ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Основные сведения из теории горения из "Организация и регулирование режимов камерного сжигания угольной пыли" Горением топлива называется сложный физико-химический процесс его окисления, характеризуемый значительной скоростью тепловыделения и развитием высоких температур. В этом отличие горения от низкотемпературного окисления, скорость которого столь мала, что выделяющееся тепло рассеивается в окружающую среду, не вызывая сколько-нибудь заметного повышения температуры. [c.7] Скорость химической реакции возрастает с повышением температуры вступающих в реакцию веществ. Для того чтобы вызвать горение топлива, необходимо первоначально нагреть его от внешнего источника тепла до некоторой температуры, после достижения которой для поддержания температуры процесса уже не требуется внешнего источника тепла. Переход от окисления при внешнем подогреве к самообеспечивающемуся горению топлива (или топливно-воздушной смеси) именуется процессом воспламенения (или зажигания) топлива. [c.7] В зависимости от вида и химического состава топлива физический характер процесса горения может быть существенно различным. Газообразное топливо образует с окислителем (воздухом) однофазную (гомогенную) смесь, легко воспламеняющуюся и быстро сгорающую горение распространяется на весь объем смеси. При сгорании жидкого топлива также образуется гомогенная смесь паров топлива с воздухом, однако горению предшествует испарение с поверхности частиц распыляемого жидкого топлива. [c.7] При нагревании некоторая часть горючей массы твердого топлива, содержащего углеводородные соединения, разлагается и выделяется в виде горючих паро-и газообразных продуктов, получивших название летучих . Твердый коксовый остаток после разложения состоит практически только из углерода и золы. Количество летучих, выделяющихся в процессе пирогенети-ческого разложения топлива ( выход летучих ), является важнейшей технической характеристикой топлива, определяющей условия его сжигания. Летучие образуют с воздухом однофазную (гомогенную) смесь и сравнительно легко воспламеняются и сгорают. Тепловыделение от сгорания летучих при значительном их выходе обеспечивает быстрый подъем температуры процесса, разогрев и активное горение коксового остатка. Технически более сложную задачу представляет сжигание топлива с малым выходом летучих. В этом случае после сгорания летучих дополнительно требуется значительное количество тепла от внешних источников для перевода коксового остатка в фазу активного горения. [c.8] Рассмотрим процесс воспламенения и горения твердого топлива, лишенного летучих, т. е. физически однородного. Химическим содержанием процесса горения в этом случае является соединение углерода с кислородом воздуха. Опытами установлено, что в результате взаимодействия кислорода с раскаленной углеродной поверхностью одновременно образуются оба окисла углерода СО2 и СО. В объяснение этого предложена гипотеза об образовании первоначально сложного комплекса тнпа СхОу, расщепляющегося затем на СО2 и СО. Этим первичным реакциям сопутствуют вторичные реакции восстановления СО2 на поверхности углерода по уравнению С02 + С = 2С0 и догорания СО по уравнению 2С0-Ь +0г = 2С02 в объеме газов, окружающих угольную частицу. [c.8] Горение твердого топлива в воздушной ореДе йтМб-сится к так называемым гетерогенным химическим реакциям. Отличительной особенностью такой реакции является неодинаковое агрегатное состояние вступающих в реакцию веществ (в нашем случае — твердое и газообразное). Скорость гетерогенной реакции измеряется количеством вещества, реагирующего (или образующегося) в единицу времени а единице товерхности раздела фаз, т. е. поверхности частиц топлива. [c.9] Как видно из уравнения (1), скорость реакции пропорциональна концентрациям реагентов в степени, равной их стехиометрическим коэффициентам. Сумма показателей степени при концентрациях реагентов в уравнении (1), равная общему числу молекул, вступающих в соединение, называется порядком реакции. В данном случае он равен т + п. Следует заметить, что очень часто наблюдаемый порядок реакции отличается от суммы стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции и может оказаться даже дробным. Объясняется это тем, что уравнение реакции в таких случаях показывает лишь соотношение между исходными и конечными продуктами химического процесса, в то время как в действительности имеет место ряд промежуточных химических превращений, влияние катализаторов и др. [c.9] В случае горения углерода скорость реакции при постоянной температуре будет, очевидно, зависеть только от концентрации кислорода. Концентрация углерода на реагирующей поверхности здесь остается неизменной. [c.10] Рассмотрим условия теплового равновесия угольной частицы, находящейся в воздушной среде. Это равновесие определяется балансом количеств тепла, выделяющегося при окислении частицы ( химическое тепло Qx) и отдаваемого ею в окружающую среду ( физическое тепло С ф). Очевидно, что при этом существует некоторая положительная разность температур между частицей и окружающей ее средой. [c.10] Дальнейшее повышение температуры частицы не требует внешнего источника тепла. При превышении Та в частице появляется избыточное тепло, нарушающее тепловое равновесие п вызывающее прогрессирующий ее саморазогрев. Эта критическая температура Гв может быть названа температурой воспламенения частицы топлива. Очевидно, что в определяемый таким образом момент воспламенения скорость тепловыделения и самый уровень температуры Гв могут быть еще недостаточно высокими для того, чтобы соответствовать сформулированному выше определению горения. Для перехода частицы топлива в фазу активного горения требуется дополнительный период времени для накопления тепла в частице и саморазогрева ее, называемый периодом индукции. [c.11] Так как температура среды принимается неизменной, то (Г—Го)=сгГ. [c.12] Точка Б определяет равновесное состояние частицы при очень высокой температуре. Это равновесие неустойчиво, так как снижение температуры должно. вернуть состояние частицы к точке А, а повы-щение температуры — привести к дальнейшему саморазогреву. Режим, соответствующий точке Б, не имеет практического значения, так как потребовался бы мощный высокотемпературный источник тепла, чтобы довести частицы до этого состояния. [c.12] Соответствующая ей температура Тъ является минимальной температурой частицы, при которой наступает саморазгон реакции окисления — воспламенение. Точно так же температура среды, определяющая кривую 26, является минимальной, при которой частица, находящаяся в равновесии со средой, достигает воспламенения. [c.13] В рассмотренном процессе частица при всех промежуточных температурах до ее воспламенения находится в состоянии теплового равновесия со средой. Это означает, что если в любой промежуточный момент прекратить нагревание, то тепловое состояние частицы по отношению к среде останется на уровне, достигнутом к этому моменту. Такие процессы называются квазиста-ционарными и характеризуются малой скоростью. Посмотрим, что изменится, если скорость нагревания будет настолько высокой, что тепловое равновесие частицы и среды не будет успевать устанавливаться. [c.13] Если от внешнего источника тепла нагревать только частицу (лучистый теплообмен), температура ее по отношению к среде будет выше, чем в равновесном процессе. Соответственно возрастает и скорость отдачи тепла от частицы к среде. Однако и в этом случае общий характер воспламенения останется подобным рассмотренному в равновесном процессе. Отличие его будет заключаться в том, что благодаря большей скорости теплоотдачи температура частицы в момент ее воспламенения будет несколько выше, чем в равновесном процессе. [c.13] В этом случае определение момента и температуры воспламенения теряет четкость. За момент воспламенения условно здесь можно принять момент уравнивания температур частицы и среды. [c.14] Самый ход рассуждений, который привел к формулировке понятия воспламенения, со всей очевидностью показывает, что температура воспламенения не может являться константой даже для заданного конкретного топлива. Уровень ее зависит от условий теплообмена частицы с окружающей средой, а также и от методики ее определения. Возвратившись к рис. 1, заметим, что коэффициент теплообмена а определяет угол наклона кривой теплоотдачи к оси абсцисс. Измене1ние а при прочих равных условиях неизбежно вызовет соответствующее перемещение точки касания В и изменение температуры Гв. [c.14] В качестве примера можно привести следующие результаты определений температуры воспламенения антрацита, выполненных различными исследователями (см. таблицу). [c.14] Температура воспламенения может служить важной характеристикой для сравнительной оценки воспламеняемости различных топлив и необходимых условий для воспламенения. Следует лишь иметь в виду, что для этих целей необходимо использовать данные, полученные в сходных с рассматриваемым случаем условиях (нап ример, для пылевоздушной смеси тонкости и концентрации пыли), и что сопоставимы для различных видов топлива лишь значения Гв, полученные по одной и той же методике определения. [c.15] В уравнении (6), сохраняющем форму кинетического уравнения реакции, выражение / р/(/С+,р) играет роль обобщенной константы скорости реакции. Как К, так и р зависят от температуры процесса, но характер этих зависимостей различен. Для величины К, подчиняющейся закону Аррениуса, характерно медленное возрастание при низких температурах и резкое ускорение роста при высоких температурах. Значение коэффициента диффузии изменяется более плавно — пропорционалвно абсолютной температуре в степени 1,5—2. [c.16] Вернуться к основной статье