Физико-химические основы теории горения топлива

Горение —химический процесс окисления горючих элементов топли-ва, сопровождающийся скачкообразным повышением температуры реаги-

рующей среды и огромными удельными тепловыделениями. В качестве окислителя используют кислород воздуха.

Процессы горения разделяют на 2 группы:

1) гомогенное горение — горение газообразных горючих (характери-зуется системой «газ+газ»);

2) гетерогенное горение — горение твердых и жидких горючих (ха-рактеризуется системой «твердое тело+газ» или «жидкость+газ»).

Процесс горения может протекать с разной скоростью — от медлен-ного до мгновенного. Медленное горение — самовозгорание твердого топ-лива при его хранении на складах. Мгновенное горение представляет со-бой взрыв. В теплоэнергетических установках практическое значение име-ет такая скорость реакции, при которой происходит устойчивое горение,

т. е. при постоянной подаче в зону горения топлива и окислителя. При этом соотношение концентрации топлива и окислителя должно быть определенным. При нарушении этого соотношения (богатая смесь, бедная смесь) скорость реакции снижается и уменьшается тепловыделение на единицу объема.

Горение — это в основном химический процесс, т. к. в результате его протекания происходят качественные изменения состава реагирующих масс. Но в то же время химическая реакция горения сопровождается раз-личными физическими явлениями: переносом теплоты, диффузионным пе-реносом реагирующих масс.

Химическая реакция между молекулами двух веществ, приводящая к образованию нового соединения, возникает при столкновении молекул, обладающих определенной (пороговой) энергией, достаточной для разру-шения старых внутримолекулярных связей. Такие молекулы называют ак-тивными, а минимальную величину энергии, обеспечивающую эффектив-ность их столкновения, — энергией активации. По современным пред-ставлениям реакции горения имеют цепной характер, в них роль активных центров играют не стабильные молекулы, а атомы, гидроксилы, радикалы (осколки молекул) со свободными связями. Их взаимодействие наряду с образованием новых стабильных связей рождает также новые активные центры, а последние в свою очередь генерируют новое звено цепи химиче-ских реакций.

На начальной стадии при низких температурах эти реакции протекают очень медленно. Химическая энергия исходных веществ расходуется на накопление активных центров. С определенного момента по мере накопле-53

ния теплоты за счет энергии, выделяющейся при медленных реакциях, процесс самоускоряется. Наступает цепной взрыв — самовоспламенение и горение, при котором резко повышаются температура и скорость реакций. Воспламенение может быть вынужденным, если для этого используется посторонний высокотемпературный источник зажигания. Температура воспламенения зависит от рода топлива, устойчивости химических связей составляющих его веществ и колеблется в пределах 500-750 °С.

В дальнейшем, если обеспечены благоприятные условия, процесс горения развивается самопроизвольно и идет до полного выгорания горючего.

Технологически процесс горения представляет собой установившийся поточный процесс, основой которого является фиксированный очаг горе-ния, где вследствие непрерывного притока теплоты поддерживается необ-ходимый для протекания процесса температурный уровень и куда непре-рывными потоками подаются топливо и окислитель.

Пространственное распределение, последовательность и протя-женность отдельных рабочих стадий горения в потоке, а также характер и скорость этих процессов зависят от рода топлива, методов его подготовки к сжиганию и способов воздействия на эти процессы с целью их интенси-фикации.

Горение газообразного топлива.Минимальная температура,при ко-

торой происходит воспламенение смеси, называется температурой вос-пламенения.Значение этой температуры для различных газов неодинаковои зависит от теплофизических свойств горючих газов, содержания горюче-го в смеси, условий сжигания, условий отвода теплоты в каждом конкрет-ном устройстве.

Горючий газ в смеси с окислителем сгорает в факеле. Различают два метода сжигания газа в факеле — кинетический и диффузионный. При ки-нетическом сжигании до начала горения газ предварительно смешивается с окислителем. Газ и окислитель подаются сначала в смешивающее устрой-ство горелки. Горение смеси осуществляется вне пределов смесителя. При этом скорость горения не должна превышать скорости химических ре-акций горения.

Диффузионное горение происходит в процессе смешивания горючего газа с воздухом. Газ поступает в рабочий объем отдельно от воздуха. Скорость процесса будет ограничена скоростью смешивания газа с воздухом.

Кроме этого, существует смешанное — диффузионно-кинетическое — горение, при котором газ предварительно смешивается с некоторым коли-чеством воздуха, затем полученная смесь поступает в рабочий объем, где отдельно подается остальная часть воздуха.

В топках котельных агрегатов в основном используют кинетический и смешанный способы сжигания топлива.

Горение твердого топлива.Процесс горения состоит из следующихстадий: 1) подсушка топлива и нагревание до температуры начала выхода летучих веществ; 2) воспламенение летучих веществ и их выгорание;

3) нагревание кокса до воспламенения; 4) выгорание горючих веществ из кокса. Эти стадии частично накладываются одна на другую.

Выход летучих веществ у различных топлив начинается при различ-ных температурах: у торфа при 275-385 °С, у бурых углей при 415-435 °С, у тощих углей и антрацита при 775-800 °С.

Горение жидкого топлива.Основным жидким топливом,используе-мым в теплоэнергетике и промышленной теплотехнике, является мазут.

В установках небольшой мощности также используют смесь технического керосина со смолами.

Наибольшее применение получил метод сжигания мазута в распылен-ном состоянии. Этот метод позволяет значительно ускорить его сгорание и получить высокие тепловые напряжения объемов топочных камер вслед-ствие увеличения площади поверхности контакта топлива с окислителем.

Процесс горения жидкого топлива можно разделить на следующие стадии: 1) нагревание и испарение топлива; 2) образование горючей смеси;

3) воспламенение горючей смеси от постороннего источника (искры, рас-каленной спирали); 4) собственно горение смеси.