Процессы горения топлива

Горение представляет собой сложный физико-химический процесс, в основе которого лежит химическая реакция соединения горючих элементов топлива с окислителем. При этом имеет место интенсивное выделение теплоты и значительное повышение температуры.

Горение сопровождается смесеобразованием, диффузией, воспламенением, теплообменом и другими процессами, протекающими в условиях тесной взаимосвязи. Различают гомогенное и гетерогенное горение. При гомогенном горении тепло- и массообмен идут между веществами, находящимися в одинаковом агрегатном состоянии (обычно газообразном). Гетерогенное горение свойственно жидкому и твердому топливам.

В большинстве случаев окислителем является кислород воздуха. Реакция горения происходит очень быстро и теплота, выделившаяся при преобразовании исходных веществ в конечные продукты, не успевает рассеиваться в пространстве.

Горение может быть полным, при котором происходят реакции полного окисления горючих элементов топлива, и неполным, когда эти реакции полностью не завершены. Полное горение происходит при достаточном количестве окислителя и завершается полным окислением горючих элементов топлива. Продукты сгорания при этом состоят из СО₂, SO₂ и Н₂О. При недостаточном количестве окислителя происходит неполное сгорание углерода с образованием СО.

Тепловым эффектом реакции горения топлива называют разность между полными внутренними энергиями исходных веществ и образовавшихся продуктов.

Реакции при горении топлива происходят не между молекулами исходных веществ, а путем последовательных стадий с образованием промежуточных продуктов, которые затем разрушаются, образуя атомы и радикалы, являющиеся активными центрами реакции.

Свободные атомы (Н, О и др.) и радикалы (ОН) взаимодействуют с исходными веществами и образуют конечный продукт. Одновременно рождается новый активный центр, который участвует в продолжении реакции. Такие реакции называют цепными.

Кинетика реакций горения. Скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ, температуры и давления и определяется произведением концентраций реагирующих веществ:

где k – константа скорости реакции; С_A и C_B – концентрации реагирующих веществ.

Скорость реакции при росте температуры существенно увеличивается, что определяется законом Аррениуса

где k₀ – эмпирическая константа.

Энергия активации Е - наименьшая энергия (для газовых смесей 85-170 МДж/кмоль), которой должны обладать молекулы в момент столкновения, чтобы быть способными к химическому взаимодействию. Разность энергий активации прямой и обратной реакции составляет тепловой эффект химической реакции.

Реакции характеризуются высокой экзотермичностью, обусловливающей рост температуры. Влияние температуры на скорость реакции значительно сильнее влияния концентрации реагирующих веществ. Поэтому, несмотря на уменьшение концентрации реагирующих веществ при горении, скорость реакции горения увеличивается и достигает максимума после выгорания 80-90 % горючих веществ. Реакции горения газообразного топлива протекают практически мгновенно, что объясняется не только сильным влиянием температуры, но и цепным характером их протекания. Скорость реакции также зависит от давления.

Процесс горения горючей смеси может начаться путем самовоспламенения или принудительного воспламенения (электрическая искра, факел и т.п.). Температура самовоспламенения определяется соотношением количеств теплоты, выделяющейся при горении и отдаваемой во внешнюю среду. Количество теплоты, выделяющейся при горении, зависит от температуры:

где Q – тепловой эффект реакции; w – скорость реакции; V – объем; T – температура среды, C – константа интегрирования (находится из граничных условий), n – показатель степени. Температура воспламенения может быть найдена из уравнения:

T_В=Т_с+RТ_в²/Е,

где T_В – температура воспламенения горючей смеси; Т_в – температура воспламенения газа; Т_с – температура среды; R – газовая постоянная, характеризует работу 1 кг идеального газа при постоянном давлении и изменении температуры на 1 К.

Горение жидкого топлива протекает в основном в парогазовой фазе, так как температура его кипения значительно ниже температуры воспламенения. Интенсивность испарения горючих веществ увеличивается с ростом поверхности контакта с воздухом и количества подводимой теплоты. Таким образом, скорость горения определяется тонкостью его распыливания. Улучшению распыливания способствует понижение вязкости, что достигается предварительным подогревом топлива до 340-390 К перед подачей в форсунки.

Твердое топливо претерпевает предварительную тепловую подготовку, в процессе которой происходит прогрев частиц, испарение влаги и выделение летучих веществ, воспламеняющихся первыми, она происходит в интервале температур 470-720 К. Время горения их вблизи твердого остатка составляет незначительную часть общего времени горения топлива и способствует его прогреву и воспламенению. После выгорания значительной части летучих веществ начинается выгорание коксового остатка. На процесс горения твердого топлива заметно влияет зола, затрудняющая диффузию кислорода к горючему. При температуре горения, превышающей температуру плавления золы, частицы горючих веществ ошлаковываются, что еще больше затрудняет к ним доступ кислорода.

Количественные соотношения химических реакций горения могут быть получены при известных молекулярных массах μ веществ и плотностях ρ= μ/22,4 газов при нормальных физических условиях. Горение углерода с образованием углекислого газа можно представить уравнением:

1 кг С + 32/12 кг О₂ = 44/12 кг СО₂ + 404/12 МДж/кг С.

Следовательно, на 1 кг углерода приходится 2,67 кг или 1,87 м³ кислорода и 3,67 кг или 1,87 м³ углекислоты СО₂.

Горение углерода с образованием окиси углерода СО:

1 кг С + 32/2·12 кг О₂ = 28/12 кг СО + 119/12 МДж/кг С.

В этом случае на 1 кг углерода приходится 1,33 кг или 0,93 м³ кислорода и 2,33 кг или 1,87 м³ окиси углерода.

Горение окиси углерода с образованием углекислого газа:

1 кг СО + 32/2·28 кг О₂ = 44/28 СО₂ + 284/28 МДж/кг СО.

Здесь на 1 кг окиси углерода приходится 0,57 кг или 0,46 м³ кислорода и 1,57 кг или 0,80 м³ углекислоты.

Горение водорода с образованием водяных паров:

1 кг Н₂ + 32/2 ·2 О₂ = 18/2 Н₂О +284·2/(2·238) МДж/кг Н₂.

В этом уравнении тепловой эффект реакции, данный в числителе, учитывает теплоту конденсации водяных паров, образующихся при сжигании водорода и охлаждении конденсата до 273 К. В знаменателе приведен тепловой эффект 238 МДж/кмоль Н₂ при отсутствии конденсации паров воды. Таким образом, на 1 кг водорода приходится 8 кг или 5,55 м³ кислорода и 9 кг или 11,12 м³ воды.

Горение серы с образованием сернистого ангидрида:

1кг S + 32/32 кг О₂ = 64/32 SO₂ + 288/32 МДж/кг S.

Следовательно, на 1 кг серы приходится 1 кг или 0,69 м³ кислорода и 2 кг или 0,69 м³ сернистого ангидрида.

Горение метана с образованием СО₂ и НО₂:

1 кг СН₄ + 64/16 кг О₂ = 44/16 кг СО₂ + 36/16 кг Н₂О + 56,1/50,5 МДж/кг СН₄.

На 1 кг метана приходится 4 кг или 2,8 м³ кислорода, 2,75 кг или 1,4 м³ углекислоты и 2,25 кг или 2,79 м³ воды. На 1 м³ метана приходится 2 м³ кислорода, 1 м³ углекислого газа и 2 м³ воды.

На основе приведенных соотношений теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива количество кислорода (в кг) определяется выражением:

(S_л=S_р+S_к, где S_л – летучая сера, S_ор – органические соединения серы, S_к – колчеданные соединения серы). Индекс р обозначает рабочий объем данного вещества.

Если учесть, что массовая доля содержания кислорода в воздухе составляет 0,232, то теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг твердого и жидкого топлива составит: