Пирометаллургические расплавы в железоуглеродистых расплавах применительно к газовой плавке металла: учебное пособие
А.А. Черный
Пенза, 2008 г.
3.3. Исследования процессов горения природного газа применительно к пламенным печам
Эксперименты на моделях показали, что процесс воспламенения и устойчивого горения газовоздушной смесисвязан с газодинамическими явлениями в факеле. Съемками факела, горящего в отрыве от выходного отверстия горелки, обнаружены вихри, непрерывно поджигающие газовоздушную смесь и стабилизирующие процессы горения.
Вихри непрерывно зарождаются у выходного отверстия горелки. По мере поступательного перемещения вихря его размеры увеличиваются. Происходит расширение вихревой зоны факела "Б" и постепенное сужение его "холодного" ядра "А". За вихревой зоной Б" и "холодным ядром" "А" возникает высокотемпературное ядро"В", по границам которого развивается вторая вихревая область "Г".
При факельном сжиганиисмеси природного газа с воздухом интенсивное горение происходит в вихревой зоне "Б", где осуществляется непрерывный частичный перенос тепла и активных процессовреакции к корню факела и новым порциям газовоздушной меси в "холодном" его ядре "А". Горение начинается у поверхности "холодного" ядра факела "А" в момент захвата газовоздушной смеси горячими вихрями и продолжается в вихрях, а также в высокотемпературном ядре факела "В". Если горение в ядре факела "В" не заканчивается, то оно продолжается в вихревой зоне "Г". В "холодном" ядре факела "А" газовоздушная смесь не горит, что объясняется отсутствием там вихревого движения газов.
По результатам экспериментальных исследований на моделирующих горелочных устройствах установлено, что при встрече факела с плоскими и изогнутыми стенками меняются характер и режим движения газов, в связи с чем изменяются газодинамические условия развития процессовгорения и форма факела.
При встрече газового потокафакела с плоской стенкой происходит изменение свободно горящего факела. Струя растекается по плоской стенке тем больше, чем больше угол атаки. У поверхности "холодной" стенки газовоздушная смесь не горит, что объясняется отсутствием там условий для поджигания газа. Сгорание газовоз-душной смеси происходит над плоской стенкой в завихрениях потока.
При встрече факела с изогнутой стенкой, а также при входе факела в пространство, ограниченное цилиндрическими стенками, газы горят над этими стенками. При отражении газов от вогнутых стенок создаются интенсивные завихрения с двух сторон основного потока, в которых происходит догорание газовоздушной смеси.
В случае соприкосновения газовоздушной смеси ядра факела с поверхностью металла, разогретой свыше 800°С, происходит контактное Горение газов на поверхности металла, причем металл окисляется, в результате чего поверхностьметалла покрывается окисной пленкой. При растекании газовоздушной смеси по разогретым (> 850 С) поверхностям плоских и изогнутых стенок, футерованных огнеупорным материалом, газ контактно горит на этой футеровке.
Значительное влияние на факельное Горение газовоздушной смеси оказывает расположение горелочных сопел.
Большое влияние на процессы горения, форму и размерыфакела оказывают параллельные, центральные, боковые и встречные газовые потоки. Длина основного факела сокращается, если в пределах "холодного" ядра за счет подачи газовоздушной смеси через малое сопло возникает параллельный основному потоку высокоскоростной дополнительный поток. Поскольку на границе двух потоков появляются завихрения, внутри факела образуется обратный конус горения, который соединяется с основным, имеющим общий фронт горения в виде короткого прямого конуса. Параллельный основному высокоскоростной газовый поток, частично внедряющийся в основной факел, изменяет поверхностьгорения газовоздушной смеси в этом факеле.
В местах соприкосновения двух потоковГорение наблюдается по поверхности высокоскоростного потока.
Боковой высокоскоростной газовый поток, направленный под углом к оси основного свободного горящего факела, создает под этим же углом самостоятельный факел, в котором происходит Горение в пределах основного факела и за его пределами.
Встречный высокоскоростной газовый поток образует самостоятельный факел внутри основного факела, при этом в местах соединенияконусовгорения наблюдаются интенсивные завихрения движущихся газов, увеличивающие факел по ширине.
Во всех случаях при воздействии высокоскоростного газового потока на "холодное" ядрофакела длина основного факела уменьшалась.
Исследовалось также влияние геометрической формы сопла горелки на факельное горение.
Принято называть расширяющуюся трубу диффузором, а сужающуюся - кон-фузором. Обычно соплогорелки выполняют в виде конфузоров, а торцевую стенку туннеля у выходного отверстия сопла делают диффузорной.
Экспериментальные исследования показали, что в конфузорах ламинарное движение газа более устойчиво, а турбулентное движение наступает при больших числах Рейнольдса, чем для труб постоянного сечения. Поле скоростей в конфузоре выровнено, профильскоростей более пологий, по сравнению с прямой трубой. При принятых в методикеусловиях не наблюдалось воспламенения и горения газовоздушной смеси в конфузоре металлического горелочного сопла.
Незначительное расширение площади поперечного сечения выгодного отверстия сопла приводит к значительному возрастанию Интенсивности турбулентного потока. Турбулентный режим движения газа в диффузорах наступает при меньших числах Рейнольдса, чем для труб постоянного сечения. профильскоростей более выпуклый и при центральных углах расширения меньше 8° остается симметричным относительно оси диффузора. С дальнейшим увеличением угла диффузорности имеет место отрыв потока от стенок и возрастают обратные токи. При углах расширения в пределах 10-50° отрыв потока происходит обычно от одной стенки, профильскоростей несимметричен относительно оси диффузора, и наблюдается неустойчивость отрыва, выражающаяся в том, что отрыв потока происходит от одной или от другой стенки. При больших углах диффузорности (50-60°) поток отрывается от всех стенок.