Физико-химические основы горения

В основе процесса горения лежат химические реакции горючего с окислителем. Применительно к углеводородным горючим, которыми являются все виды органического топлива, чистый углерод и водород, целесообразно выделить следующие химические реакции, протекающие с выделением или поглощением теплоты, в КДж/моль:

а) первичные экзотермические химические реакции полного горения:

 

Реакции (2.8) и (2.9) являются экзотермическими, а (2.10) —эндотермической. Принципиальной особенностью всех реакций горения является их обратимость; ни одна из этих реакций не идет до конца, а лишь до состояния химического равновесия, при котором имеют место все компоненты реакции. Состояние химического равновесия зависит от температуры, давления и соотношения концентраций реагирующих веществ.

Направление изменения равновесия реакций под действием внешних факторов определяется принципом Ле- Шателье, согласно которому: если на систему, находящуюся в химическом равновесии, воздействовать извне, то в ней возникнут самопроизвольные процессы, стремящиеся ослабить это воздействие. Применительно к реакциям горения такими возможными факторами, влияющими на химическое равновесие реакций, являются: тепловыделение, сопровождающееся повышением температуры; возможное изменение давления и изменение концентрации какого-либо компонента реакции. Так, повышение температуры сопровождается торможением реакций, протекающих с большим тепловыделением, например, из реакций, описываемых уравнениями (2.1) и (2.5) преимущественное развитие приобретает реакция по уравнению (2.5). При очень высоких температурах (свыше 1600— 1800 °С) углерод топлива первично реагирует с кислородом в большей степени с образованием СО, а не СОг, как это имеет место при низких температурах (1000—1300°С). Повышение давления тормозит реакции, протекающие с увеличением объема, например реакции (2.4), (2.7), (2.10), и др. Если из системы, как это имеет место в топочных процессах, продукт реакции выводится и концентрация его снижается, то химическое реагирование стремится компенсировать это понижение концентрации, способствуя тем самым более полному протеканию реакций горения.

Очевидно, что диффузионный режим горения может иметь место при высокой температуре процесса и при недостаточно эффективном перемешивании компонентов (например, при диффузионном горении газа, горении распыленного жидкого и твердого топлива). Кинетический режим горения наблюдается при сжигании предварительно хорошо перемешанных смесей газообразного топлива и кислорода, при низкотемпературном горении твердых топлив (например, на стадии их воспламенения, в процессах низкотемпературной газификации топлив и др.). Как правило, в реальных условиях процесс горения протекает в промежуточном режиме, в большей или меньшей степени приближающемся к предельному режиму.

В зависимости от фазового состояния реагирующих веществ при горении (твердое, жидкое, газообразное) химические реакции делят на: гомогенные, протекающие в объеме между компонентами, находящимися в одной, как правило, газообразной фазе, и гетерогенные, протекающие на поверхности раздела фаз — твердой, жидкой и газообразной. В соответствии с этими названиями реакций горение топлив также условно делят на гомогенное и гетерогенное горение. Примерами гомогенного горения являются: горение хорошо перемешанных газообразных компонентов, горение быстро испаряющихся жидких топлив в случае, когда перемешивание образовавшихся паров топлива с окислителем предшествует процессу горения. Примерами гетерогенного горения на поверхности раздела фаз могут служить: горение твердых топлив, горение капель тяжелых жидких топлив в случае, если фронт горения устанавливается на границе раздела паров топлива и окислителя, и др. В зависимости от характера реакций анализ процесса горения проводят в соответствии с разработанными моделями теорий гомогенного и гетерогенного горения.

Любой процесс горения топлив по своей сути является поточным процессом, поскольку для его протекания необходимы непрерывный подвод компонентов в зону реакции и отвод из нее продуктов сгорания. Подвод компонентов в зону реакции производится за счет диффузии молекул горючего и окислителя. При горении топлива в потоке газообразного окисления независимо от характера реакций (гомогенной или гетерогенной) возможна организация протекания процесса в ламинарном и турбулентном потоке, что существенно сказывается на закономерностях развития процесса. В связи с этим процесс горения подразделяют на ламинарное горение (т. е. горение в ламинарном потоке окислителя) и турбулентное горение (горение в турбулентном потоке окислителя).

Процесс горения топлив (особенно при его протекании в реальных устройствах со сложной гидродинамической структурой потоков в условиях существенной неизотермичности в зоне горения) является одним из самых сложных физико-химических процессов, известных до сего времени. Наиболее сложным, с точки зрения анализа, является горение потока топлива, которое сопровождается непрерывным изменением температур и концентраций реагирующих компонентов. Особенности условий подвода реагирующих компонентов в зону реакции по мере движения топлива и окислителя и изменение локальных тепловых условий по мере изменения интенсивности процесса от воспламенения топлива до стадии его догорания делают переменными определяющие параметры протекания реакций с переходом режима горения от кинетического к диффузионному, и наоборот.

В СССР с целью полной оценки влияния гидродинамических, тепловых и химических факторов на процесс горения топлива в потоке разработан метод комплексного анализа процесса горения потока топлива в неизотермических условиях, позволивших для конкретных случаев найти закономерности развития процесса горения и аналитически определить влияние начальных и граничных Условий на скорость горения топлива. В основе метода комплексного анализа лежит система из семи дифференциальных уравнений, включающих: основное уравнение горения топлива; уравнение неразрывности для всего потока газов; уравнение неразрывности для окислителя (с учетом химической реакции); уравнения состояния и движения газа; уравнения движения частиц (капель) топлива; уравнение переноса энергии.

При сжигании твердого или жидкого топлива последнее распыляется в потоке окислителя в виде полидисперсной системы с изменением начальных размеров частиц (капель) от нулевого до максимально заданного е очень большим различием удельных поверхностей отдельных частиц (капель) в зависимости от их размеров. При анализе процесса весь массовый поток топлива делится на ряд самостоятельных потоков по размерам частиц (капель), причем полагают, что в каждом условно выделенном потоке начальный размер частиц (капель) равен среднему их размеру. Для каждого условно выделенного потока топлива в системе уравнений отдельно записывают уравнения горения и движения частиц капель топлива, так что общее число уравнений в системе равно 2/+5 (где количество условно выделенных монофракционных потоков топлива). При 5 удается достаточно полно учесть полидисперсность топлива. В том случае система состоит из пятнадцати уравнений, которые решаются с использованием современной вычислительной техники.