9Нр соответствует количеству воды, образующейся при сгорании Нр всех

видов топлива, по стехиометрическому уравнению (цепная реакция):

2Н + 0,5O = Н2O. (4.7)

Высшая теплота сгорания твердого и жидкого топлив определяется

экспериментально калориметрическим методом.

Низшую теплоту сгорания твердого и жидкого топлива (кДж/кг) можно

рассчитать по эмпирической формуле, предложенной Д. И. Менделеевым:

Qp

н = 339Ср + 1035Нр – 109(Ор – Sр

л) – 25,1(9НР +Wр) ; (4.8)

50

В формуле (4.8) коэффициенты подобраны экспериментально и несколько

отличаются от теплот сгорания отдельных элементов.

Низшую теплоту сгорания газообразного топлива можно определить по

формуле (МДж/м3):

Qp

н = 0,127 СО + 0,108 Н2 + 0,358 СН4 + 0,234 Н2S +

+ 0,59 C2H4 + 0,638 C2H6 + 0,913 C3H8 + 1,4 C6H6 (4.8, a)

Для сравнения энергетической ценности различных видов топлива

вводится понятие условного топлива, теплота сгорания которого принята

равной Qусл = 29,33 МДж/кг (7000 ккал/кг).

Пересчет расхода твердого и жидкого топлива В (кг/с) в условное

Вусл проводится по формуле:

Вусл = В(Qp

н / Qусл) = ВｷЭк. (4.9)

Отношение Qp

н / Qусл = Qp

н / 29,33 = Эк ⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡

МДж/кг у.т.

МДж/кг р.т. называется

калорийным коэффициентом.

В случае газообразного топлива пользуются коэффициентом

теплоплотности: Эт = Qp

н / Qусл = Qp

н / 29,33

⎥ ⎥

⎦

⎤

⎢ ⎢

⎣

⎡

МДж/кг у.т.

МДж/м3 р.т.

.

С помощью этих коэффициентов оценивают также экономичность хранения

и транспортировки различных видов топлива. К примеру, торф имеет низкие

коэффициенты калорийности и теплоплотности, поэтому его нецелесообраз-

но транспортировать на большие расстояния.

Понятием условного топлива пользуются при планировании добычи

и потреблении топлива.

4.2.2. Основы теории горения

В теплотехнике горением называют процесс взаимодействия

топлива с кислородом. В качестве источника кислорода используют воздух,

воздушное дутье, обогащенное кислородом, или чистый кислород.

Сжигание топлива в пламенных печах осуществляется в факеле. Факел

_ это струя, состоящая из компонентов, обладающих различными физичес-

кими свойствами (топливо__________, воздух и продукты сгорания), в пределах которой

осуществляется горение. Собственно реакции горения протекают в узкой

полосе внутри факела, называемой фронтом пламени. Фронт пламени делит

факел на две зоны _ внутреннюю и внешнюю.

Во внутреннюю зону подается топливо и окислитель (либо только топливо),

туда же диффундирует из фронта пламени часть высокотемпературных

продуктов сгорания, во внешней зоне находятся продукты сгорания, либо

продукты сгорания и окислитель.

Горение представляет собой сложный физико-химический процесс, в

котором химическая реакция протекает совместно с рядом физических про-

цессов, включающих: перемешивание топлива с кислородом и образо-

51

вание горючей смеси, разогрев этой смеси за счет тепла продуктов

сгорания, а также отвод продуктов сгорания из зоны реакции.

Эти процессы являются важнейшей составной частью горения и опре-

деляют его особенности и скорость.

Наибольшее влияние на процесс горения оказывает самый медленный

из перечисленных процессов _ смешивание топлива с окислителем.

Перемешивание топлива с окислителем происходит с участием моле-

кулярной и конвективной диффузии. Если газообразное топливо и воздух

подаются во внутреннюю зону факела в виде раздельных параллельных

ламинарных потоков, то образование горючей смеси происходит преиму-

щественно за счет молекулярной диффузии. Интенсивность смешения

определяется в этом случае средней скоростью теплового движения молекул

газов и длиной пути их свободного пробега.

В высокотемпературных установках (пример, в печах) газовые потоки

обычно движутся в турбулентном режиме и их перемешивание осуществля-

ется за счет турбулентной конвективной диффузии, в процессе которой

переносятся не отдельные молекулы, а так называемые ｫтурбулентные

моли», заключающие в себе большое число молекул данного вещества.

Интенсивность смесеобразования при этом определяется величиной

пульсации скорости, степенью и масштабом турбулентности. Масштаб

турбулентного смешения на несколько порядков больше длины свободного

пробега молекул и, соответственно, скорость смесеобразования в последнем

случае значительно выше, чем при молекулярной диффузии. Однако реакция

горения протекает лишь в том случае, когда молекулы топлива и окислителя

подведены друг к другу на расстояние менее 5 _ 6 длин свободного пробега.

Масштаб пульсаций при турбулентности заведомо превосходит эту

величину. Поэтому завершение образования горючей смеси при турбулент-

ном движении происходит за счет молекулярной диффузии. Вместе с тем

турбулентные пульсации интенсифицируют молекулярную диффузию, так

как обеспечивают высокую концентрацию молекул реагирующих веществ в

местах контакта турбулентных молей топлива и окислителя.

Таким образом, оба механизма диффузии дополняют друг друга в процессе

смесеобразования, причем конвективная диффузия оказывает решающее

влияние.

Образование газовой горючей смеси при сжигании твердого или жид-

кого топлива имеет свои особенности. Вместе с тем и здесь имеет место сов-

местное взаимодействие молекулярной и конвективной диффузии, причем

последняя оказывает определяющее влияние на смесеобразование.

Для регулирования процесса смесеобразования применяют специаль-

ные устройства, называемые горелками, основной задачей которых является

обеспечение определенного режима перемешивания топлива с воздухом.

При сжигании жидкого топлива в горелку вставляется форсунка, задачей

которой является дробление топлива на мелкие капли перед перемешиванием

его с воздухом. Как правило, комбинация горелки с форсункой обычно и

называется форсункой.

52

Образование горючей смеси может осуществляться как вне факела, в

смесителе, (рис. 4.2, а), так и непосредственно в факеле (рис. 4.2, б).

В первом случае во внутреннюю зону поступает подготовленная в горелке

горючая смесь, во втором _ топливо и воздух подводятся отдельно и уже в

факеле происходит их перемешивание. Возможны и промежуточные схемы

подготовки горючей смеси, когда в зону горения подается частично переме-

шанная смесь.

Горение заранее подготовленной смеси называют кинетическим, а

горение, протекающее одновременно со смесеобразованием _ диффузион-

ным.

Рис. 4.2. Схема смешения топливной смеси: а – заранее подготовлена,

б _ раздельная подача компонентов; 1 – камера смешения

Эти термины подразумевают, что при сжигании предварительно подго-

товленной горючей смеси скорость горения определяется кинетикой реакции,

а при сжигании предварительно не подготовленной смеси _ скоростью

диффузионных процессов. Однако современные исследования показывают,

что термин ｫкинетическое горениеｻ не соответствует действительному

характеру горения предварительно подготовленной смеси. Скорость этого

процесса определяется, как правило, не только скоростью химической

реакции, но и скоростью молекулярной диффузии. В связи с этим термин

ｫкинетическое горениеｻ следует понимать как традиционное обозначение

горения предварительно подготовленной горючей смеси.

В зависимости от агрегатного состояния топлива различают горение

газа _ гомогенное горение, а горение твердого или жидкого топлива _

гетерогенное горение. При гомогенном горении газа процесс протекает

одновременно во всем объеме, заполненном разогретой горючей смесью.

При гетерогенном горении процесс протекает на границе раздела фаз,

(например, на поверхности частичек угля).

Характерной особенностью реакций горения является их высокая экзо-

термичность (выделение тепла). Поэтому на увеличение скорости горения

будет оказывать существенное влияние температура.

Процесс горения газового топлива состоит из нескольких стадий:

образования горючей смеси, подогрева смеси до температуры воспламенения

и ее горение.

Минимальная температура, при которой газ воспламеняется, называ-

ется температурой воспламенения. Эта температура не является физико-

53

химической характеристикой, а зависит от природы топлива, условий подво-

да и отвода теплоты и ряда других факторов.

Температура воспламенения водорода лежит в пределах 580 _ 590 ｰС,

оксида углерода 644 _ 658 ｰС, метана 650 _ 750 ｰС, этилена 542 _ 547 ｰС и

ацетилена 406 _ 440 ｰС. Знание температуры воспламенения имеет большое

практическое значение с точки зрения организации безопасного процесса

горения, так как пределы воспламенения и пределы взрываемости газов

практически совпадают.

Полное время сгорания топлива tг складывается из времени tд, необ-

ходимого для подвода окислителя к топливу (время смесеобразования) _ это

диффузионная стадия процесса и времени tк, необходимого для протекания

самой химической реакции горения _ кинетическая стадия горения:

tг = tд + tк. (4.10)

При сжигании газа возможны два предельных случая. Если tд ｻ tк, то

tг ≈ tд и горение называется диффузионным. В этом случае процесс горения

лимитируется в основном временем смесеобразования. Если же tк ｻ tд, то

tг ≈ tк и горение лимитируется временем самой химической реакции.

Важнейшим условием интенсивного и полного горения является хоро-

ший контакт окислителя с горючим и, следовательно, хорошее смесеобразо-

вание газа с воздухом.

Диффузионный принцип сжигания осуществляется при раздельной

подаче газа и воздуха. Различают два вида диффузионного горения:

ламинарное и турбулентное в зависимости от скорости потока газа и их

различие определяется значением числа Рейнольдса (ламинарный режим

переходит в турбулентный при Re > 2200).

Особенностью ламинарного горения является крайне медленное смесе-

образование и низкая интенсивность процесса из-за плохой теплопровод-

ности газов. При ламинарном движении газа и воздуха их смешение происхо-

дит преимущественно за счет молекулярной диффузии, а устойчивый фронт

пламени, т. е. слой, отделяющий несгоревшую смесь от продуктов сгорания,

устанавливается в зоне стехиометрического состава смеси.

Для реакций, протекающих в пламени при ламинарном режиме горе-

ния, в качестве основной характеристики принимают скорость нормального

распространения пламени uн (м/с), представляющую собой линейную

скорость перемещения фронта пламени по направлению, нормальному к

поверхности фронта в данной точке. В свежей смеси, движущейся навстречу

пламени со скоростью w = ин, фронт пламени занимает стационарное

положение. Выражение для расчета нормальной скорости при этом может

быть получено из теплового баланса для стационарного фронта пламени как

равенство теплоты, воспринимаемой продуктами горения: uн ρоср (Тг _ T0)

и теплотой, передаваемой путем молекулярной теплопроводности, свежей

горючей смеси (Дж/м2ｷс):

54

q = uн ρоср(Тг _ Tо) =

( )

λ δ г о T −Т

(4.11)

Считая δ равной толщине зоны горения δхим = ин txим (м), получим:

о хим хим

2

н ρ

λ

t

а

u с t

р

= = ; ин =

хим t

a , (4.12)

где То, ρо и ср – температура, плотность и теплоемкость свежей горючей

смеси; а = λ/срρо (м2/с) _ коэффициент температуропроводности;

uн ρо (кг/м2ｷс) – удельный массовый расход горючей смеси; txим (с) _ время

химической реакции в зоне горения (время сгорания).

Из выражения (4.12) следует важный качественный вывод, что скорость

распространения пламени зависит от теплофизических свойств горючей

смеси и времени сгорания. Так как время сгорания txим пропорционально

средней скорости химических превращений и зависит от температуры и

состава смеси в зоне реакции, то ин также зависит от этих параметров.

Рис. 4.3. Структура ламинарного диффузионного факела

Таким образом, скорость распространения пламени в определяющей

степени может характеризовать закономерности химических превращений,

происходящих в зоне горения.

Особенностью ламинарного диффузионного горения является растяну-

тый характер факела (рис. 4.3).

Сжигание термически неустойчивых газов в этом случае сопряжено с

большим химическим недожогом, поэтому такое сжигание в практике

используется редко.

Диффузионное горение газа в турбулентном потоке характеризуется

более сложным механизмом горения по сравнению с ламинарным. Сильное

влияние на длину факела оказывает вихревое закручивание струи газа и

воздуха и угол встречи этих струй. Меняя эти параметры, можно управлять

длиной факела в широких пределах. Благодаря преимуществам вихревого

потока обеспечивается хорошее смесеобразование и интенсивное горение.

55

Как ранее отмечалось, переход ламинарного диффузионного горения в

турбулентное для большинства газов происходит при числах Рейнольдса

Re > 2200.

Турбулентная скорость распространения пламени больше, чем ско-

рость при ламинарном горении за счет интенсивного перемешивания слоев

газа, а также за счет турбулентной составляющей температуропроводности и

диффузии. Скорость химического взаимодействия (горения) при этом увели-

чивается и tк сокращается. Турбулентная скорость распространения пламени

(ин

т) может быть определена зависимостью:

ин

т =

хим

т

t

a + а

, (4.13)

где а _ коэффициент температуропроводности, характеризующий молеку-

лярный перенос тепла, м2/с; ат _ коэффициент турбулентной температуро-

проводности, который пропорционален кинематическому коэффициенту

турбулентной вязкости и характеризует перенос тепла за счет турбулентных

пульсаций, м2/с. При развитой турбулентности ат ｻ а :

ин

т ≈

хим

т

t

а

. (4.14)

Так как кинематический коэффициент турбулентной вязкости растет с

увеличением числа Рейнольдса, окончательно получим:

ин

т ≈

хим

Re

t . (4.15)

Таким образом, скорость турбулентного распространения пламени при

мелкомасштабной турбулентности зависит от физико-химических свойств

горючей смеси и от гидродинамики потока.

При крупномасштабной турбулентности, когда масштаб пульсаций

больше ширины фронта пламени, горящие элементарные объемы смеси из

фронта пламени переносятся турбулентными пульсациями в прилегающие

к нему зоны потока, в том числе и в свежую смесь. В свою очередь,

элементарные объемы свежей смеси с помощью тех же пульсаций могут

попасть непосредственно в зону химической реакции, минуя зону подогрева.

В связи с этим фронт пламени в этом случае сильно развит.

Величина химической неполноты сгорания в турбулентном потоке

значительно ниже, так как при высокой интенсивности процесса тепломассо-

переноса уменьшается время нагрева газа и снижается возможность терми-

ческого разложения углеводородов.

Турбулентный диффузионный факел обеспечивает более равномерное

распределение температур и более равномерную теплоотдачу в рабочем

пространстве топочной камеры и применяется в основном, когда газ сжига-

ется в больших количествах.

Сжигание газа с недостаточным количеством воздуха применяется с

целью получения нейтральной защитной атмосферы в муфельных и электри-

56

ческих нагревательных печах. Нагрев металлических изделий в защитной

атмосфере предохраняет их от окисления и обезуглероживания.

При сжигании газа с количеством воздуха, составляющим 0,7 _ 0,8 от

теоретического, в продуктах горения содержатся СО и Н2, а при снижении

количества воздуха обнаруживаются метан и тяжелые углеводороды.

Сжигание при более низком количестве воздуха сопровождается крекингом

углеводородов с выделением сажи.

Для устойчивого горения газа с малым содержанием воздуха, напри-

мер, для природного газа и бутана (< 0,6), для коксового газа (< 0,45) требу-

ется дополнительный обогрев реактора для поддержания температуры в зоне

горения не ниже 1000 ｰС. При температуре порядка 1000 ｰС, как показывает

опыт, можно считать, что продукты горения находятся в условиях химичес-

кого равновесия. Поэтому в основу расчета составов защитных атмосфер

могут быть положены значения констант равновесия газовых реакций и урав-

нений материального баланса.

Сжигание топлива в жидком состоянии. Такое сжигание применяют

в случае трудно испаряющегося топлива (мазут, смолы, соляровое масло) в

топках паровых котлов, в промышленных печах и дизелях.

При горении жидкого топлива физическими стадиями процесса явля-

ются распыление топлива, прогрев его, испарение и образование горючей

смеси. В связи с этим при сжигании жидкого топлива возможны два случая:

− сжигание легко испаряющегося топлива, когда топливо заранее испа-

ряется, смешивается с воздухом и горючая гомогенная смесь подается в

камеру сгорания. В этом случае механизм и закономерности горения жидкого

топлива аналогичны горению газообразного топлива.

− сжигание топлива в жидком состоянии в случае трудно испаряюще-

гося топлива.

Существуют нижний и верхний пределы вспышки жидкого топлива.

Нижний предел соответствует температуре жидкого топлива, при которой

его пары в смеси с воздухом способны загораться от внешнего источника

зажигания. Верхнему пределу соответствует температура жидкого топлива,

при которой оно самовоспламеняется и горит вслед за вспышкой паров.

Мазут сжигается в печах в распыленном состоянии. Распыление прово-

дится в две стадии. Размер капель после первичного распыления зависит от

конструкции форсунки и от принципа ее работы. Вторичное дробление

капель происходит в процессе их движения в потоке в результате гидродина-

мического взаимодействия с окружающей средой.

При этом устойчивый размер капли мазута определяется по формуле:

к ξρ 2

8σ

w

d = , (4.16)

где ξ _ коэффициент гидравлического сопротивления; ρ _ плотность мазута,

кг/м3; w _ скорость движения капли, м/с; σ – поверхностное натяжение

мазута, Н/м.

57

Таким образом, тонкость распыления зависит от величины поверх-

ностного натяжения, плотности мазута и скорости движения капли.

Интенсификация сжигания жидкого топлива связана главным образом

с интенсивностью распыления и испарения. Для тонкого однородного распы-

ления и смесеобразования служат форсунки различного типа (механические,

паровые, воздушные и др.). Назначение процесса распыления или пульвери-

зации состоит в увеличении поверхности контакта жидкости с воздухом.

Воспламенение __________топлива происходит не сразу на выходе из форсунки, а

на некотором расстоянии, где создаются благоприятный состав смеси и

Рис. 4.4. Структура факела жидкого топлива

достаточно высокая температура (рис. 4.4). В случае, когда обеспечиваются

турбулизация струи и ее вихревое закручивание, как и при сжигании газа,

факел получается короткий, а сжигание более полное.

Высокая эффективность горения жидкого топлива достигается в цик-

лонных топках. Тепловая нагрузка топочного пространства в этом случае

может достигать 5 _ 10 МВт/м3.

Горение твердого топлива. Горение твердого топлива представляет

собой сложный физико-химический процесс, состоящий из ряда последова-

тельных и параллельных стадий: тепловая подготовка, включающая под-

сушку, выделение летучих веществ и образование кокса; горение летучих

веществ и кокса с образованием дымовых газов и золы.

Влага из топлива испаряется при температуре порядка 100 ｰС, а темпе-

ратура начала выхода летучих веществ зависит от геологического возраста

топлива. Так для бурых углей, их выделение начинается при 150 _170 ｰС.

Механизм горения топлива определяется горением кокса _ углерода,

составляющего основную горючую часть твердого топлива.

Летучие вещества оказывают влияние на горение кокса, так как вос-

пламеняются раньше и способствуют прогреву частиц кокса, а горение кокса

начинается после выгорания летучих веществ.

В общем виде горение углерода может быть описано следующей

схемой: С + О2 = СО2; (а)

2С + О2 = 2СО; (б)

58

С + СО2 = 2СО; (в)

2СО + О2 = 2СО2. (г) (4.17)

При пористой структуре кокса процесс горения протекает не только на

поверхности, но и в объеме частицы, куда кислород проникает посредством

диффузии.

Если твердое топливо, например каменный уголь, поместить в зону

горения, то сначала происходит сушка топлива, а затем его разложение с

выделением летучих веществ. Далее при достаточно высокой температуре

происходит воспламенение летучих компонентов. Горение в этой стадии

протекает так же, как горение мазута. После того, как частицы угля прогре-

ются до такой температуры, что основная часть летучих, заключенных в них,

выделится, пламя постепенно исчезнет. Момент окончания выхода летучих

веществ характеризует конец периода подготовки твердого топлива к горе-

нию. Длительность этого периода не превышает ~ 10 % от общего времени

горения частиц угля.

Второй период _ это период горения коксового остатка. Этот период

характеризуется быстрым разогревом оставшейся массы до температуры

~ 1400 _ 1500 0К, которая затем остается неизменной до конца процесса и

поддерживается за счет тепловыделения в ходе реакции. Горение в этот

период происходит без пламени. Оно занимает ~ 90 % всего времени горения

топлива.

В процессе горения коксового остатка перечисленные выше реакции

протекают одновременно, а также продолжается выделение остаточного

содержания летучих веществ и их горение. Скорость этого сложного процес-

са определяется наиболее медленной стадией _ горением твердого углерода.

Установлено, что скорость процесса горения углерода с повышением

температуры (до ~ 2100 0К) растет по закону Аррениуса и, следовательно,

является активационным процессом, а затем падает до температуры

~ 2600 0К, далее снова растет, но менее интенсивно. Такое поведение углеро-

да связано с перестройкой его кристаллической структуры, сопровождаю-

щейся образованием менее реакционного вещества.

Скорость выделения летучих компонентов зависит от размера частиц.

Мелкие частицы прогреваются быстрее и выделение летучих веществ у них

завершается в подготовительный период.

Время горения летучих веществ прямо пропорционально поверхности

частиц угля и лимитируется диффузией кислорода.

Таким образом, для увеличения скорости горения твердого топлива

необходимо предварительно подвергнуть его измельчению.