Паровые котлы ТЭС

Механизм горения топлив

Экспериментально установлено, что скоро­сти протекания реакций существенно превы­шают их расчетные значения, полученные с применением закона действующих масс и закона Аррениуса с учетом числа активных молекул исходных веществ, вступающих в ре­акцию. В действительности реакции протекают не непосредственно между исходными моле­кулами, а через ряд промежуточных стадий, в которых вместе с молекулами участвуют активные осколки молекул (радикалы и ато­мы Н, ОН, О и др.). В результате каждая из таких промежуточных реакций имеет невысо­кий уровень энергии активации Е, так как радикалы и отдельные атомы обладают свободной валентностью и создают затем ча­стицы также со свободной валентностью. Та­кие реакции протекают с большой скоростью. Началу реакции между веществами предшест­вует период накопления активных центров реакции в виде заряженных частиц за счет разрушения части исходных молекул другими, обладающими энергией выше энергии связи атомов в молекулах. Этот период во времени называют периодом индукции.

Горение газовых топлив. Горение газовых топлив происходит по законам цепных раз­ветвленных реакций (ЦРР), раскрытым акад. Н. Н. Семеновым и К. Хиншельвудом. Преобразование исходных веществ в конеч­ные продукты совершаются через систему про­межуточных звеньев реакции, последователь­но связанных друг с другом и развивающих­ся в объеме горючей смеси наподобие ветвей, отходящих от ствола дерева. в итоге такой реакции наряду с конечными ее продуктами вновь образуется еще большее число актив­ных центров, обеспечивающих дальнейшее развитие реакции в объеме.

Рассмотрим механизм цепной разветвленной реак­ции на примере горения водорода в воздухе. Соглас­но стехиометрическому уравнению

2Н2+02=2Н20

Скорость реакции между молекулами горючего веще­ства

»н, о =Ke-E>RTaHC0i (4.9)

Не может быть достаточно большой. Однако реально при температуре выше 500°С горение водорода пред­ставляет собой взрывную цепную реакцию, идущую с очень большой скоростью. На самом деле, по Н. Н. Се­менову, началу активной реакции предшествует обра­зование активных центров:

Нг—Ма—>-2H-j-M;

Н2-гОа2—>-20Н,

Где Ма, Оа2 — активные молекулы, имеющие высокие уровни энергии в объеме.

Образовавшиеся атомы и радикалы активно всту­пают в реакцию с окружающими их молекулами. Раз­виваются цепи последовательных реакций, итогами ко­торых являются конечные продукты реакции н еще большее число активных центров.

На рис. 4.3 схематично показан первый цикл этой реакции. Как видно, каждый из активных атомов водо­рода Н, послуживший началу цепной реакции, привел к образованию трех новых активных центров, благода­ря чему реакция прогрессивно развивается в объеме газовой смеси. По мере накопления продуктов реакции и уменьшения концентрации исходных веществ усили­вается обрыв цепей в объеме и на стенках реактора:

H-f-H—»-Нг;

ОН + Н—^Н20.

Действительная скорость реакции описывается урав­нением

WH = »yTCHCo/-E'lRT. (4.10)

Определяющими скорость реакции являются кон­центрация атомов водорода (центров реакции) и мо­лекул кислорода, а энергия активации реакции между ними Е' значительно ниже, чем Е в уравнении (4.9). По аналогичным законам цепных реакций происходит горение окиси углерода СО, метана СН4 и других го­рючих газов.

Из вышесказанного следует, что до начала активной реакции проходит небольшое вре­мя — период индукции — в течение которого в объеме накапливается достаточное количе­ство активных центров в виде атомов и ради­калов. В этот период реакция почти незамет­на, а тепловой эффект ее незначителен. Да­лее происходит увеличение скорости реакции за счет развития большого числа параллель­ных цепей реакции на весь объем до тех пор, пока не наступит равновесие в возникновении и исчезновении активных центров [43]. Реак­ция достигнет максимальной своей скорости и будет продолжаться на этом уровне, если по­стоянно будет идти доставка в зону горения свежих порций веществ.

Горение газового топлива в смеси с возду­хом идет с очень большой скоростью (готовая смесь метана с воздухом объемом 10 м3 сго­рает за 0,1 с). Поэтому интенсивность сжи­гания природного газа в топках паровых кот­лов определяется скоростью его смешения с воздухом в горелочном устройстве, т. е. фи­зическими факторами. Трудность обеспечения полного смешения большого расхода газа с воздухом за короткий промежуток времени связан с большим различием объемных рас­ходов газа и воздуха — на сжигание 1 м3 газа требуется 10 м3 воздуха. Для полноты пере­мешивания приходится вводить газ в поток воздуха внутри горелки большим количеством мелких струй малого диаметра и с большой скоростью. Воздушный поток также сильно турбулизируется в специальных завихриваю - щих устройствах.

Горение жидких топлив. При сжигании жидкого топлива (нефть, мазут) температура воспламенения, а тем более горения оказы­вается выше температуры кипения отдельных фракций, входящих в состав жидкого топли­ва. Поэтому вначале происходит испарение топлива с поверхности за счет подводимой теплоты, а затем пары топлива смешиваются с воздухом, подогреваются до температуры воспламенения и горят. Факел устанавливает­ся на некотором удалении от поверхности жидкости (0,5—1 мм и более).

На рис. 4.4 показана схема горения капли жидкого топлива в неподвижной среде возду­ха. Вокруг капли образуется облако паров, которое диффундирует в окружающую среду. Навстречу происходит диффузия кислорода воздуха. В результате на некотором удалении от капли гстех устанавливается стехиометриче - ское соотношение между горючими газами и кислородом. Здесь и находится фронт горе­ния паров топлива, образующий сферу вокруг капли. Величина гСТех=4-^-10гк, где гк — ра­диус капли, и сильно зависит от размера кап­ли и температуры зоны горения. В зоне г<С

Рис. 4.4. Механизм и характеристики горения капли жидкого топлива.

Остех преобладают пары топлива, концен­трация которых снижается по мере удаления ОТ поверхности. В зоне /">Гстех находятся про­дукты сгорания в смеси с диффундирующим к зоне горения кислородом. В зоне реакции устанавливается максимальная температура горения, которая затем снижается в обе сто­роны, но более интенсивно по мере приближе­ния к капле ввиду затраты теплоты на нагрев паров топлива.

Таким образом, скорость горения капли жидкого топлива определяется скоростью ис­парения капли с поверхности, скоростью хими­ческой реакции в зоне горения и скоростью диффузии кислорода к зоне горения. Скорость реакции в газовой среде, как установлено ра­нее, очень велика и не может тормозить об­щую скорость горения. Количество кислорода, диффундирующего через шаровую поверх­ность, пропорционально квадрату ее диаметра и поэтому небольшое удаление зоны горения от поверхности капли (в случае недостатка кислорода) заметно увеличивает массовый подвод кислорода. Следовательно, скорость горения капли в основном определяется ее испарением. В целях повышения скорости горения жидкого топлива необходимо обеспе­чить его тонкое распыливание перед сжига­нием для увеличения суммарной поверхности испарения. Кроме того, с уменьшением раз­мера капли интенсивность ее испарения с еди­ницы поверхности возрастает. Движение мел­ких капель жидкого топлива, взвешенных в потоке воздуха, характеризуется малыми числами Рейнольдса Re<^l. В этом случае поток теплоты через шаровую поверхность определяется только теплопроводностью К че­рез пограничный слой, толщина которого зна­чительно больше диаметра капли. Для этого условия коэффициент теплоотдачи а выра­жается формулой Сокольского

Nu=ad/a,=2, (4.11)

Откуда

A=2A,/d=A,/rs (4.12)

Где Nu — число Нуссельта.

Из формулы (4.12) следует, что теплооб­мен капли с окружающей средой усиливается с уменьшением ее размера. Одновременно уменьшается и ее масса. В итоге оказывается, что время испарения капли пропорционально квадрату ее начального диаметра.

Горение твердого топлива. Угольная пыль, поступающая вместе с воздухом в топочную камеру, вначале проходит стадию термической подготовки (рис. 4.5,/). Она заключается в ис­парении оставшейся влаги и выделении лету­чих веществ. Процесс нагрева частицы топли­ва до температуры интенсивного выхода лету­чих веществ (400—600°С) происходит за де­сятые доли секунды. Затем летучие вещества воспламеняются, отчего температура вокруг коксовой частицы быстро увеличивается, а ее прогрев ускоряется (///'). Интенсивное горе­ние летучих веществ (II) занимает 0,2—0,5 с. При большом выходе летучих (бурые и моло­дые каменные угли, сланцы, торф) выделяю­щейся теплоты их горения достаточно для вос­пламенения коксовой частицы, а при малом выходе летучих возникает необходимость до­полнительного прогрева коксовой частицы от внешнего источника (///")• Завершающим этапом является горение коксовой частицы при ее температуре выше 800—1000°С {IV). Это гетерогенный процесс, скорость которого определяется подводом кислорода к реагирую­щей поверхности. Горение коксовой частицы имеет наибольшую длительность во времени и составляет от '/г до 2/з всего времени, необхо­димого для сгорания частицы. В зависимости от начального размера частицы, вида сжигае­мого топлива полное время сгорания может составлять от 1 до 2,5 с.

Механизм реагирования углерода с кисло­родом представляется следующим. Из газового объема кислород адсорбируется на поверх­ности частицы и вступает в химическое соеди­нение с углеродом, образуя сложные углерод­но-кислородные комплексы СхОу. Последние распадаются с образованием С02 и СО. Ре­зультирующую реакцию при температурах около 1200°С можно записать в следующем виде:

4C-f-302=2C0-f2C0?. (4.13)

Исследованиями (Л. Мейер, Л. Н. Хитрин) установлено, что с повышением температуры горящей частицы отношение первичных про­дуктов С0/С02 быстро возрастает. Так, при температуре около 1700°С результирующее уравнение реакции можно записать:

ЗС+202=2С0+С02. (4.14)

При этом отношение С0/С02=2.

Образовавшиеся первичные продукты реак­ции постоянно уходят с поверхности частицы в окружающую среду, причем окись углерода, встречая диффундирующий навстречу кисло­род, реагирует с ним в пределах пограничной газовой пленки частицы и окисляется до С02, отчего концентрация кислорода на подходе к поверхности частицы быстро снижается, а С02 возрастает (рис. 4.6,а). При высокой температуре горения окись углерода может использовать весь поступающий кислород на свое доокисление, и тогда до поверхности он не доходит (рис. 4.6,6). В этих условиях на поверхности частицы протекает восстанови­тельная реакция, идущая с поглощением теп­лоты, — образование СО за счет части С02.

Таким образом, процесс гетерогенного го­рения частицы углерода с поверхности можно представить протекающим по четырем резуль­тирующим реакциям (по А. С. Предводителе - ву), из которых две являются основными:

C--0z=C02--qi; 2С+02=2С0+2<72 и две вторичными:

2С0+02=2С02+2(7з;

С+СОг=2СО—Qif

Где q — тепловой эффект каждой из реакций, МДж/моль.

При этом тепловой эффект реакции q =<72+<7з, а ^4=0,57^3. Последнее означает, что за счет более высокого тепловыделения в объ­еме поддерживается высокий уровень темпе­ратуры поверхности даже при наличии на ней эндотермической реакции.

Из рассмотрения реакций следует, что го­рение углерода с поверхности также происхо­дит с частичной газификацией (образованием СО и его догоранием в объеме). Это ускоряет выгорание коксовых частиц.