Горение газообразного топлива

При горении газового топлива наиболее вероятен предложенный академиком Н. Н. Семеновым цепной характер протекания реакций горения с наличием промежуточных стадий реакций и соединений с активными центрами. В ходе химических реакций между топливом и окислителем образуются промежуточные вещества, которые находятся в неустойчивом состоянии в виде атомов, радикалов, оксидов с относительно большой степенью ионизации. Промежуточные вещества реагируют между собой и с молекулами топлива и окислителя. При этом создаются последовательные и параллельно разветвляющиеся цепи промежуточных реакций с образованием активных центров. Активными центрами называются соединения со свободными валентностями. Так, например, соединение водорода и кислорода начинается с распада молекул Н₂ на атомы при их столкновении с поверхностью нагретого источника зажигания или другой молекулой М, обладающей высокой энергией: Н₂+М® 2Н+М, вследствие чего каждый из возникших атомов водорода реагирует затем с молекулой кислорода (рис. 2.1):

Н+О₂+3Н₂®2Н₂О+3Н,

образуя начало процесса цепной реакции горения водорода. Подобные процессы очень чувствительны к присутствию ускорителей – катализаторов, образующих промежуточные соединения типа ОН.

Если молекула, обладающая энергией активации, окисляясь, порождает одну новую активную молекулу, которая продолжает цепь, то процесс называют неразветвленной цепной реакцией. Если же активная молекула вызывает при реакции образование нескольких новых активных молекул, из которых одна продолжает начатую цепь, а другие начинают новые цепи, то такую реакцию называют разветвленной цепной реакцией.

Схема подобной реакции показана на рис. 2.1 для водорода, как наиболее изученная спектроскопическим методом. Скорость течения цепных реакций превосходит скорость течения обычных химических реакций в сотни тысяч раз. Однако результирующая скорость реакции горения определяется скоростью самой медленной реакции, образующей данную цепь. Примером таких реакций, кроме горения водорода, является горение углерода, имеющее более сложный характер, с участием атомарного водорода, гидроксильных радикалов и других активных центров.

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 СО₂ (первичные реакции) и появления реакций типа С + СО₂ = 2СО (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:

2С + О₂=2СО.

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.

Горение жидкого топлива

Жидкое топливо в топочных устройствах, как правило, сжигается в распыленном состоянии, в виде капель в потоке воздуха. Горение жидких топлив всегда происходит в паровой фазе, поэтому процессу горения капли всегда предшествует процесс испарения.
В общем случае в высокотемпературной среде капля жидкого топлива окружена некоторой зоной, насыщенной его парами, на внешней поверхности которой вокруг капли устанавливается сферическая зона горения. Скорость химической реакции смеси паров жидкого топлива с окислителем достаточно велика, так что толщина зоны горения по отношению к диаметру зоны горения незначительна. Толщина паровой зоны вокруг капли топлива зависит от температуры в зоне горения и от параметров испарения топлива: чем выше температура горения и чем ниже температура кипения топлива и теплота его испарения, тем выше толщина паровой зоны.

В стационарном процессе скорость горения жидкого топлива в случае, если все оно выгорает в зоне вокруг капли, зависит от скорости его испарения. В пространстве между зоной горения и каплей находятся пары топлива и некоторая часть продиффундировавших туда продуктов сгорания, а вне зоны горения – окислитель и продукты сгорания (рис. 2.4). В зону горения из объема капли диффундируют пары топлива, а с внешней стороны – окислитель (кислород воздуха). В результате реакции с выделением теплоты образуются продукты сгорания, которые в основном отводятся в окружающее каплю пространство. Теплота, необходимая для испарения топлива, передается поверхности капли из зоны горения в основном излучением и в результате частичной диффузии внутрь паровой оболочки продуктов сгорания. При таких предпосылках время горения капли жидкого топлива в диффузионном режиме может быть рассчитано на основании теплового баланса ее испарения.

Для обеспечения необходимой интенсивности испарения жидких топлив и их перемешивания с окислителем при вводе в зону горения они распыляются в потоке воздуха с образованием полидисперсного потока мелких капель размерами от 0 до 0,15 – 0,2 мм. Этим достигается большая удельная поверхность испарения, а затем и горения. Мелкие капли топлива быстро испаряются и создают газовоздушную смесь, которая, воспламеняясь, образует горящий факел. Область распространения факела можно условно разделить на следующие зоны: распыления топлива, его испарения и образования газовоздушной смеси, воспламенения и горения этой смеси. Как по сечению топливно-воздушной струи, так и по ее длине в процессе горения непрерывно изменяются температура и концентрация топлива и окислителя. При этом возможно образование локальных зон, в которых концентрация топлива будет выше теоретически необходимой. Не допустить образования таких зон – значит обеспечить высокую полноту выгорания жидкого топлива.

Для производства тепловой энергии из нефтяных топлив применяют лишь мазут и печное бытовое топливо. При сжигании мазута для испарения его наиболее тяжелых фракций с температурой кипения 700 К и выше требуется прогрев капель до таких температур, при которых происходит деструкция топлива с образованием как газообразной, так и твердой фазы. Таким образом, при нагреве капель мазута до высокой температуры образуется твердая углеродная фаза – сажа и кокс, которые выгорают так же, как частицы твердого топлива, но имеют значительно меньшую активность по отношению к кислороду воздуха. Раскаленные частицы сажи и кокса в пламени обеспечивают светимость факела. Газообразные и твердые продукты разложения мазута, выделяющиеся в зоне, в которой концентрация кислорода уже невелика, образуют зону догорания топлива, существенно увеличивающую общую длину факела.

Таким образом, процесс горения натурального топлива можно с некоторой условностью разделить на следующие стадии (табл. 2.1).

Таблица 2.1