Основы теории горения органических топлив

Горение — это физико-химический процесс соединения топлива с окисли­телем, сопровождающийся интенсивным выделением тепловой энергии и повышением температуры. Различают горение гомогенное и гетерогенное. Гомогенное горение происходит при условии, когда топливо и окисли­тель находятся в одинаковых фазовых состояниях (горение газообразных топлив); гетерогенное горение осуществляется при различных фазовых состояниях топлива и окислителя (горение твердого топлива в потоке воздуха).

При горении органических топлив реализуются различные химические реакции, особенностью которых является их обратимость. Реакции осу­ществляются только до состояния химического равновесия, зависящего от концентрации реагирующих веществ, температуры и давления. В общем случае обратимая химическая реакция может быть представлена следую­щим уравнением[67]:

Где А, В, F, Ј> — символы реагирующих веществ; а, /?, 7, 6 — стехиометри — ческие коэффициенты, отражающие число молекул реагирующих веществ; Q — тепловой эффект реакции, кДж.

Согласно закону действующих масс, скорость реакции при постоянной температуре пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Для прямой реакции уравнение можно записать как:

W1 = k[CA]a[CB}>}, (15.9)

Где fc —константа скорости реакции; [CU], [Св] — концентрации реагирую­щих веществ, %.

Для скорости обратной реакции W2 можно записать аналогичное выра­жение. При химическом равновесии W2 = Wi.

Согласно закону Аррениуса, скорость реакции, выраженная числом актов химического превращения в единице объема за единицу времени, равна:

W = k0e^[CA]a-[CBf, (15.10)

Где Еа — энергия активации, или минимальное значение энергии, которой должны обладать молекулы в момент столкновения, чтобы могло про­изойти химическое взаимодействие, кДж/моль; R — универсальная газовая постоянная; к0 ~ л/Т — эмпирическая постоянная.

Для реакций горения энергия активации Еа = 42…210 кДж/моль. Такой интервал в значениях Еа обусловлен значительным разнообрази­ем структур молекул веществ, участвующих в горении. Из соотношения (15.10) следует, что скорость реакции горения экспоненциально зависит от температуры. Поэтому при горении скорость реакции постоянно нарастает и достигает максимума при выгорании 80… 90% горючих веществ.

Процесс сгорания топлива может идти с различной скоростью: от медленного до мгновенного окисления горючих элементов во всем объеме топлива. Примером медленного окисления может служить самовозгорание твердого топлива при его хранении на складах. Мгновенное окисление 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 процесс горения идет почти с постоянной во времени концентрацией реагирующих веществ — топлива и окислителя (воздуха). Такой процесс горения осуществляется, например, в топочной камере кот­ла. При нарушении соотношения между топливом и воздухом, например, при избытке горючего (богатая смесь) или воздуха (бедная смесь), скорость реакции снижается и вследствие этого уменьшается тепловыделение на единицу объема.

Таким образом, горение может происходить только при определенной концентрации топлива в воздухе. Существует нижний предел концентра­ции топлива, ниже которого горение становится невозможным, и верхний предел, когда дальнейшее увеличение концентрации топлива в смеси также прекращает горение. Максимальное количество тепловой энергии выделя­ется в топочной камере котла при концентрации исходных веществ, соот­ветствующих их стехиометрическим соотношениям, т. е. тех соотношений масс элементов, которые вступают в реакцию горения (окисления).

Ниже приведены пределы воспламеняемости бензино-воздушных смесей при различных температурах:

Начальная температура смеси, °С	Предел воспламеняемости смеси, характеризуемый коэффициентом избытка воздуха1 а
0	0.53-1.23
50	0.42-1.45
100	0.40-1.60

1 Минимальные значения соответствуют богатым смесям, а максимальные значения — бедным смесям.

Особенностью реакций горения является то, что механизм их проте­кания является цепным. Теория цепных реакций, разработанная группой акад. И. И. Семенова, согласуется с реальными значениями скоростей ре­акций горения газообразных топлив, определяемыми экспериментально.

Суммарный тепловой эффект горения зависит от условий начала ре­акции. Процесс горения может начинаться посредством самовоспламене­ния или принудительным воспламенением (факел, электрическая искра). Температура самовоспламенения смеси зависит от соотношения количеств теплоты, выделяющейся при горении QB и отдаваемой во внешнюю среду ^отв. На начальном этапе горения тепловыделение зависит от темпера­туры экспоненциально. Однако повышение температуры не может быть безграничным, так как при высоких температурах превалируют реакции диссоциации. Кроме того, всегда существует теплоотдача в окружающую среду. При низкой начальной температуре смеси и интенсивном отведении теплоты самовоспламенение невозможно, так как после первоначального роста температуры при ее дальнейшем повышении из объема удаляется больше теплоты, чем выделяется в нем, и температура горючей смеси самопроизвольно понижается. При значительном повышении начальной температуры смеси теплопоглощение теплоты во всей области низких температур будет меньше тепловыделения.

Существует точка неустойчивого равновесия, в которой QB = Q^. При любом дальнейшем повышении температуры горение будет самопроизволь­но поддерживаться, так как QB > Q^В. Эта точка называется точкой воспламенения, а соответствующая ей температура Тв — температурой воспламенения смеси. Температуры воспламенения некоторых топлив при­ведены ниже:

Топливо	Температура воспламенения, °С
Торф	250
Дрова	300
Каменный уголь	350
Бурый уголь	400
Антрацит	500
Жидкое топливо	500… 600
Газ	600

Так как температура воспламенения Тв зависит от условий отведения тепловой энергии, т. е. 6т габаритов и конструкции сжигающего устройства, то она не является физико-химической константой заданной горючей сме­си. В некоторых случаях пределы воспламенения и пределы взрываемости газов близки между собой или совпадают.

Время сгорания топлива т зависит не только от скорости химических реакций, но и от того, насколько быстро горючая частица топлива соприка­сается с молекулой окислителя. Полное время сгорания топлива слагается из времени диффузии окислителя к топливу тд (процесс смесеобразования) и времени протекания самой химической реакции тк (кинетическая стадия горения): т = тд + тк.

Возможны два предельных случая. Если тд» тк, то время сгорания топлива определяется процессом диффузии т = тд, а горение называется Диффузионным. Если тк » тд, то т = тк, а горение называется кинетиче­ским.

Диффузионный режим характеризуется повышенным уровнем темпе­ратуры в зоне реакции и снижением концентрации кислорода в этой зоне. При кинетическом режиме концентрации реагирующих компонентов в зоне горения практически не отличаются от их концентраций вокруг этой зоны. При этом не наблюдается заметного повышения температуры в зоне горения. В реальных условиях горение обычно происходит в промежуточ­ном режиме, при котором скорость диффузии соизмерима со скоростью химической реакции.

Диффузионный принцип сжигания осуществляется при раздельной по­даче газа и воздуха. В зависимости от характера движения пламени (факе­ла) различают диффузионное ламинарное и диффузионное турбулентное Горение.

Процесс горения по существу является поточным процессом, в ходе которого подводятся горючие компоненты и отводятся продукты сгорания. При этом горение может происходить в ламинарном потоке окислителя (ламинарное горение) или в турбулентном потоке (турбулентное горение). Ламинарное горение характеризуется медленным смесеобразованием и от­носительно низкой интенсивностью процесса горения в целом. Особенно­стью ламинарного диффузионного горения является растянутый в длину факел пламени. В этом случае характеристикой горения является скорость нормального распространения пламени W™ (линейная скорость перемеще­ния фронта пламени по направлению, нормальному к поверхности фронта в данной точке). Фронтом пламени называют тонкий слой, отделяющий несгоревшую смесь от продуктов сгорания.

Турбулентный факел обеспечивает равномерное температурное поле в топочной камере и равномерную теплоотдачу, и применяется в основном при сжигании газа в больших количествах.

Важнейшим условием интенсивного и полного горения является хоро­ший контакт окислителя с горючим и хорошее смесеобразование газа с воздухом.

При горении жидкого топлива физическими стадиями процесса явля­ются распыление топлива, прогрев его, испарение и образование горючей смеси. В связи с этим при сжигании жидкого топлива возможны два случая:

• сжигание легко испаряющихся топлив, когда топливо заранее испаря­ется, смешивается с воздухом и горючая гомогенная смесь подается в камеру сгорания. В этом случае механизм и закономерности сгорания жидкого топлива ничем не отличаются от горения газообразного топ­лива;

• сжигание топлива в жидком состоянии. Такое сжигание применяют в случае трудноиспаряющихся топлив в топках паровых котлов, промыш­ленных печах, дизельных двигателях.

В настоящее время не существует достаточно строгой теории горения топлива в жидком состоянии. Установлено, что горение жидкого топлива возможно только в паровой фазе, так как температура кипения жидких топлив всегда ниже температуры самовоспламенения.

Интенсивность испарения горючих веществ увеличивается с ростом площади поверхности их контакта с воздухом и количества подводимой тепловой энергии. Этот факт учитывается в дизельных двигателях, в которых подача топлива и воздуха в цилиндры разделена во времени. Сначала в цилиндре сжимается воздух, в результате чего повышается его температура. В процессе сжатия происходит преобразование энергии из механической формы в тепловую форму в соответствии с первым законом термодинамики. Если бы стенки цилиндра представляли собой абсолютный теплоизолятор, то вся механическая энергия, подведенная к поршню через шатун от коленчатого вала была бы преобразована в тепловую форму. В результате этого внутренняя энергия газа, а поэтому и температура, увеличиваются. При впрыске дизельное топливо в течение очень короткого промежутка времени должно перейти в паровую фазу. Если топливо нахо­дится в паровой фазе, то оно почти мгновенно распространяется по всему объему цилиндра, обеспечивая качественное смесеобразование. Температу­ра кипения дизельного топлива меньше температуры его воспламенения, а поэтому до воспламенения топливо интенсивно испаряется. Для ускорения процесса испарения жидкое топливо путем распыла дробят на мельчайшие частички. В этом случае площадь поверхности контакта жидких частичек топлива с воздухом увеличивается, а поэтому скорость парообразования также увеличивается. Для дробления жидкого топлива на мельчайшие частички в дизельных двигателях используются форсунки.

При нагревании жидкого топлива с недостатком воздуха происходит ис­парение углеводородов и их разложение. Продукты разложения, сажистый углерод и высокомолекулярные углеводороды дожигаются с большими трудностями. В этом случае воздушный распыл топлива по сравнению с паровым способствует окислительным процессам горения. В случае наличия в зоне горения сажистого углерода факел получается красным светящимся. Сжигание с предварительным смешением паров топлива и воздуха изменяет характер пламени, делает его синеватым, прозрачным.

Таким образом, назначение процесса распиливания или пульверизации состоит в увеличении поверхности контакта жидкости с воздухом.

Процесс горения топлив — один из самых сложных физико-химических процессов и математически описать весь процесс крайне затруднительно. Существуют методы приближенного описания процесса и аналитического решения этой задачи с помощью вычислительной техники.