Горение твердого топлива

 

Процесс горения любой частицы натурального твердого топлива протекает еще более сложным путем и сопровождается комплексом физико-химических явлений: начинается с подогрева топлива, сопровождающегося испарением влаги и выделением летучих и продолжающегося до момента воспламенения. Далее происходит горение летучих и кокса, зависящее от контакта с окислителем, зольности топлива, температур и других факторов, и заканчивается образованием шлака.

Схематически эти процессы показаны на рис. 2.2, где они искусственно разделены для возможности представления хода каждого процесса.

 

Горение летучих

Горение оксида углерода

 

Направление подвода воздуха и движения газов

 

Рис. 2.2. Схема горения твердого топлива: I – подогрев, испарение влаги; II – выделение летучих;
III – горение летучих, образование кокса; IV – горение кокса; V – выгорание кокса;
VI – образование шлака

Все перечисленные процессы чаще протекают одновременно, чем и определяется сложность их исследования. Реакции веществ, находящихся в одинаковом агрегатном состоянии, называются гомогенными; к ним относятся реакции горения газов. Реакции горения жидких и твердых топлив протекают при разном агрегатном состоянии веществ; такие реакции называются гетерогенными.

Гетерогенные реакции сильно зависят от скорости подвода или переноса окислителя к поверхности горящей частицы – от скорости диффузии. Увеличение скорости подвода окислителя к горящей частице приводит к увеличению скорости реакции до определенных пределов. Если процесс сжигания топлива начинается с подогрева, удаления влаги и выделения летучих, то в это время цепные реакции протекают медленно. С повышением температуры число активных центров растет, скорость реакции увеличивается, что приводит к вспышке топлива. Температуру, при которой происходит это явление, называют температурой воспламенения; она зависит от свойств топлива, условий отвода теплоты.

Развитие цепной реакции и повышение температуры ограничиваются присутствием замедлителей – ингибиторов, к которым относят инертные примеси в топочном устройстве – поверхности нагрева, негорящие частицы топлива, холодную обмуровку и другие препятствия движению молекул. Время сгорания топлива зависит от скорости подвода окислителя, который содержится в поступающем воздухе. Время, необходимое для сгорания топлива, складывается из времени протекания химической реакции t_х и времени протекания физической стадии процесса t_ф – времени, необходимого для подвода окислителя к топливу (образование топливно-воздушной смеси), и времени нагрева компонентов горения до температуры воспламенения:

. (2.7)

Если время контактирования больше времени химической реакции, то горение относят к диффузионному, в обратном случае горение относят к кинетическому. Изображая графически изменение скорости горения топлива (рис. 2.3) в зависимости от температуры при постоянной массовой концентрации окислителя, можно показать, что в соответствии с уравнением Аррениуса скорость реакции с ростом Т сильно увеличивается (кривая 1). Область горения, ограниченная осью ординат и кривой 1, называют кинетической; осью абсцисс и кривой 2 – диффузионной областью горения. Между кривыми 1 и 2существует область 3,в которой скорости химических реакций соизмеримы со скоростями диффузии.

Когда время образования топливно-воздушной смеси значительно больше времени, необходимого для осуществления собственно химической реакции горения, t_х << t_ф, процесс находится в диффузионной области, для которой t»t_ф.

Если t_ф << t_х, то процесс находится в кинетической области. Время сгорания топлива в этом случае определяется скоростью (кинетикой) химического процесса t»t_х.

Если время протекания химической реакции соизмеримо со временем физической стадии (t_х»t_ф), то процесс находится в промежуточной области, и полное время сгорания топлива определяется скоростью наиболее медленного этапа.

Рис. 2.3. Зависимость скорости горения твердого топлива от температуры и области горения

Представленная на рис. 2.1 схема цепного окисления водорода для случая окисления углерода сильно усложняется из-за образования оксида углерода СО, диоксида углерода СО ₂ (первичные реакции) и появления реакций типа С + СО ₂ = 2 СО (вторичных реакций). При сжигании натуральных топлив количество параллельно идущих реакций значительно увеличивается, и они накладываются друг на друга. Горение жидкого и твердого топлива сопровождается его газификацией, когда процессу горения сопутствует термическое разложение органической массы топлива.

Воспламенение продуктов газификации или газообразного топлива приводит к образованию фронта пламени, состоящего из слоя смеси, обычно весьма тонкого, в котором идет процесс горения.

Нормальная скорость распространения пламени зависит от физических свойств смеси и ее химической активности, так как время сгорания обратно пропорционально скорости химической реакции при температуре горения.

Для движущейся горящей среды имеет значение характер ее движения. При переходе от ламинарного движения к турбулентному меняется не только очертание зоны горения, но и изменяется интенсивность процесса. В турбулентном потоке перемешивание происходит не только за счет хаотического движения молекул, но и за счет перемещений молей и значительных объемов газа из одного слояв другой, что интенсифицирует процессы тепломассообмена.

Более сложным является процесс горения твердого топлива даже в случае предварительного измельчения его до пылевидного состояния.

Параллельное выгорание летучих и коксового остатка, наблюдаемое при горенииугольной пыли, обусловлено различием размеров и форм частиц. Реакционной поверхностью коксового остатка можно считать сферу, к которой равномерно поступает кислород воздуха. Опытами установлено, что в реальных топочных условиях решающую роль играют реакции типа:

2 С + О ₂=2 СО.

Наиболее вероятной схемой процесса горения является горение пылинки в топочной камере в объеме движущегося потока – выход летучих, горение летучих в движущейся среде и горение коксовой частицы с одновременными физико-химическими превращениями минеральной части топлива. Эти превращения происходят одновременно с диффузией окислителя к остатку частицы, горением остатка при протекании вторичных реакций продуктов сгорания на раскаленной поверхности частиц или вблизи от нее.

Слой топлива на колосниковой решетке с подачей под неговоздуха представляет собой зону газификации с интенсивно идущим процессом. В топку поступают газообразные продукты газификации топлива и мелкие твердые частицы горючих веществ, создающие над слоем факел. В факеле и происходит процесс сжигания, протекающий при наличии достаточного количества свободного кислорода в области диффузионного горения. Процесс, протекающий в слое, приводит к развитию высоких температур, что интенсифицирует процесс газификации топлива. По высоте слой принято делить на два участка: кислородный и восстановительный; толщина первого обычно мала, и свободный кислород отсутствует после прохода слоя высотой в два-три куска топлива. При большом выходе летучих веществ эта зона сокращается, при малом – увеличивается. В той части слоя, где протекает процесс газификации топлива, свободный кислород отсутствует, отмечается даже его недостаток. Вследствие этого процесс горения выносится частично в объем над слоем, куда подается дополнительный воздух. Доступ окислителя к горючему затрудняется шлакообразованием, которое увеличивает газовое сопротивление слоя. Для слоевых топок это вызывает необходимость ограничивать содержание золы в топливе, особенно легкоплавкой, в камерных топках требует периодической очистки поверхности нагрева от шлака.