Что характерно при неполном сгорании горючих веществ

Что характерно при неполном сгорании горючих веществ

Видео: Устройство печей Кузнецова. Что такое колпаковая печь.

Содержание

Главное отличие — полное сгорание и неполное сгорание

Реакция горения — это химическая реакция, которая выделяет энергию при окислении топлива. Химические реакции, которые выделяют энергию, называются экзотермическими реакциями. Таким образом, реакции сгорания являются экзотермическими. Топливо может быть окислено окислителем. Окислителем для большинства реакций горения является атмосферный кислород. Энергия, которая выделяется в результате реакций горения, может быть как теплой, так и легкой. Энергия в основном выделяется в форме тепла; световая энергия также выделяется в виде пламени. Сжигание может происходить двумя способами: полное сгорание и неполное сгорание. Основное различие между полным и неполным сгоранием заключается в том, что при полном сгорании углекислый газ является единственным продуктом, который включает углерод, тогда как при неполном сгорании в качестве продуктов образуются угарный газ и углеродная пыль.

Ключевые области сформированы

1. Что такое полное сгорание
— определение, свойства, примеры
2. Что такое неполное сгорание?
— определение, свойства, примеры
3. Каковы сходства между полным сгоранием и неполным сгоранием
— Краткое описание общих черт
4. В чем разница между полным сгоранием и неполным сгоранием
— Сравнение основных различий

Ключевые слова: двуокись углерода, окись углерода, горение, экзотермическая реакция, пламя, топливо, окисление, окислитель.

Что такое полное сгорание

Полное сгорание — это полное окисление топлива. Эта реакция является сильно экзотермической и производит большое количество энергии и ограниченное количество продуктов. При сжигании или сгорании топлива углеводороды в топливе окисляются кислородом воздуха с образованием углекислого газа (CO₂) и вода (H₂О) как продукты. Полное сгорание происходит там, где присутствует достаточное количество кислорода. В присутствии кислорода атомы углерода в углеводородах могут окисляться в диоксид углерода, а водород — в воду. Общая реакция на полное сгорание приведена ниже.

Углеводород + Кислород → Углекислый газ + Вода

Для топлива, такого как этанол, полное сгорание может быть задано как

Полные реакции сгорания приводят к образованию оксидов углерода, серы и других элементов в топливе. Углерод окисляется до двуокиси углерода, тогда как сера окисляется до двуокиси серы. Полное сгорание приводит к меньшему количеству загрязнителей воздуха. Полное сгорание обычно характеризуется синим пламенем.

Рисунок 01: Голубое пламя создается при полном сгорании.

Поскольку атмосфера состоит только из 21% кислорода по объему, для полного сгорания требуется много воздуха. Несмотря на то, что количество побочных продуктов, образующихся в результате полного сгорания, низкое, оно все же добавляет неблагоприятные выбросы. Например, углекислый газ является парниковым газом, который вызывает глобальное потепление.

Что такое неполное сгорание

Неполное сгорание — это химическая реакция, которая включает частичное окисление топлива. Неполное сгорание происходит там, где недостаточно кислорода. Здесь топливо не полностью окислено. Следовательно, неполное сгорание образует ряд побочных продуктов. Но количество энергии, выделяемой при сгорании, сравнительно мало. Основными продуктами неполного сгорания являются угарный газ (CO), угольная пыль (мы называем это «сажей») и вода (H₂О). Общая формула неполного сгорания приведена ниже.

Углеводород + Кислород → Угарный газ + Углерод + Вода

Побочные продукты могут варьироваться в зависимости от количества кислорода, который участвует в сгорании. Например, иногда он дает только окись углерода или сажу. Тем не менее, он обычно дает смесь угарного газа и сажи вместе с водой.

Например, неполное сгорание этилена может привести к образованию углерода и воды в качестве побочных продуктов.

Неполное сгорание этанола может образовывать окись углерода и углеродную пыль вместе с водой.

Рисунок 2: Желтое пламя возникает при неполном сгорании.

Неполное сгорание характеризуется желтым пламенем. Поскольку количество энергии, выделяющейся при неполном сгорании, мало, это нежелательно. Более того, окись углерода, образующаяся в результате этого сжигания, является загрязнителем воздуха и смертельна для человеческого организма. Угарный газ может связываться с гемоглобином в нашей крови и ограничивать транспорт кислорода в организме.

Сходства между полным сгоранием и неполным сгоранием

• Как полное сгорание, так и неполное сгорание являются экзотермическими.
• Они производят тепло и свет как формы энергии.
• Обе реакции дают воду в качестве побочного продукта.
• Оба типа сгорания включают окисление топлива.
• Эти реакции включают сочетание молекулярного кислорода с топливом.
• Обе эти реакции сгорания приводят к неблагоприятным выбросам газа.
• Они могут образовывать пламя при горении.

Разница между полным сгоранием и неполным сгоранием

Определение

Полное сгорание: Полное сгорание — это полное окисление топлива.

Неполное сгорание: Неполное сгорание — это частичное окисление топлива.

Энергия выпущена

Полное сгорание: Полное сгорание производит большое количество энергии.

Неполное сгорание: Неполное сгорание производит низкое количество энергии.

Количество вовлеченного кислорода

Полное сгорание: Полное сгорание происходит там, где присутствует достаточное количество кислорода.

Неполное сгорание: Неполное сгорание происходит там, где не хватает кислорода.

Субпродукты

Полное сгорание: Полное сгорание производит углекислый газ и воду как главные побочные продукты.

Неполное сгорание: Неполное сгорание приводит к образованию окиси углерода, угольной пыли и воды в качестве основных побочных продуктов.

пламя

Полное сгорание: Полное сгорание создает синее пламя.

Неполное сгорание: Неполное сгорание создает пламя желтого цвета.

Влияние на окружающую среду

Полное сгорание: Полное сгорание производит углекислый газ, который может вызвать глобальное потепление.

Неполное сгорание: При неполном сгорании образуется окись углерода, которая является загрязнителем воздуха.

Заключение

Реакции горения — это экзотермические реакции, которые выделяют энергию при сжигании топлива. Полное сгорание топлива дает большое количество энергии, в то время как неполное сгорание дает меньшее количество энергии.Это главное отличие между полным и неполным сгоранием. Полное сгорание очень важно в приложениях промышленного масштаба. Неполное сгорание используется для бытовых нужд, таких как сжигание дров для выработки тепловой энергии для приготовления пищи и т. Д. Несмотря на то, что при сжигании существует ряд применений, оно вызывает выброс в окружающую среду неблагоприятных газов, которые могут действовать как загрязнители воздуха.

1.2. Полное и неполное горение

В условиях пожара окислительной средой является воздух. По­ этому в состав продуктов сгорания будет входить азот, поступающий в зону горения вместе с кислородом воздуха. В том случае когда в зону горения поступает воздуха больше, чем требуется по стехиомет­ рии реакции, в состав продуктов сгорания будет входить и избыток кислорода. Полное сгорание на практике происходит при избытке ки­ слорода. В табл. 5 (прил. 111) представлены количество и состав про­ дуктов сгорания некоторых горючих углеводородов.

Если в зону горения поступает воздуха меньше, чем требуется по стехиометрии реакции горения, или когда горение осуществляется при низкой температуре, кроме продуктов полного сгорания, образу­ ются продукты неполного сгорания. При неполном сгорании горю­ чих веществ образующиеся продукты способны к дальнейшему горе­ нию. Продуктами неполного сгорания являются оксид углерода (угар­

ный газ), сажа, продукты термоокислительной деструкции спиртов,

кетоновов и других органических соединений. Неполное сгорание горю­

чих веществ, происходит при недостатке кислорода.

Состав продуктов термоокислительной деструкции зависит от природы горючего вещества, температуры и условий взаимодействия горючей смеси с окислителем. Если в состав горючего вещества вхо­ дят С, Н , О, Cl, N, то ими являются углеводороды, диоксины, (хлор­ содержащие органические соединения), синильная кислота, спирты, альдегиды, кислоты, оксиды азота и т. п. При сгорании древесины, например, образуется более 200 компонентов продуктов сгорания, а при сгорании поливинилхлорида (полимер П ВХ) образуется более 75 различных компонентов.

Если сгорают неорганические вещества, в составе которых есть Р (фосфор), Na (натрий), К (калий), Са (кальций), А\ (алюминий), M g (магний), то продуктами сгорания будут оксиды этих веществ, нахо-

1 2 Раздел 1. Горен ие

дящиеся в твердом состоянии: Р205, Na20, К20, СаО, MgO,

Эти продукты сгорания находятся в воздухе в дисперсном состоянии в виде плотного дыма. Признаком непалнаго сгорания вещества ор­ ганического состава также является наличие дыма, содержащего не­ сгоревшие частички углерода.

Дым представляет собой дисперсную систему, состоящую из мель­

чайших твердых частиц, взвешенных в смесях продуктов сгорания с воздухом. Диаметр частиц дыма колеблется от 10 -4 до 1 0- 6 см (от 1 до 0,01 мк). Объем дыма (м\ образующегося при горении единицы мас­ сы (кг) или объема (м 3 ) горючего вещества, приведен в табл. 1 .2.

Процессы распространения пламени, неполное горение

Горение – это реакция, при которой происходит преобразование химической энергии топлива в тепло.

Горение бывает полным и неполным. Полное горение происходит при достаточном количестве кислорода. Нехватка его вызывает неполное сгорание, при котором выделяется меньшее количество тепла, чем при полном, и окись углерода (СО), отравляюще действующая на обслуживающий персонал, образовывается сажа, оседающая на поверхности нагрева котла и увеличивающая потери тепла, что приводит к перерасходу топлива и снижению к.п.д. котла, загрязнению атмосферы.

Для сгорания 1 м 3 метана нужно 10 м 3 воздуха, в котором находится 2 м 3 кислорода. Для полного сжигания природного газа воздух подают в топку с небольшим избытком. Отношение действительно израсходованного объёма воздуха V_д к теоретически необходимому V_т называется коэффициентом избытка воздуха a = V_д/V_т. Этот показатель зависит от конструкции газовой горелки и топки: чем они совершеннее тем меньше a. Необходимо следить, чтобы коэффициент излишка воздуха не был меньше 1, так как это приводит к неполному сгоранию газа. Увеличение коэффициента избытка воздуха снижает к.п.д. котлоагрегата.

Полноту сгорания топлива можно определить с помощью газоанализатора и визуально – по цвету и характеру пламени: прозрачно-голубоватое – сгорание полное;

красный или жёлтый – сгорание неполное.

Скорость продвижения зоны горения в направлении, перпендикулярном самой зоне, называется скоростью распространения пламени. Скорость распространения пламени характеризует быстроту нагрева газовоздушной смеси до температуры воспламенения. Наибольшую скорость распространения имеет пламя водорода, водяного газа (3 м /сек), наименьшую — пламя природного газа и Пропано-бутановой смеси. Большая скорость распространения пламени благоприятно влияет на полноту горения газа, а малая, наоборот, служит одной из причин неполного сгорания газа. Скорость распространения пламени увеличивается при применении газокислородной смеси вместо газовоздушной.

Горение регулируется увеличением подачи воздуха в топку котла или уменьшением подачи газа. В этом процессе используется первичный (смешивается с газом в горелке – до горения) и вторичный (соединяется с газом или газовоздушной смесью в топке котла в процессе горения) воздух.

В котлах, оборудованных диффузионными горелками (без принудительной подачи воздуха), вторичный воздух под действием разряжения поступает в топку через поддувочные дверцы.

В котлах, оборудованных инжекционными горелками: первичный воздух поступает в горелку за счёт инжекции и регулируется регулировочной шайбой, а вторичный – через поддувочные дверцы.

В котлах со смесительными горелками первичный и вторичный воздух подаётся в горелку вентилятором и регулируется воздушными задвижками.

Нарушение соотношения между скоростью газовоздушной смеси на выходе из горелки и скоростью распространения пламени приводит к отрыву или проскакиванию пламени на горелках.

Если скорость газовоздушной смеси на выходе из горелки больше скорости распространения пламени – отрыв, а если меньше – проскок.

При отрыве и проскоке пламени обслуживающий персонал должен погасить котёл, провентилировать топку и газоходы и снова разжечь котёл.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Физические представления о горении топлива

Физические представления о горении топлива — это быстро протекающий физико — химический процесс взаимодействия горючей его части с окислителем, сопровождающийся выделением теплоты и света.

В результате полного горения получаются газообразные негорючие продукты окисления (СО₂, Н₂О и др.) и твердый негорючий остаток (зола или шлак). При неполном горении газообразные продукты и твердый остаток содержат некоторое количество горючих веществ (СО, Н₂, С и др.), и при этом выделяется меньше теплоты, чем при полном горении. Процессы горения можно разделить на две группы:

1. горение газообразных горючих — гомогенное горение (характеризуется системой «газ + газ»);
2. горение твердых и жидких горючих — гетерогенное горение (характеризуется системой «твердое тело + газ» или «жидкость + газ»).

Горение — это прежде всего химический процесс, так как в результате его протекания происходят качественные изменения состава реагирующих масс. Изучение химических процессов при горении относится в основном к области химической термодинамики. При этом исследуют статику и кинетику процесса. В основе изучения химизма процесса горения лежат фундаментальные законы: сохранения массы (Ломоносов — Лавуазье), простых кратных отношений (Дальтон) и учение о химическом равновесии (закон действующих масс). Эти законы дают ответ на вопросы о соотношении вступающих в реакцию соединений и составе получающихся продуктов реакции, о направлении и глубине протекания реакций и т.д. Горение как химический процесс, происходящий при весьма высоких температурах, может протекать с высокими скоростями. Однако, обладая высокими потенциальными возможностями по быстроте протекания, процесс горения в действительности имеет ограниченную скорость. Это происходит потому, что химические реакции веществ сопровождаются различными физическими явлениями: переносом теплоты, диффузионным переносом реагирующих масс и др. Эти физические процессы развиваются по присущим им закономерностям, имеют свои скорости, которые в ряде случаев являются определяющими. Иными словами, это обстоятельство можно пояснить следующим образом. Если скорость химической реакции велика по сравнению со скоростью переноса теплоты или скоростью диффузии масс, то результирующая скорости процесса будет определяться именно скоростью переноса теплоты или скоростью диффузии окислителя как наиболее медленных процессов. Таким образом, химический процесс, составляющий основу горения, оказывается подчиненным закономерностям протекания физических процессов и ими регулируется.

В общем случае время горения топлива складывается из времени протекания физических τ_физ и химических τ_хим процессов, т. е.

Время протекания физических процессов Т_физ в свою очередь состоит из времени, необходимого для смешивания топлива с окислителем τсм, и времени, в течение которого топливо — воздушная смесь — подогревается до температуры воспламенения т_н, т. е.

Время горения Т_гор будет определяться в основном скоростью наиболее медленного процесса.

Физические представления о горении топлива — горение газообразного топлива. Процесс горения газообразного топлива гомогенный, т. е. и топливо, и окислитель находятся в одном агрегатном состоянии и граница раздела фаз отсутствует. Для того чтобы началось горение, газ должен соприкасаться с окислителем. При наличии окислителя для начала горения необходимо создать определенные условия. Окисление горючих составляющих возможно и при относительно низких температурах. В этих условиях скорости химических реакций имеют незначительную величину. С повышением температуры скорость реакций возрастает. При достижении некоторой температуры газовоздушная смесь воспламеняется, скорости реакций резко возрастает и количество теплоты становится достаточным для самопроизвольного поддержания горения. 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. Например, температура воспламенения водорода находится в пределах 820 — 870 К, а окиси углерода и метана — соответственно 870 — 930 и 1020 — 1070 К.

Горючий газ в смеси с окислителем сгорает в факеле. Факел — некоторый определенный объем движущихся газов, в котором протекают процессы горения. В соответствии с общими положениями теории горения различают два принципиально различных метода сжигания газа в факеле — кинетический и диффузионный. Для кинетического сжигания характерно предварительное (до начала горения) смешивание газа с окислителем. Газ и окислитель подаются сначала в смешивающее устройство горелки. Горение смеси осуществляется вне пределов смесителя. В этом случае скорость процесса будет лимитироваться скоростью химических реакций горения и τ_гор τ_хим.

Диффузионное горение происходит в процессе смешивания горючего газа с воздухом. Газ поступает в рабочий объем отдельно от воздуха. Скорость процесса в данном случае будет ограничена скоростью смешивания газа с воздухом и τ_гор = τ_физ.

Разновидностью диффузионного горения является смешанное (диффузионно — кинетическое) горение. Газ предварительно смешивается с некоторым (недостаточным для полного горения) количеством воздуха. Этот воздух называется первичным. Образовавшаяся смесь подается в рабочий объем. Туда же отдельно от нее поступает остальная часть воздуха (вторичный воздух).

В топках котельных агрегатов чаще используются кинетический и смешанный принципы сжигания топлива. Диффузионный способ чаще всего используется в технологических промышленных печах.

Структура и длина факела при прочих равных условиях зависят от режима потока. Различают ламинарный и турбулентный газовые факелы. Ламинарный факел образуется при небольших скоростях истечения смеси (Re < 2300). Ламинарный режим сохраняется только на некотором расстоянии от среза горелки. Затем вследствие процессов массообмена с окружающей средой происходит турбулизация факела. При Re > 3000 факел становится турбулентным уже около среза горелочного устройства.

Горение газа происходит в узкой зоне, называемой фронтом горения. Газ, предварительно перемешанный с окислителем, сгорает во фронте горения, который называется кинетическим. Этот фронт представляет собой поверхность раздела между свежей газовоздушной смесью и продуктами сгорания. Площадь поверхности кинетического фронта горения определяется скоростью химических реакций.

В случае диффузионного сжигания газа образуется диффузионный фронт горения, который является поверхностью раздела между продуктами сгорания и смесью газа с продуктами сгорания, диффундирующими навстречу потоку газа. Площадь поверхности этого фронта определяется скоростью смешивания газа с окислителем.

Диффузионно — кинетическое сжигание газа характеризуется наличием двух фронтов. При кинетическом сжигании расходуется окислитель, подаваемый в смеси с газом; при диффузионном догорает та часть газа, которая не сгорела при кинетическом сжигании из — за недостатка окислителя.

На рис. 18.3 показаны структура горящих факелов при различных способах сжигания и схема фронта горения.

Набегающая свежая газовоздушная смесь нагревается за счет передачи теплоты путем теплопроводности и излучения от фронта горения. Подогретая до температуры воспламенения смесь сгорает во фронте горения, а продукты сгорания покидают эту зону и частично диффундируют в набегающую смесь. Положение фронта горения над срезом горелки зависит от физической природы горючего газа, концентрации его в смеси, скорости потока и других факторов. Фронт горения может перемещаться в направлении, нормальном к своей поверхности, до установления равенства между количествами сгоревшей, и поступившей смеси, отнесенными к единице поверхности фронта. При этом выполняется и тепловое равновесие: поток теплоты от фронта горения уравновешивается встречным потоком переносимого холодного исходного газа.

Важнейшей характеристикой горения газообразного топлива является скорость нормального распространения пламени и_н — скорость, с которой перемещается фронт горения по нормали к своей поверхности в направлении набегающей газовоздушной смеси. При равенстве ин и проекции вектора скорости потока на нормаль к поверхности фронта w_н этот фронт будет неподвижным по отношению к срезу горелки. Основными факторами, от которых зависит скорость нормального распространения пламени, являются реакционная способность газа, его концентрация в смеси, температура предварительного подогрева смеси.

На рис. 18.4 приведены зависимости и_н от концентрации газа в смеси и температуры ее подогрева для некоторых газов. Реакционная способность газа определяется величиной энергии активации.

Очевидно, что газы, обладающие небольшой энергией активации, реагируют с окислителем с большей скоростью, и для этих газов характерны высокие скорости распространения пламени (водород, ацетилен). Количество теплоты, выделяемой при горении, и температура во фронте горения зависят от концентрации газа и смеси. Начальный подогрев смеси увеличивает температуру во фронте. Следовательно, скорость распространения пламени зависит от концентрации газа и температуры подогрева исходной газовоздушной смеси. Величина ин является важной характеристикой при выборе и расчете горелочных устройств. Если скорость истечения смеси будет значительно превосходить скорость распространения пламени, то может произойти отрыв факела. Если скорости истечения значительно меньше скоростей распространения пламени, то наблюдается втягивание (проскок) пламени в горелку.

Физические представления о горении топлива (газовоздушных смесей) — наличие концентрационных пределов. Различают нижний (НПВ) и верхний (ВПВ) концентрационные пределы воспламенения. Горение газа прекращается, если его концентрация в смеси будет меньше, чем концентрация на НПВ, или больше, чем на ВПВ. Это связано с тем, что при малых концентрациях газа теплоты становится явно недостаточно для поддержания реакции. При больших концентрациях газа ощущается нехватка окислителя, что приводит также к уменьшению количества теплоты и спаду температуры во фронте горения ниже температуры воспламенения.

Физические представления о горении топлива — горение твердого топлива. Процесс горения твердого топлива состоит из ряда последовательных стадий (иногда накладывающихся частично одна на другую): 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.

Рис 18.3 Структура фронта горения факелов кинетического (а), смешанного (б) диффузионного (в),а также схема фронта гореня.

w_n — скорость потока; и_н — скорость нормального распространения пламени; w_н — проекция w_п на нормаль n.

Рис. 18.4. Зависимость скорости нормального распространения пламени и_н от концентрации газа в смеси (а), а также от температуры подогрева смеси для водорода (б) и метана (в).

1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8 — при температуре, соответственно равной 293, 463, 583, 293, 473, 623, 743 и 793 К.

Для большинства ископаемых топлив горение углерода коксового остатка — наиболее длительный процесс. Однако он сопровождается горением летучих веществ, которые выделяются в результате термического разложения органической массы топлива при его нагревании. Выход летучих веществ у различных топлив начинается при различных температурах: например, у торфа при 550 — 660 К, у бурых углей при 690 — 710 К, у тощих углей и антрацита при 1050 — 1070 К.

Следует отметить, что на процесс горения летучие вещества оказывают двоякое влияние. С одной стороны, от горящего факела летучих быстрее прогревается кокс, а с другой — летучие, образуя вокруг топливной частицы горящую оболочку, перехватывают весь кислород, и вследствие этого горение кокса сильно затормаживается или вообще не наблюдается до их выгорания. По мере уменьшения выхода летучих количество кислорода, достигающего поверхности топливной частицы, увеличивается и кокс начинает выгорать быстрее.

При горении топлив с низким выходом летучих (тощие угли, полуантрациты, антрациты) выход летучих заканчивается очень быстро и время горения топливной частицы определяется в основном временем горения кокса. Для топлив, богатых летучими (торф, сланцы), время выхода и горения летучих становится соизмеримым со временем горения коксового остатка.

Скорость горения топливной частицы определяется количеством веществ, сгорающих на единице площади ее поверхности в единицу времени, обозначается K_s и имеет единицу измерения (м₂ /с). Эта скорость возрастает с увеличением реакционной способности твердого топлива, температуры, концентрации окислителя и скорости обдувания частицы потоком воздуха. Уменьшение размера частицы также приводит к увеличению скорости горения.

Скорость горения частицы зависит от интенсивности химической реакции горючего с окислителем и от скорости подвода (диффузии) окислителя к топливу. Результирующая скорость горения будет определяться скоростью наиболее медленного процесса. При этом различают три области горения: кинетическую, промежуточную, диффузионную. В кинетической области скорость горения зависит только от температуры процесса, т. е. определяется скоростью химической реакции. С ростом температуры скорость реакции возрастает. Скорость реакции будет увеличиваться до тех пор, пока она не станет равной скорости подвода окислителя.

В промежуточной области скорость химической реакции и скорость диффузии имеют соизмеримые значения. Подведенный к топливу окислитель целиком расходуется на горение. В диффузионной области скорость диффузии становится лимитирующей, так как скорость химической реакции при достаточном количестве окислителя достигает несоизмеримо более высоких значений. Подвод окислителя к топливу (диффузия) — медленный процесс. Для увеличения скорости диффузии и снижения диффузионного сопротивления подводу окислителя необходимо увеличить скорость обдувания частицы потоком окислителя. Такой способ интенсификации процесса часто используется в теплотехнической практике.

На рис. 18.5 показаны области протекания процесса горения частицы твердого топлива. При горении частицы топлива с высоким содержанием золы образуется покровный зольный слой, толщина которого со временем возрастает.

Рис. 18.5. Зависимость скорости горения антрацита К _s /_с от температуры Т и скорости обдувания w.

Области горения: I — кинетическая; II — диффузионно — кинетическая; III — диффузионная; w₃ >w₂ > w₁.

Покровный слой затрудняет подвод окислителя внутрь частицы. На практике при сжигании высокозольного угля в слое для интенсификации процесса применяют механическое разрушение топливных кусков (шуровка, ворошение и т. д., см. § 19.1).

Физические предстваления о горении топлива — горение жидкого топлива. Основным жидким топливом, используемым в теплоэнергетике и промышленной теплотехнике, является мазут. В настоящее время в установках небольшой мощности
используется также печное топливо, представляющее собой смесь технического керосина со смолами.

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

Температура кипения жидких топлив всегда ниже температуры их самовоспламенения, т. е. той минимальной температуры среды, начиная с которой топливо воспламеняется и в дальнейшем горит без постороннего теплового источника. Эта температура выше, чем температура воспламенения, при которой топливо горит только в присутствии постороннего источника зажигания (искры, раскаленной спирали и т. п.). Вследствие этого при наличии окислителя горение жидких топлив возможно только в парообразном состоянии. Это обстоятельство является важнейшим для понимания механизма процесса горения жидкого топлива. Процесс этот можно разделить на следующие стадии: 1) нагревание и испарение топлива; 2) образование горючей смеси (перемешивание паров топлива с окислителем); 3) воспламенение горючей смеси; 4) собственно горение смеси.

Капля жидкого топлива, попавшая в нагретый объем, температура которого выше температуры самовоспламенения, начинает частично испаряться. Пары топлива смешиваются с воздухом, и образуется паровоздушная смесь. Воспламенение происходит в тот момент, когда концентрация паров в 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, так как температура горения горючей паровоздушной смеси значительно превышает начальную температуру объема, куда вводится распыленное топливо.

Таким образом, горение жидкого топлива характеризуется двумя взаимосвязанными процессами: испарением топлива вследствие выделения теплоты от горящей паровоздушной смеси и собственно горением этой смеси около поверхности капли. Гомогенное горение паровоздушной смеси — это химический процесс, а процесс испарения является по своей природе физическим. Результирующая скорость и время горения жидкого топлива будут определяться интенсивностью протекания физического или химического процесса.

Если скорость сгорания образующихся паров значительно превышает скорость испарения топлива, то за скорость горения принимают скорость испарения и тогда τ_гор = τ_исп = τ_физ .

В противном случае, когда скорость химического взаимодействия паров с окислителем значительно ниже скорости испарения топлива, интенсивность процесса сжигания будет целиком зависеть от скорости протекания химических реакций горения паровоздушной смеси и τ_гор = τ_хим.

Испарение капли — наиболее длительная стадия горения жидкого топлива. Поэтому для успешного и экономичного сжигания жидкого топлива необходимо увеличивать дисперсность распыления.