Seria: E N E R G E T Y K A z. 68 Nr kol. 564 Z E S Z YT Y NAUKOWE POLI TE CH N IK I ŚL ĄSKIEJ_____________________________________1 973
R y s z ar d W I L K
Instytut Tec hn ik i Cieplnej
B A D A NI A S P A L A N I A KROPLI O D PA DO W E G O P A L IW A CIEK ŁE GO
S t r e s z c z e n i e . p rz ep ro w ad zo no badania spalania kropli o dpadowego paliwa ciekłego. Za ob se rw o wa no wy s tę p o w a n i e z jawiska e k sp lozji w kropli. P r z e d s t a w i o n o próbę w y ja śn i en ia tego zjawiska w oparciu o reakcję p i r o li zy zachodzącej we wnętrz kropli.
O d p a do w e ciekłe w ę g l o w o d o r y będące p o z o s t ał oś ci ą po destylacji a t m o s f e rycznej ropy naftowej (mazut) lub próżniowej (gudron) są p ow sz e ch ni e u ż y t kowane m.in. Jako paliwo w piecach przemysłowych. S ub st a n c j e te,jako m i e s zanina wielu z ło żonych nasyconych i ni e na sy co n yc h z wiązków w ę g l o w o d o r o wych, spalają się w s posób zasadniczo różny od sp a la ni a lekkiego paliwa, np. etyliny. Zjawiska towarzyszące temu procesowi są jeszcze mało zbadane i dlatego b r a k u j e w l it eraturze światowej do st a te cz ny c h informacji, poza n i e l ic zn ym i wyjątkami, o wyn ik ac h badań pods t aw ow yc h nad sp al an ie m kropli m azutu lub gudronu [2], [ b j . [ b ] .
N in iejsza praca jest pr z yczynkiem do w y pe ł ni en ia tej luki.Prz ed st a wi o- no w niej w yn i ki badań nad spalaniem pojedynczej, nieruchomej kropli c i ę ż kiego, ci ek łe go węglowodoru.
Bada n ia e k s p e r y me nt al n e pol eg a ły na o bs e rw ac ji płonącej kropli, o ś w i e tlonej ś w i at ł em sc hl ie r e n o w s k i m umożli wi aj ą cy m pomiar średnicy, a także mi e rz on o temperaturę w kropli. W tym celu z b ud owano st an o w i s k o pomiarowe p r z e ds t aw io ne na rysunku 1 [2]. Kroplę 1 filmowano kamerą 2 z prędkością 500 klatek /s ek o św ie t lo ną świa tł em w yt wa r z a n y m przez źródło światła 3 oraz aparat s c hl i er en a 4. Do pomiaru tempe r at ur y s ł u ży ł y termopary PtRh-Pt 5 i 6 o ś r e d n i c y d rutów 0.0 8 mm umieszczone pod p o w ie rz c hn ią kropli ?t.) i w środku (t_). Pr z eb i e g zmian temperatury re je strowano na osc yl o gr af ie 7.
K ropla była zawie sz on a na nici platynowej 8, a w celu ułatwi en i a zapłonu p od gr z e w a n o ją gr za łkami elektry cz ny mi 9 zasilo ny mi z tr an aformatora 10.
Z apłon real i zo wa no iskrą elektryczną z e l e k t ro d y 11, generatora iskry 12 oraz r egulatora dł ugości czasu trwania iskry 13. Układ op óź ni a j ą c y 14 u r u c ham i ał zapłon z odpowiednią zwłoką, niezbędną dla uzyskania o d po wiednich o bro t ów przez kamerę i oscylograf. S ta n ow is ko uruch am ia n o w y ł ą c z n i k i e m 15.
Z o bs er w ac ji płonącej kropli oraz po miarów jej ś r e d n i c y v/ynika. że w trakcie procesu kropla pulsująco zwiększa swoją objętość. N i e ki ed y przy końcu procesu wzrost ten Jest tak szybki, że w y s t ę pu je zjawisko eksplozji kropli. Na rysunku 2 p r z e d st aw io n o zdjęcia kropli mazut M 100 o okwiw
180 R. Wilk
R y a . 1. S t a no wi sk o pomiarowe
i
t = 2iHs t »a,TS* t = 3 , 8 U t - s , « ł t = N,6H
Rya. 2. K o l e j n e stadia płonęcej kropli mazut u M 100
P adania spal an i a kropli. 181
lentnej ś r e d n i c y początkowej d Q = 1,65 mm w k ol ejnych s t a d i ac h procesu spalania.
P r z e bi eg zm ia n ś r e d n i c y kropli w czasie dla różnych o dp ad ow y ch paliw p r z e ds t aw io no na rysunku 3. W y s t ę p u j e zjaw is ko e k sp lo zj i (rys. 3, gudron 33%). które jest c ha r ak t e r y s t y c z n e dla spa la n ia krop l i emulsji w od n o- ol e- jowej. Oest to pożędane, gdyż polepsza rozpylanie c i ec zy oraz mi es z an ie się jej z utleniaczem.
a - mazut M. 100, b - gudron o poz. próżn. 26%, c - g u dr o n o poz. próżn. 33%
P o m i a r y t em p er at ur w kropli na tle zmian jej ś r e d n i c y p r z e d s t a w i o n o na rysunku 4. T e m p e r a t u r a cał y czas rośnie, a także w y s t ę p u j e rozkład t em p e
ratur w o bj ę t o ś c i kr opli w p r z e c i w i e ń s t w i e do sp al en ia lek ki eg o paliwa, np.
e t y l i n y 78 (rysunek 5). Wynika, że w tym p rz yp ad k u te m peratura poza* po*
c zę tk ow y m o d c i nk ie m podg r ze wa ni a Jest stała i równa t e m p er at u rz e wrze n ia p rz y c iś n ie ni u at m os f e r y c z n y m (*■• 130°C) oraz, co ma be zp o ś r e d n i z tym z w i ą zek, z a c h o w a n e Jest prawo liniowej z al eż n o ś c i k wadratu ś r e d n i c y krop li od czasu s p a l an i a [6j .
1 8 2 R. Wilk
2,S
|cL, m m
°c
800
2,0-
t.
\
600
1,0- 400
200 *
0 l i0,5
a x
A x *
X A
X
O.4 Hft -1.2 1,6 2,0 2,4 2,0 3,2 t , s
Rys. 4. Z a le żn oś ć ś r e d ni cy i temp er at u ry w kropli nazutu M 100 od czasu
^21 spalania
mwit
6 fi1
°C o
° o O o g /
zoo
o o
150; H
100-
50’
3-i
|
2 *
ti
A i X A *
*
A X
A * ‘t,
lis«'
° j u
0,4 0,8 1,2 1.6
Z0
2,42,6
T ,sRys. 5. Za le żność ś r e d n i c y i t e mperatury w kropli etyliny 78 od czasu s p a lania
Badania s palania kropli. 183
Z a o b s e r w o w a n e pr aw id ł ow oś ci w sk az u j ę na moż l iw oś ć w y st ęp ie n ia w pło- nęcej kropli o dp a do we go paliwa reakcji te rmicznego rozkładu [3]. Oest to reakcja p i r ol iz y pr ze bi e g a j ę c a wg schematu:
g d z i e :
P, F, B, G i R - to odpowiednio: surowiec, flegma, benzyna, gazy i p oz os t ał oś ć koksowa,
k l ‘ k2 ' k 3 1 *4 “ s t B *e szy bk oś c i rozkładu k o le jnych reakcji.
Dla stałej te mp er a t u r y można uzyskać n a s tę p uj ęc e równania k inetyczne
y = e- k 5t
k. -k,t -k_t
2 “ k - k (e - 6 )'
2 5
u = k 1 k2
-k T -k l -k i
_______ę___________ e e _______
¡kg - kg) (kj - kg) ¡kg - k2) (kg - k
2) (kg -
k3) {kg - kg)
k l k i k2 k 3 - k 5l
v = ^ - k ' 5T k 3 - k g ) (k2 - k 5 ) 6 •
k j k 2 - k 2t T k g - k2 ) ¡k3 - k 2 ) e
k l k2 _ k 3t
■n^-g-Tc-gj '(k2_ k3) e
k - k i
w = - A (1 - e 5 ).
5 g d z i e :
k_ = k, + k,,
5 1 4
y, z, u, v i w - u d z i a ł y gramo we suro w ca oraz surowca p r z e k s z t a ł c o n e go w flegmę, benzynę, gaz i po zostałość koksowę.
184 R. Wilk
Rys. 6 Przebieg zmian sk ła dn i k ó w w kropli wsku t ek piro li z y dla trzech czasów działania
Badania sp alania kropli.. 185
P rzyjęto dla mazutu n aa tępujęca za le żn o śc i [4] :
k 1/ k 2 = 2.35;
l g k lg kj = - 14,585 + 0 , 0 15 1 5 T
i na tej p od stawie w yk on a n o oblicz en i a oraz prze ds t aw io no w y k r e s y w i e l k o ści y, z, u, v i w w funkcji czeeu [3]. W pracy niniejszej zaś te w y n i ki z i n t e r p r e t o w a n o pod kętem wi d ze ni a zależn oś ci y, z, u, v i w od tem
p e r a tu ry dla trzech c zasów trwania reakcji, pr ze d st aw ia j ęc je na rysun-
Wynlka, że ze w z r a st aj ęc ę temperaturę zmienia się skład reagujęcej s u b stancji. U d zi ał suro wc a dęży do O; gazu do 0.6. Pozost ał oś ć koksowa s t a n o wi d o pe łn i en ie do jedności. Flegma i benzyna Jako pr o du kt y pośrednie pr ze chodzę przez maksimum, a na stępnie ud ział ich ma leje do zera. Im dłużej trwa proces, tym niżs z e t e mp e ra tu ry sę w y m a g a n e dla otrzymania tego samego składu.
O d n o s z ę c rozważania nad kinetykę p i r ol i zy do zjawisk z a c h od zę cy c h w pło- nęcej kropli mazu tu lub gudronu, można wnioskować, że w niej tworzę się pa r y b e n z yn y i ga z y z w i ęk sz a ję ce ob jętość kropli. Powstaj ęc e na p o w i e r z chni kropli p o zo st ał o ść koksowa utrudnia w yd o by w a n i e się ich z wnętrza.
W o d po wi e dn ic h w a r u n k ac h s zybkość produkcji par b e n zy ny i gazów jest na tyle duża, że ta miesza ni na ekspa nd u ję c rozbija kroplę.
P r z e d s t a w i o n e rozważania m ia ł y na celu opis a ni e z jawiska spalania kr o p
li ciężkiego, ci ek ł e g o w ę g l o w o d o r u w oparciu o kinetykę reakcji pirolizy.
B ada n ia p rzyszłe p ro w ad zi ć powi nn y do ilośc i ow eg o ujęcia tych zjawisk.
O t r z y ma ne w yn ik i można wy k or z y s t a ć także i do innych celów. Np. dla ak
t ualnego o statnio p roblemu sp alania kolo id al n yc h mieszanek olejów z pyłem w ę g l o w y m wynika, że cieczę t ow arzyszęcę w ę gl ow i w koloidzie ma być ciężki węglowodór. P o z io m t e m pe ra tu r y w kropli jest wówczas wy ż sz y, co ułatwia za
płon i s p a la ni e częstki węgla.
W świe tl e a k t ua ln yc h p ro blemów ene rg et y cz ny ch na świście czynione sę posz u ki wa ni a za nowymi rodzajami paliw, w tym także za stosow a ni em paliw odpadowych. B a d an ia nad po znaniem mechani z mu s palania kropli odpadow e go p a liwa sę wi ęc Uzasadnione.
L IT ER A T U R A
[1] Ch en C.S. , E l- W a k i l M . M . : Ex pe r i m e n t a l and th eoretical studies of b u r ning drops of h y dr oc a rb on mixtures. Proc. Instn. Engrs 1969-7.
[2] K o t o w i c z 0.: E k s p e r y m e n t a l n e badania zjaw i sk a spalania pojedynczych krop el ciężkiego, c iekłego węglowodoru. Pr. dypl. mgr wyko n an a w ITC.
1977.
ku 6
186 R. Wilk
[J3] Petela R. , Wi lk R. , Z ie liński Z.: The i nvestigation of a combustion of a h ea v y oil droplet with s i mu ltaneous c racking inside the oil. V-th Inte rn a ti on al S y m p os iu m on Combus ti on Processes. Krak ó w 1977.
[4] Ra seev S . D . : P r o ce s y rozkładowe w przeróbce ropy naftowej. W N T . W a r s z a wa 1967.
[5] Shyu R . R . , Chen C.S. , Goud ie G.O. and E l - W a ki l M.M. : Multicomponent heavy fuel drop histories in a high-t e mp er at u re flow field. Fuel, Vol 51 No 2 A p r i l 1972.
[6] W i l li a ms A. : C om bu s ti on of Droplets of Liguid Fuels : A Review. C o m b u stion and Flame 21, 1-31, 1973.
HCCjl3JI0BAHHE TOPEHHfl KA[UIH TfCftfijlOrO KHÄKOrO TOIUMBA
P e 3 io M e
I l p o B e ^ e H u H c c J i e f l O B a H H H r o p e H H H K a r w i a T r a e j i o r o a c n n K o r o i o r u i H B a . Haójnona- j i n c b H B J ie H H s B 3 p u B a B K a r w i e . C ^ e j i a H a T a K s c e n o n u i K a o ß t H C H e H M e i o r o h b j i s h h h
Ha o c H O B a H H H p e a K i t H H n H p o j i n 3 a , T e i e H H e K O T o p o f l n p o n o x o ^ H T B H y i p n K a i u m .
C 0 M 8 U S T I 0 N I N V E ST I GA TI ON OF A RE SIDUAL OIL DROPLET
S u m m a r y
C om bu s t i o n i nv estigations of a residual oil droplet were carried out and the p h en om en o n of e xp losion inside the droplet observed.
An attempt to explain the pheno me no n on the basis of thermal cracking was presented.
