Теория горения топлива

Согласно современной теории горения топлива процесс горения имеет явно выраженный поточный характер и может быть расчленен на последовательные зоны.

При горении наиболее сложного твердого топлива зоны эти следующие: подготовка топлива к вводу в топку, создание первичной топливно-воздушной смеси, огневая газификация и образование истинной горючей смеси, способной немедленно вступить в процесс горения. При этом неоднородность состава первичной топливно-воздушной смеси, неравномерность распределения скоростей, концентрации и температур в объеме топки не позволяют четко выделить эти зоны в топочном пространстве. Они накладываются друг па друга по протяженности и в пространстве, т. е. имеют сложный, объемный характер. В зависимости от вида топлива и способа его сжигания отдельные зоны (стадии) горения могут отсутствовать.

В теории горения топлива в основу первичной классификации топочных устройств в настоящее время положен аэродинамический принцип организации процесса. Исходя из этого принципа все топочные процессы разделяются на три типа: слоевой, факельный и вихревой. На рис. 3-1 показаны аэродинамические схемы топок. В слоевой топке может сжигаться только твердое топливо, а в факельной и вихревой - любое (твердое, жидкое, газообразное). Рассмотрим отдельные зоны горения применительно к виду сжигаемого топлива и типу топки.

В зоне предварительной подготовки топлива к вводу в топку при сжигании твердого топлива производится сортировка по фракциям и дробление, а при факельном сжигании - дополнительно и размол. Эта зона бывает необходима для облегчения и ускорения газификации, так как увеличивается поверхность соприкосновения топлива с окислителем. При сжигании жидкого и газообразного топлива надобность в его предварительной подготовке отпадает.

Создание первичной газовоздушной смеси производится путем соединения двух потоков: топливного и воздушного.

В слоевых топках эта зона состоит из кусочков различного размера, продуваемых воздухом, а в факельных при сжигании твердого топлива - из смеси топливной пыли с первичным воздухом. Первичным называется воздух, транспортирующий топливо, а вторичным - воздух, вдуваемый непосредственно в топочную камеру (на рис. 3-1 показаны цифрами I и II). При жидком топливе для создания первичной газовоздушной смеси топливо распыляется. При газе надобность в создании первичной газовоздушной смеси отпадает, так как газ и воздух могут немедленно образовать смесь.

Зона огневой газификации является одной из важнейших и определяет скорость всего поточного процесса горения. Огневая газификация представляет собой полное измельчение, до молекулярного состояния, и необходима для того, чтобы всю массу топлива подготовить к следующей зоне образования истинной горючей смеси. Наиболее сложные формы принимает газификация твердого топлива, поскольку она сопровождается возгонкой, окислительными и восстановительными реакциями. Газификация твердого топлива облегчается с увеличением содержания в нем летучих веществ.

Ускорение газификации может быть достигнуто повышением температуры и созданием среды с кислородсодержащими компонентами. Кислород в топливе облегчает его газификацию. Однако в промышленных топках факельного типа вследствие несовершенства смесеобразования в топочной камере зона газификации растягивается почти на всю длину факела.

Слой кускового топлива (рис. 3-1, а), лежащий неподвижно на решетке и продуваемый воздухом, имеет хорошо организованную зону газификации. В слое горящего топлива развиваются достаточно высокие температуры (1700—1800 °С). Это при наличии кислорода воздуха способствует интенсивной газификации топлива. Газообразные продукты неполной газификации поступают в топочную камеру, где происходит их сжигание факельным способом. Принято считать, что продуваемый воздухом слой топлива по ходу его движения состоит из двух зон: кислородной и восстановительной (газификационной). Кислородная зона имеет очень небольшую протяженность по высоте слоя. При этом, чем больше в топливе летучих, тем меньше протяженность кислородной зоны, так как летучие облегчают процесс газификации. Кислородная зона служит огневым источником теплоты, обеспечивающим развитие газификационной стадии горения.

При сжигании жидкого и твердого топлива в факельных топках газификация капель и частиц происходит при умеренных количествах первичного воздуха, подаваемого в горелку. Теплота, необходимая для протекания газификационных процессов, поступает от следующих источников: пламени и раскаленной обмуровки топочной камеры, подогретого воздуха, топлива, а также от продуктов сгорания, искусственно возвращаемых из области активного горения продуктов газификации.

При сжигании газообразного топлива процесс газификации весьма своеобразен. Сложные углеводородные молекулы под воздействием высокой температуры разлагаются, в них происходят структурные изменения с активизацией молекул.

Образование истинной горючей смеси происходит путем смешения продуктов газификации с вторичным воздухом. Истинная горючая смесь способна немедленно вступить в окончательный процесс горения. В этой зоне развиваются наиболее высокие температуры, несмотря на отвод теплоты экранными поверхностями нагрева, расположенными в топочной камере. Отвод теплоты заметно влияет па завершение горения в конце топочной камеры. Поэтому чаше всего область наиболее высоких температур располагается ближе к фронту пламени.

Наличие золы в топливе вызывает образование шлака, накопление которого в топке может заметно ухудшить нормальный процесс горения. Поведение шлака в топке зависит от зольности н свойств горючей массы топлива, качества золы, тугоплавкости и вязкости получающихся шлаков.

Из рассмотрения отдельных зон ясно, что первые две зоны являются подготовительными, а последние две - огневыми, в которых развивается и завершается непрерывный процесс сжигания топлива.