Топливо и котельные установки

Понятие о процессе горения топлива и химические реакции горения

Горением топлива называется процесс ин тенсивного химического соединения горючих составных частей топлива с кислородом, со­провождающийся выделением тепловой эн ер гии. В результате химических реакций сгорания топлива обра­зуются продукты сгорания. Часть выделяющейся тепло­вой энергии поступает на нагрев этих продуктов сгорания, а часть передается лучистым теплообменом поверхностям, расположен­ным в топочном пространстве.

Для горения топлива необходимо, во-первых, подвести к нему в достаточном количестве кислород и, во-вторых, поддерживать температуру топлива не ниже определенной величины. Если не будет соблюдено какое-либо из этих условий, топливо гореть не будет. Можно, например, к топливу подвести необходимое коли­чество кислорода или воздуха, но если температура топлива бу­дет недостаточно высокой, топливо не воспламенится и не станет гореть. Можно, напротив, подогревать топливо до какой угодно высокой температуры, но если к нему не подводить кислород, химических реакций горения все же не будет.

Различают следующие этапы процесса горения твердого топ­лива: тепловую подготовку (прогрев, сушку и выделе­ние летучих веществ) топлива; горение кокса и ле­тучих веществ; выжиг остатков кокса из шла­ков и золы.

Подогрев и подсушка топлива, необходимые для его подготовки к сгоранию, достигаются в результате воздей­ствия тепла, отдаваемого топливу обмуровкой топки или горя­щим слоем топлива. Подсушка топлива сопровождается выделе­нием водяных паров и является весьма важной стадией при сжи­гании влажных топлив.

По мере повышения температуры топлива происходит в ы - деление летучих веществ, состоящих преимущественно

Из углеводородов. Твердый остаток, образующийся после выделе* ния из топлива летучих веществ, представляет собой кокс, в со­став которого входят углерод, зола и сера (колчеданная).

Температура, до которой должно быть нагрето топливо для того, чтобы оно загорелось (при условии подвода к нему доста­точного количества воздуха), называется температурой воспламенения. Она зависит от свойств топлива, его теп­лопроводности и теплоемкости, от выхода летучих веществ, от избытка воздуха и разных других условий. Примерные значения температуры воспламенения некоторых видов топлива приведены в табл. 6.

Таблица 6

Из табл. 6 видно-, что чем больше содержание в топливе. чету - чих веществ, тем ниже его температура воспламенения. Так, для воспламенения антрацита нужна более высокая температура, чем, например, для воспламенения торфа; антрацит считают трудно воспламеняющимся топливом.

Если топливо нагрето до температуры воспламенения и к нему подведено достаточное количество воздуха, то вместе с выделе­нием летучих веществ начнется горение как летучих веществ, так и кокса. При горении летучих веществ происходят сложные хими­ческие процессы, сопровождающиеся разложением тяжелых угле­водородов на более простые соединения. При горении кокса на поверхности его частиц образуется слой инертных продуктов сго­рания, замедляющий горение; оно может быть усилено в резуль­тате увеличения скорости подвода воздуха к коксу. При этом воздух очищает поверхность частиц кокса от инертных продук­тов сгорания и входит в соприкосновение с поверхностью частиц кокса, обеспечивая более полное и быстрое его сгорание. Пра­вильная организация подачи воздуха к топливу имеет весьма важное значение для характера протекания горения топлива.

По мере сгорания топлива происходит накопление золы, кото­рая при некоторых температурных условиях, определяемых фи­зико-химическими свойствами золы, может расплавляться, обра­зуя шлак. Последний, будучи в жидком состоянии, обволакивает частицы топлива, ^атрудняя их сгорание.

Итак, в результате сгорания топлива происходит преобразо­вание его химической энергии в тепловую энергию, причем обра­зуются газообразные продукты горения и остаются зола, шлак, а также частицы несгоревшего топлива.

Процесс горения топлива протекает по описанной схеме при любых применяемых в настоящее время способах сжигания твердого топлива.

Если горение твердого топлива происходит в слое на решетке, то процесс горения называется слоевым. Горение может про­исходить в топочной камере, и тогда оно называется камерным или факельным процессом горения. Очевидно, что сжигание жидкого и газообразного топлива может осуществляться только факельным процессом. Горение жидкого топлива проходит через следующие этапы: смешение топлива с воздухом, прогрев топлива, в течение которого происходит его и с п а р е н и е, затем пирогенное разложение и сгорание топлива.

Горение'газообразного топлива в простейшем представлении состоит из начального смешения топлива с воздухом, прогрева смеси, горения ее и отвода топочных газов.

Горючими элементами рабочей массы твердого и жидкого топлива являются: углерод — Ср, водород — Нр и сера ~БР

Остальные элементы топлива — кислород, азот, зола и вла­га — не способны гореть (кислород поддерживает горение).

Термохимические реакции горения горючих компонентов топ­лива протекают следующим образом:

А) Полное сгорание углерода:

С Г02=С02. (8)

В соответствии со значением молекулярных весов, в этой реак­ции 12 кг углерода (С), соединяясь с 32 кг кислорода (02), образуют 44 кг углекислого газа (С02); следовательно, 1 кг углерода для полного сгорания должен вступить в химическую 32 44

Реакцию с — = 2,67 кг кислорода, при этом он образует — - кг

Углекислого газа, выделяя 8050 ккал тепла.

Б) Горение водорода:

2Н2 + 02 = 2Н20 (9)

В этой реакции 4 кг водорода (Н2), вступая в химическое взаимодействие с 32 кг кислорода (02), образуют 36 кг ^юды или водяных паров (Н20); следовательно, 1 кг водородгГ при сгорании соединяется с Ь кг кислорода и образует 9 кг воды или

Водяных паров, выделяя при образовании водяных паров

28 560 ккал тепла, а при их конденсации 33 920 ккал.

В) Горение серы:

8 + 0, = вО,. (Ю)

В этой реакции 32 кг серы (S) соединяются с 32 кг кислорода (Ог) и образуют 64 кг сернистого ангидрида (S02). Отсюда еле-

32

Дует, что для сгорания 1 кг серы требуется подвести — =1

32

'.лорода. В результате сгорания 1 кг серы образуется ~ 2 кг

Сернистого ангидрида и выделяется 2160 ккал тепла.

Таким образом, продуктами полного сгорания топлива являются:

С02, Н20 и S02,

В случае, если к топливу будет подведено недостаточное ко­личество кислорода, произойдет неполное сгорание части угле­рода топлива согласно химической формуле:

2С +02 = 2С0. (11)

Из этой формулы следует, что 24 кг углерода (С),соединяясь с 32 кг кислорода (02), образуют 56 кг окиси углерода (СО). Поэтому при сгорании 1 кг углерода с недостаточным количе­ством 24 кг кислоР°Да образуется 2,33 кг окиси

Углерода. В этой реакции выделяется только 2370 ккал/кг тепла вместо 8050 ккал/кг при подводе достаточного количества кисло­рода согласно формуле (8).

Таким образом, при неполном сгорании топлива наряду с про­дуктами полного сгорания (С02, Н20, S02) образуется также окись углерода (СО). Наличие в продуктах сгорания (дымовых газах) окиси углерода указывает на неполноту, несовершенство сгорания топлива вследствие недостаточно удовлетворительной работы топочного устройства или плохой организации режима процесса горения.