Процесс сгорания топлива

Процесс сгорания топлива

Классификация топлив

Энергетическое топливо − это горючие вещества, которые экономически целесообразно использовать для получения тепловой и электрической энергии. По органическому составу и агрегатному состоянию топливо подразделяется на твердое, жидкое и газообразное. Эти топлива могут быть естественными и искусственными. В зависимости от расположения месторождения добычи топлива от источника потребления топлива разделяют местное (месторождение вблизи источника потребления) и дальнепривозное.

Характеристики топлив

Основной характеристикой топлива является его химический состав, который выражается в процентах от общей массы или объема топлива.
Основными элементами твердого и жидкого топлива является углерод C , водород H, сера S , кислород O , азот N , минеральные примеси А, влага W. Эти элементы по-разному участвуют в процессе горения, выделяя различное количество тепла при его сжигании.
C, H и S – составляют горючую массу топлива.
О и N – составляют внутренний балласт топлива.
А и W – внешний балласт топлива.

Основными элементами газообразного топлива являются: предельные углеводороды, непредельные углеводороды, водород, оксид углерода, диоксид углерода, сероводород, водяной пар, кислород, азот.

 Для твердого и жидкого топлив все расчеты, производимые в процессе горения топлива, необходимо выполнять с элементарным составом топлива, заданным на рабочую массу.
Влажность топлива – количество воды (влаги), присутствующее в топливе и отнесенное к массе топлива. Она зависит от связи с органическим материалом топлива и подразделяется на внешнюю влагу (поверхностная влага и капиллярная) и внутреннюю, входящую в коллоидные частицы топлива и гидратные соединения (CaSO4∙2H2O, MgSO2∙2H2O).
Внутренняя влага не удаляется из топлива при внешнем подогреве, а лишь при прокаливании (при 102º С и выше). Внешняя влага удаляется при температурах < 98º С
Зольность топлива – характеристика, которая устанавливает количество минеральных примесей в топливе, которое не участвует в процессе горения.

Летучие вещества – это газообразные продукты, выделяемые из твердого и жидкого топлива в диапазоне температур 150–800º С без доступа кислорода – окислителя. После выделения летучих из топлива остается кокс, содержащий углерод и твердую минеральную часть топлива. В состав летучих веществ входят: и др.
Высшая теплота сгорания топлива – общее количество тепла, выделяемое при сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива (или 1 м3 газообразного) с учетом превращения водяных паров выделяемых продуктов сгорания в жидкость. Эта теплота не учитывает тепло, затрачиваемое на процесс парообразования . 
Низшая теплота сгорания топлива – определяется путем вычитания из высшей теплоты сгорания теплоты, пошедшей на процесс парообразования.

Физика горения

Горение топлива – химическая реакция соединения горючих элементов топлива с окислителем при высокой температуре, сопровождающаяся интенсивным выделением теплоты. В качестве окислителя используют кислород воздуха. 
 Процессы горения разделяют на 2 группы:
1). гомогенное горение – горение газообразных горючих (характеризуется системой "газ+газ");
2). гетерогенное горение – горение твердых и жидких горючих (характеризуется системой "твердое тело+газ" или "жидкость+газ").

Процесс горения может протекать с разной скоростью – от медленного до мгновенного. Медленное горение –самовозгорание твердого топлива при его хранении на складах. Мгновенное горение представляет собой взрыв. В теплоэнергетических установках практическое значение имеет такая скорость реакции, при которой происходит устойчивое горение, т.е. при постоянной подаче в зону горения топлива и окислителя. При этом соотношение концентрации топлива и окислителя должен быть определенным. При нарушении этого соотношения (богатая смесь, бедная смесь) скорость реакции снижается и уменьшается тепловыделение на единицу объема. Процесс горения может протекать с разной скоростью – от медленного до мгновенного. Медленное горение –самовозгорание твердого топлива при его хранении на складах. Мгновенное горение представляет собой взрыв. В теплоэнергетических установках практическое значение имеет такая скорость реакции, при которой происходит устойчивое горение, т.е. при постоянной подаче в зону горения топлива и окислителя. При этом соотношениеконцентрации топлива и окислителя должен быть определенным. При нарушении этого соотношения (богатая смесь, бедная смесь) скорость реакции снижается и уменьшается тепловыделение на единицу объема.

Горение – это в основном химический процесс, т.к. в результате его протекания происходит качественные изменения состава реагирующих масс. Но в то же время химическая реакция горения сопровождается различными физическими явлениями: перенос теплоты, диффузионный перенос реагирующих масс и др. Горение – это в основном химический процесс, т.к. в результате его протекания происходит качественные изменения состава реагирующих масс. Но в то же время химическая реакция горения сопровождается различными физическими явлениями: перенос теплоты, диффузионный перенос реагирующих масс и др. Время горения топлива складывается из времени протекания физических (τфиз) и химических процессов (τхим): τгор = τфиз + τхим .

Время протекания физических процессов состоит из времени, необходимого для смешивания топлива с окислителем(τсм) и времени, в течении которого топливо – воздушная смесь подогревается до температуры воспламенения (tн):
 τфиз = τсм + τн 
 Время горения (τгор) определяется скоростью наиболее медленного процесса.

Особенности сжигания топлив

Горение газообразного топлива Минимальная температура при которой происходит воспламенение смеси, называется температурой воспламенения. Значение этой температуры для различных газов неодинаково и зависит от теплофизических свойств горючих газов, содержания горючего в смеси, условий зажигания, условий отвода теплоты в каждом конкретном устройстве и т.д. Горючий газ в смеси с окислителем сгорает в факеле. Различают два метода сжигания газа в факеле – кинетический и диффузионный. При кинетическом сжигании до начала горения газ предварительно смешивается с окислителем. Газ и окислитель подаются сначала в смешивающее устройство горелки. Горение смеси осуществляется вне пределов смесителя. При этом скорость горения не должна превышать скорости химических реакций горения τгор =τхим.

Диффузионное горение происходит в процессе смешивания горючего газа с воздухом. Газ поступает в рабочий объем отдельно от воздуха. Скорость процесса будет ограничена скоростью смешивания газа с воздухом τгор = τфиз. Диффузионное горение происходит в процессе смешивания горючего газа с воздухом. Газ поступает в рабочий объем отдельно от воздуха. Скорость процесса будет ограничена скоростью смешивания газа с воздухом τгор = τфиз.
Кроме этого существует смешанное (диффузионно-кинетическое) горение. При этом газ предварительно смешивается с некоторым количеством воздуха, затем полученная смесь поступает в рабочий объем, где отдельно подается остальная часть воздуха.

Газовые горелки можно классифицировать по двум критериям. Первый зависит от того, каким образом в горелку подаётся поток воздуха, необходимого для горения. Согласно этому критерию можно выделить следующие типы:
1)Горелки с естественной тягой (инжекционные);
2)Горелки с форсированной тягой;
3)Горелки с принудительной подачей воздуха (вентиляторные).

В горелке с естественной тягой воздуха используется принцип инжекции, т.е. часть воздуха подсасывается из атмосферы за счёт разрежения, создаваемого при движении потока газа через горелку. При этом воздух смешивается с горючим газом. Как правило, в горелках с естественной тягой поток воздуха, попадаемый в горелку по принципу инжекции (первичный воздух), достигает не более 50% от того значения, которое необходимо для достижения идеального горения. Поэтому требуется наличие дополнительного количества воздуха в камере сгорания (вторичный воздух). В горелках с форсированной тягой для обеспечения постоянства рабочих условий и безопасного (с точки зрения санитарно-гигиенических норм) горения применяется вентилятор, который обеспечивает подачу необходимого для горения воздуха в закрытую камеру сгорания. При этом количество первичного воздуха может достигать 100% от того значения, которое необходимо для идеального горения. Первые две категории горелок, как правило, применяются в бытовых напольных и настенных котлах.

 В вентиляторных горелках подача воздуха осуществляется напорными вентиляторами. Эти вентиляторы обеспечивают более или менее постоянные напор и производительность в не зависимости от тяги.   Использование вентиляторов позволяет добиться: широкой области регулирования; использования вентиляторных горелок с газоплотными теплогенераторами с высоким КПД; оптимального смешивания топлива и воздуха; низкого избытка воздуха и (как следствие) высокое КПД горения.

Предшествующее смешиванию процентное содержание можно разделить на следующие группы: Предшествующее смешиванию процентное содержание можно разделить на следующие группы: Газовые горелки с частичным предварительным смешиванием (например, - 50%); Газовые горелки с полным предварительным смешиванием (100%); Диффузионные горелки. В первых двух случаях смешивание газа и воздуха частично или полностью происходит до того, как смесь попадет в камеру сгорания. Поэтому горелки с форсированной тягой являются также и горелками с предварительным смешиванием. Предварительное смешивание дает более быструю реакцию окисления, вследствие чего пламя у таких горелок короче. Кроме того, при постоянно устойчивом соотношении газ-воздух горение происходит тише.

 В диффузионных горелках образование и горение газовоздушной смеси происходят более или менее одновременно. Для того, чтобы обеспечить экологически чистое горение с минимальным количеством избыточного воздуха, необходима повышенная турбулентность. Однако чем больше турбулентность потока, тем больше потери давления со стороны воздуха. Горелки с принудительной тягой могут относится к типу горелок с предварительным смешиванием, и к типу диффузионных горелок.


Горение жидкого топлива Основным жидким топливом, используемым в теплоэнергетике и промышленной теплотехнике является мазут. В установках небольшой мощности также используют смесь технического керосина со смолами. При зажигании жидкого горючего, имеющего свободную поверхность, загорается его пар, содержащийся в пространстве над поверхностью, образуя горящий факел. За счет тепла, излучаемого факелом, испарение резко увеличивается. При установившемся режиме теплообмена между факелом и зеркалом жидкости количество испаряющегося, а следовательно, и сгорающего горючего достигает ма­ксимального значения и далее остается постоянным во времени.

Температура жидкого горючего, при которой пары над его поверхностью образуют с воздухом смесь, способную воспламениться при поднесении источника зажигания, называется температурой вспышки. Температура жидкого горючего, при которой пары над его поверхностью образуют с воздухом смесь, способную воспламениться при поднесении источника зажигания, называется температурой вспышки. Поскольку жидкие горючие сгорают в паровой фазе, то при установившемся режиме скорость горения определяется скоростью испарения жидкости с ее зеркала.

Картину возникновения химического недожога можно представить следующим образом. Картину возникновения химического недожога можно представить следующим образом. Парообразные углеводороды при движении внутри конусообразного факела до фронта пламени при нахождении в области высоких температур при отсутствии кислорода, подвергаются термическому разложению вплоть до образования свободного углерода и водорода. Свечение пламени обусловливается нахождением в нем частиц свободного углерода. Последние, раскалившись за счет выделяемого при горении тепла, излучают более или менее яркий свет. Часть свободного углерода не успевает сгорать и в виде сажи уносится продуктами сгорания, образуя коптящий факел.

Таким образом, исследования горения жидких горючих со свободной поверхности показали, что: 
 1) горение жидких топлив происходит после их испарения в паровой фазе. Скорость горения жидких топлив со свободной поверхности определяется скоростью их испарения за счет тепла, излучаемого зоной горения, при установившемся режиме теплообмена между факелом и зеркалом испарения;
2) скорость горения жидких горючих со свободной поверхности растет с увеличением температуры их подогрева, с переходом к горючим с большей интенсивностью излучения зоны горения, меньшей теплотой парообразования и теплоемкостью и не зависит от величины и формы зеркала испарения;
3) интенсивность излучения зоны горения на зеркало испарения, горящего со свободной поверхности жидкого горючего, зависит только от его физико-химических свойств и является характерной константой для каждого жидкого горючего;
 4) горению жидких горючих со свободной поверхности присущ повышенный химический недожог, величина которого характерна для каждого горючего.

 Имея в виду, что горение жидких топлив происходит в паровой фазе процесс горения капли жидкого горючего можно представить следующим образом. Капля жидкого топлива окружена атмосферой, насыщенной парами этого горючего. Вблизи от капли по сферической поверхности устанавливается зона горения. Химическое реагирование смеси паров жидкого топлива с окислителем происходит весьма быстро, поэтому зона горения весьма тонка. Скорость горения определяется наиболее медленной стадией — скоростью испарения горючего. В пространстве между каплей и зоной горения находятся пары жидкого топлива и продукты горения. В пространстве вне зоны горения — воздух и продукты сгорания. В зону горения изнутри диффундируют пары топлива, а снаружи — кислород. Здесь эти компоненты смеси вступают в химическую реакцию, которая сопровождается выделением тепла. Из зоны горения тепло переносится наружу и к капле, а продукты сгорания диффундируют в окружающее пространство и в пространство между зоной горения и каплей. По мере выгорания капли из-за уменьшения поверхности общее испарение уменьшается, зона горения суживается и исчезает при полном выгорании капли.

Горение твердого топлива Процесс горения состоит из следующих стадий:
 1) подсушка топлива и нагревание до температуры начала выхода летучих веществ;
2) воспламенение летучих веществ и их выгорание; 
3) нагревание кокса до воспламенения;
4) выгорание горючих веществ из кокса.
Эти стадии иногда частично накладываются одна на другую. Выход летучих веществ у различных топлив начинается при различных температурах: у торфа при 550-660К, у бурых углей при 690-710К, у тощих углей и антрацита при 1050-1070К.