Физико-химические основы процесса горения

ГОРЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА

Горением называется быстрый процесс экзотермичес­кого окисления горючего вещества, сопровождающийся выделением значительного количества тепловой энергии. Основой процесса горения является химическая реакция между окисляемым горючим веществом и окислителем— веществом, содержащим кислород или активные его сое­динения, с образованием его окислов. Горючим вещест­вом могут быть: органическое топливо, некоторые метал­лы, углеводородные соединения и др.; окислителем — кислород, воздух (смесь 79 % азота и 21% кислорода), перекись водорода Н₂О₂, некоторые кислоты, например НNOз, и др. Для того чтобы процесс горения произошел, необходимо наличие горючего и окислителя, контакт между ними на молекулярном уровне, тепловые условия, достаточные для протекания химической реакции с вы­сокими скоростями. Таким образом, процесс горения— это многофакторный, сложный физико-химический про­цесс взаимодействия химических, тепловых и гидроди­намических факторов.

Особенностями процесса горения, отличающими его от родственных процессов окисления, являются: 1) высо­кая температура; 2) быстротечность во времени; 3) как правило, неизотермичность и переменность концентраций компонентов по мере их взаимодействия; 4) изменение структуры и формы поверхности реагирования во време­ни. По своей природе горение — процесс, протекающий всегда при непрерывном подводе горючего и окислителя в зону горения и отводе газообразных продуктов сгора­ния из нее. В связи сэтим независимо от технологии сжигания топлива закономерности горения горючего всреде окислителя являются объективно неизменными, определяющимися только начальными и граничными ус­ловиями его протекания.

Воснове процесса горения лежат химические реакции го­рючего с окислителем. Применительно к углеводородным горючим, которыми являются все виды органического топлива, чистый углерод и водород, целесообразно выде­лить следующие химические реакции, протекающие с выделением или поглощением теплоты, в КДж/моль:

а) первичные экзотермические химические реакции полного горения:

Реакции (2.8) и (2.9) являются экзотермическими, а (2.10)—эндотермической. Принципиальной особенностью всех реакций горения является их обратимость; ни одна из этих реакций не идет до конца, а лишь до состояния химического равновесия, при котором имеют место все компоненты реакции. Состояние химического равновесия зависит от температуры, давления и соотношения концен­траций реагирующих веществ.

Направление изменения равновесия реакций под дей­ствием внешних факторов определяется принципом Ле-Шателье, согласно которому: если на систему, находящу­юся в химическом равновесии, воздействовать извне, то в ней возникнут самопроизвольные процессы, стремящиеся ослабить это воздействие. Применительно к реакциям горения такими возможными факторами, влияющими на химическое равновесие реакций, являются: тепловыделе­ние, сопровождающееся повышением температуры; воз­можное изменение давления и изменение концентрации какого-либо компонента реакции. Так, повышение тем­пературы сопровождается торможением реакций, проте­кающих с большим тепловыделением, например, из ре­акций, описываемых уравнениями (2.1) и (2.5) преиму­щественное развитие приобретает реакция по уравнению (2.5). При очень высоких температурах (свыше 1600— 1800 °С) углерод топлива первично реагирует с кислоро­дом в большей степени с образованием СО, а не СО₂, как это имеет место при низких температурах (1000—1300°С). Повышение давления тормозит реакции, протекающие с увеличением объема, например реакции (2.4), (2.7), (2.10), и др. Если из системы, как это имеет место в топочных процессах, продукт реакции выводится и кон­центрация его снижается, то химическое реагирование стремится компенсировать это понижение концентрации, способствуя тем самым более полному протеканию ре­акций горения.

Кинетические основы процесса горе­ния. В общем виде обратимая химическая реакция мо­жет быть записана стехиометрическим уравнением

v_A1 А₁ + v_A2 А₂ +... = v_B1 B₁ + v_B2,В₂ (2.11)

где А₁, А₂ и B₁, B₂ — химические символы реагирующих веществ; vai, Va₂ и Vbi, Vb₂ — стехиометрические коэффициенты.

Зависимость скорости реакции от концентрации реа­гирующих веществ определяется законом действия масс: в однородной среде при постоянной температуре ско­рость реакции пропорциональна произведению концен­траций реагирующих веществ. Для реакции (2.11) ско­рость прямой реакции в соответствии с законом действия масс может быть записана

где Са\, Са2, Св1 Св2, … — текущие концентрации реагирующих веществ; k₁ и k₂ — константы скорости прямой и обратной реакции (коэффициенты пропорциональности, зависящие от температуры и химической природы реагирующих веществ).

При химическом равновесии скорости прямой и об­ратной реакций уравниваются:

где k_c — константа равновесия, также являющаяся постоянной ве­личиной, характеризующая только возможность глубины протекания химической реакции при заданных давлении р и температуре Т.

Акты химического превращения исходных веществ в конечные продукты в результате реакции происходят вследствие соударения молекул, т. е. при их сближении, когда достаточно активно проявляется влияние сил от­талкивания. При этом нормальная составляющая кине­тической энергии соударяющихся молекул переходит в потенциальную и может быть затрачена на разрушение первоначальных связей в молекуле. Это произойдет, ес­ли образовавшаяся потенциальная энергия будет выше некоторого уровня, необходимого для разрушения первоначальных связей в молекуле. Такой уровень называ­ется энергией активации Е.

Для того чтобы реакция между молекулами А и В произошла, необходимо:

(mV²)/2>E; m = (т_А т_в)/(т_А + т_в).

где т — приведенная масса соударяющихся молекул; m_а и т_в мас­сы молекул А и В;V — нормальная составляющая относительной скорости молекул.

Но не всякие столкновения молекул, при которых энергия столкновения превышает энергию активации Е, приведут к химической реакции; необходимо, чтобы со­ударяющиеся молекулы были должным образом соориентированы меж­ду собой так, чтобы удар одной молекулы о другую был в наиболее слабом участке ее структуры. В итоге ско­рость реакции, выраженную числом актов химического превращения в единице объема за единицу времени (за­кон Аррениуса), можно записать

w = k_oe^-E/(RT)n_An_B

где k_a — коэффициент, пропорциональный доле активных столкнове­ний молекул, приводящих к химической реакции, который называ­ется предэкспоненциальным множителем; R — универсаль­ная газовая постоянная; п_А и пв — концентрации молекул веществ А и В в объеме; к₀е^Е/^(RT) — константа скорости реакции, так как k₀, слабо зависит от температуры по сравнению с экспонентой, в расчетах полагают k₀= const.

Применительно к ранее рассматриваемой реакции (2.11) скорость в соответствии с законом действия масс и законом Аррениуса может быть записана в виде

w = k_oe^-E/(RT)C^vA1_A! C^vA2_A2

Для сложных реакций характерным является ход реакции через промежуточные этапы, в которых часто активными участками становятся активные центры — от­дельные атомы, радикалы, молекулы. При сложной реакции выражение для ее скорости можно за­писать аналогично уравнению (2.12), однако в этом случае величины k₀ и Е определяют на основании обра­ботки опытных данных, а показатели степени v_ai и v_a2 подбирают таким образом, чтобы удовлетворить резуль­татам эксперимента. В этом случае сумма показателей степени при концентрациях называется порядком реак­ции и выражает зависимость скорости реакции от давле­ния; константу скорости такой реакции, удовлетворяю­щей закону Аррениуса, называют кажущейся или види­мой. Размерность константы скорости реакции k зависит от порядка реакции; для реакций первого порядка (v_ai+v_a2+... = 1,0) ее размерность есть обратная величи­на времени (1/с); для реакции второго порядка (vai + +va2+". = 2,0) она равна м³/(моль·с).

В элементарной обратимой реакции энергии актива­ции прямой (E₁) и обратной (Е₂) реакций можно рас­сматривать как некоторый потенциальный барьер, кото­рый надо преодолеть для ее совершения и перехода на новый энергетический уровень. Если прямая реакция экзотермична, то выделяется теплота реакции Q_P; для обратной реакции нужно преодолеть больший энергетический барьер Е₂, и теплота реакции будет по­требляться. Реакции горения органических топлив отно­сятся к сложным реакциям, протекающим через актив­ные центры, со значениями энергии активации Е от 42— 84 до 167—209 кДж/моль. Большой разброс значений энергии активации определяется большим разнообрази­ем структуры и активности молекул органических ве­ществ, используемых в качестве топлива.

Важной отличительной особенностью реакций горения является цепной механизм их протекания, характеризу­ющийся тем, что реакция протекает не непосредственно между молекулами исходных веществ, а через промежу­точные стадии, что позволяет обойти большой энергети­ческий барьер, который потребовалось бы преодолеть для осуществления прямой реакции между исходными компонентами. В цепных реакциях раз­личают: зарождение цепей — образование активного продукта, разветвление цепей — увеличение концентрации активного продукта в результате реакций с исходным ве­ществом, обрыв цепей — процесс, при котором молекула активного продукта уничтожается. Реакция, при которой концентрация активного промежуточного продукта оста­ется постоянной и равной равновесному его значению, называется неразветвленной цепной реакцией. Если в процессе реакции происходит увеличение активного про­межуточного продукта, то суммарная скорость реакции непрерывно возрастает и наступает ее нестационарное протекание. Такая реакция называется разветвленной цепной реакцией. Характерным примером разветвленной реакции является окисление водорода

2Н₂ + 0₂->-2Н₂0.

Реакция СО+0₂->2С0₂ протекает через промежуточные реакции с активными центрами Н и ОН, образующимися при на­личии в среде небольших количеств Н₂0 или Н₂. Реакци­ей продолжения цепи с одновременным получением ко­нечного продукта является СО+ОН->С0₂+Н. Горение газообразных углеводородов также протекает по цепно­му механизму; активными центрами в них служат ато­марные водород и кислород,

Тепловой поток от объема реагирующей смеси в ок­ружающую среду, отнесенный к единице объема, принят в виде линейной функции относительно температуры

Q_t = aF/V(T — T₀),

гдеа — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²-К); F и V — поверхность и объем сосуда, в котором находится горючая смесь, соответствен­но, м² и м³; Т и То — температуры реагирующей смеси и стенок сосу­да, К.

Диффузия и массообмен в процессе горения. Процесс горения будет стационарным, ес­ли кроме химической реакции и тепловых условий, обес­печивающих достаточную скорость ее протекания, вернее параллельно с химической реакцией, будет обеспечен не­прерывный подвод горючего и окислителя в зону реак­ции и соответственно отвод продуктов сгорания из нее. Для протекания реакции необходимо перемешивание компонентов на молекулярном уровне, иными словами, необходим процесс массопереноса реагирующих компо­нентов в зону реакции и продуктов реакции из нее. Про­цесс массопереноса осуществляется в турбулентном по­токе за счет турбулентной диффузии, а в неподвижной среде, ламинарном потоке и в пограничном слое пото­ка — за счет молекулярной диффузии. Молекулярная диффузия при постоянных температуре и давлении про­исходит за счет градиента концентрации компонента и описывается законом Фика (аналогично закону Фурье для теплопроводности):

где gi — массовый поток компонента /, кг/(см²-С); D ₁₂ — коэффи­циент молекулярной диффузии компонентов 1 и 2, см²/с; dCdx — гра­диент концентрации С_и компонента 1 в направлении х, кг/см⁴.

Коэффициент диффузии D₁₂ является функцией тем­пературы и давления:

Коэффициент п может меняться от 2,5 (для низких температур) до 1,5 (для высоких температур). Для реак­ций горения при температурах до 1200—1500 К принима­ют л=2,0, а при более высоких — «=1,5. Значения ко­эффициента взаимной диффузии D₀i2> см²/с, при нор­мальных условиях (р₀ = 101,3 кПа; Т₀=273 К) получены экспериментально для компонентов: кислород — азот — 0,181—0,187; кислород — воздух—0,178; кислород — Двуокись углерода —0,139; двуокись углерода — воздух— 0.138; двуокись углерода — азот—0,15; водяной пар — воздух—0,22; окись углерода — азот—0,192.

При неизотермических условиях диффузионный поток вещества зависит не только от градиента концентрации, Но и от градиента температуры. Термодиффузия (т. е. диффузия вещества, вызванная градиентом температур) обычно мала и имеет значение в расчетах только при го­рении водорода и его смесей.

В зависимости от фазового состояния реагирующих веществ при горении (твердое, жидкое, газообразное) химические реакции делят на: гомогенные, протекающие в объеме между компонентами, находящимися в одной, как правило, газообразной фазе, и гетерогенные, проте­кающие на поверхности раздела фаз — твердой, жидкой и газообразной. В соответствии с этими названиями ре­акций горение топлив также условно делят на гомоген­ное и гетерогенное горение. Примерами гомогенного го­рения являются: горение хорошо перемешанных газооб­разных компонентов, горение быстро испаряющихся жидких топлив в случае, когда перемешивание образовав­шихся паров топлива с окислителем предшествует про­цессу горения. Примерами гетерогенного горения на по­верхности раздела фаз могут служить: горение твердых топлив, горение капель тяжелых жидких топлив в слу­чае, если фронт горения устанавливается на границе раз­дела паров топлива и окислителя, и др. В зависимости от характера реакций анализ процесса горения проводят в соответствии с разработанными моделями теорий гомо­генного и гетерогенного горения.

Любой процесс горения топлив по своей сути являет­ся поточным процессом, поскольку для его протекания необходимы непрерывный подвод компонентов в зону ре­акции и отвод из нее продуктов сгорания. Подвод ком­понентов в зону реакции производится за счет диффузии молекул горючего и окислителя. При горении топлива в потоке газообразного окисления независимо от характе­ра реакций (гомогенной или гетерогенной) возможна ор­ганизация протекания процесса в ламинарном и турбу­лентном потоке, что существенно сказывается на законо­мерностях развития процесса. В связи с этим процесс горения подразделяют на ламинарное горение (т. е. го­рение в ламинарном потоке окислителя) и турбулентное горение (горение в турбулентном потоке окислителя).

ГОРЕНИЕ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Твердое топливо яв­ляется термически нестойким органическим веществом, процесс горения которого протекает через ряд стадий. Основной стадией, определяющей интенсивность всего процесса в целом, является стадия горения так называе­мого коксового остатка — углерода, оставшегося в ча­стице топлива после завершения деструкции вещества исходного топлива и выхода летучих веществ. В основе процесса горения частиц углерода лежат гетерогенные химические реакции взаимодействия углерода с окружа­ющими горящую частицу газами: 0₂, Н₂0, С0₂ и др.

В основе процесса горения частицы углерода, движущейся в потоке воздуха, лежит модель, согласно которой угольные частицы ма­лых размеров приобретают скорость, близкую к скоро­стям движения потока воздуха. При таком условии вы­нужденный конвективный перенос массы отсутствует и частица выгорает равномерно.

При этом возможны четыре режима взаимодействия углерода с кислородом воздуха в зависимости от температуры среды (рис.). Основными реакциями в модели считаются реакции уг­лерода с кислородом, поступающим к поверхности час­тицы за счет диффузии из основного потока с образова­нием оксида и диоксида углерода. Продукты сгорания диффундируют от поверхности частицы в окружающее ее пространство. При невысоких температурах (<973 К) (реакция 1') реакции окисления углерода протекают с об­разованием СО и СО₂. При более высоких температурах,(1070—1470 К) возможна вторичная реакция догорания образовавшегося СО вблизи поверхности частицы так, что в окружающую среду будет отводиться только или преимущественно диоксид углерода (СО₂) (реакция 1). При этом часть образовавшегося СО₂ может при Т= 1473—1573 К вновь продиффундировать к поверхно­сти углерода и вступить с ним в эндотермическую реак­цию с образованием оксида углерода (реакция 2), кото­рый затем догорит в результате взаимодействия с кисло­родом в зоне пламени вокруг частицы.

При высоких температурах (выше 1470—1570 К), как правило, кислород не достигает поверхности частицы и процесс горения протекает по гетерогенной реакции С+

+С0₂ = 2СО с последующим догоранием СО на некото­ром расстоянии от поверхности в зоне пламени (реакция 2'). В случае омывания частицы потоком окислителя с большой скоростью (Re>100) с лобовой стороны части­цы будут протекать только гетерогенные реакции (реак­ции 1 и 2, рис. б); догорание же оксида углерода будет наблюдаться в кормовой части потока на границе циркуляционной зоны (реакция 3, рис. 2.14,6), а вторич­ные реакции C+C0₂ будут иметь место главным образом в тыльной части углеродной частицы (схема 2, рис. б), где кислород отсутствует, но имеются хорошие тепловые условия для обеспечения эндотермических ре­акций.

Важной отличительной особенностью горения коксо­вого (углеродного) остатка частицы твердого топлива является его высокая пористость, что обеспечивает диф­фузию внутрь углеродной частицы активных по отноше­нию к углероду газов (С0₂, 0₂, Н₂0). В ходе ре­агирования внутренняя поверхность частицы увеличива­ется за счет испарения влаги, выхода летучих веществ, изменения температуры и других факторов.

Чем больше проницаемость материала, интенсивнее диффузия газов внутрь его и чем медленнее протекает реакция, тем глубже проникание кислорода и других га­зов внутрь частицы и тем большая масса участвует в ре­акции. Процесс внутренней диффузии можно рассматри­вать как самостоятельный, не зависящий от характера диффузионных процессов в зоне горения.

Особенно значительна роль внутреннего реагирова­ния при горении композиционных топлив — топливных гранул, капель топливных суспензий и др. С повышением температуры горения значение внутреннего реагирования ослабевает. При сжигании высокозольных твердых топ­лив даже при высоких температурах значение внутрен­него реагирования существенно возрастает, так как золь­ная оболочка, образующаяся при выгорании такой части­цы, становится дополнительным сопротивлением для диффузии газов к поверхности реагирования. Однако влияние этой оболочки на процесс сказывается только при горении крупных частиц топлива; при пылевидном сжигании даже при зольности топлива 30—35 % это влияние несущественно.

При горении частицы натурального твердого топлива стадии горения коксового (углеродного) остатка пред­шествует ряд факторов, существенно влияющих на про­цесс в целом, а именно: подогрев и подсушка частицы топлива; деструкция вещества топлива с выделением ле­тучих; горение летучих и др. Важной особенностью горе­ния этих частиц является четко выраженная стадийность ^с резким изменением характера закономерностей разви­тия каждой стадии во времени. Экспериментальные исследования динамики выгорания частицы твердого топ­лива, выполненные практически на всех мар­ках угля в широком диапазоне температур среды (от 573 до 1273 К), позволили создать модель горения час­тицы натурального топлива —угля, включающую 10, а для высоковлажных углей и водоугольных суспензий — 11 стадий процесса.

При вводе частицы в высокотемпературную окисли­тельную среду она вначале проходит стадию прогрева 1 при определяющем влиянии внешнего теплообмена и массопереноса на изменение массы и температуры части­цы. При выгорании частицы высоковлажного топлива или капли водоугольной суспензии вслед за стадией про­грева наблюдается стадия поверхностного испарения влаги, протекающая при посто­янной температуре частицы. Собственно процесс горения частицы начинается со стадии 2 — стадии дальнейшего прогрева частицы и начала низкотемпературных экзо­термических реакций внутри объема частицы, что приво­дит к достаточно резкому увеличению ее температуры при непрерывной скорости изменения температуры и по­тери массы.

Стадия 3 характерна уменьшением скорости роста температур в связи с началом эндотермических реакций деструкции угольного вещества с выходом летучих про­дуктов этой деструкции. Стадия завершается воспламе­нением летучих вокруг частицы, что приводит к интенси­фикации процессов деструкции внутри частицы. Эти процессы продолжаются во время 4 стадии — стадии горения летучих; 5—стадия параллельного протекания процессов горения летучих вокруг объема частицы и на­чала поверхностного гетерогенного горения углерода, о чем свидетельствует резкое возрастание температуры поверхности частицы; 6 — стадия активного поверхност­ного горения с догоранием вокруг поверхности еще выде­ляющихся летучих. Во время этой стадии достигается максимальная температура поверхности частицы.

Во время 1— 5 стадий происходит изменение структу­ры реагирующей частицы с резким увеличением ее пористости и активации открывающейся поверхности. На стадии 7 наблюдается активное горение коксового (углеродного) остатка частицы с догоранием еще выделя­ющихся летучих на ее поверхности. Эта стадия характе­ризуется резким падением температуры на поверхности частицы. 8 стадия — это горение коксового остатка, как правило, самая продолжительная стадия, протекаю­щая при плавном снижении температуры поверхности и развитии реакций внутри объема частицы. Процесс горе­ния заканчивается стадией догорания коксового остатка (стадия 9), в основе которой лежит внутреннее реаги­рование углерода частицы с диффундирующими внутрь ее газами, и стадией 10 — стадией охлаждения зольного остатка частицы до температуры среды. Важно, что практически все стадии протекают при разных ре­жимах горения от чисто диффузионных (стадии 1,2,4,7,8,9) до кинетических (стадии 3, 6 ).

В целом же весь процесс выгорания частицы нату­рального твердого топлива суммарно можно рассматри­вать как протекающий в промежуточном режиме ближе к диффузионному, а для инженерных расчетов — в чисто диффузионном режиме. При термической деструкции угольного вещества (стадии 2, 3, 4, 5) происходит выделение продуктов деструкции в виде газа, кислоты, воды и смолы. Относительная доля выделяющихся газа и жидкости зависит от скорости нагрева частицы: чем вы­ше скорость нагрева, тем выход этих веществ больше. По мере движения к поверхности частицы вода и кисло­ты испаряются, а смола и газообразные углеводороды подвергаются вторичному разложению. Водяной пар, проходя через раскаленную углеродную поверхность, на стадиях 4 и 5 может вступать в реакцию с углеродом и интенсифицировать процесс.

В конце 3 стадии процесса происходит воспламене­ние частицы топлива, которое практически во всех случа­ях начинается с воспламенения выделившихся из нее горючих летучих, имеющих более низкую температуру воспламенения, чем коксовый (углеродный) ее остаток. В связи с этим роль летучих в процессе воспламенения во многом является решающей. Выход летучих является следствием деструкции угольного вещества; чем выше интенсивность их выхода, тем больше глубина деструк­ции, прямым следствием которой является активация образующейся новой реакционной поверхности твердого остатка за счет повышения пористости частицы. Образо­вание летучих в объеме частицы приводит к повышению ее внутреннего давления и к разработке поверхности твердого остатка, что способствует существенной интенсификации процесса горения в целом, особенно на за­ключительной его стадии.

В то же время выделяющиеся летучие обволакивают частицу и при определенных условиях [на стадии 4 и 5 (частично)] препятствуют диффузии кислорода к по­верхности частицы и тем самым в известной степени не­сколько тормозят основные гетерогенные реакции горе­ния. Однако, это наблюдает­ся только у относительно крупной частицы размером 1,0 мм и более. Чем выше размер частицы, тем относи­тельно меньшая доля летучих выделяется до момента их воспламенения и тем большая их часть выгорает парал­лельно с гетерогенным реагированием на поверхности частицы.

При сжигании частиц топлива в потоке большое зна­чение в процессе воспламенения играет время индукции Т_инд, т. е. время, затрачиваемое на самопроизвольное повышение температуры в процессе химического реаги­рования горючего с окислителем, приводящего к воспла­менению. Величина Т_инд определяется как промежуток времени, в течение которого температура частицы повы­шается от начальной до температуры воспламенения. Чем выше температура среды, в которую введена части­ца топлива, тем меньше время индукции. Для оценки процесса воспламенения твердых топлив иногда пользу­ются параметром условная температура воспламенения — минимальная температура среды, при которой происхо­дит воспламенение частицы при длительном ее пребыва­нии в ней (т. е. при Т_инд стремится к бесконечности). Эта температура воспла­менения зависит не только от вида топлива, но и от теп­ловых условий взаимодействия частицы со средой. Так, для одиночной мелкой частицы эта температура меняет­ся от 1170—1270 К для антрацита до 800—850 К для бурого угля. Для частиц тех же топлив, находящихся в контакте с другими такими же частицами (например, в слое), эта температура снижается почти в 2 раза, что свидетельствует о более благоприятных условиях воспла­менения топлива при слоевом его сжигании.

При инженерных расчетах времени горения частицы твердого топлива стадии горения условно объединяют в четыре укрупненные расчетные стадии:

1) от момента ввода частицы в зону горения до момента воспламенения летучих (стадии /, // и III); время этой стадии рассчитывают как время выхода летучих Т_вл;

2) от момента воспламенения летучих до конца их види­мого горения (стадии 4, 5); время этой стадии рассчи­тывают как время видимого горения летучих Т_гл;

3) от момента прекращения видимого горения летучих до на­чала активного горения коксового остатка (стадия 4); время стадии рассчитывают как время прогрева коксово­го остатка до его воспламенения Т_вл; 4) от момента на­чала активного горения коксового остатка до заверше­ния процесса (стадии 7, 8,9); время стадии рас­считывают как время горения коксового остатка Т_гк).

Эти условные времена расчетных стадий горения час­тицы рассчитывают на основании экспериментальных данных, полученных при изучении изменения цветовой температуры частицы в процессе горения, а также визу­ального наблюдения за процессом с применением кино­съемки. Расчетные зависимости позволяют определить влияние начального размера частицы d, мм; температу­ры среды Т_т, К; концентрации кислорода 0₂, %; плот­ности частицы р_чт, кг/м³, на время протекания расчет­ных стадий процесса.

Время расчетной стадии горения летучих (2—3) оп­ределяется только величиной поверхности частицы топ­лива, поскольку горение летучих протекает вокруг частицы и не зависит ни от температуры среды, ни от других параметров. Время протекания расчетной стадии горения коксового остатка Т_гк линейно зависит от концентрации кислорода, пропорционально поверхности части­цы d².

Горение жидкого топлива. Жидкое топливо в топочных устройствах, как правило, сжигается в распы­ленном состоянии, в виде капель в потоке воздуха. Горе­ние жидких топлив всегда происходит в паровой фазе, поэтому процессу горения капли всегда предшествует процесс испарения. В общем случае в высокотемператур­ной среде капля жидкого топлива окружена некоторой зоной, насыщенной его парами, на внешней поверхности которой вокруг капли устанавливается сферическая зона горения. Скорость химической реакции смеси паров жид­кого топлива с окислителем достаточно велика, так что толщина зоны горения по отношению к диаметру зоны горения незначительна. Толщина паровой зоны вокруг капли топлива зависит от температуры в зоне горения и от параметров испарения топлива: чем выше температура горения и чем ниже температура кипения топлива и теп­лота его испарения, тем выше толщина паровой зоны.

В стационарном процессе скорость горения жидкого топлива в случае, если все оно выгорает в зоне вокруг капли, зависит от скорости его испарения. В пространстве между зоной горения и каплей находятся пары топлива и некоторая часть продиффундировавших туда продук­тов сгорания, а вне зоны горения — окислитель и про­дукты сгорания (рис. 2.16). В зону горения из объема капли диффундируют пары топлива, а с внешней сторо­ны — окислитель (кислород воздуха). В результате ре­акции с выделением тепло­ты образуются продукты сгорания, которые в основ­ном отводятся в окружаю­щее каплю пространство. Теплота, необходимая для испарения топлива, переда­ется поверхности капли из зоны горения в основном излучением и в результате частичной диффузии внутрь паровой оболочки продуктов сгорания. При таких предпосылках время горения капли жидкого топлива в диффузионном режиме может быть рассчитано на основании теплового баланса ее ис­парения.

Область распространения фа­кела можно условно разделить на следующие зоны: рас­пыления топлива, его испарения и образования газовоз­душной смеси, воспламенения и горения этой смеси. Как по сечению топливно-воздушной струи, так и по ее дли­не в процессе горения непрерывно изменяются темпера­тура и концентрация топлива и окислителя. При этом возможно образование локальных зон, в которых кон­центрация топлива будет выше теоретически необходи­мой. Не допустить образования таких зон — значит обес­печить высокую полноту выгорания жидкого топлива. Для производства тепловой энергии из нефтяных топ­лив применяют лишь мазут и печное бытовое топливо.

Горение газообразного топлива в потоке воздуха отличается от горения жидкого и твердого топлива тем, что оба реагирующих компонента (горючее и окисли­тель) находятся в одной газообразной фазе, поэтому возможны организация горения этого топлива как при полном (до молекулярного уровня) предварительном перемешивании реагирующих компонентов, так и без тако­го перемешивания, а также организация горения газовоздушной смеси, содержащей недостаточное для полного сгорания количество воздуха. Горение однород­ной газовой смеси происходит стационарно в некоторой зоне потока, в которую непрерывно поступает горючая смесь и из которой также непрерывно отводятся продук­ты сгорания.

В топочный объем газовоздушная смесь, как правило, вводится через сопло относительно малого сечения, в ре­зультате чего образуется турбулентная газовая струя. При входе в топочный объем струя газовоздушной смеси расширяется по направлению движения за счет эжектирования в нее газов с высокой температурой из окружающего струю пространства и одновременно час­тично разбавляется продуктами сгорания за счет по­перечных турбулентных пульсаций (рис. 2.17). В соответствии с теорией развития неизотермических струй в ре­зультате взаимодействия струи с окружающим ее нагре­тым пространством происходит ее нагрев в турбулентном пограничном слое. В ядре струи, где газы движутся с постоянной скоростью, равной скорости начального участка струи, температура остается постоянной и равной температуре газовоздушной смеси на выходе из сопла. В ре­зультате нагрева смеси в периферической зоне струи она воспламеняется, образуя зону горения, расширяющуюся по мере удаления от устья сопла. В ядре струи смесь не горит.

При организации горения газовоздушной смеси с не­достаточным количеством воздуха только часть горючего сгорает, реагируя с кислородом, содержащимся в смеси. Несгоревшая часть горючего вместе с продуктами сгора­ния взаимодействует с кислородом окружающей среды, образуя вторую зону горения, положение которой подчи­няется законам диффузионного горения.

Таким образом, пространство, занимаемое горящим факелом, делится на три области: 1) область между го­релкой и первым фронтом пламени, где смесь еще не горит; 2) область между двумя зонами горения, где на­ходится несгоревшее в первой зоне горения горючее; 3) область вне диффузионной зоны горения, где находит­ся смесь продуктов сгорания с окислителем. Как и в случае чисто диффузионного горения, для полного протека­ния реакции здесь также решающее значение имеет смесеобразование.

Дата добавления: 2014-01-11