Đặc điểm chung của quá trình cháy. Bộ bách khoa toàn thư lớn về dầu khí

Đốt cháy là quá trình tương tác của nhiên liệu với chất oxy hóa, kèm theo sự giải phóng nhiệt và đôi khi là ánh sáng. Trong phần lớn các trường hợp, oxy trong không khí đóng vai trò là tác nhân oxy hóa. Bất kỳ quá trình đốt cháy nào trước hết đều liên quan đến sự tiếp xúc chặt chẽ giữa các phân tử nhiên liệu và chất oxy hóa. Vì vậy, để quá trình cháy xảy ra thì sự tiếp xúc này phải được đảm bảo, tức là cần phải trộn nhiên liệu với không khí. Do đó, quá trình cháy bao gồm hai giai đoạn: 1) trộn nhiên liệu với không khí; 2) sự cháy nhiên liệu. Trong giai đoạn thứ hai, quá trình đánh lửa đầu tiên xảy ra, sau đó xảy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu,

Trong quá trình đốt cháy, ngọn lửa được hình thành trong đó xảy ra phản ứng cháy của các thành phần nhiên liệu và tỏa nhiệt... Trong công nghệ, khi đốt nhiên liệu nghiền thành dạng khí, lỏng và rắn, người ta sử dụng cái gọi là phương pháp đốt cháy. Đuốc là một trường hợp đặc biệt của ngọn lửa khi nhiên liệu và không khí đi vào không gian làm việc của lò dưới dạng tia, chúng dần dần trộn lẫn với nhau. Vì vậy, hình dạng và chiều dài của ngọn đuốc thường khá rõ ràng.

Trong trường hợp đốt cháy nhiên liệu bùng phát, phổ biến nhất trong luyện kim và cơ khí, cơ sở khí động học của quá trình này được tạo thành từ các dòng phản lực, nghiên cứu về nó dựa trên việc áp dụng các nguyên tắc của lý thuyết nhiễu loạn tự do. đến nhiều trường hợp khác nhau. Vì trong quá trình đốt cháy, bản chất của chuyển động phản lực có thể là tầng và hỗn loạn, khuếch tán phân tử và hỗn loạn đóng vai trò lớn trong các quá trình trộn. Trong thực tế, khi tạo ra các thiết bị đốt nhiên liệu (đầu đốt, vòi phun), nhiều kỹ thuật thiết kế khác nhau được sử dụng (hướng các tia phun vuông góc với nhau, tạo ra các tia xoáy, v.v.) để tổ chức trộn khi cần thiết cho một trường hợp nhiên liệu cụ thể. sự đốt cháy.

Có sự đốt cháy đồng nhất và không đồng nhất. Với quá trình đốt cháy đồng nhất, nhiệt và truyền khối xảy ra giữa các vật thể ở cùng trạng thái kết tụ. Sự đốt cháy đồng nhất xảy ra về thể tích và là đặc trưng của nhiên liệu khí.

Trong quá trình đốt cháy không đồng nhất, nhiệt và truyền khối xảy ra giữa các vật thể ở các trạng thái kết tụ khác nhau (khí và bề mặt các hạt nhiên liệu ở trạng thái trao đổi). Sự đốt cháy như vậy là đặc trưng của nhiên liệu lỏng và rắn. Đúng vậy, trong quá trình đốt cháy nhiên liệu lỏng và rắn, do sự bay hơi của các giọt và giải phóng các chất dễ bay hơi nên có các yếu tố đốt cháy đồng nhất. Tuy nhiên, trong một quá trình không đồng nhất, quá trình cháy chủ yếu xảy ra trên bề mặt.

Sự đốt cháy đồng nhất có thể xảy ra ở vùng động học và vùng khuếch tán.

Trong quá trình đốt cháy động học, việc trộn hoàn toàn nhiên liệu với không khí được thực hiện trước và hỗn hợp nhiên liệu-không khí đã chuẩn bị trước được cung cấp cho vùng đốt. Trong trường hợp này, vai trò chính được thực hiện quá trình hóa học liên quan đến sự xuất hiện của các phản ứng oxy hóa nhiên liệu. Với quá trình đốt cháy đồng nhất khuếch tán, các quá trình trộn và đốt không tách rời và xảy ra gần như đồng thời. Trong trường hợp này, quá trình đốt cháy được xác định bằng cách trộn, vì thời gian trộn dài hơn nhiều so với thời gian cần thiết để xảy ra phản ứng hóa học. Như vậy, tổng thời gian của quá trình cháy bao gồm thời gian hình thành hỗn hợp (τ cm) và thời gian xảy ra phản ứng hóa học (τ x), tức là.

Trong quá trình đốt cháy động học, khi hỗn hợp được chuẩn bị trước

Ngược lại, với quá trình đốt cháy khuếch tán, thời gian trộn dài hơn rất nhiều so với thời gian xảy ra phản ứng hóa học.

Với sự đốt cháy không đồng nhất nhiên liệu rắn sự phân biệt cũng được thực hiện giữa các vùng phản ứng động học và khuếch tán. Vùng động học xảy ra khi tốc độ khuếch tán trong các lỗ của nhiên liệu vượt quá đáng kể tốc độ phản ứng hóa học; vùng khuếch tán xảy ra khi tỷ lệ giữa tốc độ khuếch tán và tốc độ đốt cháy nghịch đảo.

Từ quan điểm hình thành hỗn hợp được thực hiện bằng thiết bị đốt khí, việc tổ chức các quá trình đốt cháy nhiên liệu trong luồng không khí có thể được thực hiện dựa trên ba nguyên tắc: khuếch tán, động học và hỗn hợp.

Sự xuất hiện của ngọn lửa

Sự xuất hiện ngọn lửa (nhiên liệu bốc cháy) chỉ có thể xảy ra sau khi đạt được sự tiếp xúc cần thiết giữa các phân tử nhiên liệu và chất oxy hóa. Bất kỳ phản ứng oxy hóa xảy ra với sự giải phóng nhiệt. Lúc đầu, phản ứng oxy hóa diễn ra chậm với sự giải phóng một lượng nhiệt nhỏ. Tuy nhiên, nhiệt thoát ra giúp tăng nhiệt độ và tăng tốc độ phản ứng, từ đó dẫn đến sự giải phóng nhiệt mạnh hơn, điều này một lần nữa có tác dụng có lợi cho sự phát triển của phản ứng. Do đó, tốc độ phản ứng tăng dần cho đến thời điểm bốc cháy, sau đó phản ứng diễn ra với tốc độ rất cao và có tính chất tuyết lở. Trong các phản ứng oxy hóa, cơ chế phản ứng hóa học và đặc tính nhiệt của quá trình oxy hóa có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Yếu tố chính là phản ứng hóa học và yếu tố phụ là sự giải phóng nhiệt. Cả hai hiện tượng này đều có liên quan chặt chẽ và ảnh hưởng lẫn nhau.

Người ta đã chứng minh rằng có thể bốc cháy cả trong điều kiện đẳng nhiệt và khi nhiệt độ ngày càng tăng. Trong trường hợp đầu tiên, cái gọi là đánh lửa chuỗi xảy ra, trong đó tốc độ phản ứng tăng lên do sự gia tăng số lượng trung tâm hoạt động chỉ phát sinh do tương tác hóa học. Thông thường hơn, sự bốc cháy xảy ra trong điều kiện không đẳng nhiệt, khi sự gia tăng số lượng trung tâm hoạt động xảy ra do cả tương tác hóa học và hiệu ứng nhiệt. TRONG điều kiện thực tế thường sử dụng nhiên liệu đốt cháy nhân tạo bằng cách đưa vào vùng đốt một số tiền nhất định của nhiệt, dẫn đến thời điểm đánh lửa tăng mạnh.

Nhiệt độ bốc cháy không phải là hằng số hóa lý chỉ được xác định bởi tính chất của hỗn hợp; nó được xác định bởi các điều kiện của quá trình, tức là bản chất trao đổi nhiệt với môi trường (nhiệt độ, hình dạng của bình, v.v.).

Nhiệt độ bốc cháy của các loại nhiên liệu khác nhau được cho trong Bảng 5.

Bàn. 5 - Nhiệt độ bốc cháy trong không khí ở áp suất khí quyển

áp suất hình cầu.

Ngoài nhiệt độ, ảnh hưởng lớn Quá trình cháy của nhiên liệu bị ảnh hưởng bởi nồng độ của thành phần cháy trong hỗn hợp, có nồng độ tối thiểu và tối đa của thành phần cháy, ở trên và dưới không thể xảy ra cháy cưỡng bức. Nồng độ giới hạn như vậy được gọi là giới hạn cháy dưới và giới hạn trên; giá trị của chúng đối với một số loại khí được đưa ra trong Bảng 6.

Bảng 6 - Giới hạn dễ cháy trong hỗn hợp không khí và oxy tại áp suất không khí và nhiệt độ 20 o C

Để thiết lập giới hạn cháy của khí công nghiệp là hỗn hợp của nhiều thành phần dễ cháy khác nhau, hãy sử dụng quy tắc Le Chatelier, theo đó

Các điều kiện đốt cháy chính là: sự có mặt của chất dễ cháy, sự xâm nhập của chất oxy hóa vào vùng phản ứng hoá học và giải phóng nhiệt liên tục cần thiết để duy trì quá trình đốt cháy.

Vùng đốt

Vùng ảnh hưởng nhiệt

vùng khói không gian tiếp giáp với khu vực đốt người không thể vào nếu không có thiết bị bảo vệ hô hấp

A - giai đoạn đầu hỏa hoạn - từ việc xảy ra hiện tượng đốt cháy cục bộ không kiểm soát được cho đến việc nhấn chìm hoàn toàn căn phòng trong biển lửa. Nhiệt độ phòng trung bình thấp, nhưng trong và xung quanh vùng cháy, nhiệt độ cục bộ có thể đạt mức đáng kể.

(

C – Giai đoạn dập lửa - cường độ của quá trình đốt cháy trong phòng bắt đầu giảm do tiêu thụ phần lớn vật liệu dễ cháy trong phòng hoặc tiếp xúc với chất chữa cháy.

6. Các yếu tố đặc trưng cho khả năng xảy ra cháy (liệt kê và giải thích). Khu vực và giai đoạn cháy. Các giai đoạn phát triển của lửa, đặc điểm của chúng.

Vùng đốt Phần không gian diễn ra quá trình phân hủy và bay hơi hóa học

Vùng ảnh hưởng nhiệt xảy ra quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt và ngọn lửa, giữa kết cấu kín và bản thân vật liệu cháy

Vùng khói không gian tiếp giáp với khu vực đốt người không thể vào nếu không có thiết bị bảo vệ hô hấp

Quá trình phát triển của lửa có 3 giai đoạn:

A - giai đoạn đầu ngọn lửa– từ sự xuất hiện của nguồn đốt cục bộ không kiểm soát được đến việc nhấn chìm hoàn toàn căn phòng trong biển lửa. Nhiệt độ phòng trung bình thấp, nhưng trong và xung quanh vùng cháy, nhiệt độ cục bộ có thể đạt mức đáng kể.

B – Giai đoạn phát triển mạnh mẽ của đám cháy ( hoặc ngọn lửa nhấn chìm hoàn toàn tòa nhà). Tất cả các chất và vật liệu dễ cháy trong phòng đều cháy. Cường độ tỏa nhiệt của vật cháy đạt mức tối đa khiến nhiệt độ trong phòng tăng nhanh đến mức tối đa (lên tới 1100C)

C – Giai đoạn dập lửa - cường độ của quá trình đốt cháy trong phòng bắt đầu giảm do tiêu thụ phần lớn vật liệu dễ cháy trong phòng hoặc tiếp xúc với chất chữa cháy.

7. Chỉ tiêu nguy hiểm cháy, nổ của các chất, vật liệu (liệt kê những chất chính, định nghĩa, nêu đặc điểm khả năng ứng dụng tùy theo trạng thái tập hợp của chúng).

các chỉ số về nguy cơ cháy nổ của các chất và vật liệu - tập hợp các tính chất của các chất (vật liệu) đặc trưng cho khả năng bắt đầu và lan truyền quá trình đốt cháy của chúng. Chúng được phân biệt bởi trạng thái tập hợp của chúng:

khí - các chất có áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ 25°C và áp suất 101,3 kPa vượt quá 101,3 kPa;

chất lỏng - chất có áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ 25°C và áp suất 101,3 kPa nhỏ hơn 101,3 kPa; Chất lỏng cũng bao gồm các chất rắn nóng chảy có nhiệt độ nóng chảy hoặc nhỏ giọt nhỏ hơn 50°C;

chất rắn (vật liệu) - các chất riêng lẻ và thành phần hỗn hợp của chúng có điểm nóng chảy hoặc nhỏ giọt lớn hơn 50°C, cũng như các chất không có điểm nóng chảy (ví dụ: gỗ, vải, v.v.);

bụi - chất rắn phân tán (vật liệu) có kích thước hạt nhỏ hơn 850 micron.

8. Định nghĩa và giải thích các khái niệm sau: tính dễ cháy; ngọn lửa; vật liệu chống cháy; vật liệu chống cháy; Vật liệu dễ cháy. Liệt kê các phương pháp chính để xác định tính dễ cháy của vật liệu rắn (không có giải thích chi tiết về bản chất của chúng).

Tính dễ cháy – khả năng bốc cháy của các chất và vật liệu.

Ngọn lửa - sự bắt đầu cháy dưới không khí của nguồn đánh lửa.

Bắt đầu đốt cháy – bắt đầu lựa chọn sức nóng ở sông đảo, kèm theo ánh sáng rực rỡ, v.v.

Có xu hướng kích động- khả năng tự chứa, bốc cháy/âm ỉ của vật liệu vì nhiều lý do.

Dựa vào tính dễ cháy, các chất, vật liệu được chia thành 3 nhóm:

không cháy (không cháy)- dưới ảnh hưởng của lửa/cao. Không cháy, không cháy âm ỉ và không cháy thành than (các vật liệu hữu cơ tự nhiên và nhân tạo dùng trong xây dựng), các vật liệu cao cấp và các vật liệu không có khả năng cháy trong không khí. Các chất không cháy của phòng không (ví dụ, oxit hoặc các chất trong không khí giải phóng các sản phẩm dễ cháy khi tương tác với nước, oxy trong khí quyển hoặc các chất khác);

chất chống cháy (khó cháy)– dưới ảnh hưởng của lửa/cao. khó bắt lửa, cháy âm ỉ và cháy thành than và chỉ tiếp tục cháy/âm ỉ khi có nguồn bắt lửa (hơi và vật liệu bao gồm dễ cháy và không cháy: vật liệu polyme);

dễ cháy (cháy)– bốc cháy, cháy âm ỉ và tiếp tục cháy sau khi loại bỏ nguồn gây cháy (tất cả các vật liệu hữu cơ không đáp ứng yêu cầu đối với vật liệu không cháy và khó cháy); Khi xác định một nhóm vật liệu sử dụng phương pháp đo nhiệt lượng làm định nghĩa, hãy sử dụng. mức độ dễ cháy, tức là tỷ lệ giữa lượng nhiệt tỏa ra từ mẫu trong quá trình đốt cháy và lượng nhiệt thoát ra từ nguồn đánh lửa. Nesgor. m., con mèo. k0,1, khó cháy. m.k=0,1-0,5, cháy. m.k=2.1.

Dùng để phân loại. các chất, vật liệu dễ cháy; khi xác định loại mặt bằng theo VP, PO phù hợp với yêu cầu của tiêu chuẩn công nghệ. thiết kế; khi xây dựng các biện pháp bảo đảm an ninh lương thực.

Trước giai đoạn đốt cháy là giai đoạn đốt cháy nhiên liệu, gắn liền với quá trình đốt nóng của nó. Giai đoạn này không cần oxy và trong quá trình xảy ra, bản thân nhiên liệu là vật tiêu thụ nhiệt. Nhiệt độ nhiên liệu tăng càng nhanh thì khả năng bốc cháy càng mạnh. Rõ ràng, các yếu tố làm chậm quá trình cháy là: độ ẩm của nhiên liệu cao, nhiệt độ bắt lửa tăng, bề mặt nhận nhiệt nhỏ của nhiên liệu, nhiệt độ ban đầu của nhiên liệu thấp và việc cung cấp không khí chưa được làm nóng trước cho hộp cứu hỏa.

Giai đoạn đốt cháy là giai đoạn tiêu thụ không khí chính. Ở giai đoạn này, phần chính của nhiệt nhiên liệu được giải phóng và nhiệt độ cao nhất phát triển. Nhiên liệu thải ra càng nhiều chất dễ bay hơi thì quá trình đốt cháy càng mạnh và không khí phải được cung cấp càng đậm đặc. Giai đoạn đốt sau cần một ít không khí; Theo đó, ít nhiệt được tạo ra ở đây.

Giai đoạn đốt cháy hydro là giai đoạn dài nhất trong vòng đời của một ngôi sao. Độ sáng photon của các ngôi sao trên dãy chính, nơi đốt cháy hydro, theo quy luật, nhỏ hơn ở các giai đoạn tiến hóa tiếp theo và độ sáng neutrino của chúng thấp hơn nhiều, do nhiệt độ trung tâm không vượt quá - 4 107 K Vì vậy, các ngôi sao thuộc dãy chính là những ngôi sao phổ biến nhất trong Thiên hà và khắp vũ trụ (xem Chương 2).

Giai đoạn đốt cháy hydro trong lõi chiếm phần lớn thời gian sống của ngôi sao, với các ngôi sao có khối lượng tương đương Mặt Trời tồn tại trong dãy chính trong khoảng 1010 năm. Giai đoạn tương ứng của các ngôi sao có khối lượng 20 MQ chỉ kéo dài 106 năm, trong khi các ngôi sao có khối lượng 0 3M0 dự kiến ​​sẽ trải qua 3 1011 năm ở giai đoạn này, tức là gấp 30 lần tuổi của Thiên hà.

Giai đoạn đốt cháy nhiên liệu khí và than cốc đi kèm với sự giải phóng nhiệt, làm tăng nhiệt độ cần thiết để tăng tốc độ phản ứng oxy hóa than cốc.

Trong giai đoạn đốt cháy, phần lớn không khí được tiêu thụ và phần lớn nhiệt của nhiên liệu được giải phóng. Nhiệt độ ở giai đoạn này của quá trình đạt giá trị cao nhất. Quá trình đốt cháy các chất dễ bay hơi xảy ra nhanh nhất, do đó đòi hỏi phải cung cấp không khí tập trung và hết sức chú ý để đảm bảo hình thành hỗn hợp nhanh chóng và hoàn chỉnh.

Giai đoạn đốt bao gồm quá trình đốt cháy các chất bay hơi, than cốc ở nhiệt độ trên 1000 C, kèm theo việc tiêu thụ phần lớn không khí cần thiết và giải phóng lượng nhiệt chính. Giai đoạn đốt được đặc trưng bởi nhiệt độ cao nhất. Quá trình đốt cháy các chất bay hơi diễn ra nhanh chóng, do đó việc cung cấp đủ lượng không khí một cách tập trung trong điều kiện hình thành hỗn hợp hoàn chỉnh là cực kỳ quan trọng. Than cốc cháy chậm hơn và phản ứng của carbon với oxy xảy ra trên bề mặt hạt than cốc. Cường độ đốt than cốc càng cao thì nhiên liệu bị nghiền nát càng mịn. Giai đoạn cuối cùng của quá trình đốt cháy nhiên liệu rắn là đốt sau, đòi hỏi ít không khí hơn và kèm theo đó là lượng nhiệt tỏa ra ít hơn. Sự phát triển của giai đoạn này bị trì hoãn do các hạt than cốc bị tro bao bọc, cản trở không khí tiếp cận chúng, đặc biệt đối với nhiên liệu có tro nóng chảy thấp.

Thứ hai, giai đoạn đốt cặn cốc hóa ra là dài nhất trong tất cả các giai đoạn và có thể chiếm tới 90% tổng thời gian cần thiết cho quá trình đốt cháy.

Các giai đoạn đốt cháy nhiên liệu lỏng được thảo luận ở trên - làm nóng, bay hơi và phân hủy nhiệt của các hạt nhiên liệu nguyên tử - thường không diễn ra đủ hiệu quả, ngoài ra, chúng không được kiểm soát đầy đủ, dẫn đến sự xuất hiện của các vòi đốt với quá trình khí hóa sơ bộ nhiên liệu lỏng. .

Khi bắt đầu giai đoạn cháy, ngay sau khi nhiên liệu được đốt cháy, nhiệt độ chưa cao lắm. Theo đó, tốc độ đốt cháy thấp. Vì vậy, việc đốt cháy nhanh nhiên liệu và tăng nhiệt độ quá trình nhanh chóng là rất quan trọng. Hơn nữa, trong phần chính của giai đoạn đốt, nhiệt độ trong lò hơi đã khá cao. Theo đó, tốc độ phản ứng của cacbon với oxy trên bề mặt hạt than cốc cũng cao. Do đó, tốc độ đốt cháy cốc bị hạn chế trong phần chính của giai đoạn đốt cốc không phải bởi yếu tố này mà bởi quá trình khuếch tán cung cấp oxy đến các hạt cháy diễn ra tương đối chậm hơn. Tại tổ chức phù hợp Trong phần đầu của giai đoạn đốt, trong hầu hết các trường hợp, chính các quá trình này đóng vai trò là yếu tố chính điều chỉnh cường độ đốt than cốc trong lò hơi.

Đốt cháy nhiên liệu là một quá trình oxy hóa các thành phần dễ cháy xảy ra ở nhiệt độ cao và kèm theo sự giải phóng nhiệt. Bản chất của quá trình cháy được xác định bởi nhiều yếu tố, bao gồm phương pháp đốt, thiết kế lò, nồng độ oxy, v.v. Nhưng các điều kiện xảy ra, thời gian và kết quả cuối cùng quá trình cháy phụ thuộc phần lớn vào thành phần, đặc tính lý, hóa của nhiên liệu.

Thành phần nhiên liệu

Nhiên liệu rắn bao gồm than cứng và than nâu, than bùn, đá phiến dầu và gỗ. Các loại nhiên liệu này là các hợp chất hữu cơ phức tạp được hình thành chủ yếu bởi 5 nguyên tố - cacbon C, hydro H, oxy O, lưu huỳnh S và nitơ N. Nhiên liệu còn chứa hơi ẩm và không dễ cháy. khoáng sản, sau khi đốt tạo thành tro. Độ ẩm và tro là chất dằn bên ngoài của nhiên liệu, còn oxy và nitơ là chất dằn bên trong.

Thành phần chính của bộ phận dễ cháy là carbon, nó tạo ra lượng nhiệt lớn nhất. Tuy nhiên, tỷ lệ carbon trong nhiên liệu rắn càng lớn thì càng khó bắt lửa. Hydro khi đốt cháy sẽ giải phóng nhiệt lượng gấp 4,4 lần so với carbon, nhưng lượng nhiệt của nó trong nhiên liệu rắn rất nhỏ. Oxy, không phải là nguyên tố sinh nhiệt và liên kết hydro và carbon, làm giảm nhiệt của quá trình đốt cháy và do đó là nguyên tố không mong muốn. Hàm lượng của nó đặc biệt cao trong than bùn và gỗ. Lượng nitơ trong nhiên liệu rắn tuy nhỏ nhưng có khả năng tạo thành các oxit có hại cho môi trường và con người. Lưu huỳnh cũng là một tạp chất có hại; nó tạo ra ít nhiệt nhưng tạo ra các oxit dẫn đến ăn mòn kim loại nồi hơi và gây ô nhiễm không khí.

Đặc tính kỹ thuật của nhiên liệu và ảnh hưởng của chúng đến quá trình cháy

Điều quan trọng nhất đặc điểm kỹ thuật nhiên liệu là: nhiệt trị, hiệu suất của các chất dễ bay hơi, tính chất của cặn không bay hơi (than cốc), hàm lượng tro và độ ẩm.

Nhiệt cháy của nhiên liệu

Nhiệt cháy là lượng nhiệt tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng (kJ/kg) hoặc thể tích nhiên liệu (kJ/m3). Có giá trị nhiệt lượng cao hơn và thấp hơn. Cao nhất bao gồm nhiệt thoát ra trong quá trình ngưng tụ hơi có trong các sản phẩm đốt. Khi nhiên liệu được đốt trong lò hơi, khí thải có nhiệt độ ở đó độ ẩm ở trạng thái hơi. Do đó, trong trường hợp này, nhiệt trị tỏa nhiệt thấp hơn được sử dụng, không tính đến nhiệt ngưng tụ của hơi nước.

Thành phần và nhiệt trị thấp hơn của tất cả các mỏ than đã biết được xác định và đưa ra trong các đặc tính tính toán.

Giải phóng các chất dễ bay hơi

Khi đốt nóng nhiên liệu rắn mà không có không khí tiếp cận dưới ảnh hưởng nhiệt độ caoĐầu tiên, hơi nước được giải phóng, sau đó xảy ra quá trình phân hủy nhiệt của các phân tử, giải phóng các chất khí gọi là chất dễ bay hơi.

Sự giải phóng các chất dễ bay hơi có thể xảy ra ở khoảng nhiệt độ từ 160 đến 1100 ° C, nhưng trung bình - ở khoảng nhiệt độ 400-800 ° C. Nhiệt độ tại đó các chất bay hơi bắt đầu xuất hiện, số lượng và thành phần của các sản phẩm khí phụ thuộc vào thành phần hóa học của nhiên liệu. Nhiên liệu càng cũ về mặt hóa học thì lượng chất bay hơi sinh ra càng thấp và nhiệt độ mà chúng bắt đầu thoát ra càng cao.

Các chất dễ bay hơi đảm bảo sự đánh lửa sớm hơn của hạt rắn và có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình đốt cháy nhiên liệu. Nhiên liệu trẻ - than bùn, than nâu - dễ bốc cháy, cháy nhanh và gần như hoàn toàn. Ngược lại, nhiên liệu có hiệu suất bay hơi thấp, chẳng hạn như than antraxit, khó bắt lửa hơn, cháy chậm hơn nhiều và không cháy hoàn toàn (tăng tổn thất nhiệt).

Tính chất của cặn không bay hơi (than cốc)

Phần rắn của nhiên liệu còn lại sau khi giải phóng các chất bay hơi, bao gồm chủ yếu là cacbon và các phần khoáng chất, được gọi là than cốc. Tùy thuộc vào tính chất của các hợp chất hữu cơ có trong khối dễ cháy, cặn cốc có thể ở dạng: thiêu kết, thiêu kết nhẹ (bị phá hủy khi tiếp xúc), ở dạng bột. Than antraxit, than bùn, than nâu tạo ra cặn bột không bay hơi. Hầu hết than đều được thiêu kết, nhưng không phải lúc nào cũng mạnh. Cặn kết dính hoặc dạng bột không bay hơi tạo ra than có hàm lượng chất bay hơi rất cao (42-45%) và hàm lượng rất thấp (dưới 17%).

Cấu trúc cặn cốc rất quan trọng khi đốt than trong lò ghi. Khi bùng lên nồi hơi năng lượng các đặc tính của than cốc không có tầm quan trọng lớn.

Hàm lượng tro

Nhiên liệu rắn chứa số lớn nhất tạp chất khoáng không cháy. Đây chủ yếu là đất sét, silicat, pyrit sắt, nhưng cũng có thể bao gồm oxit sắt, sunfat, cacbonat và silicat của sắt, oxit kim loại khác nhau, clorua, kiềm, v.v. Hầu hết chúng rơi trong quá trình khai thác dưới dạng đá nằm giữa các lớp than, nhưng cũng có những chất khoáng được chuyển vào nhiên liệu từ các tác nhân tạo than hoặc đang trong quá trình chuyển hóa khối lượng ban đầu.

Khi nhiên liệu bị đốt cháy, các tạp chất khoáng trải qua một loạt phản ứng, dẫn đến hình thành cặn rắn, không cháy được gọi là tro. Trọng lượng và thành phần của tro không giống với trọng lượng và thành phần tạp chất khoáng của nhiên liệu.

Tính chất của tro có vai trò lớn trong việc tổ chức vận hành lò hơi, lò đốt. Các hạt của nó, bị các sản phẩm đốt cháy mang đi, mài mòn bề mặt gia nhiệt ở tốc độ cao và lắng đọng trên chúng ở tốc độ thấp, dẫn đến suy giảm khả năng truyền nhiệt. Tro được đưa vào ống khói, có thể gây hại môi trường, để tránh điều này, cần phải lắp đặt các thiết bị thu gom tro.

Một đặc tính quan trọng của tro là tính dễ nóng chảy của nó; có sự phân biệt giữa tro chịu lửa (trên 1425 °C), tro nóng chảy trung bình (1200-1425 °C) và tro nóng chảy thấp (dưới 1200 °C). Tro đã qua giai đoạn nóng chảy và chuyển thành khối thiêu kết hoặc nung chảy được gọi là xỉ. Đặc tính nhiệt độ của khả năng nóng chảy của tro có tầm quan trọng lớnđể đảm bảo hoạt động đáng tin cậy của bề mặt lò và nồi hơi, sự lựa chọn đúng đắn nhiệt độ khí gần các bề mặt này sẽ loại bỏ xỉ.

Độ ẩm là thành phần không mong muốn của nhiên liệu, cùng với các tạp chất khoáng, nó đóng vai trò như chất dằn và làm giảm hàm lượng phần dễ cháy. Ngoài ra, nó làm giảm giá trị nhiệt vì cần thêm năng lượng cho quá trình bay hơi của nó.

Độ ẩm trong nhiên liệu có thể ở bên trong hoặc bên ngoài. Độ ẩm bên ngoài được chứa trong các mao mạch hoặc được giữ lại trên bề mặt. Với tuổi hóa học, lượng ẩm mao mạch giảm. Những mảnh nhiên liệu càng nhỏ thì độ ẩm bề mặt càng lớn. Độ ẩm bên trong xâm nhập vào chất hữu cơ.

Phương pháp đốt nhiên liệu tùy thuộc vào loại hộp cứu hỏa

Các loại thiết bị đốt chính:

• nhiều lớp,
• buồng

Lò nung lớp được thiết kế để đốt nhiên liệu rắn có khối lượng lớn. Chúng có thể có một lớp dày đặc và lỏng. Khi đốt trong một lớp dày đặc, không khí đốt đi qua lớp mà không ảnh hưởng đến độ ổn định của nó, nghĩa là trọng lực của các hạt cháy vượt quá áp suất động của không khí. Khi đốt trong tầng sôi, nhờ tăng tốc độ các hạt không khí chuyển sang trạng thái "sôi". Trong trường hợp này, xảy ra sự trộn lẫn tích cực giữa chất oxy hóa và nhiên liệu, do đó quá trình đốt cháy nhiên liệu được tăng cường.

Trong lò nung buồng, nhiên liệu nghiền thành bột rắn cũng như nhiên liệu lỏng và khí được đốt cháy. Lò buồng được chia thành lốc xoáy và ngọn lửa. Khi đốt, các hạt than không quá 100 micron, chúng cháy trong thể tích buồng đốt. Quá trình đốt xoáy cho phép kích thước lớn hơn các hạt, dưới tác dụng của lực ly tâm, chúng bị ném lên thành lò và đốt cháy hoàn toàn theo dòng xoáy ở vùng nhiệt độ cao.

Sự cháy nhiên liệu. Các giai đoạn chính của quá trình

Trong quá trình đốt cháy nhiên liệu rắn, có thể phân biệt một số giai đoạn nhất định: đốt nóng và bay hơi ẩm, thăng hoa các chất bay hơi và hình thành cặn cốc, đốt cháy các chất bay hơi và cốc, hình thành xỉ. Sự phân chia quá trình đốt cháy này tương đối tùy tiện, vì mặc dù các giai đoạn này xảy ra tuần tự nhưng chúng chồng chéo lên nhau một phần. Do đó, sự thăng hoa của các chất dễ bay hơi bắt đầu trước sự bay hơi cuối cùng của toàn bộ hơi ẩm, sự hình thành các chất dễ bay hơi xảy ra đồng thời với quá trình đốt cháy của chúng, giống như sự bắt đầu quá trình oxy hóa cặn cốc trước khi kết thúc quá trình đốt cháy các chất dễ bay hơi và quá trình đốt cháy than cốc có thể xảy ra ngay cả sau khi hình thành xỉ.

Thời gian của từng giai đoạn của quá trình đốt cháy phần lớn được xác định bởi tính chất của nhiên liệu. Giai đoạn đốt than cốc kéo dài lâu nhất, ngay cả đối với nhiên liệu có hiệu suất dễ bay hơi cao. Một loạt các yếu tố vận hành và tính năng thiết kế hộp cứu hỏa

1. Chuẩn bị nhiên liệu trước khi đánh lửa

Nhiên liệu vào lò được làm nóng, do đó, khi có hơi ẩm, nhiên liệu sẽ bay hơi và nhiên liệu khô đi. Thời gian cần thiết để gia nhiệt và sấy khô phụ thuộc vào lượng ẩm và nhiệt độ mà nhiên liệu được cung cấp cho thiết bị đốt. Đối với nhiên liệu có độ ẩm cao (than bùn, than nâu ướt) thì giai đoạn gia nhiệt và sấy khô tương đối dài.

Nhiên liệu được cung cấp cho các lò nung phân lớp ở nhiệt độ gần với môi trường. Chỉ trong thời điểm vào Đông nếu than đóng băng thì nhiệt độ của nó thấp hơn trong phòng lò hơi. Để đốt trong lò đốt và lò xoáy, nhiên liệu phải được nghiền và nghiền, kèm theo làm khô bằng không khí nóng hoặc khí thải. Nhiệt độ của nhiên liệu đến càng cao thì càng cần ít thời gian và nhiệt để làm nóng nhiên liệu đến nhiệt độ bốc cháy.

Sự khô nhiên liệu trong lò xảy ra do hai nguồn nhiệt: nhiệt đối lưu của sản phẩm cháy và nhiệt bức xạ của mỏ hàn, lớp lót, xỉ.

Trong lò buồng, quá trình gia nhiệt được thực hiện chủ yếu nhờ nguồn đầu tiên, tức là trộn các sản phẩm cháy vào nhiên liệu tại điểm đầu vào. Vì vậy, một trong những yêu cầu quan trọng đối với việc thiết kế thiết bị đưa nhiên liệu vào lò là đảm bảo hút mạnh các sản phẩm cháy. Nhiệt độ cao hơn trong lò cũng góp phần làm giảm thời gian gia nhiệt và sấy khô. Vì mục đích này, khi đốt nhiên liệu khi bắt đầu giải phóng chất bay hơi ở nhiệt độ cao (hơn 400 ° C), đai gây cháy được chế tạo trong hộp cứu hỏa trong buồng, tức là các ống lưới được bọc bằng vật liệu chống cháy. vật liệu cách nhiệtđể giảm khả năng nhận biết nhiệt của chúng.

Khi đốt nhiên liệu trên giường, vai trò của từng loại nguồn nhiệt được xác định bởi thiết kế của lò. Trong các hộp cứu hỏa có lưới xích, việc sưởi ấm và sấy khô được thực hiện chủ yếu bằng nhiệt bức xạ của ngọn đuốc. Trong các hộp cứu hỏa có lưới cố định và nguồn cung cấp nhiên liệu từ trên cao, quá trình gia nhiệt và làm khô xảy ra do các sản phẩm đốt cháy di chuyển qua lớp từ dưới lên trên.

Trong quá trình gia nhiệt ở nhiệt độ trên 110°C, quá trình phân hủy nhiệt của các chất hữu cơ có trong nhiên liệu bắt đầu. Các hợp chất kém bền nhất là những hợp chất có chứa một lượng oxy đáng kể. Các hợp chất này phân hủy ở nhiệt độ tương đối thấp với sự hình thành các chất dễ bay hơi và cặn rắn bao gồm chủ yếu là cacbon.

Trẻ bởi Thành phần hóa học nhiên liệu chứa nhiều oxy có nhiệt độ thấp, tại đó các chất khí bắt đầu nổi lên và tạo ra tỷ lệ chúng cao hơn. Nhiên liệu có hàm lượng hợp chất oxy thấp có hiệu suất bay hơi thấp và nhiệt độ bốc cháy cao hơn.

Hàm lượng các phân tử trong nhiên liệu rắn dễ bị phân hủy khi đun nóng cũng ảnh hưởng đến khả năng phản ứng dư lượng không bay hơi. Đầu tiên, sự phân hủy của khối dễ cháy xảy ra chủ yếu ở bề mặt bên ngoài của nhiên liệu. Khi nhiên liệu nóng lên hơn nữa, các phản ứng sinh nhiệt bắt đầu xảy ra bên trong các hạt nhiên liệu, áp suất trong chúng tăng lên và lớp vỏ bên ngoài bị vỡ. Khi đốt nhiên liệu có hiệu suất bay hơi cao, cặn cốc trở nên xốp và có diện tích bề mặt lớn hơn so với cặn rắn đặc.

2. Quá trình đốt cháy các hợp chất khí và than cốc

Quá trình đốt cháy nhiên liệu thực tế bắt đầu bằng việc đốt cháy các chất dễ bay hơi. Trong giai đoạn chuẩn bị nhiên liệu, các phản ứng oxy hóa chuỗi nhánh của các chất khí xảy ra, lúc đầu các phản ứng này xảy ra ở tốc độ thấp. Nhiệt sinh ra được các bề mặt của hộp cứu hỏa cảm nhận và được tích lũy một phần dưới dạng năng lượng của các phân tử chuyển động. Điều thứ hai dẫn đến sự gia tăng tốc độ phản ứng dây chuyền. Tại nhiệt độ nhất định Phản ứng oxy hóa diễn ra với tốc độ sao cho nhiệt thoát ra bao phủ hoàn toàn sự hấp thụ nhiệt. Nhiệt độ này chính là nhiệt độ bắt lửa.

Nhiệt độ bốc cháy không phải là hằng số, nó phụ thuộc vào tính chất của nhiên liệu và các điều kiện trong vùng đánh lửa, trung bình là 400-600 ° C. Sau khi đốt cháy hỗn hợp khí, các phản ứng oxy hóa tự tăng tốc hơn nữa sẽ làm tăng nhiệt độ. Để duy trì quá trình đốt cháy, cần phải cung cấp liên tục chất oxy hóa và các chất dễ cháy.

Sự đốt cháy các chất khí dẫn đến việc bao bọc hạt cốc trong vỏ lửa. Quá trình đốt than cốc bắt đầu khi quá trình cháy dễ bay hơi kết thúc. Các hạt rắn được nung nóng đến nhiệt độ cao và khi lượng chất dễ bay hơi giảm, độ dày của lớp cháy ranh giới giảm, oxy đến được bề mặt nóng của carbon.

Quá trình đốt than cốc bắt đầu ở nhiệt độ 1000°C và là quá trình lâu nhất. Nguyên nhân là vì, thứ nhất, nồng độ oxy giảm, thứ hai, các phản ứng không đồng nhất diễn ra chậm hơn so với các phản ứng đồng nhất. Do đó, thời gian cháy của hạt nhiên liệu rắn được xác định chủ yếu bởi thời gian cháy của cặn cốc (khoảng 2/3 tổng thời gian). Đối với nhiên liệu có hiệu suất bay hơi cao, cặn rắn nhỏ hơn ½ khối lượng ban đầu của hạt nên quá trình cháy diễn ra nhanh và khả năng cháy dưới mức thấp. Nhiên liệu cũ về mặt hóa học có hạt dày đặc, quá trình đốt cháy mất gần như toàn bộ thời gian trong hộp lửa.

Cặn cốc của hầu hết các loại nhiên liệu rắn chủ yếu bao gồm, và đối với một số loại, hoàn toàn là cacbon. Đốt cháy carbon rắn tạo ra carbon monoxide và carbon dioxide.

Điều kiện tối ưu để giải phóng nhiệt

Sự sáng tạo điều kiện tối ưu cho quá trình đốt carbon - cơ sở để xây dựng đúng phương pháp công nghệ đốt nhiên liệu rắn trong các tổ máy nồi hơi. Việc đạt được sự giải phóng nhiệt lớn nhất trong lò có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau: nhiệt độ, không khí dư, sự hình thành hỗn hợp sơ cấp và thứ cấp.

Nhiệt độ. Nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu phụ thuộc đáng kể vào chế độ nhiệt độ hộp cứu hỏa Ở mức tương đối nhiệt độ thấp Trong lõi mỏ đốt, các chất dễ cháy cháy không hoàn toàn, sản phẩm cháy còn lại cacbon monoxit, hydro và hydrocacbon. Ở nhiệt độ từ 1000 đến 1800-2000°C, nhiên liệu có thể cháy hoàn toàn.

Không khí dư thừa. Nhiệt lượng riêng tỏa ra đạt giá trị tối đa khi đốt cháy hoàn toàn và hệ số không khí dư bằng 1. Khi tỷ lệ không khí dư giảm, sự giải phóng nhiệt cũng giảm, do thiếu oxy dẫn đến quá trình oxy hóa ít nhiên liệu hơn. Mức nhiệt độ giảm, tốc độ phản ứng giảm, dẫn đến sinh nhiệt giảm mạnh.

Việc tăng hệ số không khí dư thừa lên trên 1 sẽ làm giảm sự sinh nhiệt thậm chí còn nhiều hơn cả việc thiếu không khí. Trong điều kiện thực tế của quá trình đốt cháy nhiên liệu trong lò hơi, các giá trị giới hạn tỏa nhiệt không đạt được do quá trình đốt cháy không hoàn toàn. Nó phần lớn phụ thuộc vào cách tổ chức các quá trình hình thành hỗn hợp.

Các quá trình hình thành hỗn hợp. Trong lò buồng, sự hình thành hỗn hợp sơ cấp đạt được bằng cách làm khô và trộn nhiên liệu với không khí, cung cấp một phần không khí (sơ cấp) cho vùng chuẩn bị, tạo ra ngọn lửa rộng với bề mặt rộng và độ xoáy cao và sử dụng không khí nóng.

Trong các hộp cứu hỏa nhiều lớp, nhiệm vụ của việc hình thành hỗn hợp sơ cấp là cung cấp lượng không khí cần thiết cho khu vực khác nhauđang cháy trên vỉ.

Để đảm bảo quá trình đốt cháy tiếp các sản phẩm khí của quá trình đốt cháy không hoàn toàn và than cốc, các quá trình hình thành hỗn hợp thứ cấp được tổ chức. Các quá trình này được tạo điều kiện thuận lợi bằng cách: cung cấp không khí thứ cấp ở tốc độ cao, tạo ra tính khí động học sao cho đạt được sự lấp đầy đồng đều toàn bộ lò bằng ngọn đuốc và do đó, thời gian lưu trú của khí và các hạt than cốc trong lò tăng lên.

3. Hình thành xỉ

Trong quá trình oxy hóa khối nhiên liệu rắn dễ cháy, những thay đổi đáng kể xảy ra trong tạp chất khoáng. Các chất và hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp sẽ hòa tan các hợp chất chịu lửa.

Điều kiện tiên quyết để các bộ phận nồi hơi hoạt động bình thường là việc loại bỏ liên tục các sản phẩm đốt và tạo thành xỉ.

Trong quá trình đốt cháy lớp, sự hình thành xỉ có thể dẫn đến hiện tượng cháy dưới mức cơ học - tạp chất khoáng bao bọc các hạt cốc chưa cháy hết hoặc xỉ nhớt có thể chặn đường dẫn khí, ngăn chặn sự tiếp cận của oxy với cốc đang cháy. Để giảm hiện tượng cháy dưới, nhiều biện pháp khác nhau được sử dụng - trong các hộp cứu hỏa có lưới xích, thời gian xỉ bám trên lưới tăng lên và việc khoan thường xuyên được thực hiện.

Trong lò nung lớp, xỉ được loại bỏ ở dạng khô. Trong lò nung buồng, việc loại bỏ xỉ có thể ở dạng khô hoặc lỏng.

Như vậy, quá trình đốt cháy nhiên liệu là một quá trình vật lý và hóa học phức tạp, chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố khác nhau, nhưng tất cả các yếu tố đó đều phải được tính đến khi thiết kế nồi hơi và thiết bị đốt.