Температура воспламенения твердого топлива

Топливо	Выход летучих в расчете на горючую массу, Vr,% мас.	Температура воспламенения, °С
1	2	3
Горючие сланцы	90	200−250
Древесина	85	250−300
Торф	70−75	225−250
Бурый уголь	40−55	250−450
Каменный уголь	9−37	400−700
Кокс	1,5−6	600−700
Антрацит	4−5	500−700

При горении топлива с низким выходом летучих (табл. 1.10), когда горение летучих заканчивается быстро, время горения частиц топлива определяется в основном временем горения кокса. Для топлива, богатого летучими, время выхода летучих и их горения становится соизмеримым со временем горения коксового остатка.

Горение углерода коксового остатка в общем виде может быть описано химическими реакциями:

С + О₂ = СО₂ + 395 500 кДж/кмоль (1.43)

2С + О₂ = 2СО + 110 000 кДж/кмоль (1.44)

С + СО₂ = 2СО  86 500 кДж/кмоль (1.45)

2СО + О₂ = 2СО₂ + 285 000 кДж/кмоль. (1.46)

Скорость горения частицы топлива определяется количеством веществ, сгорающих на единице площади ее поверхности в единицу времени, кг/(м²с). Эта скорость возрастает с увеличением реакционной способности твердого топлива, температуры, концентрации окислителя и скорости его повода, а также с уменьшением размера частиц топлива. Скорость горения частицы зависит от интенсивности химической реакции горючего с окислителем и от скорости подвода (диффузии) окислителя. Результатирующая скорость горения на разных стадиях процесса горения твердого топлива будет определяться скоростью наиболее медленного процесса.

Горение твердого топлива обычно протекает в трех областях − кинетической, промежуточной и диффузионной.

Примерно до 900°С, когда выгорают летучие и углерод с поверхности частиц топлива, горение проходит в кинетической области. Скорость горения при этом определяется только скоростью химических реакций. Скорость их при дальнейшем росте температуры будет возрастать, пока не станет равной скорости подвода окислителя. Горение при этом будет проходить в промежуточной области. Подведенный к топливу окислитель будет целиком расходоваться на горение. При очень высоких температурах скорость химической реакции настолько возрастает, что процесс горения в целом начинает определяться скоростью подвода (диффузии) окислителя к поверхности горения, т.е. скорость диффузии становится лимитирующей. Горение переходит в диффузионную область. Скорость диффузионного горения уже не будет зависеть от температуры, а может возрастать только при увеличении относительной скорости потока окислителя и уменьшении размера частиц. При горении частиц высокозольного топлива на их поверхности образуется зольный слой, который может оплавиться, если температура в зоне горения превысит температуру плавления золы. Это затрудняет доступ окислителя внутрь частицы, и для полного горения требуется механическое разрушение покровного зольного слоя.

При пористой структуре коксового остатка процесс горения протекает как на поверхности, так и в объеме частицы.

Скорость выгорания углерода из твердого топлива определяется уравнением

, (1.47)

где k_р − результатирующая константа скорости реакции; С − концентрация окислителя; S_v − относительная поверхность топлива в единице объема, занятого горящим топливом.

1.2.4. Горение жидкого топлива. Горение жидкого топлива, в частности мазута, также сопровождается физическими и химическими процессами, разделить которые по времени и по последовательности практически невозможно. Поэтому в настоящее время не существует достаточно строгой теории горения жидкого топлива.

Физическими стадиями процесса горения являются нагревание и испарение топлива, образование горючей смеси, химическими − воспламенение горючей смеси и ее горение.

При нагревании жидкого топлива происходит его кипение и испарение. При наличии окислителя пары образуют горючую смесь, которая при определенной температуре топлива воспламеняется (вспыхивает).

Существует нижний и верхний пределы вспышки жидкого топлива. Нижний предел соответствует температуре жидкого топлива, при которой пары над ним в смеси с воздухом способны загораться от внешнего источника зажигания. Верхнему пределу соответствует температура жидкого топлива, при которой оно воспламеняется и горит вслед за вспышкой паров. Для мазута нижний предел вспышки составляет 80−125°С, верхний − примерно 500°С. Температура кипения − около 300°С. Для ускорения процесса горения жидкого топлива его подвергают распылению.

Капля жидкого топлива, попавшая в нагретый объем, температура которого выше температуры самовоспламенения, начинает прогреваться и частично испаряться. Время прогрева капли значительно меньше времени испарения. Пары топлива смешиваются с воздухом, образуется паровоздушная смесь. Воспламенение происходит в тот момент, когда концентрация паров 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, т. к. температура горения горючей паровоздушной смеси значительно превышает начальную температуру объема, куда вводится распыленное топливо. Результирующая скорость и время горения будут определяться интенсивностью процесса горения паровоздушной смеси или процесса испарения топлива. Скорость и время горения будут определяться скоростью и временем более медленного из указанных процессов. Испарение капли относится к наиболее длительному процессу, поэтому стремятся осуществить более тонкое однородное распыление жидкого топлива.

Картина горения отдельной капли мазута несколько другая. В ходе прогрева идет выкипание легких фракций, вязкость оставшихся фракций возрастает. Под действием образующихся внутри капли паров происходит взрыв и распад капли. Возгонка капли приводит к образованию коксового остатка. Коксовая частица, образованная в результате пиролиза, горит по законам твердого топлива.

Роль лучистого теплообмена при прогреве капли обычно незначительна. Интенсивность тепло- и массообмена зависит не только от размера капель, но и от турбулентности потока.

Время выгорания капли жидкого топлива определяют по формуле

, (1.48)

где τ – время выгорания, с; δ_о – начальный диаметр капли, м; k – коэффициент горения, м²/ч, вычисляемый по формуле

(1.49)

где _ж – плотность топлива, кг/м³; Nu – критерий Нуссельта для теплоотдачи от потока газов к капле, принимаемый обычно равным 2; Ф (t_г, t_кип) кг/м·ч) – функция, значение которой рассчитывают по формуле

, (1.50)

где λ  теплопроводность дымовых газов, Вт/(м·К);  теплоемкость паров топлива, кДж/(кг·К); r – теплота парообразования топлива, кДж/кг; t_г – температура газов в зоне горения капли, С; t_кип - температура кипения жидкого топлива, С.