2 ГОРЕНИЕ

2 ГОРЕНИЕ
Горение топлива в топках котлов – физико-химический процесс, в ходе которого
топливо входит в контакт с окислителем, (в качестве которого обычно
используется кислород воздуха), и выделяется теплота.
Интенсивность горения топлива зависит от многих величин, числе которых
наиболее важные:
- свойства сжигаемого топлива;
- способ сжигания;
- аэродинамические условия процесса;
- температурные условия процесса и др.
2.1 Общие понятия о горении топлив
В процессе горения происходит химическое соединение горючего вещества
топлива и окислителя (кислород воздуха) с выделением теплоты сгорания, которая
расходуется на увеличение (поднятие) температуры топлива, окислителя и
продуктов горения (газов горения). При этом важно знать время и скорость горения
и уметь ими управлять, поскольку от них зависит выбор величины топки и полнота
сгорания топлива.
Время горения топлива τ состоит из:
- времени, необходимого на вхожения в контакт окислителя с топливом τd;
- времени, необходимого для тепловой подготовки топлива (нагрева) до
воспламенения τsooj ;
- времени реагирования топлива с окислителем ( кислородом воздуха) τk ;
Подготовка топлива к горению и необходимое на это время зависят от агрегатного
состояния топлива.
Горение, где топливо находится в газообразном состоянии, называется
гомогенным. Горение, где топливо находится в жидком или твердой фазе,
называют гетерогенным.
При горении газообразного топлива время, необходимое для подготовки топлива
ничтожно мало по сравнению с временем горения (τsooj << τ).
При гетерогенном горении жидкого топлива ко времени , необходимому для
подготовки топлива τsooj , добавляется время на образование паров топлива τа , а
также время термического разложения топлива τlag .
При гетерогенном горении твердого топлива ко времени , необходимому для
подготовки топлива τsooj , добавляется время образования водяных паров из влаги,
содержащейся в топливе τna, а также время термического разложения или
выделения летучих τlend .
В действительности время различных процессов в подготовке и горении топлива
частично совпадают и перекрывают друг друга. Поэтому различают два
пограничных случая:
- τd<< τk ... кинетическое горение
- τd>> τk ... диффузионное горение.
В случае когда τd ( время вхождения в контакт окислителя с топливом) и τk ( время
химической реакции) – величины одного порядка, тогда горение находится в
промежуточной области или кинетически-диффузионное.
Факторы, влияющие на скорость и время химической реакции сравнительно
сходные и не зависят от агрегатного состояния топлива.
Химическую реакцию между веществами А и В, в результате котрой образуется
вещество М описывают стехиометрическим выражением:
где α и β и γ – стехиометрические коэффициенты, которые означают мольные
соотношения участвующих в реакции веществ.
Скорость гомогенной реакции горения v - это изменение во времени
концентрации газообразного горючего вещества топлива. При этом концентрация
вещества – его количественное содержание в 1 м3 объема.
Cкорость гетерогенной реакции горения – количество горючего вещества,
которое реагирует с 1 м2 поверхности в единицу времени.
Количество вещества можно представлять в различных единицах измерения, но
универсальное представление – в молях.
Скорость химической реакции в зависимости от концентрации представляют в виде
Закона действия массы. Этот закон учитывает то обстоятельство, что количество
столкновений молекул веществ, вступающих в реакцию, а также скорость
химической реакции увеличиваются с увеличением концентрации веществ.
Скорость гомогенной химической реакции v моль/(м3∙сек).
где k - постоянная скорости реакции,
CA- концентрация вещества А моль/м3,
CB - концентрация вещества В моль/м3.
Скорость гетерогенной химической реакции v моль/(м2∙сек).
где С – количество газообразного окислителя, участвующего в реакции, моль/м3.
Пример: Горение водорода описывается реакцией:
Стехиометрические коэффициенты соответственно: α= 2, β= 1, γ=2 и скорость
реакции запишется:
где СН2 и СО2 – концентрации водорода и кислорода моль/м3.
При горении углерода С:
Стехиометрические коэффициенты α=β=γ=1, а также скорость реакции
Законом Аррениуса представляется постоянная горения k, а также зависимость
скорости горения от температуры:
где k0 – эмпирическая (определяемая опытным путем) постоянная
e - основание натурального логарифма е = 2,7183
R - универсальная газовая постоянная Дж/моль∙К
T - абсолютная температура реагирующих веществ К
E - энергия активации горючего вещества Дж/моль.
2.2 Горение газообразного топлива
Газообразное топливо воспламеняется только тогда, когда оно и окислитель
находятся в определенных необходимых концентрациях.
В таблице 2.1. приведены нижние и верхние границы воспламенения смеси
окислителя (кислорода воздуха) и некоторых газообразных топлив. Газообразное
топливо воспламеняется, находясь только между нижней и верхней границами
воспламенения. Чем шире этот промежуток, тем наиболее вероятна опасность
воспламенения. Из таблицы видно, что границы воспламенения газов весьма
различны. Опасность воспламенения водорода в воздухе имеет место быть при
содержании в нём водорода от 4,0 до 75,0 объемных %. Нижняя граница
воспламенения бутана находится при уже 1,9 объемных %.
Таблица 2.1 Границы воспламенения некоторых газообразных топлив
Топливо
Ацетилен
Этилен
Метан
Этан
Пропан
Бутан
Гексан
Окись
углерода
Водород
Сероводород
Коксовый
газ
Природный
газ
Хим.
формула
С2Н2
С2Н4
СН4
С2Н6
С3Н8
С4Н10
С6Н14
СО
Н2
Н2 S
Границы воспламенения в Коэффициент
избытка
объемных %
воздуха
на
границе
воспламенения
нижняя
верхняя
нижняя
верхняя
2,5
81
3,28
0,019
3,1
32
2,17
0,15
5,0
15,0
1,99
0,59
3,0
12,5
1,93
0,42
2,2
9,5
1,86
0,40
1,9
8,5
1,66
0,35
1,2
7,4
1,81
0,27
12,5
74
2,93
0,146
4,0
4,3
5,6…5,8
75
45,5
28,0…30,0
10,1
-
0,14
-
5,1…5,8
12,1…13,9
-
-
Рассчетная формула границ воспламенения газовых смесей:
где сi – концентрация газовых компонентов газовой смеси в объемных %
Li - границы воспламенения отдельных компонентов газовой смеси
Интенсивность горения газовой смеси характеризует нормальная скорость
распостранения пламени – скорость перемещения фронта горения в направлении
нормали невоспламенившейся газовой смеси, находящейся в состоянии покоя или
ламинарном движении. Нормальная скорость распространения пламени 1.
показывает кинетику горения, а также 2. в основном зависит от свойств топлива,
3. коэффициента избытка воздуха, 4. начальной температуры и 5. давления газовой
смеси.
Нормальная скорость распространения пламени в газовой смеси:
где сi – концентрация газовых компонентов газовой смеси в объемных %
uni – нормальная скорость распространения пламени отдельных компонентов
газовой смеси.
Формула приблизительного пересчета максимальной скорости распространения
пламени (см/сек) в зависимости от изменения начальной температуры смеси от Т 1
до Т2 :
При проектировании газовых горелок важно знать скорость распростанения
пламени в трубе vt, которая зависит от концентрации горючего компонента в смеси
и диаметра трубы. Концентрация горючего компонента в трубопроводе определяет
максимум скорости распространения пламени. С увеличением диаметра трубы
скорость распространения пламени vt растет.
При турбулентном истечении газовой смеси скорость распростанения пламени
характеризует турбулентная скорость uT. Соотношение турбулентной uT и
нормальной uni скоростей распространения пламени при значении Re < 80 000
приблизительно определяется по формуле:
где d – диаметр устья горелки в см,
Re = w0 ∙d / ν - число Рейнольдса,
w0 – скорость смеси в устье газовой горелки, м/сек
При диффузионном горении газа интенсивность горения характеризует длина
пламени. Формула для приблизительного определения длины пламени при
турбулентном истечении газа:
коэффициент k зависит от теплоты сгорания топлива:
Qat = 4000 kJ/kg k = 0,4
Qat = 8000 kJ/kg k = 0,7
Qat = 12000 kJ/kg k = 0,9.
2.3 Горение жидкого топлива
Температура кипения жидкого топлива всегда ниже температуры воспламенения, и
поэтому жидкое топливо горит в паровой фазе ( когда образовались пары
топлива). Исключение – горение сажи и кокса, образующихся при термическом
разложении жидкого топлива. Время горения капли жидкого топлива определяет в
основном интенсивность образования паров топлива как самая длительная часть
процесса горения. Чтобы увеличить интенсивность горения необходимо применять
вспомогательные средства для интесификации процесса образования паров
топлива. Таким вспомогательным средством является распыление жидкого
топлива на мелкодисперсные частицы – капли, с помощью которого
увеличивается поверхность образования паров и ускоряется процесс образования
горючей смеси. Образовавшиеся при распылении капли хорошо вписываются в
закон распределения Розина- Рамблера:
где dk – средний диаметр капли в полифракционной системе
R – масса частицы, диаметр которой d > dk
n – показатель полифрактальности системы
Вид пламени в большой степени зависит от того, как топливо выходит из форсунки
– прямоточно или вихреобразно.
Вместе с хорошей интенсивностью образования паров топлива и условиями
воспламенения важным является быстрое и однородное смешение с воздухом
горения. Эту задачу в горелках жидкого топлива выполняет воздушный (регистр)
или аппарат или регулятор подачи воздуха и воздуходувка. Для лучшего смешения
регистр воздуха придает воздуху горения в большинстве случаев вихреобразное
(закрученное) движение.
При распылении топлива образуются различного диаметра капли – от нескольких
микронов до сотен миллиметров. Более мелкие капли образуют пары,
воспламеняются и горят быстрее. Конечное время горения и полноту сгорания
определяет однако время горения крупных капель. Помимо увеличения
поверхности образования паров топлива распыление также улучшает условия
проникновения кислорода воздуха к топливу.
Таким образом, капля топлива, попадая в высокотемпературную среду нагревается
за счет тепла топочных газов и газифицируется. Следующей стадией жидкое
топливо пирогенетически разлагается и смешивается с окислителем. При
подходящем состоянии образовавшиеся пары топлива воспламеняются и затем
следует быстрая химическая реакция горения с выделением тепла горения.
Рис. 2.1 Схема горения капли жидкого
топлива.
kütus - топливо, aur - пары, põlemisfront фронт горения, põlemisgaasid - газы
горения.
При горении капли жидкого топлива
капля окружена слоем паров топлива.
Пары
дифундируют
с
внешней
поверхности капли в окружающую среду.
В то же самое время кислород
дифундирует
в
противоположном
направлении - к внешней поверхности капли. На определенном расстоянии от
внешней поверхности капли образуется горючая смесь подходящей концентрации
и вокруг капли образуется стабильный фронт горения. Для того, чтобы жидкое
топливо горело с высокой интенсивностью и без образования сажи, необходимо в
центре пламени обеспечивать кислородную (окислительную) среду.
Помимо среднего диаметра капли dk распыляемого топлива её еще характеризует
средний медианный диаметр dm . Если систему характеризует средний диаметр
частицы dk , то масса частицы Rdk=0,368, при среднем медианном диаметре dm, Rdm=
0,5. Величины dk, dm и n связывает между собой формула:
где dk – диаметр отверстия форсунки,
σ – к-т натяжения поверхности распыляемого топлива
ρ – плотность распыляемой среды кг/м3
w – скорость частиц м/с
A – коэффициент, зависящий от свойств топлива и форсунки.
Степень распыления увеличивается с уменьшением отверстий для распыления и
поверностного натяжения, а также с увеличением скорости истечения частиц
топлива и плотностью среды. Поверхностное натяжение топлива можно уменьшить
увеличением
температуры
предварительного
нагрева
топлива.
Также
увеличивается степень распыления с увеличением давления, в случае механических
форсунок это зависимость выражается следующе: dk ≈ p 0,2
2.4 Горение твердого топлива
При горении твердого топлива процессы горения проходят как на решетке в топке (
горение кокса), так и в объеме топки ( горение летучих).
Горение твердого топлива состоит из перекрывающихся между собой во времени
следующих стадий горения:
Нагрев и сушка частиц топлива. Нагрев до воспламенения и выпаривание влаги,
содержащейся в топливе ( приблизительно при 1000С).
Выделение летучих и горение. Термическое разложение топлива (пиролиз) или
выделение летучих, для гумусных топлив зависит от геологического возраста
топлива и начинается у
- древесины при150-160 0С
- торфа при 100 – 110 0С
- каменного угля 170 – 390 0С
- антрацита 380 – 400 0С
а заканчивается при температуре свыше 1100 0С.
Время горения летучих составляет около 10% всего времени горения частиц
топлива.
Горение кокса. Горение кокса или углерода начинается после сгорания большей
части летучих.
Из перечисленных стадий горения, несмотря на высокое содержание летучих в
топливе, самая длинная по времени стадия горения – горение кокса.
С стадии выделения летучих и их горения вокруг частиц топлива образуется
газовый слой, который препятствует проникновению кислорода к поверхности
частиц топлива. При прекращении горения летучих фронт горения переходит на
поверхность образовавшегося кокса. У кокса при низких температурах и с высоким
золосодержанием горение может происходить и внутри кокса. В стадии горения
летучих интенсивность горения определяет с одной стороны скорость выделения
летучих с поверхности частиц топлива, а с другой стороны – скорость
реагирования летучих с кислородом.
Интенсивность горения скоксовавшихся частиц зависит от скорости реагирования
с кислородом на поверхности частиц и скорости дифундирования кислорода к
поверхности частицы. Поверхностная удельная скорость горения сферической
скоксовавшейся частицы ( уменьшение массы частицы в единицу времени на
единицу площади):
β - стехиометрический коэффициент
c0 - концентрация кислорода в среде, окружаюшей частицу, г/см3
k - постоянная скорости химической реакции (зависимость от температуры на
основании закона Аррениуса), см/с
D - коэффициент диффузии кислорода, см2/с
Nud - число Нуссельта в процессе диффузии
α - коэффициент массоотдачи см/с
Число Нуссельта в процессе диффузии Nud зависит от числа Рейнольдса Re и
определяется по формуле:
Стехиометрический коэффициент зависит от того, в каком соотношении при
соединении углерода с кислородом образуется СО и СО2.
Если при горении образуется только СО, тогда β= 0,75, если же – только СО2, то
β=0,375; если соотношение СО/СО2 = 1, то β=0,5.
Коэффициент диффузии кислорода находится в степенной зависимости от
температуры:
Энергия активации горения чистого углерода составляет Е = 160 кДж/моль,
показатель экспоненты k0 = 36,5∙105 см/с.