Новая страница 1

Топливо и основы горения.

1. Виды топлива

Топливо - горючие вещества, основной составной частью которых является углерод. Топливо применяются с целью получения тепловой энергии, выделяемой при его сжигании.

Топливом в технике называют сложное органическое соединение, способное при горении выделить значительное количество тепловой энергии.

В зависимости от происхождения различают:

- природное топливо: нефть, уголь, природный газ, горючие сланцы, торф, древесина;

- искусственное топливо: кокс, моторные топлива, генераторные газы и др.

Топливно-энергетические ресурсы - запасы топлива и энергии в природе, которые при современном уровне техники могут быть практически использованы человеком для производства материальных благ.

К топливно-энергетическим ресурсам относятся:

- различные виды топлива: каменный и бурый уголь, нефть, горючие газы, горючие сланцы, торф, дрова;

- энергия падающей воды рек, морских приливов, ветра;- солнечная и атомная энергия.

Горючие вещества могут быть в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом, газообразном.

К твердому топливу относятся - дрова, торф, уголь и сланцы.

К жидкому топливу относятся — нефть и продукты ее переработки — бензин, керосин, мазут и печное топливо.

К газообразному топливу относятся - природный и искусственный газы.

В состав топлива входят горючие и негорючие элементы. К горючим элементам относятся — углерод, водород, сера. К негорючим элементам относятся — азот, зола и влага. Кислород - не горючий элемент, но поддерживает процесс.

Отдельные твердые вещества при нагревании плавятся и испаряются, другие - разлагаются и выделяют газообразные продукты и твердый остаток в виде угля и шлака, третьи не разлагаются и не плавятся. Большинство горючих веществ независимо от агрегатного состояния при нагревании образуют газообразные продукты, которые при смешивании с кислородом воздуха образуют горючую среду.

Твердое топливо.

Уголь - является высококалорийным топливом, имеет большое содержание углерода, малое содержание влаги и незначительное количество летучих веществ.

Дрова из-за низкой теплоты сгорания, относятся к местному топливу. Выход летучих веществ большой, что дает хорошую воспламеняемость дров. Зольность древесины незначительная.

Торф — это неполное разложение органических веществ растительного происхождения при избытке влаги и очень малом доступе воздуха.

Горючие сланцы — это [низкокалорийное топливо, применять рекомендуется после переработки и вблизи мест добычи.

Жидкое топливо — основным вкладом жидкого топлива используют печной мазут, получаемый при переработке нефти. Он имеет большое содержание углерода и водорода. При сгорании имеет высокую теплоту сгорания.

Газообразное топливо — как топливо, используются природные горючие и искусственные газы, которые по своим качествам превосходят все остальные виды. Природные газы добывают из газовых месторождений или попутно из нефтяных месторождений. К искусственным газам относятся доменный, коксовый и сжиженный газ. Основным преимуществами газообразного топлива являются: высокий КПД газовых аппаратов, возможность использования автоматических устройств, регулирующих тепловой режим и обеспечивающий технику безопасности при работе газовых тепловых аппаратов. Использование газа улучшает культуру производства, санитарно-гигиенические условия работы, исключает загрязненность воздушного бассейна населенных пунктов копотью и дымом.

Газовое топливо обладает и отрицательными свойствами. В определенных отношениях с воздухом образует взрывоопасную смесь. Газ ядовит, и поэтому неправильное обращение с газом приводит к несчастным случаям.

Однако, наиболее удобным и гигиеническим является оборудование с электрическим обогревом. В настоящее время на предприятиях общественного питания более 90% всего теплового оборудования работает на электроэнергии. К преимуществам электрического оборудования, по сравнению с аппаратами, имеющими другие источники тепла, являются: простота обслуживания, хорошие санитарно-гигиенические условия труда и снижение пожарной опасности Возможность работы аппаратов в автоматическом режиме и более высокий КПД.

2. Горение топлива

Горение - это химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла и свечением. В зависимости от скорости протекания процесса, горение может происходить в форме собственно горения и взрыва.

Взрыв - это частный случай горения, протекающего мгновенно с кратковременным выделением значительного количества тепла и света.

Для процесса горения необходимо:

1) наличие горючей среды, состоящей ив горючего вещества и окислителя;

2) источника воспламенения.

Чтобы возник процесс горения, горючая среда должна быть нагрета до определенной температуры при помощи источника воспламенения (пламя, искра электрического или механического происхождения, накаленные тела, тепловое проявление химической, электрической или механической энергий).

После возникновения горения постоянным источником воспламенения является зона горения. Возникновение и продолжение горения возможно при определенном количественном соотношении горючего вещества и кислорода, а также при определенных температурах и запасе тепловой энергии источника воспламенения. Наибольшая скорость стационарного горения наблюдается в чистом кислороде, наименьшая - при содержании в воздухе 14 - 15% кислорода. При меньшем содержании кислорода в воздухе горение большей части веществ прекращается.

Различают следующие виды горения:

· полное - горение при достаточном количестве или избытке кислорода;

· неполное - горение при недостатке кислорода.

При полном горении продуктами сгорания являются двуокись углерода (CO₂), вода (H₂O), азот (N), сернистый ангидрид (SO₂), фосфорный ангидрид.

При неполном горении обычно образуются едкие, ядовитые горючие и взрывоопасные продукты: окись углерода, спирты, кислоты, альдегиды.

Горение веществ может протекать не только в среде кислорода, но также в среде некоторых веществ, не содержащих кислорода, хлора, паров брома, серы 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.

По агрегатному состоянию горючего и окислителя различают;

- гомогенное горение - горение газов и горючих парообразующих веществ в среде газообразного окислителя;

- горение взрывчатых веществ и порохов;

- гетерогенное горение - горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя;

- горение в системе «жидкая горючая смесь - жидкий окислитель»

3. 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.

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.

4. Особенности горения газообразного топлива

Процесс горения газообразного топлива гомогенный, т. е. и топливо, и окислитель находятся в одном агрегатном состоянии и граница раздела фаз отсутствует. Для того, чтобы началось горение, газ должен соприкасаться с окислителем. При наличии окислителя для начала горения необходимо создать определенные условия. Окисление горючих составляющих возможно и при относительно низких температурах. В этих условиях скорости химических реакций имеют незначительную величину. С повышением температуры скорость реакций возрастает.

При достижении некоторой температуры газо-воздушная смесь воспламеняется, скорости реакций резко возрастают и количество теплоты становится достаточным для самопроизвольного поддержания горения.

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 конкретной в устройстве и т. д. Например, температура воспламенения водорода находится в пределах 820-870 К, а окиси углерода и метана - соответственно 870-930 К и 10201070 К.

Горючий газ в смеси с окислителем сгорает в факеле.

Факел - некоторый определенный объем движущихся газов, в котором протекают процессы горения.

1) Методы сжигания топлива

В соответствии с общими положениями теории горения различают два принципиально различных метода сжигания газа в факеле - кинетически и диффузионный.

Для кинетического сжигания характерно предварительное (до начала горения) смешивание газа с окислителем. Газ и окислитель подаются сначала в смешивающее устройство горелки. Горение смеси осуществляется вне пределов смесителя. В этом случае скорость процесса будет лимитироваться скоростью химических реакций горения и τгор, τхим.

Диффузионное горение происходит в процессе смешивания горючего газа с воздухом. Газ поступает в рабочий объем отдельно от воздуха. Скорость процесса в данном случае будет ограничена скоростью смешивания газа с воздухом и τ_гор < τ_физ.

Разновидностью диффузионного горения является смешанное (диффузионно-кинетическое) горение. Газ предварительно смешивается с некоторым (недостаточным для полного горения) количеством воздуха. Этот воздух называется первичным. Образовавшаяся смесь подается в рабочий объем. Туда же отдельно от нее поступает остальная часть воздуха (вторичный воздух).

В топках котельных агрегатов чаще используются кинетический и смешанный принципы сжигания топлива. Диффузионный способ чаще всего используется в технологических промышленных печах.

2) Фронт горения

Горение газа происходит в узкой зоне, называемой фронтом горения. Газ, предварительно перемешанный с окислителем, сгорает во фронте горения, который называется кинетическим. Этот фронт представляет собой поверхность раздела между свежей газо-воздушной смесью и продуктами сгорания. Площадь поверхности кинетического фронта горения определяется скоростью химических реакций.

В случае диффузионного сжигания газа образуется диффузионный фронт горения, который является поверхностью раздела между продуктами сгорания и смесью газа с продуктами сгорания, диффундирующими навстречу потоку газа. Площадь поверхности этого фронта определяется скоростью смешивания газа с окислителем.

Диффузионно-кинетическое сжигание газа характеризуется наличием двух фронтов. При кинетическом сжигании расходуется окислитель, подаваемый в смеси с газом, при диффузионном догорает та часть газа, которая не сгорела при кинетическом сжигании из-за недостатка окислителя.

На рисунке показана структура горящих факелов при различных способах сжигания горючего газа и схема фронта горения.

Рисунок. Структура фронта горения факелов: кинетического (а), смешанного (б) и диффузионного (в), а также схема фронта горения

Набегающая свежая газо-воздушная смесь нагревается за счет передачи теплоты путем теплопроводности и излучения от фронта горения. Подогретая до температуры воспламенения смесь сгорает во фронте горения, а продукты сгорания покидают эту зону и частично диффундируют в набегающую смесь. Положение фронта горения над срезом горелки зависит от физической природы горючего газа, концентрации его в смеси, скорости потока и других факторов. Фронт горения может перемещаться в направлении, нормальном к своей поверхности, до установления равенства между количествами сгоревшей и поступившей смеси, отнесенными к единице поверхности фронта. При этом выполняется и тепловое равновесие: поток теплоты от фронта горения уравновешивается встречным потоком переносимого холодного исходного газа.

Количество теплоты, выделяемой при горении, и температура во фронте горения зависят от концентрации газа и смеси. Начальный подогрев смеси увеличивает температуру во фронте. Если скорость истечения смеси будет значительно превосходить скорость распространения пламени, то может произойти отрыв факела. Если скорости истечения значительно меньше скоростей распространения пламени, то наблюдается втягивание (проскок) пламени в горелку.

5. Особенности горения жидкого топлива

Основным жидким топливом, используемым в настоящее время, является мазут. В установках небольшой мощности используется также печное топливо, представляющее собой смесь технического керосина со смолами. Наибольшее практическое применение имеет метод сжигания жидкого топлива в распыленном состоянии. Распыление топлива позволяет значительно ускорить его сгорание и получить высокие тепловые напряжения объемов топочных камер вследствие увеличения площади поверхности контакта топлива с окислителем.

Температура кипения жидких топлив всегда ниже температуры их самовоспламенения, т. е. той минимальной температуры среды, начиная с которой топливо воспламеняется и затем горит без постороннего теплового источника. Эта температура выше, чем температура воспламенения, при которой топливо горит только в присутствии постороннего источника зажигания (искры, раскаленной спирали и т. п.). Из-за этого при наличии окислителя горение жидких топлив возможно лишь в парообразном состоянии. Это обстоятельство является главным для понимания механизма процесса горения жидкого топлива.

1) Процесс сжигания жидкого топлива включает следующие этапы:

1 - пульверизации (распыливания) при помощи форсунок;

2 - испарения и термического разложения топлива;

3 - смешения полученных продуктов с воздухом;

4 - воспламенения смеси;

5 - собственно горения.

Цель пульверизации заключается в увеличении поверхности соприкосновения жидкости с воздухом и газами. Поверхность при этом возрастает в несколько тысяч раз. За счет сильного излучения горящего факела капельки очень быстро испаряются и подвергаются термическому разложению (крекингу).

2) Модель горения капли жидкого топлива

Капля жидкого топлива, попавшая в нагретый объем, температура которого выше температуры самовоспламенения, начинает частично испаряться. Пары топлива смешиваются с воздухом, и образуется паровоздушная смесь.

Воспламенение происходит в тот момент, когда концентрация паров в смеси достигнет величины, превышающей ее значение на нижнем концентрационном пределе воспламенения. Горение затем поддерживается самопроизвольно за счет теплоты, получаемой каплей от сжигания горючей смеси. Начиная с момента воспламенения скорость процесса испарения, возрастает, так как температура горения горючей паро-воздушной смеси значительно превышает начальную температуру объема, куда вводится распыленное топливо.

Таким образом, горение жидкого топлива характеризуется двумя взаимосвязанными процессами:

- испарением топлива вследствие выделения теплоты от горящей паро-воздушной смеси и

- собственно горением этой смеси около поверхности капли.

Схема мазутного факела:

1. Зона испарения (свыше 200°С).

2. Зона разложения (свыше 600°С).

3. Зона горения (до 1800°С).

4. Зона продуктов сгорания (образование топочных газов).

Гомогенное горение паровоздушной смеси - это химический процесс, а процесс испарения является по своей природе физическим. Результирующая скорость и время горения жидкого топлива будут определяться интенсивностью протекания физического или химического процесса.

При сжигании жидкого топлива факел состоит из трех фаз:

1 - жидкой;

2 - твердой (дисперсный углерод от разложения жидких углеводородов);

3 - газообразной.

Если скорость сгорания образующихся паров значительно превышает скорость испарения топлива, то за скорость горения принимают скорость испарения и тогда τгор = τ_физ + τ_хим.

6. Горение твердого топлива (гетерогенное горение)

Для горения топлива нужно большое количество воздуха, превышающее в несколько раз по весу количество топлива. При продувании слоя топлива воздухом сила аэродинамического давления потока Р может быть меньше веса кусочка топлива G или, наоборот, больше его.

В топках с «кипящим слоем» «кипение» связано с разъединением частиц топлива, что увеличивает объем слоя в 1,5-2,5 раза. Движение частиц топлива (обычно они от 2 до 12 мм) похоже на движение кипящей жидкости, почему такой слой и получил название «кипящего».

В топках с «кипящим» слоем газо-воздушный поток не циркулирует в слоевой зоне, а прямоточно продувает слой. Поток воздуха, пронизывающий слой, испытывает неоднородное торможение, что создает сложное поле скоростей, в котором частицы все время меняют свою парусность в зависимости от положения в потоке. Частицы при этом приобретают вращательно-пульсирующее движение, которое и создают впечатление кипящей жидкости.

Процесс сгорания твердого топлива может быть условно разделен на стадии, накладывающиеся одна на другую. Эти стадии протекают в разных температурных и тепловых условиях и требуют различного количества окислителя.

Свежее топливо, поступающее в топку, подвергается более или менее быстрому нагреванию, из него испаряется влага и выделяются летучие вещества - продукты сухой перегонки топлива. Одновременно протекает процесс коксообразования. Кокс сгорает и частично газифицируется на колосниковой решетке, а газообразные продукты сгорают в топочном пространстве. Негорючая минеральная часть топлива при сгорании топлива превращается в шлак и золу.