7889

короткое время пребывания топлива в факелах (например, в двигателях внутреннего сгорания). В них всегда происходит выброс в атмосферу непрореагировавшего топлива: газа, бензина, дизельного топлива и т.д.

На крупных ТЭЦ горение происходит в длинных факелах, и доля несгоревшего топлива существенно ниже.

Для разветвленных цепных реакций существует зависимость способности гомогенной смеси к воспламенению от температуры и давления смеси. Эта зависимость называется

полуостровом воспламенения. Типичный график зависимости представлен на рис.3.

Верхняя и нижняя кривая образуют верхний и нижний пределы воспламенения. При условиях выше верхнего предела или ниже нижнего предела воспламенение невозможно.

Объяснение существования пределов воспламенения связано с соотношением скорости разветвления и скорости обрыва цепи.

Если первая больше второй, то воспламенение произойдет. В противном случае при постоянно действующем источнике зажигания реакция переходит в стационарный режим.

Существование нижнего предела связано с тем, что при снижении давления скорость реакции разветвления уменьшается, так как она пропорциональна концентрации веществ. В то же время скорость обрыва цепи на стенках увеличивается из-за снижения концентрации молекул и числа столкновений, препятствующих достижению стенок активными частицами. Увеличивается длина свободного пробега активных частиц. Все большая доля активных частиц может достигнуть стенок сосуда. При некотором давлении скорость обрыва цепей на стенке окажется больше скорости разветвления цепей, и реакция перейдет в стационарный режим.

Существование верхнего предела связано с тем, что с ростом давления скорость обрыва цепи в объеме начинает преобладать над скоростью разветвления. Реакция в условиях

31

выше верхнего предела также переходит в стационарный режим, при котором скорость обычно очень мала.

Конкретные значения величин давления и температуры отличаются для разных систем. Например, точка, в которой соединяются верхняя и нижняя кривая (мыс полуострова воспламенения), для смеси водорода и кислорода, соответствует давлению 5 мм рт. ст. и температуре 385°С, а конец верхней кривой соответствует давлению 400 мм рт. ст. и температуре

580°С.

Верхний предел значительно зависит от температуры. На него оказывает также сильное влияние природа и количество примесей, играющих роль третьей частицы при обрыве. На него мало влияет форма и размер сосуда.

Напротив, на нижний предел оказывает влияние форма сосуда, его диаметр и материал его стенок. Влияние температуры на нижний предел незначительно.

Поэтому каждому составу смеси и каждому реакционному сосуду отвечает своя область воспламенения. При постоянном общем давлении горючего и окислителя изменение их соотношения также приводит к изменению пределов воспламенения. При снижении концентрации горючего (при сохранении постоянным общего давления) весь график смещается вправо параллельно оси температуры. При добавлении в горючую смесь инертного газа пределы воспламенения также будут изменяться. Например, нижний предел будет снижаться. Смесь, которая могла находиться вне пределов воспламенения, при добавлении инертного газа может попасть внутрь полуострова и воспламениться.

32

Р

Верхний предел воспламенения

Область

цепного взрыва

Область отсутствия цепного взрыва

Нижний предел воспламенения

Рисунок 3 - Полуостров воспламенения водорода в кислороде

Т

ГЛАВА 2

ГОРЕНИЕ ГАЗООБРАЗНЫХ ВЕЩЕСТВ

Горение газовых смесей является гомогенным процессом. Особенностью горения гомогенных систем является наличие критических условий, т.е. определенных, характерных для данной конкретной горючей смеси параметров, вне пределов которых реакция протекает стационарно, без самоускорения, а в

33

их пределах она самоускоряется. К таким параметрам относится: концентрация горючего вещества и окислителя; давление газовой смеси; начальная температура горения; наличие примесей; геометрия сосуда, в котором происходит горение; материал его стенок и некоторые другие параметры.

Переход от медленного процесса к быстрому процессу горения носит резкий характер. Достаточно изменить лишь некоторые параметры.

Время полного израсходования горючего зависит от источника зажигания – его мощности, температуры, площади действия. Если параметры смеси находятся в области воспламенения, то достаточно кратковременного воздействия источника зажигания, чтобы произошло быстрое сгорание смеси.

Характер горения гомогенной газовой смеси

Горение гомогенной газовой смеси зависит от способа подачи воздуха, необходимого для горения. Существуют различные виды сжигания газов. Осуществляют горение предварительно подготовленной горючей газовой смеси, состоящей из окислителя и окисляемого вещества, и горение раздельно поступающих окислителя и горючего газа в зону реакции.

В предварительно перемешанной смеси окислителя и окисляемого веществ – стехиометрической газовой смеси интенсивность горения зависит только от скорости элементарных химических реакций. Такой вид горения называют кинетическим. В стехиометрической газовой смеси реакция идет во всем объеме смеси при выходе из горелки.

Ламинарное и турбулентное горение стехиометрической газовой смеси

Для стехиометрической газовой смеси различают ламинарное и турбулентное горение. При ламинарном движении газа скорость его движения распределяется в горелке по

34

параболе. Это обусловлено тем, что у стенок внутри горелки скорость газа очень мала в результате трения и достигает максимальной скорости на оси горелки. Аналогичное распределение скорости сохраняется и при выходе из горелки (рис. 4).

Поток стехиометрической смеси окислителя и горючего газа

Рисунок 4 - Ламинарное горение стехиометрической газовой смеси

На выходе из горелки скорость потока равна скорости распространения пламени υпот. = υпл. Выходной срез горелки нагрет до высокой температуры и обеспечивает непрерывное зажигание стехиометрической смеси окислителя и горючего вещества.

У стенки горелки скорость потока меньше, чем скорость горения, но пламя не может проникнуть внутрь вследствие охлаждения газа ниже разогретого выходного среза горелки, где

υпот. > υпл.

В процессе нарастания скорости потока от периферии к центру пламя образует конусообразный факел.

Ламинарное горение стехиометрической смеси характеризуется небольшой высотой пламени, высокой температурой и практически полным сгоранием горючего газа. Эти характеристики являются несомненным достоинством такого горения.

35

К недостаткам такого вида горелок следует отнести нестабильность пламени. Проскок пламени внутрь или отрыв пламени от устья горелки происходит при малейшем нарушении равенства скоростей движения и горения газового потока υпот. =

υпл.

Турбулентное горение однородной газовой наблюдается при высоких скоростях движения газа. Оно используется для интенсификации горения и требует стабилизации пламени. Попутный поток атмосферного воздуха, сопровождающий движение горящего газа, охлаждает зажигающее кольцо горелки. Оно теряет поджигающую способность и факел погасает.

Диффузное горение газа

Диффузное горение газа происходит в случае, когда через горелку подается горючий газ, не смешанный с окислителем. Газ и воздух подаются раздельно, а горение поддерживается в результате взаимной диффузии окислителя и окисляемого вещества. В зависимости от характера движения смешивающихся газов различают ламинарное диффузное горение и турбулентное диффузное горение.

Ламинарное диффузное горение осуществляется в условиях, когда кислород, необходимый для горения, поступает из окружающей атмосферы и смешивается с горючим газом в результате молекулярной диффузии. При круглой горелке формируется конусообразный факел. Горение поддерживается за счет кольцевой зоны зажигания раскаленной верхней кромки газовой горелки. Факел обладает большой устойчивостью. Проскок пламени в горелку исключается из-за раздельной подачи горючего газа и воздуха. Зона устойчивого горения располагается на поверхности факела, где устанавливается стехиометрическое соотношение между горючим газом и кислородом воздуха. Именно стехиометрическое соотношение обеспечивает устойчивость факела. Реакция горения осуществляется в узкой светящейся зоне фронта горения,

36

которая значительно разбавлена горячими продуктами горения и не превышает по толщине 1 мм. Образующиеся продукты сгорания диффундируют как в окружающее пространство, так и внутрь факела. Поверхность пламени отделяет окислительную область вне факела, в которой имеются кислород и продукты сгорания, но нет горючего газа, от восстановительной области внутри факела, в которой нет кислорода, но есть горючий газ и продукты сгорания (рис. 5).

Поток горючего газа Рисунок 5- Ламинарное диффузное горение газа

Газ, поступающий из горелки в зону горения, нагревается за счет горячих продуктов реакции и подвергается термическому разложению – пиролизу. Так, метан в восстановительной зоне в отсутствии кислорода уже при 680 – 700 оС частично термически распадается с образованием свободного углерода, высокодисперсного углерода (сажи), водорода и трудносжигаемых углеводородов. Доля термической деструкции метана при 950 оС составляет 26%, а при 1150 оС достигает уже

90%.

Свободный углерод, раскаленная сажа и другие мелкодисперсные частицы, находящиеся в пламени, излучают яркий свет.

Достоинства ламинарного диффузного горения:

37

-отсутствие проскока пламени внутрь горелки;

-высокая устойчивость пламени при изменении тепловых нагрузок

-равномерная температура по длине пламени.

Кнедостаткам следует отнести:

-термический распад углеводородов;

-низкая интенсивность горения;

-высокая доля продуктов неполного сгорания горючего

газа.

Турбулентное диффузное горение осуществляется в условиях интенсивного перемешивания горючего газа и кислорода воздуха. Именно этот способ горения широко используется в промышленных теплогенерирующих установках.

Положение зоны воспламенения и горения в турбулентном диффузном горении соответствует месту точек, где образуется смесь стехиометрического состава.

Практика показывает, что выделяющаяся при сгорании газа энергия в форме теплоты посредством диффузии и турбулентной теплопроводности горячих продуктов горения передается горючей смеси, обеспечивая её воспламенение и распространение пламени.

Положение зоны горения определяется условиями турбулентной диффузии, а скорость горения – скоростью диффузии. При наличии турбулентной диффузии фронт горения получается волнистым, размытым на отдельные части и слабо устойчивым. К тому же турбулентному диффузному горению присуще неполное сгорание горючего газа и продуктов пиролиза горючего газа.

Структура и механизм горения газовых смесей

При вытекании вертикальной газовой струи снизу в верх в атмосферное пространство образуются зоны горения смеси газов. Смеси с большим содержанием горючего газа условно

38

называются «богатыми», а наибольшая концентрация горючего вещества в смеси с воздухом, при которой еще возможно стойкое, незатухающее распространение горения – верхним концентрационным пределом воспламенения (ВКПВ). Смеси с малым содержанием горючего газа называются «бедными», а наименьшая концентрация горючего вещества в смеси с воздухом, при которой уже возможно стойкое, незатухающее распространение горения – нижним концентрационным пределом воспламенения (НКПВ). Вне этих пределов смеси горючего газа с окислителем (воздухом) не горят.

НКПВ

Т ≈ 1350 – 1550 оС

ВКПВ; Т ≈ 50 оС

Рисунок 6 - Распределение температур в пламени при горении газообразных веществ

В промежутке между концентрационными пределами горения газовой смеси лежит поверхность стехиометрического состава газовой смеси. В этом тончайшем слое максимальная температура и максимальная скорость горения. Благодаря этому слою устанавливается стационарный режим горения и форма пламени. Ориентировочно максимальная температура пламени в тонком слое стехиометрической смеси для большинства углеводородов равна 1350 – 1550 оС (рис. 6).

39

Затраты воздуха на сжигание топлива

При горении веществ в воздухе происходит быстрая химическая реакция окисления между горючим веществом и кислородом воздуха с интенсивным тепловыделением. В результате этой реакции образуются в основном оксиды элементов, входящих в состав горючего вещества. При сгорании углеводородов, состоящих из атомов С и Н, образуется СО2 (двуокись углерода) и Н2О (вода). При неполном сгорании наряду с ними образуются СО (окись углерода) и Сn(тв) (углерод) в виде сажи. При написании уравнения горения и составлении материального баланса, как правило, записывают только продукты полного окисления СО2 и Н2О. Если в составе горючего вещества есть сера (S), то при сгорании образуется SО2. Азот (N), входящий в состав горючего вещества, при горении в воздухе не окисляется, а выделяется в виде свободного азота (N2).

С3Н8 + 5О2 3СО2 + 4Н2О С3Н8 + 5О2 3СО2 + 4Н2О С3Н6О + 4О2 3СО2 + 3Н2О

СS2 + 3О2 СО2 + 2SО2

Н2S + 1,5О2 Н2О + SО2

NН3 + 0,75О2 0,5N2 + 1,5Н2О.

Записанные уравнения химических реакций горения являются брутто-уравнениями, которые показывают только начальное и конечное состояние системы. Они не отражают механизма химического взаимодействия при горении, который достаточно сложен и протекает через ряд промежуточных стадий с участием атомов и радикалов.

Уравнение материального баланса процесса горения отличается от уравнения химической реакции тем, что в него для удобства расчетов включают азот, содержащийся в воздухе и не участвующий в химическом превращении. Для расчетов будем принимать, что воздух состоит на 21 % (об.) из кислорода и на 79 % (об.) из азота, т.е. в нем на 1 моль кислорода приходится

40