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固体燃料燃焼の特徴。固体燃料の燃焼の特徴

固体燃料（石炭粉塵）の燃焼には、熱準備と燃焼そのものの 2 つの期間が含まれます（図 4.5）。

熱準備のプロセス中（図4.5、ゾーンI）、粒子は加熱、乾燥され、110℃以上の温度で元の燃料物質の熱分解がガス状の揮発性物質の放出とともに始まります。この期間の長さは主に燃料の水分含有量、その粒子のサイズ、熱交換条件によって決まり、通常は 10 分の 1 秒です。熱準備期間中のプロセスの過程では、主に燃料の加熱、乾燥、複雑な分子化合物の熱分解などの熱の吸収が伴うため、この時点での粒子の加熱は遅くなります。

燃焼自体は、400 ～ 600 °C の温度での揮発性物質 (図 4.5、ゾーン II) の点火で始まり、燃焼中に放出される熱により、固体コークス残留物の加熱と点火が確実に促進されます。揮発性物質の燃焼には 0.2 ～ 0.5 秒かかります。揮発性物質（褐炭および若い石炭、頁岩、泥炭）の収量が多い場合、放出される燃焼熱はコークス粒子に点火するのに十分ですが、揮発性物質の収量が低い場合、コークス粒子をさらに加熱する必要があります。周囲の高温ガス (ゾーン III)。

コークスの燃焼 (図 4.5、ゾーン IV) は約 1000 °C の温度で始まり、最も長いプロセスです。これは、粒子の表面に近い領域の酸素の一部が可燃性揮発性物質の燃焼に費やされ、その残りの濃度が減少するという事実によって決まります。さらに、不均一反応は常に均一反応よりも速度が劣ります。均一な化学活性。

その結果、固体粒子の総燃焼時間 (1.0 ～ 2.5 秒) は主にコークス残留物の燃焼によって決まります (総燃焼時間の約 2/3)。揮発性物質の収率が高い燃料の場合、コークス残留物は粒子の初期質量の半分未満であるため、異なる初期サイズでの燃焼が非常に迅速に発生し、燃焼不足の可能性が減少します。古い燃料には高密度のコークス粒子が含まれており、その燃焼が燃焼室内で費やされる時間のほぼ全体を占めます。

ほとんどの固体燃料のコークス残留物は、主に、また多くの固体燃料では全体的に炭素 (粒子質量の 60 ～ 97%) で構成されています。燃料燃焼中の主な熱放出は炭素であることを考慮して、表面からの炭素粒子の燃焼のダイナミクスを考えてみましょう。酸素は乱流拡散 - 乱流物質移動によって環境から炭素粒子に供給されます。これはかなり強度が高くなりますが、薄いガス層 (境界層) が粒子の表面に直接残り、そこを通って酸化剤が移動します。分子拡散の法則に従います (図 4.6)。この層は、表面への酸素の供給を大幅に阻害します。その中で、熱分解中に粒子から放出される可燃性ガス成分の燃焼が起こります。乱流拡散によって粒子の単位表面に単位時間あたりに供給される酸素の量は、次の式で決まります。

(4.16) と (4.17) では、C POT は粒子の周囲の流れにおける酸素濃度です。 SL の場合 - 境界層の外側の境界でも同じです。 POVの場合 - 燃料表面でも同じです。 δは境界層の厚さです。 D は境界層を通る分子拡散係数です。 A は乱流物質移動の係数です。

共同決定方程式 (4.16) と (4.17) から次の式が導き出されます。

4.18a

4.18b

その中で

4.19

一般化された拡散速度定数。

式 (4.18) から、固体燃料の反応表面への酸素の供給は、拡散速度定数と、流れ中と反応表面上の酸素濃度の差によって決定されることがわかります。

定常的な燃焼プロセスでは、拡散によって反応表面に供給される酸素の量は、化学反応の結果として表面で反応する量と等しくなります。したがって、表面からの炭素燃焼の反応速度 K s は、化学反応の結果としての表面での拡散供給と酸素消費という 2 つのプロセスの質量速度の等しいことから求められます。

アレニウスの法則によれば、化学反応の速度を決定するパラメータはプロセスの温度です。拡散速度定数 k D は温度の上昇とともにわずかに変化しますが (図 4.1、a を参照)、反応速度定数 k p は温度に対して指数関数的に依存します。

比較的低い温度 (800 ～ 1000 ℃) では、k D >> k P であるため、固体表面付近に過剰な酸素があるにもかかわらず、化学反応はゆっくりと進行します。この場合、燃焼は反応速度論によって抑制されます。化学反応が起こるため、この温度ゾーンは動的燃焼領域と呼ばれます。

逆に、高い燃焼温度（1500℃以上）および石炭粉塵の燃焼では、k P >> k D の値となり、燃焼プロセスは表面への酸素の供給（拡散）条件によって抑制されます。粒子。これらの条件は拡散燃焼の領域に対応します。燃焼混合物を混合するための追加の条件をこの火炎温度ゾーンに作り出す（k D の値を増加させる）ことは、燃料の燃え尽きの加速と深化に寄与します。

燃焼強化に関しては、粉体燃料の粒径を小さくすることによっても同様の効果が得られます。サイズの小さい粒子は環境との熱交換がより発達しているため、k D の値が高くなります。温度の上昇により、酸化プロセスが拡散燃焼領域に移行します。

微粉燃料の純粋な拡散燃焼の領域は、最も高い燃焼温度を特徴とするトーチのコアと、反応物質の濃度がすでに低く、それらの相互作用が拡散の法則によって決定されるアフターバーニングゾーンの特徴です。。燃料の発火は比較的低温、酸素が十分にある状態で始まります。運動領域で。この燃焼領域では、燃料の反応性や温度レベルなどの要因に応じて化学反応の速度が決定的な役割を果たします。この燃焼領域における空力的要因の影響はわずかです。

Kカテゴリー: 炉

燃料の燃焼プロセスの主な特徴

暖房ストーブでは、固体、液体、気体の燃料を使用できます。これらの燃料にはそれぞれ独自の特性があり、ストーブの使用効率に影響します。

加熱炉の設計は長い時間をかけて作成され、固体燃料を燃焼させることを目的としていました。液体や液体の使用を目的としたデザインが作成されるようになったのは、より後の時代になってからです。気体燃料。これらの貴重なタイプを既存の炉で最も効果的に使用するには、これらの燃料の燃焼プロセスが固体燃料の燃焼とどのように異なるかを知る必要があります。

すべての炉では、固体燃料（木材、さまざまな種類の石炭、無煙炭、コークスなど）が格子上で層状に燃焼され、定期的に燃料が装填され、格子からスラグが除去されます。層の燃焼プロセスには明確な周期的特徴があります。各サイクルには、燃料の充填、層の乾燥と加熱、揮発性物質の放出とその燃焼、層内での燃料の燃焼、残留物の後燃焼、そして最後にスラグの除去という段階が含まれます。

これらの各段階で、特定の熱レジームが作成され、炉内の燃焼プロセスが継続的に変化する指標で発生します。
層を乾燥および加熱する最初の段階は、いわゆる吸熱性のものです。つまり、放出ではなく、火室の熱い壁や未燃の残留物から受け取った熱の吸収を伴います。次に、層が加熱されると、ガス状の可燃性成分の放出が始まり、ガス体積内での燃焼が始まります。この段階で、火室内の熱の放出が始まり、徐々に増加します。加熱の影響下で、層の固体コークスベースの燃焼が始まり、通常、これが最大の熱効果をもたらします。層が燃焼するにつれて、熱放出は徐々に減少し、最終段階では可燃性物質の低強度の後燃焼が発生します。層状燃焼サイクルの各段階の役割と影響は、固体燃料の品質を示す次の指標に依存することが知られています。湿度、灰分、揮発性可燃性物質の含有量、燃料中の炭素です。
質量。

これらの成分が層内の燃焼プロセスの性質にどのような影響を与えるかを考えてみましょう。

燃料の燃焼比熱の一部を水分の蒸発に費やす必要があるため、燃料の加湿は燃焼に悪影響を及ぼします。その結果、火室内の温度が低下し、燃焼状態が悪化し、燃焼サイクル自体が長くなります。

燃料の灰分が負の役割を果たしているのは、灰が燃料の可燃成分を包み込み、空気中の酸素が可燃成分にアクセスするのを妨げているという事実に現れています。その結果、燃料の可燃性塊は燃え尽きず、いわゆる機械的アンダーバーンが形成されます。

科学者による研究により、固体燃料中の揮発性ガス状物質と固体炭素の含有量の比率が燃焼プロセスの進行の性質に大きな影響を与えることが証明されています。揮発性可燃性物質は、150 ～ 200 °C 以上の比較的低温で固体燃料から放出され始めます。揮発性物質は組成が異なり、放出温度も異なるため、放出のプロセスは時間の経過とともに延長され、通常、その最終段階は層の固体燃料部分の燃焼と組み合わされます。

揮発性物質は水素含有成分を多く含むため発火温度が比較的低く、その燃焼は火室の上層のガス体積で起こります。揮発性物質が放出された後に残る燃料の固体部分は主に炭素で構成されており、最も高い発火温度（650～700℃）を持ちます。残留炭素の燃焼は最後に始まります。これは火格子の薄い層で直接発生し、激しい熱発生によりその中で高温が発生します。

固体燃料の燃焼サイクル中の炉と煙道内の温度変化の典型的な図を図に示します。 1. ご覧のとおり、火室の初期には火室と煙突の温度が急激に上昇しますが、燃焼後の段階では、炉内、特に火室の温度が急激に低下します。各段階では、一定量の燃焼用空気を火室に供給する必要があります。しかし、一定量の空気が炉に入るという事実により、激しい燃焼の段階では過剰空気係数は= 1.5-2であり、燃焼後の段階ではその持続時間は25-30％に達します。炉時間の経過により、過剰空気係数は = 8 ～ 10 に達します。図では、図 2 は、典型的なバッチ加熱炉内の 3 種類の固体燃料 (薪、泥炭、石炭) の火格子で 1 燃焼サイクル中に空気過剰係数がどのように変化するかを示しています。

米。 1. 固体燃料を燃焼するときの加熱炉のさまざまなセクションの煙道ガスの温度の変化 1 - 火室内の温度（火格子から 0.23 m の距離）。 1 - 最初の水平煙突内の温度。 ’3 - 3 番目の水平煙突の温度。 4 - 6 番目の水平煙突 (ストーブダンパーの前) の温度

図より図２は、固体燃料を定期的に装填して運転する炉内の過剰空気係数が連続的に変化することを示している。

同時に、揮発性物質が集中的に放出される段階では、炉に入る空気の量は通常、完全燃焼するには不十分であり、可燃性物質の予熱および後燃焼の段階では、空気の量は数倍になります。理論的に必要なものよりも。

その結果、揮発性物質が激しく放出される段階では、放出された可燃性ガスの化学的不足燃焼が発生し、残留物が燃焼すると、燃焼生成物の体積の増加により、排気ガスによる熱損失が増加します。化学的アンダーバーンによる熱損失は 3 ～ 5%、排気ガスによる熱損失は 20 ～ 35% です。しかし、化学的アンダーバーンの悪影響は、追加の熱損失と効率の低下という形で現れるだけではありません。多数の暖房ストーブの操作経験が示されています。激しく放出された揮発性物質の化学的不足燃焼の結果として、煤の形の非晶質炭素が火室と煙突の内壁に堆積するということです。

米。 2. 固体燃料燃焼サイクル中の空気過剰率の変化

すすは熱伝導率が低いため、その堆積物により炉壁の熱抵抗が増加し、それによって炉の有用な熱伝達が減少します。煙突内の煤の堆積は、ガスが通過する断面を狭め、通風を損ない、さらに煤は可燃性であるため、最終的には火災の危険性を増大させます。

上記のことから、レイヤープロセスの不満足なパフォーマンスは主に、時間の経過に伴う揮発性物質の不均一な放出によって説明されることが明らかです。

高炭素燃料の層燃焼中、燃焼プロセスはかなり薄い燃料層内に集中し、そこで高温が発生します。層内の純粋な炭素の燃焼プロセスには自己制御の特性があります。これは、供給された酸化剤（空気）の量に応じて、反応（燃焼）した炭素の量が変化することを意味します。したがって、空気流量が一定であれば、燃料の燃焼量も一定になります。熱負荷を変更するには、空気供給 VB を調整する必要があります。例えば、ＶＢが増加すると燃料の燃焼量が増加し、ＨＣが減少すると層の熱生産性が低下し、空気過剰係数の値は安定する。

しかしながら、無煙炭とコークスの燃焼には次のような困難が伴います。高温を作り出すことができるように、無煙炭とコークスを燃焼させるときの層の厚さは十分に大きく維持されます。この場合、層の作用領域は比較的薄い下部であり、そこでは大気中の酸素による炭素酸化の発熱反応が起こり、つまり燃焼自体が起こります。上層全体が層の燃焼部分の断熱材として機能し、火室の壁への熱の放射による燃焼ゾーンの冷却を保護します。

燃焼ゾーンでの酸化反応の結果、反応に応じて有用な熱が放出されます。
c+o2->co.

ただし、層の上部ゾーンが高温になると、次の式に従って、熱吸収を伴う逆還元吸熱反応が発生します。
С02+С2СО。

これらの反応の結果、一酸化炭素 CO が生成されます。これは燃焼比熱がかなり高い可燃性ガスであるため、排ガス中に一酸化炭素が存在することは、燃料が不完全燃焼し、炉の効率が低下していることを示しています。したがって、燃焼ゾーンの高温を確保するには、燃料層が十分な厚さを持たなければなりませんが、これは層の上部で有害な還元反応を引き起こし、固体燃料の化学的過燃焼につながります。

上記のことから、固体燃料で稼働するバッチ炉では非定常燃焼プロセスが発生し、稼働中の炉の効率が必然的に低下することが明らかです。

非常に重要経済的な操作のために、ストーブは固形燃料の品質を備えています。

基準によれば、主に硬炭（グレード D、G、Zh、K、T など）のほか、褐炭や無煙炭が家庭向けに区別されています。石炭のサイズに応じて、6 ～ 13 mm、13 ～ 25 mm、25 ～ 50 mm、50 ～ 100 mm のクラスで石炭を供給する必要があります。乾燥ベースの石炭の灰分は、硬炭で 14 ～ 35%、無煙炭で最大 20% の範囲にあり、水分含有量は、硬炭で 6 ～ 15%、褐炭で 20 ～ 45% です。

家庭用ストーブの燃焼装置には、燃焼プロセスを機械化する手段（ブローエアの供給を調整したり、層をはさみ込んだりするなど）がありません。効率的な燃焼炉では、石炭の品質に対してかなり高い要件を課す必要があります。しかし、石炭の大部分は選別されていない通常の状態で供給されており、その品質特性（水分、灰分、微粉分）は規格で要求されているものよりも大幅に低いです。

規格外の燃料の燃焼は不完全に発生し、化学的および機械的燃焼不足による損失が増加します。公益事業アカデミーにちなんで名付けられました。 K.D. Pamfilova は、低品質石炭の供給の結果として引き起こされる年間物質的損害を特定しました。計算によると、燃料の不完全な使用によって引き起こされる物質的損害は、石炭生産コストの約 60% に達します。濃縮に伴う追加コストは指定された物質的損傷量の約半分に相当するため、燃料を生産現場で調整可能な状態まで濃縮することは経済的かつ技術的に実行可能です。

燃焼効率に影響を与える石炭の重要な定性的特性は、その分別組成です。

燃料中の微粒子の含有量が増加すると、燃料の密度が高まり、燃焼中の燃料層の隙間が塞がり、層の領域全体で不均一なクレーター燃焼が発生します。同じ理由で、褐炭は加熱すると割れやすく、多量の微粉が発生する傾向があるため、他の種類の燃料よりも燃焼が悪くなります。

一方で、過度に大きな石炭（100 mmを超える）を使用すると、クレーター燃焼が発生します。

一般に、石炭に含まれる水分は燃焼プロセスに悪影響を及ぼしません。ただし、燃焼比熱や燃焼温度が低下し、また石炭は氷点下で凍結するため保管が困難になります。凍結を防ぐために、石炭の水分含有量は 8% を超えてはなりません。

固形燃料中の有害な成分は硫黄です。その燃焼生成物は二酸化硫黄 S02 と二酸化硫黄 S03 であり、これらは強い腐食性があり、非常に有毒でもあります。

バッチ炉では、原炭は効率は劣りますが、それでも十分に燃焼できることに注意してください。長時間燃焼する炉の場合、これらの要件を完全に厳密に満たす必要があります。

液体または気体燃料が燃焼される連続炉では、燃焼プロセスは周期的ではなく連続的です。燃料は均一に炉に入り、定常燃焼モードが確保されます。固体燃料を燃焼させるときに、炉の火室内の温度が大きく変動し、燃焼プロセスに悪影響を与える場合、燃焼時に天然ガスバーナーをオンにするとすぐに、燃焼室内の温度は 650 ～ 700 °C に達します。その後、時間の経過とともに温度は常に上昇し、火室の終わりには 850 ～ 1100 °C に達します。この場合の温度上昇率は燃焼空間の熱応力と炉の点火時間によって決まります（図25）。ガス燃焼は、エアダンパーを使用することで空気過剰率を一定に維持するのが比較的容易です。これにより、炉内でガスを燃焼させる際に定常燃焼モードが形成され、排気ガスによる熱損失を最小限に抑え、80～90%に達する高効率で炉を稼働させることができます。ガス炉の効率は長期間にわたって安定しており、固体燃料炉の効率よりも大幅に高くなります。

燃料の燃焼モードと煙循環の受熱面のサイズが炉の効率に与える影響。理論計算によると、加熱炉の熱効率、つまり熱効率の値は、いわゆる外部要因と内部要因に依存します。外部要因には、火室と煙の循環領域における炉の放熱外面Sの大きさ、壁厚6、炉壁材料の熱伝導率K、熱容量Cが含まれます。値が大きいほど、。 S、X、および 6 未満であるほど、炉壁から周囲の空気への熱伝達が良くなり、ガスがより完全に冷却され、炉の効率が高くなります。

米。 3. ガス加熱炉の火室における燃焼生成物の温度は、燃焼空間の張力と燃焼時間によって変化します。

内部要因には、まず第一に、主に燃料の燃焼の完全性に依存する火室の効率が含まれます。定期的な加熱炉では、ほとんどの場合、化学的不完全燃焼と機械的アンダーバーンによる熱損失が発生します。これらの損失は、燃焼プロセスの組織化の完全性に依存し、燃焼容積の比熱電圧 Q/V によって決まります。特定の設計の火室の QIV 値は、燃焼した燃料の消費量によって異なります。

研究と運用の経験により、燃料と火室の設計の種類ごとに最適な Q/V 値があることが確立されています。 Q/V が低いと、火室の内壁の加熱が弱く、燃焼ゾーンの温度が燃料の効率的な燃焼には不十分になります。 Q/V が増加すると、燃焼容積内の温度が上昇し、特定の Q/V 値に達すると、最適な燃焼条件が達成されます。燃料消費量がさらに増加すると、温度レベルは上昇し続けますが、火室内で燃焼プロセスが完了する時間がありません。ガス状の可燃性成分は煙道に運び出され、燃焼プロセスが停止し、燃料の化学的過燃焼が発生します。同様に、燃料消費が過剰な場合、燃料の一部が燃焼する時間がなく、火格子上に残り、機械的な燃焼不足が発生します。したがって、暖房ストーブの効率を最大化するには、その火室が最適な熱電圧で動作する必要があります。

熱損失環境火室の壁からの熱は部屋の有用な暖房に費やされるため、ストーブの効率を低下させることはありません。

2 番目に重要な内部要因は、排ガス流量 Vr です。ストーブが火室の最適な熱電圧で動作している場合でも、煙突を通過するガスの量は、火室に入る実際の空気流量と理論上の空気流量の比率である過剰空気係数の変化により大幅に変化する可能性があります。必要な量。 QIV の特定の値に対して、am の値は非常に広い範囲内で変化する可能性があります。従来の周期的加熱炉では、最大燃焼期間中の am の値は 1 に近くなる可能性があり、つまり理論上の可能な最小限界に相当します。しかし、燃料の準備期間中および残渣の後燃焼段階では、バッチ炉の at の値は通常急激に増加し、多くの場合最大値に達します。高い値- 8〜10くらい。 at が増加すると、ガスの体積が増加し、煙循環システム内でガスが費やす時間が減少し、その結果、排ガスによる熱損失が増加します。

図では、図4は、さまざまなパラメータに応じた加熱炉の効率のグラフを示しています。図では、図4aは、atの値に応じた加熱炉の効率値を示しており、atが1.5から4.5に増加すると、効率が80％から48％に低下することがわかります。図では、図4のbは、加熱炉の効率と煙循環Sの内部表面積のサイズへの依存性を示しています。ここから、Sが1から4 m2に増加するにつれて、効率が1〜4 m2から増加することがわかります。 65 ～ 90%。

列挙した要素に加えて、効率値は炉の点火時間 t にも依存します (図 4、c)。 x が増加すると、炉の内壁はより高温に加熱され、それに応じてガスの冷却が低下します。したがって、火災の継続時間が長くなるにつれて、暖房ストーブの効率は低下し、特定の設計のストーブの特性である特定の最小値に近づきます。

米。 4. ガス加熱炉の効率のさまざまなパラメータへの依存性 a - 煙循環の内面の面積、m2の過剰空気係数に依存します。 b - さまざまな空気過剰率での煙循環の内面の領域。 c - 煙循環の内部表面のさまざまな領域の火災の継続時間、m2

暖房ストーブの熱伝達とその蓄電能力。加熱炉では、煙道ガスによって加熱された部屋に伝えられる熱は、炉の壁の厚さを通過しなければなりません。火室と煙突の壁の厚さが変化すると、それに応じて石積みの熱抵抗と質量（貯蔵容量）が変化します。たとえば、壁の厚さが減少すると、その熱抵抗が減少し、熱流が増加し、同時に炉の寸法が減少します。しかし、固体燃料で運転する定期的な炉の壁の厚さを減らすことは、次の理由により受け入れられません。定期的な短期間の燃焼では、火室と煙突の内面が高温に加熱され、炉の外面の温度が上昇します。最大燃焼期間中の炉は許容限界を超えます。燃焼が停止すると、外壁から環境への激しい熱伝達により、炉は急速に冷却されます。

M の値が大きい場合、室温は時間の経過とともに広範囲に変化し、許容できる基準。一方、オーブンのレイアウトが厚すぎると、短い期間火室、その大きな質量は暖まる時間がなく、さらに壁が厚くなると、ガスから熱を受け取る煙突の内面の面積と煙突の面積の差が生じます。周囲の空気に熱を伝えるストーブの外面が増加し、その結果、ストーブの外面の温度が低くなりすぎて部屋を効果的に暖房できなくなります。したがって、周期的な炉の質量が燃焼中に十分な量の熱を蓄積し、同時に炉の外面の温度が十分に高くなる最適な壁厚 (1/2 ～ 1 レンガ) が存在します。部屋の通常の暖房のために達成されます。

暖房用ストーブで液体または気体燃料を使用する場合、連続燃焼モードがかなり実現可能であるため、連続燃焼では石材の質量の増加による熱の蓄積が必要ありません。ガスから加熱された部屋への熱伝達プロセスは、時間的には静止しています。これらの条件下では、炉の壁の厚さと質量は、一定の貯蔵価値を確保することに基づいてではなく、石積みの強度と適切な耐久性の確保を考慮して選択することができます。

炉をバッチ式から連続式焼成に変更した効果は、図からはっきりとわかります。図５は、周期的かつ連続的な点火の場合の火室壁の内面の温度変化を示す。定期的に点火すると、0.5〜1時間後に火室の壁の内面が800〜900℃まで加熱されます。

炉の1〜2年間の運転後のこのような突然の加熱は、レンガにひび割れや破壊を引き起こすことがよくあります。ただし、熱負荷の減少により火室の持続時間が過度に増加するため、このモードは強制されます。

連続燃焼により、燃料消費量が大幅に削減され、火室壁の加熱温度が低下します。図からわかるように。図２７に示されるように、ほとんどのグレードの石炭で連続燃焼すると、壁温度は２００℃からわずか４５０～５００℃まで上昇するが、定期的燃焼ではそれははるかに高く、８００～９００℃になる。そのため、バッチ式窯の火室は耐火レンガで内張りされるのが一般的ですが、連続式窯の火室は表面温度が通常の赤レンガの耐火限界（700～750℃）に達しないため、内張りの必要がありません。

その結果、連続燃焼により、レンガがより効率的に使用され、炉の耐用年数が大幅に延長され、ほとんどの銘柄の石炭（無煙炭と希薄炭を除く）では、炉のすべての部分を赤レンガでレイアウトすることが可能になります。

炉内のドラフト。煙道ガスを火室からストーブの煙循環を通って煙突まで強制的に通過させ、途中で遭遇するすべての局所的な抵抗を克服するには、一定の力を費やす必要があり、その力はこれらの抵抗を超えなければなりません。そうしないとストーブが壊れてしまいます。喫煙します。この力は通常、炉の牽引力と呼ばれます。

牽引力の発生を図に示します（図6）。火室で形成された煙道ガスは、周囲の空気に比べて軽いため、上向きに上昇し、煙突を満たします。外気の柱は煙突内のガスの柱と対向しますが、冷たいのでガスの柱よりもかなり重いです。防火扉を通る従来の垂直面を描くと、右側では防火扉の中央から煙突の上部までの高さの高温ガスの柱によって作用 (押され) します。左側 - 同じ高さの外部の冷気の柱。冷たい空気の密度が熱い空気よりも大きいため、左の柱の質量は右の柱よりも大きくなります。そのため、左の柱は煙突を満たす煙道ガスを追い出し、ガスはシステム内を上からの方向に移動します。圧力を下げる、つまり煙突の側面。

米。 5. 火室壁の内面の温度変化 a - サーモスタットが下限に設定されている。 b - サーモスタットが上限に設定されている

米。 6.煙突1バーナードアの操作スキーム。 2-火室; 3 - 外気の柱。 4 - 煙突

したがって、ドラフト力の効果は、一方では高温ガスを上向きに上昇させ、他方では燃焼のために外気を火室に強制的に通過させることです。

平均温度煙突内のガスの温度は、煙突の入口と出口でのガスの温度の算術平均と等しく考えることができます。

- 燃料の燃焼プロセスの主な特徴

固形燃料には木材、泥炭、石炭。すべての種類の固体燃料の燃焼プロセスには同様の特徴があります。

燃料は、装填、乾燥、層の加熱、揮発性物質の放出を伴う燃焼、残留物の後燃焼、スラグの除去などの燃焼サイクルを観察しながら、炉の格子上に層状に配置する必要があります。

燃料燃焼の各段階は、炉の熱状況に影響を与える特定の指標によって特徴付けられます。

層の乾燥と加熱の最初の段階では、熱は放出されませんが、逆に、加熱された火室の壁と未燃の残留物から吸収されます。燃料が加熱されると、ガス状の可燃性成分が放出され始め、炉内のガス体積内で燃焼します。徐々に、ますます多くの熱が放出され、このプロセスは燃料のコークスベースの燃焼中に最大に達します。

燃料の燃焼プロセスは、灰分、湿度、炭素および揮発性可燃物質の含有量などの品質によって決まります。さらに、炉の設計と燃料燃焼モードを正しく選択することが重要です。したがって、湿った燃料を燃焼させるとき、その蒸発にかなりの熱が費やされるため、燃焼プロセスが遅れ、火室内の温度は非常にゆっくりと上昇するか、または（燃焼の開始時に）低下することさえあります。灰分が増加すると、燃焼プロセスが遅くなります。灰の塊が可燃性成分を包み込むという事実により、燃焼ゾーンへの酸素のアクセスが制限され、その結果、燃料が完全に燃焼せず、機械的不完全燃焼の形成が増加する可能性があります。

燃料の集中的な燃焼サイクルは、その化学組成、つまり揮発性ガス成分と固体炭素の比率に依存します。まず、揮発性成分が燃え始め、その放出と発火は比較的低温（150〜200℃）で起こります。化学組成や発火温度が異なる揮発性物質が多数存在するため、このプロセスはかなり長期間継続する可能性があります。それらはすべて、火室の上層のガス量の中で燃焼します。

揮発性物質が放出された後に残る燃料の固体成分は、最も高い燃焼温度を持ちます。原則として、それらは炭素に基づいています。燃焼温度は650～700℃です。固体成分は火格子の上にある薄い層で燃焼します。このプロセスには大量の熱の放出が伴います。

あらゆる種類の固形燃料の中で、薪が最も人気があります。それらには大量の揮発性物質が含まれています。熱伝導の点では、樺とカラマツの木材が最も優れていると考えられています。白樺の薪を燃やした後、多量の熱が放出され、最小限の一酸化炭素が生成されます。カラマツの薪も多くの熱を発生します。燃焼すると炉全体が非常に早く加熱されるため、白樺の木よりも経済的に消費されます。しかし同時に、木材を燃やした後、カラマツからは大量の一酸化炭素が放出されるため、エアダンパーの操作には注意が必要です。ナラやブナの薪も多くの熱を放出します。一般に、特定の薪の使用は近くの入手可能な薪に依存します。森林地帯。主なことは、薪が乾燥していて、丸太が同じサイズであることです。

薪焼きの特徴は何ですか？プロセスの開始時に、火室と煙道内の温度が急速に上昇します。その最大値は激しい燃焼の段階で達成されます。燃焼中は急激な温度低下が起こります。燃焼プロセスを維持するには、火室内で一定量の空気に常にアクセスする必要があります。家庭用ストーブの設計では、燃焼ゾーンへの空気の流れを調整する特別な装置の存在を考慮していません。この目的にはブロワードアが使用されます。開いていると、一定量の空気が火室に入ります。

バッチ炉では、必要な空気は燃焼の段階に応じて異なります。揮発性物質の激しい放出が発生すると、通常、十分な酸素が存在しないため、燃料と燃料から放出される可燃性ガスのいわゆる化学的過燃焼が発生する可能性があります。この現象には熱損失が伴い、その損失は 3 ～ 5% に達する場合があります。

残留物の再燃焼の段階では、逆の状況が観察されます。炉内の空気が過剰になるとガス交換が増加し、熱損失が大幅に増加します。研究によると、アフターバーニング期間中に最大 25 ～ 30% の熱が排気ガスとともに失われます。さらに、化学的不足燃焼により、揮発性物質が火室および煙道の内壁に沈降します。これらは熱伝導率が低いため、炉の有効な熱伝達が低下します。すす物質が多量に存在すると、煙突が狭くなり、ドラフトが悪くなります。すすが過度に蓄積すると火災の原因となる場合もあります。

腐った植物の残骸である泥炭は、薪に似た化学組成を持っています。抽出方法に応じて、泥炭を刻んだり、塊にしたり、プレスしたり（練炭で）、粉砕したり（泥炭チップ）することができます。このタイプの固形燃料の湿度は 25 ～ 40% です。

石炭は、薪や泥炭とともに、ストーブや暖炉の着火によく使用されます。化学組成炭素と水素の化合物であり、発熱量が高い。しかし、真に高品質な石炭を常に購入できるとは限りません。ほとんどの場合、この種の燃料の品質にはまだ改善の余地がたくさんあります。コンテンツの増加細かい部分の石炭では燃料層の圧縮が起こり、その結果、いわゆるクレーター燃焼が始まりますが、これは本質的に不均一です。大きな石炭を燃焼させる場合も燃焼が不均一になり、燃料が湿りすぎると燃焼比熱が大幅に低下します。さらに、そのような石炭は氷点下温度の影響下で凍結するため、冬に保管することが困難です。同様のトラブルやその他の問題を避けるために、石炭の最適な水分含有量は 8% 以下である必要があります。

家庭用ストーブを点火するために固形燃料を使用するのは、特に家が大きく、複数のストーブで暖められている場合には非常に面倒であることに留意する必要があります。準備には多くの労力と物的資源がかかり、薪と石炭をストーブに運ぶのに多大な時間が費やされるという事実に加えて、例えば約2kgの石炭が灰ピットから灰ピットに注がれます。それは取り除かれ、そこに溜まった灰と一緒に捨てられます。

家庭用ストーブで固形燃料を燃焼させるプロセスをできるだけ効率的に行うために、次のことを行うことをお勧めします。火室に薪を入れたら、燃え上がってからいっぱいにする必要があります。大きな部分石炭

石炭が燃え上がった後、湿らせたスラグで少量の石炭を覆い、しばらくしてから、火格子を通って灰ピットに落ちた灰と微粉炭の湿った混合物をその上に置く必要があります。この場合、火は見えてはいけません。このように浸水したストーブは、丸一日部屋に熱を放出することができるため、所有者は常に火を維持することを心配することなく、落ち着いて仕事に取り組むことができます。石炭が徐々に燃焼し、均一に燃焼するため、炉の側壁は高温になります。熱エネルギー。微粉炭からなる最上層は完全に燃え尽きます。燃えた石炭の上に、あらかじめ湿らせた廃石炭練炭の層を振りかけることもできます。

ストーブを点火した後、蓋付きのバケツを取る必要があります。長方形の形状である方が良いです（スコップを使用してそこから石炭を選択する方が便利です）。まず、火室からスラグの層を取り除いて捨て、次に細石炭と灰、および燃え尽きた灰と灰の混合物をバケツに注ぎ、かき混ぜずに全体を湿らせる必要があります。得られた混合物の上に約1.5 kgの微粉炭を置き、その上に3〜5 kgの大きな石炭を置きます。このようにして、ストーブと燃料は次の点火に向けて同時に準備されます。説明した手順を常に繰り返す必要があります。このストーブの点火方法を使用すると、灰や焦げ跡をふるい分けるために毎回庭に出る必要がありません。

有機燃料（気体、液体、固体）は、蒸気タービン発電所を含む蒸気および温水ボイラーの炉、工業炉、農業、燃焼室など、さまざまな種類の熱設備で広く使用されています。ガスタービン空気呼吸エンジン、ピストン内燃エンジンのシリンダー内、磁気ガス力学発電機の燃焼室など。

あらゆる暖房設備における燃料は、発熱化学反応の結果として熱を獲得し、完全燃焼による高温生成物 (排ガス) またはガス化生成物を得るために燃焼されます。

蒸気ボイラーの炉、工業炉（シャフト炉を除く）、内燃機関、ガスタービンの燃焼室では、燃焼が最も完全に行われ、完全燃焼の生成物が得られます。

ガス発生器は、酸素、空気、水蒸気、二酸化炭素を酸化剤として使用するガス化プロセスを実行します。このような装置で起こる反応は本質的に燃焼反応と同じですが、その結果、可燃性のガス状ガス化生成物が生成されます。

燃料の 2 段階燃焼もあります。1 - 最初に燃料がガス化されます。 2 - その後、（同じ装置内で）ガス化生成物は完全に燃え尽きます。

燃料自体が異なるのと同様に、さまざまな加熱装置での燃料の燃焼条件や燃焼の準備も異なります。たとえば、蒸気ボイラーや温水ボイラーの炉や工業炉では、燃料は次の温度で燃焼します。大気圧一方、ガスタービンの燃焼室や内燃エンジンのシリンダー内では、燃料は大気圧よりも何倍も高い圧力で燃焼します。上記の違いにもかかわらず、燃焼プロセスではさまざまな種類燃料には多くの共通点があります。簡単な情報燃焼プロセスと燃料装置については以下に説明します。

2. 燃焼とガス化反応

燃焼プロセスは、燃料と酸化剤が同じ相状態にあるときに体積で起こる均一プロセス (たとえば、空気との混合物中の水素の燃焼) と、固体炭素の表面で起こる不均一プロセス (たとえば、、空気流中でのコークスの燃焼）。これらの燃焼反応では、酸化剤は体積で約 21% の酸素と 79% の窒素からなる乾燥空気であるため、燃焼生成物には燃焼生成物を希釈するバラストである窒素が含まれています。酸化剤として純酸素を使用する場合、バラストは必要ありません。

3. 均一燃焼。化学反応の反応速度論

すべての熱設備では、燃焼プロセスを最速で実行するよう努めています。これにより、小型の機械や装置を作成し、最大の生産性を得ることができるからです。既存の設備における燃焼プロセスは高速で進行し、燃料の燃焼中に大量の熱が放出され、高温が発生します。燃焼速度に対するさまざまな要因の影響をよりよく理解するために、化学反応の速度論の要素について以下に説明します。

化学反応の速度は、反応物質の濃度、温度、圧力によって異なります。これは、異なる方向に高速で移動する気体分子が互いに衝突するという事実によって説明されます。衝突の頻度が高いほど、反応はより速く進行します。分子の衝突頻度は、単位体積あたりの分子の数、つまり濃度に依存し、さらに温度にも依存します。濃度は単位体積あたりの物質の質量として理解され、kg/m3 で測定され、多くの場合、1 m3 あたりのキロモル数で測定されます。

4. 気体燃料の燃焼の特徴

気体燃料の燃焼プロセスは均一です。つまり、燃料と酸化剤の両方が同じ凝集状態にあり、相境界がありません。燃焼が始まるためには、ガスが酸化剤と接触する必要があります。酸化剤の存在下では、燃焼が始まるために特定の条件を作り出す必要があります。可燃性コンポーネントは比較的低温でも酸化する可能性があります。このような条件下では、化学反応の速度はわずかです。温度が上昇すると、反応速度が増加します。

特定の温度に達すると、ガスと空気の混合物が点火し、反応速度が急激に増加し、熱量が自発的に燃焼を維持するのに十分になります。混合物が発火する最低温度を発火温度といいます。異なるガスに対するこの温度の値は同じではなく、可燃性ガスの熱物理的特性、点火条件の混合物中の燃料の含有量、各特定の装置の熱除去条件などによって異なります。水素の温度は820〜870 Kの範囲にあり、酸化炭素とメタンはそれぞれ870〜930 Kと1020〜1070 Kの範囲にあります。

酸化剤と混合された可燃性ガスはトーチ内で燃焼します。トーチは、燃焼プロセスが発生する一定量の移動ガスです。に従って一般規定燃焼理論は、トーチ内でガスを燃焼させる 2 つの根本的に異なる方法、つまり速度論と拡散を区別します。動的燃焼は、ガスと酸化剤の予備的（燃焼前）の混合によって特徴付けられます。まず、ガスと酸化剤がバーナー混合装置に供給されます。混合物はミキサーの外で燃焼されます。この場合、プロセスの速度は燃焼と化学反応の速度によって制限されます。
ゴル、彼。

拡散燃焼は、可燃性ガスと空気が混合する過程で発生します。ガスは空気とは別に作動容積に入ります。この場合のプロセスの速度は、ガスと空気の混合速度とτhot によって制限されます。

拡散燃焼の一種に混合（拡散動力学）燃焼があります。ガスは、一定量の（完全燃焼には不十分な）空気と事前に混合されます。この空気を一次空気といいます。得られた混合物は作業容積に供給されます。残りの空気（二次空気）は、それとは別にそこに入ります。

ボイラーユニットの炉では、燃料燃焼の動力学的および混合原理がより頻繁に使用されます。拡散法は、工業用炉で最もよく使用されます。

トーチの構造と長さは、他のすべての条件が等しい場合、流れの状況に依存します。層流ガストーチと乱流ガストーチがあります。層流トーチは、低流量の混合物 (Re 3000) で形成され、トーチはバーナー装置の出口付近ですでに乱流になっています。

ガスの燃焼は、燃焼フロントと呼ばれる狭い領域で発生します。酸化剤と事前に混合されたガスは、運動と呼ばれる燃焼最前線で燃焼します。このフロントは、新鮮なガスと空気の混合物と燃焼生成物の間の界面を表します。動的燃焼フロントの表面積は、化学反応の速度によって決まります。

ガスの拡散燃焼の場合、拡散燃焼フロントが形成されます。これは、燃焼生成物と、ガス流に向かって拡散する燃焼生成物を含むガスの混合物との間の界面です。この前面の表面積は、ガスと酸化剤の混合速度によって決まります。

ガスの拡散運動燃焼は、2 つのフロントの存在によって特徴付けられます。運動燃焼中、ガスと混合して供給される酸化剤は消費され、拡散燃焼中は、酸化剤の不足により運動燃焼中に燃焼しなかったガスの部分が燃え尽きます。

図では、図 1 に、可燃性ガスのさまざまな燃焼方法に対応する燃焼トーチの構造と燃焼フロントの図を示します。

米。 1.: 速度論 (a)、混合 (b)、拡散 (c)、および燃焼フロントの図

入ってくる新鮮なガスと空気の混合物は、燃焼前線からの伝導と放射による熱伝達によって加熱されます。発火温度まで加熱された混合物は燃焼前線で燃焼し、燃焼生成物はこの領域を出て、進行する混合物に部分的に拡散します。バーナー出口上の燃焼フロントの位置は、可燃性ガスの物理的性質、混合物中のその濃度、流量、その他の要因によって異なります。燃焼前線は、燃焼前線の単位表面積当たりの燃焼混合気量と流入混合気量とが等しくなるまで、その表面に垂直な方向に移動することができる。同時に、熱平衡も達成されます。燃焼フロントからの熱流は、移送される低温ソースガスの逆流によってバランスがとれます。

気体燃料の燃焼の最も重要な特性は、通常の火炎伝播の速度、つまり燃焼フロントがその表面に垂直に、対向するガスと空気の混合気の方向に移動する速度です。前面の法線への流速ベクトルの投影がとに等しい場合、この前面はバーナー出口に対して静止します。通常の火炎伝播速度が依存する主な要因は、ガスの反応性、混合物中のガスの濃度、および混合物を予熱する温度です。

ガスの反応性は活性化エネルギーによって決まります。活性化エネルギーが低いガスは酸化剤とより速い速度で反応することは明らかであり、これらのガスは火炎伝播速度が速いという特徴があります (水素、アセチレン)。燃焼中に放出される熱量と燃焼前面の温度は、ガスと混合気の濃度によって異なります。混合物の最初の加熱により、前面の温度が上昇します。混合物の流量が火炎伝播速度を大幅に超えると、火炎分離が発生する可能性があります。流出速度が火炎伝播速度よりも大幅に低い場合、火炎はバーナー内に引き込まれます (ブレークスルー)。

5. 可燃性ガスの爆発限界の下限と上限

ガスと空気の混合物の燃焼のもう 1 つの重要な特徴は、濃度限界の存在です。可燃性ガスは、特定の（ガスごとの）割合で空気と混合され、発火温度以上に加熱されると、発火または爆発する可能性があります。火源（火花でも）の存在下では、ガスと空気の特定の比率でのガスと空気の混合物の点火とさらなる自然燃焼が可能です。

爆発性 (可燃性) には濃度の下限と上限があり、これは発火と爆発が発生する可能性がある混合物中のガスの最小割合と最大割合です。

下限は混合物中のガスの最小量に対応し、上限はその点火（点火中）および自然発生（外部からの熱の流れなし）火炎の伝播（自然発火）が発生する混合物中のガスの最大量に対応します。起こる。同じ限界は、ガスと空気の混合物の爆発性条件に対応します。

爆発下限界は、火炎が当てられたときにフラッシュが発生する、空気との混合物中の燃料蒸気の最小濃度に対応します。爆発限界の上限は、空気との混合物中の燃料蒸気の最大濃度に相当し、これを超えると空気中の酸素不足によりフラッシュが発生しなくなります。可燃限界 (爆発限界とも呼ばれます) の範囲が広くなり、下限が低いほど、ガスの爆発性は高くなります。ほとんどの炭化水素の爆発限界は低いです。 CH4 メタンの場合、爆発下限と上限はそれぞれ体積で 5% と 15% です。

水素 (4.0 ～ 75%)、アセチレン (2.0 ～ 81%)、一酸化炭素 (12.5 ～ 75%) など、多くのガスは爆発 (可燃性) の限界が最も広いです。ガスと空気の混合物中の可燃性ガスの体積含有量。これを下回ると、高温源が混合物中に導入されたときに火炎が自然に広がることができなくなり、発火（火炎伝播）の下限濃度または爆発性下限と呼ばれます。特定のガスの限界。したがって、ガスと空気の混合物は、その中の可燃性ガスの含有量が爆発下限と爆発上限の間の範囲にある場合にのみ爆発性になります。

可燃性 (爆発性) 限界の存在は、燃焼中の熱損失によって引き起こされます。可燃性混合物が空気、酸素、またはガスで希釈されると、熱損失が増加し、火炎伝播速度が低下し、点火源が取り除かれた後に燃焼が停止します。

混合物の温度が上昇するにつれて可燃限界は拡大し、自己発火温度を超える温度では、ガスと空気または酸素の混合物は任意の体積比で燃焼します。

可燃性（爆発性）の限界は、可燃性ガスの種類だけでなく、実験条件（容器の容量、点火源の熱出力、混合物の温度、上下、水平への火炎伝播など）にも依存します。これは、さまざまな文献におけるこれらの制限の値がわずかに異なることを説明しています。炎が上から下または水平に広がる場合、下限はわずかに増加し、上限は減少します。

このような混合物の爆発中の計算された過剰圧力は次のとおりです：天然ガス - 0.75 MPa、プロパンおよびブタン - 0.86 MPa、水素 - 0.74 MPa、アセチレン - 1.03 MPa。実際の状況では、爆発温度は最大値に達せず、結果として生じる圧力は示されている圧力よりも低くなりますが、爆発が発生した場合、ボイラーや建物の内張りだけでなく、金属製の容器も破壊するのに十分です。

爆発性のガスと空気の混合物が形成される主な理由は、ガス供給システムおよびその個々の要素からのガス漏れ（バルブの漏れ閉鎖、スタッフィングボックスシールの摩耗、ガスパイプラインの継ぎ目の破断、ねじ接続部の漏れなど）です。同様に、部屋、火室、ガスダクトのボイラーと炉、地下室、地下通信のさまざまな井戸の換気も不完全です。ガスシステムと設備の操作員の任務は、ガス漏れをタイムリーに特定して排除し、ガス燃料の使用に関する製造指示を厳格に実施すること、そして計画されたガスの予防検査と修理を無条件で高品質に実施することです。供給システムとガス機器。

6. 液体燃料の燃焼の特徴

現在使用されている主な液体燃料は重油です。低電力設備では、工業用灯油と樹脂を混合した灯油も使用します。液体燃料を霧化した状態で燃焼させる方法が最も実用的である。燃料の微粒化により、燃料と酸化剤の間の接触表面積が増加するため、燃焼が大幅に加速され、燃焼室容積内に高い熱応力が得られるようになります。

液体燃料の沸点は常に自己発火温度、つまり燃料が発火し、外部熱源なしで燃焼する環境の最低温度よりも低くなります。この温度は、外部発火源 (スパーク、ホットコイルなど) の存在下でのみ燃料が燃焼する発火温度よりも高くなります。このため、酸化剤の存在下では、液体燃料の燃焼は蒸気状態でのみ可能です。この状況は、液体燃料の燃焼プロセスのメカニズムを理解するための主な状況です。

液体燃料の燃焼プロセスには次の段階が含まれます。 1 - ノズルを使用した噴霧 (スプレー)。 2 - 燃料の蒸発と熱分解。 3 - 得られた生成物を空気と混合する。 4 - 混合物の点火。 5 - 実際の燃焼。

霧化の目的は、液体と空気およびガスとの接触表面積を増やすことです。表面積は数千倍に増加します。燃焼トーチの強い放射線により、液滴は非常に急速に蒸発し、熱分解（亀裂）が生じます。

加熱された空間に液体燃料が滴下すると、その温度は自己発火温度を超え、部分的に蒸発し始めます。燃料蒸気は空気と混合して蒸気と空気の混合物を形成します。発火は、混合物中の蒸気の濃度が発火濃度下限値を超える値に達した瞬間に起こります。燃焼は、可燃性混合物の燃焼により液滴が受け取った熱によって自発的に維持されます。可燃性の蒸気と空気の混合物の燃焼温度が霧化燃料が導入される容積の初期温度を大幅に超えるため、点火の瞬間から蒸発プロセスの速度が増加します。

したがって、液体燃料の燃焼は、燃焼する蒸気と空気の混合物からの熱の放出による燃料の蒸発と、液滴の表面近くでのこの混合物の実際の燃焼という 2 つの相互に関連するプロセスによって特徴付けられます。蒸気と空気の混合物の均一燃焼は化学プロセスであり、蒸発プロセスは本質的に物理的です。結果として得られる液体燃料の速度と燃焼時間は、物理的または化学的プロセスの強さによって決まります。

液体燃料を燃焼させる場合、トーチは 3 つの段階で構成されます。1 - 液体。 2 - 固体（液体炭化水素の分解による分散炭素）。 3 - ガス状。

可燃性ガスの燃焼と同様、燃焼速度は、混合物の形成条件、予備曝気の程度、火炎の乱流の程度、燃焼室の温度、および火炎の発生条件に依存します。高分子炭化水素ガスは高温で単純な化合物に分解し、粒子サイズが非常に小さい (約 0.3 ミクロン) すす炭素を放出します。これらの粒子は加熱されると炎の輝きをもたらします。重炭化水素の炎の明るさを減らすことができます。これを行うには、部分的な予混合を実行する必要があります。つまり、一定量の空気をノズルに供給する必要があります。酸素は有機分子の分解の性質を変えます。炭素は固体の形ではなく、一酸化炭素の形で放出され、青みがかった透明な炎で燃えます。

生成された蒸気の燃焼速度が燃料の蒸発速度を大幅に超える場合は、蒸発速度が燃焼速度とみなされ、τburn = τphysical + τchemical となります。

それ以外の場合、蒸気と酸化剤の化学的相互作用速度が燃料の蒸発速度よりも大幅に低い場合、燃焼プロセスの強さは完全に蒸気と空気の混合物の燃焼と液滴の蒸発の化学反応速度に依存します。液体燃料の燃焼の最も長い段階。したがって、液体燃料の燃焼を成功させ経済的に行うには、噴霧分散を高める必要があります。

7. 固体燃料の燃焼（不均一燃焼）

燃料を燃やすには、燃料の重量の数倍もの大量の空気が必要です。燃料の層に空気を吹き込むとき、流れ P の空気力学的圧力は、燃料片の重量 G よりも小さい場合もあれば、逆にそれより大きい場合もあります。「流動床」を備えた炉では、「沸騰」は燃料粒子の分離に関連しており、流動床の体積が 1.5 ～ 2.5 倍に増加します。燃料粒子 (通常 2 ～ 12 mm) の動きは沸騰した液体の動きに似ており、このような層が「沸騰」と呼ばれる理由です。

「流動」床を備えた炉では、ガスと空気の流れは層ゾーン内を循環せず、層を直接吹き抜けます。層を貫通する空気流は不均一なブレーキを受け、粒子が流れの中の位置に応じて風損を絶えず変化させる複雑な速度場を生成します。この場合、粒子は回転脈動運動を獲得し、沸騰した液体のような印象を生み出します。

固体燃料の燃焼プロセスは、条件に応じて互いに重なる段階に分割できます。これらの段階は異なる温度と熱条件下で行われ、必要な酸化剤の量も異なります。

火室に入った新鮮な燃料は多かれ少なかれ急速に加熱され、そこから水分が蒸発し、燃料の乾留の生成物である揮発性物質が放出されます。同時に、コークスの形成プロセスが発生します。コークスは火格子上で燃焼して部分的にガス化し、ガス状生成物は燃焼室で燃焼します。燃料の不燃性鉱物部分は、燃料の燃焼中にスラグと灰になります。

8. さまざまな火室のデザイン

燃焼装置または火室は、燃料を燃焼させて化学的に結合した熱を放出するように設計されたボイラーユニットの一部です。同時に、火室は、燃料の燃焼中に放出される熱の一部が輻射によって加熱面に伝達される熱交換装置でもあります。さらに、固形燃料が炉内で燃焼すると、結果として生じる灰の一部が落下します。

燃焼する燃料の種類に応じて、固体、液体、気体燃料を燃焼する炉が区別されます。さらに、固体と液体または気体、液体と気体など、さまざまな種類の燃料を同時に燃焼できる炉もあります。

燃料の燃焼には主に 3 つの方法があります。層内、トーチ、およびボルテックス (サイクロン) です。これに従って、ファイアボックスはレイヤー、トーチ、ボルテックスの 3 つの大きなクラスに分類されます。フレア炉とボルテックス炉は、多くの場合、一般クラスチャンバーファイアボックス。

米。 2. : a - 緻密な層; b - 「沸騰」層。 c および d - 浮遊層 (不均一トーチ)

この層では、燃料は最大 20 ～ 35 t/h の蒸気容量を持つボイラーユニットの下で燃焼されます。層内で燃焼できるのは固体塊燃料のみです。たとえば、褐炭および硬炭、塊泥炭、オイルシェール、木材などです。層状に燃焼される燃料は火格子上に装填され、その上に高密度の層として置かれます。燃料の燃焼は空気の流れの中で起こり、通常はこの層を下から上に貫通します。

ベッド内で燃料を燃焼させる炉は 3 つのクラスに分類されます (図 3)。

1 - 固定格子とその上に固定された燃料の層を備えた火室（図3、aおよびb）。

2 - その上にある燃料の層を移動させる移動格子を備えた火室（図3、c、d）。

3 - 固定格子とそれに沿って移動する燃料の層を備えた火室（図3、e、f、g）。

米。 3. ベッド内で燃料を燃焼させるための炉のスキーム: a - 手動の水平格子。 b - 固定層上の投射器を備えた火室。 c - チェーン機械格子を備えた火室; g - 機械式チェーンリターングリッドと投射器を備えた火室。 d - カサカサ音を立てるストリップを備えた火室。 e - 格子付き火室。 g - ポメランツェフシステムの火室

固定火格子と固定燃料層を備えた最も単純な火室は、手動の水平火格子を備えた火室です (図 3、a)。この火格子はあらゆる種類の固体燃料の燃焼に使用できますが、手動メンテナンスが必要なため、蒸気出力が非常に低い (最大 1 ～ 2 t/h) ボイラーでは適用範囲が制限されます。

蒸気出力の高いボイラーの下で燃料を層状燃焼させるため、炉のメンテナンス、そして何よりも炉への新鮮な燃料の供給が機械化されています。

固定火格子と固定燃料層を備えた火室では、装填の機械化はスプレッダー 1 を使用して実行されます。スプレッダー 1 は、新しい燃料を連続的に機械的に装填し、火格子 2 の表面に散布します (図 3、b)。このような火室では、最大6.5〜10.0 t/hの蒸気容量を備えたボイラーの下で硬炭および褐炭、場合によっては無煙炭を燃焼させることができます。

その上にある燃料の層を移動させる移動火格子を備えた火室のクラスには、さまざまな修正が施された機械式チェーン火格子を備えた火室（図3、c）が含まれます。この火室では、燃料はフィードホッパー 1 から重力によってゆっくりと移動するエンドレスチェーン火格子 2 の前部に流れ、そこから燃料が火室に供給されます。燃焼している燃料は、火格子布とともに火室を通って継続的に移動します。この場合、完全に燃焼し、その後火格子の端に形成されたスラグがスラグバンカー3に注がれます。

チェーン火格子の火室は燃料の品質に敏感です。これらは、灰融点が比較的高く、揮発性物質収率が可燃質量の HC = 10 ～ 25% である、選別された非固結性の適度に湿った、適度に灰分が多い石炭の燃焼に最適です。分別された無煙炭もそのような火室で燃やすことができます。チェーン火格子を備えた火室は、粘結石炭や低融点の灰を含む石炭の作業には適していません。これらの火室は、蒸気出力 10 ～ 150 t/h のボイラーの下に設置できますが、ロシアではボイラーの下に設置されます。蒸気ボイラー蒸気能力は 10 ～ 35 t/h で、主に選別された無煙炭の燃焼に使用されます。

高湿度の燃料、特に芝泥炭を燃焼させるには、燃料の予備乾燥に必要なチェーン火格子とシャフト前炉が組み合わされます。最も一般的なシャフトチェーン式火室は、プロフェッショナル用火室です。 T.F.マカリエワ。

このクラスの別のタイプの火室は、逆チェーン格子と投射器を備えた火室です。これらの火室では、火格子のブレードが反対方向、つまり火室の後壁から前壁に移動します。炉の前壁にはスプレッダーがあり、キャンバスに燃料を継続的に供給します。燃焼したスラグは火格子から炉の前部の下にあるスラグホッパーに注ぎ込まれます。このタイプの火室は、直接火格子を備えた火室よりも燃料の品質の影響がはるかに少ないため、選別済みおよび未選別の硬炭および褐炭の両方を蒸気容量 10 ～ 35 t/h のボイラーで燃焼するために使用されます。

固定火格子とそれに沿って移動する燃料の層を備えた火室は、燃料の移動と燃焼のプロセスを組織化するさまざまな原理に基づいています。カサカサ音を立てるバーを備えた火室では、燃料は特殊な形状の特殊なバーによって固定された水平火格子に沿って移動し、火格子に沿って前後に移動します。これらは、最大 6.5 t/h の蒸気容量を持つボイラーの下で褐炭を燃焼するために使用されます。カサカサ音を立てるストリップを備えたタイプの火室は、教授システムのトーチ層火室です。 S.V. Tatishcheva は、最大 75 t/h の蒸気容量を備えたボイラーの下で粉砕した泥炭を燃焼させるために使用されました。これは、シャフト前火室の存在下でガサガサ音を立てるバーを備えた従来の火室とは異なります。この火室では、粉砕された泥炭が、特別なエジェクターによってシャフトに吸引された排ガスで事前に乾燥されます。この火室では、褐炭や硬炭を燃やすこともできます。

V.V. ポメランツェフシステムの傾斜格子と高速火室を備えた火室では、燃焼中に上から火室に入る燃料が重力の影響で滑り落ちます。下部火室に燃料の新しい部分が入ることを可能にします。これらの火室は、2.5 ～ 20 t/h の蒸気出力でボイラーの下で木くずを燃やすのに使用され、鉱山の火室や最大 6.5 t/h の蒸気出力でボイラーの下で芝生泥炭を燃やすのに使用されます。

主に硬炭と部分的に褐炭を使用するロシアの燃料バランスの特殊性により、最も一般的なのは投射器と機械式チェーン火格子を備えた火室です。泥炭、頁岩、木材を燃やすことを目的とした炉は、これらの種類の燃料がロシアの燃料バランスにおいて二次的な役割を果たすため、はるかに一般的ではありません。

フレアプロセスでは、固体、液体、気体燃料が燃焼します。ここで:

気体燃料は事前準備を必要としません。

固体燃料は、まず特殊な粉塵処理プラントで微粉末に粉砕する必要があります。その主な要素は石炭粉砕機です。

液体燃料は、特別なノズルで非常に細かい液滴として噴霧する必要があります。

液体および気体燃料は任意の蒸気容量のボイラーで燃焼され、粉体燃料は 35 ～ 50 t/h 以上の蒸気容量のボイラーユニットで燃焼されます。

フレアプロセスにおける3種類の燃料の燃焼にはそれぞれ特有の特徴がありますが、一般原理フレア燃焼方式はすべての燃料で同じです。

フレア火室（図4）は、耐火レンガで作られた長方形のチャンバー1であり、その中に燃料とその燃焼に必要な空気、つまり燃料と空気の混合物がバーナー2を介して密接して導入されます。この混合物が点火してトーチが燃焼します。燃焼ガスは炉の上部から出ます。これらの燃焼生成物とともに微粉燃料が燃焼すると、燃料灰のかなりの部分がボイラー煙道に運ばれ、残りの灰はスラグの形で炉の下部（スラグ漏斗）に落ちます。

米。 4.: a - 固形スラグを除去した粉砕燃料用の単室燃焼室。 b - 液体スラグを除去する粉砕燃料用の単室炉。 c - 液体および気体燃料用の火室。 g - 粉砕燃料を燃焼させるための半開放燃焼室を備えた火室

燃焼室の壁は、水冷パイプシステム、つまり燃焼水スクリーンで内側から覆われています。これらのスクリーンは、トーチや溶融スラグの高温の影響による摩耗や破壊から燃焼室の石材を保護することを目的としていますが、最も重要なのは、トーチから発せられる大量の熱を吸収する効果的な加熱面となることです。したがって、これらの燃焼スクリーンは、燃焼室内の排ガスを冷却する非常に効果的な手段になります。

粉砕燃料用フレア炉は、スラグ除去方法に応じて 2 つのクラスに分類されます。 a) 固体状態でスラグを除去する炉。 b) 液体スラグを除去する炉。

固体状態でスラグを除去する炉のチャンバー1（図4、a）は、スラグ漏斗3によって下から制限されており、その壁はスクリーンパイプによって保護されています。このファネルは「コールド」ファネルと呼ばれます。トーチから落ちたスラグの滴は、この漏斗に落ち、内部の環境が比較的低い温度であるため、硬化して個々の粒子に粒状になります。冷却漏斗から、スラグ粒はネック４を通ってスラグ受容装置５に入り、そこから特殊な機構によってスラグおよび灰除去システムに取り出される。

液体スラグを除去する炉のチャンバー1（図4、b）は、水平またはわずかに傾斜した底部3によって下から制限されており、その近くでは、燃焼スクリーンの下部の断熱の結果として、温度が上昇します。灰の融点以上に維持されます。その結果、トーチからこの床に落ちたスラグは溶融状態のままで、出銑口４を通って炉から出て水で満たされたスラグ受け槽５に流れ込み、そこで硬化して小さなガラス状の粒子に割れる。

液状スラグ除去炉は一室式（図4、b）と大型ボイラー用の二室式（図4、d）に分かれます。後者では、燃焼室が 2 つの室に分割されます。

1 - 燃料の燃焼が起こる燃焼室。

2 - 燃焼生成物が冷却される冷却室。

燃焼室スクリーンは断熱材で覆われており、

液体スラグをより確実に得るために燃焼温度を可能な限り上昇させ、燃焼生成物の温度をさらに下げることができるように冷却室スクリーンを開いたままにします。

液体および気体燃料用のフレア炉（図4、c）は、水平またはわずかに傾斜した底部で作られています。

非常に大きなボイラーユニットには、角柱状の燃焼室に加えて、いわゆるセミオープンチャンバーがあり、炉を燃焼と冷却の2つのゾーンに分割する特別なくびれの存在を特徴としています。半開放チャンバーは、粉塵の多い（図 4、d）、液体燃料および気体燃料の燃焼に使用されます。

フレア炉は、バーナーの種類 (直流または旋回) と、燃焼室内のバーナーの位置によっても分類できます。バーナーは燃焼室の前面 (図 4)、側壁および隅 (図 4) に配置されています。大型ボイラーユニットでは、火室の前壁と後壁にバーナーを反対側に配置することも可能です（図4、d）。

ボルテックス (サイクロン) 炉では、揮発分が多く、粉砕されて粉塵状態または 4 ～ 6 mm の粒径に粉砕された固体燃料と (まだまれですが) 燃料油を燃焼できます。

サイクロン炉の動作原理は、ほぼ水平（図 5、a）または直径が小さい垂直の円筒形の前炉 1 内でガスと空気の渦が生成され、その中で燃焼燃料の粒子が燃焼するまで繰り返し循環します。ほぼ完全に停止状態。

米。 5.: a - 水平サイクロン前炉を備えた火室; b - 垂直サイクロン前炉を備えた火室

固体燃料を燃焼させるときの前炉室からの燃焼生成物は、後燃焼室２に入り、そこから冷却室３に入り、次いでボイラーユニットの煙道に入る。前炉室からのスラグは、出銑口 5 を通って液状で取り出されます。スラグの捕捉量を増やすために、後燃焼室と冷却室の間、またはサイクロン前炉室と冷却室の間にスラグ回収管束 4 が設置されます。燃料油、および場合によっては粉砕固体燃料を燃焼させる場合、後燃焼室は設置されず、燃焼生成物は前炉室から冷却室に直接排出されます。サイクロン炉は、比較的高い蒸気出力を持つボイラーユニットに使用されます。

上記の 3 つの主要な燃料燃焼方法に加えて、いくつかの中間的な方法があります。

固体燃料ボイラーの人気が高まっているため、この機器の潜在的な購入者の膨大な数が、どの種類の固体燃料を主なものとして優先するかという問題に興味を持っています。決定が下されました何らかのタイプを注文する暖房器具.

固体燃料に限らず、あらゆる燃料の主な指標は、固体燃料の燃焼によって確保される熱伝達です。この場合、固体燃料の熱伝達は、その種類、特性、組成に直接関係します。

ちょっとした化学

固体燃料の組成には、炭素、水素、酸素、鉱物化合物などの物質が含まれます。燃料が燃焼すると、炭素と水素が空気中の酸素（最も強力な自然酸化剤）と結合し、燃焼反応が発生して大量の熱エネルギーが放出されます。さらに、ガス状の燃焼生成物は排煙システムを通じて除去され、固体の燃焼生成物（灰とスラグ）は火格子から廃棄物として排出されます。

したがって、固体燃料で動作する加熱装置の設計者が直面する主な課題は、固体燃料ストーブまたは固体燃料ボイラーの最長燃焼を確保することです。現時点では、この分野では一定の進歩が見られ、上部燃焼と熱分解プロセスの原理で動作する長時間燃焼する固体燃料ボイラーが販売されています。

主な固形燃料の発熱量

薪。平均（木の種類に応じて）および湿度は2800から3300 kcal/kgです。
泥炭 – 湿度に応じて 3000 ～ 4000 kcal/kg。
石炭 - 種類（無煙炭、褐色、または有炎石）に応じて、4700 ～ 7200 kcal/kg。
プレス練炭およびペレット – 4500 kcal/kg。

言い換えれば、さまざまな種類の固体燃料の燃焼プロセスには、さまざまな量の熱エネルギーが放出されるため、主要な種類の燃料の選択は非常に責任を持って行う必要があります。この問題については、次の情報に基づいてください。特定の固体燃料装置の操作文書 (パスポートまたは操作説明書) に指定されています。

固形燃料の主な種類の簡単な説明

薪

ロシアで最も入手しやすく、したがって最も一般的な種類の燃料。すでに述べたように、燃焼プロセス中に発生する熱量は木材の種類とその水分含有量によって異なります。熱分解ボイラーの燃料として薪を使用する場合、湿度に制限があることに注意してください。この場合、湿度は15〜20％を超えてはなりません。

泥炭

泥炭は、土壌中に長期間横たわる腐った植物の圧縮された残骸です。抽出方法により高ピートと低ピートが区別されます。そして、泥炭はその凝集状態に応じて、刻んだり、塊にしたり、練炭の形に圧縮したりすることができます。放出される熱エネルギーの量という点では、泥炭は薪に似ています。

石炭

石炭は固形燃料の中で最も高カロリーであり、特殊な着火技術が必要です。一般に、石炭ストーブやボイラーに点火するには、まず薪で火室に点火し、その後、十分に点火された薪に石炭（褐色、火炎石、または無煙炭）を積み込む必要があります。

練炭とペレット

これ新しい種類の固体燃料。個々の要素のサイズが異なります。練炭は大きく、ペレットは小さいです。練炭とペレットの製造のための出発材料は、任意の「可燃性」物質にすることができます。木くず、木くず、わら、ナッツの殻、泥炭、ヒマワリの殻、樹皮、ボール紙、および自由に入手できるその他の「バルク」可燃性物質です。

ブリケットとペレットの利点

環境に優しい高発熱量の再生可能燃料です。
材料の密度が高いため、燃焼時間が長くなります。
便利でコンパクトな収納。
燃焼後の灰の最小量は体積の 1 ～ 3% です。
相対コストが低い。
ボイラー運転工程の自動化が可能。
あらゆる種類の固形燃料ボイラーや家庭用ストーブに適しています。

固体燃料燃焼の特徴。 固体燃料の燃焼の特徴