Физико-химические основы горения топлива

Основу горения составляет реакция окисления. Для протекания химической реакции между горючими веществами топлива и окислителями необходимо создать:

1. Химический контакт между молекулами веществ (осуществляется при образовании горючей смеси).

2. Довести молекулы до такого состояния, при котором становятся возможны химические реакции между ними.

Интенсивность горения газа и паров жидкого топлива выражается количеством горючего, сгоревшего в единице объема за единицу времени.

Интенсивность горения жидкого и газообразного топлива определяется по формуле:

где V – объем реагирующей смеси (объем факела), м³; B – расход горючего, кг/с, м³/с.

Интенсивность горения твердого топлива определяется по формуле:

где S – площадь реагирующей поверхности, м².

В промышленных установках интенсивность горения в камерной топке оценивается по величине удельного тепловыделения.

, [кДж/м^3.с]

В реальных условиях интенсивность горения определяется по скорости горения исходных веществ. Что зависит не только от скорости протекания химической реакции, но и от скорости процесса смесеобразования.

Горящая частица считается окруженной пограничной плёнкой, в пределах которой происходит догорание окиси углерода, а перенос вещества осуществляется только за счет молекулярной диффузии. В пределах плёнки происходит изменение концентрации веществ и температуры. За её пределами в основном потоке, окружающем частицу, имеет интенсивный турбулентный массоперенос. В связи с этим основной поток считается однородным. В результате можно принять, что концентрации кислорода в объёме основного потока и на поверхности пограничной плёнки равны.

Различают кинетическую и диффузионную области горения.

Кинетической называется область горения, в которой скорость процесса горения ограничена только скоростью химического реагирования на поверхности (скоростью химической реакции).

Диффузионной называется область горения, если скорость горения не зависит от скорости реакции и ограничена только скоростью процесса смесеобразования.

Рисунок 1.5 – Области горения частицы постоянного размера и изменения концентрации кислорода у поверхности:

I – кинетическая область; II – переходная область; III – диффузионная область;

С^обо₂ – концентрация кислорода в объеме основного потока; С^пово₂ – концентрация кислорода на поверхности частицы; Ks – скорость химической реакции (д – кислорода, диффундирующего через пограничную пленку; р – на единице поверхности).

При относительно невысоких температурах (1000 ^оС для коксовых частиц) реакция на поверхности протекает достаточно медленно, и потребление кислорода меньше его возможной доставки к поверхности (кинетическая область – I). То есть здесь процесс горения не зависит от условия подвода кислорода.

При высоких температурах процесса (выше 1400 ^оС) доставляемый диффузией к поверхности кислород мгновенно вступает в реакцию, в результате чего его концентрация у поверхности становится практически равной нулю (диффузионная область – III). В этой зоне, не смотря на рост температуры, скорость реакции изменяется медленно. Здесь реакция могла бы идти со значительно большей скоростью, но она сдерживается недостаточным подводом кислорода.

В зоне промежуточных температур (1000-1400 ^оС) скорость химической реакции на поверхности становится соизмеримой со скоростью доставки кислорода и тогда общая скорость реакции определяется обоими процессами. Ее расположение по шкале температур зависит от размера горящих частиц: чем меньше размер частицы, тем при более высокой температуре начинается переходная область.