Теория гетерогенного горения углерода
Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Теория гетерогенного горения углерода





В чистом виде гетерогенные реакции проявляются в крайне ограниченных областях температур, когда скорости этих реакций малы. Искажение закона реагирования вызывается появлением диффузионного торможения: диффузией кислорода и продуктов горения в объеме, окружающем горящую частицу и диффузией внутри массы кокса.

Физическая картина заключается в следующем: кислород подводится к внешней поверхности куска, на участках этой поверхности, где нет трещин, часть кислорода вступает в соединение с углеродом и выделяется определенное количество оксида и диоксида углерода.

При горении углеродной частицы можно выделить два основных процесса, определяющих скорость выгорания: диффузию кислорода к поверхности углеродной частицы и собственно скорость химического реагирования кислорода с углеродом [18].

Рассмотрим общую теорию гетерогенного горения на примере горения одиночной углеродной сферической частицы, принимая следующие условия (рис. 4.1):

1. Концентрация кислорода по всей поверхности одинакова.

2. Реакция протекает на поверхности с образованием конечных продуктов, вторичное реагирование на поверхности и в газовом объеме отсутствует, т. е. идет только реакция (р1).

3. Имеет место реакция первого порядка по кислороду.

 

Рис. 4.1. Схема горения углеродной частицы: 1 – поверхность частицы; 2 – пограничная пленка; 3 – зона турбулентного потока; с0 – концентрация кислорода в объеме газа; сп – концентрация кислорода на поверхности частицы; d - толщина диффузионного пограничного слоя

Поток кислорода, поглощаемый за счет химического реагирования, может быть рассчитан по формуле, кг/(м2×с),

, (4.7)

где k – константа скорости химического реагирования, м/с; сп – концентрация кислорода на поверхности частицы кокса, кг/м3. С другой стороны, поток кислорода, доставляемый за счет диффузии к реагирующей поверхности, кг/(м2·с),



, (4.8)

где aD – коэффициент диффузионного массообмена, м/с; с0 – концентрация кислорода в объеме газа, кг/м3.

Приравнивая потоки и исключая неизвестное значение концентрации углерода на поверхности сп, получим выражение для константы обобщающей скорости взаимодействия кислорода с горящей углеродной частицей, включающей как диффузионное сопротивление, так и сопротивление химической реакции, кг/(м2·с),

, (4.9)

где αэф – коэффициент реакционного газообмена, м/с.

В области низких температур скорость химических реакций мала (рис. 4.2) и во много раз меньше k << aD ( ) скорости, с которой кислород может быть доставлен диффузией к поверхности. Процесс ограничивается скоростью самого химического реагирования (j = kc0). Поэтому эта область протекания реакции получила название кинетической. Концентрация кислорода на поверхности частицы равна концентрации кислорода в объеме газа сп = с0. При высоких температурах горение в кинетической области может наступить при больших скоростях потока и малых размерах частиц топлива.

Рис. 4.2. Зависимость удельного потока реагирования антрацитов от температуры по опытам Л.Н. Хитрина [8]

 

При высоких температурах скорость реакции, определяемая законом Аррениуса k=k0·exp[-E/(RT)], настолько возрастает, что процесс горения начинает лимитироваться скоростью доставки кислорода к частице k >> aD (1/k << 1/άD). Скорость реакции настолько велика, что доставляемый диффузией кислород мгновенно вступает в химическую реакцию сп→0. Скорость горения в этом случае определяется скоростью диффузии кислорода к поверхности частицы (j = άDc0), режим горения называется диффузионным.

При сжигании твердого топлива в плотном либо псевдоожиженном слое, горение крупных частиц идет обычно в диффузионной области. При пылевидном сжигании относительная скорость между газом и топливной частицей невелика, при этом число Шервуда стремится к двум: . В данном выражении коэффициент молекулярной диффузии рассчитываю как коэффициент взаимодиффузии кислорода в азоте

. (4.10)

В данной области поток почти пропорционален температуре . С уменьшением диаметра частицы, падает диффузионное сопротивление , т. е. уменьшение диаметра пылевых частиц, позволяет повысить скорость их горения.

 









Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2018 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.