Лекция 14. Тема. 1.12 Физико-химические основы горения органического топлива

Тема. 1.12 Физико-химические основы горения органического топлива.

Количество часов – 4.

Количество лекций – 2.

6. Расчёт горения органического топлива: твёрдого и жидкого; газообразного.

7. Диффузия и массообмен в процессе горения.

8. Горение твёрдого топлива.

9. Горение жидкого топлива.

10. Горение газообразного топлива.

1. Расчёт горения органического топлива: твёрдого и жидкого; газообразного.

Горением называется быстрый процесс окисления горючего вещества, сопровождающийся выделением значительного количества тепловой энергии. Основой процесса горения является химическая реакция между окисляемым горючим веществом и окислителем.

Для того чтобы процесс горения произошёл, необходимы наличие горючего и окислителя, контакт между ними на молекулярном уровне, тепловые условия, достаточные для протекания химической реакции с высокими скоростями.

Особенности процесса горения: высокая температура; быстротечность во времени; неизотермичность и переменность с концентрацией компонентов по мере из взаимодействия; изменения структуры и формы поверхности реагирования во времени.

Горение топлива может быть полным и неполным. При полном горении горючие элементы топлива претерпевают предельную степень окисления: углерод до СО₂, а водород до Н₂О. При неполном углерод окисляется до СО, а часть водорода может находиться в продуктах горения в неокисленном состоянии. Полнота горения топлива зависит от интенсивности его смешения с воздухом, от подачи достаточного количества воздуха и от температуры в топке.

Для твёрдого и жидкого топлива расчёты горения ведут по соотношению масс веществ, участвующих в реакциях, с учётом закона сохранения массы вещества

С + О₂ =СО₂ или 12+32=44

где 12, 32 и 44 – молекулярные массы, кг.

Следовательно, для сжигания 1кг углерода требуется 32/12=2,67 кг О₂, при этом получается 44/12=3,67 кг СО₂.

Н₂ + 0,5О₂ = Н₂О или 2+16=18

Расход О₂ на 1 кг Н₂ составляет 16/2=8 кг, а количество образующихся водяных паров Н₂О=18/2=9 кг.

S+ О₂ = SО₂ или 32+32=64

Азот не горит и горения не поддерживает. Поэтому он без изменения массы переходит в продукты горения.

Кислород участвует в горении топлива. Поэтому его количество вычитают из общего расхода кислорода, определённого расчётом.

Влага топлива при его горении испаряется, и образующиеся при этом водяные пары входят в состав продуктов горения.

Для газообразного топлива расчёт горения ведут по объёмным соотношениям.

Содержащиеся в газовом топливе СО₂ и N₂ являются негорючими компонентами и без изменения объёма поступают в продукт горения.

Уравнения горения основных компонентов (углеводородов) газового топлива:

С_m Н_n + (m+0,25n)О₂ =m СО₂ +n /2 Н₂О

Из уравнения следует, что удельный расход кислорода при сгорании элемента метанового ряда – m+0,25n, м³/м³; удельный выход продуктов горения, м³/м³

СО₂=m; Н₂О=n/2

Принципиальной особенностью всех реакций горения является их обратимость, т.е. все реакции идут только до состояния химического равновесия, которое зависит от температуры, давления и соотношения концентрации реагирующих веществ. Скорость реакции записывается уравнением Аррениуса:

ω=k₀ е ^{-Е / RТ}n_Аn_В;

где k₀ – предэкспоненциальный множитель, k₀ =√Т; R – универсальная газовая постоянная; n_А , n_В – концентрация молекул веществ А и В в объёме.

2. Диффузия и массообмен в процессе горения.

Для протекания реакции горения необходимо перемешивание компонентов на молекулярном уровне, иными словами, необходим процесс массопереноса реагирующих компонентов в зону реакции и продуктов сгорания из неё. Процесс массопереноса осуществляется в турбулентном потоке за счёт турбулентной диффузии, а в неподвижной среде, ламинарном потоке и в пограничном слое потока – за счёт молекулярной диффузии (за счёт градиента концентрации компонента).

Анализ реакций горения позволил выделить два предельных режима горения:

1) диффузионный. Горение в этом режиме характерно повышенным уровнем температуры в зоне реакции по отношению к температуре вокруг этой зоны и снижением концентрации кислорода в зоне реакции до нуля;

2) кинетический. Горение в этом режиме не сопровождается заметным снижением концентраций реагирующих компонентов в зоне реакции и характерно отсутствием заметного повышения температуры в зоне реакции.

Время сгорания топлива зависит от времени, в течение которого достигается контакт горючего с окислителем τ_К и от времени протекания химической реакции τ_Р.

τ_ГОР = τ_К+ τ_Р.

Если время контактирования больше времени химической реакции, то горение относят к диффузионному (1), обратном случае – кинетическому (3). В (2) скорости горения соизмеримы со скоростью диффузии.

В зависимости от фазового состояния реагирующих веществ горение топлив условно делят на гомогенное и гетерогенное. Примерами гомогенного горения являются: горение хорошо перемешанных газообразных компонентов, горение быстроиспаряющихся жидких топлив. Примерами гетерогенного горения на поверхности раздела фаз могут служить: горение твёрдых топлив, горение капель тяжёлых жидких топлив.

3. Горение твёрдого топлива.

Твёрдое топливо имеет в своём составе летучие горючие вещества и коксовый остаток. Основной стадией процесса горения твёрдого топлива являются стадия горения коксового остатка – углерода, оставшегося в частице топлива после завершения деструкции вещества исходного топлива и выхода летучих.

При нагревании частицы вещества сначала из неё испаряется влага (прогрев и подсушка), а затем абсолютно сухое топливо при дальнейшем нагревании претерпевает разложение с выходом летучих горючих веществ. Как испарение влаги, так и выделение летучих являются процессами эндотермическими. Теплота для этих реакций „черпается” из раскалённой частицы топлива.

В свою очередь летучие, сгорая, нагреваются и при этом часть своей теплоты „возвращают” горящей частице топлива, способствуя поддержанию её температуры на уровне, необходимом для устойчивого очага горения (экзотермическая реакция).

Выделившиеся из топлива подогретые летучие горючие вещества, диффундируя в окружающую среду, встречаются с молекулами О₂ и окисляются, т.е. сгорают, выделяя при этом теплоту.

Соответственно вокруг раскалённой частицы 1 топлива различают четыре газообразные зоны:

2 – зона выделившихся из топлива летучих;

3 – зона горящей смеси летучих с кислородом воздуха;

4 – зона образовавшихся продуктов сгорания;

5 – смесь атмосферного воздуха с продуктами сгорания.

В зону горения 3 со стороны горящей частицы диффундируют молекулы летучих, а с внешней стороны, пробиваясь сквозь зону продуктов сгорания (4), диффундируют молекулы воздуха. Интенсивный отвод продуктов сгорания способствует уменьшению „толщины” зоны продуктов сгорания, облегчает диффузию кислорода воздуха в зону горения и тем самым интенсируют этот процесс.

Таким образом, для обеспечения устойчивости очага горения необходимо: определённая температура нагрева топлива; превышение экзотермического эффекта над эндотермическим; обеспечение непрерывного притока воздуха в зону горения и эвакуация из неё полностью окисленных продуктов горения.

Когда выделение летучих закончится, продолжает гореть коксовый остаток. К его поверхности диффундирует воздух. Молекулы кислорода взаимодействуют с углеродом:

С + 0,5О₂ = СО

Из–за недостатка О₂ СО диффундирует в зону с большей концентрацией О₂, где окисляется (сгорает) до СО₂. Молекулы СО₂ диффундируют в обе стороны: и в воздух, и к поверхности горящей частицы. Здесь они взаимодействуют с углеродом

СО₂ + С = 2СО,

образуя новые порции горючей СО

.

4. Горение жидкого топлива.

Горение жидких топлив всегда происходит в паровой фазе, поэтому процессу горения капли всегда предшествует процесс испарения.

Процесс сжигания жидкого топлива протекает в несколько последовательных стадий: распыление мазутной струи, смешение факела распылённых капель мазута с воздухом, подогрев и испарение мазутных капель, их термическое разложение с образованием газовой фазы, и, наконец, воспламенение и завершение процессов окисления газовой фазы.

Горение мазутных капель не является результатом непосредственного взаимодействия поверхностей капли с воздухом. Процессу горения в этом случае предшествуют испарение и термическое разложение паров мазута с расщеплением углеводородов по схеме

С_m Н_n =m С + 0,5n Н₂

и выделением летучих горючих веществ. Такое разложение возможно лишь при подогреве мазута до определённой температуры и является эндотермическим процессом, т.е. необходима затрата определённого количества теплоты. Эта теплота частично сообщается мазуту подогревом, подогретым воздухом, и, кроме того, сообщается распылённой струе горячими газами, инжектируемыми из горящего факела к его корню.

1 – форсунка;

2 – инжектируемые дымовые газы;

3 – горящий факел.

При смешении горячих летучих с воздухом они мгновенно воспламеняются. Скорость горения летучих зависит от интенсивности и полноты их смешения с воздухом.

Схема горения капли жидкого топлива.

В пространстве между зоной горения и каплей находятся пары топлива и некоторая частьпродиффундировавших туда продуктов сгорания, а вне зоны горения – окислитель и продукты сгорания. В зону горения из объёма капли диффундируют пары топлива, а с внешней стороны – окислитель (кислород воздуха). Теплота, необходимая для испарения топлива, передаётся поверхности капли из зоны горения излучением и в результате частичной диффузии внутрь паровой оболочки продуктов сгорания.

5. Горение газообразного топлива.

Горение газа, как и других видов топлива, также происходит в несколько этапов, главнейшими из которых являются: образование газовоздушной смеси, её подогрев, термическое разложение, воспламенение и горение продуктов термического разложения.

Горение газообразного топлива является гомогенным процессом, при котором отсутствуют поверхности раздела между горючими газообразными веществами и кислородом воздуха.

Различают горение диффузионное и кинетическое.

Реакция горения углеводородного типа С_m Н_n

С_m Н_n +(m +0,25n)О₂ =m СО₂ +0,5n Н₂О

Подобная запись даёт представление лишь о начальной и конечной стадиях процесса. Углеводороды претерпевают термический распад исходных молекул с образованием альдегидов, а последние расщепляются до конечных продуктов распада, каковыми являются водород и углерод. Этим и объясняется наличие в горящем факеле при определённых условиях сажистого углерода. Конечные продукты распада, собственно, и горят, т.е. вступают в реакцию с кислородом воздуха, образуя последовательно СО, СО₂ и Н₂О. Рассмотренный поэтапный процесс характерен в основном для диффузионного горения.

При кинетическом горении с вводом в топку хорошо подготовленной смеси горючего газа с необходимым количеством воздуха при очень быстром подогреве этой смеси до температуры, превышающей температуру воспламенения, реакции окисления происходят настолько быстро, что термический распад практически отсутствует и сажистый углерод в факеле не появляется.

Кинетическое горение газовоздушной смеси может происходить в ламинарном и турбулентном потоках. При ламинарном потоке скорость истечения смеси из сопла горелки в пределах 1-6 м/с и должна возрастать с увеличением диаметра сопла горелки. В турбулентном потоке осевая скорость вылета струи 10–30 м/с.

Воспламенение струи происходит в её наружных слоях D. В ядре струи смесь не горит.