Основы теории горения

Горение - это интенсивное окисление горючих составляющих топлива с выделением тепла. Как правило, окислитель – кислород воздуха. В некоторых случаях в воздух дутья добавляют технический кислород до 35% от объема воздуха.

Для обеспечения процесса горения необходимо обеспечить эффективное смешение топлива и воздуха, т.е. процесс смесеобразования всегда предшествует процессу горения.

С повышением температуры скорость реакции окисления увеличивается. С достижением температуры воспламенения скорость окислительных реакций резко возрастает и процесс окисления переходит непосредственно в горение.

Температура воспламенения некоторых топлив в воздухе при атмосферном давлении:

водород (Н₂) – 530 °С

метан (СН₄) – 645 °С

угарный газ (СО) – 610 °С

кокс (С) – 900 °С

мазут (С) – 300 ÷ 350 °С

Необходимо также учитывать, что газовоздушные смеси имеют верхний и нижний концентрационные пределы воспламенения.

Движение газовоздушной смеси и интенсивное перемешивание (турбулизация) способствует значительному ускорению горения. Полная длительность протекания процесса горения t_å складывается из длительности смесеобразования t_см и непосредственно самого горения t_гор. Процесс смешения топлива с воздухом (окислителем) более длительный, чем сам процесс горения, который определяется скоростью протекания химических реакций.

В зависимости от способа подачи газа и воздуха в топку печи, а также условий их смешения, возможны диффузионный, кинетический и смешанный принципы организации процессов горения.

При диффузионном сгорании топлива происходит раздельная малоинтенсивная подача топлива и воздуха в топку. Определяющим фактором горения является скорость смешения топлива с воздухом, который может протекать в ламинарном или турбулентном режиме. При ламинарной диффузии процесс смешения затягивается, что приводит к снижению температуры ядра факела. При турбулентной – происходит интенсивное перемешивание масс воздуха и топлива, время смешивания сокращается, температура ядра факела растет. При внешнем смесеобразовании получают длинный факел максимальной светимости, температура подогрева воздуха, в этом случае, не ограничена.

При кинетическом горении процесс смесеобразования происходит в пределах горелочных устройств и в топку подается готовая газовоздушная смесь. Процесс горения определяется, в этом случае, скоростью протекания реакций. При организации кинетического горения температура ядра факела будет максимально возможная, для данного топлива и условий смесеобразования и максимально приближенная к калориметрической температуре .

При кинетическом сжигании топлива получают короткий, мало светящийся факел.

При смешанном принципе сжигания часть воздуха (первичный воздух) подается в горелочное устройство, для предварительного смесеобразования с топливом, остальной (вторичный воздух), необходимый для горения, подается непосредственно в топку. При этом образуется два фронта горения: кинетический и диффузионный. Полное сгорание топлива в этом случае определяется скоростью диффузионного этапа горения.

Необходимо отметить особенности сжигания газообразного, жидкого и твердого топлива.

Процессы горения топлива можно разделить на гомогенное и гетерогенное.

Гомогенное горение происходит в объеме однородной газовоздушной смеси, т.е. когда топливо и воздух находятся в одном агрегатном состоянии. В этом случае молекулы топлива и воздуха равномерно можно распределить в объеме факела.

Гетерогенное горение происходит на поверхности частиц жидкого и твердого топлива. Топливо и окислитель находятся в разном агрегатном состоянии, а сам процесс горения условно можно разделить на три этапа:

1. прогрев частицы,

2. испарение, выход и воспламенение летучих,

3. горение коксового остатка.

Чем меньше диаметр капли или размер твердой частицы, тем быстрее проходят все эти три этапа и тем большая эффективная поверхность контакта частиц и воздуха.