Горение газообразного, жидкого, твердого топлива

Горение – сочетание следующих физических и химических процессов: смешивание горючего газа с воздухом; подогрев смеси; термическое разложение горючих компонентов; воспламенение и химическое соединение горючих элементов с кислородом воздуха, которое сопровождается образованием факелов(пламени) с интенсивным тепловыделением. Устойчивое горение газовоздушной смеси возможно при непрерывном подводе к факелу горения газа и воздуха, которые должны находиться в определенных пропорциях от общего объема смеси друг относительно друга.

Горениетоплива – химическая реакция соединения горючих элементов топлива с окислителем при высокой температуре, сопровождающийся интенсивным выделением теплоты. В качестве окислителя используют кислород воздуха.

Процессы горения разделяют на 2 группы:

Гомогенноегорение– горение газообразных горючих (характеризуется системой "газ+газ");
Гетерогенноегорение – горение твердых и жидких горючих (характеризуется системой "твердое тело+газ" или "жидкость+газ").

Процесс горения может протекать с разной скоростью – от медленного до мгновенного. Медленное горение – самовозгорание твердого топлива при его хранении на складах. Мгновенное горение 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 соотношение концентрации топлива и окислителя должен быть определенным. При нарушении этого соотношения (богатая смесь, бедная смесь) скорость реакции снижается и уменьшается тепловыделение на единицу объема.

Горение – это в основном химический процесс, т.к. в результате его протекания происходит качественные изменения состава реагирующих масс. Но в то же время химическая реакция горения сопровождается различными физическими явлениями: перенос теплоты, диффузионный перенос реагирующих масс и др.

Газообразное топливо

Для начала реакции горения газообразного топлива следует затратить определенное количество энергии, которая необходима для разрыва межмолекулярных связей и создание новых. Энергия столкновения возрастает с повышением абсолютной температуры. При температуре воспламенения сила удара молекулы о встречную так велика, что связи между атомами в молекуле не выдерживают, молекулы распадаются на атомы. При соединении горючих углеродов (углерод, водород) с кислородом выделяется дополнительная энергия и процесс горения приобретает цепной характер. У углеводородных газов С_mH_n, уравнение химической реакции горения этих газов примет вид:

С_mH_n+(m+n/4)O₂=mCO₂+(n/2)H₂O

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 конкретном устройстве и т.д.

Горючий газ в смеси с окислителем сгорает в факеле. Различают два метода сжигания газа в факеле – кинетический и диффузионный. При кинетическом сжигании до начала горения газ предварительно смешивается с окислителем. Газ и окислитель подаются сначала в смешивающее устройство горелки. Горение смеси осуществляется вне пределов смесителя. При этом скорость горения не должна превышать скорости химических реакций горения i_гор = i_хим.

Диффузионное горение происходит в процессе смешивания горючего газа с воздухом. Газ поступает в рабочий объем отдельно от воздуха. Скорость процесса будет ограничена скоростью смешивания газа с воздухом i_гор = i_физ.

Кроме этого существует смешанное (диффузионно-кинетическое) горение. При этом газ предварительно смешивается с некоторым количеством воздуха, затем полученная смесь поступает в рабочий объем, где отдельно подается остальная часть воздуха.

В топках котельных агрегатов в основном используют кинетический и смешанный способы сжигания топлива.
Горениетвердоготоплива

Процесс горения состоит из следующих стадий:

1) подсушка топлива и нагревание до температуры начала выхода летучих веществ;

2) воспламенение летучих веществ и их выгорание;

3) нагревание кокса до воспламенения;

4) выгорание горючих веществ из кокса.

Эти стадии иногда частично накладываются одна на другую.

Выход летучих веществ у различных топлив начинается при различных температурах: у торфа при 550-660К, у бурых углей при 690-710К, у тощих углей и антрацита при 1050-1070К.

Горениежидкоготоплива

Основным жидким топливом, используемым в теплоэнергетике и промышленной теплотехнике является мазут. В установках небольшой мощности также используют смесь технического керосина со смолами.

Наибольшее применение получило метод сжигания в распыленном состоянии. Этот метод позволяет значительно ускорить его сгорание и получить высокие тепловые напряжения объемов топочных камер вследствие увеличения площади поверхности контакта топлива с окислителем.

Процесс горения жидкого топлива можно разделить на следующие стадии:

1) нагревание и испарение топлива;

2) образование горючей смеси;

3) воспламенение горючей смеси от постороннего источника (искры, раскаленной спирали и т.п.);

4) собственно горение смеси.

Устройства для сжигания топлива

При выборе и размещении устройств для сжигания топлива в рабочем пространстве печи, необходимо обеспечить:

Требуемую температуру в рабочем пространстве печи;

Необходимые характеристики изменения температуты по длине и ширине печи;

Наиболее целесообразный характер движения газов и теплообмена;

Горелки

Основные требования:

Подвод и смешение между собой необходимых количеств топлива и воздуха;

Полнота сжигания топлива в пределах рабочего пространства;

Сжигание топлива с образованием такого пламени, которое обеспечивает требуемый по технологии уровень теплопередачи в рабочем пространстве.

Основным классификационным признаком горелок является способ смешивания топлива с воздухом. В соответствии с этим горелки подразделяют на три группы:

1) С полным предварительным смешением топлива с воздухом (кинетический характер), такие горелки называют беспламенными, т.к. смесь не даёт видимого пламени. Образующийся факел имеет низкую излучательную способность.

Достоинства: хорошее предварительное смешивание топлива и воздуха, возможность работы, как на холодном, так и на подогретом воздухе.

Недостатки: недостаточные пределы регулирования по мощности, невозможность работы на топливе с различной теплотворной способности и большие размеры.

2) С частичным предварительным смешиванием, называется горелками с улучшенным смешением.

3) Без предварительного смешивания (с внешним), горелка носит диффузионный характер – образуется видимое пламя.

Достоинства: возможность регулировать длину пламени, переход с одного топлива на другое, использование топлива с высокой теплотворной способностью.

Недостатки: высокий коэффициент расхода воздуха, необходимость использования вентилятора, использование специальных устройств для регулирования количества воздуха.

Форсунки

Бывают двух видов:

1) Низкого давления;

2) Высокого давления.

В ФДН распылителем является вентиляторный воздух, который весь проходит через форсунку.

В ФДВ используют компрессорный воздух в количестве 7-12%. Остальной воздух (вторичный) поступает по специальным керамическим каналам. Для сжигания газообразного топлива и использования мазута в качестве резервного используют комбинированные газо-мазутные горелки или форсунки (КГМГ)

Если распылителем является пар, то весь воздух падает как вторичный. ФДВ используются на печах, в которых подогревается до высоких температур ( ) - мартеновские печи.

На остальных остановлено ФДН.

Топки

Топливосжигающим устройством в печи, работающей на твердом топливе, являются топки. Они могут быть простыми и полугазовыми. Простые топки представляют собой камеру прямоугольной формы, расположенную сбоку, с торца или снизу печи. Топливо загружается в топку, на специальную чугунную решетку, называемую колосниковой, через шуровочное рабочее окно. Под колосниковой решеткой расположен зольник, или поддувало, к которому подводится труба для подачи дутьевого воздуха от вентилятора.
С целью достижения более равномерной температуры пламени устраиваются полугазовые топки. Полугазовые топки имеют горизонтальные и наклонные колосники. Наклон колосников и соотношение размеров топки должны быть строго выдержаны.