ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ ПРИ ГОРЕНИИ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА

 ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ ПРИ ГОРЕНИИ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА

Научная статья

Аскарова А.С.¹, Болегенова С.А.², Максимов В.Ю.³, Бекмухамет А.⁴, Бекетаева М.Т.⁵

^{1, 2,3,4,5} Казахский национальный университет им. аль-Фараби, Алматы, Казахстан

 Аннотация

Исследовано процессов тепломассопереноса в высокотемпературных и термохимически активированных реагирующих потоках в реальной физико-химической системе (турбулентные течения с физико-химическими превращениями в камерах сгорания) в трехмерной геометрии с применением численных методов.

Ключевые слова: горения, тепломассопереноса, топлива.

Keywords: combustion, heat and mass transfer, fuel.

Источником кислорода для камеры сгорания является атмосферный воздух. Для осуществления реакции горючих компонентов топлива с кислородом необходима достаточно высокая температура для воспламенения, тщательное перемешивание топлива или турбулентность, обеспечивающая такое перемешивание, а также время, достаточное для полного сгорания. Анализ скоростных и температурных полей показал, что в центре топочной камеры создаются благоприятные условия для интенсивного протекания реакций горения. Изменение концентрации окислителя по высоте топочной камеры представлено на рисунке 1 в виде кривых изменения концентрации кислорода. Максимальные изменения концентрации кислорода имеют место в области горелок, через которые подается топливо и окислитель. В этой области химические реакции идут наиболее интенсивно и неоднородно. По мере приближения к выходу отклонения максимальных и минимальных значений от среднего сокращается.

 Рисунок 1. Распределение концентрации О₂ по высоте топочной камеры

1-0 – минимальные;   2-0 – средние; 3-0 – максимальные в сечении значения

Линии 1-0, 2-0, 3-0 – расчет;   ♦ - эксперимент

Картина образования оксидов углерода (СО, СО₂) представлена на рисунках 1 - 3.  Процесс этот неоднозначен. В процессе горения углерода вторичные реакции догорания СО в газовом объеме и восстановления СО₂ на поверхности углерода, переплетающиеся с первичными реакциями, позволяют судить о нелинейности истинного химического механизма горения углерода. Кроме того, гетерогенный процесс горения углерода, связанный с наложением диффузионных явлений на химические процессы, вместе с внутренним реагированием еще более искажает основной химический процесс. Механизм реагирования углерода с кислородом представляется следующим образом. Из газового объема кислород адсорбируется на поверхности углерода, где атомы кислорода вступают в химическое соединение с углеродом, образуя сложные углеродно-кислородные комплексы С_xО_y. Последние распадаются с образованием СО₂ и СО. Скорость распада сильно увеличивается с увеличением температуры. Углерод при определенных температурных условиях реагирует с кислородом и углекислотой. В результате реагирования углерода с кислородом одновременно образуется оба окисла углерода - СО₂ и СО, а в результате реагирование с углекислотой – окись углерода. Совместное нахождение окиси углерода и кислорода, способных реагировать друг с другом, дает третью реакцию – горение окиси углерода. В местах расположения горелок происходит как подача пылеугольной пыли с определенной концентрацией углерода, так и воздуха с определенным значением концентрации углерода. В этой области происходят основные реакции реагирования углерода, о чем свидетельствуют максимумы на кривых распределения СО (рисунок 2).

Таким образом, можно выделить три основных процесса, преобладающих при реагировании углерода топлива:

- реагирование углерода с кислородом, связанное с одновременным образованием СО₂ и СО:  С + О₂ = СО₂ + 409,1 МДж/моль

2С + О₂ = 2СО + 2*123,3 МДж/ 2 моля

- взаимодействие углекислоты с углеродом

С + СО₂ = 2СО – 162,5 МДж/моль

- соединение кислорода с окисью углерода

2СО + О₂ = 2СО₂ + 2*285,8 МДж/2 моля.

 Рисунок 2. Распределение концентрации СО по высоте топочной камеры

1-0 – минимальные;   2-0 – средние; 3-0 – максимальные в сечении значения

.

Рисунок 3. Распределение концентрации СО₂ по высоте топочной камеры

1-0 – минимальные;   2-0 – средние; 3-0 – максимальные в сечении значения

Линии 1-0, 2-0, 3-0 – расчет; ♦ - эксперимент

Как видно из рисунков 2 и 3 картина распределения СО не соответствует полю СO₂, что говорит об отличиях в процессе образования СО₂ и СО. Видно, что основное образование диоксида углерода СО₂ происходит по мере удаления от центра топки, т.е. области столкновения струй топлива и окислителя из противогорелок. Таким образом, можно сделать вывод о том что, процесс образования оксидов углерода зависит не только от явлений переноса, но и от кинетики процесса. Тот факт, что углерод может реагировать с кислородом разными способами, чрезвычайно важен при проектировании топочных камер. Любые технологии сжигания должны обеспечивать полное смешивание топлива с кислородом до полного сгорания  с образованием CO₂, а не CO. В противном случае тепловыделение резко снизится, поскольку при образовании CO выделяется лишь 28% той энергии, которая выделяется при образовании CO₂.

Рисунок 4. Распределение концентрации Н₂О по высоте топочной камеры

1-0 – минимальные;   2-0 – средние; 3-0 – максимальные в сечении значения

Кроме углерода, в топливе содержится определенное количество водорода, что тоже вносит свой вклад в процесс горения 2H_{2 +}O₂ = 2H₂O. В процессе реакции горения вода, содержащаяся в топливе, испаряется. Поскольку экибастузский уголь имеет высокую влажность при высоких температурах процесс испарения идет интенсивно, с чем связано наличие минимумов на кривых распределения концентрации H₂O (рисунок 4). Образование воды в газообразном состоянии наиболее интенсивно происходит на некотором расстоянии от зоны горелок и имеет равномерный характер по мере приближения к выходу из топочного пространства.

Список литературы / References

2. Аскарова А.С., Болегенова С.А.,  Бекмухамет А., Максимов В.Ю. Бекетаева М.Т., Габитова З.Численное исследование турбулентных течений в канале с дополнительным источником массы //Материалы международной научно-практической конференции «Проблемы модернизации и посткризисное развитие современного общества», март 2012г., г. Саратов, Россия, с.60-62.  

Опубликовать статью