Гомогенне горіння. Горіння газоподібного палива

Експериментальне вивчення багатьох газових реакцій свідчить, що механізм цих реакцій відрізняється від механізму, який відповідає закону діючих мас. Багато газових реакцій протікають через проміжні стадії з більш низьким порядком реакцій і меншою енергією активації, обминаючи високий енергетичний бар’єр. В процесі протікання таких реакцій активними проміжними продуктами або активними центрами найчастіше є вільні атоми або радикали. Реакції з таким механізмом називають ланцюговими. Теорія ланцюгових реакцій створена Н. Н. Семеновим. Згідно цієї теорії, горіння трактується як ланцюгова реакція з розгалуженими ланцюгами, коли один активний центр вступаючи в реакцію, викликає створення двох чи більше нових активних центрів. В таких реакціях концентрація активних центрів значно вища від рівноважної і зростає в ході реакції. У зв’язку з цим різко зростає і швидкість реакції.

Процес горіння газового палива складається із декількох стадій: утворення горючої суміші, підігрівання суміші до температури спалаху та горіння летких.

Мінімальна температура, за якої газ спалахує, називається температурою спалаху. Ця температура не є фізико-хімічною характеристикою, а залежить для кожного палива від умов підведення і відведення теплоти та деяких інших чинників. Температура спалаху водню лежить в межах 580-590 ^оС, оксиду вуглецю – 644-658 ^оС, метану –650-750 ^оС, етилену – 542-547 ^оС, ацетилену – 406-440 ^оС. Знання температури спалаху має велике практичне значення з точки зору організації безпечного процесу горіння, оскільки границі спалаху та границі вибуху газів співпадають.

Повний час згоряння палива t_Г складається із часу t_д, необхідного для підведення окиснювача до палива (сумішеутворення) – дифузійна стадія процесу, та часу t_К, необхідного для протікання самої хімічної реакції горіння – кінетична стадія процесу.

. (14.14)

Для спалювання газу можливі два граничні випадки. Якщо t_д, >>t_К, то t_Г» t_д і горіння називають дифузійним. В цьому випадку процес горіння лімітується в основному часом сумішеутворення. Якщо t_К, >>t_д, то t_Г» t_К і горіння лімітується часом самої хімічної реакції.

В залежності від способу подачі повітря, необхідного для горіння, можливі такі види спалювання газу.

1. Горіння однорідної газової суміші, коли спалюється попередньо підго-товлена горюча суміш.

2. Дифузійне горіння, коли газ і повітря подаються окремо.

3. Горіння з недостатнім об’ємом повітря (газ подається разом з повітрям, але об’єм останнього недостатній для повного горіння).

Найважливішою умовою інтенсивного та повного горіння є хороший контакт окиснювача з горючим і сумішеутворення газу з повітрям.

Дифузійний принцип спалювання здійснюється за умови окремої подачі газу та повітря. Розрізняють дифузійнеламінарне та турбулентне, в залежності від характеру руху полум’я (факелу), горіння.

Особливістю дифузійного ламінарного горіння є вкрай повільне сумішеутворення і низька інтенсивність процесу із-за поганої теплопровідності газів. У випадку ламінарного руху газу та повітря їх змішування проходить тільки за рахунок молекулярної дифузії, а стійкий фронт полум’я, тобто шар, який відділяє продукти горіння від вихідних продуктів, встановлюється тільки в зоні стехіометричного складу суміші.

Розподіл температур і концентрацій в зоні горіння залежить від співвідношення між коефіцієнтом температуропровідності та дифузії. Особливістю ламінарного дифузійного горіння є розтягнутий характер факелу (рис. 14.1).

 

Рис. 14.1. Структура ламінарного дифузійного факелу

Дифузійне горіння газу в турбулентному потоці характеризується складнішим механізмом горіння у порівнянні з ламінарним. Сильний вплив на довжину факела створює ступінь закручування струменів газу та повітря і кут зустрічі цих струменів. Змінюючи ці параметри можна регулювати довжину факелу в дуже широких межах. Завдяки перевагам закрученого потоку забезпечується добре сумішеутворення та інтенсивне горіння.

Перехід ламінарного дифузійного горіння в турбулентне для більшості газів проходить за умови чисел Рейнольдса Rе > 2200.

Турбулентний дифузійний факел забезпечує рівномірніше розподілення температур та рівномірнішу тепловіддачу в робочому просторі камери згоряння і застосовується в основному, тоді, коли газ спалюється у великих кількостях.

Спалювання газу з недостатньою кількістю повітря застосовується з метою отримання нейтральної захисної атмосфери в муфельних та електричних печах. Нагрівання стальних виробів у захисній атмосфері захищає їх від окиснення. Для спалювання газу з кількістю повітря, що становить 0,7…0,8 від теоретичного в продуктах горіння містяться СО та Н₂, а у випадку зниження кількості повітря – метан та важкі вуглеводні. Спалювання газу з малою кількістю повітря супроводжується крекінгом вуглеводнів сажі.

Горіння рідкого палива

Для горіння рідкого палива фізичними стадіями процесу є розпилювання палива, прогрівання його, випаровування та утворення горючої суміші. У зв’язку з цим можливі два випадки.

1. Спалювання палив, що легко випаровуються. Паливо спочатку випаровується, змішується з повітрям і горюча гомогенна суміш подається в камеру згоряння. В цьому випадку механізм та закономірності горіння рідкого палива нічим не відрізняються від горіння газоподібного.

2. Спалювання палива у рідкому стані. Таке спалювання застосовують у випадку спалювання палива, яке важко випаровується (мазут, смоли, солярове масло) в паленищах парових котлів, у промислових печах, в дизелях. В даний час не існує достатньо строгої теорії горіння палива в рідкому стані. Встановлено, що горіння рідкого палива можливе тільки в паровій фазі, оскільки температура кипіння рідких палив завжди нижча від температури самоспалахування.

Існує нижня та верхня межі спалахування рідкого палива. Нижня границя відповідає найнижчій температурі рідкого палива, коли пари над ним в суміші з повітрям здатні загорятися від зовнішнього джерела запалювання. Верхній границі відповідає температура рідкого палива, за якої воно запалюється та горить вслід за спалахуванням парів.

Інтенсифікація. Спалювання рідкого палива пов’язане головним чином з інтенсифікацією розпилювання та випаровування. Для тонкого однорідного розпилювання і сумішеутворення служать форсунки різних типів (механічні, парові, повітряні і т.п.) Призначення процесу розпилювання або пульверизації полягає в збільшенні поверхні контакту рідини з повітрям. За рахунок випромінювання в камері згоряння випаровування та термічний розклад інтенсифікуються.

Спалахування палива проходить не відразу на виході із форсунки, а на деякій відстані, там де створюється відповідний склад суміші і достатньо висока температура (рис. 14.2).

 

Рис. 14.2. Структура факелу рідкого палива

 

В цьому випадку, коли забезпечується турбулізація струменю та його закручування, як у випадку спалювання газу, факел утворюється короткий, а спалювання повніше. Висока ефективність горіння рідкого палива досягається в циклонних печах.

Гетерогенне горіння

Горіння твердого палива – це складний фізико-хімічний процес, що складається з низкиу послідовних та паралельних стадій: теплова підготовка, що включає підсушування, виділення летких і утворення коксу, горіння летких та коксу з утворенням димових газів і негорючої золи.

Волога з палива випаровується в температурному інтервалі 0 - 100 ^оС, а температура початку виходу летких залежить від геологічного віку палива. Так, для бурого вугілля виділення летких починається за температури 150 - 170 ^оС, а для антрациту – за температури порядку 400 ^оС.

Механізм горіння палива визначається горінням коксу-вуглецю, що складає основну горючу частину твердого палива.

Леткі речовини спричиняють вплив на горіння коксу, оскільки загоряються раніше і сприяють прогріванню частинок коксу, горіння коксу починається завичай після вигоряння летких.

Шлак є небажаною домішкою палива. Він понижує теплоту згоряння палива, зменшує горючу частину і за умови значної кількості її в паливі ускладнює доступ окиснювача до коксу. Горіння може бути ускладнене шлакуванням частинок горючого, якщо температура в зоні горіння перевищує температуру плавлення шлаку.

В загальному вигляді горіння вуглецю може бути описане такою схемою:

С + О₂ = СО_{2 ;} (14.15)

2С + О₂ = 2СО; (14.16)

С + СО₂ = 2СО; (14.17)

2СО + О₂ = 2 СО_{2 .} (14.18)

Оскільки структура вуглецю (коксу) пориста, процес горіння протікає не тільки на поверхні, але і в об’ємі частинки. Горіння може протікати як в кінетичній, так і в дифузійних областях, результуюча швидкість горіння визначається більш правильним процесом.

За умови відносно низької температури (< 400 ^оС), швидкість хімічної реакції менша, ніж швидкість дифузії окиснювача до поверхні вуглецевого тіла, швидкість горіння визначається кінетикою хімічної реакції на поверхні.

За дуже високих температур швидкість хімічної реакції настільки зростає, що процес горіння в цілому починає визначатись швидкістю дифузії, швидкістю підводення окиснювача, тобто його динамічними чинниками. Залежність зміни швидкості горіння від температури t і співвідношення кінетичної та дифузійної областей горіння показано на рис.14.3.

Рис. 14.3. Зміна швидкості горіння в залежності від температури

 

Швидкість дифузійного горіння не залежить від температури і зростає із збільшенням відносної швидкості (W) газового потоку окиснювача та зменшенням розміру d частинки.

Часто процес горіння твердого палива характеризується швидкостями горіння, які лежать в проміжній області. Для оцінки можливості інтенсифікації горіння твердого палива можна скористатись виразом для визначення швидкості вигоряння вуглецю

, (14.19)

де К_р – результуюча константа швидкості реакції, С - концентрація окиснювача; S_v – відносна поверхня палива в одиниці об’єму камери згоряння, зайнятого гарячим паливом.