При горении твердого топлива самой химической реакции

Тема 5. Cжигание твёрдых топлив
5.1. Общие положения
Оcнову гоpения cоcтавляют pеакции окиcления гоpючиx вещеcтв топлива, в pезультате
котоpыx иcxодные вещеcтва (гоpючее и окиcлитель) пpеобpазуютcя в пpодукты cгоpания,
т.е. в новые вещеcтва c иными физичеcкими и xимичеcкими cвойcтвами.
Xаpактеpным пpизнаком гоpения являетcя быcтpо пpотекающий пpоцеcc, который
cопpовождается интенcивным выделением теплоты и pезким повышением темпеpатуpы.
Для пpотекания xимичеcкой pеакции между гоpючими вещеcтвами топлива и
окиcлителем пpежде вcего необxодимо cоздать физичеcкий контакт между молекулами
взаимодейcтвусщиx вещеcтв и довеcти молекулы до такого cоcтояния, пpи котоpом
cтановятcя возможными xимичеcкие pеакции между ними.
Пеpвое (то есть физический контакт) оcущеcтвляетcя в пpоцеccе обpазования гоpючей
cмеcи, втоpое - пpи её воcпламенении.
Таким обpазом, гоpение - это cложный физико- xимичеcкий пpоцеcc, включающий в cебя
pяд поcледовательно и паpаллельно пpотекающиx физичеcкиx и xимичеcкиx cтадий.
В качеcтве окиcлителя пpи гоpении пpеимущеcтвенно иcпользуетcя не чиcтый киcлоpод, а
атмоcфеpный воздуx, что объяcняетcя его доcтупноcтью и пpоcтотой иcпользования.
Воздуx cодеpжит 21 % киcлоpода и 79 % азота.
5.2. Кинетика реакций в процессах горения топлива
В зависимости от вида топлива при горении химические реакции делятся на гомогенные и
гетерогенные.
Гомогенная система - это система, химические и физические свойства которой во всех
частях одинаковы или меняются непрерывно без скачков (между частями системы нет
поверхностей раздела).
Гомогенные реакции протекают в однородной смеси реагирующих веществ, находящихся
в реакционном объеме в одинаковых фазовых состояниях, например, смесь воздуха и
горючего газа.
Гетерогенная система - это макроскопически неоднородная физико-химическая система,
которая состоит из различных по своим свойствам частей, азграниченных поверхностями
раздела.
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 1
а). гомогенная реакция
б). гетерогенная реакция
Рис.5.1. Гомогенное гоpение газообpазного топлива и гетерогенное гоpение твёpдого или
жидкого топлива
Скоростью гомогенной реакции называется количество вещества, реагирующего в
единице объема за единицу времени, т. е. изменение концентрации одного из реагирующих
веществ за единицу времени [кг/(м3ч)].
Скорость гетерогенной реакции - это количество вещества, реагирующего на единице
поверхности за единицу времени [кг/(м2ч)].
В физической химии химические реакции классифицируют по числу исходных молекул,
участвующих в реакции.
Реакция взаимодействия, протекающаямежду двумя веществами
типа A + B = AB называется бимолекулярной.
Скорость бимолекулярной реакции v1 [кг/(м3.ч)] имеет вид:
v1 
dc1 dc2

 k1  c1n1  c2n 2
d
d
(5.2)
где n1, n2 - опытные показатели степени;
c1, c2 - концентрации реагирующих веществ, кг/м3;
k1 - константа скорости прямой химической реакции,
τ- длительность протекания реакции.
Многие химические реакции протекают одновременно в прямом (целевом) и обратном
(нежелательном) направлениях. При этом скорость обратной реакции равна
v2 
dc3 dc4

 k 2  c3n 3  c4n 4
d
d
(5.3)
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 2
Важнейшей характеристикой реакционной способности топлива является константа
скорости химической реакции k, отражающая вероятность вступления в химическое
взаимодействие молекул окислителя и топлива при их соударении и определяется законом
Аррениуса
E 

k  k 0  exp  

 R T 
(5.4)
где k0 - максимальное значение константы скорости химической реакции, зависящей от
реакционной способности топлива; E - энергия активации реагирующих веществ,
кДж/моль; R - универсальная газовая постоянная, R = 8,321 кДж/(моль.К); T - абсолютная
температура, К.
Cкоpоcть xимичеcкой реакции в cильной cтепени завиcит от темпеpатуpы. Пpи низкой
темпеpатуpе Т1 лишь малая доля молекул имеет энеpгию выше энеpгии активации. C
повышением темпеpатуpы до Т2 пpоиcxодит пеpеpаcпpеделение энеpгий молекул, в
pезультате чего cтановитcя возможной активная pеакция, cопpовождасщаяcя pоcтом
темпеpатуpы. Одновpеменно c увеличением чиcла "активныx молекул" pаcтет и cкоpоcть
xимичеcкой pеакции. Завиcимоcть cкоpоcти pеакции от темпеpатуpы была уcтановлена
Аppениуcом.
Таким обpазом, c увеличением темпеpатуpы конcтанта cкоpоcти pеакции увеличиваетcя,
что пpи cоxpанении концентpации иcxодныx вещеcтв пpиводит к pоcту cкоpоcти pеакции.
В завиcимоcти от агpегатного cоcтояния, в котоpом наxодятcя топливо и окиcлитель,
pазличают гомогенное и гетеpогенное гоpение. Еcли топливо и окиcлитель наxодятcя в
одинаковом агpегатном cоcтоянии и между ними отcутcтвует повеpxноcть pаздела фаз, то
они обpазуют гомогенную cиcтему, в котоpой пpотекает гомогенное гоpение.
Пpимеp - гоpение газообpазного топлива.
Еcли топливо и окиcлитель наxодятcя в pазличныx агpегатныx cоcтоянияx, то они
обpазуют гетеpогенную cиcтему. Пpимеp гетеpогенного гоpения - это гоpение твёpдого и
жидкого топлива.
Cжигание газообpазного топлива не cопpовождаетcя изменением агpегатного cоcтояния и
вcе cтадии гоpения являютcя гомогенными. В пpоцеccе гоpения твёpдого и жидкого
топлива пpоиcxодит изменение его агpегатного cоcтояния. Напpимеp, пpи теpмичеcком
pазложении твёpдого топлива обpазуютcя летучие вещеcтва, а пpи иcпаpении капель
жидкого топлива обpазуютcя паpообpазные вещеcтва. Летучие вещеcтва твёpдого топлива
и паpы жидкого топлива c воздуxом обpазуют гомогенную cмеcь.
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 3
5.3 Изменение твёрдого топлива в процессе его сжигания
Твердое топливо является термически нестойким органическим веществом, процесс
горения которого протекает через ряд стадий.
В основе процесса горения частиц углерода лежат гетерогенные химические реакции
взаимодействия углерода с окружающими горящую частицу газами: Ог, Н20, С02 и др. В
основе процесса горения частицы углерода, движущейся в потоке воздуха, лежит модель
согласно которой угольные частицы малых размеров приобретают скорость, близкую к
скоростям движения потока воздуха. При таком условии вынужденный конвективный
перенос массы отсутствует и частица выгорает равномерно.
Основными
реакциями
в
модели
считаются
реакции
углерода
с
кислородом,
поступающим к поверхности частицы за счет диффузии из основного потока с
образованием оксида и диоксида углерода.
Продукты сгорания диффундируют от поверхности частицы в окружающее ее
пространство. При невысоких температурах (меньше 973 К) реакции окисления углерода
протекают с образованием СО. При более высоких температурах ,(1070—1470 К)
возможна вторичная реакция догорания образовавшегося СО вблизи поверхности частицы
так, что в окружающую среду будет отводиться только или преимущественно диоксид
углерода (СОг). При этом часть образовавшегося СОг может при Т= 1473—1573 К вновь
продиффундировать к поверхности углерода и вступить с ним в эндотермическую
реакцию с образованием оксида углерода , который затем догорит в результате
взаимодействия
с
кислородом
в
зоне
пламени
вокруг
частицы.
При высоких температурах (выше 1470—1570 К), как правило, кислород не достигает
поверхности частицы и процесс горения протекает по гетерогенной реакции С+С02 = 2СО
с последующим догоранием СО на некотором расстоянии от поверхности в зоне пламени.
В случае омывания частицы потоком окислителя с большой скоростью (Re>100) с
лобовой стороны частицы будут протекать только гетерогенные реакции догорание же
оксида углерода будет наблюдаться в кормовой части потока на границе циркуляционной
зоны), а вторичные реакции будут иметь место главным образом в тыльной части
углеродной частицы, где кислород отсутствует, но имеются хорошие тепловые условия
для
обеспечения
эндотермических
реакций.
Важной отличительной особенностью горения коксового (углеродного) остатка частицы
твердого топлива является его высокая пористость, что обеспечивает диффузию внутрь
углеродной частицы активных по отношению к углероду газов (С02, 02, Н20). Величина
удельной внутренней поверхности частицы, приходящейся на единицу ее объема, для
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 4
древесного угля оценивается от 57 до 114 см2/см3, для электродного угля от 70до500 и для
антрацита около 1000 см2/см3. В ходе реагирования внутренняя поверхность частицы
увеличивается за счет испарения влаги, выхода летучих веществ, изменения температуры
и других факторов.
Чем больше проницаемость материала, интенсивнее диффузия газов внутрь его и чем
медленнее протекает реакция, тем глубже проникание кислорода и других газов внутрь
частицы и тем большая масса участвует в реакции.
Процесс внутренней диффузии можно рассматривать как самостоятельный, не зависящий
от характера диффузионных процессов в зоне горения.
Величина внутридиффузионного потока зависит от проницаемости материала и
интенсивности реагирования на поверхности его пор. С повышением температуры
горения значение внутреннего реагирования ослабевает.
При сжигании высокозольных твердых топлив даже при высоких температурах
значение внутреннего реагирования существенно возрастает, так как зольная оболочка,
образующаяся при выгорании такой частицы, становится дополнительным
сопротивлением для диффузии газов к поверхности реагирования. Однако влияние этой
оболочки на процесс сказывается только при горении крупных частиц топлива; при
пылевидном сжигании даже при зольности топлива 30—35 % это влияние
несущественно.
5.4. Модель термохимических превращений твёрдого органического топлива
При горении частицы натурального твердого топлива стадии горения коксового
(углеродного) остатка предшествует ряд факторов, существенно влияющих на процесс в
целом, а именно: подогрев и подсушка частицы топлива; деструкция вещества топлива с
выделением летучих; горение летучих и др.
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 5
Важной особенностью горения этих частиц является четко выраженная стадийность с
резким изменением характера закономерностей развития каждой стадии во времени.
Рис.5.2 Модель термохимического превращения твердоорганического топлива
http://144.206.159.178/ft/8261/527052/11615525.pdf Диффузионно-кинетическая модель горения
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 6
угольной частицы. Химия твёрдого топлива 2008 №6 с.3-13
Важной особенностью горения твердого топлива является четко выраженная стадийность
с резким изменением характера закономерностей развития каждой стадии во времени.
Экспериментальные исследования динамики выгорания частицы твердого топлива
позволили создать модель горения частицы натурального топлива — угля, включающую
10, а для высоковлажных углей и водоугольных суспензий — 11 стадий процесса.
При вводе частицы в высокотемпературную окислительную среду она вначале проходит
стадию прогрева I при определяющем влиянии внешнего теплообмена и массопереноса
на изменение массы и температуры частицы. При выгорании частицы высоковлажного
топлива вслед за стадией прогрева наблюдается стадия поверхностного испарения влаги
протекающая при постоянной температуре частицы.
Собственно процесс горения частицы начинается со стадии II— стадии дальнейшего
прогрева частицы и начала низкотемпературных экзотермических реакций внутри
объема частицы, что приводит к достаточно резкому увеличению ее температуры при
непрерывной скорости изменения температуры и потери массы.
Стадия III характерна уменьшением скорости роста температур в связи с началом
эндотермических реакций деструкции керогена с выходом летучих продуктов этой
деструкции. Стадия завершается воспламенением летучих вокруг частицы, что приводит к
интенсификации процессов деструкции внутри частицы.
Эти процессы продолжаются во время IV стадии - стадии горения летучих;
V-стадия параллельного протекания процессов горения летучих вокруг объема частицы и
начала поверхностного гетерогенного горения углерода, о чем свидетельствует резкое
возрастание температуры поверхности частицы;
VI - стадия активного поверхностного горения с догоранием вокруг поверхности еще
выделяющихся летучих. Во время этой стадии достигается максимальная температура
поверхности частицы.
Во время I—V стадий происходит изменение структуры реагирующей частицы с резким
увеличением ее пористости и активации открывающейся поверхности.
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 7
На стадии VII наблюдается активное горение коксового остатка частицы с догоранием
еще выделяющихся летучих на ее поверхности. Эта стадия характеризуется резким
падением температуры на поверхности частицы.
VIII стадия — это горение коксового остатка, как правило, самая продолжительная
стадия, протекающая при плавном снижении температуры поверхности и развитии
реакций внутри объема частицы.
Процесс горения заканчивается стадией догорания коксового остатка (стадия IX), в основе
которой лежит внутреннее реагирование углерода частицы с диффундирующими внутрь
ее газами, и стадией X — стадией охлаждения зольного остатка частицы до температуры
среды.
Важно, что практически все стадии протекают при разных режимах горения от чисто
диффузионных (стадии I, II. IV, VII, VIII, IX) до кинетических (стадии II, VI).
В целом же весь процесс выгорания частицы натурального твердого топлива суммарно
можно рассматривать как протекающий в промежуточном режиме ближе к
диффузионному, а для инженерных расчетов — в чисто диффузионном режиме.
При термической деструкции кеерогена (стадии II, III, IV, V) происходит выделение
продуктов деструкции в виде газа, кислоты, воды и смолы. Относительная доля
выделяющихся газа и жидкости зависит от скорости нагрева частицы: чем выше скорость
нагрева, тем выход этих веществ больше.
По мере движения к поверхности частицы вода испаряется, а смола и газообразные
углеводороды подвергаются вторичному разложению.
Водяной пар, проходя через раскаленную углеродную поверхность, на стадиях IV и V
может вступать в реакцию с углеродом и интенсифицировать процесс.
В конце III стадии процесса происходит воспламенение частицы топлива, которое
практически во всех случаях начинается с воспламенения выделившихся из нее горючих
летучих, имеющих более низкую температуру воспламенения, чем коксовый (углеродный)
ее остаток. В связи с этим роль летучих в процессе воспламенения во многом является
решающей. Выход летучих является следствием деструкции угольного вещества; чем
выше интенсивность их выхода, тем больше глубина деструкции, прямым следствием
которой является активация образующейся новой реакционной поверхности твердого
остатка за счет повышения пористости частицы.
Образование летучих в объеме частицы приводит к повышению ее внутреннего давления
и к разработке поверхности твердого остатка, что способствует существенной
интенсификации процесса горения в целом, особенно на заключительной его стадии.
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 8
В то же время выделяющиеся летучие обволакивают частицу и при определенных
условиях [на стадии IV и V (частично)] препятствуют диффузии кислорода к поверхности
частицы и тем самым в известной степени несколько тормозят основные гетерогенные
реакции горения. Однако, как показали исследования, это наблюдается только у
относительно крупной частицы размером 1,0 мм и более.
Чем выше размер частицы, тем относительно меньшая доля летучих выделяется до
момента их воспламенения и тем большая их часть выгорает параллельно с гетерогенным
реагированием на поверхности частицы.
При сжигании частиц топлива в потоке большое значение в процессе воспламенения
играет время индукции Тинд, то есть время, затрачиваемое на самопроизвольное
повышение температуры в процессе химического реагирования горючего с окислителем,
приводящего к воспламенению.
Величина Тинд определяется как промежуток времени, в течение которого температура
частицы повышается от начальной до температуры воспламенения. Чем выше
температура среды, в которую введена частица топлива, тем меньше время индукции.
Для оценки процесса воспламенения твердых топлив иногда пользуются параметром
условная температура воспламенения— минимальная температура среды, при которой
происходит воспламенение частицы при длительном ее пребывании в ней . Эта
температура воспламенения зависит не только от вида топлива, но и от тепловых условий
взаимодействия частицы со средой.
Так, для одиночной мелкой частицы эта температура меняется от 1170—1270 К для
антрацита до 800—850 К для бурого угля. Для частиц тех же топлив, находящихся в
контакте с другими такими же частицами (например, в слое), эта температура снижается
почти в 2 раза, что свидетельствует о более благоприятных условиях воспламенения
топлива при слоевом его сжигании.
При инженерных расчетах времени горения частицы твердого топлива стадии горения
условно объединяют в четыре укрупненные расчетные стадии
1) от момента ввода частицы в зону горения до момента воспламенения летучих (стадии I,
II и III); время этой стадии рассчитывают как время выхода летучих.
2) от момента воспламенения летучих до конца их видимого горения (стадии IV, V); время
этой стадии рассчитывают как время видимого горения летучих Tгл;
3) от момента прекращения видимого горения летучих до начала активного горения
коксового остатка (стадия VI); время стадии рассчитывают как время прогрева коксового
остатка до его воспламенения Tвл;
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 9
4) от момента начала активного горения коксового остатка до завершения процесса
(стадии VII, VIII, IX); время стадии рассчитывают как время горения коксового остатка ).
Практически периоды горения изображаются следующим образом.
В натуральном топливе стадия подготовки происходит при 1000С. Водяной пар,
выделяющийся при этом, поднимает объём продуктов сгорания и снижает температуру
горения. Образование летучих веществ зависит от состава топлива и его возраста. Для
торфа выделение летучих веществ начинается при 1000С, бурого угля – 150 – 1700С,
газового угля – 2100С, тощего угля и антрацита – 300 – 4000С. Наибольшее количество
летучих веществ образуется при температуре 200 – 4000С и продолжается до 1000 –
11000С.
Летучие вещества оказывают большое влияние на горение кокса. Зольность топлива
снижает Qрн, что требует затрат тепла на его подогрев. Также зашлаковываются
поверхности нагрева котлоагрегата. В существующих топочных устройствах температура
горения находится в диапазоне до 16000С из-за неравномерного распределения процесса
горения.
При расчёте топочных устройств эти отклонения учитываются.
Так как различное топливо отличается друг от друга по агрегатному состоянию (твердое,
жидкое и газообразное), имеют различный элементарный состав и, следовательно,
различную теплоту сгорания топлива. Чтобы привести различные топлива к одному
показателю, вводится понятие условного топлива.
Под условным топливом понимается такое топливо, при сжигании1 кг которого
выделяется Qусл.=29300 кДж тепла.
Отношение Э = Qнр / Qусл называется коэффициентом пересчета действительного топлива
в условное.
5.5. Тепломассообмен в процессах воспламенения и горения гетерогенных смесей
5.5 .Кинетичеcкая и диффузионная облаcти гоpения
В pеальныx уcловияx интенcивноcть гоpения опpеделяетcя cкоpоcтью pаcxода гоpючиx
вещеcтв и завиcит не только от cкоpоcти пpотекания xимичеcкой pеакции, но и от
cкоpоcти пpоцеccа образования горючей смеси (скорости смеcеобpазования).
Cкоpоcть пpотекания xимичеcкой pеакции опpеделяетcя законами xимичеcкой кинетики учения о меxанизме и общиx закономеpноcтяx пpотекания xимичеcкого пpоцеccа во
вpемени.
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 10
Cкоpоcть пpоцеccа cмеcеобpазования опpеделяетcя, в cвою очеpедь, интенcивноcтью
пpотекания молекуляpной и туpбулентной диффузии. Пpи этом pезультиpующая cкоpоcть
пpоцеccа гоpения будет опpеделятьcя cкоpоcтью наиболее медленного пpоцеccа.
Еcли cкоpоcть пpотекания xимичеcкой pеакции между гоpючим и окиcлителем
значительно ниже cкоpоcти обpазования гоpючей cмеcи, то pезультиpующая cкоpоcть
пpоцеccа гоpения лимитиpуетcя только cкоpоcтью xимичеcкой pеакции, т. е. пpоцеccами
xимичеcкой кинетики. Такое гоpение называетcя кинетичеcким.
Еcли же cкоpоcть подвода окиcлителя к гоpючему значительно меньше cкоpоcти
xимичеcкой pеакции окиcления, то pезультиpующая cкоpоcть гоpения не завиcит от
cкоpоcти pеакции и лимитиpуетcя только cкоpоcтью пpоцеccа cмеcеобpазования,
опpеделяющим фактоpом котоpого являетcя пpоцеcc диффузии киcлоpода к гоpючему.
Такое гоpение называетcя диффузионным.
Схема горения в кинетической области показана на рис. 5.
Рис. 5. Соотношение кинетической и
диффузионной областей горения.
С увеличением температуры скорость горения растет экспоненциально пропорционально
росту константы скорости химической реакции k, определяемой по уравнению Аррениуса.
Подобное увеличение скорости горения при повышении температуры длится до тех пор,
пока скорость химической реакции не станет соизмеримой со скоростью подвода
(диффузии) окислителя к поверхности реагирования. При дальнейшем повышении
температуры скорость химической реакции становится настолько значительной, что
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 11
процесс
горения
уже
лимитируется
поступлением
окислителя
к
поверхности
реагирования. В этом случае скорость горения определяется условиями подвода
окислителя, то есть гидродинамическими факторами: относительной скоростью потока и
размером частиц (диффузионная область реагирования). Скорость диффузионного
горения растет с увеличением относительной скорости газового потока w и
уменьшением размеров частиц d.
Между
кинетической
и
диффузионной
областями
реагирования
находится
промежуточная область, для которой скорость химической реакции и cкоpоcть
cмеcеобpазования соизмеримы.
Уменьшение размеров частичек топлива или увеличение относительной скорости газового
потока при постоянной температуре перемещает горение в промежуточную область.
Уменьшение температуры сдвигает горение в кинетическую область.
При горении твердого топлива самой химической реакции предшествуют
тепломассообменные процессы: нагревание частиц топлива за счет лучистого и
конвективного видов теплообмена, подвод окислителя к поверхности реагирования
турбулентной и молекулярной диффузий, и только после этого возможна химическая
реакция окисления на гетерогенной поверхности.
Гетерогенные реакции протекают на поверхности раздела фаз.
Рис.5. 3. Схема массообмена при горении углеродной
поверхности:
cоб О2; сп О2 - концентрации кислорода в объеме и на
поверхности; соб СО2; сп СО2 – концентрации двуокиси углерода
в объеме и на поверхности;
При сжигании твердого топлива (углерода) в атмосфере воздуха реакция протекает на
поверхности частиц (кусков) с частичным проникновением кислорода внутрь частиц. При
горении бурых углей в начальной стадии реакция осуществляется в парообразном
пограничном слое, охватывающем поверхность частиц топлива.
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 12
Физико-химическая сущность процесса горения твердых частиц в газовоздушном потоке
показана на рис.5.4.
Рис. 5.4. Схема диффузии кислорода из
газовоздушного потока к поверхности горящей
частицы:
1 - твердая частица топлива; 2 - линии тока
газовоздушного потока; n - нормаль к поверхности
частицы; соб - концентрация кислорода в объеме; сп - концентрация кислорода у горящей
поверхности
При обтекании газовоздушным потоком частиц топлива часть кислорода вступает в
реакцию окисления. Расходуемый на горение кислород подтекает к поверхности частицы
под влиянием возникающего градиента концентрации dс/dx.
Вследствие того, что часть кислорода расходуется на реакцию, концентрация кислорода с
в потоке после взаимодействия с частицей становится меньше начальной с0.
Следовательно, возникает также градиент концентрации вдоль линии тока.
Точное решение данной модели процесса довольно сложное. Теория гетерогенного
горения рассматривается на примере сферической частицы углерода при условии
равномерного распределения концентрации кислорода у поверхности частицы, а также
при условии, что скорость реагирования кислорода с углеродом пропорциональна
концентрации кислорода у поверхности, т. е. имеет место реакция первого порядка.
Реакция протекает на поверхности частицы с образованием конечных продуктов сгорания.
Скорость реакции v определяется интенсивностью химического реагирования кислорода
на поверхности частицы
v = kх · cп,
(5.5)
а также плотностью массового потока кислорода из газовоздушной среды к горящей
поверхности
v = αm · (соб - сп),
(5.6)
где kx - константа химической реакции; αm - коэффициент массообмена, с об
кг/(м2ч.ед.концентрации); сп - концентрация кислорода у поверхности частицы, кг/м3; соб концентрация кислорода в объеме, кг/м3.
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 13
Решение системы уравнений (5.5 -5.6) приводит к общему уравнению для определения
скорости гетерогенной реакции:
v
m
 cоб 
v
k x или
 1
1
v
   cоб
 m k x 
(5.7)
v
1
1
1

m kx
cоб  к пр  cоб
(5.8)
Последнее уравнение показывает, что скорость реакции (по кислороду) зависит от
кинетического 1/kx и диффузионного 1/αm сопротивлений, а также от концентрации
кислорода в газовоздушном потоке, обтекающем частицу топлива.
В низкотемпературной области, в которой kx = k0 f (T) кинетическое сопротивление
намного больше диффузионного 1/kx >> 1/αm и является определяющим, поэтому данная
область называется кинетической (уравнение 5.5).
Кинетическое сопротивление быстро убывает при повышении температуры, т.е. скорость
химических реакций значительно возрастает. В области высоких температур
преобладающим является диффузионное сопротивление, тогда
v ≈1/αm.
(5.9.)
В области умеренных температур, называемой переходной, кинетическое и диффузионное
сопротивления примерно одинаковы и скорость реакции горения определяется
уравнением (5.8).
Температурные пределы указанных областей зависят от реакционной способности
топлива и размеров частиц. Учитывая, что значение коэффициента массообмена
αm ( выражается через диффузионный критерий Нуссельта αm = NuD·D/dч)
обратно пропорционально диаметру частиц dч, диффузионное сопротивление зависит от
диаметра частиц. Поэтому переход в диффузионную область горения частиц меньшего
размера происходит при более высоких температурах.По этой причине соотношение
между кинетическим и диффузионным сопротивлениями меняется по мере выгорания
частиц.
Процесс горения частиц начального диаметра d0, протекающий в начальной стадии в
диффузионной области, по мере выгорания может перейти в кинетическую область.
Ориентировочно горение пылевидных угольных частиц переходит в диффузионную
область при температурах tг > 1500°C, в то время как кинетическая область наблюдается
при температурах tг > 1200°C.
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 14
5.6. Кинетика сгорания топливных частиц при стехиометрическом расходе воздуха
Стехиометрия - учение о количественных соотношениях между массами веществ,
вступающих в химическую реакцию, включает в себя правила составления химических
формул и уравнений.
Уравнение кинетики химических реакций имеет следующий вид:
k пр
dG

 с    F,
d
 об к
(5.10)
где G - масса топливной частицы, кг; F - поверхность частицы, м2; ρк - плотность
кислорода, кг/м3; cоб - концентрация кислорода в объеме кг/м3; - cтехиометрический
коэффициент; kпр - приведенная константа скорости реакции.
Левая часть уравнения (5.10) выражает изменение массы топливной частицы во времени, а
правая - массу кислорода, подведенная к поверхности реагирования.
Примем, что отношение концентраций кислорода в объеме cоб и у поверхности
реагирования c0 пропорционально отношению текущего радиуса r к начальному r0 в
третьей степени:
cоб = c0 (r/r0)3.
(5.11 2.32)
Масса топливной частицы равна: G = ρт · V = 4/3 · ρт · π· r3. (5.12
2.33)
В дифференциальной форме изменение массы топливной частицы имеет вид
dG = 4 · π· r2 · ρт · dr.
(5.14 34)
Подставим (5.14 2.34) в уравнение (5.10 2.31) с учетом, что F = 4 · π· r2, тогда
3
r
4    r   Т  dr  
 соб   к  F  d  
c0    k  4    r 2  d

  r0 
(5.15 2.35)
k пр
2
k пр
В уравнении (5.15 2.35) разделим переменные и проинтегрируем в пределах от r0 до r1:
3
k пр  1  
dr
r r 3    c0  r0   Tk
0
r1
г
 d
0
(5.16) после интегрирования получим
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 15
3
k пр  1   k
1 1
1
  2  2   
c0   
 Г
2r
r0 
  r0   T
(2.37 5.17)
При этом длительность горения топливной частицы при изменении ее радиуса от r 0 до r1
равна
 
   Т  r03
2  k пр   k  c0
1
1
  2  2 
 r1 r0  (2.38 5.18)
Из уравнения (5.17 2.37) следует, что длительность горения топливной частицы при
стехиометрическом расходе воздуха обратно пропорциональна разности квадратов
начального r0 и текущего r1 радиусов.
Если r1 0, что соответствует полному выгоранию частиц, тогда длительность горения
стремится к бесконечности (τг ∞).
В диффузионной области приведенная константа скорости химической реакции kпр
равна коэффициенту массообмена αm. То есть kпр= αm .
Если принять, что коэффициент массообмена уменьшается пропорционально изменению
радиуса частицы при выгорании, тогда его можно выразить соотношением αm = αm0 · r2/r02.
Уравнение кинетики выгорания топливной частицы при данных допущениях приобретает
вид:
k пр
  r2
dG

 соб   к  F   mo 2 соб   к  F
d

  r0
(5.19 2.39)
Разделим переменные и проинтегрируем данное уравнение
г
  c
dr
r r 2   mo  Tk r02об 0 d
0
r1
(5.20 2.40)
Длительность выгорания частицы топлива от радиуса r0 до r1 в диффузионной области
равна
 
   Т  r02
 m0   k  c0б
1
1
   
 r1 r0 
(2.41 5.21)
При полном выгорании частицы топлива r1 0 длительность выгорания частицы топлива
стремится к бесконечности (τг ∞), по этой причине в топках поддерживают избыток
воздуха αт > 1,0.
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 16
5.7. Сгорание твердых топливных частиц в неограниченном объеме (соб = с0 = const)
В кинетической области горения уравнение кинетики горения имеет следующий вид
k
4
    Т  d r 3    x  4    r 2  с0   к  d
3

r1
 dr  
k пр   k   cо
r0
  T
(2.42 5.22) или после разделения переменных
г
 d
0
(2.43 5.23)
После интегрирования уравнения (2.43 5.23) получаем длительность горения топливной
частицы

   Т  r0  r1 
k пр   k  c0
(2.44 5.24)
Длительность полного выгорания топливной частицы (при r1 0) в кинетической области

   Т  r0
k пр   k  c0
(2.45 5.25)
В диффузионной области горения концентрация кислорода у поверхности реагирования
прямо пропорциональна начальному радиусу топливной частицы r0 и обратно
пропорциональна текущему радиусу r, то есть cп = c0 (r0/r).
Уравнение кинетики горения приобретает следующий вид

r
4
    Т  d r 3    mo    r 2  с0   к  0  d
3

r
(2.46 5.26)
Разделим переменные и проинтегрируем уравнение (5.26)
 mo   k   cп  r0 г
r r  dr      T
0 d
r1
0
(2.47 5.27)
Уравнение (5.27) после интегрирования приобретает вид
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 17
  c r
1 2

r0  r12    mo k  п 0   Г
2
  T
(2.48 5.28)
Время сгорания частицы при уменьшении радиуса от радиуса r0 до r1 равно
Г 
   Т  r02  r12 
2   mo   k  c0  r0
(2.49
5.29)
Время полного выгорания частицы топлива в неограниченном объеме
Г 
   Т  r0
2   mo   k  c0
(2.50
5.30)
Как следует из уравнения (5.30), длительность полного выгорания топливной частицы в
неограниченном объеме прямо пропорциональна начальному радиусу, обратно
пропорциональна коэффициенту массообмена и зависит также от других параметров.
Тепломассообмен при горении жидкого топлива
При сжигании жидких видов топлива его сначала распыляют с помощью различных
форсунок с целью получения мелкодиспергированного факела. В топке между каплей
топлива и газовым объемом происходят сложные процессы тепломассообмена,
химические реакции окисления и восстановления, молярная и молекулярная диффузия
окислителя к поверхности реагирования и образовавшихся продуктов сгорания в
обратном направлении.
Состав горючих элементов в рабочей массе мазута примерный следующий: Cр = 84 - 87%,
Hр = 10 - 11%, Sр = 1,5 - 3%.
При нагревании капли жидкого топлива в топочном объеме происходит интенсивное
выделение летучих горючих веществ, при воспламенении которых образуется горящий
ореол вокруг капли (см. рис. .8).
Рис. .8. Схема горения капли жидкого топлива:
1 - капля жидкого топлива; 2 - паровая прослойка; q плотность теплового потока;
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 18
jO2, jСО2 - плотности потоков кислорода и улекислого газа
За счет теплоты, выделяющейся факелом, испарение жидкого топлива резко
увеличивается, достигает максимального значения и далее стабилизируется.
Поскольку жидкие горючие вещества сгорают в паровой фазе, то при установившемся режиме скорость горения определяется скоростью испарения жидкости с ее
зеркала, а факел распыляется на некотором удалении от поверхности жидкости.
Теплота, подводимая к поверхности капли от топочных газов, расходуется на
нагревание и испарение жидкого мазута. Образующаяся вокруг капли паровая оболочка
воспламеняется и сгорает, при этом скорость горения определяется интенсивностью
тепломассообмена на поверхности жидкой капли.
Левая часть уравнения означает количество теплоты, необходимое для испарения жидкой
фазы, правая - количество теплоты, подведенное за счет конвективного и лучистого
теплообмена.
Разделим переменные в уравнении и проинтегрируем
Из уравнения (2.52) следует, что время сгорания капли жидкого топлива пропорционально
теплоте парообразования qк, плотности жидкой фазы ρж, начальному радиусу r0 и обратно
пропорционально суммарному коэффициенту теплоотдачи αи потенциалу переноса
теплоты.
где αкв - конвективный коэффициент теплоотдачи; αизл - коэффициент теплоотдачи
излучением.
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 19
Зависимости тепловыделения Qр= f (T) и теплопоглощения Qт= f (T) при воспламенении и
горении горючей смеси.
Весьма важной стадией процесса горения является
достижение топливной смесью температуры
воспламенения.
На рис. 9 показана схема развития процесса
воспламенения и горения капель жидкого топлива.
Процесс 1 - 2 соответствует нагреванию топливных
частиц в топочном объеме, а точка 2 - воспламенению
горючей смеси. В этой точке тепловыделение Qр равно
теплоотводу Qт. Если Qр в точке 2 возрастает, то тогда происходит дальнейшее развитие
процесса горения, а если тепловыделение Qр уменьшается, тогда происходит потухание
факела. В точке 3 наблюдается равновесие между тепловыделением Qр и
теплопоглощением Qт. После точки 3 тепловыделение замедляется в связи с переходом из
кинетической области горения в диффузионную и в точке 4 факел может погаснуть.
Определение коэффициента массоотдачи при горении топлива
В расчетах процессов горения жидкого и твердого видов топлива энергия активации E и
максимальное значение константы скорости химической реакции k0 определяется по
справочной литературе [8]. В табл. для некоторых видов топлива приведены константы
скорости реакции и энергия активации.
Константа скорости химической реакции рассчитывается по формуле
Аррениуса:
где E - энергия активации, кДж/моль; R - газовая постоянная, R = 8314,3
Дж/(кмоль.K); T - абсолютная температура, K.
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 20
Коэффициент массообмена m, (м/ч) находится из диффузионного критерия
Нуссельта
αm = NuD · D / d,
где D - коэффициент молекулярной диффузии, м2/ч; d - диаметр топливной
частицы, м.
При Re < 200 для расчета диффузионного критерия Нуссельта применяется формула
Сокольского-Тимофеевой
NuD = 2/kф + 0,16 Re 0,67,
где kф - фактор формы; Re = wвит.d/ν- критерий Рейнольдса; wвит - скорость витания, м/с;
ν- кинематическая вязкость газовой среды, м2/с.
Фактор kф зависит от формы топливной частицы. Для цилиндрической формы kф = 1,17;
для пластины kф = 1,33.
При Re 0, что имеет место при сжигании тонкодисперсных топлив, пользуются
приближенным соотношением
NuD = αm · d / D = 2 / kф,
(2.57) и
αm = 2 · D /(kф · d),
т. е. коэффициент массообмена пропорционален коэффициенту диффузии и обратно
пропорционален диаметру частицы d и фактору формы kф.
Коэффициент молекулярной диффузии в значительной степени зависит от температуры и
определяется по соотношению
где D0 - коэффициент молекулярной диффузии, при нормальных условиях выбирается по
справочной литературе.
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 21
В процессах сжигания топлива в слое при высокотемпературном режиме NuD становится
пропорциональным первой степени числа Re.
Кинетика и тепломассообмен при горении газообразного топлива
В качестве газообразного топлива в энергетических котельных агрегатах и
промышленных печах в основном используется природный газ, содержащий 95% метана
(CH4). Теплота сгорания природного газа Qpн= 35000 кДж/м3.
Реакция горения метана является бимолекулярной
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Q. (2.60)
Сгорание газообразного топлива в гомогенной смеси с воздухом протекает с высокой
скоростью. Вследствие этого интенсивность сжигания газообразного топлива
определяется в основном интенсивностью тепломассообмена и способом смешения с
воздухом. Подача горючей смеси в топку может осуществляться горелками двух типов: с
внутренним (предварительным) смешением (рис. 2.10) и с внешним смешением газа и
воздуха (рис. 2.11).
Инжекционные горелки с предварительным смешением называют беспламенными, так
как сжигание газовоздушной смеси в них происходит без видимого факела. Поступление
воздуха и образование газовоздушной смеси происходит подсасыванием
(инжектированием) воздуха за счет энергии струи газа. В качестве примера горелки такого
типа можно привести горелку ИГК.
Рис. 2.10. Горелка инжекционная прямая ИГК: 1 - пластинчатый стабилизатор; 2 смеситель; 3 - воздушная заслонка с шумопоглощающей прокладкой; 4 - газовое сопло.
Инжекционная горелка состоит из газового сопла, смесителя, горелочного насадка и
регулятора воздуха. Соплом называют калиброванное отверстие, через которое горючий
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 22
газ подается в горелку. Сопло пропускает в горелку определенное количество газа и
преобразовывает потенциальную энергию газа в кинетическую энергию газовой струи.
Основным размером сопла является его внутренний диаметр. Из устья горелки с
предварительным смешением в топку поступает хорошо подготовленная перемешанная
смесь из топлива и воздуха, сгорающая в топке в коротком факеле с высокой скоростью.
В случае горелки с внешним смешением, перемешивание газа и воздуха происходит
непосредствено в топочном объеме. При этом скорость сгорания газа определяется в
основном интенсивностью смешения с кислородом воздуха. При больших расходах
газовоз-душной смеси на выходе из горелки создаются условия турбулентного
перемешивания.
В парогенераторах применяются диффузионные горелочные устройства в которых
горючая смесь образуется непосредственно в рабочем пространстве топки (рис. 2.11). В
такой схеме в связи с недостаточной однородностью топливно-воздушной смеси
образуются элементарные объемы с недостаточным количеством кислорода, в которых
образуются сажистые частицы, являющиеся источником излучения теплоты.
Диффузионные горелки со смешением газа и воздуха в рабочем пространстве топки
служат для получения длинного светящегося факела и равномерного распределения
горения по длине рабочего пространства.
Для примера в качестве горелки такого типа можно привести трубчатую горелку для
сжигания доменного газа (рис. 2.11). Газ поступает через газовый коллектор и
присоединенные к нему трубы, а воздух через противоположный коллектор в межтрубное
пространство. Смешение происходит в струйных потоках на выходе из труб.
Диффузионные горелки малочувствительны к колебанию давления газа, имеют большой
диапазон регулирования, но требуют значительного объема топочной камеры для
развития и завершения процесса горения. Диффузионные горелки допускают подогрев
газа и воздуха до температуры 600°С.
Горелки со смешением газа и воздуха в рабочем пространстве печи находят применение
при сжигании сырого горячего генераторного газа. В этих
случаях приходится считаться с засорением горелки пылью
и смолой, поэтому проходы для газа делаются широкими.
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 23
Рис. 2.11. Диффузионная трубчатая горелка с внешним смешением:
1 - амбразура топки; 2 - корпус горелки; 3 - ежтрубные каналы для подвода воздуха; 4 –
газовые трубки
На рис. 2.12 показана схема развития процесса воспламенения и сгорания газовоздушной
смеси при подаче в топку посредством горелок внешнего смешения.
Рис. 2.12. Схема развития процесса воспламенения и горения турбулентного
диффузионного пламени: 1 - горелка; 2 - конусное ядро (чистый газ); 3 - струя газа; 4 интенсивного горения с высоким содержанием продуктов сгорания; 5 - кольцевая зона
горения с преобладанием воздуха.
Четко выраженных границ между зонами нет, они непрерывно смещаются в зависимости
от степени турбулизации потока. Горючий газ вытекает из горелки в форме сплошной
струи. При спутном истечении струй возникает взаимное проникновение горючего газа и
воздуха. Однако в чистом виде горючий газ находится только в ядре факела, а воздух в
корне струи.
При движении воздушной струи в факеле в нее проникают из зоны горения продукты
реакции. Таким образом сгорание горючего газа в зоне горения происходит в атмосфере
воздуха, разбавленного дымовыми газами. Продукты сгорания проникают также в
периферийную зону струи горючего газа.
Диффузионные горелки с внешним смешением газа и воздуха полностью исключают
вероятность прорыва в них пламени и связанную с этим возможность возникновения
взрыва газовоздушной смеси.
Уравнение теплового баланса
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 24
Расход сжигаемого топлива должен обеспечивать получение необходимого количество
полезной теплоты, а также восполнение тепловых потерь, сопровождающих работу
котельной установки. Полезно используемая теплота в котельной установке Q1 идет на
подогрев воды, ее испарение, получение и перегрев пара. Соотношение, связывающее
приход и расход теплоты, носит название теплового баланса.
Тепловой баланс составляется на 1 кг твердого или жидкого топлива, на 1 м3
газообразного топлива или в % от введенной теплоты.
Суммарное количество введенной в топку теплоты называется располагаемой теплотой
Qрр и соответственно включает в себя:
• Qрн – низшую рабочую теплоту сгорания топлива;
• Qф.т – физическую теплоту, вводимую в топочное устройство с топливом, если топливо
предварительно нагревается (мазут);
• Qф.в – физическую теплоту, вводимую в теплогенератор с воздухом, если нагрев воздуха
происходит вне котельного агрегата (воздухоподогреватель);
• Qпар – физическую теплоту, вводимую в теплогенератор с паром, при паровом
распылении топлива (паромеханические форсунки).
Следовательно,
Qрр = Qрн + Qф.т + Qф.в + Qпар.
Расходная часть теплового баланса Qрасх включает в себя
полезно использованную теплоту Q1, а также
потери теплоты с уходящими топочными газами Q2,
химической Q3 и
механической Q4 неполнотой сгорания топлива,
от наружного охлаждения Q5,
с физической теплотой шлаков Q6,
на аккумуляцию ограждающих конструкций Qак (при нестационарных условиях работы
установки).
Следовательно,
Qрасх = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 + Qак.
Уравнение теплового баланса имеет вид
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 25
Qрр = Qрасх.
Тепловые потери
Pазличают полное гоpение, т.е. без потеpь теплоты, и неполное, т.е. c потеpями теплоты.
Пpи полном гоpении вcе гоpючие вещеcтва топлива пpинимают учаcтие в окиcлительныx
пpоцеccаx, пpи этом обpазуютcя только окcиды - CО2, SO2, H2O.
Pеальное гоpение, как пpавило, являетcя неполным. Pазличают меxаничеcкую и
xимичеcкую неполноту cгоpания.
В пеpвом cлучае (механический недожог) некотоpое количеcтво топлива в пpоцеccе
гоpения топлива не учаcтвует. Напpимеp, газовым потоком из топки выноcятcя наиболее
мелкие фpакции угля, а наиболее кpупные, наобоpот, могут оcедать в нижней чаcти
топки (на поду) и удалятьcя вмеcте c золой и шлаком. В cлоевой топке возможен также
пpовал мелкиx фpакций топлива чеpез отвеpcтия колоcниковой pешётки.
Потеpи c xимичеcким недожогом возникают в cлучае xимичеcки неполного окиcления
углеpодоcодеpжащиx cоединений c обpазованием окиcи углеpода CО, а также в cлучае,
когда чаcть гоpючиx газообpазныx вещеcтв, обpазовавшиxcя пpи иcпаpении и
теpмичеcком pазложении жидкого и твёpдого топлива (CО, Н2, CН4 и дp.), покидают
топку до завеpшения окиcлительныx пpоцеccов.
Работа теплогенерирующей установки сопровождается потерями теплоты, выраженными
обычно в долях, %:
qi = (Qi / Qрр) ⋅ 100.
1. Потери теплоты с уходящими топочными газами теплогенератора
q2 = (Q2 / Qрр) ⋅ 100, %.
В теплогенераторе это, чаще всего, наибольшая часть тепловых потерь. Потери теплоты с
уходящими топочными газами можно понизить за счет:
• снижения объема дымовых топочных газов, путем поддержания требуемого
коэффициента избытка воздуха в топке αт и уменьшения присосов воздуха;
• снижения температуры уходящих топочных газов, для чего применяют хвостовые
поверхности нагрева: водяной экономайзер, воздухоподогреватель, контактный
теплообменник.
Температура уходящих топочных газов (140…180 °С) считается рентабельной и во
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 26
многом зависит от состояния внутренней и внешней поверхности нагрева труб котла,
экономайзера. Отложение накипи на внутренней поверхности стенок труб котла, а также
сажи (летучей золы) на внешней поверхности нагрева существенно ухудшают
коэффициент теплопередачи от топочных газов к воде и пару. Увеличение поверхности
экономайзера, воздухоподогревателя для более глубокого охлаждения дымовых газов не
является целесообразным, так как при этом уменьшается температурный напор ΔТ и
увеличивается металлоемкость.
Повышение температуры уходящих топочных газов может произойти в результате
неправильного процесса эксплуатации и сжигания топлива: большой тяги (топливо
догорает в кипятильном пучке); наличия неплотности в газовых перегородках (газы
напрямую идут по газоходам котельного агрегата, не отдавая теплоты трубам –
поверхностям нагрева), а также при большом гидравлическом сопротивлении внутри труб
(за счет отложения накипи и шлама).
2. Химический недожог
q3 = (Q3 / Qрр) ⋅ 100, %.
Потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива определяются по
результатам анализа летучих горючих веществ Н2, СО, СН4 в уходящих дымовых
топочных газах. Причины химической неполноты сгорания: плохое смесеобразование,
недостаток воздуха, низкая температура в топке.
3. Механический недожог
q4 = (Q4 / Qрр) ⋅ 100, %.
Потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива характерны для твердого
топлива и зависят от доли провала топлива через колосниковую решетку в систему
шлакозолоудаления, уноса частичек несгоревшего топлива с дымовыми газами и шлаком,
который может оплавить частицу твердого топлива и не дать ей полностью сгореть.
4. Потери теплоты от наружного охлаждения ограждающих конструкций
q5 = (Q5 / Qрр) ⋅ 100, %.
Возникают ввиду разности температуры наружной поверхности теплогенератора и
окружающего наружного воздуха. Они зависят от качества изолирующих материалов, их
толщины. Для поддержания q5 в заданных пределах необходимо, чтобы температура
наружной поверхности теплогенератора – его обмуровки не превышала 50 °С.
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 27
Потери теплоты q5 уменьшаются по ходу движения топочных газов по газовому тракту,
поэтому для теплогенератора введено понятие коэффициента сохранения теплоты
φ = 1 − 0,01q5.
5. Потери с физической теплотой шлака
q6 = (Q6 Qрр) ⋅ 100, %.
Возникают за счет высокой температуры шлаков порядка 650 °С, и характерны только при
сжигании твердого топлива.
Тепловое напряжение объема топочного пространства - важнейшая теплотехническая
характеристика топочных устройств. Оно выражается отношением
Q
и представляет
VT
собой количество теплоты, выделившейся при сжигании определенного количества
топлива в единицу времени В и приходящейся на 1 куб.м объема топочного
Q QHP  B

пространства, то есть: q 
VT
VT
.Единицей измерения q для является Вт/м3.
Если значение q будет превышать определенную числовую величину, установленную
практически, то за время нахождения в топке топливо не сгорит полностью. Опыт
эксплуатации котельных агрегатов показал, что для различных видов топлива, способов
сжигания и конструкций топок допустимое значение q изменяется в широких пределах.
Например, для слоевых топок с неподвижной решеткой и ручным забросом топлива q =
290 – 350 кВт/м3, у слоевых механизированных топок qх =290 – 465 кВт/м3, для камерных
топок при сжигании угольной пыли q = 145 – 230 кВт/м3, а при сжигании в них газа или
мазута qх = 230 – 460кВт/м3.
В слоевых топках, в которых часть топлива сгорает в слое, а другая часть в топочном
пространстве, применяют еще одну характеристику интенсивности тепловой работы
топки, называемую тепловым напряжением зеркала горения и имеющую вид: .
Q QHP
qR  
R
R
Единицей измерения для qR является Вт/м2; В – кг/с; Qрн – Дж/кг и для - R м3.
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 28
Эта характеристика представляет собой количество теплоты, выделившейся при сжигании
определенного количества топлива в единицу времени и приходящейся на 1 м 2 площади
поверхности зеркала горения.
Установлено, что чем больше qR, тем больше потеря теплоты от механического недожога
вследствие уноса из пределов топки мелких, не успевших сгореть частиц топлива.
Значения теплового напряжения зеркала золы, конструкции топки и т.д. и изменяются в
широких пределах – от 350 до 1100 кВ/м2.
Очевидно, что чем больше значение qu и qR для заданных размеров топки и одного и того
же вида топлива, тем интенсивней (форсированней) протекает работа топки, то есть
больше сжигается топлива в единицу времени и больше вырабатывается теплоты. Однако
форсировать топку можно лишь до определенного предела, ибо в противном случае
возрастают потери от химической и механической неполноты сгорания и снижается КПД.
В топках для кускового топлива с плотным слоем скорость обтекания неподвижных
кусков равна скорости потока в слое w0. В таких топках на колосниках лежит
значительный запас топлива, соизмеримый с часовым расходом топлива, а в полугазовых
топках - превышающий его в 2 - 4 раза. Наличие значительного количества горящего или
подготавливающегося к горению топлива создает устойчивость процесса. Для изменения
расхода топлива достаточно только изменить подачу воздуха, а изменение скорости
горения топлива является простым следствием воздушной регулировки. Факельные топки
для сжигания угольной пыли или мелкозернистых топлив во взвешенном состоянии
характеризуются малой скоростью обтекания частиц топлива потоком, то есть обменом
веществ на поверхности горящих частиц, что затрудняет выгорание топлива.
5.3 Статика горения
В процессе горения топлива происходит окисление органической массы топлива
кислородом воздуха и образование продуктов сгорания. Если не принимать во внимание
развитие процесса во времени, т.е. динамику этого процесса, то для статических расчетов
достаточно иметь данные по составу топлива и окислителя (воздуха). Тогда, считая, что
процесс окисления идет до образования конечных продуктов реакции, можно записать
уравнения химических реакций и составить материальный баланс процесса горения.
Последний дает возможность определить количество воздуха, необходимое для полного
сжигания единицы топлива, а также найти состав продуктов сгорания.
Количество воздуха на горение
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 29
Расчёт количество воздуха на горение рассмотрои на примере полного сгорания метана
СН4 по реакции
СН4+2О2=СО2+2Н2О
Для этого случая найдём количество воздуха в объёмных единицах.
Согласно реакции для горения 1 моля СН4 требуется 2 моля О2. Поскольку 1 kмоль
любого газа занимает одинаковый объём -22,4 м3, то для горения 22,4 м3 СН4 требуется
44,8 м3 О2, то есть для горения 1 м3 СН4 требуется 2 м3 О2.
В сухом воздухе кислород по объёму занимает 21% , азот 79%. Количество азота в
воздухе в (79/21) в 3,762 раза больше количетва кислорода. Поэтому соответствующее
количество воздуха для горения 1 м3 метана составит:
2+ 2∙3,762 = 9,524 м3.
Аналогичные расчёты можно сделать для реакций горения СО, Н2, и С2Н4:
СО + 0,5 О2 = СО2, Н2 + 0,5 О2 = Н2О , С2Н4 +3 О2= 2СО2 +2 Н2О.
Количество воздуха, необходимое для горения , определяется по стехиометрическим
уравнениям реакций. Наименьшее количество воздуха , необходимое для полного
окисления (сжигания ) единицы объёма горючего вещества называется теоретическим
расходом воздуха.
Отношение действительного расхода воздуха ( Vдейств) к теоретическому расходу ( Vтеорет)
называется коэффициентом избытка воздуха:

Vдейств
Vтеоретич
В процессе горения по мере расходования топлива и кислорода и уменьшения их
действующих концентраций выгорание замедляется. Условия реагирования ухудшаются
также в связи со сложностью перемешивания больших количеств топлива и окислителя.
Таким образом, в cвязи c неcовеpшенcтвом аэpодинамики топочныx уcтpойcтв и
невозможноcтью идеального (т.е. на молекуляpном уpовне) cмешения топлива и
окиcлителя в pеальныx уcловияx для полного cгоpания топлива необxодимо неcколько
большее количеcтво воздуxа, чем теоpетичеcкий объём воздуxа, полученный из
cтеxиометpичеcкиx уpавнений гоpения.
Пpи cжигании оpганичеcкиx топлив в топкаx энеpгетичеcкиx котлов коэффициент
избытка воздуха всегда больше 1 (α >1).
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 30
5.3.1 Расчет горения газообразного и твердого топлива
Для расчета процессов горения твердого и жидкого топлива составляют материальный
баланс процесса горения.
Материальный баланс процесса горения выражает количественные соотношения между
исходными веществами и конечными продуктами, а тепловой баланс — равенство между
приходом и расходом теплоты.
Для твердого топлива материальный и тепловой балансы составляют на 1 кг топлива.
Объемы воздуха и газообразных продуктов также выражают в метрах кубических,
приведенных к нормальным условиям.
При сжигании твердого топлива горючие вещества могут окисляться с образованием
оксидов различной степени окисления. Стехиометрические уравнения реакций горения
углерода, водорода и серы можно записать так:
а) С+О2=СО2; б) С+(1/2)·О2=СО; в) S+О2=SО2;т г) H2+(1/2)·О2=H2О;
При расчете объемов воздуха и продуктов сгорания условно принимают, что все горючие
вещества окисляются полностью с образованием только оксидов с наивысшей степенью
окисления.
Из уравнения следует, что для полного окисления 1 кмоль углерода (12 кг) расходуется 1
кмоль, то есть 22,4 м3, кислорода и образуется 1 кмоль (22,4 м3) оксида углерода.
Соответственно для 1 кг углерода потребуется 22,4/12 = 1,866 м3 кислорода и образуется
1,866 м3 СО2. В 1 кг топлива содержится Сp/100 кг углерода. Для его горения необходимо
1,866·Сp/100 м3 кислорода и при сгорании образуется 1,866 Сp/100 м3 CO2.
Аналогично из уравнений (в) и (г) на окисление горючей серы (µs = 32), содержащейся в 1
кг топлива, потребуется (22,4/32) Spл/100 м3 кислорода и образуется такой же объем SO2.
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 31
На окисление водорода
 H  2.02
2
, содержащегося в 1 кг топлива, потребуется
0,5·(22,4/2,02) Нp/100 м3 кислорода и образуется (22,4/2,02) Нp/100 м3 водяного пара.
Суммируя полученные выражения и учитывая кислород, находящийся в топливе (
 O  32 ),
2
после несложных преобразований получим формулу для определения
количества кислорода, теоретически необходимого для полного жигания 1 кг твердого
или жидкого топлива, м3/кг:
S ЛР
Cp
НР
ОР
V  1.866 
 0.75 
 5,55
 0,7 
100
100
100
100
0
O2
В воздухе содержится кислорода примерно 21 % по объему, поэтому количество воздуха,
теоретически необходимое для полного сжигания 1 кг топлива V0, м3/кг, составляет:
V0 


100 0
 VO2  0,0889  C P  0,375  S лР  0,265  Н Р  0,033  О р
21
В процессе полного горения с теоретически необходимым количеством воздуха
образуются газообразные продукты, которые состоят из CO2, SO2, N2 и H2O - оксиды
углерода и серы являются сухими трехатомными газами. Их принято объединять и
обозначать через RO2 = CO2 + SO2.
При горении твердых топлив теоретические объемы продуктов сгорания, м3/кг,
вычисляют по уравнениям
с учетом содержания соответствующих компонентов в
топливе и воздухе.
Действительный объем воздуха V может быть больше или меньше теоретически
необходимого.
Отношение
действительного
объема
воздуха
V
к
теоретически
необходимому V0 называется коэффициентом расхода воздуха α = V/V0. При α > 1
коэффициент расхода воздуха обычно называется коэффициентом избытка воздуха.
Для каждого вида топлива оптимальное значение коэффициента избытка воздуха в топке
зависит от технических его характеристик, способа сжигания, конструкции топки, способа
образования горючей смеси и др.
Действительный объем продуктов сгорания будет больше теоретического за счет азота,
кислорода и водяного пара, который содержится в избыточном воздухе. Так как воздух не
содержит трехатомных газов, то их объем не зависит от коэффициента избытка воздуха и
остается постоянным.
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 32
Объем двухатомных газов и водяного пара (м3/кг или м3/м3), определяют по формулам:
VR  VN0    1  V 0
Суммарный объем продуктов сгорания при α > 1 (м3/кг или м3/м3) будет:
VГ  VRO2  VR2  VH2 O
При сжигании твердых топлив концентрация золы в дымовых газах (г/м 3)
определяется по формуле
  10  A p
a ун
VГ
где а ун — доля золы топлива, уносимая газами (ее значение зависит от вида твердого
топлива и способа его сжигания и принимается из технических характеристик топок).
Все формулы для подсчета объемов применимы тогда, когда происходит полное сгорание
топлива. Эти же формулы с достаточной для расчета точностью применимы и для
неполного сгорания топлива, если не превышаются нормативные значения, приведенные в
технических характеристиках топок.
Таблица 5.1.
Физические свойства отдельных компонентов газовой смеси.
Формула
Газ
1
H2
2
Водород
Оксид
углерода
Метан
Этан
Пропан
CO
CH4
C2H6
C3H8
C4H10
C2H4
C3H6
C4H8
CO2
O2
Бутан
Этилен
Пропилен
Бутилен
Диоксид
углерода
Кислород
Молярная
Плотность,
масса,
о , кг/м3
кг/моль
Вязкость
3
2
4
0.089
Динамическая,
 106, Пас
5
8.35
28
1.250
16.95
13 .55
16
30.1
44.1
0.717
1.355
2.011
10.55
8.77
7.65
14.71
6.45
3.82
58.1
28
42
56
2.708
1.261
1.913
2.597
6.97
7.25
7.82
7.78
2.55
3.5
4.11
3.12
44
1.977
14.09
7.1
16
1.429
16.93
13.55
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Кинематичская,
106,м2с
6
93.8
Страница 33
H2S
Сероводород
34
1.536
18.82
7.68
H2O
Влага (вода)
18
0.833
8.7
14.8
Общие сведения и классификация горючих газов
Горючими газами называются смеси горючих и негорючих газообразных веществ,
используемые в технике в качестве топлива или сырья для химической промышленности.
В дальнейшем они рассматриваются лишь как топливо для промышленных предприятий.
Количество горючих газов измеряется в кубических метрах при нормальных условиях (0
°С и 760 мм рт. ст.) или иногда при стандартных условиях (20 °С и 760 мм рт. ст.).
Горючие газы обычно содержат некоторое количество примесей - водяных паров, смолы,
пыли и пр. Содержание примесей обычно дается в граммах на 1 м3 сухого газа при
нормальных условиях.
Горючие газы обычно характеризуются составом их сухой части в процентах по объему. В
общем случае состав сухого природного газа в процентах по объему может быть выражен
равенством, в котором горючие компоненты составляют горючую часть, а негорючие балласт:
Иногда дается состав влажного горючего газа, тогда:
Химические формулы, молекулярные массы, плотности и другие характеристики
компонентов приведены в табл. 1.
Таблица: характеристика компонентов, входящих в состав газообразного топлива
Наименование
газа
Водород
Окись
углерода
Метан
Этилен
Этан
Пропилен
Пропан
Бутилен
Химическая
формула
H2
CO
Теплота
высшая
12,758
12,628
сгорания,
низшая
10,790
12,628
Жаропроизводительность,
˚С
2230
2370
CH4
C 2 H4
C 2 H6
C 3 H6
C 3 H8
C 4 H8
39,792
63,047
69,717
91,996
99,219
121,485
35,832
59,058
63,789
85,967
91,321
113,595
2030
2290
2090
2220
2105
2195
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 34
Бутан
Ацетилен
Сероводород
Азот
Двуокись
углерода
Кислород
C4H10
C 2 H2
H2S
N2
CO2
128,607
58,052
25,425
-
118,680
56,083
23,401
-
2170
2620
1850
-
O2
-
-
-
5.3.2. Определение коэффициента избытка воздуха по составу продуктов сгорания
Коэффициент избытка воздуха является одной из важнейших эксплуатационных
характеристик устройств, в которых реализуется процесс сжигания топлива (паровые
котлы, промышленные печи и т.д.). При увеличении объема уходящих продуктов
сгорания увеличивается и доля теплоты от сгорания топлива, которая теряется с этими
газами.
Используя полученные выше уравнения материального баланса процесса горения, можно
определить коэффициент избытка воздуха по содержанию (концентрации) в продуктах
сгорания СО2, О2 или N2.
Общий принцип определения коэффициента избытка воздуха состоит в том, что при
полном сгорании топлива изменяется концентрация в сухих газах СО 2, О2 или N2 при
изменении α. В газоанализаторах исследуется предварительно осушенные продукты
сгорания. Это вносит некоторые искажения в объемные доли продуктов сгорания, что
особенно заметно для топлив, богатых водородными соединениями (природные газы,
жидкое топливо).
Рассмотрим определение коэффициента избытка воздуха по концентрации СО2 в
продуктах сгорания. Если пренебречь содержанием серы и азота в топливе (что
справедливо для большинства твердых топлив), то теоретический объем сухих газов Vsg
(при стехиометрическом горении) можно представить в виде
VsgO  1,868  C p  0,79  V O
а максимальная концентрация СО2 в сухом газе составит
CO2max 
1,868  C p
1,868  C p  0,79  V O
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 35
Если в воздухе сгорает чистый углерод, то по стехиометрии реакции получается, что на
образование одного моля СО2 расходуется один моль кислорода. Учитывая объемное
содержание кислорода в воздухе (0,21), получаем, что в случае сгорания чистого углерода
СО2
max
= 0,21.
Природное топливо кроме углерода содержит еще и водород, на окисление которого
также расходуется кислород. Поэтому для такого топлива при стехиометрическом
горении концентрация СО2 в продуктах сгорания оказывается меньше, чем для чистого
углерода. Тогда, введя некоторый коэффициент (топливный коэффициент Бунте),
учитывающий расход кислорода на горение водорода и зависящий от состава топлива,
получим
0,21
1 
Очевидно, что на горение одного моля водорода требуется в 3 раза большее количество
CO2max 
кислорода, чем для сгорания углерода. Тогда топливный коэффициент Бунте можно
определить, как отношение кислорода на горение водорода и на горение углерода, то есть
CO2max

Op 

2,37 H p 
8 


Cp
Если же известен состав топлива, то максимальную концентрацию СО2 в продуктах
сгорания можно найти как

Op 

2,37 H p 
8 
max

CO2 
Cp
Если же известен состав топлива, то максимальную концентрацию СО2 в продуктах
сгорания можно найти как
CO2max 
VCO2
VsgO
При α > 1 концентрация СО2 в продуктах сгорания уменьшается из-за их разбавления
избыточным воздухом. Приравнивая количества СО2 при α = 1 и при α > 1, получаем
CO2max  VsgO  CO2  Vsg
, тогда
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 36
Vsg  VsgO    1  V o
и

CO2max  VsgO  CO2  VsgO    1  V O
Откуда
CO2max  VsgO  VsgO

 1  O
CO2  V O
 V





Для точного расчета коэффициента избытка воздуха следует по составу топлива
рассчитать VO и Vsg , а действительная концентрация СО2 в продуктах сгорания
определяется экспериментальным путем. Однако для большинства твердых топлив с
достаточной для практики степенью точности можно принять, что VsgO  Vsg
Тогда приближенно коэффициент избытка воздуха по экспериментально определенному
содержанию СО2 в продуктах сгорания может быть найден из  
CO2max
CO2
Это соотношение получило название «углекислотная формула для определения
коэффициента избытка воздуха».
Вопросы для самопроверки
1.Что такое «теоретически необходимое» количество воздуха горения?
2.Что такое коэффициент избытка воздуха?
3.Запишите реакции окисления горючих компонентов твердого топлива.
4.Определите по этим реакциям количество кислорода для окисления 1кг топлива.
7.Теоретический состав продуктов сгорания.
8.Действительный состав продуктов сгорания топлива.
Sergey Chekryzhov, “Kütusetööstuse protsessid”, loeng 5. VK TTÜ-2014
Страница 37