Топливо и его горение

Для получения тепловой энергии в печах используют различные виды топлива, которые классифицируют по происхождению и агрегатному состоянию.

Общую классификацию топлив можно представить в виде таблицы.

Агрегатное состояние топлива	Предисловие
	естественное	искусственное
Твердое	Дрова, торф, бурый уголь, каменный уголь, антрациты, горючие сланцы	Древесный уголь, кокс, угольная пыль
Жидкое	нефть	Бензин, керосин, мазут, спирт, каменноугольная смола и др.
Газообразное	Природный газ	Коксовый, доменный, светильный, генераторный, водяной, конверторный газы, газ ферросплавных печей

Следует учитывать, что в печах используются не все из указанных в таблице видов топлив. В основном в печах применяется :

Кокс – в доменных печах, кузнечных цехах; природный газ – в нагревательных и плавильных печах; коксовый, доменный, генераторный, конвертерный газ и газы ферросплавных печей – могут использоваться в нагревательных, плавильных, коксовых печах, заводских ТЭЦ, котлах-утилизаторах и для других нужд.

Свойства топлива, в значительной степени, зависят от его химического состава. Основными горючими составляющими всех топлив являются углерод (С), водород (Н) или их производные, а также сера.

В топливе различают:

• органическую массу:

;

• горючую массу:

;

• сухую массу:

;

• рабочую массу:

,

где - содержание золы в топливе;

- содержание влаги в топливе.

При сжигании топлива выделяется тепловая энергия, количество которой зависит от химического состава топлива.

Количество тепла, которое выделяется при сжигании 1 кг и 1 м топлива – называют теплотой сгорания топлива (теплотворная способность топлива). Различают высшую и низшую теплоты сгорания топлива.

Количество тепла выделяемое при сжигании единицы массы (1 кг) или единицы объема (1 м ) топлива без учета тепла расходуемого на испарение влаги топлива - называют высшей теплотворной способностью .

Низшая теплотворная способность учитывает тепло, расходуемое на испарение влаги топлива и это тепло удаляется с продуктами сгорания.

В практических расчетах пользуются величиной низшей теплотворной способности, которая больше соответствует действительному положению дел, так как при сжигании топлива водяные пары уносятся с продуктами сгорания.

В инженерной практике теплоту сгорания топлива определяют расчетным путем по элементарному составу топлива.

Теплотворную способность жидкого и твердого топлива определяют по формуле Д. И. Менделеева

=338 +1252 -109( - ) – 25( +9 ), кДЖ/кг

Теплотворную способность газообразного топлива определяют по формуле:

=127,7СО+108Н₂+358СН₄+590С₂Н₄+555С₂Н₂+636С₂Н₆+913С₃Н₈+1185С₄Н₁₀+ +1465С₅Н₁₂+234Н₂S

Для сравнивания качественных показателей использования различных топлив введено понятие условного топлива.

Условным топливом называется топливо с теплотворной способностью 29,3 МДж/кг (7000 ).

Для перевода заданного топлива в условное можно применить формулу:

В_усл = , кг усл. т.

Основы теории горения

Горение - это интенсивное окисление горючих составляющих топлива с выделением тепла. Как правило, окислитель – кислород воздуха. В некоторых случаях в воздух дутья добавляют технический кислород до 35% от объема воздуха.

Для обеспечения процесса горения необходимо обеспечить эффективное смешение топлива и воздуха, т.е. процесс смесеобразования всегда предшествует процессу горения.

С повышением температуры скорость реакции окисления увеличивается. С достижением температуры воспламенения скорость окислительных реакций резко возрастает и процесс окисления переходит непосредственно в горение.

Температура воспламенения некоторых топлив в воздухе при атмосферном давлении:

водород (Н₂) – 530 С

метан (СН₄) – 645 С

угарный газ (СО) – 610 С

кокс (С) – 900 С

мазут (С) – 300 ÷ 350 С

Необходимо также учитывать, что газовоздушные смеси имеют верхний и нижний концентрационные пределы воспламенения.

Движение газовоздушной смеси и интенсивное перемешивание (турбулизация) способствует значительному ускорению горения. Полная длительность протекания процесса горения _ складывается из длительности смесеобразования _см и непосредственно самого горения _гор. Процесс смешения топлива с воздухом (окислителем) более длительный, чем сам процесс горения, который определяется скоростью протекания химических реакций.

В зависимости от способа подачи газа и воздуха в топку печи, а также условий их смешения, возможны диффузионный, кинетический и смешанный принципы организации процессов горения.

При диффузионном сгорании топлива происходит раздельная малоинтенсивная подача топлива и воздуха в топку. Определяющим фактором горения является скорость смешения топлива с воздухом, который может протекать в ламинарном или турбулентном режиме. При ламинарной диффузии процесс смешения затягивается, что приводит к снижению температуры ядра факела. При турбулентной – происходит интенсивное перемешивание масс воздуха и топлива, время смешивания сокращается, температура ядра факела растет. При внешнем смесеобразовании получают длинный факел максимальной светимости, температура подогрева воздуха, в этом случае, не ограничена.

При кинетическом горении процесс смесеобразования происходит в пределах горелочных устройств и в топку подается готовая газовоздушная смесь. Процесс горения определяется, в этом случае, скоростью протекания реакций. При организации кинетического горения температура ядра факела будет максимально возможная, для данного топлива и условий смесеобразования и максимально приближенная к калориметрической температуре .

При кинетическом сжигании топлива получают короткий, мало светящийся факел.

При смешанном принципе сжигания часть воздуха (первичный воздух) подается в горелочное устройство, для предварительного смесеобразования с топливом, остальной (вторичный воздух), необходимый для горения, подается непосредственно в топку. При этом образуется два фронта горения: кинетический и диффузионный. Полное сгорание топлива в этом случае определяется скоростью диффузионного этапа горения.

Необходимо отметить особенности сжигания газообразного, жидкого и твердого топлива.

Процессы горения топлива можно разделить на гомогенное и гетерогенное.

Гомогенное горение происходит в объеме однородной газовоздушной смеси, т.е. когда топливо и воздух находятся в одном агрегатном состоянии. В этом случае молекулы топлива и воздуха равномерно можно распределить в объеме факела.

Гетерогенное горение происходит на поверхности частиц жидкого и твердого топлива. Топливо и окислитель находятся в разном агрегатном состоянии, а сам процесс горения условно можно разделить на три этапа:

1. прогрев частицы,

2. испарение, выход и воспламенение летучих,

3. горение коксового остатка.

Чем меньше диаметр капли или размер твердой частицы, тем быстрее проходят все эти три этапа и тем большая эффективная поверхность контакта частиц и воздуха.