Физические и химические явления в процессе горения частиц твердого топлива

Горение твердого топлива имеет ряд стадий: подогрев, испарение влаги (подсушка топлива), выделение (возгонка) летучих веществ, образование кокса, воспламенение и горение летучих веществ и кокса. Горение летучих веществ – гомогенный процесс, протекающий в объеме топочной камеры, а горение углерода кокса – гетерогенный, протекающий на поверхности частицы кокса. Основной горючей составляющей твердого топлива является углерод коксового остатка. Его доля в общем тепловыделении составляет 70-95% - для каменных углей и антрацитов и 50-70% - для бурых углей и торфа. Продолжительность горения углерода коксового остатка составляет около 90% полного времени пребывания частицы в топке. Следовательно, горение углерода является определяющей стадией процесса горения твердого топлива.

При горении твердого топлива самой химической реакции предшествует процесс подвода кислорода к реагирующей поверхности. Поэтому процесс горения твердого топлива является сложным гетерогенным физико-химическим процессом, состоящим из двух стадий: подвода кислорода к поверхности топлива турбулентной и молекулярной диффузией и химической реакции на ней.

Углерод кокса так же, как и графит, имеет аморфную структуру, состоящую из хаотически расположенных кристаллов. Его поверхность неоднородна и шероховата, изрезана порами и трещинами, которыеобразуют ее внутреннюю поверхность. Если кислород проникает в поры частицы кокса, то химические процессы протекают не только на ее внешней поверхности, но и на внутренней.

Между углеродом коксового остатка и кислородом возможны две первичные гетерогенные реакции окисления:

С +О₂ = СО₂ + 409,1 кДж/моль;

2С + О₂ = 2СО + 2∙123,3 кДж/моль.

При повышении температуры выход СО увеличивается. Установлено, что на горение углерода коксового остатка зола не оказывает существенного влияния.

Кроме реакций окисления углерода коксового остатка возможно протекание вторичных реакций между продуктами первичных реакций, углеродом и избытком кислорода, содержащимся в продуктах сгорания. Полученный оксид углерода реагирует с избытком кислорода (гомогенная реакция):

СО + О₂ = СО₂ + 285,8 кДж/моль,

а диоксид углерода при высокой температуре может реагировать с углеродом коксового остатка:

СО₂ + С = 2СО – 162,5 кДж/моль.

Эта эндотермическая (с поглощением тепла) реакция является окислительной для углерода и восстановительной для СО₂.

В процессе горения изменяется температура частиц и газовой среды, причем температура частиц может значительно превышать температуру среды. В случае крупных частиц при малых скоростях обтекания летучие и оксид углерода, образовавшийся в первичном реагировании, сгорают у поверхности, а при больших скоростях уносятся потоком и сгорают за тыльной стороной частиц, образуя газовый факел. В случае же мелкой пыли вследствие интенсивного массообмена летучие уносятся и сгорают в газовой среде. Следовательно можно считать, что горение летучих и кокса происходит в виде последовательных стадий.

Различают кинетический и диффузионный режимы гетерогенного горения частиц топлива. При кинетическом режиме горения скорость протекания химических реакций на поверхности частицы углерода значительно ниже скорости протекания диффузионного массопереноса кислорода к реакционной поверхности. Этот режим гетерогенного горения обычно имеет место в области сравнительно низких температур (менее 1000^оС) или при очень высокой скорости обдувания частицы воздушным потоком.

При диффузионном режиме гетерогенного горения частиц углерода скорость протекания химических реакций на поверхности частицы значительно превышает скорость диффузионного массообмена. Этот режим горения частиц углерода имеет место в области высоких температур (более 1300^оС) и низких значений скоростей обдувания частицы воздухом.