Основы кинетики химических реакций.

Процесс горения характеризуется быстрым протеканием реакций окисления горючих элементов топлива кислородом воздуха, при котором имеет место значительное тепловыделение и создается высокий уровень температуры. Реакции с выделением теплоты называются экзотермическими. Преимущественное тепловыделение при горении топлив определяется содержанием в топливе углерода. Горение углерода в основном характеризуется протеканием трех химических реакций:

полное окисление углерода кислородом с образованием диоксида углерода

частичное окисление с выходом монооксида углерода

доокисление монооксида до диоксида в объеме около поверхности горения

Реакции по уравнениям (4.1) и (4.2) являются гетерогенными, так как в реакции участвуют горючее и окислитель, находящиеся в разном фазовом состоянии: твердое горючее и газообразный окислитель-кислород. Реакция по уравнению (4.3) относится к гомогенной, так как здесь оба вещества, вступающие в реакцию, являются газообразными (возможны гомогенные реакции веществ в жидком состоянии).

В условиях высоких температур в ядре факела могут протекать реакции с поглощением теплоты, которые являются эндотермическими. К эндотермическим реакциям, например, относится реакция образования оксидов азота

или восстановление диоксида углерода на раскаленной поверхности углерода при недостатке кислорода

Реакция является химически обратимой, если может идти как в прямом, так и в обратном направлении, однако внешние условия для протекания реакции в том или другом направлении могут существенно различаться. Так, реакция образования оксидов азота имеет место только в зоне высоких температур, а обратная реакция их разложения на газообразные кислород и азот протекает в земной атмосфере под действием солнечной радиации. При горении топлива в топочных камерах скорость прямого процесса окисления горючих кислородом несоизмеримо больше скорости обратного, поэтому химическое равновесие этих реакций смещено в сторону образования конечных продуктов, и в указанных условиях эти реакции можно считать необратимыми.

Однако всегда по мере роста концентрации продуктов в реакции и температуры в зоне горения находится в равновесии с конечными продуктами какое-то количество исходных веществ. Этот процесс связан с термической диссоциацией части образовавшихся продуктов сгорания. В топочных камерах при температуре горения выше 1600 °С подвергаются термической диссоциации в заметном количестве диоксид углерода СО₂ и водяные пары Н₂О

	4.6

Таким образом, в зоне высоких температур горения всегда останется небольшое количество СО, Н₂ и O₂, догорание которых возможно при более низких температурах.

Интенсивность горения характеризуется скоростью реакции. Под скоростью гомогенной реакции понимается массовое количество вещества, реагирующее в единице объема и в единицу времени. Скорость реакции в этом случае измеряется по изменению концентрации одного из реагирующих веществ. Например, в реакции (4.3) средняя скорость реакции w_р, моль/(м³·с), за промежуток времени Δτ, с, имеет выражение

4.7

где ΔC_CO - изменение концентрации СО в объеме, моль/м³.

Скорость гетерогенных реакций (4.1) и (4.2) К_S, г/(м²·с), выражается количеством углерода Δg, г, прореагировавшим с кислородом на единице поверхности контакта S, м², в единицу времени Δτ, с:

4.8

Скорости реакций подчиняются закону действующих масс, согласно которому в однородной среде при постоянной температуре в каждый момент времени скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ с учетом числа молей. Так, для уравнения (4.3) скорость реакции составит

4.9

Здесь k_Р - константа скорости реакции, зависящая от температуры и химической природы реагирующих веществ.

В условиях гетерогенного горения концентрация горючего (твердого топлива) неизменна, поэтому скорость такой реакции на основе закона действующих масс будет зависеть только от концентрации окислителя (кислорода) у поверхности топлива

4.10

Здесь C^ПОВ_O2- концентрация кислорода у поверхности топлива. При неизменной концентрации реагирующих веществ во времени (постоянный подвод топлива и окислителя в зону горения) скорость реакции зависит от константы скорости реакции k_Р, 1/с, по закону Аррениуса

4.11

где k₀ - предэкспоненциальный множитель, 1/с; Е - энергия активации, кДж/моль; R - универсальная газовая постоянная, кДж/(моль·К); Т - абсолютная температура процесса, К. Константа скорости реакции k_р и энергия активации Е называются кинетическими константами реакции, которые определяют реакционные свойства топлива.

Химическая реакция может происходить при столкновении молекул, вступающих в реакцию веществ. Если бы все столкновения приводили к реакциям, то горение происходило бы с огромной скоростью и константа скорости равнялась бы k₀. В действительности реакция может произойти только в том случае, когда за счет соударения произойдет разрушение старых молекулярных связей и образовавшиеся осколки молекул (заряженные радикалы) смогут перегруппироваться и создать молекулы новых веществ.

Энергия, достаточная для разрушения внутримолекулярных связей исходных веществ, называется энергией активации E. Так, при горении кокса по реакции (4.1) энергия активации зависит от вида кокса: для кокса бурого угля Е = 92…105 МДж/моль, для кокса каменных углей Е = 117…134 МДж/моль, для антрацита Е = 147 МДж/моль. В результате число молекул N_E ,обладающих необходимым уровнем энергии Е, определяется статистическим законом Максвелла-Больцмана

4.12

где N₀ - полное число молекул в единице объема. Энергия активации зависит не только от энергии межатомных связей в молекулах, но и от того, в каком состоянии находятся вступающие в реакцию вещества. При высоких температурах в зоне реакции за счет диссоциации молекул с более слабыми внутренними связями накапливается определенное количество заряженных частиц (радикалов) типа ОН^-, Н⁺, О^2-, которые легко вступают в промежуточные реакции с исходными молекулами (такие реакции имеют низкие значения Е) и способствуют ускорению реакций горения.

На рис. 4.1 показана зависимость константы скорости k_Р и скорости реакции w_Р от определяющих факторов. Рост скорости химической реакции с температурой на известном уровне тормозится аэродинамическим фактором - возможностью доставки в зону горения окислителя (кислорода), определяемым скоростью диффузионного массообмена k_Д, который слабо зависит от температуры (рис. 4.1, а). Повышение энергии активации требует больше энергетических затрат на каждый акт реакции, что ведет к торможению скорости (рис. 4.1, б).

Рис. 4.1. Кинетические характеристики процесса горения: а - зависимость константы реакции горения k_р и диффузионного массообмена k_д от температуры; б - изменение скорости реакции w_р от энергии активации Е; в - изменение скорости реакции при повышении концентрации горючего вещества С_гор в смеси с воздухом; НП, ВП - нижний и верхний пределы концентрации, соответствующие горению

В топочных устройствах происходит постоянная подача топлива и окислителя в зону горения, и, следовательно, в ядре горения сохраняется практически постоянная концентрация реагирующих веществ во времени. В этих условиях максимальная скорость реакции может быть достигнута при соотношении концентраций исходных веществ, близком к стехиометрическому, когда в результате реакции не остается избытка любого из них (рис. 4.1, в). При избытке горючего (богатая смесь) или при малой его концентрации (бедная смесь) скорость реакции снижается из-за уменьшения тепловыделения на единицу объема. Как видно, существует нижний предел концентрации горючего (НП), ниже которого горение становится невозможным, и верхний предел (ВП), когда дальнейшее увеличение концентрации горючего в смеси также прекращает горение. Во всем диапазоне концентраций между этими пределами горение возможно.

При сгорании горючей смеси в замкнутом объеме и отсутствии отвода теплоты в процессе реакции тепловыделение передается продуктам сгорания и приводит к максимальному повышению их температуры.

Этим условиям отвечает понятие теоретической (адиабатной) температуры горения Т_ТЕОР =Т_а. Наивысшее ее значение достигается при подводе окислителя в строгом соответствии с химической формулой (при стехиометрическом соотношении горючего и окислителя). Эту температуру часто называют жаропроизводительностью топлива.

В топочных устройствах всегда имеет место отвод теплоты из зоны реакции к поверхностям нагрева. С повышением температуры в зоне основного горения увеличивается и отвод теплоты, далее по мере выгорания топлива тепловыделение снижается, а вместе с ним происходит спад температуры продуктов сгорания, так как теплоотвод сохраняется достаточно высоким (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Изменение температуры газов по высоте топки hт: hгор - высота расположения горелок

Температура смеси, начиная с которой система способна к самоускорению реакции до устойчивого горения, называется температурой воспламенения. Эта температура не является постоянной для реагирующих веществ и зависит от условий отвода теплоты из зоны реакции. Тепловыделение в ходе реакции горения топлива (при постоянной концентрации реагирующих веществ) определяется скоростью реакции в данных условиях и теплотой горения топлива

4.13

где mw_Р - скорость реакции по сгорающему топливу, кг/(м³·с); Q^Р_Н -теплота горения топлива, кДж/кг.

Из (4.13) следует, что тепловыделение Q_Р определяется только изменением скорости реакции w_Р. Скорость реакции, в свою очередь, зависит от константы диффузионного массообмена k_Д и константы химической реакции k_Р на поверхности топлива. При этом в области низких температур скорость реакции w_Р ограничивается константой k_Р, а в области высоких температур условиями массообмена у поверхности топлива константой k_Д. В итоге на графике кривая w_Р = f(T) имеет два перегиба (см. рис. 4.3).

Теплоотвод из зоны реакции в окружающую среду (к тепловоспринимающим поверхностям) выражается формулой

4.14

где α - коэффициент теплоотдачи, кВт/(м²·К); F_СТ - тепловоспринимающая поверхность, м²; Т_Р, T_СТ - температуры в зоне реакции и у поверхности стен, К.

Рис.4.3. Графическое определение температуры воспламенения ТВ, горения ТГ при разной интенсивности теплоотвода к стенам топки (Q02 > Q01): QР - тепловыделение в результате реакции горения; ТСТ - температура стен (экранов) топки. Из (4.14) следует, что при постоянстве условий отвода теплоты из зоны реакции (α =  const) теплоотвод изменяется линейно в зависимости от разности температур TР - ТСТ.

На рис.4.3 показан характер изменения значений Q_Р и Q₀ от температуры. Точка 1 касания кривой Q_Р и линии теплоотвода Q₀ соответствует температуре воспламенения Т_В, так как при любом отклонении от нее значение Q_Р> Q₀ и происходит саморазогрев горючей смеси и рост тепловыделения за счет реакций окисления. Точка пересечения 3 кривой Q_Р и линии Q₀ характеризует наивысшее устойчивое тепловыделение, а соответствующая температура - температура горения Т_Г3. Как видно на рис. 4.3, чем интенсивнее теплоотвод из зоны горения (круче наклон линии отвода 2-4, выше Т_СТ2, так как α₂ > α₁), тем выше температура воспламенения топлива Т_В2 и ниже температура горения Т_Г4.

Горение газового топлива

Ранее были изложены основные законы кинетики (законы действующих масс и Аррениуса), позволяющие определять скорость химических реакций на основе стехиометрических соотношений молекул исходных и конечных продуктов. Экспериментально установлено, что скорости протекания реакций существенно превышают расчетные значения, полученные с применением закона действующих масс и закона Аррениуса.

В действительности реакции в веществах, находящихся в парогазовом состоянии, протекают чаще не между исходными молекулами горючего и окислителя, а через ряд промежуточных стадий, в которых вместе с молекулами участвуют активные осколки молекул - радикалы и атомы, имеющие свободные связи Н, ОН, О, СН и др. При этом переход от исходных веществ к конечным продуктам происходит через ряд промежуточных реакций, протекающих с большой скоростью, так как они обладают низкой энергией активации. Такие реакции, отличительной особенностью которых является огромная скорость их протекания, получили название цепных.

При горении газов протекают разветвленные реакции, в процессе которых один активный центр порождает два или большее число новых активных центров. Теорию цепных реакций разработал академик Н.Н. Семенов.

Согласно этой теории, цепная разветвленная реакция включает следующие процессы: зарождение цепей - образование активных частиц из исходного продукта; разветвление цепей - процесс, при котором одна активная частица, реагируя с исходными, вызывает образование двух или нескольких новых активных частиц; по мере убывания горючих компонентов реакция замедляется, наступает обрыв цепей и реакция вырождается - горение прекращается.

Началу реакции между веществами предшествует период накопления активных центров в виде заряженных частиц за счет разрушения части исходных молекул другими, обладающими большими энергиями движения и более высокой энергией связи атомов в молекуле. Этот период называют периодом индукции. При высокой температуре вступающих в реакцию веществ период индукции занимает от долей секунды до 1…2 с.

Рассмотрим механизм цепной разветвленной реакции на примере горения водорода (рис. 4.4). Из цикла цепной реакции следует, что наряду с образованием конечного продукта Н₂О увеличивается число активных частиц - возбудителей цепи Н. На один вступивший в реакцию активный атом водорода после первого цикла образуется три атома водорода, после второго цикла - 9, после третьего - 27 и т.д. Это приводит к дальнейшему лавинообразному ускорению реакции. В реальных процессах одновременно с лавинообразным ускорением образования активных центров часть их по ряду причин при контакте со стенками сосуда, друг с другом теряет активность, что ведет к постепенному снижению скорости нарастания реакции и переходу ее в установившееся состояние, если имеет место постоянный подвод кислорода и водорода в зону реакции.

Горение газового топлива в смеси с воздухом происходит с большой скоростью (готовая смесь метана с воздухом объемом 10 м³ сгорает за 0,1 с).

Рис. 4.4. Цикл цепной реакции горения водорода: H - возбудитель цепной реакции; H2O - конечный продукт

Поэтому интенсивность сжигания природного газа в топках паровых котлов определяется скоростью его смешения с воздухом в горелочном устройстве и топке, т.е. скоростью подготовки горючей смеси.

В турбулентном потоке горючей смеси метана с воздухом скорость распространения пламени u_ПЛ, м/с, определяется турбулентной диффузией веществ и находится по приближенной формуле

4.15

где w_ГОР - скорость воздуха на выходе из горелки, м/с; Т_Г, - расчетная температура газовой среды, К; n = 0,60…1,65 - показатель степени; изменяется в зависимости от состава горючей смеси и скорости потока. Для промышленных горелок, сжигающих природный газ, значение n близко к единице; ε_Т = 0,25…0,30 - степень турбулентности потока воздуха. В итоге скорость распространения газового пламени обычно составляет u_ПЛ = 8… 12 м/с.

Трудность обеспечения полного смешения расхода газа с воздухом за короткий промежуток времени связано с большим различием объемных расходов газа и воздуха - на сжигание 1 м³ газа требуется 10 м³ воздуха. Для полноты перемешивания приходится в поток воздуха внутри горелки вводить газ большим количеством мелких струй малого диаметра и с большой скоростью. Воздушный поток также сильно турбулизуется в специальных завихривающих устройствах.

Горение твердого топлива.

Горение твердого топлива (угольной пыли) включает два периода: тепловую подготовку и собственно горение (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Температурный режим при горении отдельной частицы твердого топлива: 1 - температура газовой среды вокруг частицы; 2 - температура частицы; 3 - воспламенение коксового остатка; 4 - завершение горения коксового остатка; I - зона термической подготовки; II - зона горения летучих веществ; III - зона прогрева коксового остатка; IV - зона горения коксового остатка

В процессе тепловой подготовки (рис. 4.5, зона I) частица прогревается, высушивается, и при температуре выше 110 °С начинается тепловое разложение исходного вещества топлива с выделением газообразных летучих веществ. Длительность этого периода зависит главным образом от влажности топлива, размера его частиц, условий теплообмена и составляет обычно десятые доли секунды. Протекание процессов в период тепловой подготовки связано с поглощением теплоты, главным образом, на прогрев, подсушку топлива и термическое разложение сложных молекулярных соединений, поэтому нагрев частицы в это время идет замедленно.

Собственно горение начинается с воспламенения летучих веществ (рис. 4.5, зона II) при температуре 400…600 °С, а выделяющаяся в процессе их горения теплота обеспечивает ускоренный прогрев и воспламенение твердого коксового остатка. Горение летучих веществ занимает 0,2…0,5 с. При большом выходе летучих (бурые и молодые каменные угли, сланцы, торф) выделяющейся теплоты их горения достаточно для воспламенения коксовой частицы, а при малом выходе летучих возникает необходимость дополнительного прогрева коксовой частицы от окружающих раскаленных газов (зона III).

Горение кокса (рис. 4.5, зона IV) начинается при температуре около 1000 °С и является наиболее длительным процессом. Это определяется тем, что часть кислорода в зоне у поверхности частицы израсходована на сжигание горючих летучих веществ и оставшаяся концентрация его снизилась, кроме того, гетерогенные реакции всегда уступают по скорости гомогенным для однородных по химической активности веществ.

В итоге общая длительность горения твердой частицы (1,0…2,5 с) в основном определяется горением коксового остатка (около 2/3 общего времени горения). Для топлив, имеющих большой выход летучих веществ, коксовый остаток составляет менее половины начальной массы частицы, поэтому их сжигание при разных начальных размерах происходит достаточно быстро и возможность недожога снижается. Старые по возрасту топлива имеют плотную коксовую частицу, горение которой занимает почти все время пребывания в топочной камере.

Коксовый остаток большинства твердых топлив в основном, а для ряда твердых топлив целиком, состоит из углерода (от 60 до 97% массы частицы). Учитывая, что углерод обеспечивает основное тепловыделение при сжигании топлива, рассмотрим динамику горения углеродной частицы с поверхности. Кислород подводится из окружающей среды к частице углерода за счет турбулентной диффузии - турбулентного массопереноса, имеющего достаточно высокую интенсивность, однако непосредственно у поверхности частицы сохраняется тонкий газовый слой (пограничный слой), перенос окислителя через который осуществляется по законам молекулярной диффузии (рис. 4.6). Этот слой в значительной мере тормозит подвод кислорода к поверхности. В нем происходит догорание горючих газовых компонентов, выделяющихся из частицы в ходе термического разложения. Количество кислорода, подводимого в единицу времени к единице поверхности частицы посредством турбулентной диффузии, определяется по формуле

	4.16
	Рис. 4.6. Схема горения углеродной частицы: 1 - поверхность углеродной частицы; 2 - ламинарный пограничный слой; 3 - зона турбулентного потока. Такое же количество кислорода поступает через пограничный слой δ за счет молекулярной диффузии 4.17

В (4.16) и (4.17) С_ПОТ- концентрация кислорода в окружающем частицу потоке; С_СЛ - то же на внешней границе пограничного слоя; С_ПОВ - то же на поверхности топлива; δ - толщина пограничного слоя; D - коэффициент молекулярной диффузии через пограничный слой; А - коэффициент турбулентного массообмена.

Совместное решение уравнений (4.16) и (4.17) приводит к выражению

4.18a

или

4.18б

в котором

4.19

- обобщенная константа скорости диффузии.

Из формулы (4.18) следует, что подвод кислорода к реагирующей поверхности твердого топлива определяется константой скорости диффузии и разностью концентраций кислорода в потоке и на реагирующей поверхности.

В установившемся процессе горения количество кислорода, подводимого диффузией к поверхности реагирования, равно количеству, прореагировавшему на поверхности в результате химической реакции. Отсюда скорость реакции горения углерода с поверхности К_s находится из равенства массовых скоростей двух процессов - диффузионного подвода и расхода кислорода на поверхности в результате химической реакции

4.20

где дополнительно β - отношение расхода углерода и кислорода в химической реакции. Так, например, в реакции C+O₂ = CO₂ значение β = 12/32 = 0,375.

Из уравнения (4.20) можно получить приведенную константу скорости горения К_Г, учитывающую условие диффузии, т.е. константу k_Д, и интенсивность химической реакции - константу k_Р

4.21

В соответствии с законом Аррениуса определяющим параметром скорости химической реакции является температура процесса. Константа скорости диффузии k_Д слабо изменяется с ростом температуры (см. рис. 4.1, а), в то время как константа скорости реакции k_р имеет экспоненциальную зависимость от температуры.

При относительно невысокой температуре (800…1000°С) химическая реакция протекает медленно, несмотря на избыток кислорода около твердой поверхности, так как k_Д >> k_Р. В этом случае горение тормозится кинетикой химической реакции, поэтому эту зону температур называют областью кинетического горения.

Наоборот, при высоких температурах горения (выше 1500°С) и сжигании угольной пыли значение k_Р >> k_Д и процесс горения тормозится условиями подвода (диффузии) кислорода к поверхности частицы. Этим условиям соответствует область диффузионного горения. Создание в этой зоне температур факела дополнительных условий для перемешивания горящей смеси (увеличение значения k_Д ) способствует ускорению и углублению выгорания топлива.

Аналогичный эффект в части интенсификации горения достигается уменьшением размера частиц пылевидного топлива. Частицы малых размеров имеют более развитый теплообмен с окружающей средой и, таким образом, более высокое значение k_Д . Повышение температуры приводит к смещению процесса окисления в область диффузионного горения.

Область чисто диффузионного горения пылевидного топлива характерна для ядра факела, отличающегося наиболее высокой температурой горения, и зоны догорания, где концентрации реагирующих веществ уже малы и их взаимодействие определяется законами диффузии. Воспламенение любого топлива начинается при относительно низких температурах, в условиях достаточного количества кислорода, т.е. в кинетической области. В этой области горения определяющую роль играет скорость химической реакции, зависящая от таких факторов, как реакционная способность топлива и уровень температуры. Влияние аэродинамических факторов в этой области горения незначительно.

Горение жидкого топлива.

Температура воспламенения жидкого топлива (нефть, мазут) выше, чем температура его кипения. Поэтому при поступлении в зону высоких температур капля мазута вначале испаряется с поверхности за счет подводимой теплоты, а затем пары топлива смешиваются с воздухом, поступающим из окружающей среды, подогреваются до температуры воспламенения и горят в газообразном состоянии. В результате на некотором расстоянии от капли r_СТЕХ достигается стехиометрическое соотношение между массой горючих газов и кислорода, и здесь устанавливается фронт горения (рис. 4.7), который для случая горения капли жидкого топлива в неподвижной окружающей среде представляет сферу вокруг капли. Расстояние r_СТЕХ составляет обычно 4…10 радиусов капли. От капли к фронту горения идет интенсивное движение паров испаряющегося топлива, здесь практически нет кислорода. В зоне реакции имеет место химическое равновесие между количеством топлива и окислителя, а за ней идет догорание остатков топлива и отвод продуктов сгорания. Навстречу им к зоне реакции диффундирует окислитель.

Концентрации паров топлива С_Т и окислителя (кислорода) С_ок резко уменьшаются в пределах зоны горения в результате интенсивной реакции окисления, а температура среды Т здесь достигает максимума. Горение паров топлива протекает по законам цепных реакций (см. § 4.2).

Организация сжигания жидкого топлива предусматривает, прежде всего, его распыление в форсунке до мельчайших капель размером не более 1,0…1,5 мм (средний размер капель 0,3…0,5 мм) с одновременным по возможности равномерным распределением их в потоке горячего воздуха на выходе из горелки.

Рис. 4.7. Механизм горения капли жидкого топлива: rк - радиус капли; rз.р - радиус зоны реакции; Ст, Сок - объемная концентрация топлива (пары) и окислителя (кислород).

В процессе смешения с воздухом и при дальнейшем движении готовой смеси капли жидкого топлива быстро прогреваются за счет теплового излучения ядра факела и конвективного теплообмена с газовоздушной средой (начальная температура капли 120…140 °С, а окружающей ее среды 300…500°С). При достижении поверхностью капли температуры испарения наиболее низкокипящих фракций жидкого топлива (для мазута 200…320°С) начинается ее испарение.

Процесс смешения с воздухом и прогрев капель топлива до начала испарения определяет первый подготовительный этап сжигания жидкого топлива (рис. 4.8), занимает τ_ПОД = 0,2…0,6 с в зависимости от крупности размеров капель и уровня

Рис. 4.8. Схема сгорания капель мазута и изменение температуры газов Т по длине факела Lф: I - зона смешения с воздухом и прогрев капель; II - кинетическая зона горения мелких капель; III - диффузионное горение крупных капель; IV - зона догорания и охлаждения продуктов сгорания; Тг.в, Тв - температура горячего воздуха и воспламенения паров мазута; Тм, Т"ф - максимальная температура горящего факела и продуктов сгорания на выходе из камеры

температур окружающей среды. Наиболее длительным является процесс испарения капли. Исследованиями установлено, что время испарения капли прямо пропорционально квадрату ее начального диаметра τ_исп = f(d₀²). Эту зависимость называют законом Срезневского.

При сжигании распыленного в форсунках мазута τ_ИСП = 0,3…1,0 с в зависимости от начального размера капель. Процесс нагрева паров до температуры воспламенения (на 50…70°С выше температуры испарения) и процесс горения по законам цепной разветвленной реакции при наличии окислителя (кислорода) занимают ничтожно малое время по сравнению с испарением. Горение паров топлива происходит, как правило, по мере испарения капли. В итоге полное время сжигания капель жидкого топлива составляет τ_ГОР = τ_ПОД + τ_ИСП.

В условиях присутствия в готовой смеси капель разного размера первыми прогреваются, испаряются и сгорают мелкие капли, обеспечивая более ускоренный прогрев за счет роста температуры капель больших размеров. Вместе с тем сжигание паров крупных капель происходит в среде с пониженной концентрацией кислорода, содержащей много продуктов сгорания (диффузионная область горения), что приводит к затягиванию языков факела в верх топки и при ограниченности времени пребывания газов в топке ведет к возможному появлению химического недожога и сажи.