Горение твердого топлива проходит через ряд стадий, накладывающихся друг на друга: прогрев, испарение влаги, выделение летучих и образование кокса, горение летучих и кокса. Определяющей является стадия горения кокса, т.е. углерода, т.к. углерод является главной горючей составляющей почти всех натуральных твердых топлив, кроме того, стадия горения кокса продолжительнее всех остальных (может занимать до 90% всего времени, необходимого для горения). Все стадии горения требуют затрат теплоты (иногда до 20-25% сгорания топлива). Процесс горения описывается следующими уравнениями реакций [3, 6]:

С + О2­ = СО2 (5.1)

2С + О2 = 2СО (5.2)

С + СО2 = 2СО (5.3)

2СО + О2 = 2СО2 (5.4)

-         первые три – гетерогенные, последняя – гомогенная.

Во время горения частицы твердого топлива с диаметром d обдуваются газом, имеющим плотность p со скоростью w0.

Это создает  силу давления набегающего потока на частицы:

Pc = C(pd2/4)(w20/2)p (5.5)

где С – коэффициент, зависящий от критерия рейнольдса.

          Если сила тяжести частиц G>PC, то имеем плотный (неподвижный) слой в слоевых топках, если G<PC, то взвешенный слой в камерных (факельных или циклонных). Возможен и промежуточный режим псевдоожиренного (кипящего) слоя, когда соблюдается условие G<PC, но после прохождения слоя скорость газов падает до значения wоп, поскольку свободное течение увеличивается; соответственно уменьшается и сила аэродинамического давления до Pn<G; в итоге имеем PC<G<Pn.

          Рассмотрение структуры горящего слоя позволяет составить более детальную картину процесса горения. Под слоем свежего топлива находится горящий кокс. После подогрева поступившего топлива происходит испарение влаги и выделение летучи. Одновременно с выделением летучих образуется кокс, опускающийся в нижний слой взамен выгоревшего в нем кокса. С раскаленных кусочков кокса каплями вниз стекает шлак, затвердевая на колосниковой решётке, откуда периодически его удаляют.

          В нижней части кокса одновременно образуются оба окисла углерода СО2 и СО. Эту зону называют окислительной зоной.

          К концу окислительной зоны концентрация кислорода снижается до 1-2%, а СО2 достигает максимума. Над окисленной зоной находится восстановительная зона, в которой кислород практически отсутствует.

          Углекислый газ здесь взаимодействует с раскаленным углеродом с образованием окиси углерода, что приводит к уменьшению содержимого углекислого газа и увеличению окиси углерода по высоте восстановительной зоны.

          В восстановительной зоне возможно также эндотермическая реакция разложения водяных паров с образованием еще одного горючего компонента – водорода. Образование горючих газов из топлива (СО, Н) составляет процесс газификации топлива.

          Температура в окислительной зоне резко возрастает по высоте и достигает максимума там, где наибольшая концентрация СО2. В восстановительной зоне температура меньше чем в окислительной (реакция взаимодействия СО2 с раскаленным С – эндотермическая) [9, 6, 4].

          Знание структуры горящего слоя оказывает реальную помощь при проектировании и выборе типа котла для сжигания органического топлива.