А. В. Губарев, Ю. В. Васильченко теплогенерирующие установки

1.7. Основы процесса горения органических топлив


Горение – химический процесс соединения топлива с окислителем, сопровождающийся интенсивным тепловыделением и резким повышением температуры продуктов сгорания.
Горение сопровождается смесеобразованием, диффузией, воспламенением, теплообменом и другими процессами, протекающими в условиях тесной взаимосвязи.
Различают гомогенное и гетерогенное горение. При гомогенном горении тепло- и массообмен протекают между веществами, находящимися в одинаковом агрегатном состоянии (обычно газообразном).
Гетерогенное горение свойственно жидкому и твердому топливам.
Скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ, температуры и давления и определяется произведением концентраций реагирующих веществ

,

(1.6)

где k – константа скорости реакции; C_A и C_B – концентрации реагирующих веществ.
Скорость реакции при росте температуры существенно увеличивается, что определяется законом Аррениуса

,

(1.7)

где k₀ – эмпирическая константа.
Энергия активации E – это наименьшая энергия (для газовых смесей 85–170 МДж/кмоль), которой должны обладать молекулы в момент столкновения, чтобы быть способными к химическому взаимодействию. Разность энергий активации прямой и обратной реакции составляет тепловой эффект химической реакции.
Реакции характеризуются сильной экзотермичностью, обусловливающей рост температуры. Влияние температуры на скорость реакции значительно сильнее влияния концентрации реагирующих веществ. Поэтому, несмотря на уменьшение концентрации реагирующих веществ при горении, скорость реакции горения увеличивается и достигает максимума после выгорания 80–90% горючих веществ. Реакции горения газообразного топлива протекают практически мгновенно, что объясняется не только сильным влиянием температуры, но и цепным характером их протекания.
Скорость реакции зависит также от давления (n – порядок реакции).
Процесс горения топлива имеет две области: кинетическую, в которой скорость горения топлива определяется скоростью химической реакции, и диффузионную, в которой регулятором скорости выгорания является скорость смесеобразования. Примером кинетической области горения является горение однородной газовоздушной смеси. Диффузионно горит газообразное топливо, вводимое в реакционную камеру отдельно от окислителя.
Кинетическая область химического воздействия на скорость горения наиболее сильно ощущается при низких концентрациях, температурах и давлениях в смеси. В этих условиях химическая реакция может настолько замедлиться, что сама станет тормозить горение. Диффузионная область воздействия на скорость выгорания топлива проявляется при высоких концентрациях и температурах. Химическая реакция протекает очень быстро, и задержка в горении может быть вызвана недостаточно высокой скоростью смесеобразования.
Процесс смесеобразования практически не зависит от температуры.
Кинетическое горение готовой горючей смеси при турбулентном режиме движения очень неустойчиво. Поэтому в высокопроизводительных промышленных топочных устройствах при турбулентном режиме движения газовоздушных потоков горение является в основном диффузионным.
Процесс горения горючей смеси может начаться путем самовоспламенения или принудительного воспламенения (электрическая искра, факел и т.п.). Температура самовоспламенения определяется соотношением количества теплоты, выделяющегося при горении и отдаваемого во внешнюю среду. Количество теплоты, выделяющееся при горении, зависит от температуры и изменяется по экспоненте 1 (рис. 1.1)

,

(1.8)

где Q – тепловой эффект реакции; ω – скорость реакции; V – объем; T – температура среды.
Зависимость отвода теплоты q_от от температуры T линейная (прямые 2, см. рис. 1.1)

,

(1.9)

где α – коэффициент теплоотдачи; A – площадь поверхности; T_с - температура охлаждаемой стенки.

Рис. 1.1. Условия самовоспламенения при различном отводе теплоты

При небольшом отводе теплоты (прямая 2''') количество выделяемой теплоты q_в > q_от, поэтому реакция сопровождается повышением температуры системы, приводящим к самовоспламенению.
При большем отводе теплоты (прямая 2'') в точке В q_в = q_от. Температура T_в в этой точке называется температурой воспламенения горючей смеси. Она зависит от условий отвода теплоты и не является физико-химической константой, характеризующей данную горючую смесь. При увеличении отвода теплоты (прямая 2') самовоспламенение невозможно. Точка А соответствует стабилизированному окислению в области низких температур, а точка Б – неустойчивому равновесию в области высоких температур.
Температура воспламенения может быть найдена из условий
q_в = q_от и dq_в/dT = dq_от/dT,
определяемых точкой В (см. рис. 1.1).
С учетом уравнений (1.8) и (1.9) имеем . Решив это уравнение, получим

.

(1.10)

Температура воспламенения T_в для некоторых газов приведена в табл. 1.4.
Минимальная и максимальная концентрации горючей составляющей, ниже и выше которых не происходит принудительное воспламенение смеси, называются концентрационными пределами воспламенения (табл. 1.4); они зависят от количества и состава негорючих составляющих газообразного топлива, повышающих нижний и понижающих верхний пределы воспламенения.
Таблица 1.4