Структура шару твердого палива, який нерухомо лежить на колосникових решітках при верхньому завантаженні палива показана на рис. 2.
Рис. 2. Структура шару твердого палива, який горить
У верхній частині шару після завантаження знаходиться свіже паливо. Під ним розташовується кокс, який горить, а безпосередньо над решітками - шлак. Вказані зони шару частково можуть перекривати один одного. По мірі вигорання паливо поступово проходить усі зони. В перший період після подачі свіжого палива на кокс, який горить, відбувається його теплова підготовка (прогрів, випаровування вологи, виділення летких), на що витрачається частина теплоти, яка виділяється в шарі. На рис. 2 показано приблизний розподіл температури по висоті шару палива. Область найбільш високої температури розміщена в зоні горіння коксу, де виділяється основна кількість теплоти.
Шлак, який утворюється при горінні палива, краплинами стікає з розжарених шматків коксу назустріч повітрю. Поступово шлак охолоджується і вже в твердому стані досягає колосникових решіток, звідки видаляється. Шлак, який лежить на решітках, захищає її від перегріву, підігріває і рівномірно розподіляє повітря по шарі палива.
Повітря, яке проходить через решітки і поступає в шар палива, називають первинним. Якщо первинного повітря для повного згоряння палива не достатньо і над шаром є продукти неповного горіння, то додатково подають повітря в простір над шаром. Таке повітря називають вторинним.
При верхній подачі палива на решітки відбувається нижнє займання палива і зустрічний рух газоповітряного і паливного потоків. При цьому забезпечується ефективне запалення палива і сприятливі гідродинамічні умови його горіння.
Первинні хімічні реакції між паливом і окисником відбуваються в зоні розжареного коксу. Характер газоутворення в шарі палива, який горить, показаний на рис. 3.
На початку шару, в кисневій зоні (К), в якій відбувається інтенсивна витрата кисню, одночасно утворюється оксид і диоксид вуглецю СО2 і СО. До кінця кисневої зони концентрація О2 знижується до 1 - 2 %, а концентрація СО2 досягає свого максимуму. Температура шару в кисневій зоні різко зростає, досягаючи максимуму там де встановлюється найбільша концентрація СО2.
У відновній зоні (В) кисень практично відсутній. Диоксид вуглецю взаємодіє з розжареним вуглецем з утворенням оксиду вуглецю:
По висоті відновної зони вміст СО2 в газі зменшується, а СО - відповідно збільшується.
Реакція взаємодії диоксиду вуглецю з вуглецем ендотермічна, тому температура по висоті відновної зони падає. За наявності в газах водяної пари у відновній зоні можлива також ендотермічна реакція розкладання Н2О.
| 
|
| Рис. 3. Газоутворення в шарі палива, який горить а) електродне вугілля 4,6-3,7 мм; б) антрацит 7,2-9 мм; в) кам’яне вугілля 4,8- 6 мм. К - киснева зона; В - відновна зона. Швидкість дуття - 0,5 м/с |
Співвідношення кількостей СО і СО2, які одержуються на початковій ділянці кисневої зони залежить від температури і змінюється за формулою:
(2)
де ЕСО і ЕСО2 - енергії активації утворення відповідно СО і СО2; А - числовий коефіцієнт; R - універсальна газова стала; Т - абсолютна температура.
Температура шару в свою чергу залежить від концентрації окисника, а також від ступеня підігріву повітря.
У відновній зоні температурний чинник також має вирішальний вплив на співвідношення між СО і СО2. З підвищенням температури реакція зміщується вправо і вміст оксиду вуглецю в газах підвищується.
Товщина кисневої і відновної зон залежить в основному від типу і розміру шматків палива, які горять, і температурного режиму. При збільшені величини кусків палива товщина зон збільшується. Встановлено, що товщина кисневої зони складає приблизно три-чотири діаметри частинок, які горять. Відновна зона більша за кисневу в 4-6 разів.
Збільшення інтенсивності дуття на товщину зон практично не впливає. Це пояснюється тим, що швидкість хімічної реакції в шарі значно вища за швидкість сумішоутворення і весь кисень, який поступає, миттєво реагує з першими ж рядами частинок розжареного палива.
При збільшені реакційної здатності палива, а також при зменшенні його зольності товщина зон зменшується.
Характер газоутворення в шарі палива показує, що залежно від організації горіння на виході з шару можуть бути отримані або практично інертні або одночасно горючі і інертні гази. Якщо метою є максимальне перетворення теплоти палива на фізичну теплоту газів, то процес необхідно проводити в тонкому шарі палива з надлишком окисника. Якщо ж завданням є отримання горючих газів (газифікація), то процес проводять з розвиненим по висоті шаром при недостачі окисника.
Спалювання палива в топці котла відповідає першому випадку, горіння організовують в тонкому шарі, що забезпечує максимальну глибину окислювальних реакцій. Оскільки товщина кисневої зони залежить від величини кусків палива, то чим більший розмір кусків, тим більшої товщини має бути шар. Так, при спалюванні в шарі невеликих кусків бурого і кам'яного вугілля (до 20 мм) товщину шару підтримують близько 50 мм. При тому ж вугіллі, але з розміром кусків більше 30 мм, товщину шару збільшують до 200 мм. Необхідна товщина шару палива залежить також і від його вологості. Чим більша вологість палива тим більшою має бути запас маси в шарі, щоб забезпечити стійке займання і горіння свіжою порції палива.
