Горение органического топлива (физико-химические основы горения)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УО «Полоцкий государственный университет»

Инженерно-строительный факультет

Кафедра теплогазоводоснабжения и вентиляции

Реферат

по дисциплине «Теплогенерирующие установки»

«Горение органического топлива (физико-химические основы горения)»

Выполнил: Бутько В.С.

Проверил: старший преподаватель

Добросольцева Е.С.

Новополоцк, 2019

Содержание

1. Основы теории топочных процессов

2. Горение углерода

3. Диффузная и кинетическая области гетерогенного горения

4. Смесеобразование

5. Основные стадии процесса горения топлива

Литература

1. Основы теории топочных процессов

Горение топлива в топочной камере определяется сложными физическими и химическими процессами. Из физических явлений, подготавливающих и сопровождающих воспламенение и последующее горение, следует особо выделить процесс смесеобразования топлива и окислителя (аэродинамический фактор). К химическим факторам в первую очередь относятся температура и концентрация реагирующих веществ. В топочных устройствах приходится иметь дело со сложными полями скоростей, концентраций и температур, которые в совокупности определяют кинетику химических реакций.

Протекающие при горении топлива химические реакции совершаются с выделением теплоты. Такие реакции называют экзотермическими. К ним относятся реакции горения углерода, водорода, серы в атмосфере воздуха. В условиях высоких температур в ядре факела могут протекать и реакции, идущие с поглощением теплоты. Они являются эндотермическими реакциями. К ним, например, относятся реакция образования окислов азота: N2 + O2 = 2NO - 180 кДж/моль или реакция восстановления двуокиси углерода до окиси на раскаленной поверхности коксовой частицы при недостатке кислорода: C + CO2 = 2CO - 7,25 МДж/кг. Реакция является химически обратимой, она может идти как в прямом, так и в обратном направлении, однако внешние условия для протекания реакции в том, или другом направлении могут существенно отличаться. Так, реакция образования окислов азота наблюдается только в зоне очень высоких температур, а обратная реакция их разложения на газообразные кислород и азот протекает в земной атмосфере под действием солнечной радиации. При горении топлива в топочных камерах скорость прямого процесса несоизмеримо больше скорости обратного, поэтому химическое равновесие этих реакций смещено в сторону образования конечных продуктов, и в указанных условиях эти реакции можно считать необратимыми.

Интенсивность горения характеризуется скоростью реакции. Под скоростью гомогенной реакции понимают массовое количество вещества, реагирующее в единице объема в единицу времени. Скорость реакции в этом случае измеряют по изменению концентрации из реагирующих веществ ДС_А моль/м³ или г/м³, изменению концентрации одного из реагирующих веществ за определенный промежуток времени Дф, с:

vр = -DСА / Dt. (1.1)

Скорость гетерогенной реакции выражают количеством вещества Дg, г, реагирующего на поверхности твердого горючего S, м², за период времени Дф, с:

Кs =---Dg / SDt. (1.2)

Скорости реакций подчиняются закону действующих масс, согласно которому в однородной среде при постоянной температуре в каждый момент времени скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ:

(1.3)

где k - константа скорости реакции, зависящая от температуры и химической природы, реагирующих веществ; CА, СВ - текущие концентрации реагирующих веществ А и В в газовой смеси; m, n - числа молей реагирующих веществ.

Поскольку в газовой смеси при постоянной температуре парциальные давления веществ пропорциональны их концентрациям, можно формулу (1.3) записать в виде (скорость гомогенной реакции):

(1.4)

В условиях гетерогенного горения концентрация горючего (твердого топлива) неизменна, поэтому скорость такой реакции будет зависеть только от концентрации окислителя (кислорода) у поверхности топлива

(1.5)

где- концентрация кислорода у поверхности топлива.

При неизменной концентрации реагирующих веществ во времени скорость реакции определяется константой скорости реакции k, которая зависит от температуры и природы вступающих в реакцию веществ. Эта зависимость выражается законом Аррениуса:

k = k0e- E / RT, (1.6)

где k0 - предэкспоненциальный множитель; Е - энергия активации; R - газовая постоянная; T -абсолютная температура процесса.

Таким образом, скорость реакции с ростом температуры быстро увеличивается (рис.1.1,а). Химическая реакция может происходить при столкновении молекул веществ между собой. Если бы все столкновения приводили к реакциям, то горение происходило бы с огромной скоростью, тогда константа скорости равнялась бы k0. В действительности реакция может произойти только в том случае, когда за счет энергия соударения произойдет разрушение старых молекулярных связей и образовавшиеся осколки старых молекул могут перегруппироваться и создать молекулы новых веществ.

Рис.1.1. Зависимость скорости реакции от температуры (а), энергии активации (б) и концентрации горючего вещества (в). НП - нижний предел; ВП - верхний предел.

горение органическое топливо

Энергия, достаточная для разрушения внутримолекулярных связей исходных веществ, называется энергией активации Е. Чем выше уровень энергии активации, тем труднее происходит разрушение молекулярных связей исходных молекул и медленнее скорость реакции (рис.1.1,б). Так, энергия активации реакции

С + О2 = СО2 - ЕСО2 = 140 кДж/моль, а реакции С + 0,5О2 = СО - ЕСО = 60 кДж/моль.

Отсюда следует, что в реакциях окисления углерода кислородом скорость образования окиси углерода СО значительно выше, чем образование двуокиси СО2, и количество СО у поверхности горящего углерода будет преобладать.

В топочных устройствах горение происходит при постоянной подаче топлива и окислителя (воздуха) в зону горения и, следовательно, при практически постоянной концентрации реагирующих веществ во времени. В этих условиях максимальная скорость реакция может быть достигнута при соотношении концентраций исходных веществ, близком к стехиометрическому. При избытке горючего (богатая смесь) или при малой его концентрации (бедная смесь) скорость реакции снижается ввиду уменьшения тепловыделения на единицу объема.

Горение может происходить не при любой концентрации горючего в смеси, а лишь в определенном соотношении с воздухом (окислителем). Существует нижний предел концентраций горючего (НП), ниже которого горение становится невозможным, и верхний предел (ВП), когда дальнейшее увеличение концентраций горючего в смеси также прекращает горение (рис.1.1,в). Во всем диапазоне концентраций между этими пределами горение возможно.

Если весь объем окажется заполненным готовой для горения газовоздушной смесью то при внесении источника зажигания реакция окисления распространяется с такой большой скоростью на весь объем, что происходит резкое увеличение температуры и давления. Такой характер процесса называют взрывным горением или просто взрывом. В этих случаях говорят о верхнем и нижнем пределах взрываемости смеси, имея в виду, что во всем диапазоне концентраций между верхним и нижним пределами готовая газовоздушная смесь способна к взрыву. Температура смеси, начиная с которой система способна к самоускорению реакции, называется температурой воспламенения

Выделение теплоты на начальном этапе химической реакции можно определить из уравнения:

(1.7)

Количество теплоты, отводимой из зоны реакции, находят по уравнению:

(1.8)

В формулах (1.7) и (1.8) Сгор - концентрация горючего вещества; Vсм - объем готовой горючей смеси; q - тепловой эффект реакции на единицу массы горючего; б - коэффициент теплоотдачи; S - поверхность охлаждающих стен; T, Ts - температура горючей смеси и охлаждающих стен.

Кривая тепловыделения на начальном этапе реакции представляет собой экспоненту со значительным ростом Qp. В области высоких температур рост Qp тормозится возможностями подвода окислителя, т. е. условиями смешения. Линия теплоотвода, если принять б = const, будет представлять собой прямую с углом наклона, определяемым коэффициентом б.

Если первоначально нагреть горючую смесь в камере и окружающие ее стенки до Ts1, то за счет тепловыделения при реакции смесь примет температуру T1 > Ts1 в точке Qp = Q0 и дальнейший разогрев смеси невозможен. Состояние в точке 1 характеризуется незначительным тепловыделением и низкой температурой. Эта область медленного окисления, которое может продолжаться длительно.

Повысим температуру охлаждающих стен до Ts2. Снова первоначально Qp > Q0 и температура смеси растет. Наконец, в точке 2 Qp = Q0 однако, в отличие от точки 1 состояние здесь неустойчиво. Достаточно небольшого увеличения температуры, как снова Qp > Q0, и тепловыделение растет быстрее отвода теплоты. Температура в точке 2 и является температурой воспламенения Тв. Далее процесс реакции быстро нарастает до состояния (точка 3) устойчивого высокотемпературного процесса окисления - горения. Этот процесс будет устойчивым, пока обеспечивается подвод горючего и окислителя. Если в последующем начать усиленный отвод теплоты (более крутая линия Q0), то температура горения будет снижаться и затем в точке 4 высокотемпературный процесс оборвется, так как Q0 станет больше Qp во всей области температур до точки 5. Температура горючей смеси в точке 4 называется температурой потухания. Потухание горения всегда происходит при более высокой температуре, чем воспламенение, так как концентрация исходных веществ в зоне активного горения ниже, чем начальная при воспламенении.

2. Горение углерода

Химический механизм горения углерода в достаточной мере еще не раскрыт. Однако в последнее время установлено, что в результате реагирования углерода с кислородом одновременно образуются оба окисла углерода СО и СО2, но в разных соотношениях. При t = 1200 °С образуются оба окисла и в одинаковом количестве. При t = 1600 °С СО образуется вдвое больше, чем СО2.

Горение твердого углерода является гетерогенной реакцией, происходящей на поверхности.

Прямая реакция горения углерода:

С + O2 > СО2 (основная), но протекают и побочные реакции:

С + СО2 > 2СО (экзотермические реакции);

2СО +О2 > 2СО2 (экзотерм.);

2С + О2 > 2СО (экзотерм.).

Кроме того, в присутствии водяных паров на раскаленной поверхности углерода происходит газификация твердого углерода по реакции:

С + Н2О > СО + Н2 (высокотемпературная область);

С +2Н2О > СО2 + 2Н2 (низкотемпературная область).

Так как реакция горения углерода является гетерогенной, то скорость ее протекания зависит от организации подвода кислорода к поверхности углерода и скорости химической реакции. Подвод О2 осуществляется за счет турбулентной и молекулярной диффузии. Происходящие побочные реакции (образование СО за счет восстановления СО2 и догорания СО в СО2) оказывают влияние на итоговую скорость горения углерода. Наиболее вероятна такая схема: на поверхности углерода образуется СО2, затем С + СО2 > 2СО; далее в зоне с большим содержанием кислорода 2СО +О2 > 2СО2.

Интенсификация процесса горения может быть осуществлена улучшением газообмена у поверхности углерода (рис. 2.1).

Поток воздуха, омывающий углеродную поверхность

Рис. 2.1. Изменение концентрации газов у поверхности частицы горящего углерода

3. Диффузная и кинетическая области гетерогенного горения

При низких температурах скорость химического взаимодействия горючего и окислителя мала. Она намного меньше скорости их взаимной диффузии, которая, поэтому, почти не влияет на ход процесса. Считается, что процесс горения протекает в кинетической области и его следует рассматривать как чисто химический процесс.

При высоких температурах или ухудшенных условиях массообмена скорость реакции намного опережает скорость диффузии, которая в данном случае определяет ход процесса. Можно считать, что процесс горения развивается в диффузной области и его следует рассматривать с чисто физической стороны.

В начальный период реакции, когда температура низка, скорость реакции незначительна, а концентрация кислорода у поверхности горящей частицы топлива велика. При этом скорость горения лимитируется скоростью протекания химической реакции окисления, т.е. кинетикой горения. Горение проходит в кинетической области (рис.3.1).

Температура Ф

Рис. 3.1. Изменение скорости химической реакции в зависимости от температуры

По мере расходования кислорода его концентрация у поверхности частицы уменьшается. Одновременно с этим возрастает температура, а вместе с ней и скорость химической реакции. Кислорода начинает не хватать. Скорость горения начинает лимитироваться скоростью диффузии кислорода. Так горение переходит в диффузную область. В диффузной области скорость горения не зависит от температуры. Между этими областями находится промежуточная переходная область, где влияние кинетики и диффузии соизмеримы. При увеличении интенсивности газообмена у поверхности горящей частицы кривая сдвигается в область больших скоростей химической реакции.

4. Смесеобразование

Чтобы каждая частица топлива, поданного в топку, встретила достаточное для сгорания количество окислителя, необходимо приготовить смесь топлива с воздухом.

Существуют два принципа смесеобразования: кинетический (рис. 4.1,а), диффузионный (рис. 4.1,б).

а) б)

Рис. 4.1. Схемы смесеобразования

При кинетическом принципе однородная смесь топлива и воздуха образуется в смесителе еще до начала горения. После этого смесь подается в топку, где происходит ее воспламенение и сгорание. При этом принципе сжигания скорость сгорания определяется в основном скоростью протекания реакции и не зависит от скорости подвода окислителя.

При диффузном принципе сжигания топливо и воздух подаются в топку раздельно. В этом случае скорость сгорания большей частью определяется уже не скоростью протекания реакции, а скоростью подвода окислителя.

При использовании кинетического принципа сжигания важным фактором является скорость распространения пламени, т. е. скорость, с которой фронт воспламенения продвигается в потоке.

Рис. 4.2. Схема встречных потоков

Uсм - скорость движения топливовоздушной смеси; Uпл - скорость распространения пламени

Рассмотрим цилиндрическую трубу, по которой движется смесь топлива и воздуха со скоростью U см/с. Если эту смесь воспламенить на конце трубы, то фронт воспламенения будет перемещаться навстречу движению смеси. При этом возможны три случая:

1. Скорость движения смеси (Uсм) больше скорости распространения пламени (Uпл) Uпл < Uсм.·При этом равнодействующая Uдейств = Uсм - Uпл направлена вправо. Фронт воспламенения будет вынесен из трубы.

2. Uсм = Uпл. При этом происходит стабилизация фронта воспламенения (нужно отметить, что практически фронт воспламенения постоянно колеблется ввиду различных факторов).

3. Скорость Uпл > Uсм. Результирующая скорость направлена в глубь трубы, к месту образования смеси. Такое положение очень опасно. В горелках, использующих кинетический принцип смесеобразования, это приводит к взрыву в смесителе. Поэтому в таких горелках стремятся к тому, чтобы скорость движения смеси была больше скорости распространения пламени.

По кинетическому принципу сжигается в основном газообразное топливо. По этому принципу может сжигаться и жидкое топливо в виде паровоздушной однородной смеси, т.е. при предварительном испарении и смешении с воздухом (принцип карбюрации).

При диффузном принципе сжигания в топочный объем подаются 2 раздельных потока: поток горючего и поток окислителя. Как бы интенсивно ни протекал процесс окисления, он все же будет лимитироваться скоростью подвода окислителя. Скорость процесса сгорания зависит от интенсивности перемешивания топлива и воздуха. Перемешивание может быть микромолекулярным и макромолекулярным.

В области ламинарного режима интенсивность смесеобразования определяется интенсивностью молекулярной диффузии (т. е. микромолекулярным перемешиванием).

В области турбулентного движения, когда перемешиваются целые объемы, скорость горения зависит не только от диффузии, но и от микромолекулярного перемешивания.

На режим работы горелочных устройств, работающих по диффузному принципу смесеобразования, оказывают влияние многие факторы. Регулирование процесса производится следующим способом:

1. Используются конструкции горелок, позволяющие изменять угол встречи потоков воздуха и топлива. Изменяя угол, можно изменить точку встречи потоков, удалив либо приблизив ее к стенке топки. При приближении точки встречи перемешивание происходит быстрее и глубже, но при меньшей температуре, так как потоки еще не я успели прогреться. При удалении точки встречи произойдет обратное явление. Таким образом, можно осуществлять регулирование процесса горения.

2. Воздействовать на процесс горения можно путем изменения степени крутки потока (топлива либо воздуха). Для закручивания потока воздуха либо топлива применяются горелки с улиточным устройством. Недостаток этого способа заключается в том, что поток, выходя из горелки, быстро теряет крутку. В первый момент при выходе из горелки крутка велика, но температура потока еще низка. К тому времени, когда топливо и воздух прогреваются, крутка становится очень малой.

3. При неизменных углах подвода топлива и воздуха можно изменять характеристику горелки путем изменения скорости подачи топлива либо воздуха:

а) б = const, Gт / Gв = const. Изменение скорости в этом случае производится путем изменения выходного сечения;

б) б = var, Gт / Gв = var. Изменение скорости за счет изменения расхода воздуха.

В промышленной топочной технике широко применяются и промежуточные принципы действия горелок. В газовых горелках это может сводиться к простейшему приему предварительного смешения топливного газа с частью воздуха, необходимого для горения (б < 1). Идущий на образование этой первичной смеси воздух принято называть первичным. Воздух же, подаваемый в рабочее пространство топки дополнительно и независимо от потока топлива, называется вторичным. Большинство горелок промышленного типа работает именно по этому смешанному принципу. В этом случае, изменяя состав смеси, выдаваемой горелкой, можно переходить от чисто кинетического горения (б1 » 1) к чисто диффузионному (б1 = 0), проходя все промежуточные этапы между ними. Такой прием может служить еще одним способом регулирования горения.

Соотношение между количеством первичного и вторичного воздуха зависит в основном от сорта сжигаемого топлива. При уменьшении количества первичного воздуха количество первичной смеси уменьшается, она быстрее прогревается и раньше наступает воспламенение топлива. Поэтому при сжигании трудновоспламеняемых (малореакционных) топлив (например, антрацитов) первичного воздуха следует давать поменьше.

5. Основные стадии процесса горения топлива

Естественной основой установившегося процесса горения является поточная схема. Общее время, необходимое от начала до окончательного завершения процесса горения равно сумме времени всех последовательных стадий:

фполн = ф1 + ф2 + ф3 + ….

Пространственная протяженность всего процесса:

L = щ₁ф₁ + щ₂ф₂ +...,

где щ - скорость движения смеси.

Рис. 5.1. Поточная схема газообразного топлива.

Как видно из схемы, при сжигании твердых топлив она усложняется процессом предварительной подсушки топлива, что затягивает начальный период прогрева топлива. После прогрева начинается стадия пирогенетического разложения с выделением летучих и коксообразованием. Первичный состав летучих под воздействием среды и высокой температуры сам претерпевает глубокие изменения, окончательно газифицируясь перед вступлением в интенсивный процесс горения.

Начало выхода летучих зависит от химического возраста твердых топлив. Например, молодые угли начинают выделять летучие при 170…200 °С, антрациты - при 400 °С. Выделяясь при сравнительно умеренных температурах и смешиваясь с потоком воздуха, летучие первыми проходят все предварительные стадии процесса и первыми воспламеняются. Это определяет их роль как зачинателей процесса. Выделяемое ими тепло способствует температурной активизации твердого углерода кокса, хотя нередко выделяющиеся из куска топлива летучие сами задерживают вступление кокса в активный процесс, создавая вокруг него газовую оболочку, препятствующую доступу кислорода. Углерод кокса, прогреваясь за счет тепла сгорания летучих, вступает в процесс с некоторым запозданием, уже после практического завершения выхода летучих, перехватывающих кислород на собственное сгорание.

Роль коксовой (углеродной) основы топлива в развитии общего массового процесса отлична от роли летучих. Проявляя известную инертность в отношении вступления в активный процесс, особенно сказывающуюся у топлив с отощенной горючей массой, коксовый углерод обладает исключительной способностью к устойчивому продолжению процесса до исчерпания запаса топлива в топке, если такой запас имеется. В последнем случае активно горящая коксовая основа является фактором устойчивости всего процесса в целом и при соответствующей его организации может обеспечить своим теплом все нужды предварительных (начальных) стадий.

Обязательным условием нормальной работы топочных устройств является бесперебойный отвод продуктов сгорания и образующегося шлака. Однако задача организации удаления шлака осложняется рядом факторов.

На поведение шлака в топочной камере существенное влияние оказывают состав минеральных примесей и характер газовой среды (что собственно определяет температуру плавления шлака), температурный режим, аэродинамика топки и другие факторы.

В слоевых топках вывод шлака осуществляется в гранулированном виде. В зависимости от мощности котла в слоевых топках может быть осуществлено периодическое либо непрерывное удаление шлака из топки.

В камерных топках при пылевидном сжигании твердые очаговые остатки могут удаляться как в гранулированном (твердом) виде, так и в расплавленном (жидком). По этому принципу разделяются топки с гранулированным и жидким шлакоудалением.

Литература

1. https://lms.kgeu.ru/ Электронный университет КГЭУ - виртуальная образовательная среда.

Размещено на Allbest.ru