Паровые котлы ТЭС

Кинетическая и диффузионная области горения

Из рассмотрения механизма горения твер­дого и жидкого топлива следует, что общая скорость горения определяется не только ско­ростью собственно химических реакций, но и подводом кислорода к зоне реагирования за счет турбулентной и молекулярной диффузии. Для расчета этого комплексного процесса ис­пользуют следующую модель горения (рис. 4.7).

Горящая частица считается окруженной пограничной пленкой, в пределах которой про­исходит догорание окиси углерода, а перекос вещества осуществляется только за счет мо­лекулярной диффузии. В пределах пленки происходит изменение концентраций веществ и температуры. За ее пределами в основном потоке, окружающем частицу, имеет место интенсивный турбулентный массоперенос. В связи с этим основной поток считается од­нородным, и в нем отсутствуют градиенты температур и концентраций. В результате можно принять, что концентрации кислорода в объеме основного потока С^ и на поверх-

Ности пограничной пленки равны.

Количество кислорода, диффундирующего через пограничную пленку к единице поверх­ности частицы, определяется законом Фика

Где ад=£)/6— коэффициент массообмена, ха­рактеризующий скорость переноса вещества сквозь слой толщиной б, м/с; D — коэффи­циент молекулярной диффузии, м2/с.

Максимальный подвод кислорода к поверх­ности через пограничный слой будет наблю­даться, если С™ = 0. Тогда

(*«) =« С??.

4 S' мачс д

Примем для упрощения решения задачи условие, что весь диффундирующий кислород реагирует на поверхности частицы. Тогда ско­рость химической реакции на единице поверх­ности, определяемая по расходу кислорода, выражается согласно (4.5)

Kl = kC™. (4.16)

Максимальная скорость реагирования будет иметь место, когда =С°Гf:

Ui Уз

(Кр) =kCg.

V я'макс Us

На рис. 4.8 показан характер изменения максимальных значений скорости (К) макс и {Ломаке. Если учесть, что расход кислорода в реакции на поверхности должен быть равен значению подвода кислорода через погранич­ную пленку, т. е. KRs=K >s=Ks, то, решая со­вместно уравнения (4.15) и (4.16), получаем:

(4.17)

К _____________ у W)6

Яд + k — "прЬо,-

По своей структуре выражение (4.17) по­добно обычному кинетическому уравнению, в котором константа скорости реакции k за­менена приведенным коэффициентом кщ,, ко­торый учитывает как реакционные свойства горючего, так и условия достазки окислителя к поверхности реагирования.

Если диффузионный массообмен относи­тельно слабо зависит от температуры (ад.— '-'Г0'5), то скорость химической реакции на

Поверхности a _

Ся температурой. Характер изме­

Нения максимальных скоростей диффузионно­го подвода кислорода к поверхности и скоро­сти его поглощения на ней (рис. 4.8) позво­ляет выделить две основные области горения коксовых частиц. При относительно невысоких температурах (для коксовых частиц менее 1000°С) реакция на поверхности протекает достаточно медленно, и потребление кислоро­да во много раз меньше возможности его до­ставки к поверхности, т. е. k<gaд. В этом слу-

У-ЛОВ

Чае kmp^sJi и C0i

K, = kCnr

И общая скорость реакции ограничена кине­тикой химического реагирования на поверх­ности. Эта температурная область реакций называется кинетической областью горения. Здесь процесс горения не зависит от условий подвода кислорода.

При высоких температурах процесса (вы­ше 1400°С) за счет своего быстрого возраста­ния константа скорости реакции на поверхно­сти значительно превосходит максимальную скорость поступления кислорода к поверхно­сти, которая слабо изменяется с температу­рой. Тогда и общая скорость реакции определяется условием подвода кислорода

(4.19)

В этой зоне, несмотря на рост температу­ры, скорость реакции изменяется медленно. Доставляемый диффузией к поверхности кис­лород мгновенно вступает в реакцию, в ре­зультате чего его концентрация у поверхно­сти становится практически равной нулю. Ре­акция могла бы идти со значительно большей скоростью, но она сдерживается недостаточ­ным подводом кислорода. Эта температурная область реакции называется диффузионной областью горения. В условиях нехватки кис­лорода у поверхности получает развитие ре­акция восстановления СОг до СО на раска­ленной поверхности углерода, а диффунди­рующий кислород полностью перехватывается в пограничной пленке газообразным СО, где и происходит окисление до двуокиси углеро­да СОг.

В этой области скорость горения увеличи­вается с ростом скорости обдувания частиц и уменьшением их размера.

В зоне промежуточных температур (3000— 1400°С) скорость химической реакции на по­верхности становится соизмеримой со скоро­стью доставки кислорода и тогда общая ско­рость реакции определяется обоими процесса­ми. Эта зона называется промежуточной об­ластью горения. Ее расположение по шкале

^омера коксовых ча - размер частицы, тем при высокой температуре начинается пере­ходная область.

Воспламенение любого топлива начинает­ся при относительно низких температурах и в условиях достаточного количества кислоро­да, т. е. в кинетической области. По мере уве­личения температуры быстро растет расход кислорода в зоне реакции и процесс через промежуточную область переходит в диффузи­онную. Завершение горения обычно находится в глубоко диффузионной области, когда оста­точные концентрации окислителя оказываются весьма низкими, что значительно тормозит выгорание оставшегося топлива [72].