Топливо и основы теории горения. Конструкции разных топок и горелок

 

Общие сведения

Органическое топливо (газообразное, жидкое и твердое) широко ис­поль­зуют в разного рода тепловых установках: в топках паровых и водогрей­ных котлов, в том числе паротур­бинных электростанций, в промышленных пе­чах и в сельском хозяйстве, в камерах сго­рания газовых турбин и воздушно-ре­активных двигателей, в цилиндрах порш­невых двигате­лей внутреннего сгора­ния, в камерах сгорания магнитогазо­дина­мических элек­трогенераторов и т. д.

Топливо в любых теплотехнических установках сжигают для того, чтобы получить теплоту в результате протекания экзотермических химических реакций и по­лучить раскаленные продукты полного сгорания (дымовые газы) или про­дукты газификации.

В топках паровых котлов, в промышленных печах (кроме шахтных пе­чей), в двигателях внутреннего сгорания, в камерах сгорания газовых турбин горение ведут с наибольшей полнотой, получая продукты пол­ного сгорания.

В газогенераторах осуществляют газификационные процессы, в ко­торых в качестве окислителей используют кислород, воздух, водяной пар и углекис­лый газ. Реакции, протекающие в таких устройствах, едины по своей природе с реакциями горения, но в результате их получают горю­чие газообразные про­дукты газификации.

Бывает и двухстадийное сжигание топ­лива: 1 - сначала топливо газифи­циру­ется; 2 - затем (в том же устройстве) продукты газификации полностью дожига­ются.

Условия сгорания топлива в разных теплотехнических устройствах и под­готовка их к сжиганию различны, как различны и сами топлива. Например, в топках паровых и водогрейных котлов и в промышленных печах топливо сго­рает при атмосферном давлении, в то время как в камерах сгорания газовых турбин и в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания топливо горит при дав­лении, во много раз превышающем атмосферное. Несмотря на указанное выше различие, в процессах сгорания различных видов топлива много общего. Крат­кая информация о процессах горения и топливных устройствах изложена ниже.

Реакции горения и газификации

 

Процессы горения делят на гомогенные, протекающие в объеме, ко­гда топливо и окислитель находятся в одинаковом фазовом состоянии (например, горение водорода в смеси с воздухом), и на гетерогенные, происходящие на поверхности твердого углерода (например, горение кокса в потоке воздуха). В указанных реакциях горения окислителем является сухой воздух, состоящий по объему примерно из 21% кислоро­да и 79% азота, и поэтому продукты сгорания содержат балласт – азот, который их разбавляет. При использовании в качестве окислителя чистого ки­слорода бал­ласт будет отсутствовать.

 

Гомогенное горение. Кинетика химических реакций

Во всех теплотехнических установках стремятся к проведению про­цессов горения с наибольшей скоростью, потому что это позволяет со­здать малогаба­ритные машины и аппараты и получить в них наиболь­шую производитель­ность. Процессы горения в существующих установках протекают с большой скоростью с выделением при сгорании топлива большого количества теплоты и с получением высоких температур. Для луч­шего понимания влияния разных фак­торов на скорость горения ниже рассмотрены элементы кинетики химических реакций.

Скорость любой химической реакции зависит от концентрации реа­гирую­щих веществ, температуры и давления. Объясняется это тем, что молекулы га­зов, двигаясь в разных направлениях с большой скоро­стью, сталкиваются друг с другом. Чем чаще их столкновения, тем быстрее протекает реакция. Частота же столкновений молекул зависит от их количества в единице объема, т. е. от концентрации и, кроме того, от температуры. Под концентрацией по­нимают массу вещества в едини­це объема и измеряют ее в кг/м³, а чаще - чис­лом киломолей в 1 м³.