книги / Основы газоснабжения

гидроксильный радикал ОН с нестойкой молекулярной связью реагируют в дальнейших реакциях без затраты большой энергии активации, поэтому эти реакции идут гораздо быстрее обычных молекулярных реакций. Общий итог единичного цикла имеет следующую схему: Н + 0 2 + ЗН2-*ЗН + 2Н20

За счет прогрессирующего увеличения активных центров и боль­ шой скорости реакций общая цепная реакция горения приобретает лавинный характер, почти мгновенно распространяясь по всему объему смеси.

При определенных условиях аналогично протекает цепная реакция горения углеводородов, сопровождающаяся образова­ нием нестойких промежуточных соединений — гидроксильного радикала ОН, метилового спирта СН3ОН и формальдегида HGHO, а также твердых частиц углерода, образующихся в результате термического разложения углеводородов и придающих пламени светимость.

§ Х.З. Условия воспламенения горючих газов

Для организации процесса горения необходимо смешать газо­ вое топливо с определенным количеством воздуха и нагреть газовоздушную смесь или даже ничтожно малый ее объем до неко­ торой температуры, называемой температурой воспламенения.

В холодной смеси кинетическая энергия молекул газа и кисло­ рода незначительна и реакции окисления протекают медленно, с выделением малых количеств тепла, рассеивающихся в окружаю­ щей среде. При нагревании смеси скорость молекул реагентов и количество их соударений возрастают и за счет непрерывного увеличения количества активных центров происходит самоускорение реакции, сопровождающееся прогрессирующим выделением тепла, а следовательно, и повышением температуры смеси. Мини­ мальная температура, при которой обеспечивается самоускорение реакции, приводящее к воспламенению смеси, называется темпе­ ратурой воспламенения (табл. Х.2). Она зависит от концентрации газа в газовоздушной смеси, давления, способа нагрева смеси, а иногда и от каталитического воздействия стенок топки.

181

Т а б л и ц а Х.2

Температуры воспламенения, жаропроизводительность и пределы воспламеняемости некоторых газов в смеси с воздухом при атмосферном давлении и а = 1

Примечание. Жаропроизводительность дана без учета содержания влаги в воздухе.

Воспламенение горючей газовоздушной смеси может быть осу­ ществлено двумя способами: нагревом всего объема смеси до температуры воспламенения, называемой в этом случае темпера­ турой самовоспламенения, или поджиганием смеси в одном или нескольких местах внешним источником тепла, имеющим доста­ точно высокую температуру. Первый способ применяется, напри­ мер, в двигателях внутреннего сгорания, когда за счет сжатия топливовоздушная смесь нагревается до температуры самовос­ пламенения.

Для газогорелочных устройств применяют второй способ зажи­ гания. В этом случае фронт горения от места зажигания распро­ страняется по струе вытекающей из горелки газовоздушной смеси за счет нагревания соседних слоев смеси до температуры вос­ пламенения. Скорость и характер распространения фронта горе­ ния по потоку газовоздушной смеси в этом случае зависят от ряда ниже рассматриваемых факторов.

Прежде всего следует учитывать, что не всякая холодная газовоздушная смесь, заключенная в замкнутый объем, может быть воспламенена внешним источником зажигания. Воспламеняются

182

«бедных» смесей — смесей с недостаточным содержанием горю­ чего газа — тепла, выделившегося при горении в очаге поджи­ гания, не хватает для нагрева соседних слоев смеси до темпера­ туры воспламенения и самопроизвольное горение смеси не до­ стигается. «Богатые» смеси — смеси со слишком большим содер­ жанием горючего газа — при поджигании также не горят само­ стоятельно, так как из-за недостатка воздуха в смеси у очага поджигания сгорает малое количество газа и выделяющегося при этом тепла недостаточно для поддержания температуры воспла­ менения.

Этим двум условиям соответствуют нижний и верхний концен­ трационные пределы воспламеняемости (взрываемости) газа (см. табл. Х.2). Нижний предел соответствует минимальному, а верх­ ний — максимальному содержанию горючего газа в смеси, при котором происходит ее воспламенение при зажигании и самопро­ извольное (без притока тепла извне) распространение пламени. Вне концентрационных пределов газовоздушные смеси не горят н не взрываются. В интервале между нижним и верхним преде­ лами смеси при поджигании в атмосфере горят, а в замкнутом объеме взрываются.

Таким образом, при поджигании у устья горелки газовоздуш­ ной смеси с различным содержанием в ней газа могут иметь место следующие случаи.

1. Из устья вытекает газовоздушная смесь с содержанием газа, меньшим нижнего предела воспламеняемости. В этом случае смесь не загорится, хотя ее горючие составляющие в пламени запальника будут гореть.

2. Из устья горелки вытекает смесь, количество газа в которой находится между нижним и верхним пределами воспламеняемо­ сти. Тогда при определенном соотношении скорости истечения смеси и скорости распространения пламени по потоку смесь будет гореть.

3. Из горелки вытекает смесь, количество газа в которой пре­ вышает верхний предел воспламеняемости. При этом условии вытекающая смесь также будет гореть. В горении будет участво­ вать не только воздух, содержащийся в смеси, но и воздух из окружающей зону горения атмосферы.

4. В замкнутом объеме (например, в топке или газоходе), за­ полненном газовоздушной смесью, воспламенение ее (взрыв) возможно только при условии, что содержание газа в смеси нахо­ дится в интервале между нижним и верхним пределами воспла­ меняемости и в объем внесен источник температуры, величина которой выше температуры воспламенения. Давление, возникаю­ щее при взрыве газовоздушных смесей, определяется на опытных установках. Для природных газов оно достигает 7—8 кгс/см2. Обусловлено это быстрым, почти мгновенным сгоранием газа, очень быстрым нагревом и расширением образующихся продук­ тов сгорания и скачкообразным повышением их давления.

183

Давление, возникающее при взрыве смеси простого газа с су­ хим воздухом при стехиометрическом их соотношении,

коэффициент объемного расширения газов, численно равный коэф­ фициенту увеличения давления; tK — калориметрическая темпе­ ратура горения, °С; т и п — соответственно число молекул после взрыва и до него; определяется по реакциям горения.

Пределы воспламеняемости газовоздушных смесей при повы­ шении температуры расширяются, при повышении давления и увеличении балластных компонентов сужаются.

Для смеси горючих газов без балласта пределы воспламеняемо­ сти приближенно можно определить по формуле Ле-Шателье:

или при наличии в смеси небольшого количества балластных газов (СО 2 и N 2) по формуле

я см. о= ^см [1 + В 1(1 - Б)] • 100/Ц00+ П смБ /( 1 - Б)],

где # см — нижний или верхний пределы воспламеняемости неза­ балластированной смеси,-по объему; П см. $ — нижний или верх­

% по объему; Б — содержание балласта в смеси в долях единицы.

§ Х.4. Температура горения газов

Основное количество тепла, выделяющееся при сгорании топ­ лива, расходуется на нагрев продуктов горения до определенной температуры. Различают следующие температуры горения газов: жаропроизводительность, калориметрическую, теоретическую и

действительную.

Жаропроизводителъностъю £ж называют температуру продук­ тов полного сгорания горючего газа в адиабатических условиях с коэффициентом избытка воздуха а = 1,0 при первоначальной температуре газа и воздуха t = 0° С.

ном давлении составных частей продуктов сгорания в пределах от 0 до £ж, °С, ккал/(м3 -°С).

184

В формуле (Х.14) применяют среднюю теплоемкость, так как теплоемкость — величина непостоянная, увеличивающаяся с по­ вышением температуры. Поэтому при определении £ж предвари­ тельно задаются величиной теплоемкости, соответствующей ожи­ даемой жаропроизводительности. Затем определяют объемы ком­ понентов продуктов сгорания, задаются их средними теплоемко­ стями (табл. Х.З) и подсчитывают жаропроизводительность. Если она отличается от ранее принятой, задаются другой жаропроизводительпостыо и расчет повторяют.

Т а б л и ц а Х.З

Средняя объемная теплоемкость газов при постоянном давлении от 0 до t° С, ккал/(м3 • °С)

В табл. Х.2 приведена жаропроизводительность некоторых газов при их горении в сухом воздухе.При сгорании газов в атмо­ сферном воздухе, содержащем около 1% влаги (по массе), жаро­ производительность снижается на 25—30° С.

Калориметрическая тем пература горения газов tK в отличие от жаропроизводительности учитывает коэффициент избытка воз­ духа и физическое тепло топлива и воздуха.

185

постоянном давлении C 0 2, H 20 , N 2 h 0 2 b пределах от 0 до tK°С, ккал/(м3 • °С).

Физическое тепло газа и воздуха следует учитывать, если они перед сжиганием нагреты выше 100° С, так как при меньших температурах величина дфИЗ незначительна по сравнению с QH.

Теоретическая тем пература горения tT учитывает потери тепла при эндотермических реакциях диссоциации продуктов сгорания.

При температурах, не превышающих 1600° С, степень диссо­ циации и синтеза продуктов сгорания незначительна, и затраты тепла на эти процессы обычно не учитываются. Но при более вы­ соких температурах, получаемых за счет подогрева воздуха, например в мартеновских печах, влияние диссоциации и синтеза на температуру горения газа следует учитывать.

Жаропроизводительность, калориметрическая и теоретическая температуры горения являются теоретическими величинами, не до­ стигаемыми в реальных условиях сжигания газа, и служат для сопоставления предельно возможных температур горения раз­ личных газов.

Действительная тем пература горения газового топлива £д, достигаемая в реальных условиях его сжигания, значительно ниже калориметрической и теоретической температур, так как при ее определении учитываются теплопотери в окружающую среду, длительность процесса горения, метод сжигания газа и другие факторы.

калориметрическая температура. Для большинства топок котлов и печей г]Пир находится в пределах 0,65—0,75 и лишь для наибо­ лее совершенных из них г|Пир = 0»8 -f- 0,85.

Температура горения в значительной степени зависит от коэф­ фициента избытка воздуха, заметно понижаясь с увеличением или уменьшением а относительно стехиометрического состава. При а 1,0 повышение температуры горения может быть достигнуто улучшением качества перемешивания газа с воздухом, уменьше­ нием теплопотерь топки и предварительным нагревом воздуха и газа.

186

§ Х.5. Скорость горения газа

При сжигании газовоздупшой смеси зона горения распростра­ няется по объему смеси с определенной скоростью, называемой скоростью распространения пламени. Определение ее величины при различных условиях горения производится экспериментально с учетом состава смеси, температуры, давления, режима движения,

Фронт Воспламенения

Рис. Х.1. Схема распространения пламени в трубке.

Т — температура; С —концентрация горючего; qw — тепловы­ деления.

методов сжигания и ряда других факторов. Наиболее часто для сравнительной оценки скорости распространения пламени приме­ няют два метода — статический и динамический.

При статическом методе скорость распространения пламенп определяется измерением скорости перемещения фронта пламени по газовоздупшой смеси, заключенной в трубку из тугоплавкого стекла. Если левый конец трубки заглушен, то при поджигании газовоздупшой смеси с открытого правого конца можно наблюдать за перемещением пламени в трубке. При этом вдоль оси трубки справа налево движутся последовательно: зона подогрева смеси, фронт воспламенения и зона реакций горения, оставляя за собой продукты, сгорания. По кривым рис. Х.1 видно, что в зоне подо­ грева за счет теплопроводности от фронта горения смесь нагре­ вается от первоначальной температуры Т 0 до температуры само­ воспламенения Гс, затем воспламеняется, при этом за счет интен­ сивной реакции в зоне горения температура возрастает до макси­ мального значения Г 2. Процесс горения сопровождается резким снижением концентрации горючего газа в смеси от значения С0 до нуля. Уменьшению концентрации горючего газа в зоне горения

187

соответствует интенсивный рост тепловыделений, показанный кривой qw.

Замеренную (например, с помощью кинокамеры) скорость дви­ жения пламени в этом случае называют равномерной скоростью распространения пламени. Данный метод прост и нагляден, но неточен, так как по мере удаления фронта горения от открытого конца трубки происходят ускорение и вибрация движения пламени за счет проявления детонации и, кроме того, определяемая линей­ ная скорость движения пламени зависит от диаметра трубки и с его уменьшением замедляется за счет увеличения относительных теплопотерь через стенки. Поэтому диаметр трубки должен быть оговорен. При очень малом диаметре трубки, называемом крити­ ческим, удельные теплопотери настолько увеличиваются, что движе­ ние пламени вообще прекращается. Для стехиометрической метано­ воздушной смеси критический диаметр равен примерно 3,5 мм.

На рис. Х.2 графически показана зависимость равномерной ско­ рости распространения пламени от состава некоторых газовоз­ душных смесей при 20° С, давлении 760 мм рт. ст. и диаметре трубки 25 мм. Из графика видно, что максимальное значение этой скорости соответствует не стехиометрическому соотношению газа и воздуха, а некоторому недостатку последнего.

Динамический метод определения скорости распространения пламени, предложенный Гюи и В. А. Михельсоном, основан на измерении геометрических размеров конусного фронта пламени газовой горелки Бунзена. Этот метод позволяет определить так называемую нормальную скорость распространения пламени ин, направленную по нормали к фронту горения холодной газо­ воздушной смеси. При этом методе регулированием состава и ско­ рости газовоздушной смеси, ламинарно вытекающей из горелки, добиваются образования устойчивого резко очерченного голубого внутреннего конуса горения (рис. Х.З). Стабильность формы этого конуса обеспечивается тем, что в каждой точке его поверх­ ности нормальная скорость распространения пламени ин, направ­ ленная по нормали внутрь конуса, будет равна прямопротивопо­

где wH — нормальная составляющая скорости потока; wa — скорость потока; для приближенных расчетов можно принять, что скорость потока одинакова по всему сечению; ф — угол между скоростью потока и нормалью к фронту горения; ин — нормаль­ ная скорость распространения пламени.

Средняя скорость потока, м/сек,

188

Из формулы (Х.22) видно, что с увеличением радиуса горедки и скорости потока высота внутреннего конуса горения

189

увеличивается, а с увеличением нормальной скорости распрост­ ранения пламени — уменьшается. Из формулы (Х.22)

Таким образом, определение нормальной скорости распростра­ нения пламени динамическим методом сводится к вычислению средней скорости газовоэдушной смеси в горелке и измерению высоты внутреннего конуса горения. Нор­ мальная скорость распространения пла­ мени меньше равномерной скорости рас­

пространения пламени (табл. Х.4)., Определяемые описанными методами

скорости распространения пламени могут иметь место в неподвижных или ламинарно движущихся газовоздушных смесях. В практике сжигания газа, особенно в топках промышленных агрегатов, пламя распространяется в турбулентном потоке смеси. В этом случае фронт пламени имеет неровную поверхность, а при большой турбулентности он разрывается на мно­ жество очагов горения, перемешиваю­ щихся со струйками холодной смеси, что значительно увеличивает скорость распро­ странения пламени. В этом случае гово­ рят о турбулентной скорости распростра­ нения пламени ит, которая в значитель-

190