§ 2. Основы теории горения топлива

Характеристика процесса горения

Горением называется процесс взаимодействия топли­ва с окислителем, сопровождающийся выделением тепла, а иногда и света. Роль окислителя в большинстве случаев вы­полняет кислород воздуха. Всякое горение предполагает прежде всего тесный контакт между молекулами топлива и окислителя. Чтобы происходило горение, необходимо обес­печить этот контакт, т. е. необходимо смешать топливо с воздухом. Следовательно, процесс горения складывается из двух стадий: смешение топлива с воздухом и воспламене­ние и горение топлива.

В процессе горения образуется пламя, в котором про­текает реакция горения составляющих топлива и выделя­ется тепло. В технике при сжигании газообразного, жидкого и твердого пылевидного топлив применяют факельный метод сжигания. Факел — это частный случай пламени, ко­гда топливо и воздух поступают в рабочее пространство печи в виде струй, которые постепенно перемешиваются друг с другом. Поэтому форма и длина факела обычно определенные.

При факельном, наиболее распространенном в метал­лургии и машиностроении сжигании топлива аэродинами­ческую основу процесса составляют струйные течения.

На практике при создании устройств для сжигания топ­лива (горелок, форсунок) применяют различные конструк­тивные приемы (направляют струи под углом друг к другу, создают закручивание струй и др.) с тем, чтобы организо­вать смешение так, как это необходимо для конкретного случая сжигания топлива.

Различают гомогенное и гетерогенное горения. При го­могенном горении тепло- и массообмен происходят между телами, находящимися в одинаковом агрегатном состоя­нии. Гомогенное горение протекает в объеме топлива и свойственно газообразному топливу.

При гетерогенном горении тепло- и массообмен проис­ходят между телами, находящимися в разных агрегатных состояниях (в состоянии обмена находятся, газ и поверх­ность частиц топлива). Такое горение свойственно жидко­му и твердому топливам.

Гомогенное горение может протекать в кинетической и диффузионной областях.

При кинетическом горении полное перемешивание топ­лива с воздухом осуществляют предварительно и в зону горения подают заранее подготовленную топливо-воздуш­ную смесь. В этом случае основную роль играют химичес­кие процессы, связанным с протеканием реакций окисления топлива. При диффузионном гомогенном горении про­цессы смешения и горения не разделены и совершаются практически одновременно. В этом случае процесс горения определяется перемешиванием, так как время смешения больше времени, необходимого для протекания химической реакции.

При гетерогенном горении твердого топлива также раз­личают кинетическую и диффузионную области реагиро­вания. Кинетическая область возникает в том случае,когда скорость диффузии в порах топлива значительно прево­сходит скорость химической реакции; диффузионная об­ласть возникает при обратном соотношении скоростей диф­фузии и горения.

Процесс горения любого топлива разделяется на две стадии: воспламенение и непосредственное горение.

Процесс воспламенения характеризует собой предвари­тельный период, когда в результате медленного окисления в системе происходит накопление тепла с соответствующим постепенным повышением температуры. При достижении определенной температуры, называемой температурой вос­пламенения, реакции окисления резко ускоряются и про­цесс переходит непосредственно в горение.

Температура воспламенения зависит от природы топ­лива и соответствует практически той наинизшей темпера­туре, при которой начинается интенсивное горение.

Ниже приведены температуры воспламенения в возду­хе различных топлив, К:

Чтобы установить пределы воспламенения промышлен­ных газов, являющихся смесью различных горючих компо­нентов, пользуются правилом аддитивности:

(74)

где z — искомый нижний или верхний предел воспламе­нения; z₁, z₂, x₃ — соответствующие пределы воспламене­ния для горючих компонентов топлива; p₁, p₂, p₃ — процент­ное содержание отдельных горючих компонентов в смеси (в реальном топливе).

Воспламенение вне концентрационных пределов отсут­ствует, потому что выделение тепла вне пределов воспла­менения невелико и не может компенсировать возникаю­щие тепловые потери.

Горение газообразного топлива

Горение газов осуществляется в объеме и относится к гомогенному горению; оно может происходить в кинетиче­ской и диффузионных областях.

Кинетическое горение

После того как произошло воспламенение, наступает процесс распространения пламени, связанный с постоянной передачей тепла от сгоревших к новым порциям топлива. Подобная передача тепла определяется законами теплопроводности и диффузии и зависит от характера пламени. Ес­ли пламя распространяется в неподвижной смеси или в смеси, движущейся ламинарно, то основной формой пере­дачи тепла является молекулярная теплопроводность.

Подобный чисто теплопроводный процесс получил наз­вание нормального горения.

П ри турбулентном движении газоокислительной смеси большую роль приобретает турбулентная диффузия. При некоторых условиях распространение пламени происходит с огромной скоростью и имеет характер взрывной волны. По­добное распространение пла­мени получило название дето­национного горения или прос­то детонации.

Нормальное горение. После воспламенения горючей смеси возникает определенный фронт горения. Распространение пла­мени предполагает перемеще­ние этого горения в направ­лении несгоревших порций га­за. Позади фронта горения на­ходятся продукты сгорания, впереди — невоспламенившая­ся горючая смесь.

Возникшая при этом разность температур между про­дуктами сгорания и горючей смесью приводит к переда­че тепла теплопроводностью, которая, опережая фронт го­рения, способствует подогреву новых порций смеси до тем­пературы воспламенения и вызывает перемещение фронта. В большинстве случаев при горении газов фронт пламенч является очень тонким —около 410^–2 —610^–2 см, поэто­му с некоторым приближением его можно рассматривать как поверхность.

При нормальном горении фронт пламени в покоящей­ся горючей смеси перемещается с определенной скоростью u_n = n/, где n — расстояние, на которое перемещается фронт пламени за время .

Скорость нормального горения определяется исключи­тельно процессом теплопроводности и потому является фи­зико-химической константой горючей смеси.

По современным представлениям горение газовой сме­си может быть изображено графически (рис. 43). Самовос­пламенение происходит в точке T_в, но до идет химическая реакция, свойственная индукционному периоду. Быст­рая реакция происходит в коротком интервале температур от в до Т_г, который соответствует химической толщине фронта пламени _р. Тепловая толщина фронта б_п пред­ставляет собой зону тепловой подготовки прогрева горю­чей смеси до , после которой развивается интенсивная химическая реакция.

Для всех горючих газов существует оптимальное соот­ношение газа и воздуха, при котором скорость нормально­го горения достигает максимальной величины.

Увеличение температуры подогрева газа или газовой: смеси приводит к существенному увеличению скорости го­рения.

Горение однородной смеси в турбулентном потоке. Го­рение при турбулентном режиме — гораздо более распро­страненный случай в металлургической практике по срав­нению с горением в спокойной или ламинарно движущейся среде.

В настоящее время турбулентное горение рассматрива­ется как процесс, протекающий в отдельных перемешиваю­щихся объемах (объемное горение).

На скорость турбулентного горения и на состояние фрон­та горения большое влияние оказывает общий уровень тур­булентности потока. Измерения скорости турбулентного перемещения пламени показали, что отношение скорости турбулентного распространения пламени к нормальной ско­рости u_т/u_н быстро возрастает с увеличением числа Rе.

Это увеличение происходит в результате изменения u_т, так как u_н — const.

Диффузионное горение

В настоящее время широко распространен диффузион­ный метод сжигания газообразного топлива, при котором смешение и горение происходит в одном объеме. Поэтому процессы смешения при диффузионном горении играют первостепенную роль.

Процессы смешения между струями топлива и воздуха могут протекать при ламинарном и турбулентном течени­ях этих струй. В первом случае смешение определяется мо­лекулярной диффузией, во втором — турбулентной диффу­зией.

На рис. 44 представлена упрощенная схема распределе­ния концентраций в ламинарном пламени. Как видно, кис­лород полностью отсутствует внутри объема, ограниченного фронтом пламени, так же как топливо отсутствует за пределами этого объема.

Расчеты и опыты показали, что высота пламени пропор­циональна скорости подачи газа и обратно пропорциональ­на коэффициенту диффузии.

Если рассматривать факел, образующийся при вытека­нии горючего газа в неограниченную спокойную среду, то при определенной (критичес­кой) скорости ламинарный факел начнет переходить в турбулентный.

Критическое значение кри­терия Rе_кр, при достижении которого начинается переход ламинарного пламени в турбу­лентное, зависит от вида топ­лива, динамических характе­ристик потока и влияния на них процесса горения.

Горение жидкого топлива

В условиях промышленных печей жидкое топливо (обыч­но мазут) сжигают в распыленном состоянии. Поэтому в основном комплексный процесс сжигания жидкого топлива складывается из процессов: 1) распыливания; 2) воспламе­нения, которому предшествует и способствует процесс смешения, подогрева и испарения топлива и 3) горения капель жидкого топлива.

Основой процесса распыливания топлива является дро­бление жидкости распылителем, происходящее в том слу­чае, если давление движущегося распылителя превышает действие поверхностного натяжения.

Распыленное жидкое топливо, попав в среду с высокой температурой, начинает испаряться. Около поверхности капли (рис. 45) образуется паро-воздушная смесь, которая воспламеняется первой. Температуру, при которой происхо­дит воспламенение паро-воздушыой смеси, называют тем­пературой вспышки топлива.

Температура кипения жидких топлив всегда ниже тем­пературы воспламенения, поэтому горение жидкого топли­ва в основном происходит в паровой фазе. Процесс горе­ния паро-воздушной смеси и процесс испарения тесно свя­заны между собой. При горении жидкого топлива происхо­дит процесс теплообмена между газовой средой и поверхностью жидкости, т.е. между средами, находящимися в разных агрегатных состояниях, что придает всему процес­су гетерогенный характер.

Горение твердого топлива

Г орение твердого топлива относят к гетерогенным про­цессам, хотя в нем и встречаются элементы гомогенного горения (горение летучих).

Процесс горения твердого топлива может быть разде­лен на следующие стадии: подогрев и подсушка топлива; процесс пирогенного разложения топлива с выделением летучих и об­разованием коксового остатка; го­рение летучих, горение коксового остатка (углерода).

П ри подогреве топлива до 473 К и выше протекает процесс выделе­ния летучих, т.е. горючей смеси раз­личных газообразных составляю­щих: Н₂, СО, СО₂, СН₄, С_nН_m, Н₂О и др. Количество летучих для раз­ных углей различно и для некото­рых из них весьма велико по отно­шению к массе всего топлива (табл. 8). Температура начала выделения летучих зависит от возраста угля. Чем старше уголь, чем выше в нем содержание углерода, тем при более высокой температуре начинается процесс выделения летучих. Летучие в процессе горения твердого топлива играют важную роль.

При горении кускового топлива летучие выделяются при сравнительно умеренных температурах, смешиваются с воздухом и воспламеняются первыми. Таким образом, го­рением летучих начинается процесс горения топлива. Тепло, выделяемое при горении летучих, способствует повышению температуры и дальнейшему развитию процесса горения. Горение углерода начинается после завершения выхода ле­тучих, так как вначале кислород расходуется на горение летучих. Процесс горения углерода продолжителен и он определяет общее время протекания процесса.

Горение полное и неполное

В металлургической практике в большинстве случаев применяется полное горение, продукты которого не содер­жат каких-либо горючих компонентов. Все виды топлива содержат углерод и водород, в состав продуктов полного сгорания входят углекислый газ, водяные пары и азот. СО₂ и Н₂О являются достаточно сильными окислителями, поэто­му металл при нагреве в продуктах полного сгорания значи­тельно окисляется. Для того чтобы избежать окисления ме­талла, его надо нагревать в газовой среде (защитной ат­мосфере), не содержащей газов-окислителей. Одним из методов получения таких атмосфер является метод, при котором производится неполное сжигание газа с последу­ющим удалением из продуктов неполного сжигания газоз-окислителей. Неполное горение применяют также тогда, ко­гда стремятся снизить окисление или обезуглероживание металла без использования специальных атмосфер.

В настоящее время наиболее распространенным газооб­разным топливом является природный газ, состоящий в ос­новном из метана.

При полном горении метана при стехиометрическом со­отношении СН₄+2О₂ = СО₂+2Н₂О продукты сгорания, кро­ме азота, поступившего с воздухом, будут содержать СО₂ и Н₂О. Если увеличить количество кислорода выше стехиометрического, т.е. на молекулу СН₄ подать более двух мо­лекул О₂, то в продуктах сгорания будет содержаться еще и кислород. Но если количество кислорода ниже стехио-метрического, т.е. в реакции СН₄+mО₂СО₂+Н₂О+Н₂+ +СО m<2, то происходит неполное горение топлива. При этом в продуктах сгорания наряду с N₂, СО₂ и Н₂O содер­жатся восстановительные газы Н₂ и СО, которые способны окисляться (гореть) с выделением тепла. Это и является причиной потерь тепла в результате химического недожо­га. Поскольку в продуктах неполного сгорания концент­рация газов-окислителей СO₂ и Н₂О значительно ниже, чем при полном горении, постольку окисление металла при нагреве в подобной среде будет меньше. При определенном значении т состав продуктов неполного сгорания может быть определен по константе равновесия реакции водяного газа К_р=р_СОр_Н2О/(р_СО2р_Н2), где р_і, — парциальное давле­ние соответствующего компонента.

Значения константы равновесия реакции водяного газа следующие:

Расчеты горения топлива

При горении топлива в качестве окислителя используют кислород воздуха. В результате образуются продукты сго­рания и развивается определенная температура горения. Поэтому расчеты горения топлива выполняются с целью определения:

а) количества необходимого для горения воздуха;

б) количества и состава продуктов сгорания;

в) температуры горения.

Расход воздуха

Расходы воздуха можно определять как в объемных, так и в массовых единицах.

Для уяснения методики определения расхода воздуха рассмотрим полное горение метана (СН₄) по реакции СН₄ + 2О₂ = СО₂+2Н₂О.

Сначала определим расход воздуха в объемных едини­цах. Как следует из приведенной реакции, для сжигания 1 моля СН₄ требуется 2 моля О₂. Поскольку 1 кмоль любо­го газа занимает при нормальных условиях одинаковый объем (22,4 м³), то для сжигания 22,4 м³ СН₄ потребуется 222,4=44,8 м³ О₂. Таким образом, для сжигания 1 м³ СН₄ требуется 2 м³ О₂, но в сухом воздухе кислород по объему составляет 21%, остальные 79% приходятся на долю азо­та. Следовательно, количество азота в воздухе в 3,762 раза больше количества кислорода. Поэтому расход воздуха на сжигание 1 м³ метана составит 2+23,762=9,524 м³.

Аналогичный расчет можно провести и в массовых еди­ницах. Подобные расчеты чаще делают для твердого или жидкого топлива. Возьмем, например, горение углерода С + О₂ = СО₂. Из этой реакции видно, что на 1 кмоль С рас­ходуется 1 кмоль О₂, но 1 кгмоль С имеет массу, равную 12 кг, а кгмоль О₂ 32 кг; следовательно, для сжигания 1 кг С потребуется кг кислорода. В воздухе кислород по массе составляет 23,2%, а азот 76,8%. Поэтому вместе с кислородом войдет азота кг.

Следовательно, для сжигания 1 кг углерода потребуется воздуха 2,67+8,83=11,50 кг. Это количество можно пере­вести в объемное, поделив общую массу воздуха на его плотность (1,293 кг/м³), т.е. 11,50/1,293=8,89 м³.

Как при горении метана, так и при горении углерода полученные по реакциям количества кислорода и воздуха представляют собой те наименьшие количества, которые не­обходимы для полного окисления единицы горючего веще­ства. Такое наименьшее необходимое количество воздуха (кислорода) называется теоретическим количеством. На практике, однако, сжигание топлива осуществляется при расходах воздуха, несколько превышающих теоретическое количество. Величина, показывающая отношение действи­тельного расхода воздуха (V_д) к теоретическому количест­ву (V_т), называется коэффициентом избытка воздуха п =V_д/V_т и играет на практике очень важную роль.

Более универсальной величиной является коэффициент расхода кислорода (п₀), который показывает отношение действительного расхода кислорода ( ) к теоретически необходимому ( ), т.е. .

Коэффициент избытка воздуха пригоден только для пол­ного сгорания топлива в воздухе.

При неполном же сгорании, когда подаваемое количе­ство кислорода меньше теоретического, применим только коэффициент расхода кислорода, который становится мень­ше единицы. При применении обогащенного дутья, в кото­ром количество кислорода превышает 21%, характерным также является коэффициент расхода кислорода. В этом случае метод определения расхода дутья аналогичен выше изложенному с той лишь разницей, что изменяется соотно­шение между азотом и кислородом.

Всякое промышленное топливо представляет собой ме­ханическую или химическую смесь отдельных горючих эле­ментов, поэтому общий расход воздуха (кислорода) опре­деляется суммированием аналогичного расхода для отдель­ных элементов.

Состав и количество продуктов сгорания

Состав и количество продуктов сгорания определяют по методу, применяемому для определения расхода воздуха. Рассмотрим снова пример полного горения метана при ко­эффициенте избытка, равном единице. В результате горе­ния образуются СО₂ и Н₂О. Кроме того, в продуктах сго­рания будет присутствовать N₂, внесенный с воздухом.. Определим последовательно количество каждой составляющей продуктов сгорания. При сжигании 1 м³ метана обра­зуется СО₂ 1м³ и Н₂О 2 м³. Кроме того, с воздухом вносится 23,762 = 7,524 м³ N₂. Таким образом, полное количество продуктов сгорания составит 1 м³ + 2 м³ + 7,524 м³ = 10,524 м³.

Состав продуктов сгорания следующий:

;

;

;

Если бы СН₄ сжигали с коэффициентом избытка воз­духа, превышающим единицу, то общее количество про­дуктов сгорания возросло бы в связи с увеличением коли­чества азота и наличием в продуктах сгорания избыточно­го кислорода.

При сжигании топлива в обогащенном кислородом воз­духе наблюдается обратная картина.

При расчетах горения необходимо составлять матери­альный баланс процесса, путем определения исходных ве­ществ и продуктов сгорания.

Температура горения

Под температурой горения понимают ту температуру, которую приобретают продукты сгорания в результате со­общения им тепла, выделенного при сжигании. Различают теоретическую и калориметрическую температуру горения.

Продукты сгорания топлива нагреваются до высоких температур, при которых возможна диссоциация СО₂ и Н₂О, достигающая иногда 10%. В результате диссоциации происходит изменение объема и уменьшается выделяемое количество тепла, так как в процессе диссоциации погло­щается тепло. Теоретическая температура горения опреде­ляется с учетом диссоциации в продуктах сгорания, т.е.

,

где — теплота сгорания топлива, Дж/м³, или Дж/кг;

q_дисс — тепло, пошедшее на процесс диссоциации, Дж;

V_пр — объем продуктов сгорания, образующихся при сго­рании единицы топлива, м³;

с — удельная теплоемкость про­дуктов сгорания, кДж/(м³К).

Калориметрическая температура определяется из усло­вия, что все выделившееся при горении тепло расходуется только на повышение температуры продуктов сгорания. Иными словами, калориметрическая температура горения определяется для адиабатных условий, когда отсутствует теплообмен с внешней средой. Следовательно, .

При наличии подогретого воздуха (или топлива) кало­риметрическую температуру можно определить из выраже­ния

,

где Q_ф — физическое тепло подогрева воздуха и топлива.

На практике обычно определяют калориметрическую температуру горения, которая является одной из характе­ристик топлива.

Расчет калориметрической температуры выполняют из условий полного сгорания топлива следующим образом. Продукты сгорания любого топлива представляют собой смесь различных газообразных составляющих СО₂, Н₂О, N₂, О₂, SО₂. Каждой из этих составляющих при той или иной температуре присуща вполне определенная величина теплоемкости. Это дает возможность определить теплоем­кость продуктов сгорания в целом для соответствующей температуры.

Энтальпия продуктов сгорания, как смеси газов, опреде­ляют аналогично определению теплоемкости продуктов сгорания.

Количество тепла, которое выделяется при горении еди­ницы топлива, равно произведению энтальпии на объем продуктов сгорания, образовавшихся от сгорания единицы топлива Q = IV.

Однако возможна и обратная постановка задачи. Дело в том, что для продуктов сгорания определенного состава каждой величине теплоемкости 1 м³ продуктов сгорания со­ответствует вполне определенная температура. Другой теплоемкости будет соответствовать и другая температура. По­добный метод определения температуры по величине теп­лоемкости (или энтальпии) продуктов сгорания широко применяется в расчетах.