Общая формула горения. Сущность процесса горения. Материальный баланс процесса горения. Составление уравнений реакций горения горючих веществ в воздухе

Горением называется сложный физико-химический процесс, представляющий собой окислительно-восстановительную реакцию между горючим веществом и окислителем, сопровождающийся выделением тепла и излучением света. Для горения необходимо наличие трёх составляющих: горючего вещества; окислителя (кислород воздуха, озон, перекись водорода, галогены, перманганат калия, хромовый ангидрид и т. д.) и благоприятствующего фактора (источник зажигания; физико-химический или биологический процесс, протекающий с выделением тепла, нагретая поверхность).

С точки зрения электронной теории, горение – это перераспределение валентных электронов между горючим веществом и окислителем.

Горючим веществом называется вещество, атомы (молекулы) которого способны отдавать в процессе реакции свои валентные электроны. Горючее вещество в процессе реакции окисляется, образуя продукты окисления.

Окислителем называется вещество, атомы (молекулы) которого способны присоединять валентные электроны в процессе реакции. Окислитель в ходе реакции восстанавливается.

Процесс горения как одна из форм химического взаимодействия атомов и молекул может по-настоящему понятен только на основе изучения молекулярно-кинетической теории строения материи. Необходимо представлять, что в химических процессах, прежде чем образуются новые молекулы, разрушаются старые. Энергия, необходимая для разрыва связей в молекулах горючего и окислителя, называется энергией активации . Разрушение или ослабление химических связей в молекулах происходит под действием теплового движения атомов. Чем выше температура, тем выше доля активных молекул, тем эффективнее соударения и больше их число. Для реакции горения, как и для многих других химических реакций, справедливо положение: повышение температуры на 10 о С приводит к увеличению её скорости в 2–4 раза (правило Вант-Гоффа ). Кроме того, скорость реакции согласно закону действующих масс увеличивается с возрастанием концентрации реагентов. Скорость горения максимальна при стехиометрическом составе смеси – когда отношение реагентов соответствует коэффициентам в уравнении реакции.

В условиях пожара горение чаще всего протекает в среде воздуха. При составлении уравнения материального баланса процессов горения принято учитывать не только кислород, принимающий участие в реакции окисления, но и азот, входящий в состав воздуха. Воздух состоит из азота, кислорода, водорода, углекислого и инертных газов. При ведении теоретических расчётов водород, углекислый газ и инертные газы (их вместе взятых в воздухе около 1 %) причисляют к азоту, которого в воздухе 78 %. Поэтому можно принять, что воздух состоит из 21 % кислорода и 79 % азота. Не трудно установить, что на 1 объём кислорода в воздухе приходится 3,76 объёма азота (79: 21 = 3,76) или на 1 моль кислорода приходится 3,76 моля азота и, таким образом, состав воздуха в уравнениях реакций горения – (О 2 + 3,76 N 2) .

В реакции горения принимает участие только кислород. Азот в реакцию не вступает и выделяется из зоны горения вместе с продуктами горения. В левой части уравнения реакции горения записывают горючее вещество и воздух, в правой части – продукты горения. При уравнивании левой и правой частей уравнения реакции горения коэффициент перед горючим веществом для упрощения расчётов параметров процесса горения, как правило, не ставят, т.е. принимают равным единице, в связи с чем коэффициент перед воздухом может получаться дробным.

Для решения задач по определению основных параметров, характеризующих процесс горения, необходимо уметь составлять уравнения реакций горения горючих веществ в воздухе.

Обобщённая запись брутто-уравнения материального баланса реакции горения имеет вид:

n г.в. [г.в.] + n о [о]= n пг i [пг] , (1)

где n г.в, n о, n пг i – стехиометрические коэффициенты при соответствующих веществах: [г.в.] – горючее вещество, [о] – окислитель, [пг] – продукты горения.

Данное уравнение является обобщённым выражением материального баланса любой химической реакции окисления. Оно не несёт информации о промежуточных стадиях процесса, которых может быть великое множество, а выражает только начальное и конечное состояние системы. Поэтому его называют также суммарным или брутто-уравнением реакции горения. Для решения многих инженерно-технических задач этого уравнения бывает достаточно.

Рассмотрим примеры составления уравнений реакций горения горючих веществ в воздухе.

ПРИМЕР: Составить уравнение реакции горения пропана (С 3 Н 8) в воздухе.

При горении углеводородов в воздухе продуктами горения будут углекислый газ (СО 2), пары воды (Н 2 О) и азот (N 2) из воздуха:

С 3 Н 8 + (О 2 + 3,76 N 2) =CО 2 + Н 2 О + 3,76 N 2 .

Уравняем эту реакцию, в результате чего число атомов каждого элемента в правой части уравнения будет равно числу атомов этих элементов в левой части.

Углерода в молекуле пропана 3 атома, следовательно, в продуктах горения образуется 3 молекулы углекислого газа. Атомов водорода в молекуле пропана 8, следовательно, в продуктах горения образуется 4 молекулы воды, так как в молекуле Н 2 О два атома водорода (8: 2 = 4). В последнюю очередь уравнивается число атомов кислорода. Подсчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения: число атомов кислорода в 3 молекулах СО 2 равно 6 (3 * 2 =6); число атомов кислорода в 4 молекулах воды равно 4 (4 * 1 = 4). Всего в правой части получается 10 атомов кислорода (6 + 4 = 10), следовательно, в левой части перед скобкой мы должны поставить коэффициент равный 5 (10: 2 = 5), т. к. в молекуле кислорода 2 атома. Коэффициент перед азотом в продуктах горения будет равен коэффициенту перед скобкой воздуха, умноженному на 3,76.

Окончательная запись уравнения реакции горения пропана в воздухе имеет вид:

С 3 Н 8 + 5 (О 2 + 3,76 N 2) = 3 CО 2 + 4 Н 2 О +5 *3,76 N 2 .

Коэффициент, стоящий перед скобкой воздуха, называется стехиометрическим коэффициентом реакции горения и обозначается β. В нашем случае β = 8.

При горении кислородосодержащих соединений в воздухе уравнивание реакции происходит аналогично. Однако при уравнивании атомов кислорода нужно учесть количество атомов кислорода, содержащихся в горючем веществе, которые тоже участвуют в реакции.

Для этого из количества атомов кислорода в правой части уравнения реакции нужно вычесть количество атомов кислорода, содержащихся в горючем веществе, а потом уже делить на 2.

ПРИМЕР: Составить уравнение реакции горения пропилового спирта в воздухе.

С 3 Н 7 ОН + (О 2 + 3,76 N 2) = CО 2 + Н 2 О +3,76 N 2

Углерода в молекуле пропилового спирта 3 атома, следовательно, в продуктах горения образуется 3 молекулы углекислого газа. Атомов водорода в молекуле 8, следовательно, в продуктах горения образуется 4 молекулы воды, так как в молекуле Н 2 О два атома водорода (8: 2 = 4). В последнюю очередь уравнивается число атомов кислорода. Подсчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения: число атомов кислорода в 3 молекулах СО 2 равно 6 (3 * 2 =6); число атомов кислорода в 4 молекулах воды равно 4 (4 * 1 = 4). Всего в правой части получается 10 атомов кислорода (6 + 4 = 10), следовательно, в левой части перед скобкой мы должны поставить коэффициент равный 4,5 (10 - 1 = 9; 9: 2 = 4, 5). Коэффициент перед азотом в продуктах горения будет равен коэффициенту перед скобкой воздуха, умноженному на 3, 76.

Окончательная запись уравнения реакции горения пропилового спирта в воздухе имеет вид:

С 3 Н 7 ОН +4,5 (О 2 + 3,76 N 2)= 3 CО 2 + 4 Н 2 О +4,5* 3,76 N 2 .

Если в состав горючего вещества входит галоген и горючее вещество не содержит водород, то в продуктах горения он будет выделяться в свободном виде (Cl 2 , Br 2 и т. д.). Если же горючее вещество содержит водород, то в продуктах горения он будет выделяться в соединении с водородом, например хлороводород (НCl ).

Если в состав горючего вещества входят сера, алюминий, кремний и др., то в продуктах горения будут выделяться оксиды этих элементов (SO 2 , Al 2 O 3 , SiO 2 ). При горении веществ, содержащих азот, он выделяется в виде чистого газа азота (N 2 ) и записывается отдельно от азота, содержащегося в воздухе.

C 2 H 5 Cl + 3(O 2 + 3,76 N 2) = 2 CO 2 + 2 H 2 O + HCl + 3 *3,76 N 2 ,

C 4 H 4 S + 6(O 2 + 3,76 N 2) = 4CO 2 + 2 H 2 O + SO 2 + 6* 3,76 N 2 ,

CH 3 NH 2 + 2,25(O 2 + 3,76 N 2) = CO 2 + 2,5 H 2 O + 0,5 N 2 + 2,25 *3,76 N 2 .

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1. Написать структурные формулы,составить уравнения реакций горения горючих веществ в воздухе и рассчитать стехиометрические коэффициенты.

1.1. амилбензол, абиетиновая кислота, аллиламин;

1.2. амилдифенил, адипиновая кислота, аллилизотиоцианат;

1.3. амилен, акриловая кислота, альнафт;

1.4. амилнафталин, аллилацетат, альтакс;

1.5. амилтолуол,аллилидендиацетат,амиламин;

1.6. антрацен, аллилкапроат, амилнитрат;

1.7. аценафтен, аллиловьiй спирт, амилнитрит;

1.8. ацетилен, амилацетат, амилсульфид;

1.9. бензол,амилбутират,амилтрихлорсилан;

1.10. бутилбензол, амилксилиловый эфир, амилхлорнафталин;

1.11. бутилциклогексан, амиллаурат, аминалон;

1.12. бутилциклопетан, амилметилкетон, аминоазокраситель;

1.13. гексадекан, амилолеат, аминокапроновая кислота;

1.14. гексан, амилсалицилат, аминопеларгоновая кислота;

1.15. гексилциклопентан, амилстеарат, аминоциклогексан;

1.16. гептадекан, амилфенилметиловый эфир, ампициллин;

1.17. гептан, амнлфениловый эфир, ангинин;

1.18. декан, амилформиат, анилин;

1.19. диамилбензол, анизол, антримид;

1.20. диамилнафталин, ацеталь, атофан;

1.21. дивинилацетилен, ацетальдегид, ацеклидин;

1.22. дигидроциклопентадиен, ацетилацетон, ацетанилид;

1.23. диизобутилен, ацетисалициловая кислота, ацетилхлорид;

1.24. диизопропилбензол, ацетилтрибутилцитрат, ацетоацетанилид;

1.25. диметиленциклобутан, ацетометоксан, ацетонитрил;

1.26. дитолилметан, ацетон, ацетоксим;

1.27. дифенил, ацетонилацетон, ацетоэтиламид;

1.28. дифенилметан, ацетопропиловый спирт, бензамид;

1.29. диэтилциклогексан, ацетоуксусный эфир, бензилдиэтиламин;

1.30. додекан, ацетофенон, бензилтиол;

1.31. изобутилбензол, бензальдегид, бензилхлорид;

1.32. изобутилциклогексан, бензантрон, бензилцианид;

1.33. изооктан, бензгидрол, бензимидазол;

1.34. изопентан, бензилацетат, бензоат натрия;

1.35. изопрен, бензилбензоат, бензоилхлорид;

1.36. изопропенилбензол, бензилсалицилат, бензоксазолон;

1.37. изопропилацетилен, бензилцеллозольв, бензолсульфазид;

1.38. метилциклогексан, бензилэтиловый эфир, бензолсульфамид;

1.39. метилциклопентан, бензилянтарная кислота, бензолсульфокислота;

1.40. октилтолуол, метоксибутилацетат, бензонитрил.

2. Написать структурные формулы и определить при сгорании какого горючего вещества выделится большее число молей продуктов горения?

2.1. бензофенон и бензофенонтетракарбоновая кислота;

2.2. борнеол и бутаналь;

2.3. бутановая кислота и бутилацетат;

2.4. бутилацетилрицинолеат и бутилацетоацетат

2.5. бутилбензилсебацинат и бутилбензоат;

2.6. бутилбутират и бутилвиниловый эфир;

2.7. бутилгликоль и бутилгликольацетат;

2.8. бутилглицидный эфир и бутилдиэтиладипинат;

2.9. бутилизовалериат и бутилкапронат;

2.10. бутилкарбитол и бутиллактат;

2.11. бутиллаурат и бутилметакрилат;

2.12. бутилметилкетон и бутилолеат;

2.13. бутилпропионат и бутилрициноолеат;

2.14. бутилстеарат и бутилфениловый эфир;

2.15. бутилформиат и бутилэтилацетальдегид;

2.16. бутилэтилкетон и бутилэтиловый эфир;

2.17. валериановая кислота и валериановый альдегид;

2.18. ванилин и ветиверилацетат;

2.19. ветиверовый спирт и ветинилацетат;

2.20. ветинон и винилаллиловый эфир;

2.21. винилацетат и винилбутират;

2.22. винилизобутиловый эфир и винилизооктиловый эфир;

2.23. винилизопропиловый эфир и винилкротонат;

2.24. винилметилкетон и винилоксиэтилметакрилат;

2.25. винилоктадециловый эфир и винилпропионат;

2.26. винилтриметилнониловый эфир и винилэтиловый эфир;

2.27. винилэтиловый эфир и винная кислота;

2.28. витамин А (ацетат) и витамин С;

2.29. галловая кислота и гексаналь;

2.30. гексановая кислота и гексилацетат;

2.31. гексилбутират и гексилдиэтилгексагидрофталат;

2.32. гексилметакрилат и гексилметилкетон;

2.33. гексиловый спирт и гексилпропионат;

2.34. гексилформиат и гексилцеллозольв;

2.35. гелиотропин и гептадециловый спирт;

2.36. гептаналь и гептилацетат;

2.37. гептилбутират и гептилдифенилкетон;

2.38. гептилизобутилкетон и гептилметилкетон;

2.39. гептиловый спирт и гептилпропионат;

2.40. гептилформиат и гидрохинон.

1 При сжигании топлива входящие в его состав горючие элементы ’ соединяются с кислородом воздуха. При этом происходит преобразова­ние химической энергии топлива в тепловую, идущую на нагрев продук- ч тов сгорания топлива.

Принято различать Полное и неполное сгорание топли - В а, процесс протекания которых может идти одновременно, но Конеч­ные результаты будут различны. Полное горение топлива мо Ж Но хар Ак­теризовать как быстро протекаюший Физико -химический Про Цесс взаи­модействия горючего ¥ёШства Г с окислителем, сопровождающийся интенсивным выделением теплота.../

Химическую" реакцию между веществами А % Б, (протекающую с образованием продуктов М и Я, можно описать стехиометрическим уравнен ием сл Еду Ющего вид а:

Где А, б, м и н"-число молекул, участвующих в простейшем ходе реак­ции; Q-тепловой эффект реакции.

Подобные уравнения химических реакций отдельных горючих со­ставляющих топлива дают лишь итоговый материальный баланс, но не отражают действительного механизма процесса. Скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ, определяемых стехиометрическими уравнениями типа (2-1), и от температуры. О ско­рости реакции можно судить по изменению концентрации реагирующих или получаемых <в результате реакции веществ. Обычно реакции горе­ния относятся к реакциям второго порядка (бимолекулярным). Ско - р©еть этих реакций Определяется в соответствии с законом действую­щих масс следующим образом:

Где K - константа скорости химической реакции; Сь С% - концентра­ция исходных веществ А и Б; а и Б - число молекул, участвующих

В реакции.

Когда прямая и обратная реакции осуществляются с одинаковыми скоростями, наступает химическое равновесие. Отношение концентраций реагирующих веществ в момент равновесия называют Константой равновесияКс, которая для газообразных веществ может быть выражена через парциальные давления реагирующих газов, и ее приня­то обозначать через /Ср. Величины Кс и /Ср связаны между собой урав­нением

Kc = Kp(RTfn. (2-3)

В уравнении:

R- газовая постоянная, Дж/(моль-град) или икал/(моль*град);

Т - температура реакции, К;

Ап- изменение числа молей.

Зависимость константы скорости реакции от температуры можно характеризовать экспоненциальным уравнением Аррениуса:

K = k, + e RT, (2-4)

В уравнении:

Ko - предэкспоненциальный множитель;

Е - основание натуральных логарифмов;

R - газовая постоянная;

Е - энергия активации, Дж/моль или ккал/моль.

Из уравнения (2-4) следует, что протекание реакций возможно при столкновении реагирующих молекул, которые обладают определенным запасом энергии, достаточным для разрушения или ослабления внутри­молекулярных связей. Величина энергии активации Е и есть этот мини­мальный запас энергии, обеспечивающий эффективность столкновения и химическое взаимодействие молекул; при отсутствии этой энергии хи­мические реакции горения не происходят. Значение энергии активации для смеси газов обычно составляет величину от 83,8 до 168Х ХЮ3 КДж/моль или от 20 до 40-103 ккал/моль.

Величина предэкспоненциального множителя K0 с. изменением тем­пературы меняется не сильно: примерно Ke=Const]/7

Для выяснения влияния температуры на скорость химической реак­ции используем способ, предложенный В. А. Спейше^ом [Л. 8], и объе-

В формуле:

Ха)± - скорость химической реакции при температуре Г1=500 К;

Ш2 - то же при 72=1000 К и £=168-103 КДж/моль.

Из расчета получим, что при увеличении температуры в 2 раза ско­рость реакции изменится в 5-10й раз. Значения констант равновесия зависят от температуры следующим образом:

^ 1п К (3 .(у

ЙТ “~ЯГ2 * Vй

В уравнении:

< 2- тепловой эффект реакции, КДж/моль или ккал/моль, при дав­лении /?=сопз1 или постоянном объеме;

& - константа равновесия, которую можно выразить через концен­трации &с или парциальные давления реагирующих веществ £р.

Из последнего уравнения следует, что с ростам температуры вели­чина & в реакциях с выделением теплоты (экзотермических) увеличи­вается, с отнятием теплоты (эндотермических) уменьшается. Отсюда

Наиболее вероятен предложенный акаде­миком Н. Н. Семеновым цепной характер про­текания реакций^ горения с наличием проме­жуточных стадий реакций и соединений с ак­тивными центрами. Так, например, соединение водорода и кислорода начинается с распада молекул Н2 на атомы при их столкновении с поверхностью нагретого источника зажига­ния или другой молекулой М, обладающей

/-Единичный и, и,ЛВЫСОКОЙ Энергией: Н2+М-^2Я+М, вслед-

1- И ствие чего каждый из возникших атомов во­

Дорода реагирует (рис. 2-1) затем с молеку­лой кислорода:

Н+02+ЗН2-^2Н20+ЗН, (2-7)

Образуя начало процесса цепной реакции го­рения водорода. Подобные процессы очень чувствительны к присут­ствию ускорителей - катализаторов, образующих промежуточные соеди­нения типа ОН.

Если молекула, обладающая энергией активации, окисляясь, по­рождает одну новую активную молекулу, которая.продолжает цепь, то процесс называют Неразветвленной цепной реакцией. Если же активная молекула вызывает при реакции образование нескольких но­вых активных молекул, из которых одна продолжает начатую цепь, а Другие Начинают новые цепи, то такую реакцию называют Раз­ветвленной цепной реакцией.

Схема подобной реакции показана на рис. 2-1 для водорода, как наиболее изученная спектроскопическим методом. Скорость течения цепных реакций превосходит скорость течения обычных химических ре­акций в сотни тысяч раз. Однако результирующая скорость реакции го­рения определяется скоростью самой медленной реакции, образующей данную цепь. Примерами таких реакций, кроме горения водорода, явля­ется горение углерода, имеющего более сложный характер, с участием атомарного водорода, гидроксильных радикалов и других активных цен­тров.

Г1/еение вкиси углереВа"

Направление под б од а Воздуха и движения гш秧

Рис. 2-2. Схема горения твердого топлива.

Подогрев, испарение влаги; II - возгонка летучих; III - горение летучих, образова­ние кокса; IV - горение кокса; V - выгорание кокса; VI - образование шлака.

Процесс горения любой частицы натурального твердого топлива протекает еще более сложным путем и сопровождается комплексом физико-химических явлений: начинается с подогрева топлива, сопро­вождающегося испарением влаги и возгонкой летучих и продолжающе­гося до момента воспламенения. Далее происходит горение летучих и кокса, зависящее от контакта с окислителем, зольности топлива, темпе­ратур и других факторов, и заканчивается образованием шлака.

Схематически эти процессы показаны на рис. 2-2, где они искусст­венно разделены для возможности представления хода каждого про­цесса.

Все перечисленные процессы чаще протекают одновременно, чем и определяется сложность их исследования. Необходимо напомнить, что реакции веществ, находящихся в одинаковом агрегатном состоянии, на­зываются Гомогенными; к ним относятся реакции горения газов. Реакции горения жидких и твердых топлив протекают при разном агре­гатном состоянии веществ; такие реакции называются Гетероген­ными.

Гетерогенные реакции сильно зависят от скорости подвода или переноса окислителя к поверхности горящей частицы - от скорости диффузии. Увеличение скорости подвода окислителя к горящей частице приводит к увеличению скорости реакции до определенных пределов. Если процесс сжигания топлива начинается с подогрева, удаления вла­ги и возгонки летучих, то в это время цепные реакции протекают мед­ленно. С повышением температуры число активных центров растет, скорость реакции увеличивается, что приводит к вспышке топлива. Тем­пературу, при которой происходит это явление, называют Температу-

Таблица 2*1 Температуры воспламенения некоторых видов топлива

Водород Н2 в смеси с возду­хом

Окись углерода СО в смеси с воздухом Метан СН4 Этан С2Н6 Пропан С3Н8 Бутан С4Н10 Бензин Керосин

Дизельное топливо Соляровое масло

Мазут флотский Ф-12

Малосернистый 40 малосернистый 100 многосернистый 200 Древесина Торф

Бурый уголь Каменный уголь Полу антрацит Антрацит Кокс

Рой воспламенения; она зависит от свойств топлива, условий отвода теплоты и некоторых других факторов (табл. 2-1).

Развитие цепной реакции и повышение температуры ограничивают­ся присутствием замедлителей - ингибиторов, к которым нужно отнести инертные примеси в топочном устройстве - поверхности нагрева, него­рящие частицы топлива, холодную обмуровку и другие препятствия, дви­жению молекул. Время сгорания топлива зависит от того, сколь быстро горючая частица встретится с частицей окислителя, который содержит­ся в поступающем воздухе. Иначе говоря, время, необходимое для сго­рания топлива, складывается из времени, в течение которого достигает­ся контакт горючего с окислителем, Тф и времени протекания химиче­ской реакции тх."

Т=тф+тх. (2-8)

Если время контактирования больше времени химической реакции, то горение относят к диффузионному, в обратном случае горение отно­сят к кинетическому. Изображая графически изменение скорости горения топлива (рис. 2-3) в зависимости от температуры при постоян­ной массовой концентрации окислителя, мож­но показать, что В соответствии с уравнением Аррениуса (2-4) скорость реакции с ростом Т Сильно увеличивается (кривая /). Область го­рения, ограниченная осью ординат и кривой 1, Называют Кинетической; осью абсцисс и кривой 2 - Диффузионной областью го­рения. Между кривыми 1 и 2 Существует об­ласть 3, в которой скорости химических реак­ций соизмеримы со скоростями диффузии.

Представленная на рис. 2-1 схема цепно­го окисления водорода для случая окисленйя углерода сильно усложняется из-за образования окиси углерода СО, двуокиси углерода С02 (первичные реакции) и появления реакций типа С+СОг=2СО (вторичных реакций). При сжигании натуральных топлив количество параллельно идущих реакций значительно увеличивается, и они накладываются друг на друга. Горение жидкого и твердого топлива

Сопровождается его газификацией, когда процессу горения сопутствует термическое разложение органической массы топлива.

Воспламенение продуктов газификации Или газообразного топлива приводит к образованию Фронта пламени, состоящего из слоя сме­си, обычно весьма тонкого, в котором идет процесс горения. Если фронт пламени перемещается в неподвижной среде, то протекающие в нем процессы, по данным В. А. Спейшера [Л. 8] и Н. Л. Стаскевича [Л. 9], могут быть охарактеризованы рис. 2-4.

Для возможности характеризовать горение газовоздушных смесей в ламинарном потоке пользуются понятием нормальной скорости рас­пространения пламени:

Где ын - нормальная скорость распространения пламени, см/с; А - ко­эффициент температуропроводности смеси, см2/с.

Это приближенное выражение для определения ив получено из ана­лиза размерностей в дифференциальном уравнении теплопроводности с источником и показывает, что нормальная скорость распространения пламени зависит от физических свойств смеси и ее химической актив­ности, так как время сгорания обратно пропорционально скорости хими­ческой реакции при температуре горения.

Для движущейся горящей среды имеет значение характер ее дви­жения. При переходе от ламинарного движения к турбулентному меня­ется не только очертание зоны горения, но и изменяется интенсивность процесса. Некоторое представление о влиянии режима движения смеси на скорость распространения пламени можно получить при рассмотре­нии рис. 2-5. Из-за больших трудностей проведения теоретических и экс­периментальных исследований теория турбулентного горения еще нахо­дится в стадии разработки. Следует помнить, что в турбулентном потоке перемещивание происходит не только за счет хаотического движения молекул, но и за счет перемещений молей и значительных объемов газа

Из одного слоя в другой, что интенсифицирует процессы тепломассооб­мена. Поэтому рядом исследователей предлагается в отличие от модели с фронтом горения иметь модель объемного горения, показанную на рис. 2-6, или ей подобную схему.

Более сложным ф$ляется процесс горения твердого топлива даже в случае предварительного измельчения его до пылевидного состояния. Многочисленные исследования процесса горения частиц твердого топли­ва привели к установлению двух основных закономерностей - Закона горения отдельной натуральной угольной частицы и закона распределения частиц полидисперсной угольной пыли по размерам.

Параллельное выгорание летучих и коксового остатка,-^наблюдае­мое при горении угольной пыли, обусловлено различием размеров и форм частиц. Реакционной поверхностью коксового остатка можно счи­тать сферу, к которой равномерно поступает кислород воздуха. Опыта­ми установлено, что в реальных топочных условиях решающую роль играют реакции типа

2С + 02=2С0. (2-10);

Исходя из указанных положений наиболее вероятной схемой про­цесса горения является горение пылинки в топочной камере в объеме движущегося потока - выход летучих, горение летучих в движущейся среде и горение коксовой частицы с одновременными физико-химически - ми превращениями минеральной части топлива. Эти превращения про­исходят одновременно с диффузией окислителя к остатку частицы, го­рением остатка при протекании вторичных реакций продуктов сгорания на раскаленной поверхности частиц или вблизи от нее.

Схематизируя явление, можно исключить из него некоторые стадии и рассматривать горение угольной пыли после ее прогрева как Квази - ст ацио-н арный [процесс. Это позволяет записать ряд дифференци­альных уравнений горения, решение которых можно выполнить с по­мощью электронно-вычислительных машин.

Из-за сложности этих уравнений и возможности решения технических задач с помощью более простых способов, эти уравнения в данном кур - 46

Се не приводятся, ознакомиться с ними можно в специальной литера­туре, например [Л. 10, 11].

Также представляет собой зону газификации с интенсивно идущим процессом слой топлива на колосниковой решетке с подачей под «его воздуха. В топку поступают газообразные продукты газификации топли­ва и мелкие твердые частицы горючих веществ, создающие над слоем факел. В факеле и происходит процесс сжигания, протекающий при наличии достаточного количества свободного кислорода в области диф­фузионного горения. Процесс, протекающий в слое, приводит к разви­тию высоких температур, что интенсифицирует процесс газификации топлива. По высоте слой принято делить на два участка: кислородный

Таблица 2-2

И восстановительный; толщина первого обычно мала, и свободный ки­слород отсутствует после прохода слоя высотой в два-трн куска топли­ва. При большом выходе летучих веществ эта зона сокращается, при малом - увеличивается. В той части слоя, где протекает процесс гази­фикации топлива, свободный кислород отсутствует, отмечается даже его недостаток. Вследствие этого процесс горения выносится частично в объем над слоем, куда подается дополнительный воздух. Доступ окислителя к горючему затрудняется шлакообразованием, которое уве­личивает газовое сопротивление слоя. Для слоевых топок это вызывает необходимость ограничивать содержание золы в топливе, особенно лег­коплавкой, в камерных топках требует периодической очисткй поверх­ности нагрева от шлака.

В соответствии с изложенным процесс горения натурального топ­лива можно с некоторой условностью разделить на следующие стадии (табл. 2-2).

Такая разбивка на стадии условна потому, что эти стадии процес­са протекают не только последовательно, но и параллельно, накладыва - ясь друг на друга, как это имеет место, например, при испарении влаги и возгонке летучих, возгонке и горении летучих, образовании и горении кокса и т. д. Продолжительность протекания отдельных стадий горения зависит от свойств топлива, конструктивных особенностей топочного устройства и ряда других факторов, из которых главными являются » процессы тепло - и массообмена.

Все это свидетельствует о большой сложности топочных, процессов

И необходимости рассмотрения любой из конструкций топки с позиций обеспечения наиболее полного сгорания топлива, наименьшего загрязне­ния поверхностей нагрева в топке, удобства, простоты и надежности работы устройства, быстрого регулирования производительности в до­статочно широких пределах без снижения экономичности, обеспечения

Передачи наибольшего количества теплоты радиацией и возможности наиболее полной механизации и автоматизации всех процессов, связан­ных с работой данного топочного устройства. !