Тема13. Физико-химические основы горения органического топлива.
1. Расчёт горения органического топлива: твёрдого и жидкого; газообразного.
Горением называется быстрый процесс окисления горючего вещества, сопровождающийся выделением значительного количества тепловой энергии. Основой процесса горения является химическая реакция между окисляемым горючим веществом и окислителем.
Для того чтобы процесс горения произошёл, необходимы наличие горючего и окислителя, контакт между ними на молекулярном уровне, тепловые условия, достаточные для протекания химической реакции с высокими скоростями.
Особенности процесса горения: высокая температура; быстротечность во времени; неизотермичность и переменность с концентрацией компонентов по мере из взаимодействия; изменения структуры и формы поверхности реагирования во времени.
Горение топлива может быть полным и неполным. При полном горении горючие элементы топлива претерпевают предельную степень окисления: углерод до СО2, а водород до Н2О. При неполном углерод окисляется доСО, а часть водорода может находиться в продуктах горения в неокисленном состоянии. Полнота горения топлива зависит от интенсивности его смешения с воздухом, от подачи достаточного количества воздуха и от температуры в топке.
Для твёрдого и жидкого топлива расчёты горения ведут по соотношению масс веществ, участвующих в реакциях, с учётом закона сохранения массы вещества
С + О2=СО2 или 12+32=44
где 12, 32 и 44 – молекулярные массы, кг.
Следовательно, для сжигания 1кг углерода требуется 32/12=2,67 кг О2, при этом получается 44/12=3,67 кг СО2.
Н2+ 0,5О2 = Н2О или 2+16=18
Расход О2 на 1 кг Н2 составляет 16/2=8 кг, а количество образующихся водяных паров Н2О=18/2=9 кг.
S+ О2 = SО2 или 32+32=64
Азот не горит и горения не поддерживает. Поэтому он без изменения массы переходит в продукты горения.
Кислород участвует в горении топлива. Поэтому его количество вычитают из общего расхода кислорода, определённого расчётом.
Влага топлива при его горении испаряется, и образующиеся при этом водяные пары входят в состав продуктов горения.
Для газообразного топлива расчёт горения ведут по объёмным соотношениям.
Содержащиеся в газовом топливе СО2 и N2 являются негорючими компонентами и без изменения объёма поступают в продукт горения.
Уравнения горения основных компонентов (углеводородов) газового топлива:
СmНn + (m+0,25n)О2=m СО2 +n /2 Н2О
Принципиальной особенностью всех реакций горения является их обратимость, т.е. все реакции идут только до состояния химического равновесия, которое зависит от температуры, давления и соотношения концентрации реагирующих веществ. Скорость реакции записывается уравнением Аррениуса:
ω=k0 е -Е / RТnАnВ;
где k0 – предэкспоненциальный множитель, k0 =√Т; R – универсальная газовая постоянная; nА, nВ – концентрация молекул веществ А и В в объёме.
Диффузия и массообмен в процессе горения.
Для протекания реакции горения необходимо перемешивание компонентов на молекулярном уровне, иными словами, необходим процесс массопереноса реагирующих компонентов в зону реакции и продуктов сгорания из неё. Процесс массопереноса осуществляется в турбулентном потоке за счёт турбулентной диффузии, а в неподвижной среде, ламинарном потоке и в пограничном слое потока – за счёт молекулярной диффузии (за счёт градиента концентрации компонента).
Анализ реакций горения позволил выделить два предельных режима горения:
1) диффузионный. Горение в этом режиме характерно повышенным уровнем температуры в зоне реакции по отношению к температуре вокруг этой зоны и снижением концентрации кислорода в зоне реакции до нуля;
2) кинетический. Горение в этом режиме не сопровождается заметным снижением концентраций реагирующих компонентов в зоне реакции и характерно отсутствием заметного повышения температуры в зоне реакции.
Время сгорания топлива зависит от времени, в течение которого достигается контакт горючего с окислителемτК и от времени протекания химической реакции τР.
τГОР= τК+ τР.
Если время контактирования больше времени химической реакции, то горение относят к диффузионному (1), обратном случае – кинетическому (2). В (2) скорости горения соизмеримы со скоростью диффузии.
В зависимости от фазового состояния реагирующих веществ, горение топлив условно делят на гомогенное и гетерогенное. Примерами гомогенного горения являются: горение хорошо перемешанных газообразных компонентов, горение быстроиспаряющихся жидких топлив. Примерами гетерогенного горения на поверхности раздела фаз могут служить: горение твёрдых топлив, горение капель тяжёлых жидких топлив.
3. Горение твёрдого топлива.
Твёрдое топливо имеет в своём составе летучие горючие вещества и коксовый остаток. Основной стадией процесса горения твёрдого топлива являются стадия горения коксового остатка – углерода, оставшегося в частице топлива после завершения деструкции вещества исходного топлива и выхода летучих.
При нагревании частицы вещества сначала из неё испаряется влага (прогрев и подсушка), а затем абсолютно сухое топливо при дальнейшем нагревании претерпевает разложение с выходом летучих горючих веществ. Как испарение влаги, так и выделение летучих являются процессами эндотермическими. Теплота для этих реакций „черпается” из раскалённой частицы топлива.
В свою очередь летучие, сгорая, нагреваются и при этом часть своей теплоты „возвращают” горящей частице топлива, способствуя поддержанию её температуры на уровне, необходимом для устойчивого очага горения (экзотермическая реакция).
Выделившиеся из топлива подогретые летучие горючие вещества, диффундируя в окружающую среду, встречаются с молекулами О2 и окисляются, т.е. сгорают, выделяя при этом теплоту.
Соответственно вокруг раскалённой частицы 1 топлива различают четыре газообразные зоны:
2 – зона выделившихся из топлива летучих;
3 – зона горящей смеси летучих с кислородом воздуха;
4 – зона образовавшихся продуктов сгорания;
5 – смесь атмосферного воздуха с продуктами сгорания.
В зону горения 3 со стороны горящей частицы диффундируют молекулы летучих, а с внешней стороны, пробиваясь сквозь зону продуктов сгорания (4), диффундируют молекулы воздуха. Интенсивный отвод продуктов сгорания способствует уменьшению „толщины” зоны продуктов сгорания, облегчает диффузию кислорода воздуха в зону горения и тем самым интенсируют этот процесс.
Таким образом, для обеспечения устойчивости очага горения необходимо: определённая температура нагрева топлива; превышение экзотермического эффекта над эндотермическим; обеспечение непрерывного притока воздуха в зону горения и эвакуация из неё полностью окисленных продуктов горения.
Когда выделение летучих закончится, продолжает гореть коксовый остаток. К его поверхности диффундирует воздух. Молекулы кислорода взаимодействуют с углеродом:
С + 0,5О2 = СО
Из–за недостатка О2 СО диффундирует в зону с большей концентрацией О2, где окисляется (сгорает) до СО2. Молекулы СО2 диффундируют в обе стороны: и в воздух, и к поверхности горящей частицы. Здесь они взаимодействуют с углеродом
СО2 + С = 2СО,
образуя новые порции горючей СО.
Горение жидкого топлива.
Горение жидких топлив всегда происходит в паровой фазе, поэтому процессу горения капли всегда предшествует процесс испарения.
Процесс сжигания жидкого топлива протекает в несколько последовательных стадий: распыление мазутной струи, смешение факела распылённых капель мазута с воздухом, подогрев и испарение мазутных капель, их термическое разложение с образованием газовой фазы, и, наконец, воспламенение и завершение процессов окисления газовой фазы.
Горение мазутных капель не является результатом непосредственного взаимодействия поверхностей капли с воздухом. Процессу горения в этом случае предшествуют испарение и термическое разложение паров мазута с расщеплением углеводородов по схеме
СmНn=m С + 0,5n Н2
и выделением летучих горючих веществ. Такое разложение возможно лишь при подогреве мазута до определённой температуры и является эндотермическим процессом, т.е. необходима затрата определённого количества теплоты. Эта теплота частично сообщается мазуту подогревом, подогретым воздухом, и, кроме того, сообщается распылённой струе горячими газами, инжектируемыми из горящего факела к его корню.
При смешении горячих летучих с воздухом они мгновенно воспламеняются. Скорость горения летучих зависит от интенсивности и полноты их смешения с воздухом.
Схема горения капли жидкого топлива.
В пространстве между зоной горения и каплей находятся пары топлива и некоторая частьпродиффундировавших туда продуктов сгорания, а вне зоны горения – окислитель и продукты сгорания. В зону горения из объёма капли диффундируют пары топлива, а с внешней стороны – окислитель (кислород воздуха). Теплота, необходимая для испарения топлива, передаётся поверхности капли из зоны горения излучением и в результате частичной диффузии внутрь паровой оболочки продуктов сгорания.
