КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

Основы кинетики химических реакций

Процесс горения характеризуется быстрым протеканием реакций окис­ления горючих элементов топлива кислородом воздуха, при котором имеет место значительное тепловыделение и создается высокий уровень темпе­ратуры. Реакции с выделением теплоты называют экзотермическими. Пре­имущественное тепловыделение при горении топлив определяется содер­жанием в топливе углерода. Горение углерода в основном характеризуется протеканием трех химических реакций:

— полное окисление углерода кислородом с образованием диоксида углерода

TOC o "1-3" h z С + 02 = С02 + 409,1 МДж/моль, (4.1)

— частичное окисление с выходом монооксида углерода

2С + 02 = 2СО + 2 • 123,3 МДж/моль, (4.2)

— доокисление монооксида до диоксида в объеме около поверхности горения

2СО + 02 - 2С02 + 2 • 285, 8 МДж/моль. (4.3)

Реакции по уравнениям (4.1) и (4.2) являются гетерогенными, так как в ре­акции участвуют горючее и окислитель, находящиеся в разном фазовом со­стоянии (твердое горючее и газообразный окислитель — кислород). Реакция по уравнению (4.3) относится к гомогенной, так как здесь оба вещества, вступающие в реакцию, являются газообразными (возможны гомогенные реакции веществ в жидком состоянии).

109

(4.4)

(4.5)

4.1. ОСНОВЫ КИНЕТИКИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

В условиях высоких температур в ядре факела могут протекать реакции с поглощением тепла. Они являются эндотермическими. К ним, например, оТносятся реакция образования оксидов азота:

N2 4- 02 = 2NO - 180 кДж/моль

Или восстановление диоксида углерода на раскаленной поверхности угле­рода при недостатке кислорода:

С + С02 = 2СО - 162,5 кДж/моль.

Реакция является химически обратимой, если она может идти как в пря­мом, так и в обратном направлении, однако внешне условия для протекания реакции в том или другом направлении могут существенно отличаться. Так, реакция образования окислов азота имеет место только в зоне весьма высо­ких температур, а обратная реакция их разложения на газообразные кисло­род и азот протекает в земной атмосфере под действием солнечной радиа­ции. При горении топлива в топочных камерах скорость прямого процесса окисления горючих кислородом несоизмеримо больше скорости обратного, поэтому химическое равновесие этих реакций смещено в сторону образо­вания конечных продуктов, и в указанных условиях эти реакции можно считать необратимыми.

(4.6)

Однако всегда по мере роста концентрации продуктов реакции и тем­пературы в зоне горения находится в равновесии с конечными продуктами какое-то количество исходных веществ. Этот процесс связан с термической диссоциацией части образовавшихся продуктов сгорания. В топочных ка­мерах при температуре горения выше 1 600°С подвергаются термической диссоциации в заметном количестве диоксид углерода СО2 и водяные па­ры Н20:

2С02 ^ 2СО 4- 02 2Н20^2Н24-02.

Таким образом, в зоне высоких температур горения всегда останется небольшое количество СО, Н2 и О2, догорание которых возможно при более низких температурах.

Интенсивность горения характеризуется скоростью реакции. Под ско­ростью гомогенной реакции понимают массовое количество вещества, реа­гирующее в единице объема и в единицу времени. Скорость реакции в этом случае измеряют по изменению концентрации одного из реагирующих ве­ществ. Например, в реакции (4.3) средняя скорость реакции гїїр, моль/(м3-с), промежуток времени Дт, с, имеет выражение

Основы кинетики химических реакций

(4.7)

Где АС со — изменение концентрации СО в объеме, моль/м3. Скорость ге­терогенной реакции (4.1) и (4.2) Ks, г/(м2-с), выражается количеством уг­лерода Ад, г, прореагировавшим с кислородом на единице поверхности контакта с окислителем S, м2, в единицу времени Ат, с:

- - цгЬ-у (4-8>

Скорости реакций подчиняются закону действующих масс, согласно кото­рому в однородной среде при постоянной температуре в каждый момент времени скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ с учетом числа молей. Так, для уравнения (4.3) ско­рость реакции составит

— р^со

Здесь Кр — константа скорости реакции, зависящая от температуры и хи­мической природы реагирующих веществ.

В условиях гетерогенного горения концентрация горючего (твердого топлива) неизменна, поэтому скорость такой реакции на основе закона дей­ствующих масс будет зависеть только от концентрации окислителя (кисло­рода) у поверхности топлива:

Ks =КрСп0°*. (4.10)

Здесь Cq0,8 — концентрация кислорода у поверхности топлива. При неизмен­ной концентрации реагирующих веществ во времени (постоянный подвод топлива и окислителя в зону горения) скорость реакции зависит от кон­станты скорости реакции Кр, 1/с, значение которой выражается законом Аррениуса:

Кр = /<0е-Е/ят, (4.11)

Wp = KpC2coC о2. (4.9)

Где Ко — предэкспоненциальный множитель, 1/с; Е — энергия активации, кДж/моль; R — универсальная газовая постоянная, кДж/моль-К); Т — аб­солютная температура процесса, °К. Величины Кр и Е называются кине­тическими константами реакции, они определяют реакционные свойства топлива. Химическая реакция может происходить при столкновении моле­кул, вступающих в реакцию веществ. Если бы все столкновения приводили к реакциям, то горение происходило бы с огромной скоростью и константа скорости равнялась бы Ко - В действительности, реакция может произойти только в том случае, когда за счет энергии соударения произойдет разруше­ние старых молекулярных связей и образовавшиеся осколки молекул (за­ряженные радикалы) могут перегруппироваться и создать молекулы новых веществ.

К»

Энергия, достаточная для разрушения внутримолекулярных связей ис­ходных веществ, называется энергией активации Е. Так, при горении кокса по реакции (4.1) энергия активации зависит от вида кокса: для кокса бурого угля Е =92-105, для кокса каменных углей — 117-134, для антрацита - 147 МДж/моль. В результате число молекул Ne, обладающих необходи­мым уровнем энергии Е, определяется статистическим законом Максвел­ла - Бол ьцмана:

NE = N0e~E/RT, (4.12)

Основы кинетики химических реакций

Где No — полное число молекул в единице объема. Энергия активации за­висит не только от величины внутриатомных связей в молекулах, но и от того, в каком состоянии находятся вступающие в реакцию вещества. При высоких температурах в зоне реакции за счет диссоциации молекул с более слабыми внутренними связями накапливается определенное количество за­ряженных частиц (радикалов) типа ОН", Н+, О2", которые легко вступают в промежуточные реакции с исходными молекулами (такие реакции имеют низкие значения Е) и способствуют ускорению реакций горения.

Основы кинетики химических реакций

Рис. 4.1. Кинетические характеристики процесса горения: а — зависимость констан­ты реакции горения Кр и диффузионного массообмена Ка от температуры; б — изменение скорости реакции гир от энергии активации Е в — изменение скорости Реакции при повышении концентрации горючего вещества (7гор в смеси с воздухом; НП, ВП — нижний и верхний предел концентрации.

На рис. 4.1 показана зависимость константы скорости Кр и скорости Реакции шр от определяющих факторов. Рост скорости химической реак­ции с температурой на известном уровне тормозится аэродинамическим фактором — возможностью доставки в зону горения окислителя (кислоро­да), определяемого скоростью диффузионного массообмена Кл, который слабо зависит от температуры (рис. 4.1, л). Повышение энергии активации
вступающих в реакцию веществ требует больше энергетических затрат на каждый акт реакции, что ведет к торможению скорости (рис. 4.1,6).

В топочных устройствах происходит постоянная подача топлива и окислителя в зону горения, и, следовательно, в ядре горения сохраняется практически постоянная концентрация реагирующих веществ во времени. В этих условиях максимальная скорость реакции может быть достигнута при соотношении концентраций исходных веществ, близком к стехиомет - рическому С°0р, когда в результате реакции не остается избытка любого из них (рис. 4.1, в). При избытке горючего (богатая смесь) или при малой его концентрации (бедная смесь) скорость реакции снижается ввиду уменьше­ния тепловыделения на единицу объема. Как видно, существует нижний предел концентраций горючего (НП), ниже которого горение становится невозможным, и верхний предел (ВП), когда дальнейшее увеличение кон­центрации горючего в смеси также прекращает горение. Во всем диапазоне

Концентраций между этими пределами горение возможно. При сгорании го­рючей смеси в замкнутом объеме и от­сутствии отвода теплоты во вне теп­ловыделение в процессе реакции пе­редается продуктам сгорания и приво­дит к максимальному повыщению их температуры. При этом условии име­ет место теоретическая (адиабатная) температура горения Ттеор = Та. Наи­высшее ее значение достигается при подводе окислителя в строгом соответ­ствии с химической формулой (при сте- хиометрическом соотношении горюче­го и окислителя). Эту температуру ча­сто называют жаропроизводительно - стыо топлива.

В топочных устройствах всегда имеет место отвод теплоты из зоны ре­акции к поверхностям нагрева. С по­вышением температуры в зоне основ­ного горения увеличивается и отвод теплоты, далее по мере выгорания топ­лива тепловыделение снижается, а вме­сте с ним происходит спад температуры продуктов сгорания, так как теп - лоотвод сохраняется достаточно высоким (рис. 4.2).

Основы кинетики химических реакций

H-

Рис. 4.2. Изменение температуры га­зов по высоте топки h: hrop — высо­та расположения горелок; /гг — высота топки.

Температура смеси, начиная с которой система способна к самоуско­рению реакции до устойчивого горения, называется температурой воспла-
мнения. Эта величина не является постоянной для реагирующих веществ и зависит от условий отвода тепла из зоны реакции. Тепловыделение в хо­де реакции горения топлива (при постоянной концентрации реагирующих веществ) определяется скоростью реакции в данных условиях и теплотой

Горения топлива: __

Qp = Ks-Q№r, (4.13)

Где Ks — скорость реакции по сгорающему топливу, кг/(м2-с), соглас­но (4.8); Qn — теплота горения топлива, кДж/кг.

Из рис. 4.1, а видно, что скорость реакции Ks увеличивается с ро­стом температуры, а по (4.10) зависит еще от концентрации кислорода на поверхности горения. Последняя, в свою очередь, зависит от значения кон­стант диффузионного массообмена и химической реакции на поверхности топлива. При этом в области низких температур скорость реакции ограни­чивается значением константы Кр, а при высоких — тормозится условиями массообмена у поверхности топлива, т. е. значением константы Кд. В итоге зависимость Ks = /(Г) имеет перегиб (см. рис. 4.1, а).

Теплоотвод из зоны реакции в окружающую среду (к теплово сприни - мающим поверхностям) выражается формулой

Qo = aFCT(Tp — Тст), (4.14)

Где а — коэффициент теплоотдачи, кВт/(м2-К); FCT — настенная тепло - воспринимающая поверхность, м2; Тр, Тсх — температуры в зоне реакции и у поверхности стен, °К. Из (4.14) следует, что при постоянстве условий отвода тепла из зоны реакции (а = const) теплоотвод изменяется линейно в зависимости от разности температур (Тр - Тст). На рис. 4.3 показан харак­тер изменения значений Qp и Qo от температуры. Точка 1 касания кривой Qp и линии теплоотвода Qo соответствует температуре воспламенения Тв, так как при любом отклонении от нее значение Qp > Qo и происходит само­разогрев горючей смеси и рост тепловыделения за счет реакций окисле­ния. Точка пересечения 3 кривой Qp и линии Qo характеризует наивысшее устойчивое тепловыделение, когда Qp — Qo, а соответствующая темпера­тура — температура горения Тгз. Как видно на рис. 4.3, чем интенсивнее теплоотвод из зоны горения (круче наклон линии отвода 2-4, выше Тст2, так как oi2 > осі), тем выше температура воспламенения топлива Тв2, и ниже температура горения Тг4.

КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

Требования к котельной (топочной) на твердом топливе: основные нюансы от специалистов компании Статус 24

Проектирование и сборка составляющих для системы обогрева должна быть четко согласовано со строительными стандартами к отопительным помещениям.

ТТ котлы, электричество и тепловой насос, как альтернатива газу.

Тарифы на центральное отопление постоянно растут, оплата этой коммунальной услуги отнимает большую часть платежей семьи. Отличным выходом может стать выбор альтернативного источника тепловой энергии, который должен стать энергосберегающим, недорогим и …

Подбор мощности твердотопливного котла.

Наиболее важным параметром, от которого зависит удобство и комфорт использования котла, является его мощность. Неправильно подобранная мощность грозит Вам целым рядом проблем и неудобств. Самой распространенной ошибкой является недостаточная мощность

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.