Элементы теории горения и организация сжигания топлива

Горение — сложный физико-химический процесс взаимодействия топлива с окислителем, сопровождающийся интенсивным выделением теплоты и быстрым подъемом температуры.

Если топливо и окислитель находятся в одинаковом фазовом состоянии, то горение называется гомогенным. Если топливо и окислитель находятся в разных фазовых состояниях, то горение называется гетерогенным. Горение газового топлива является процессом гомогенным, а горение, например, кокса в потоке воздуха — гетерогенным.

Для обратимой реакции протекающей при постоянной температуре:

;

Константа скорости определяется:

теплообменный рекуперативный топливо сжигание.

.

где k₀ — постоянная определяемая экспериментально; R — газовая постоянная кДж/(моль•К); Т — термодинамическая температура, К; Е_а — энергия активации.

Гомогенное горение Экспериментальное изучение многих газовых реакций показывает, что механизм этих реакций отличается от механизма, соответствующего закону действующих масс. Многие газовые реакции протекают через промежуточные стадии с более низким порядком реакций и меньшей энергией активации, минуя высокий энергетический барьер. При протекании таких реакций активными промежуточными продуктами или активными центрами чаще всего являются свободные атомы или радикалы. Реакции с подобным механизмом называются цепными. Теория цепных реакций разработана Н. Н. Семеновым. Согласно этой теории, горение представляет собой цепную реакцию с разветвляющимися цепями, когда один активный центр, вступая в реакцию, вызывает образование двух или более новых активных центров. В таких реакциях концентрация активных центров значительно выше равновесной и возрастает в ходе реакции. В связи с этим растет резко и скорость реакции.

Примером такой реакции является реакция горения водорода. Цепная реакция горения водорода протекает через промежуточное образование атомов водорода, кислорода и радикалов по следующему механизму:

Н₂ + М = 2Н + М (а) где М — инертная молекула.

Далее:

Н + О2 = ОН + О;Еа1(б) О + Н₂ = ОН + Н;Е_а2(в) ОН + Н₂ = Н₂О + Н. Е_а3(г) Суммарная реакция может быть записана в виде уравнения:

Н + 3Н₂ + О₂ = Н₂О + Н (д).

E_a1>E_a2, Ea3.

Рис 2.1 Изменение скорости цепной разветвленной реакции

Реакция (б) имеет наивысшую энергию активации и протекает медленнее, чем реакции (в) и (г), и определяет суммарную скорость процесса. Атомы водорода в этой реакции являются основными активными центрами.

Характерной особенностью реакции горения является их высокая экзотермичность. Поэтому на увеличение скорости горения будет оказывать влияние и температура.

Горение окиси углерода и углеводородов протекает также по механизму цепных реакций с разветвленными цепями. Экспериментально установлено, что скорость горения углеводородов меньше, чем Н₂ и СО.

Процесс горения газового топлива состоит из нескольких стадий: образования горючей смеси, подогрева смеси до температуры воспламенения и горения летучих.

Минимальная температура, при которой газ воспламеняется, называется температурой воспламенения. Эта температура не является физико-химической характеристикой, а зависит для каждого топлива от условий подвода и отвода теплоты и некоторых других факторов. Температура воспламенения водорода лежит в пределах 580…590°С, оксида углерода 644…658°С, метана 650… 750 °C, этилена 542… 547 °C, ацетилена 406…440°С. Знание температуры воспламенения имеет большое практическое значение с точки зрения организации безопасного процесса горения, так как пределы воспламенения и пределы взрываемости газов совпадают.

Важнейшим условием интенсивного и полного горения является хороший контакт окислителя с горючим и хорошее смесеобразование газа с воздухом.

Сжигание газа с недостаточным количеством воздуха применяется с целью получения нейтральной защитной атмосферы в муфельных и электрических нагревательных печах. Нагрев стальных изделий в защитной атмосфере предохраняет их от окисления и обезуглероживания. При сжигании газа с количеством воздуха, составляющим 0,7…0,8 от теоретического, в продуктах горения содержатся СО и Н₂, а при снижении количества воздуха обнаруживаются метан и тяжелые углеводороды. Сжигание при малом количестве воздуха сопровождается крекингом углеводородов с выделением сажи.

При горении жидкого топлива физическими стадиями процесса являются распыление топлива. Прогрев его, испарение и образование горючей смеси. В связи с этим при сжигании жидкого топлива возможны два случая:

• · сжигание легко испаряющихся топлив, когда топливо заранее испаряется, смешивается с воздухом и горючая гомогенная смесь подается в камеру сгорания. В этом случае механизм и закономерности горения жидкого топлива ничем не отличаются от горения газообразного;
• · сжигание топлива в жидком состоянии. Такое сжигание применяют в случае трудноиспаряющихся топлив (мазут, смолы, соляровое масло) в топках паровых котлов, в промышленных печах, в дизелях. В настоящее время не существует достаточно строгой теории горения топлива в жидком состоянии. Установлено, что горение жидкого топлива возможно только в паровой фазе, так как температура кипения жидких топлив всегда ниже температуры самовоспламенения.

Парообразные углеводороды окисляются с образованием СО₂ и Н₂:

2С_mН_n + mО₂ = 2mСО₂ + nН₂,.

Интенсификация сжигания жидкого топлива связана главным образом с интенсификацией распыливания и испарения. Для тонкого однородного распыления и смесеобразования служат форсунки различного типа (механические, паровые, воздушные и др.). Назначение процесса распыливания или пульверизации состоит в увеличении поверхности контакта жидкости с воздухом. За счет излучения в топочном пространстве испарение и термическое разложение интенсифицируются.

В случае наличия в зоне горения сажистого углерода факел получается красным светящимся. Сжигание с предварительным смешением паров топлива воздуха изменяет характер пламени, делает его синеватым, прозрачным.

Гетерогенное горение Горение твердого топлива представляет собой сложный физико-химический процесс, состоящий из ряда последовательных и параллельных стадий: тепловая подготовка, включающая подсушку, выделение летучих и образование кокса; горение летучих и кокса с образованием дымовых газов и негорючей золы.

Зола топлива является нежелательной примесью. Она снижает теплоту сгорания топлива, уменьшает горючую часть и при значительных количествах ее в топливе затрудняет доступ окислителя к коксу. Горение может быть осложнено шлакованием частиц горючего, если температура в зоне горения превышает температуру плавления золы.

В общем виде горение углерода может быть описано следующей схемой:

С + О₂ = СО₂;(а).

2С + О₂ = 2СО;(б) С + СО₂ = 2СО;(в).

2СО + О₂ = 2СО₂;(г).