Процессы горения топлива.

Горение топлива – химическая реакция соединения горючих элементов топлива с окислителем при высокой температуре, сопровождающийся интенсивным выделением теплоты. В качестве окислителя используют кислород воздуха.
Процессы горения разделяют на 2 группы:
1) гомогенное горение – горение газообразных горючих (характеризуется системой "газ+газ");
2) гетерогенное горение – горение твердых и жидких горючих (характеризуется системой "твердое тело+газ" или "жидкость+газ").
Процесс горения может протекать с разной скоростью – от медленного до мгновенного. Медленное горение – самовозгорание твердого топлива при его хранении на складах. Мгновенное горение представляет собой взрыв. В теплоэнергетических установках практическое значение имеет 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 должен 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 происходит качественные изменения состава реагирующих масс. Но в то же время химическая реакция горения сопровождается различными физическими явлениями: перенос теплоты, диффузионный перенос реагирующих масс и др.
Время горения топлива складывается из времени протекания физических (i_физ) и химических процессов (i_хим):

i_гор = i_физ + i_хим .

Время протекания физических процессов состоит из времени, необходимого для смешивания топлива с окислителем (i_см) и времени, в течении которого топливо – воздушная смесь подогревается до температуры воспламенения (t_н):

i_физ = i_см + i_н .

Время горения (i_гор) определяется скоростью наиболее медленнего процесса.
Горение газообразного топлива. Минимальная температура при которой происходит воспламенение смеси, называется температурой воспламенения. Значение этой температуры для различных газов неодинаково и зависит от теплофизических свойств горючих газов, содержания горючего в смеси, условий зажигания, условий отвода теплоты в каждом конкретном устройстве и т.д.
Горючий газ в смеси с окислителем сгорает в факеле. Различают два метода сжигания газа в факеле – кинетический и диффузионный. При кинетическом сжигании до начала горения газ предварительно смешивается с окислителем. Газ и окислитель подаются сначала в смешивающее устройство горелки. Горение смеси осуществляется вне пределов смесителя. При этом скорость горения не должна превышать скорости химических реакций горения i_гор = i_хим.
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 i_гор = i_физ.
Кроме этого существует смешанное (диффузионно-кинетическое) горение. При этом газ предварительно смешивается с некоторым количеством 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 следующих стадий: 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 иногда частично накладываются одна на другую.
Выход летучих веществ у различных топлив начинается при различных температурах: у торфа при 550-660К, у бурых углей при 690-710К, у тощих углей и антрацита при 1050-1070К.
Горение жидкого топлива. Основным жидким топливом, используемым в теплоэнергетике и промышленной теплотехнике является мазут. В установках небольшой мощности также используют смесь технического керосина со смолами.
Наибольшее применение получило метод сжигания в распыленном состоянии. Этот метод позволяет значительно ускорить его сгорание и получить высокие тепловые напряжения объемов топочных камер вследствие 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, раскаленной спирали и т.п.); 4) собственно горение смеси.

1. Теоретический и действительный расходы кислорода и воздуха на горение.

Горючие вещества топлива взаимодействуют с кислородом воздуха в определенном количественном соотношении. Расход кислорода и количество получающихся продуктов сгорания рассчитывают по стехиометрическим уравнениям горения, которые записывают для 1 кмоля каждой горючей составляющей.
Стехиометрические уравнения горения горючих составляющих твердого и жидкого топлива имеют вид:

углерода С + О₂ = СО₂:

12кг С + 32кг О₂ = 44кг СО₂ ;

1кг С + (32/12)кг О₂ = (44/12)кг СО₂ ;

водорода 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О :

4кг Н₂ + 32кг О₂ = 36кг Н₂О ;

1кг Н₂ + 8кг О₂ = 9кг Н₂О .
серы S + O₂ = SO₂ :

32кг S + 32кг O₂ = 64кг SO₂ ;

1кг S + 1кг O₂ = 2кг SO₂ ;

Для горения 1 кг углерода, водорода и серы необходимо соответственно 8/3, 8 и 1 кг кислорода. В топливе находится С^р/100 кг углерода, Н^р/100 кг водорода, S_л^р/100 кг летучей серы и О^р/100 кг кислорода. Тогда для горения 1 кг топлива суммарный расход кислорода будет равен:

М^о_О2 = (8/3С^р + 8Н^р + S_л^р - О^р ) / 100 .

Так как массовая доля кислорода в воздухе равна 0,232, то массовое количество воздуха определяется по формуле:

М^о = (8/3С^р + 8Н^р + S_л^р - О^р ) / 100 · 100/23,2 .
М^о = 0,115 С^р + 0,345 Н^р + 0,043(S_л^р - О^р ) .

При нормальных условиях плотность воздуха r_о= 1,293кг/м³. Тогда объемное количество воздуха, необходимого для горения 1кг топлива можно рассчитать по следующей формуле:

V^о = М^о / с_о= М^о / 1,293 м³ /кг.

V^о = 0,0889 (С^р + 0,3755S_л^р ) + 0,265 Н^р – 0,033О^р . (1)

Для газообразного топлива расход необходимого воздуха V^о определяют из объемных долей горючих компонентов газа с использованием стехиометрических реакций:

Н₂ + 0,5 О₂ = Н₂О ;

СО + 0,5 О₂ = СО₂ ;

СН₄ + 2 О₂ = СО₂ + 2Н₂О ;

Н₂S+ 1,5О₂ = SО₂ + Н₂О .

Теоретическое количество воздуха (м³/м³), необходимого для сжигания газа, определяют по формуле:

V^о = 0,0476 [0,5СО + 0,5Н₂ + 2СН₄ +

+ 1,5Н₂S + S(m + n/4)C_mH_n - O₂] . (2)

Количество воздуха V^о, рассчитываемого по формулам (1) и (2), называется теоретически необходимым. То есть V^о представляет собой минимальное количество воздуха, необходимое для обеспечения полного сгорания 1 кг (1м³) топлива при условии, что при горении используется весь содержащийся в топливе и подаваемый вместе с воздухом кислород.

3. Коэффициент избытка воздуха.

В реальных условиях из-за технических трудностей ощущается местный недостаток или избыток окислителя (воздуха), в результате ухудшается полное горение топлива. Поэтому воздух подается в большем количестве по сравнению с его теоретическим количеством V^о. Отношение действительного количества воздуха (V_д), подаваемого в топку, к теоретически необходимому количеству называется коэффициентом избытка воздуха:

a = V_д / V^о .

Контрольные вопросы

1. Горение топлива, характеристика.

2. Из чего складывается время горения горения топлива?

3. Охарактеризуйте горение газообразного топлива.

4. Охарактеризуйте горение твердого топлива.

5. Охарактеризуйте горение жидкого топлива.

6. Как определяется теоретический и действительный расход кислорода и воздуха на горение?

7. Как рассчитывают коэффициент избытка воздуха?

Д/з-[1]-с.96-98