Показатель излучательной способности топлива.
Карбюрация факела
Теплопередача излучением в печах с высокой температурой (>1000 oC) составляет примерно 90-95 % всего тепла, полученного нагреваемыми материалами. При изучении этого вопроса следует выделить два момента: излучение факела в процессе горения в момент, когда образуются молекулы углекислого газа и воды; излучение продуктов сгорания ¾ углекислого газа и воды. Второй случай изучен лучше первого. Удельный поток излучения слоя газов (qлуч Вт/м2) зависит от температуры газов (Тг), от парциальных давлений (р) углекислого газа и воды в продуктах сгорания и от толщины (S) излучающего газового слоя.
Излучение горящего факела мало изучено, хотя излучение в момент горения имеет наибольшее практическое значение. В момент построения новой молекулы углекислого газа или воды выбрасывается огромное количество лучистой энергии. Максимальная первичная температура реагентов мгновенно резко снижается, как за счет излучения, так и за счет многочисленных соударений с соседними балластными молекулами.
При горении углеводородов вопрос об излучении факела усложняется еще больше. В процессе нагревания молекулы углеводородов распадаются и выделяют атомарный водород и углерод. Оставшиеся после отрыва водорода углеродные цепи коагулируют (от лат. coagulatio - свертывание, сгущение) и образуют твердые частички сажистого углерода. Сажистый углерод, имея высокую температуру, раскален до белого цвета и излучает на всем спектре волн как твердая частичка. Степень черноты такого факела значительно повышается. Обильное излучение сажистого углерода, усиливая теплопередачу, быстрее понижает начальную температуру первичной реакции горения до действительной конечной температуры. Конечная температура продуктов сгорания светящегося факела получается более низкой, чем у прозрачного факела, что приводит к повышению коэффициента использования тепла.
Этот способ повышения степени черноты факела называется карбюрацией, которая представляет большой практический интерес. Способностью выделять частички сажистого углерода обладают сложные углеводороды, имеющие в своем составе молекулы непредельных углеводородов с двойными и тройными связями.
Насыщенные углеводороды - метан и другие алканы с высоким содержанием водорода, менее склонны к образованию частичек сажи, горят несветящимся прозрачным пламенем, что ведет к понижению коэффициента использования тепла в печи.
Вопрос о карбюрации факела заслуживает большого внимания, т. к. многие печи (мартеновские, стеклоплавильные) значительно улучшают свою работу при наличии яркого светящегося факела. Яркость факела зависит не только от состава топлива, но и от организации факела. Например, сжигание метана при малой скорости истечения газа, когда факел приближается к типу ламинарного, происходит обильное выделение сажи и имеет место хорошая светимость пламени, которая исчезает при сильно турбулентном факеле.
Следовательно, существуют какие-то особые условия, при которых метан успевает нагреваться и распадаться, а атомы углерода успевают группироваться в сажистые частички.
Процесс коагуляции атомов углерода требует какой-то минимум времени, в течение которого произойдет образование частичек сажистого углерода. Если этого времени недостаточно до момента встречи с кислородом, то происходит сгорания атомарного углерода, который как и газы СО и Н2, дает прозрачное несветящееся пламя.
Получение светящегося факела облегчается, когда топливо содержит в себе масла смолы и другие сложные углеводороды (алкины, алкены). Смола и мазут являются лучшими естественными карбюраторами факела. Достаточно 5-10 % смолы или мазута по теплу ввести в прозрачный факел, чтобы придать ему яркость и значительно изменить его степень черноты, а следовательно теплопередачу.
Аэродинамическая характеристика топлива
При сжигании топлива получают газообразные продукты сгорания, которые нужно удалять из печи в атмосферу. На пути их следования возникают значительные аэродинамические сопротивления, для преодоления которых применяют как естественную (дымовая труба), так и искусственную тягу (дымосос). Чем больше продуктов сгорания получают на единицу теплоты сгорания топлива, тем труднее становится задача их удаления из печи. Работа многих печей лимитируется, как правило, именно трудностью удаления продуктов сгорания, а потому аэродинамический фактор часто определяет уровень производительности печи
В зависимости от состава топлива изменяется выход продуктов сгорания. Чем больше балласта в топливе, тем больше получается продуктов сгорания на единицу теплоты, тем труднее задача их удаления. Выход продуктов сгорания на 1 Мдж теплоты сгорания служит очень важным показателем качества топлива.
Выход дыма на 1 Мдж теплоты сгорания для основных компонентов топлива следующий: СО - 0,227 м3; Н2 - 0,268 м3; С - 0,260 м3; СН4 - 0,294 м3. Самый большой выход дыма на 1 Мдж теплоты сгорания имеет доменный газ, который составляет 0,403 м3. Природный газ (метан) имеет выход дыма 0,294 м3. Приблизительно такой же показатель, как у метана, или несколько лучше у коксового газа и мазута при распылении его паром. Использование воздуха, обогащенного кислородом, значительно изменяет все эти показатели в лучшую сторону.
Аэродинамические сопротивления в сети пропорциональны динамическим давлениям в дымоходах. Чем больше выход дыма на 1 Мдж теплоты сгорания, тем больше будут скорости движения газов и динамические давления в дымоходах того же сечения.
Сопоставляя два топлива (природный и доменный газ) при одинаковой тепловой мощности, получим следующее отношение динамических давлений и потребной тяги:
,
где 1,23 и 1,4 - соответственно плотность дыма при горении метана и доменного газа.
Из этого примера видно, что потребность в дымовой тяге при одинаковой тепловой мощности и температуре уходящих дымовых газов примерно в 2 раза меньше на печи, работающей на природном газе, чем на доменном.
Наибольший интерес представляет такое условие сравнения, при котором в печи остается одинаковое количество рабочего тепла, характеризующего производительность печи. В случае, если необходимо учитывать коэффициент использования тепла, то отношение потребности в дымовой тяги будет иметь следующий вид:
,
где индекс 1 относится к параметрам при горении метана, а - 2 относится к параметрам при горении доменного газа.
При наличии какого-то разряжения дымососа через систему дымоходов можно пропустить в час вполне определенное количество дыма. При переходе от одного топлива к другому с сохранением постоянной тяги тепловая мощность печи может измениться, что приведет к изменению производительности печи.