Котельные установки

ГОРЕНИЕ ТОПЛИВА

1 При сжигании топлива входящие в его состав горючие элементы ’ соединяются с кислородом воздуха. При этом происходит преобразова­ние химической энергии топлива в тепловую, идущую на нагрев продук- ч тов сгорания топлива.

Принято различать Полное и неполное сгорание топли - В а, процесс протекания которых может идти одновременно, но Конеч­ные результаты будут различны. Полное горение топлива моЖНо харАк­теризовать как быстро протекаюший Физико-химический ПроЦесс взаи­модействия горючего ¥ёШства Г с окислителем, сопровождающийся интенсивным выделением теплота.../

Химическую' реакцию между веществами А % Б, (протекающую с образованием продуктов М и Я, можно описать стехиометрическим уравнен ием слЕдуЮщего вид а:

АА + 6Бя^мМ + нН ±0. (2-1)

Где А, б, м и н'—число молекул, участвующих в простейшем ходе реак­ции; Q—тепловой эффект реакции.

Подобные уравнения химических реакций отдельных горючих со­ставляющих топлива дают лишь итоговый материальный баланс, но не отражают действительного механизма процесса. Скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ, определяемых стехиометрическими уравнениями типа (2-1), и от температуры. О ско­рости реакции можно судить по изменению концентрации реагирующих или получаемых <в результате реакции веществ. Обычно реакции горе­ния относятся к реакциям второго порядка (бимолекулярным). Ско - р©еть этих реакций Определяется в соответствии с законом действую­щих масс следующим образом:

W = kCC, (2-2)

Где K — константа скорости химической реакции; Сь С% — концентра­ция исходных веществ А и Б; а и Б — число молекул, участвующих

В реакции.

Когда прямая и обратная реакции осуществляются с одинаковыми скоростями, наступает химическое равновесие. Отношение концентраций реагирующих веществ в момент равновесия называют Константой равновесия Кс, которая для газообразных веществ может быть выражена через парциальные давления реагирующих газов, и ее приня­то обозначать через /Ср. Величины Кс и /Ср связаны между собой урав­нением

Kc = Kp(RTfn. (2-3)

В уравнении:

R— газовая постоянная, Дж/(моль-град) или икал/(моль*град);

Т — температура реакции, К;

Ап— изменение числа молей.

Зависимость константы скорости реакции от температуры можно характеризовать экспоненциальным уравнением Аррениуса:

Е

K = k, + e RT, (2-4)

В уравнении:

Ko — предэкспоненциальный множитель;

Е — основание натуральных логарифмов;

R — газовая постоянная;

Е — энергия активации, Дж/моль или ккал/моль.

Из уравнения (2-4) следует, что протекание реакций возможно при столкновении реагирующих молекул, которые обладают определенным запасом энергии, достаточным для разрушения или ослабления внутри­молекулярных связей. Величина энергии активации Е и есть этот мини­мальный запас энергии, обеспечивающий эффективность столкновения и химическое взаимодействие молекул; при отсутствии этой энергии хи­мические реакции горения не происходят. Значение энергии активации для смеси газов обычно составляет величину от 83,8 до 168Х ХЮ3 КДж/моль или от 20 до 40-103 ккал/моль.

Величина предэкспоненциального множителя K0 с. изменением тем­пературы меняется не сильно: примерно Ke= Const]/7

Для выяснения влияния температуры на скорость химической реак­ции используем способ, предложенный В. А. Спейше^ом [Л. 8], и объе-

41

Я Тл)

В формуле:

Ха)± — скорость химической реакции при температуре Г1=500 К;

Ш2 — то же при 72=1000 К и £=168-103 КДж/моль.

Из расчета получим, что при увеличении температуры в 2 раза ско­рость реакции изменится в 5-10й раз. Значения констант равновесия зависят от температуры следующим образом:

^ 1п К (3 .(у

ЙТ “~ЯГ2 * Vй

В уравнении:

<2— тепловой эффект реакции, КДж/моль или ккал/моль, при дав­лении /?=сопз1 или постоянном объеме;

& — константа равновесия, которую можно выразить через концен­трации &с или парциальные давления реагирующих веществ £р.

Из последнего уравнения следует, что с ростам температуры вели­чина & в реакциях с выделением теплоты (экзотермических) увеличи­вается, с отнятием теплоты (эндотермических) уменьшается. Отсюда

Видно, что при высоких температурах может происходить диссоциация молекул, например молекул С02; при невысоких температурах диссоциация происходить не будет.

Однако закон действующих масс и урав­нение Аррениуса недостаточны для объясне­ния истинного характера протекания реакций горения водорода, углерода и его окиси.

Наиболее вероятен предложенный акаде­миком Н. Н. Семеновым цепной характер про­текания реакций^ горения с наличием проме­жуточных стадий реакций и соединений с ак­тивными центрами. 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

/-Единичный и, и,Л ВЫСОКОЙ Энергией: Н2+М-^2Я+М, вслед-

1— И ствие чего каждый из возникших атомов во­

Дорода реагирует (рис. 2-1) затем с молеку­лой кислорода:

Н+02+ЗН2-^2Н20+ЗН, (2-7)

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.

42

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. Примерами таких реакций, кроме горения водорода, явля­ется горение углерода, имеющего более сложный характер, с участием атомарного водорода, гидроксильных радикалов и других активных цен­тров.

Г1/еение вкиси углереВа'

Направление под б од а Воздуха и движения гш秧

•Содержание горючих ф-Содержание волы и шлакя

Рис. 2-2. Схема горения твердого топлива.

- подогрев, испарение влаги; II — возгонка летучих; III — горение летучих, образова­ние кокса; IV — горение кокса; V — выгорание кокса; VI — образование шлака.

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 возгонкой 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.

Все перечисленные процессы чаще протекают одновременно, чем и определяется сложность их исследования. Необходимо напомнить, что 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 возгонки 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 Температу-

Таблица 2*1 Температуры воспламенения некоторых видов топлива

Водород Н2 в смеси с возду­хом

Окись углерода СО в смеси с воздухом Метан СН4 Этан С2Н6 Пропан С3Н8 Бутан С4Н10 Бензин Керосин

Дизельное топливо Соляровое масло

Мазут флотский Ф-12

Малосернистый 40 малосернистый 100 многосернистый 200 Древесина Торф

Бурый уголь Каменный уголь Полу антрацит Антрацит Кокс

Рой воспламенения; она зависит от свойств топлива, условий отвода теплоты и некоторых других факторов (табл. 2-1).

Развитие цепной реакции и повышение температуры ограничивают­ся присутствием замедлителей — ингибиторов, к которым нужно отнести инертные примеси в топочном устройстве — поверхности нагрева, него­рящие частицы топлива, холодную обмуровку и другие препятствия, дви­жению молекул. Время сгорания топлива зависит от того, сколь быстро горючая частица встретится с частицей окислителя, который содержит­ся в поступающем воздухе. Иначе говоря, время, необходимое для сго­рания топлива, складывается из времени, в течение которого достигает­ся контакт горючего с окислителем, Тф и времени протекания химиче­ской реакции тх.'

Т=тф+тх. (2-8)

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 (2-4) скорость реакции с ростом Т Сильно увеличивается (кривая /). Область го­рения, ограниченная осью ординат и кривой 1, Называют Кинетической; осью абсцисс и кривой 2 — Диффузионной областью го­рения. Между кривыми 1 и 2 Существует об­ласть 3, в которой скорости химических реак­ций соизмеримы со скоростями диффузии.

Представленная на рис. 2-1 схема цепно­го окисления водорода для случая окисленйя углерода сильно усложняется из-за образования окиси углерода СО, двуокиси углерода С02 (первичные реакции) и появления реакций типа С+СОг=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. Если фронт пламени перемещается в неподвижной среде, то протекающие в нем процессы, по данным В. А. Спейшера [Л. 8] и Н. Л. Стаскевича [Л. 9], могут быть охарактеризованы рис. 2-4.

Для возможности характеризовать горение газовоздушных смесей в ламинарном потоке пользуются понятием нормальной скорости рас­пространения пламени:

(2-9)

Где ын — нормальная скорость распространения пламени, см/с; А — ко­эффициент температуропроводности смеси, см2/с.

Это приближенное выражение для определения ив получено из ана­лиза размерностей в дифференциальном уравнении теплопроводности с источником и показывает, что 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. Некоторое представление о влиянии режима движения смеси на скорость распространения пламени можно получить при рассмотре­нии рис. 2-5. Из-за больших трудностей проведения теоретических и экс­периментальных исследований теория турбулентного горения еще нахо­дится в стадии разработки. Следует помнить, что в турбулентном потоке перемещивание происходит не только за счет хаотического движения молекул, но и за счет перемещений молей и значительных объемов газа

Из одного слоя в другой, что интенсифицирует процессы тепломассооб­мена. Поэтому рядом исследователей предлагается в отличие от модели с фронтом горения иметь модель объемного горения, показанную на рис. 2-6, или ей подобную схему.

Более сложным ф$ляется процесс горения твердого топлива даже в случае предварительного измельчения его до пылевидного состояния. Многочисленные исследования процесса горения частиц твердого топли­ва привели к установлению двух основных закономерностей — Закона горения отдельной натуральной угольной частицы и закона распределения частиц полидисперсной угольной пыли по размерам.

Параллельное выгорание летучих и коксового остатка,-^наблюдае­мое при горении угольной 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 + 02=2С0. (2-10);

Исходя из указанных положений 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-химически - ми 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.

Схематизируя явление, можно исключить из него некоторые стадии и рассматривать горение угольной пыли после ее прогрева как Квази - ст ацио-н арный [процесс. Это позволяет записать ряд дифференци­альных уравнений горения, решение которых можно выполнить с по­мощью электронно-вычислительных машин.

Из-за сложности этих уравнений и возможности решения технических задач с помощью более простых способов, эти уравнения в данном кур - 46

Се не приводятся, ознакомиться с ними можно в специальной литера­туре, например [Л. 10, 11].

Также представляет собой зону газификации с интенсивно идущим процессом слой топлива на колосниковой решетке с подачей под «его воздуха. 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

Таблица 2-2

И восстановительный; толщина первого обычно мала, и свободный ки­слород отсутствует после прохода слоя высотой в два-трн 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 очисткй поверх­ности нагрева от шлака.

В соответствии с изложенным процесс горения натурального топ­лива можно с некоторой условностью разделить на следующие стадии (табл. 2-2).

Такая разбивка на стадии условна потому, что эти стадии процес­са протекают не только последовательно, но и параллельно, накладыва - ясь друг на друга, как это имеет место, например, при испарении влаги и возгонке летучих, возгонке и горении летучих, образовании и горении кокса и т. д. Продолжительность протекания отдельных стадий горения зависит от свойств топлива, конструктивных особенностей топочного устройства и ряда других факторов, из которых главными являются » процессы тепло - и массообмена.

Все это свидетельствует о большой сложности топочных, процессов

• И необходимости рассмотрения любой из конструкций топки с позиций обеспечения наиболее полного сгорания топлива, наименьшего загрязне­ния поверхностей нагрева в топке, удобства, простоты и надежности работы устройства, быстрого регулирования производительности в до­статочно широких пределах без снижения экономичности, обеспечения

Передачи наибольшего количества теплоты радиацией и возможности наиболее полной механизации и автоматизации всех процессов, связан­ных с работой данного топочного устройства. !