Процессы горения топлива

Изучая кинетику и динамику горения твёрдого топлива, сследует выделить несколько этапов процесса горения: -Подготовка топлива к процессу горения – подсушка топлива, подогрев, выделение летучих веществ. -Смесеобразование – перемешивание летучих веществ с окислителями, воспламенение, гомогенное выгорание и горение летучих веществ. -Образование кокса и его гетерогенное горение. При этом осуществляются следующие реакции горения: С + О₂ = СО₂ + Q₁ 2C +O₂ = 2CO +Q₂  2CO₂ + O₂ = 2CO₂ + Q₃  Q₁ > Q₂ > Q₃ СО₂ + С = 2СО (-Q₄)  CO + H₂O = CO₂ + H₂ (-Q₅)  Основу этих ракциях составляют гетерогенные процессы, наиболее длительные по времени. При сравнительно низких температурах до 800^оС скорость химических реакций мала. Поэтому скорость поглощения кислорода во много раз меньше скорости, с которой кислород поставляется к поверхности горения. Скорость процесса горения лимитируется скоростью химической реакции, которая подчиняется закону Аррениуса и может быть определена в виде произведения постоянной скорости горения на концентрацию кислорода у поверхности или в потоке. Период горения, в котором скорость реакции определяется скоростью окисления вещества называется кинетическим периодом горения. При увеличении температуры в пределах 800 - 900^оС скорость химической реакции становится соизмеримой и равна скорости доставки кислорода к окисляемой поверхности: v_д = _д  (С_о – С_s), где _д – коэффициент массообмена, характеризующий скорость переноса кислорода из потока за счёт молекулярной или турбулентной диффузии. В области горения 800 - 900^оС происходит как кинетическое, так и диффузионное горение. Ближе к 800^оС k > _д и скорость горения определяется скоростью реакции окисления. Ближе к 900^оС наблюдается обратный процесс, т. е. скорость горения определяется диффузией поступающей к поверхности частицы окислителя (вторая область процесса горения). При высоких температурах (900 - 1500^оС) происходит процесс выхода СО с поверхности частиц, т. е. процесс диссоциации. В результате скорость реакции замедляется из-за развития вторичных реакций. Кроме того, поверхность частицы уменьшается из-за поступления СО через их поры (III период горения). При температурах более 1500^оС изменяется характер химической реакции, и начинают преобладать вторичные (восстановительные) реакции. В этом периоде углеродные частицы газифицируются, т. к. кислород не достигает их поверхности, а химическая реакция перемещается в газовый поток. Перемещение процесса горения в газовый поток несколько повышает скорость реакции по сравнению с III периодом горения (IV период горения). С дальнейшим ростом температуры (>2000^оС) начинает сказываться нехватка кислорода в зоне вторичных реакций, т. е. происходит торможение горения (V период горения).  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 Q^р_н, 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 с помощью специальных коэффициентов и эмпирических зависимостей.