Элементы теории горения

Под горением понимают процесс химического взаимодействия топлива и окислителя, при интенсивном выделении тепла, скачкообразном росте температур, концентрации продуктов горения и снижении концентрации окислителя. При горении происходит преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию, идущую на нагрев продуктов сгорания.

Химические реакции, идущие с выделением тепла, называются экзотермическими.

Химические реакции, идущие с поглощением тепла, называются эндотермическими.

Существуют и другие виды реакций: гомогенные, гетерогенные.

Интенсивность горения характеризуется скоростью химической реакции. Под скоростью гомогенной химической реакции понимают массовое количество вещества, которое реагирует в единицу объема, в единицу времени.

Считают, что скорость гомогенной реакции подчиняется закону действующих масс, т.е. пропорциональна произведению реагирующих веществ или масс.

, где (1)

m и n – число молей реагирующего вещества, k – постоянная скорости горения.

Например:

При данной температуре концентрация пропорциональна парциальному давлению соответствующего газа.

(2)

При сжигании твердого топлива парциальное давление паров продуктов газификации, а следовательно и их концентрации есть величины постоянные при данной температуре.

(3)

Константа скорости горения определяется по закону Аррениуса:

E –энергия активации;

R –газовая постоянная;

T–температура процесса в градусах °К.

Это выражение показывает, что в реакции участвуют не все молекулы топлива, а только молекулы, обладающие энергией активации, т.е. энергией, достаточной для разрушения внутренних связей.

Для того, чтобы сообщить топливу достаточное количество энергии его необходимо подогреть.

.

Рис. 16 Влияние температуры на величину константу скорости горения

Таким образом, k показывает долю молекул, участвующих в процессе горения. k - характеристика полного числа столкновений молекул реагирующих веществ.

Горение твердого топлива

Различают два периода:

1. сушка при температуре около 100°С. Время сушки зависит от влажности, от размеров кусков, от условий теплообмена.

2. горение состоящее из следующих стадий:

а) выход летучих и образование нелетучего остатка;

б) горение летучих;

в) горение нелетучего коксового остатка.

Примерно 90% времени занимает горение коксового остатка (С).

Учитывают также, что при этом выделяется основное количество тепла. Горение твердого топлива в основном определяется механизмом и кинетикой горения углерода.

Рис. 17 Схема горения коксовой частицы

1. поверхность коксовой частицы

2. граница ламинарного слоя

3. турбулентный поток.

Данное горение протекает на поверхности и относится к гетерогенным реакциям: в этом процессе подводится кислород, который реагирует с частицами твердого топлива.

Скорость химической реакции зависит от скорости подвода кислорода к поверхности реагирования и от кинетики химической реакции.

Количество O , подведенное в единицу времени можно определить.

a) Поверхность ламинарного слоя

, А – коэф. турбулентной диффузии. (4)

b) Поверхность частиц:

, толщина ламинарного слоя. (5)

D – коэффициент молекулярной диффузии.

Совместное решение уравнений (4) и (5):

(6)

(7)

- константа скорости диффузии.

Таким образом, количество кислорода, подводимого к поверхности, является функцией: . В свою очередь является функцией, зависящей от скорости обтекания, размера частицы и вязкости потока: .

При установившемся процессе горения скорость процесса равна скорости подвода кислорода:

(8)

С другой стороны, ранее получено, что скорость гетерогенного горения равна:

(9)

Совместное решение уравнений (8) и (9) дает выражение для скорости горения:

(10)

(11)

где - приведенная константа скорости горения, представляющая из себя единицу, деленную на сопротивление процессу горения.

химическое (кинетическое) сопротивление;

- диффузионное сопротивление;

- общее сопротивление.

В зависимости от соотношения этих сопротивлений, на которые влияют от температура процесса, диаметр частиц, скорость обтекания и т.д., различают кинетическую и диффузионную области горения. Рассмотрим зависимость скорости процесса горения от температуры процесса и диаметра частиц (δ).

δ

δ

	δ1

Рис. 18 Области горения

При низких температурах (t<1000°С), скорость процесса горения ограничивается кинетическим или химическим сопротивлением процесса горения. Определяющим фактором скорости процесса является температура. Область горения называется кинетической – (II).

В области (t>1400°C) скорость реакции горения ограничивается скоростью подвода кислорода. Данная область называется диффузионной (I)

В диапазоне температур 1000-1400⁰С - область III на скорость влияют оба фактора (температура процесса горения и скорость подвода кислорода). Данная область называется промежуточной –(III).

Горение жидкого топлива

При горении жидкого топлива температура воспламенения и горения выше температуры кипения отдельных его фракций, поэтому жидкое топливо вначале испаряется, а затем сгорание паров смеси с воздухом происходит при одном агрегатном состоянии. Скорость горения определяется скоростью испарения капель мазута, которая зависит от качества распыла и от скорости подвода кислорода. Снижение диаметра капель ведет к увеличению поверхности испарения, повышению температуры процесса, усилению теплообмена. Горение паров жидкого топлива происходит в диффузионной области. При недостатке кислорода наблюдается термический крекинг, т.е. образование тяжелых углеводородов в виде мельчайших частиц углерода (сажи), что снижает полноту сгорания топлива.

Условия повышения интенсивности сжигания жидкого топлива:

1. предварительный подогрев;

2. тонкое распыливание;

3. подвод воздуха в ядро факела;

4. хорошие условия перемешивания;

5. поддерживание температуры в ядре факела выше 550°С.