Лекции по "Теплотехнике"

Во-вторых, стадия горения коксового остатка  оказывается наиболее длительной из всех стадий и может занимать до 90% всего времени, необходимого для  горения.

И, в третьих, процесс горения кокса имеет решающее значение в создании тепловых условий протекания других стадий. Следовательно, основой правильного построения технологического метода сжигания твердых топлив является создание оптимальных условий для процесса горения углерода.

В некоторых  случаях определяющими процесс  горения могут оказаться второстепенные подготовительные стадии. Так, например, при сжигании высоко влажного топлива  определяющей может быть стадия подсушки. В этом случае рациональным является усиление предварительной подготовки топлива к сжиганию, например, использованием технологического способа сжигания с подсушкой топлива газами, отбираемыми  из топки.

В мощных парогенераторах расходуются большие  количества топлива и воздуха. Например, для парогенератора 300 МВт расход топлива — антрацитового штыба  составляет 32 кг/с, а воздуха 246 м³/с а в парогенераторе блока 800 МВт ежесекундно расходуется 128 кг березовского угля и 555 м³ воздуха. В ряде случаев в пылеугольных парогенераторах как резервное используется жидкое или газовое топливо.

Процесс горения пылевидных топлив совершается  в объеме топочной камеры в потоках  больших масс топлива и воздуха, к которым подмешиваются продукты сгорания.

Основой горения пылевидных топлив является химическое реагирование горючих составляющих топлива с кислородом воздуха. Однако химические реакции горения в  топочной камере протекают в мощных пылегазовоздушных потоках за чрезвычайно короткое время (1—2 с) пребывания топлива и окислителя в топочной камере. Эти реакции совершаются в условиях сильного взаимного влияния с одновременно протекающими физическими процессами. Такими процессами являются:

–процесс  движения подаваемых в топочную камеру составляющих горючую смесь газовых  и твердых диспергированных веществ в системе струй, переходящих в поток и распространяющихся в ограниченном пространстве топочной камеры с развитием вихревых течений, в совокупности составляющих сложную структуру аэродинамики топки;

–турбулентная и молекулярная диффузия и конвективный перенос исходных веществ и продуктов  реакции в газовом потоке, а  также перенос газовых реагентов  к диспергированным частицам;

–теплообмен в газовых потоках продуктов  сгорания и исходной смеси и между  газовыми потоками и содержащимися  в них частицами топлива, а  также передача тепла, выделяющегося  при химическом превращении в  реагирующей среде;

–радиационный теплообмен частиц с газовой средой и пылегазовоздушной смеси с экранными поверхностями в топочной камере;

–нагрев частиц, возгонка летучих, перенос и  горение их в газовом объеме и  др.

Таким образом, горение угольной пыли является сложным  физико-химическим процессом, состоящим  из химических реакций и физических процессов, протекающих в условиях взаимной связи и взаимного влияния.

7.1. Тепловая теория горения. 
 
 
При адиабатическом, т.е. не сопровождающемся тепловыми потерями сгорании, весь запас химической энергии горючей системы переходит в тепловую энергию продуктов реакции. Температура продуктов адиабатичес-кого сгорания не зависит от скорости реакций, протекающих в пламени, а лишь от их суммарного теплового эффекта и теплоемкостей конечных про-дуктов. Эта величина называется адиабатической температурой горения Т_г. Она является важной характеристикой горючей среды. У большинства горючих смесей величина Т_г лежит в пределах 1500-3000° К. Очевидно, что Т_г – максимальная температура продуктов реакции в отсутствие внешнего по-догрева. Фактическая температура продуктов сгорания может быть только меньше Т_г в случае возникновения тепловых потерь. 
 
Согласно тепловой теории горения, разработанной советскими уче-ными Я.Б. Зельдовичем и Д.А. Франк-Каменецким, распространение пламени происходит путем передачи тепла от продуктов горения к несгоревшей (све-жей) смеси. Распределение температур в газовой смеси с учетом тепловыде-ления от химической реакции и теплопроводности показано на рис. 26. 
 
 
 
 
Рис. 26. 
 
Фронт пламени, т.е. зона, в которой происходит реакция горения и ин-тенсивный саморазогрев сгорающего газа, начинается при температуре само-воспламенения Т_св и заканчивается при температуре Т_г. 
 
Перед распространяющимся вправо фронтом пламени находится све-жая смесь, а сзади – продукты горения. Считается, что в зоне подогрева ре-акция протекает настолько медленно, что выделением тепла пренебрегают. 
 
Процесс теплопередачи при стационарном распространении пламени не приводит к потерям тепла и понижению температуры по сравнению с Т_г непосредственно за фронтом пламени. Теплоотвод из каждого сгорающего слоя газа при поджигании соседнего, еще не нагретого, скомпенсирован аналогичным количеством тепла, ранее полученным в поджигающем слое при его собственном поджигании. Дополнительное тепло начального поджи-гающего импульса заметно не искажает стационарного режима горения, так как его роль все более уменьшается по мере увеличения количества сгорев- шего газа. 
 
Продукты сгорания теряют тепло только в результате излучения и при соприкосновении с твердой поверхностью. Если излучение незначительно, такое сгорание оказывается практически адиабатическим. Заметные тепловые потери возможны лишь на определенном расстоянии за фронтом пламени. 
 
Таким образом, инициирование горения газовой смеси в одной точке приводит к нагреву близлежащего слоя, который разогревается путем тепло-проводности от продуктов реакции до самовоспламенения. Сгорание этого слоя влечет за собой воспламенение следующего и т.д. до полного выгорания горючей смеси. Отводимое из зоны реакции тепло в свежую смесь полностью компенсируется выделением тепла реакции и возникает устойчивый фронт пламени. В результате послойного сгорания фронт пламени перемещается по смеси, обеспечивая распространение пламени. 
 
Если свежая смесь движется навстречу фронту пламени со скоростью, равной скорости распространения пламени, то пламя будет неподвижным (стационарным). 
 
Теоретическое обоснование условий распространения пламени можно привести при рассмотрении стационарного пламени, когда скорость его рас-пространения U_пл равна скорости подачи газовой смеси υ_г: U_пл=υ_г (рис. 27). В данном случае соотношение между нормальной скоростью горения U_н и ско-ростью распространения пламени U_пл выразится уравнением: 
 
U_н = U_пл*sinφ. (7.1) 
 
 
Л 
 
 
Л 
 
 
φ 
 
фронт пламени 
 
 
 
 
 
 
 
 
горелка 
 
 
 
 
Рис. 27. 
 
 
К свежей смеси от единицы поверхности пламени в единицу времени путем теплопроводности подводится количество тепла: 
 
(7.2)  
 
где: - коэффициент теплопроводности; 
 
- ширина фронта пламени. 
 
Это тепло расходуется на нагрев свежей смеси от начальной темпера-туры Т_о до температуры горения Т_г: 
 
(7.3) 
 
где: с – удельная теплоемкость; 
 
- плотность смеси. 
 
С учетом уравнений (7.2) и (7.3) при U_пл=υ_г скорость распространения пламени определяется соотношением: 
 
(7.4) 
 
где: - коэффициент температуропроводности. 
 
Поскольку скорость горения очень сильно зависит от температуры, сгорание основной массы газа происходит в зоне, температура которой близ-ка к Т_г. 
 
Скорость химической реакции, как рассмотрено в § 6.1., определяется уравнением:  
 
. (7.5) 
Тогда скорость распространения пламени: 
 
(7.6)  
 
где: b – показатель, зависящий от свойств смеси, . 
 
Таким образом, пламя не сможет распространяться по горючей смеси, если его температура будет ниже теоретической температуры горения на ве-личину превышающую (см. § 9.3). 
 
- характеристический интервал температур в химической кинетике. Изменение температуры на эту величину приводит к изменению скорости реакции в “e” раз. 
 
Предельное значение скорости распространения пламени U_ПРЕД опреде-ляется соотношением: 
 
(7.7) 
 
В отличие от рассмотренного случая нормального горения, в реальных условиях взрывов в замкнутом пространстве процесс дефлаграционного горе-ния самоускоряется. Это связано с расширением поверхности горения, воз-никновением движения газов и повышением давления при горении.

Горение - это химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла  и свечением.[2, 7c]

В зависимости от скорости протекания процесса, горение  может происходить в форме  собственно горения и взрыва.

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.

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

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».

Важнейшим вопросом теории горения является распространение  пламени (зоны резкого возрастания  температуры и интенсивной реакции). Различают следующие режимы распространения  пламени (горения):

- нормальный режим  горения;

- дефлеграционное горение;

- детонация.

а) Нормальный режим  горения наблюдается при спокойном  гетерогенном двухфазном диффузионном горении. Скорость горения будет  определяться скоростью диффузии кислорода  к горючему веществу в зону горения. Распространение пламени происходит от каждой точки фронта пламени по нормали к его поверхности. Такое  горение и скорость распространения  пламени по неподвижной смеси  вдоль нормали к его поверхности  называют нормальным (ламинарным).

Нормальные скорости горения невелики. В этом случае повышения давления и образования  ударной волны не происходит.

б) В реальных условиях вследствие протекания внутренних процессов  и при внешних осложняющих  факторах происходит искривление фронта пламени, что приводит к росту  скорости горения. При достижении скоростей  распространения пламени до десятков и сотен метров в секунду, но не превышающих скорости звука в данной среде (300 – 320м/сек) происходит взрывное (дефлеграционное) горение.

При взрывном горении  продукты горения нагреваются до 1.5-3.0 тысяч °С, а давление в закрытых системах увеличивается до 0.б-0.9МПа.

Продолжительность реакции горения до взрывного  режима составляет для газов ~0.1 сек, паров ~0.2 – 0.3 сек, пыли ~0.5 сек.

Применительно к  случайным промышленным взрывам  под дефлебрацией обычно понимают горение облака с видимой скоростью порядка 100 - 300 м/сек, при которой генерируются ударные волны с максимальным давлением 20 - 100 кПа.

в) В определенных условиях взрывное горение может  перейти в детонационный процесс, при котором скорость распространения  пламени превышает скорость распространения  звука и достигает 1 - 5 км/сек. Это  происходит при сильной турбулизации материальных потоков, вызывающей значительное искривление фронта пламени большое увеличение его поверхности.

При этом возникает  ударная волна, во фронте которой  резко повышается плотность, давление температура смеси. При возрастании  этих параметров смеси до самовоспламенения  горячих веществ возникает детонационная  волна, являющаяся результатом сложения ударной волны и образующейся зоны сжатой быстрореагирующей (самовоспламеняющейся) смеси.

Избыточное давление в пределах детонирующего облака смеси может достигать 2 МПа.

Процесс химического  превращения горючих веществ, который  вводится ударной волной и сопровождается быстрым выделением энергии, называется детонацией.

При детонационном  режиме горения облака ГВ большая  часть энергии взрыва переходит  в воздушную ударную волну, при  дефлеграционном горении со скоростью распространения пламени ~200 м/сек переход энергии в волну составляет от 30 до 40%.[2, 278c]

Цепная теория горения, разработанная Н. Н. Семеновым, не отрицая серьезного влияния, оказываемого на процесс горения тепловым состоянием системы топливо — воздух, объясняет процесс горения также кинетикой цепных реакций. Изучение основных реакций горения показало, что действительный механизм этих реакций вовсе не соответствует тем простейшим химическим уравнениям, которыми они описываются. Например, реакция горения водорода, описываемая уравнением на самом деле протекает по разветвленной цепной схеме через промежуточные образования атомов водорода и кислорода.

Реакции (Нб) и (Нв) имеют энергию активации соответственно 6000 и 10 000 ккалмоль, в то время как реакция (На) HMeet энергию активации 18 000 ккалмоль. Поэтому реакция (На) протекает медленнее других и определяет суммарную скорость процесса. Атомы водорода являются основными активными центрами реакции. Результирующая реакция (III) показывает, что вступление в реакцию одного атома Н вызывает появление трех новых атомов водорода, что и является разветвлением цепи, вызывающим за собой нарастающее лавинообразное развитие реакции горения водорода. Схему этого развития можно представить следующим образом.

Подтверждение этой схемы развития реакции горения водорода было получено экспериментально обнаружением атомарного кислорода, водорода и радикала и определением их концентраций; причем оказалось, что их концентрация значительно выше равновесных. Из этого нового, цепного характера реакции скорость ее находится по уравнению (IV) для определяющей реакции (Па).

Сопоставляя уравнения (IV) и (V) можно заключить, что скорость реакции по уравнению (V) должна падать по мере выгорания из смеси водорода, а по уравнению (IV) вследствие цепного  характера реакции она должна возрастать в результате накопления атомарного водорода. Эксперименты подтверждают возрастание скорости реакции по мере ее протекания, что также свидетельствует  о разветвленном цепном ходе реакции. Цепной характер имеют также реакции  горения окиси углерода и углеводородов.

Основные научные  достижения Н.Н. Семенова базируются на стыке двух наук — физики и химии. Однако со второй половины 1920-х гг. XX в. основное место в его деятельности занимали исследования в области  цепных реакций. Реакции такого типа протекают весьма своеобразно. В начале реакции образуется небольшое количество активных атомов (свободных радикалов). Взаимодействуя с молекулами исходного вещества, они вызывают цепочку повторяющихся реакций. Иногда общее число реакций достигает 1 млн.