС [31]). Кроме того, с уменьшением размера глобул увеличивается вероятность метастабильности состояния воды внутри микрокапли из-за сокращения активных центров парообразования. Число центров парообразования зависит от объёма и чистоты самой жидкости. Использование для приготовления ВМЭ загрязнённых вод (дренажей, подтоварных, промышленных вод, нефте-маслозагрязнённых стоков) уменьшает время метастабильного состояния и, следовательно, температуру кипения.

При достижении температуры кипения воды в глобуле, сравнимой с температурой кипения дисперсной среды (мазута), вероятность «микровзрыва» будет минимальной.

Наблюдения за изменением температуры нагрева и испарения капель мазута и горения его паров показали, что наряду с процессами горения паров топлива в интервале температур 850-890ºС имеет место эндотермический процесс, который вызывает понижение температуры горящей капли на 18-20ºС и обусловлен термическим разложением и рекомбинацией молекул высококипящих углеводородов в паровой фазе.

Заключительная стадия горения мазута представляет собой догорание сажистых (твёрдых) остатков, которые вызывают наибольшее свечение пламени. При испарении с поверхности капель мазута сначала выкипают более лёгкие, а затем тяжёлые углеводороды. Лёгкие углеводороды и радикалы типа СН или ОН более реакционноспособны и поэтому сразу вступают в реакцию с кислородом воздуха. Тяжёлые углеводороды, как более насыщенные углеродом, менее реакционноспособны и труднее реагируют с кислородом. Они не сразу вступают в реакцию с кислородом, а предварительно распадаются на более лёгкие углеводороды или радикалы и свободный углерод. Первые перехватывают диффундирующий из окружающей топочной среды кислород, а отделившийся в результате разложения тяжёлых углеводородов свободный углерод в условиях пониженных температур и недостаточно быстрого поступления кислорода из окружающей среды может вступать в реакцию с ним лишь в самую последнюю очередь.

Молекулы высокомолекулярных соединений топлива, переплетаясь, образуют микроклубки, которые полностью не окисляются из-за ограничения доступа кислорода. Эти соединения под действием высоких температур подвергаются пиролизу (термическое разложение органических соединений без доступа воздуха) с образованием сажистых частиц. В ВМЭ неполярные молекулы мазута упорядочиваются при диспельгировании (тонкое измельчение твердых, жидких тел в какой-либо среде, в результате чего получают порошки, суспензии, эмульсии) с полярной жидкостью (водой), молекулы которой представляют собой диполи. Микроклубки выпрямляются в нити, последние разрываются, создавая благоприятные условия для выгорания топлива [31, стр.112].

Образовавшееся паровое облако состоит из мельчайших частичек как тяжёлых, так и лёгких углеводородов, а также паров воды и продуктов её диссоциации. Облако, обладая высокой удельной поверхностью, значительно эффективнее контактирует с окислителем. В результате резко сокращается время и возможность пиролиза топлива. Уменьшаются размеры сажистых частиц и их структура, что ведёт к сокращению времени их выгорания. С увеличением парциального давления Н₂О увеличивается процент выгорания оксида углерода. Такое же позитивное действие водяные пары оказывают на выгорание углеводородов.

Таким образом, при сжигании ВМЭ в зоне горения значительно возрастает концентрация Н₂О и продуктов её разложения (ОН; Н; О), оказывающих каталитическое воздействие на процесс горения. Дисперсная фаза (вода), на поверхности раздела которой концентрируются асфальтены и смолы, ведёт как бы к диспельгированию последних, насыщению их радикалами в момент микровзрыва.

При сжигании ВМЭ не наблюдается срывов горения, пульсации и расслоения эмульгированного топлива. Устойчивое интенсивное горение ВМЭ, протекающее в более коротком факеле (рисунок 1.3) и характеризуемое высокой полнотой сгорания топлива при минимальных избытках воздуха, открывает большие возможности их эффективного использования в отопительных и коммунально-бытовых котельных.

Рисунок 1.3 – Факел сгорания топлива: а) мазут; б) ВМЭ.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: