оличество вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции в единицу времени, определяет скорость горения.
На скорость горения влияет кинетика химической реакции окисления, а так же условия подвода окислителя к месту горения и отвода продуктов сгорания и теплоты. Протекание химической реакции окисления возможно при столкновении так называемых активных молекул, т.е. молекул, обладающих энергией, достаточной для разрушения внутримолекулярных связей, что сопровождается выделением теплоты.
Количество таких молекул тем больше, чем выше температура. Энергия, выделяемая при химической реакции окисления, идет на активизацию других молекул, и чем выше температура, тем больше молекул достигает порога активизации.
При определенной для каждого топлива температуре, зависящей так же от состояния топлива, его влажности, возникает достаточное количество теплоты, обеспечивающее дальнейшее самопроизвольное, без дополнительного подвода теплоты, протекание процесса горения. Такую температуру называют температурой воспламенения. Температура воспламенения, для различных видов топлива, в градусах Цельсия:
Природный газ |
530 |
Антрацит |
600..700 |
Окись углеродаCO |
650 |
Каменный уголь |
470..500 |
Водород |
580 |
Кокс |
700..750 |
Мазут (пары) |
85..125 |
Бурый уголь |
250..450 |
Мазут (жидкий) |
590 |
Дрова |
300 |
|
|
Торф |
225 |
Основы горения
В процессах горения в качестве окислителя используется кислород воздуха. Состав воздуха по объему приблизительно следующий:
Азот - 78%
Кислород - 21%
Аргон - 1%
Двуокись углерода - <0.1 %
Прочее - Следы
Как видно, воздух состоит в основном из азота. Поэтому, когда при горении используется воздух, реально потребляется только одна пятая часть воздуха (или 23% массы). Однако в интенсивных условиях горения азот при смешении с кислородом формирует загрязняющие элементы - оксиды азота.
Атомные составляющие топлива находятся в разных пропорциях, зависящих от вида топлива. Большинство элементов сгорают с воздухом, вырабатывая при этом теплоту и продукты сгорания.
К продуктам сгорания принадлежит, в основном, азот, который не вступил в реакцию с воздухом для горения, а так же вода и двуокись углерода. В зависимости от качества горения и состава топлива, образуются так же и другие продукты сгорания.
Типы горения
При сжигании газообразных топлив взаимодействие их молекул с окислителями происходит во всем объеме, т.е. горение протекает во всех точках объема. Такое горение называют гомогенным. При сжигании жидких и твердых топлив взаимодействие их с кислородом воздуха происходит на поверхности раздела фаз. Такое горение называют гетерогенным. В этом случае скорость протекания процесса горения зависит от способа подвода воздуха к топливу и отвода продуктов сгорания и теплоты. Эти факторы влияют на организацию процесса сгорания и конструкции топочных устройств.
Соотношение между скоростью диффузии окислителя к месту реакции и скорость протекания реакции окисления определяют тип горения.
Если скорость диффузии окислителя к месту реакции меньше кинетической скорости протекания самой реакции, (что может быть при недостаточном перемешивании окислителя с топливом), то результирующая скорость зависит от скорости диффузии. Такое горение называют диффузионным. Если скорость диффузии окислителя к месту реакции больше кинетической скорости химической реакции, что может быть при интенсивном омывании окислителем и низкой температуре, то результирующая скорость горения зависит от скорости химического превращения. Такое горение называют кинетическим. Когда скорость химического превращения соизмерима со скоростью диффузии, то горение называют диффузионно - кинетическим.
Стадии горения твердого топлива
Сжигание натурального твердого топлива не сводится к простым процессам окисления его горючих элементов в исходном состоянии, а проходит в несколько стадий.
Процессу горения твердого топлива предшествует тепловая подготовка его частиц, включающая подогрев топлива, испарение влаги и выделение летучих веществ. Все эти процессы эндотермические, т.е. требующие подвода теплоты. Для некоторых топлив эти затраты достигают 20...30% всей теплоты сгорания.
Влага испаряется из топлива при температуре 1000С. При дальнейшем повышении температуры из частиц топлива выделяются летучие вещества. Температура максимального выделения летучих веществ зависит от химического возраста топлива и составляет 200...4500С. Летучие вещества топлива загораются при температуре воспламенения, а выделяющаяся теплота способствует прогреву частиц и дальнейшему выделению из них летучих.
Большую часть общего объема горения занимает гетерогенное горение твердого топлива коксового остатка, который в основном состоит из углерода. На полноту и скорость его горения влияет химический состав золы. В процессе горения коксового остатка фронт реакции перемещается к центру частиц. Поэтому увеличивающийся слой золы ухудшает условия подвода окислителя к месту реакции и отвода продуктов сгорания.