Реакции горения топлива.
Характер горения твердого топлива определяется его составом, содержанием летучих горючих веществ и свойством кокса. Основным горючим компонентом топлива является углерод. При гетерогенном горении углерода на его поверхности одновременно протекают реакции окисления с получением газообразных продуктов СО2 и СО, соотношение которых меняется в зависимости от температуры - примерно до t=12000 количество этих газов примерно одинаково, а при более высокой температуре в продуктах сгорания преобладает СО и проходят следующие реакции:
Окислительные (экзотермические – с выделением теплоты)
Первичные -
С+О2=СО2
2С+О2=2СО
Вторичные –
2СО+О2=2СО2
Восстановительные (эндотермические – с поглощением теплоты)
СО2 + С=2СО
2Н2О + С=2Н2+СО2
Углекислый газ, проходя через слой раскаленного топлива, под действием высокой температуры вступает в реакцию с углеродом, образующийся СО сгорает в зоне окисления. Аналогичный процесс проходит при соприкосновении водяных паров и частиц углерода.
4. Основные соотношения при горении и количество воздуха, необходимого для горения топлива
При окислении горючих элементов топлива имеют место следующие соотношения:
Горение углерода:
При полном сгорании - С+О2=СО2,
т.е. 12кг (С)+32кг (О)=44кг (СО2).
При пересчете на 1кг С:
1кг (С)+2,67кг (О)=3,67кг (СО2).
Из равенства следует, что для сжигания 1кг углерода требуется 2,67кг кислорода, при этом выделяется 3,67кг углекислого газа.
При неполном сгорании - С+1/2О2=СО,
12кг (С)+16кг (О)=28кг (СО),
При пересчете на 1кг С:
1кг (С)+1,33кг (О)=2,33кг (СО)
Горение водорода:
2Н2+О2=2Н2О,
т.е. 4кг (Н)+32кг (О)=36кг (Н2О).
При пересчете на 1кг Н:
1кг (Н)+8кг (О)=9кг (Н2О).
Для окисления 1кг Н требуется 8кг кислорода и образуется 9кг водяных паров.
Горение серы:
При сгорании серы образуется сернистый газ SO2
S+O2=SO2,
т.е. 32кг (S)+32кг (О)=64кг (SO2)
При пересчете на 1 кг S:
1кг (S)+1кг (O)=2кг (SO2).
Для сжигания 1кг S требуется 1кг кислорода и в результате образуется 2кг сернистого газа.
Горение метана СН4:
В конечной стадии уравнение горения можно представить в виде:
СН4+2О2=СО2+2Н2О,
т.е. 16кг (СН4)+64кг (О)=44кг (СО2)+36кг (Н2О)
При пересчете на 1кг СН4 – метана:
1кг (СН4)+4кг (О)=2,75кг (СО2)+2,25кг (Н2О).
5. Объемы дымовых газов, образующихся при сгорании 1кг(1м³) топлива
Состав продуктов сгорания при сжигании 1кг твердого или жидкого топлива или 1м3 газа можно записать в следующем виде:
-1- -2- -3-
Vг = (Vco2+Vso2+Vн2о) + (VN2+Vo2+Vв.п.) + (Vco+Vн2+Vcн4)
где Vco2, Vso2 и др. – объемы отдельных газов в продуктах сгорания, м3/кг или м3/м3.
Продукты сгорания удобно разбить на три группы. В 1 группу входят продукты полного окисления горючих элементов топлива. Они состоят из трехатомных сухих газов, обозначаемых VRO2 (VRO2=Vco2+Vso2) и объема водяных паров Vн2о. В составе трехатомных газов всегда Vco2>>Vso2, поскольку содержание серы в топливах невелико.
Во 2 группу входят объемы азота и кислорода, представляющие собой остаток сухого воздуха после горения топлива и водяные пары.
Здесь VN2>>Vo2, т.к. кислород в значительном количестве израсходован на окисление.
Объем водяных паров включает в себя испарившуюся влагу топлива и влажность самого воздуха.
В 3 группе находятся продукты неполного окисления горючих элементов топлива. Наличие в продуктах неполного сгорания объема Vcн4 свидетельствует о грубых нарушениях режима горения.
Рассмотрим полное сгорание топлива при условии, когда в продуктах сгорания Vco=0, Vн2=0, Vcн2=0 и нет остаточного кислорода, т.е. Vo2=0:
Количество воздуха, необходимого для полного сгорания 1кг (м3) топлива при условии, что весь кислород, содержащийся в воздухе реагирует с топливом, называют теоретически необходимым объемом воздуха V0.
В этом случае согласно выражению (1), теоретический объем продуктов сгорания:
V0г = Vco2 + Vso2 + V0н2о + V0N2,
где V0н2о – объем всех составляющих водяных паров,
V0N2 – объем азота из воздуха + объем азота летучих топлива.
Выделим теоретический объем сухих газов:
V0с.г. = Vco2 + Vso2 + V0N2 = VRo2 + V0N2
или полный объем газов
V0г = V0с.г. + V0н2о.
В действительных условиях не удается идеально перемешать топливо с воздухом и поэтому в топку подается воздуха больше, чем теоретически необходимо. Этот объём, называют действительным количеством воздуха и обозначают Vв.
Отношение действительного количества воздуха к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха в продуктах сгорания.
α = Vв / V0
Объем воздуха, необходимый для полного сгорания твердого или жидкого топлива определяют на основании реакций горения горючих элементов топлива. При горении углерода и серы объемы образующихся Vco2 и Vso2 оказываются равными объему затраченного на их сжигание кислорода.