Текст книги "Котлы тепловых электростанций и защита атмосферы"

4.2. Пароводяной тракт

Материальный баланс нагреваемой среды в паровом котле достаточно прост: поступает в котел питательная вода при температуре, определяемой системой подогрева с использованием низкопотенциальной теплоты из отборов паровой турбины. Выдает котельная установка на ТЭС перегретый пар, используемый для производства электрической энергии.

На промышленных предприятиях чаще можно встретить котлы, вырабатывающие насыщенный пар для технологических нужд или систем отопления.

Кроме пара, в расходную часть материального баланса (только на барабанных котлах) должна быть включена продувка, то есть котловая вода, удаляемая из барабана с загрязняющими примесями. Таким образом, уравнение материального баланса для пароводяного (точнее – для водопарового) тракта имеет простой вид:

D_пв = D_о + D_пр. (4.18)

Здесь D_пв – расход питательной воды, кг/с; D_o – свежий пар, кг/с и D_пр – котловая вода продувки, кг/с.

На котлах, которыми оборудуют энергоблоки с промежуточным перегревом, появляется еще один контур. В таких котлах расходы пара промперегрева на входе и выходе примерно равны между собой: D'_пп = D''_пп.

4.3. Баланс теплоты котельной установки

Если известен материальный баланс котла, можно составить и тепловой баланс. При этом следует учитывать, что процессы по газовоздушному тракту котла протекают при практически постоянном давлении, а количество тепла, отданное газами (Q, МДж/кг), равно разности теплосодержания продуктов сгорания в топке и на выходе из котла, то есть

Q = I' − I'', (4.19)

где I – энтальпия газа, МДж/кг.

Энтальпия газа при постоянном давлении является произведением его объема при нормальных условиях (на 1 кг топлива) на объемную теплоемкость [МДж/(м³·град)] и температуру (°С).

В каждом сечении газохода, кроме газообразных продуктов сгорания, имеются еще избыточный воздух и зола (при сжигании твердого топлива). Поэтому энтальпию продуктов сгорания в расчете на 1 кг твердого, жидкого или 1 м³ газообразного топлива в любом сечении необходимо рассчитывать по формуле:

I = I^o_r + (α−1)I^o_B + I₃, (4.20)

где

;

I^o = V^o(ct_B);

Здесь произведение (сϑ)_i – это теплоемкость и температура, соответственно, трехатомных газов, азота, водяных паров, воздуха и золы, а V_i – соответствующие объемы в расчете на 1 кг (или на 1 м³) сжигаемого топлива. В случае золовых частиц их масса оценивается по зольности исходного топлива (А^r, %) и доле золы, уносимой в газоходы продуктами сгорания (а_ун).

Средние значения энтальпии продуктов полного сгорания топлива, а также воздуха и золы твердых топлив приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1 Энтальпии 1 м³ газов, влажного воздуха и золы

* Ввиду незначительного содержания в топочных газах оксидов серы вместо энтальпии трехатомных газов RО₂ можно использовать значения энтальпии для СО₂

В случае, если из газохода котельного агрегата (или за котлом) отбирается часть дымовых газов (r_p), и эти газы подаются в топочную камеру, то энтальпия продуктов сгорания (I_r МДж/кг) на всем тракте от места ввода до места отбора газов рециркуляции определяется по следующей формуле:

I_гr = I_r + r_p·I_готб. (4.21)

Здесь I_готб – энтальпия газов перед смешением и за местом отбора, МДж/кг, а r_p – коэффициент рециркуляции.

На рис. 4.2 приведена I-ϑ-диаграмма, показывающая качественную зависимость между энтальпией продуктов сгорания (I, МДж/кг) и температурой (ϑ, °С). Видно, что энтальпия теоретически необходимого количества воздуха однозначно определяется температурой ϑ. То же самое можно сказать и об энтальпии дымовых газов при стехиометрическом сжигании топлива I^o_r. А вот энтальпия продуктов сгорания при фактическом избытке воздуха (ломаная кривая на рис. 4.2) зависит еще и от коэффициента избытка воздуха, усредненного для зоны расположения той или иной поверхности нагрева.

Рис. 4.2. I-диаграмма воздуха и продуктов сгорания

4.4. Общее уравнение теплового баланса

При установившемся режиме работы тепловой баланс котла характеризуется равенством между приходом и расходом теплоты (Q_пр = Q_расх). Приходную часть теплового баланса называют обычно «располагаемой» теплотой (Q^r_p, МДж/кг или МДж/м³). Она включает в себя химическую теплоту органического топлива (точнее – низшую теплоту сгорания рабочей массы, Q^r_i, МДж/кг или МДж/м³), а также физическую теплоту введенного в топку топлива (Q_тл) теплоту воздуха, если он подогревался посторонним источником, вне котельного агрегата (Q_в.внеш), а также теплоту пара, если он был использован в мазутных форсунках парового распыливания (Q_п.ф). При сжигании сланцев из располагаемой теплоты следует вычесть Q_K – теплоту разложения карбонатов минеральной массы. Таким образом, можно записать:

Q^r_p = Q^r_i + Q_тл + Q_в.внеш + Q_п.ф −Q_K. (4.22)

Расчет ведется на 1 кг твердого топлива и мазута, или на 1 м³ газообразного топлива при нормальных параметрах: 0 °С и 101,3 кПа.

Физическая теплота введенного топлива учитывается по формуле:

Q_тл = c_т − t_т, (4.23)

где с_т – теплоемкость топлива, МДж(кг·град), или МДж/(м³·град), а t_т – температура топлива, °С.

На практике теплота топлива учитывается только при сжигании мазута, поскольку перед подачей в котел мазут (для снижения вязкости) нагревают до 100–120 °С. При сжигании угля теплоту топлива следует учитывать только в тех случаях, когда происходит предварительный подогрев посторонним источником (например, на центральном пылезаводе). При сжигании газообразного топлива, в общем случае, этот член чрезвычайно мал, но вот в случае доменного газа его следует учитывать, так как, с одной стороны, теплота сгорания доменного газа сравнительно мала, а с другой – доменный газ часто подогревают до 200–300 °С. В таких случаях Q_тл составляет 7–10 % от Q^r_p и должно быть обязательно учтено.

Подогрев воздуха посторонней теплотой (например, в калорифере паром теплового отбора из турбины) рассчитывается по уравнению:

Q_в.внеш = β_B · V₀ · с_В(t'_B − t_X.B). (4.24)

Здесь β_в – отношение количества воздуха, проходящего через калорифер к теоретически необходимому количеству воздуха; с_в – теплоемкость воздуха, a t'_B и t_х.в – это температуры подогреваемого воздуха (на входе в котел, после калорифера) и холодного, до калорифера.

Если в котле сжигается мазут и при этом используются паровые или паромеханические форсунки, то следует учитывать и такую составляющую располагаемой теплты:

Q_п.ф = G_п(i_п.ф − i''_п), (4.25)

где G_п – удельный расход пара на распыливание 1 кг мазута, кг/кг; i_п.ф – энтальпия пара, используемого для распыливания мазута, МДж/кг, а i''_п – энтальпия того же пара, но уже при атмосферном давлении и температуре уходящих газов, МДж/кг.

И, наконец, в случае работы котла на сланцах необходимо учесть расходование части теплоты на разложение карбонатов:

Q_K = 4,05 · СО₂^K / 100, (4.26)

(СО₂^K – количество выделяющейся при горении сланцев углекислоты, %, а 4,05 – теплота разложения 1 кг карбонатной золы, МДж/кг).

В заключение отметим, что очень часто сложное уравнение (4.22) превращается в очень простое:

Q^r_p = Q^r_i, (4.27)

так как все остальные члены становятся существенными только в редких случаях (при подогреве топлива или воздуха вне котла, использовании форсунок парового распыливания или сжигании сланцев).

Расходная часть теплового баланса — это прежде всего теплота, полученная рабочим телом, то есть водой и перегретым паром, а также паром промежуточного перегрева (если котел входит в состав энергоблока с одним или двумя промежуточными перегревами пара).

Эту часть теплового баланса называют полезной теплотой и обозначают как Q₁:

.(4.28)

В этом уравнении D_пе, D_вт и D_пр – расходы свежего пара, промежуточного перегрева и котловой воды, кг/с; В – расход топлива, кг/с, а i_i – это энтальпии, соответственно, перегретого пара, питательной воды, вторичного пара на выходе и входе в промпароперегреватель, и котловой воды в барабане. Впрочем, последний член данного уравнения учитывается только в том случае, если D_пр превышает 2 % от D_пе.

Величина Q₁ является основной, но не единственной составляющей расходной части теплового баланса. Часть теплоты теряется, и поэтому при стационарном режиме уравнение теплового баланса имеет вид:

Q^r_p = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆. (4.29)

В правой части этого уравнения только Q₁ – полезно использованная теплота топлива, a Q₂ и все остальные члены – это потери тепла. Если обе части уравнения (4.29) разделить на Q^r_p и умножить на 100 %, то получим уравнение теплового баланса в процентах:

100 = q₁ + q₂ + q₃ + q₄ + q₅ + q₆. (4.30)

Из этой зависимости легко получить выражение для коэффициента полезного действия котла, так как η_к = 100·Q₁ / Q^r_p. Действительно,

а это означает, что

η_к = q₁ = 100 − (q₂ + q₃ + q₄ + q₅ + q₆). (4.31)

На практике для определения КПД котла очень часто используют «метод обратного теплового баланса», который как раз и состоит в определении всех потерь с последующим использованием уравнения (4.31).

Рассмотрим роль различных составляющих в правой части уравнения (4.31) и оценим возможность их снижения.

Обычно главной потерей теплоты является q₂ – потери с уходящими газами:

. (4.32)

Здесь Q₂ – удельные (на 1 кг твердого и жидкого или на 1 м³ газообразного топлива) потери, связанные с тем, что температура покидающих котел газов практически всегда превышает температуру холодного воздуха, поступившего в котел:

Q₂ = (I_yx − α_yxI^o_X.B.)·(1−0,01q₄). (4.33)

Второй сомножитель в уравнении (4.33) – поправка на полноту сгорания топлива (рекомендуется учитывать только при сжигании антрацита или тощих углей, для которых величина q₄ может достигать 6–8 %).

Из выражения (4.33) понятно, что снизить потери q₂ можно за счет уменьшения энтальпии уходящих дымовых газов, то есть снижения их температуры t_yx (°С).

Но для уменьшения t_yx требуется существенно увеличить поверхности нагрева воздухоподогревателя и экономайзера или понизить температуру поступающих в эти поверхности нагрева питательной воды и холодного воздуха. Первое из данных мероприятий оценивается по соотношению цен на топливо и дополнительные поверхности нагрева. Дело в том, что повышение КПД снижает затраты на топливо, но дополнительные поверхности нагрева увеличивают затраты на металл, монтаж и преодоление дополнительного аэродинамического сопротивления.

С учетом этого, при проектировании котельных установок обычно рассчитывается оптимальная температура уходящих газов, учитывающая соотношение цен на металл (при изготовлении котла) и топливо (за определенный период эксплуатации котла). Качественная зависимость оптимальной температуры уходящих газов (t_yx^опт) от затрат на металл и топливо (Ц_м и Ц_т) приведена на рис. 4.3. Из приведенного на рисунке графика следует, что повышение стоимости топлива сдвигает t_yx^опт в сторону более низких температур.

Рис. 4.3. Определение оптимальной температуры уходящих газов в зависимости от стоимости поверхностей и сжигаемого топлива: 1 – затраты на поверхности нагрева; 2 и 2' – затраты на дорогое и дешевое топливо; З и 3' – суммарные расчетные затраты при дорогом и дешевом топливе

Второе мероприятие нельзя внедрять без учета эффективности регенерации теплоты: термодинамический КПД получается тем выше, чем выше температура питательной воды. Особенно четко это прослеживается при повышении параметров свежего пара, характерного для современной энергетики.

Имеется еще один немаловажный фактор, препятствующий снижению температуры холодного воздуха, а в некоторых случаях заставляющий даже повышать t_х.в путем рециркуляции части горячего воздуха или за счет использования паровых калориферов. Этот фактор – коррозия низкотемпературных поверхностей нагрева, неизбежная при уменьшении температуры продуктов сгорания ниже точки росы и особенно опасная при сжигании серосодержащих топлив (подробнее см. гл. 7).

Однако в последнее время появился новый взгляд на проблему конденсации водяных паров в низкотемпературных поверхностях нагрева. Учитывая непрерывный рост цен на органическое топливо, разработчики котлов (пока что речь идет о промышленных и бытовых котлах малой мощности) решили использовать ту часть теплоты сгорания топлива, которая затрачивается на испарение содержащейся в нем влаги. Тем более что прогресс в металлургии привел к появлению новых марок стали, отличающихся высокой коррозионной устойчивостью. В результате появились так называемые «конденсационные» промышленно-отопительные котлы, в которых за счет низкотемпературного теплоносителя (возврата воды из систем отопления или холодного воздуха) обеспечивается уменьшение температуры уходящих газов ниже точки росы. При конденсации водяных паров высвобождается скрытая теплота парообразования, в результате чего КПД котла существенно возрастает. Если КПД котла рассчитывался по низшей теплоте сгорания, то при сжигании природного газа конденсация водяных паров может повысить этот КПД на 11 %, а при сжигании жидкого топлива – примерно на 6 %. Такая экономия топлива вполне компенсирует дополнительные трудности, связанные с необходимостью утилизации получающегося конденсата: из-за присутствия в дымовых газах СО₂, а иногда – оксидов серы, конденсат обладает повышенной кислотностью.

Следующий член в уравнении (4.31) – это потери теплоты с химическим недожогом, то есть наличие в дымовых газах за котлом газообразных продуктов неполного сгорания СО, H₂, CH₄.

Рассчитать потери с химическим недожогом можно по количеству этих составляющих и теплоте их сгорания:

. (4.34)

В этом уравнении q₃ и q₄ – %, СО, Н₂ и СH₄ – объемные %, V_c.r – объем сухих газов, м³/кг или м³/м³, a Q^r_p – располагаемая теплота, МДж/кг.

При эксплуатации котлов с исправными горелками и в соответствии с режимной картой, то есть при достаточном избытке воздуха, водород Н₂ и тем более метан в дымовых газах отсутствуют, а содержание оксида углерода СО не превышает 0,03 % по объему. Поэтому величина q₃ составляет, как правило, 0,1–0,5 %.

Потери с механическим недожогом отсутствуют при сжигании газа с избытком воздуха и чрезвычайно малы при сжигании мазута. Но при работе котла на твердом топливе (особенно – когда этим топливом являются малореакционные антрацит или тощие угли) потери q₄ могут достигать нескольких процентов. Механический недожог – это недогоревшие коксовые частицы, содержащие небольшое количество горючих (углерода). При сжигании бурых углей и торфа потери q₄, как правило, не превышают 0,5–1,0 %, если избыток воздуха и тонкость размола соответствуют оптимальным значениям. Для каменных углей потери с механическим недожогом возрастают до 2 %. Самые большие потери, как уже отмечалось, – при сжигании тощих углей и антрацита. Даже в топках с жидким шлакоудалением, когда высокая температура в зоне активного горения увеличивает скорость воспламенения и горения топлива, механический недожог может достигать 5–6 %, а в топках с твердым шлакоудалением – увеличиться до q₄ = 7–8 %.

Потери q₄ можно рассчитать по формуле:

, (4.35)

где с^r_i – содержание горючих в шлаке и уносе, %.

Потери теплоты в окружающую среду q₅ невелики, но присутствуют при сжигании всех видов топлива. Количество теплоты, отдаваемой обмуровкой и обшивкой котла, пропорционально наружной поверхности стен F_ст (м²) и разности температур этой поверхности и окружающего воздуха:

.(4.36)

Здесь α_к и α_л – коэффициенты теплоотдачи конвекцией и излучением, МВт/(м²·град.), а В – расход топлива, кг/с (или м³/с).

В соответствии с Правилами технической эксплуатации температура наружных поверхностей котла не должна превышать 55 °С при любой мощности котла. А если учесть, что при повышении паропроизводительности полное тепловыделение увеличивается быстрее, чем размер ограждающих поверхностей, то становится очевидным: у больших котлов потери тепла в окружающую среду меньше, чем у маленьких.

В Нормах теплового расчета котла величина этих потерь приводится в виде зависимости от паропроизводительности котла.

Последняя составляющая потерь (q₆) – потери с физическим теплом шлака, который удаляется из топочной камеры. Рассчитываются эти потери по формуле:

.(4.37)

Здесь а_шл – доля шлака (для котлов с твердым шлакоудалением принимается а_шл = 0,05); (сt)_шл —энтальпия шлака при соответствующей температуре, МДж/кг; А^r – зольность рабочей массы топлива. С учетом вышеприведенной доли шлака и температуры шлака, покидающего котел через холодную воронку (600–700 °С), можно считать, что потери q₆ не будут превышать 0,1 %. И только в случае использования топок с жидким шлакоудалением, когда доля шлака повышается до 0,2–0,3 (а для котлов с циклонными предтопками – еще выше), и при температуре жидкого шлака 1400–1600 °С, потери с физической теплотой шлака становятся существенными и должны быть обязательно учтены при расчете КПД котла по обратному тепловому балансу.

Глава 5. Топочные процессы: организация факельного сжигания органического топлива

5.1. Общие характеристики процесса горения

Горение органического топлива – сложный физико-химический процесс, состоящий в окислении органической части топлива с выделением тепла. В котлах тепловых электростанций используют твердое, жидкое или газообразное органическое топливо, а в качестве окислителя – кислород воздуха.

Весь процесс горения, в результате которого органическое топливо превращается в газообразные и твердые продукты сгорания, можно условно разделить на несколько этапов.

Первым является этап подогрева топлива, начинающийся с момента поступления топлива в топочную камеру. Скорость повышения температуры частиц топлива на этом этапе чрезвычайно высока. При этом происходит окончательное испарение влаги топлива и после достижения определенной температуры начинается активный выход горючих газообразных продуктов, которые называют «летучими».

Второй этап – воспламенение, начинающееся после достижения определенной для каждого топлива температуры. Считается, что воспламенение топлива – это переход от получения теплоты при внешнем подогреве к самообеспечивающему горению топливовоздушной смеси. На пылеугольных котлах горение летучих происходит за счет кислорода, содержащегося в первичном воздухе. Тепловыделение при сгорании летучих в большинстве случаев оказывается достаточным для начала гетерогенного процесса горения угольной частицы.

Третий этап – собственно горение углерода на поверхности угольной частицы. Скорость этого процесса определяется температурой и наличием окислителя у поверхности углерода. Если бы топливо до поступления в топку было полностью перемешано с воздухом, то время, необходимое для его полного сгорания, определялось бы скоростью химического процесса, зависящей от температурного уровня, то есть горение происходило бы в кинетической области. Другой крайний случай можно наблюдать, когда топливо и окислитель (воздух) поступают в топку в виде отдельных струй. При такой организации процесса большая часть времени требуется для диффузии кислорода к углеродной поверхности: процесс горения происходит в диффузионной области. Легче всего выделить эти области при сжигании природного газа. На пылеугольных котлах, а также при использовании большинства горелок на газовом топливе процесс горения происходит в промежуточной области, когда общее время горения зависит как от времени, необходимого для смесеобразования, так и от скорости самого процесса горения.

Агрегатное состояние топлива (газ, капли жидкого топлива или частицы твердого топлива), а также особенности его ввода в топку оказывают значительное влияние на характер топочного процесса.

Так, например, газообразное топливо можно подавать в топку вместе с воздухом (так называемое полное предварительное перемешивание).

Понятно, что в данном случае мы будем иметь дело с кинетическим горением. Если же газообразное топливо и воздух подаются в топку самостоятельно, то смешивание этих потоков потребует значительного времени (особенно, если учесть, что горение газа при температуре в топочной камере происходит с очень большой скоростью). Следовательно, в этом варианте процесс горения – диффузионный.

При подаче в топку частично перемешанной топливовоздушной смеси топочный процесс будет протекать в промежуточной области. Если в топке сжигается жидкое топливо, то сначала происходит весьма быстрое повышение температуры капель мазута (именно для этого необходимо распыливание жидкого топлива). Затем с поверхности капель происходит испарение, вокруг капли образуется горючая смесь паров топлива и окислителя. Следующим этапом является собственно горение, после чего продукты сгорания двигаются от капли, навстречу окислителю.

Примерно такая же схема топочного процесса наблюдается при факельном сжигании твердого топлива. Каждая частица угля, поступившая в топку вместе с транспортирующим топливо «первичным» воздухом, быстро прогревается под воздействием мощного теплового потока от ядра горения. Скорость повышения температуры, в зависимости от крупности частицы и условий в топочной камере, может достигать 10⁴—10⁵ °С/с. При этом происходят подсушка топлива и выделение летучих. Одновременно продолжается смесеобразование, и при наличии источника теплоты начинается гомогенный процесс горения смеси выделившихся летучих и воздуха. Тепловыделение от сгорания летучих обеспечивает дальнейший подъем температуры, воспламенение и горение коксового остатка. Этап сгорания углерода, содержащегося в коксовом остатке самый длительный, и именно он определяет величину общего времени, необходимого для завершения процесса сжигания твердого топлива.

Подробные исследования процессов воспламенения и горения частиц угольной пыли были проведены в 1970–1980-х гг. В. И. Бабием и И. П. Ивановой [4]. Эти исследования показали, что процесс горения отдельных частиц топлива, богатых летучими, можно разделить по времени на четыре стадии:

τ₁ – прогрев частиц до воспламенения летучих;

τ₂ – горение летучих от момента их воспламенения до полного исчезновения фронта пламени у поверхности частицы;

τ₃ – суммарную стадию воспламенения коксового остатка, включающую время прогрева частиц до воспламенения летучих, время горения летучих и время прогрева коксового остатка;

τ₄ – горение кокса.

Продолжительность каждой стадии в разной степени зависит от размера частиц, температуры газовой среды и содержания свободного кислорода. Кроме того, τ₄ зависит от W^а и V^a – аналитической влажности и величины выхода летучих топлива. Для исследования кинетики горения бурых углей были выбраны семь видов топлива, характеристики которых представлены в табл. 5.1.

Результаты исследований приведены на трех графиках (рис. 5.1). Анализ показал, что время выгорания коксового остатка τ₄ у всех топлив практически одинаково (нижний график). Величины τ₁ у всех видов топлив, за исключением бикинского и греческого бурого угля, также совпадают (верхний график). Основное отличие наблюдается в стадиях горения летучих, а также подготовки и воспламенения коксового остатка τ₃ (средний график). Достаточно быстро воспламеняются коксовые частицы Назаровского и башкирского бурых углей. Резкое увеличение τ₃ для частиц любого размера наблюдается у бикинского (Россия) и греческого бурого угля, что можно объяснить пониженной теплотой сгорания летучих Q_VM^daf (табл. 5.1). Конечно, в условиях реального топочного устройства величины τ₁, τ₃ и τ₄ будут определяться еще и температурой газовой среды Т_г, причем τ₁ находится в обратной зависимости от Т⁴_г, τ₃ – от Т³_г, τ₄ – от Т^0,9_г.

Рис. 5.1. Длительность протекания отдельных стадий воспламенения и горения пылевых частиц различных топлив в зависимости от размера частиц: 1 – Назаровский; 2 – Башкирский; 3 – Чихезский; 4 – Бикинский 5 – Болгарский; 6 – Турецкий; 7 – Греческий лигнит

Таблица 5.1

Температура газовой среды, в свою очередь, зависит как от характеристик топлива, так и от организации топочного процесса.

Горение коксового остатка в воздушной среде – гетерогенный процесс, скорость которого измеряется количеством вещества (углерода), реагирующего в единицу времени на единице поверхности частицы топлива. Согласно законам химической кинетики скорость химической реакции в общем виде выражается формулой:

q = K · c_A^m · c_B^m, (5.1)

где с_i – концентрации, а А и В – химические символы реагирующих веществ. Коэффициент К – константа скорости реакции, которая зависит от температуры по закону Аррениуса:

. (5.2)

В данном выражении K₀ – предэкспоненциальный множитель (в отличие от коэффициента К, зависящего от температуры; К₀ – это действительно константа для определенных химических элементов); Е – энергия активации; R – универсальная газовая постоянная, и Т – абсолютная температура.

Энергия активации Е характеризует свойства веществ в смысле их активности вступления в реакцию между собой. Можно считать, что энергия активации – тот энергетический барьер, который требуется преодолеть, чтобы «расшатать» молекулярные связи, после чего начнется химическая реакция. Если Е подставляется в ккал/г·моль, то универсальная газовая постоянная R ≈ 2 кал/г·моль.

В топочных камерах, при взаимодействии кислорода с раскаленной углеродной поверхностью, происходят так называемые первичные реакции с выделением теплоты:

C + O₂= CO₂ + Q₁; (5.3)

2С + O₂ = 2CO + Q₂. (5.4)

Вторичными называют сопутствующие реакции догорания СО:

2СО + O₂ = 2CO₂ + Q₃, (5.5)

а также эндотермическую (с поглощением тепла) реакцию восстановления CO₂ на поверхности углерода:

CO₂ + С = 2CO − Q₄. (5.6)

Процесс горения нагретой угольной частицы показан на рис. 5.2. Видно, что концентрация кислорода меняется от 21 % в набегающем потоке воздуха до 0 у поверхности раскаленной частицы. Соответственно концентрация СО резко снижается от максимального до нулевого значения по мере удаления от поверхности углерода.

Понятно, что в котельных установках, предназначенных для получения пара, стремятся максимально интенсифицировать окислительные реакции. В то же время в газогенераторах, рассчитанных на газификацию твердого топлива, стараются по возможности развивать восстановительные реакции с получением продуктов неполного сгорания.

Рис. 5.2. Характер изменения концентрации газов около раскаленной поверхности углерода, омываемой потоком воздуха