Некоторые аспекты кинетики горения твёрдого топлива Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 7/2019

Сжигание горючего считается главным условием загрязнения окружающей среды. Из-за ТЭС усиливается парниковый эффект, а также приводит к выпадению кислотных осадков. Из-за деятельности ТЭС в атмосферу выбрасывается существенное количество металлов и их соединений. Опасная доза составляет для А1 97 млн. доз/год, Fe 390 млн. доз/год, Mg 1,4 млн. доз/год. Значительные экологические трудности создаёт шлак и зола. Хотя значительная доля золы улавливается фильтрами, однако все-таки в атмосферу они поступают (230 млн. тонн/год), по этой причине это приводит к повышению количества солнечной радиации в атмосфере, а проникая в организм человека и животного вызывает респирационные болезни. Выбросы углекислого газа способствуют появлению «парникового эффекта», который влияет на саму атмосферу и на экосистему в целом. Выбросы серного ангидрида оказывает на человека вредное воздействие (раздраженность дыхательных путей, приводящих к возникновению такой болезни как бронхит, астма). Кроме того выбросы проявляют отрицательное влияние в окружающую среду, из-за кислотных дождей, которые приводят к закислению почвы.

Выбросы оксида азота, стоит отметить, так же как и углерод способствуют возникновению «парникового эффекта», однако воздействие ее в 290 один раз больше, нежели у углекислого газа. Оксид азота (N20) обладает наркозным эффектом. Соединение азота (N0) - ядовитое вещество, оказывающее отрицательное воздействие на центральную нервную систему, а кроме того данное вещество связывает гемоглобин, который приводит к поражению крови. Оксид азота (N02) приводит к раздражению дыхательной системы, и как следствие к заболеваниям (астма, бронхит и т.д.). Также она влияет на окружающую среду, например: 1) Кислотные осадки приводят к закислению почвы. 2) Замедляет рост некоторых видов растений.

Вывод: современная деятельность человека наносит большой ущерб окружающей среде в основном за счет вредных выбросов в атмосферу, а также что самый эффективный способ решения этой проблемы является переход на эффективное потребление энергии ради сохранения нашей окружающей среды и нашего общества.

© Бесчастная С.Д., 2019

УДК 504.61

Бесчастная С. Д.

студентка гр.431 науч. руководитель: Белоусов В.Н.

к.т.н., доцент

Высшая школа технологии и энергетики СПбГУПТД г. Санкт-Петербург, Российская Федерация

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ КИНЕТИКИ ГОРЕНИЯ ТВЁРДОГО ТОПЛИВА

Процесс горения твёрдого топлива в топке протекает через несколько стадий: сушка, прогрев, выход летучих, горение летучих, горение коксового остатка. Коксовый остаток - это смесь углерода и негорючих минеральных примесей. Углерод является «главным» горючим компонентом топлива, поэтому в основном, именно горение кокса определяет суммарное время горения частицы.

Существует два вида структуры углерода: кристаллическая и аморфная. Для кристаллической структуры характерно устойчивое строение, все атомы расположены в определённом порядке, а также отсутствуют свободные связи (алмаз), что определяет высокую энергию активации Еа реакции его горения. Для аморфной структуры характерны незаполненные межмолекулярные связи, она представляет собой смесь с менее устойчивым строением, чем кристаллическая. Примером является древесный уголь.

{ ' }

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 7/2019

Углероду легче вступить в реакцию в аморфном состоянии, когда некоторые связи отсутствуют, а энергия активации, соответственно, уменьшается.

В процессе старения топлива аморфный углерод меняет свою структуру - появляются микрокристаллиты. Этот процесс приводит к образованию зёрен углерода с разной склонностью к реакциям. Коксовый остаток - это почти чистый углерод. Если в основе кокса находится минеральная часть с незначительными включениями углерода, то зола мешает взаимодействию горючих компонентов с окислителем. Поры частицы проникают глубоко внутрь и соединяются, образуя внутреннюю поверхность, иногда превосходящую внешнюю. Это способствует интенсификации процесса горения.

Реакции горения

В основном, веществами с которыми реагирует углерод, являются кислород О2, диоксид углерода СО2 и водяной пар Н2О. Продуктами горения углерода являются СО2 и СО. При высоком содержании влаги в топливе в продуктах сгорания возможно появление метана СН4 и водорода Н2.

С + О2 = СО2 и 2С + О2 = 2СО являются первичными реакциями горения углерода. Вторичные реакции С + СО2 = 2СО и 2СО + О2 = 2СО2 - соответственно, восстановление диоксида углерода на поверхности углеродной частицы и догорание оксида углерода. Реакции С + Н2О = СО + Н2 и С + 2ШО = СО2 + 2Н -восстановление Н2О - являются эндотермическими и протекают с выделением водорода Н2, с его последующим взаимодействием с коксом с образованием метана С + 2Н = СН4. При этом СО, Н2 и СН4 являются продуктами неполого сгорания.

Определение кинетических характеристик горения углерода

В связи со сложностью расчёта процесса горения с учётом всех реакций, можно рассмотреть упрощённый вариант - «сухая» газификация коксовой частицы. В этом случае реакциями с участием водяных паров Н2О пренебрегают.

Тогда механизм горения будет выглядеть следующим образом:

С + О2 = СО2 + 395 МДж/кмоль (1*)

2С + О2 = 2СО + 219 МДж/кмоль (2*)

С + СО2 = 2СО - 176 МДж/кмоль (3*)

2СО + О2 = 2СО2 + 571 МДж/кмоль (4*)

Скорость гетерогенного горения углеродной частицы

Ж = к • Сп,

где С - концентрация окислителя у поверхности углеродной частицы; к - видимая (опытная) константа гетерогенной реакции.

Скорость этих реакций зависит от концентрации компонента, находящегося в недостатке: для гетерогенных реакций - это кислород О2 (1*, 2*) и углекислый газ СО2 (3*). Скорость гомогенной реакции (4*) может зависеть от концентрации обоих участвующих в процессе реакции компонентов. Но опытные данные показывают, что, в основном, скорость горения СО, Н2 и СН4, определяется содержанием этих компонентов в смеси и только при малых концентрациях кислорода начинает зависеть и от его содержания.

Исходя из вышеперечисленного, учитывая, что изменение констант скоростей реакций в зависимости от температуры подчиняется закону Аррениуса, для каждой (/-той) реакции справедливо соотношение

^ = С • к • еЕ

, С1 к01 е ,

ат

где О! - количество /-того реагирующего вещества (моль/(м2-с) - для гетерогенной и моль/(м3-с) - для гомогенной реакции); С! - действующая концентрация газовой компоненты (моль/м3); Е! - энергия активации данной реакции; ко! - вероятностный фактор, или предэкспоненциальный множитель (м/с - для гетерогенной и с-1 - для гомогенной реакции).

Кинетические константы реакций горения (Е и ко) зависят от структуры и строения углеродного материала и определяются опытным путем, при этом полученные данные отличаются широким разнообразием и индивидуальны для каждого топлива.

{ » }

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 7/2019

После сравнения опытных данных по кинетическому взаимодействию углерода различных топлив с окислителями (О2 и СО2) в полулогарифмических координатах Аррениуса можно сделать вывод, что при повышении температуры линии зависимости логарифма константы скорости реакции от обратной температуры ^(к) = {(1/Т) пересекаются в некоторой точке, что позволяет сделать вывод о наличие некоторой условной точки - полюса. Ввод такой точки с координатами к*-Т* позволяет связать между собой энергию активации и предэкспоненциальный множитель в уравнении Аррениуса в виде

k = k * ■ exp

E ( ГЛ

1" T*

RT

V 1 у _

Основываясь на значениях координат полюса, можно связать энергию активации Е и ко , которая в общем виде записывается как

^ кш = А-10 "4 • Е1 + В

Уравнения, соответствующие данным из таблицы, имеют вид

^ к01 = 0,208 -10"4 • Ег +1 (8)

^ к0. = 0,237-10"4 • Е + 0,398 (9)

^ к0. = 0,418-10 -4 • Е1 - 0,5 (10)

^ к01 = 0,2-10-4 • Е, + 2. (11)

Значения констант для топочных температур, полученные в результате расчетов по разным формулам, довольно близки. В результате большого разброса экспериментальных точек относительно расчётных линий не всегда возможно отдать чёткое предпочтение ни одной из зависимостей. Сравнение экспериментальных данных различных исследователей приходит к выводу, что для одного и того же кокса существует определённая связь между энергиями активации реакций (1) и (2,3,4):

Ес+о2 ^со , , Ес+со2 ^со ~ ~ Ес+н о^со+н

е-=1Д ; =2,2 ; ~еТ—= 1,6. (12)

с+о2 ^со2 ^с+о2 ^со2 ^с+о2^со2

При отсутствии данных по кинетике всех реакций, зная энергию активации только одной реакции горения углерода кокса, можно получить константы остальных реакций: энергии активации по формулам (12), а предэкспоненциальный множитель - по формуле (11). Старые топлива (антрацит) характеризуются более высокой энергией активации.

© Бесчастная С.Д., Белоусов В.Н., 2019

УДК 620.95

Бианко Р.Д.

студент группы 419.2 Жигалов Н. А.

студент группы 517 Высшая школа технологии и энергетики СПбГУПТД г. Санкт-Петербург, Российская Федерация

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОГАЗОВЫХ ФЕРМ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

В данный момент времени по всему миру стараются довести до ума альтернативные источники

{ ■ }