Воспламенение и тушение кокса

При сжигании твердое топливо претерпевает ряд превращений: удаление H₂O, выделение летучих веществ, горение твердого остатка. Не смотря на сложность процесса, сопровождающегося к тому же горением продуктов сухой перегонки, решающая роль в нем принадлежит горению углерода твердого остатка, которое начинается с воспламенения. В теории воспламенения использован метод академика Семенова. Согласно этой теории поверхность твердого углерода омывается кислородосодержащим газом с температурой в его ядре τ.

Приняты следующие условия:

1. Первоначально до наступления реакции твердая поверхность нагревается от газа до температуры равной τ.

2. После начала взаимодействия температура Т поверхности углерода увеличивается и становится больше τ.

3. Во время горения температура ядра газового потока τ остается постоянной. Процесс воспламенения и тушения определяется соотношением скоростей и отвод тепла. Скорость выделения тепла гетерогенного процесса qвыд=Q∙Vнаб определяется количеством тепла, выделяющегося за счет реакции в единицы поверхностив единицу времени, где Q- тепловой эффект реакции горения, отнесенный к единицы поверхности Vнаб – макроскопическая скорость химической реакции, т.е. количество кислорода, израсходованного в единицу времени с единицы поверхности.

Лекция №4

!27!

В отличие от гомогенного горения qвыд и Vнаб изменяется по S-образной кривой а, отражающей при низких температурах кинетические закономерности, при высоких – диффузионные. Кривые б – скорости отвода тепла при различных температурах кислородосодержащего газа. Скорость отвода тепла – количество тепла, отданного газовому потока с единицы реакционной поверхности углерода в единицу времени.

qотв=альфаприв

альфаприв – приведенный коэффициент теплообмена

При разных температурах тау Qотв отображается семейством эквидистантным кривых б.

Возможны слеующие случаи:

1. Газовый поток имеет низкую температуру тау 1. Вначале при Т=тау 1. qотв=0=> Qвыд>отв. Это ведет к увеличению температуры поверхности кокса с соответствующим увеличением скорости реакции и скорости выделения тепла по кривой а. За счет роста Т в реакционном пространстве при постоянной температуре тау кислородосодержащего газа разность Т-тау появляется и увеличивается и, следовательно начинается теплообмен с окружающей средой и скорость отвода тепла увеличивается по линии б1. Когда температура поверхности достигнет значения Т1 (точка m) наступает устойчивое тепловое равновесие qвыд=Qотв и дальнейшие разогрев кокса прекращается. Если по какой то причине произойдет увеличение Т больше Т1, то возникнет неравенство qотв>qвыд. Реакция дет в кинетической области, крайне медленно, температура поверхности кокса мала и такой процесс называется окислением.

2. Случай б) Высокая температура газового потока В интервале тау 2 – Т2 кривая скорости выделения а проходит выше кривой скорости выделения б2, т.е. в этом интервале температур qвыд>qотв в результате поверхность кокса непрерывно разогревается до температуры Т2, при которой так же устанавливается устойчивое тепловое равновесия qвыд=qотв и стационарный режим горения n. В данном случае процесс сместился в диффузионную область. Протекает сравнительно быстро при высокой температуре поверхности кокса и такое взаимодействие называется интенсивным горением.

3. Случай в) Температура газового потока тау’’кр такова, что линия б’’кр касается кривой а в точке p. При температуре Т''₃ тепловое равновесие неустойчиво, хотя qвыд равна скорости отвода тепла, но достаточно небольшого превышения Т над Т''₃ как qвыд станет больше qотв. В результате саморазогрев поверхности кокса вплоть до температуры Т₃ соответствующей точке К при котором режим становится стационарным, т.е. Т₃ – температура воспламенения. Воспламенение заключается в том, что при температуре газа незначительно превышающей тау ''кр скорость процесса и температуры в реакционной зоне скачкообразно увеличиваются и режим горения переходит из кинетической области в диффузионную, точнее сказать процесс переходит от интенсивного окисления к интенсивному горению, далее горение происходит в диффузионной области, и увеличение скорости газового потока до определенного предела ведет к увеличению скорости процесса.

Обратный переход от горения к медленному окислению, который называют тушением горячей поверхности кокс, которое происходит при более низкой температуре газового потока чем воспламенение. Пусть тау=тау 2. Этой ситуации отвечает стационарное горение при температуре поверхности кокса Т2. При охлаждении газового потока до температуры тау'' 2 температура кокса уменьшится до температуры Т3 с сохранением однако устойчивого теплового равновесия и высокотемпературного горения. Чтобы потушить кокс необходимо уменьшить температуру газа до тау ‘кр, которое меньше тау ‘’кр, т.е. когда линия б’кр касается кривой а в ее верхней части в точке S. Незначительное повышение температуры газового потока ниже тау 'кр приведет к неравенству qотв>qвыд, которое вызовет резкое охлаждение реакционной поверхности кокса с существенным изменением скорости реакции и скорости выделения тепла по кривой а. Устойчивый процесс медленного окисления устанавливается в точке u. Воспламенение поверхности углерода кокса связано с его нагреванием до таких температур, выше которых скорость выделения тепла за счет химической реакции становится больше скорости отвода тепла. Это вдет к накоплению тепла на поверхности углерода, ее разогреву и переходу процесса в устойчивое высокотемпературное горение. Температура воспламенения – температура, выше которой происходит скачкообразный переход от окисления к горению, от кинетического режима к диффузионному, т.к. воспламенение начинается в кинетической области, указанная температура определяется в значительной мере положением кинетической ветви S-образной кривой а. Чем выше она расположена, т.е. чем больше скорость химической стадии, тем ниже температура воспламенения. Любые факторы, увеличивающие скорость химического превращения на твердой поверхнсти (увеличение концентрации О2 в газе, ) облегчают воспламенение и наоборот. При тушении угля происходит обратный переход от диффузионного Процесса к кинетическому, причем чем выше температура воспламенения кокса, тем меньше и температура тушения и наоборот.