7_Teoreticheskie_osnovy_protsessy_gorenia

153

Кроме того, в присутствии водяных паров на раскаленной поверхности углерода происходит газификация углерода нелетучего остатка по реакциям:

C + H2 O → CO + H2 (высокотемпературная область);

C + 2H2 O → CO2 + 2H2 (низкотемпературная область).

Так как реакция горения углерода является гетерогенной, то скорость ее протекания зависит от организации подвода кислорода к поверхности углеро- да и скорости химической реакции. Подвод O2 осуществляется за счет турбу-

лентной и молекулярной диффузии. Происходящие побочные реакции (обра- зование CO за счет восстановления CO2 и догорания CO в CO2 ) оказывают

влияние на итоговую скорость горения углерода. Наиболее вероятна такая схема: на поверхности углерода образуется CO2 , затем C + CO2 → 2CO ; да-

лее в зоне с большим содержанием кислорода 2CO + O2 → 2CO2 .

Скорость гетерогенного горения, выраженная через количество кисло- рода, потребляемого единицей поверхности частицы, описывается следую- щим выражением:

где k – константа скорости химической реакции; αд – константа скорости

диффузии.

Интенсификация процесса горения может быть осуществлена улучше- нием газообмена у поверхности углерода (рис. 7.4).

7.4.1. 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 (αд >> k , поэтому в фор-

муле 7.15 величиной 1αд можно пренебречь по сравнению с 1k ) и его сле-

дует 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 разви- вается в диффузионной области (1k << 1αд ) и его следует рассматривать

с чисто физической стороны.

7.5.Горение натуральных топлив

7.5.1.Горение газового топлива

Газовое топливо сжигают методом струйного ввода в топочную камеру горючей смеси его с воздухом, образованной в горелке. Зажигание осуществ-

ляют по периферии струи за счет эжектирования горячих топочных газов из окружающей среды. В потоке воспламенение происходит в тонком слое га-

155

зов. От воспламенившегося слоя посредством турбулентного обмена тепло передается прилегающим слоям, вызывая их последовательное воспламене- ние. В каждый момент химическое реагирование протекает в тонком слое, на- зываемом пламенем. Таким образом, горение происходит путем распростра- нения пламени в турбулентной струе горючей смеси, поступающей в топоч- ную камеру.

Для интенсификации сжигания газового топлива необходимо ускорить смешение его с воздухом и создать условия для увеличения скорости турбу- лентного распространения пламени и поверхности фронта пламени. Поверх- ность фронта пламени может быть увеличена организацией развитого зажи- гания по сечению горелки. Скорость турбулентного распространения пламе- ни определяется скоростью химического реагирования, которая увеличивает- ся с ростом температуры и концентрации реагирующих веществ. С целью по- вышения температуры смеси применяют предварительный подогрев воздуха, используемого для горения. Однако основной нагрев горючей смеси до ее воспламенения происходит в топочной камере за счет диффузии в нее высо- конагретых продуктов сгорания. Для ускорения тепло-и массообмена сжига- ние должно быть организовано в высокотурбулизированном потоке и, следо- вательно, в потоке с повышенной скоростью. При этом должно быть органи- зовано устойчивое зажигание, обеспечивающее воспламенение у устья горел- ки при высокой скорости истечения смеси из горелок.

7.5.2. Горение жидкого топлива

Температура воспламенения жидкого топлива (нефти, мазута) выше, чем температура кипения его. Поэтому при поступлении в зону высоких тем-

ператур капля мазута вначале испаряется с поверхности за счет подводимой теплоты, а затем пары топлива смешиваются с воздухом из окружающей сре- ды, подогреваются до температуры воспламенения и горят в газообразном со- стоянии. В результате на некотором расстоянии от капли rстех в зоне реакции

устанавливается стехиометрическое соотношение между горючими газами и кислородом и здесь устанавливается фронт горения (рис. 7.6), который для

случая горения капли жидкого топлива в неподвижной окружающей среде представляет сферу вокруг капли. Расстояние rстех составляет обычно 4–10

радиусов капли. Между каплей и фронтом горения идет интенсивное движе- ние паров топлива. Здесь практически нет кислорода и коэффициент избытка кислорода по отношению к парам топлива α <<1.

В зоне реакции имеет место химическое равновесие между количества- ми топлива и окислителя (α =1), а за ней идет догорание остатков топлива и отвод продуктов сгорания. Навстречу им к зоне реакции диффундирует окис- литель. Здесь он в избытке, и α > 1. Концентрации паров топлива Cт и окисли-

теля (кислорода) Cок резко уменьшаются в пределах зоны горения в результа-

159

ции реакции E = 147 МДж/моль. Универсальная газовая постоянная R = 8,31 Дж/(моль×К).

Решение: в первом приближении константы k0 = const . Отношение ско- ростей реакций находим по формуле:

При увеличении температуры возрастают скорости движения молекул и частота соударения молекул. Соотношение констант k0 находим по формуле:

Общее увеличение скорости реакции находим по формуле:

k1 = 2,49 ×1,052 = 2,62. k2

2. Определить энергию активации реакции горения коксовой частицы бурого угля по уравнению C+ O2 = CO2 , если известно, что при снижении тем-

пературы протекания реакции с t1 = 1500 °С до t2 = 1400 °С, скорость реак- ции снижается в 1,5 раза. В первом приближении константы k0 = const . Уни-

версальная газовая постоянная R = 8,31 Дж/(моль×К). Решение: отношение скоростей реакций имеет вид:

Выражаем энергию активации и находим ее значение:

7.6.2.Контрольные вопросы

1.Что такое гомогенные и гетерогенные химические реакции?

2.По каким показателям определяют скорость горения в гомогенной и гетерогенной химических реакциях?

160

3.Какие основные факторы влияют на скорость химической реакции?

4.Почему скорости горения обычно выше расчетных, полученных на основе молекулярных балансов?

5.Ограничен ли диапазон концентраций, в пределах которых возможна реакция?

6.Как происходит горение газового топлива? Что такое активные цен- тры реакций горения?

7.Что такое разветвленная цепная реакция? При каких условиях цепная разветвленная реакция может развиваться?

6.Назовите стадии сгорания частиц твердого топлива. Какова роль влажности топлива и летучих веществ при сжигании твердого топлива?

8.Дайте характеристику областям горения топлива. В каких областях начинается и заканчивается горение топлива? Чем определяется перемеще-

ние температурной границы между кинетической и диффузионной областью горения?

9.За счет чего мазутная капля сгорает быстрее твердой частицы топли- ва эквивалентного размера?

10.Почему зона горения испаряющейся капли мазута находится на уда- лении от ее поверхности?

11.Почему необходимо тонкое распыление поступающего на горение

мазута?

12.В чем выражается процесс диссоциации газов? При каких темпера- турах он происходит?