Общая характеристика процессов горения. Большая энциклопедия нефти и газа

Горением называется процесс взаимодействия топлива с окисли­телем, сопровождающийся выделением тепла, а иногда и света. Роль окислителя в подавляющем большинстве случаев выполняет кислород воздуха. Всякое горение предполагает прежде всего тесный контакт между молекулами топлива и окислителя. Поэтому, чтобы происходило горение, необходимо обеспечить этот контакт, т. е. необходимо смешать топливо с воздухом. Следовательно, процесс горения складывается из двух стадий: 1) смешение топ­лива с воздухом; 2) горение топлива. Во время протекания вто­рой стадии происходят сначала воспламенение, а затем уже и горе­ние топлива,

В процессе горения образуется пламя, в котором протекают реакции горения составляющих топлива и выделяется тепло, В технике при сжигании газообразного, жидкого и твердого пыле­видного топлив применяют так называемый факельный метод сжигания. Факел - это частный случай пламени, когда топливо и воздух поступают в рабочее пространство печи в виде струй, которые постепенно перемешиваются одна с другой. Поэтому форма и длина факела обычно вполне определенные.

При наиболее распространенном в металлургии и машинострое­нии факельном сжигании топлива аэродинамическую основу процесса составляют струйные течения, исследование которых основано на применении положений теории свободной турбулент­ности к различным случаям. Поскольку при факельном сжигании характер движения струй может быть ламинарным и турбулент­ным, в процессах смешения большая роль принадлежит молеку­лярной и турбулентной диффузии. На практике при создании устройств для сжигания топлива (горелок, форсунок) применяют различные конструктивные приемы (направляют струи под углом друг к другу, создают закручивание струй и др.) с тем, чтобы организовать смешение так, как это необходимо для конкретного случая сжигания топлива.

Различают гомогенное и гетерогенное горение. При гомоген­ном горении тепло-и массообмен протекают между телами, нахо­дящимися в одинаковом агрегатном состоянии. Гомогенное горе­ние происходит в объеме и свойственно газообразному топливу.

При гетерогенном горении тепло-и массообмен происходят между телами, находящимися в разных агрегатных состояниях (в состоянии обмена находятся газ и поверхность частиц топлива). Такое горение свойственно жидкому и твердому топливам. Правда, при горении жидкого и твердого топлив благодаря испарению капель и выделению летучих есть элементы и гомогенного горения. Однако при гетерогенном процессе в основном идет горение с по­верхности.

Гомогенное горение может протекать в кинетической и диффу­зионной областях.

При кинетическом горении полное перемешивание топлива с воздухом осуществляют предварительно, и в зону горения подают заранее подготовленную топливо-воздушную смесь. В этом случае основную роль играют химические процессы, связанные с проте­канием реакций окисления топлива. При диффузионном гомоген­ном горении процессы смешения и горения не разделены и совер­шаются практически одновременно. В этом случае процесс горения определяется перемешиванием, так как время смешения гораздо больше времени, необходимого для протекания химической реак­ции. Таким образом, полное время протекания процесса горения складывается из времени смесеобразования (τ см) и времени соб­ственно химической реакции (τ х), т. е.

При кинетическом горении, когда смесь приготовлена предвари­

При диффузионном горении, наоборот, время смешения неиз­меримо больше времени протекания химической реакции

При гетерогенном горении твердого топлива также различают кинетическую и диффузионную области реагирования. Кинети­ческая область возникает в том случае, когда скорость диффузии в порах топлива значительно превосходит скорость химической реакции; диффузионная область возникает при обратном соот­ношении скоростей диффузии и горения.

С точки зрения смесеобразования, осуществляемого при помощи газогорелочных устройств, организация процессов сжигания топ­лива в воздушном потоке может быть осуществлена на основе трех принципов: диффузионного, кинетического и смешанного.

Возникновение пламени

Возникновение пламени (воспламенение топлива) может про­изойти только после того, как будет достигнут необходимый кон­такт молекул топлива и окислителя. Любая реакция окисления протекает с выделением тепла. Вначале реакция окисления идет медленно с выделением малого количества тепла. Однако выделя­ющееся тепло способствует повышению температуры и ускорению реакции, что в свою очередь приводит к более энергичному вы­делению тепла, которое опять-таки оказывает благоприятное влия­ние на развитие реакции. Таким образом, происходит постепенное нарастание скорости реакции до момента воспламенения, после чего реакция идет с очень большой скоростью и носит лавинный характер. В реакциях окисления неразрывно связаны друг с дру­гом механизм химической реакции и тепловые характеристики процесса окисления. Первичным фактором является химическая реакция и вторичным - выделение тепла. Оба эти явления тесно связаны между собой и влияют друг на друга.

Уста­новлено, что воспламенение возможно как в изотермических усло­виях, так и при повышении температуры. В первом случае про­исходит так называемое цепное воспламенение, при котором скорость реакции нарастает в результате увеличения числа активных центров, возникающих только в результате химического взаимодействия. Чаще воспламенение происходит в неизотерми­ческих условиях, когда увеличение числа активных центров происходит в результате как химического взаимодействия, так и термического воздействия. В практических условиях обычно прибегают к искусственному поджиганию топлива, вводя в зону горения определенное количество тепла, что приводит к резкому ускорению момента достижения воспламенения.

Температура воспламенения не является фи­зико-химической константой, определяемой только свойствами смеси; она определяется условиями протекания процесса, т. е. характером теплообмена с окружающей средой (температурой, формой сосуда и др.).

Температуры воспламенения различных топлив приведены в таблице 5.

Таблица. 5 - Температуры воспламенения в воздухе при атмо-

сферном давлении.

Кроме температуры, большое влияние на процесс зажигания топлива оказывает концентрация горючей составляющей в смеси, Существуют такие минимальная и максимальная концентрации горючей составляющей, ниже и выше которых вынужденное воспламенение произойти не может. Такие предельные концен­трации называются нижними и верхними концентрационными пределами воспламенения; значения их для некоторых газов приведены в таблице 6.

Таблица 6 - Пределы воспламенения в воздушных и кислородных смесях при атмосферном давлении и температуре 20 о С

Чтобы установить пределы воспламенения промышленных газов, которые являются смесью различных горючих компонентов, пользуются правилом Ле-Шателье, по которому

Основными условиями горения являются: наличие горючего вещества, поступление окислителя в зону химических реакций и непрерывное выделение тепла, необходимого для поддержания горения.

Зона горения

Зона теплового воздействия

зона задымления пространство примыкающее к зоне горения в неей невозможно прибывание людей без защиты органов дыхания

А - начальная стадия пожара – от возникновения неконтролируемого локального очага горения до полного охвата помещения пламенем. Средняя температура в помещении имеет небольшие значения, но внутри и вокруг зоны горения местные температуры могут достигать значительного уровня.

(

С - Стадия затухания пожара - интенсивность процессов горения в помещениях начинает уменьшаться за счет израсходования основной массы горючих материалов в помещении или воздействия средств тушения.

6.Факторы, характеризующие возможное развитие пожара (перечислить и дать пояснения). Зоны и стадии пожара. Стадии развития пожара, их особенности.

Зона горения часть пространства в которой протекает процесс химического разложения и испарения

Зона теплового воздействия происходит процесс теплообмена м/д поверхностью и пламенем, м/д огражденной конструкцией и самими горючим материалом

Зона задымления пространство примыкающее к зоне горения в неей невозможно прибывание людей без защиты органов дыхания

В процессе развития пожара выделяют 3 стадии:

А - начальная стадия пожара – от возникновения неконтролируемого локального очага горения до полного охвата помещения пламенем. Средняя температура в помещении имеет небольшие значения, но внутри и вокруг зоны горения местные температуры могут достигать значительного уровня.

В - Стадия полного развития пожара (или пожара полностью охватившего здание). Горят все горючие в-ва и мат-лы, находящиеся в помещении. Интенсивность тепловыделения от горящих объектов достигает максимума, что приводит к быстрому нарастанию температуры в помещении до максимальных (до 1100С)

С - Стадия затухания пожара - интенсивность процессов горения в помещениях начинает уменьшаться за счет израсходования основной массы горючих материалов в помещении или воздействия средств тушения.

7. Показатели пожаровзрывоопасности веществ и материалов (перечислить основные из них, дать определения, охарактеризовать их применяемость в зависимости от агрегатного состояния).

показатели пожаровзрывоопасности веществ и материалов - совокупность свойств веществ (материалов), характеризующих их способность к возникновению и распространению горения. Различают по агрегатному состоянию:

газы - вещества, давление насыщенных паров которых при температуре 25°C и давлении 101,3 кПа превышает 101,3 кПа;

жидкости - вещества, давление насыщенных паров которых при температуре 25°C и давлении 101,3 кПа меньше 101,3 кПа; к жидкостям относят также твердые плавящиеся вещества, температура плавления или каплепадения которых меньше 50°C;

твердые вещества (материалы) - индивидуальные вещества и их смесевые композиции с температурой плавления или каплепадения больше 50°C, а также вещества, не имеющие температуры плавления (напр., древесина, ткани и т. п.);

пыли - диспергированные твердые вещества (материалы) с размером частиц менее 850 мкм.

8. Дать определение и пояснить следующие понятия: возгораемость; возгорание; несгораемые материалы; трудносгораемые материалы; сгораемые материалы. Перечислить основные методы определения возгораемости твердых материалов (без подробного объяснения их сути).

Возгораемость – способность в-в и мат-лов к возгоранию.

Возгорание – начало горения под возд-вием источника зажигания.

Начало горения – начало выдел. тепла в рез-те о-в р., сопровож- даемое свечением и т.д.

Склонность к возг. – способность материалов самовоз-ся, воспламеняться/затлевать от различных причин.

По горючести в-ва и мат-лы подразделяют на 3 группы:

негорючие (несгораемые) - под действием огня/выс. t о не восплам-ся, не тлеют и не обугливаются (ест. и искуств. орг. мат-лы, применяемые в строит-ве), в/ва и мат-лы, не способные к горению в воздухе. Негорючие в-ва м/б ПВО (н-р, окис-ли или в/ва, выделяю- щие горючие продукты при взаим-вии с водой, кислородом воздуха или др. с др.);

трудногорючие (трудносгораемые) – под действием огня/выс. t о с трудом восплам., тлеют и обугливаются и продолжают гореть/ тлеть только при нали- чии источника зажига- ния (в/ва и мат-лы состоящие из горючих и негорючих: полимерн. мат-лы);

горючие (сгораемые) – воспламеняются, тлеют и продолжают гореть после удаления источ- ника зажигания (все органич. мат-лы, не отвечающие требов-ям несгор. и трудносгор. мат-лам); При опред-ии группы мат-лов методом калориметрии в кач-ве опр-щего исп. пок-ль возгораемости, т.е. отн-е кол-ва тепла, выделенного образцом при горении к кол-ву тепла, выделенному источником зажигания. Несгор. м., у кот. к0,1, трудносгор. м. к=0,1-0,5, сгор. м. к=2,1.

Применяют при классифик. в-в и мат-лов по горючести; при определении категории помещений по ВП и ПО в соответствии с требо- ваниями норм технолог. проектирования; при разработке мероприятий по обеспечению ПБ.

Стадии горения предшествует стадия зажигания топлива, связанная с его прогревом. Эта стадия ле нуждается в кислороде и во время ее протекания топливо само является потребителем тепла. Чем быстрее повышается температура топлива, тем интенсивнее протекает зажигание. Очевидно, факторами, затягивающими зажигание, являются: большая влажность топлива, повышенная температура воспламенения, небольшая тепловоспринимающая поверхность топлива, низкая начальная температура топлива и подача в топку не подогретого предварительно воздуха.  

Стадия горения является основным потребителем воздуха. В этой стадии выделяется основная часть тепла топлива и развиваются наиболее высокие температуры. Чем больше летучих веществ выделяет топливо, тем интенсивнее протекает горение и тем более концентрированно должен подаваться воздух. Стадия дожигания требует немного воздуха; соответственно здесь выделяется мало тепла.  

Стадия горения водорода является самой длительной в жизни звезды. Фотонная светимость звезд на главной последовательности, где горит водород, как правило, меньше, чем на последующих стадиях эволюции, а их нейтринная светимость значительно меньше, ввиду того, что центральные температуры не превышают - 4 107 К. Поэтому звезды главной последовательности являются самыми распространенными звездами в Галактике и во всей вселенной (см. гл.  

Стадия горения водорода в ядре занимает большую часть жизни звезды, причем звезды массой порядка солнечной остаются на главной последовательности примерно 1010 лет. Соответствующая стадия у звезд массой 20 MQ длится всего 106 лет, тогда как звезды массой 0 ЗМ0, как предполагают, должны проводить на этой стадии 3 1011 лет, что в 30 раз превышает возраст Галактики.  

Стадия горения газообразных горючих и кокса сопровождается выделением тепла, которое обеспечивает повышение температур, необходимое для ускорения реакций окисления кокса.  

В стадии горения потребляется основная часть воздуха и выделяется основная часть тепла топлива. Температуры в этой стадии процесса достигают наибольших значений. Наиболее быстро идет горение летучих веществ, требующее поэтому концентрированного подвода воздуха и большого внимания к обеспечению быстрого и полного смесеобразования.  

К стадии горения относится горение летучих, кокса при температуре выше 1000 С, сопровождаемое потреблением большей части необходимого воздуха и выделением основного количества тепла. Стадия горения характеризуется наиболее высокой температурой. Горение летучих протекает быстро, поэтому крайне важно концентрированно подводить достаточное количество воздуха в условиях полного смесеобразования. Кокс горит более медленно, и реакция углерода с кислородом происходит на поверхности коксовых частиц. Интенсивность сгорания кокса тем выше, чем мельче раздроблено топливо. Завершающей стадией горения твердого топлива является дожигание, требующее меньшего количества воздуха и сопровождающееся меньшим выделением тепла. Развитие этой стадии затягивается вследствие обволакивания коксовых частиц золой, затрудняющей доступ воздуха к ним, особенно у топ-лив с легкоплавкой золой.  

Во-вторых, стадия горения коксового остатка оказывается наиболее длительной из всех стадий и может занимать до 90 % всего времени, необходимого для горения.  

Рассмотренные выше стадии горения жидкого топлива - подогрев, испарение и пирогенетическое разложение распыленных частиц то плива часто протекают недостаточно эффективно, кроме того, они недостаточно управляемы, что вызвало появление форсунок-горелок с предварительной газификацией жидкого топлива.  

В начале стадии горения, непосредственно после момента зажигания топлива, температура еще не очень высока. Соответственно невысока и скорость горения. Поэтому очень важны быстрый розжиг топлива и быстрый подъем температуры процесса. Далее, в основной части стадии горения уровень температур в котельных топках уже достаточно высок. Соответственно высока и скорость реакции углерода с кислородом на поверхности коксовых частиц. Поэтому быстрота выгорания кокса лимитируется в основной части стадии горения кокса не этим фактором, а диффузионными процессами подвода кислорода к горящим частицам, протекающими относительно более медленно. При правильной организации начальной части стадии горения именно эти процессы и служат в большинстве случаев основным фактором, регулирующим интенсивность горения коксэ в котельных топках.  

Горение топлива - это процесс окисления горючих компонентов, происходящий при высоких температурах и сопровождающийся выделением тепла. Характер горения определяется множеством факторов, в том числе способом сжигания, конструкцией топки, концентрацией кислорода и т. д. Но условия протекания, продолжительность и конечные результаты топочных процессов в значительной мере зависят от состава, физических и химических характеристик топлива.

Состав топлива

К твердому топливу относят каменный и бурый уголь, торф, горючие сланцы, древесину. Эти виды топлив представляют собой сложные органические соединения, образованные в основном пятью элементами - углеродом С, водородом Н, кислородом О, серой S и азотом N. В состав топлива также входит влага и негорючие минеральные вещества, которые после сгорания образуют золу. Влага и зола - это внешний балласт топлива, а кислород и азот - внутренний.

Основным элементом горючей части является углерод, он обуславливает выделение наибольшего количества тепла. Однако, чем больше доля углерода в составе твердого топлива, тем труднее оно воспламеняется. Водород при сгорании выделяет в 4,4 раза больше тепла, чем углерод, но его доля в составе твердых топлив невелика. Кислород, не будучи теплообразующим элементом и связывая водород и углерод, снижает теплоту сгорания, поэтому является элементом нежелательным. Особенно велико его содержание в торфе и древесине. Количество азота в твердом топливе небольшое, но он способен образовывать вредные для окружающей среды и человека оксиды. Также вредной примесью является сера, она выделяет мало теплоты, но образующиеся оксиды приводят к коррозии металла котлов и загрязнению атмосферы.

Технические характеристики топлива и их влияние на процесс горения

Важнейшими техническими характеристиками топлива являются: теплота сгорания, выход летучих веществ, свойства нелетучего остатка (кокса), зольность и влагосодержание.

Теплота сгорания топлива

Теплота сгорания - это количество тепла, выделяющееся при полном сгорании единицы массы (кДж/кг) или объема топлива (кДж/м3). Различают высшую и низшую теплоту сгорания. В высшую входит тепло, выделяемое при конденсации паров, которые содержатся в продуктах сгорания. При сжигании топлива в топках котлов уходящие дымовые газы имеют температуру, при которой влага находится в парообразном состоянии. Поэтому в этом случае применяют низшую теплоту сгорания, которая не учитывает теплоту конденсации водяных паров.

Состав и низшая теплота сгорания всех известных месторождений угля определены и приводятся в расчетных характеристиках.

Выход летучих веществ

При нагревании твердого топлива без доступа воздуха под воздействием высокой температуры сначала выделяются водяные пары, а затем происходит термическое разложение молекул с выделением газообразных веществ, получивших название летучих веществ.

Выход летучих веществ может происходить в интервале температур от 160 до 1100 °С, но в среднем - в области температур 400-800 °С. Температура начала выхода летучих, количество и состав газообразных продуктов зависят от химического состава топлива. Чем топливо химически старше, тем меньше выход летучих и выше температура начала их выделения.

Летучие вещества обеспечивают более раннее воспламенение твердой частицы и оказывают значительное влияние на горение топлива. Молодые по возрасту топлива - торф, бурый уголь - легко загораются, сгорают быстро и практически полностью. Наоборот, топливо с низким выходом летучих, например, антрацит, загорается труднее, горит намного медленнее и сгорает не полностью (с повышенной потерей тепла).

Свойства нелетучего остатка (кокса)

Твердая часть топлива, оставшаяся после выхода летучих, состоящая в основном из углерода и минеральной части, называется коксом. Коксовый остаток может быть в зависимости от свойств органических соединений, входящих в горючую массу: спекшимся, слабоспекшимся (разрушающимся при воздействии), порошкообразным. Антрацит, торф, бурые угли дают порошкообразный нелетучий остаток. Большинство каменных углей спекается, но не всегда сильно. Слипшийся или порошкообразный нелетучий остаток дают каменные угли с очень большим выходом летучих (42-45%) и с очень малым выходом (менее 17%).

Структура коксового остатка важна при сжигании угля в топках на колосниковых решетках. При факельном сжигании в энергетических котлах характеристика кокса не имеет большого значения.

Зольность

Твердое топливо содержит наибольшее количество негорючих минеральных примесей. Это прежде всего глина, силикаты, железный колчедан, но также могут входить закись железа, сульфаты, карбонаты и силикаты железа, оксиды различных металлов, хлориды, щелочи и т.д. Большая часть их попадает при добыче в виде пород, между которыми залегают пласты угля, но присутствуют и минеральные вещества, перешедшие в топливо из углеобразователей или в процессе преобразования его исходной массы.

При сжигании топлива минеральные примеси претерпевают ряд реакций, в результате которых образуется твердый негорючий остаток, называемый золой. Вес и состав золы не идентичны весу и составу минеральных примесей топлива.

Свойства золы играют большую роль в организации работы котла и топки. Ее частички, уносимые продуктами сгорания, при высоких скоростях истирают поверхности нагрева, а при малых скоростях отлагаются на них, что ведет к ухудшению теплопередачи. Зола, уносимая в дымовую трубу, способна нанести вред окружающей среде, во избежание этого требуется установка золоуловителей.

Важным свойством золы является ее плавкость, различают тугоплавкую (выше 1425 °С), среднеплавкую (1200-1425 °С) и легкоплавкую (менее 1200 °С) золу. Зола, прошедшая стадию плавления и превратившаяся в спекшуюся или сплавленную массу, называется шлаком. Температурная характеристика плавкости золы имеет большое значение для обеспечения надежной работы топки и поверхностей котла, правильный выбор температуры газов около этих поверхностей позволит исключить шлакование.

Влага - нежелательная составляющая топлива, она наряду с минеральными примесями является балластом и уменьшает содержание горючей части. Помимо этого, она снижает тепловую ценность, так как дополнительно требуются затраты энергии на ее испарение.

Влага в топливе может быть внутренней и внешней. Внешняя влага содержится в капиллярах или удерживается на поверхности. С химическим возрастом количество капиллярной влаги сокращается. Поверхностной влаги тем больше, чем меньше куски топлива. Внутренняя влага входит в органическое вещество.

Способы сжигания топлива в зависимости от вида топки

Основные виды топочных устройств:

• слоевые,
• камерные.

Слоевые топки предназначены для сжигания крупнокускового твердого топлива. Они могут быть с плотным и кипящим слоем. При сжигании в плотном слое воздух для горения проходит через слой, не влияя на его устойчивость, то есть сила тяжести горящих частиц превышает динамический напор воздуха. При сжигании в кипящем слое благодаря повышенной скорости воздуха частицы переходят в состояние "кипения". При этом происходит активное перемешивание окислителя и топлива, благодаря чему интенсифицируется горение топлива.

В камерных топках сжигают твердое пылевидное топливо, а также жидкое и газообразное. Камерные топки подразделяются на циклонные и факельные. При факельном сжигании частицы угля должны быть не более 100 мкм, они сгорают в объеме топочной камеры. Циклонное сжигание допускает больший размер частиц, под влиянием центробежных сил они отбрасываются на стенки топки и полностью выгорают в закрученном потоке в зоне высоких температур.

Горение топлива. Основные стадии процесса

В процессе горения твердого топлива можно выделить определенные стадии: подогрев и испарение влаги, возгонка летучих и образование коксового остатка, горение летучих и кокса, образование шлака. Такое деление процесса горения относительно условно, так как хотя эти этапы протекают последовательно, частично они налагаются друг на друга. Так, возгонка летучих веществ начинается до окончательного испарения всей влаги, образование летучих идет одновременно с процессом их горения, так же как и начало окисления коксового остатка предшествует окончанию горения летучих, а дожигание кокса может идти и после образования шлака.

Время течения каждой стадии процесса горения в значительной мере определяется свойствами топлива. Дольше всего длится стадия горения кокса, даже у топлив с большим выходом летучих. Существенное влияние на продолжительность стадий процесса горения оказывают разнообразные режимные факторы и конструктивные особенности топки.

1. Подготовка топлива до воспламенения

Топливо, поступающее в топку, подвергается нагреванию, в результате чего при наличии влаги происходит ее испарение и подсушка топлива. Время, необходимое на подогрев и подсушку, зависит от количества влаги и температуры, с которой топливо подается в топочное устройство. Для топлив с большим содержанием влаги (торф, влажные бурые угли) стадия прогрева и подсушивания сравнительна продолжительна.

В слоевые топки топливо подают с температурой, приближенной к окружающей среде. Только в зимнее время в случае смерзания угля его температура ниже, чем в котельном помещении. Для сжигания в факельных и вихревых топках топливо подвергают дроблению и размолу, сопровождаемому сушкой горячим воздухом или дымовыми газами. Чем выше температура поступающего топлива, тем меньше времени и тепла необходимо на подогрев его до температуры воспламенения.

Подсушка топлива в топке происходит за счет двух источников тепла: конвективного тепла продуктов сгорания и лучистого тепла факела, обмуровки, шлака.

В камерных топках подогрев осуществляется преимущественно за счет первого источника, то есть подмешивания к топливу продуктов сгорания в месте его ввода. Поэтому одно из важных требований, предъявляемых к конструкции устройств для ввода топлива в топку, - обеспечение интенсивного подсоса продуктов сгорания. Уменьшению времени нагрева и подсушки также способствует более высокая температура в топке. С этой целью при сжигании топлив с началом выхода летучих при высоких температурах (более 400 °С) в камерных топках делают зажигательные пояса, то есть закрывают экранные трубы огнеупорным теплоизоляционным материалом, чтобы снизить их тепловосприятие.

При сжигании топлива в слое роль каждого вида источников тепла определяется конструкцией топки. В топках с цепными решетками нагревание и подсушка осуществляются преимущественно лучистым теплом факела. В топках с неподвижной решеткой и подачей топлива сверху подогрев и подсушивание происходят за счет движущихся через слой снизу вверх продуктов сгорания.

В процессе нагревания при температуре выше 110 °С начинается термическое разложение органических веществ, входящих в состав топлив. Наименее прочными являются те соединения, которые содержат значительное количество кислорода. Эти соединения распадаются при сравнительно невысоких температурах с образованием летучих веществ и твердого остатка, состоящего преимущественно из углерода.

Молодые по химическому составу топлива, содержащие много кислорода, имеют низкую температуру начала выхода газообразных веществ и дают их больший процент. Топлива с малым содержанием соединений кислорода имеют небольшой выход летучих и более высокую температуру их воспламенения.

Содержание в твердом топливе молекул, которые легко подвергаются разложению при нагревании, оказывает влияние и на реакционную способность нелетучего остатка. Сначала разложение горючей массы происходит преимущественно на наружной поверхности топлива. По мере дальнейшего прогревания пирогенетические реакции начинают происходить и внутри частиц топлива, в них повышается давление и внешняя оболочка разрывается. При сжигании топлив с большим выходом летучих коксовый остаток становится пористым и имеет большую поверхность по сравнению с плотным твердым остатком.

2. Процесс горения газообразных соединений и кокса

Собственно горение топлива начинается с воспламенения летучих веществ. В период подготовки топлива происходят разветвленные цепные реакции окисления газообразных веществ, сначала эти реакции протекают с малыми скоростями. Выделяющееся тепло воспринимается поверхностями топки и частично накапливается в виде энергии движущихся молекул. Последнее приводит к возрастанию скорости цепных реакций. При определенной температуре реакции окисления идут с такой скоростью, что выделяющееся тепло полностью покрывает теплопоглощение. Эта температура является температурой воспламенения.

Температура воспламенения не является константой, она зависит как от свойств топлива, так и от условий в зоне воспламенения, в среднем составляет 400-600 °С. После воспламенения газообразной смеси дальнейшее самоускорение реакций окисления вызывает повышение температуры. Для поддержания горения необходим непрерывный подвод окислителя и горючих веществ.

Воспламенение газообразных веществ приводит к окутыванию коксовой частицы огневой оболочкой. Горение кокса начинается, когда к концу подходит горение летучих. Твердая частица прогревается до высокой температуры, и по мере уменьшения количества летучих веществ снижается толщина пограничного горящего слоя, кислород достигает раскаленной поверхности углерода.

Горение кокса начинается при температуре 1000 °С и является самым длительным процессом. Причина в том, что, во-первых, снижается концентрация кислорода, во-вторых, гетерогенные реакции протекают более медленно, чем гомогенные. В итоге длительность горения частицы твердого топлива определяется в основном временем горения коксового остатка (около 2/3 общего времени). Для топлив с большим выходом летучих, твердый остаток составляет менее ½ начальной массы частицы, поэтому их сжигание происходит быстро и возможность недожога невысока. Химически старые топлива имеют плотную частицу, горение которой занимает почти все время нахождения в топке.

Коксовый остаток большинства твердых топлив в основном, а для некоторых видов - целиком состоит из углерода. Горение твердого углерода происходит с образованием окиси углерода и углекислого газа.

Оптимальные условия для тепловыделения

Создание оптимальных условий для процесса горения углерода - основа правильного построения технологического метода сжигания твердых топлив в котельных агрегатах. На достижение наибольшего тепловыделения в топке могут оказывать влияние следующие факторы: температура, избыток воздуха, первичное и вторичное смесеобразование.

Температура. Тепловыделение при сжигании топлива существенно зависит от температурного режима топки. При относительно низких температурах в ядре факела имеет место неполнота сгорания горючих веществ, в продуктах сгорания остаются окись углерода, водород, углеводороды. При температурах от 1000 до 1800-2000 °С достижимо полное сгорание топлива.

Избыток воздуха. Удельное тепловыделение достигает максимального значения при полном сгорании и коэффициенте избытка воздуха, равном единице. С уменьшением коэффициента избытка воздуха выделение тепла падает, так как недостаток кислорода приводит к окислению меньшего количества топлива. Понижается температурный уровень, снижаются скорости реакций, что приводит к резкому уменьшению тепловыделения.

Повышение коэффициента избытка воздуха больше единицы снижает тепловыделение еще сильнее, чем недостаток воздуха. В реальных условиях сжигания топлива в топках котлов предельные значения тепловыделения не достигаются, так как присутствует неполнота сгорания. Она во многом зависит от того, как организованы процессы смесеобразования.

Процессы смесеобразования. В камерных топках первичное смесеобразование достигается подсушкой и перемешиванием топлива с воздухом, подачей в зону подготовки части воздуха (первичного), созданием широко раскрытого факела с широкой поверхностью и высокой турбулизацией, применением подогретого воздуха.

В слоевых топках задача первичного смесеобразования состоит в том, чтобы подавать необходимое количество воздуха в разные зоны горения на решетке.

С целью обеспечения догорания газообразных продуктов неполного горения и кокса организуют процессы вторичного смесеобразования. Этим процессам способствуют: подача вторичного воздуха с высокой скоростью, создание такой аэродинамики, при которой достигается равномерное заполнение факелом всей топки и, следовательно, вырастает время пребывания газов и коксовых частичек в топке.

3. Образование шлака

В процессе окисления горючей массы твердого топлива происходят значительные изменения и минеральных примесей. Легкоплавкие вещества и сплавы с низкой температурой плавления растворяют тугоплавкие соединения.

Обязательным условием нормальной работы котлоагрегатов является бесперебойный отвод продуктов сгорания и образующегося шлака.

При слоевом сжигании шлакообразование может приводить к механическому недожогу - минеральные примеси обволакивают недогоревшие частиц кокса либо вязкий шлак может перекрывать воздушные проходы, преграждая доступ кислорода к горящему коксу. Для снижения недожога применяют различные мероприятия - в топках с цепными решетками увеличивают время нахождения шлака на решетке, производят частую шуровку.

В слоевых топках вывод шлака производится в сухом виде. В камерных топках шлакоудаление может быть сухим и жидким.

Таким образом, горение топлива является сложным физико-химическим процессом, на который оказывает воздействие большое количество различных факторов, но все они должны быть учтены при проектировании котлов и топочных устройств.