Кинетика процесса горения топлива.

Под кинетикой процесса горения топлива понимают время процесса горения, которое определяется различными теплофизическими факторами окислителя и топлива (воздуха и окисляемой среды), а также скорость протекания этого процесса. Взаимодействие 2-х этих факторов и определяет интенсивность горения и механизм построения окислительных реакций.

^

Время горения топлива.

Независимо от схемы организации горения полное время сгорания любого топлива определяется из времени, затрачиваемого на процесс смесеобразования, времени, необходимого для подвода окислителя к топливу, времени, необходимого для подогрева до температуры воспламенения, и времени, необходимого для химической реакции горения (окисления) топлива:

t_гt= _смt+ _нt+ _х
физические

tпроцессы (_ф):

Процесс горения топлива зависит от физической стадии (смесеобразование и подогрев топлива) и осуществляются реакции горения (хим.).

tЕсли _фt >_х, то этот процесс происходит в кинетической области tи, следовательно, время процесса сгорания определяется в этом случае временем осуществления химических реакций: _гt= _х.

tСтадия _ф t>_х наступает тогда, когда время транспортировки окислителя значительно превышает время, необходимое для осуществления собственно химических реакций горения. И этот процесс находиться в диффузионной области горения.

tКогда _ф t@_х (если время протекания химических реакций соизмеримо со временем физических стадий), тогда процесс находиться в промежуточной области и полное время сгорания топлива определяется скоростью наиболее медленного процесса.

При сжигании газообразного топлива tфизическими стадиями процесса являются: образование горючей смеси из газа и окислителя (воздуха) и подогрев ее до температуры воспламенения. Горение газовоздушной смеси протекает достаточно интенсивно с большим и интенсивным выделением тепла. Поэтому ее подогрев до температуры воспламенения незначителен. Кроме того, подогрев часто сопровождается и происходит параллельно с процессом смесеобразования. Поэтому он не требует дополнительного времени. Таким образом практически из подготовительных этапов физических стадий является процесс смешения и в этом случае _х t»_см.

t_см зависит от способа подачи в топку газообразного топлива и окислителя.
1 – горелочное устройство;

2 – обмуровка камеры сгорания;

В_г – топливо (газ);

V_o^’ – первичный воздух (часть воздуха, необходимая для осуществления процесса сгорания, подаваемая в горелочное устройство для осуществления перемешивания топлива и окислителя);

V_o^’’ – количество воздуха, вводимое в топочное устройство, необходимое для осуществления полного сгорания.

V _д = × a V_в^o = V_o^’+V_o^’’

При подаче в топку через горелку предварительно перемешанную газово-воздушную смесь, когда V_д=V_o^’ и V_o^’’=0, имеет место кинетический принцип организации процесса горения.

При раздельной подаче в топку горючего газа и окислителя, когда V_o^’=0 и V_д=V_o^’’t,_см имеет наибольшее значение и в этом случае реализуется диффузионный принцип. В том случае, если V_o^’0 и V>_o^’’0, организуется смешанный принцип горения газообразного топлива.>

Процесс сжигания жидкого топлива определяется также, как и газообразного, физическими и химическими стадиями. К физическим стадиям этого топлива относятся процессы тонкодисперсного распыления топлива на мелкие капельки (с помощью форсунки), подогрев испарение и образование горючей смеси.

К химической стадии процессов относится этап горения этой смеси.

Процесс горения твердого топлива также состоит из ряда последовательных этапов. В первую очередь происходит смесеобразование и тепловая подготовка топлива, включая подсушку топлива и образование летучих. Получающиеся при этом горючие газы и коксовый остаток (углерод) при достаточном количестве окислителя далее сгорают с образованием дымовых газов и минерального остатка – золы. Наиболее длительными оказываются этапы сгорания кокса (углерода), который является основной составляющей горючей массы твердого топлива. Для антрацита содержание углерода – 90-95%, для торфа – 50-60%. Поэтому механизм горения твердого топлива в значительной степени определяется горением углерода.

Горение углерода является сложным физико-химическим процессом. При этом можно выделить следующие первичные и вторичные реакции:

-первичные

C+O₂=CO₂ (+Q₁)

2C+O₂=2CO (+Q₂)

Q₁Q>₂

-вторичные

2CO+O₂=2CO₂ (+Q₃)

CO₂+C=2CO (-Q₂)

CO₂ – продукт полного сгорания;

CO – продукт неполного сгорания.

Реакции с выделением тепла (+Q) характеризуют окислительную зону горения, а реакции (-Q) – восстановительную.

При осуществлении топочного процесса стремятся максимально развить окислительную зону с получением продуктов полного сгорания (CO₂).

При газификации топлива стремятся по возможности развить восстановительные реакции с получением продуктов неполного сгорания (CO).

^

Скорость процессов горения.

1 меньше скорости диффузии окислителя к поверхности реагирования. Это означает, что окислитель имеется в достаточном количестве и его подвод к окисляемой среде (топливу) не имеет существенного значения.³aКак показывает практика, осуществление процессов горения зависит от химического состава топлива (природы топлива), концентрации реагирующих веществ и физических факторов, определяющих процесс горения (температура и давление). Для большинства процессов горения, осуществляемых в топке, протекающих в близком к атмосферному авлению, наибольшим физическим фактором является температура. Давление на скорость процесса горения оказывает влияние в установках, работающих под давлением. При относительно низкой температуре скорость химической реакции при

Градиент (разность) концентраций окислителя на поверхности реагирования и в окружающей среде мал. При указанных условиях скорость горения в целом определяется кинетикой химических реакций на поверхности (кинетическая область реагирования).

w - скорость частиц (w₁w<₂w<₃w<₄)

d – диаметр частиц (d₁ d<₂ d<₃d< ₄).

Согласно закономерности рисунка с увеличением температуры скорость горения растет по экспоненциальному закону. Коэффициент скорости реакции определяем согласно закона Аррениуса:

K = K_o × e ^-E/RT,

где К _о – предэкспонециальный коэффициент;

Е – энергия активизации, кДж/кмоль;

Т – абсолютная температура, К;

R – универсальная газовая постоянная, кДж/кмоль.

Подобное условие, в котором увеличение скорости реакции горения связано с увеличением температуры, длится до тех пор, пока скорость химической реакции не станет соизмеримой со скоростью подвода окислителя к поверхности реагирования для каждого диаметра.

При дальнейшем повышении температуры скорость химической реакции становится на столько значительной, что процесс горения лимитируется поступлением окислителя к поверхности реагирования. Весь подведенный окислитель незамедлительно вступает в химическую реакцию с горючим. Поэтому концентрация окислителя на поверхности приближается к 0. В этом случае скорость горения определяется условиями подвода окислителя, т.е. гидродинамическими факторами (относительная скорость потока и размеры частиц).

Относительная скорость частицы – скорость потока минус скорость движения частицы.

Соотношение кинематической и диффузионной областей реагирования представлено на выше приведенном рисунке. Скорость диффузионного горения растет с увеличением относительной скорости газового потока и уменьшением размера частиц. Кинематическая и диффузионная области в чистом виде являются предельными областями реагирования. Между ними находится промежуточная область, для которой скорость химической реакции и скорость диффузии окислителя к поверхности реагирования соизмеримы.(Диффузия – “проникновение”) При определенных условиях возможно смещение горения из одной области реагирования в другую область. Так уменьшение размеров частичек топлива или увеличение относительной скорости газового потока при неизменной температуре перемещает горние из диффузионной области реагирования в промежуточную и даже в кинетическую. Понижение температуры также сдвигает горние в область кинетического реагирования.

Большинство процессов, осуществляемых в топочных устройствах или промышленных печах, происходит в промежуточной области реагирования.

Скорость реакции зависит также от физических свойств топлива. При различных состояниях топлива и окислительной среды, когда имеется поверхность реагирования, процесс называется гетерогенным. Этот процесс при сгорании топлива в среде, которая находится в различных агрегатных состояниях.

Когда агрегатное состояние топлива и окислителя одинаковое, то процесс называется гомогенным.

Для установившегося гетерогенного процесса количество окислителя, прореагировавшего на поверхности горючего, равняется диффузионному его потоку. Таким образом, скорость горения выражается через скорость химической реакции и скорость диффузии потока реагирующего газа и выражается следующей зависимостью:

Ω _г = с_п · К = α_диф (С – С_п)

где w_r – скорость горения газа, кг/(м²с);×

С _n – концентрация окислителя на поверхности реагирования, кг/м³;

^ С – концентрация окислителя в потоке, кг/м³;

К – константа химической реакции;

a _диф – константа скорости диффузии (коэффициент массообмена), м/с.

Константа К как было ранее отмечено зависит от температуры и определяется по закону Аррениуса.

aКонстанта _диф входит в соотношение:

,

где Nи _диф – число Нуссельта для диффузионного потока (безразм.);

Д – коэффициент диффузии, м²/с;

α _диф – м/с;

d – характерный размер обтекаемого тела, [м].
После математического преобразования полученных уравнений:

,
,

где К _р – результирующая константа скорости горения, учитывающая химические и физические свойства реагирования.
В данном уравнении 1/К и 1/α_диф являются химическими и физическими сопротивлениями процесса горения. Если сопротивление 1/К >> 1/α_диф, то => реакции будут протекать в кинетической области. Если 1/К << 1/α_диф, то область диффузионная.

В реальных условиях горение твёрдых веществ значительно сложнее, поскольку в частицах твёрдого топлива имеются поры, и процесс горения не осуществляется на поверхности, а проникает внутрь частиц. Кроме того, частица имеет влажность, которая при нагревании частицы испаряется и образует область водяных паров. Так же из твёрдых частиц при сгорании выделяются летучие вещества, которые образуют вокруг частицы облако. Именно летучие вещества начинают гореть.

Выделение влаги из частицы материала начинается при подогреве топлива до температуры около 100^ОС. Начало выделения летучих веществ зависит от возраста топлива и от его химического состава (чем больше возраст, тем меньшая температура приводит к началу выделения летучих веществ).

Процесс горения твёрдого топлива заканчивается образованием золы, в которую входят минеральные негорючие примеси

^