Общая характеристика процессов горения

Горением называется процесс взаимодействия топлива с окисли­телем, сопровождающийся выделением тепла, а иногда и света. Роль окислителя в подавляющем большинстве случаев выполняет кислород воздуха. Всякое горение предполагает прежде всего тесный контакт между молекулами топлива и окислителя. Поэтому, чтобы происходило горение, необходимо обеспечить этот контакт, т. е. необходимо смешать топливо с воздухом. Следовательно, процесс горения складывается из двух стадий: 1) смешение топ­лива с воздухом; 2) горение топлива. Во время протекания вто­рой стадии происходят сначала воспламенение, а затем уже и горе­ние топлива,

В процессе горения образуется пламя, в котором протекают реакции горения составляющих топлива и выделяется тепло, В технике при сжигании газообразного, жидкого и твердого пыле­видного топлив применяют так называемый факельный метод сжигания. Факел - это частный случай пламени, когда топливо и воздух поступают в рабочее пространство печи в виде струй, которые постепенно перемешиваются одна с другой. Поэтому форма и длина факела обычно вполне определенные.

При наиболее распространенном в металлургии и машинострое­нии факельном сжигании топлива аэродинамическую основу процесса составляют струйные течения, исследование которых основано на применении положений теории свободной турбулент­ности к различным случаям. Поскольку при факельном сжигании характер движения струй может быть ламинарным и турбулент­ным, в процессах смешения большая роль принадлежит молеку­лярной и турбулентной диффузии. На практике при создании устройств для сжигания топлива (горелок, форсунок) применяют различные конструктивные приемы (направляют струи под углом друг к другу, создают закручивание струй и др.) с тем, чтобы организовать смешение так, как это необходимо для конкретного случая сжигания топлива.

Различают гомогенное и гетерогенное горение. При гомоген­ном горении тепло-и массообмен протекают между телами, нахо­дящимися в одинаковом агрегатном состоянии. Гомогенное горе­ние происходит в объеме и свойственно газообразному топливу.

При гетерогенном горении тепло-и массообмен происходят между телами, находящимися в разных агрегатных состояниях (в состоянии обмена находятся газ и поверхность частиц топлива). Такое горение свойственно жидкому и твердому топливам. Правда, при горении жидкого и твердого топлив благодаря испарению капель и выделению летучих есть элементы и гомогенного горения. Однако при гетерогенном процессе в основном идет горение с по­верхности.

Гомогенное горение может протекать в кинетической и диффу­зионной областях.

При кинетическом горении полное перемешивание топлива с воздухом осуществляют предварительно, и в зону горения подают заранее подготовленную топливо-воздушную смесь. В этом случае основную роль играют химические процессы, связанные с проте­канием реакций окисления топлива. При диффузионном гомоген­ном горении процессы смешения и горения не разделены и совер­шаются практически одновременно. В этом случае процесс горения определяется перемешиванием, так как время смешения гораздо больше времени, необходимого для протекания химической реак­ции. Таким образом, полное время протекания процесса горения складывается из времени смесеобразования (τ_см) и времени соб­ственно химической реакции (τ_х), т. е.

(2.1)

При кинетическом горении, когда смесь приготовлена предвари­

тельно:

При диффузионном горении, наоборот, время смешения неиз­меримо больше времени протекания химической реакции

При гетерогенном горении твердого топлива также различают кинетическую и диффузионную области реагирования. Кинети­ческая область возникает в том случае, когда скорость диффузии в порах топлива значительно превосходит скорость химической реакции; диффузионная область возникает при обратном соот­ношении скоростей диффузии и горения.

С точки зрения смесеобразования, осуществляемого при помощи газогорелочных устройств, организация процессов сжигания топ­лива в воздушном потоке может быть осуществлена на основе трех принципов: диффузионного, кинетического и смешанного.

 

Возникновение пламени

 

Возникновение пламени (воспламенение топлива) может про­изойти только после того, как будет достигнут необходимый кон­такт молекул топлива и окислителя. Любая реакция окисления протекает с выделением тепла. Вначале реакция окисления идет медленно с выделением малого количества тепла. Однако выделя­ющееся тепло способствует повышению температуры и ускорению реакции, что в свою очередь приводит к более энергичному вы­делению тепла, которое опять-таки оказывает благоприятное влия­ние на развитие реакции. Таким образом, происходит постепенное нарастание скорости реакции до момента воспламенения, после чего реакция идет с очень большой скоростью и носит лавинный характер. В реакциях окисления неразрывно связаны друг с дру­гом механизм химической реакции и тепловые характеристики процесса окисления. Первичным фактором является химическая реакция и вторичным - выделение тепла. Оба эти явления тесно связаны между собой и влияют друг на друга.

Уста­новлено, что воспламенение возможно как в изотермических усло­виях, так и при повышении температуры. В первом случае про­исходит так называемое цепное воспламенение, при котором скорость реакции нарастает в результате увеличения числа активных центров, возникающих только в результате химического взаимодействия. Чаще воспламенение происходит в неизотерми­ческих условиях, когда увеличение числа активных центров происходит в результате как химического взаимодействия, так и термического воздействия. В практических условиях обычно прибегают к искусственному поджиганию топлива, вводя в зону горения определенное количество тепла, что приводит к резкому ускорению момента достижения воспламенения.

Температура воспламенения не является фи­зико-химической константой, определяемой только свойствами смеси; она определяется условиями протекания процесса, т. е. характером теплообмена с окружающей средой (температурой, формой сосуда и др.).

Температуры воспламенения различных топлив приведены в таблице 5.

Таблица. 5 - Температуры воспламенения в воздухе при атмо-

сферном давлении.

Вещество	Температу­ра воспламенения, К	Вещество	Температу­ра воспламенения, К
мини­маль­ная	макси- маль-ная	мини­маль­ная	макси- маль-ная
Водород Окись углерода Метан Этан Пропан Бутан			Ацетилен Бензин Керосин Нефть Бурый уголь Кокс	- -

 

Кроме температуры, большое влияние на процесс зажигания топлива оказывает концентрация горючей составляющей в смеси, Существуют такие минимальная и максимальная концентрации горючей составляющей, ниже и выше которых вынужденное воспламенение произойти не может. Такие предельные концен­трации называются нижними и верхними концентрационными пределами воспламенения; значения их для некоторых газов приведены в таблице 6.

Таблица 6 - Пределы воспламенения в воздушных и кислородных смесях при атмосферном давлении и температуре 20^оС

 

Горючий газ	Химическая формула	Концентрационные пределы восплаиенения в воздушных смесях, % газа по объему	Концентрационные пределы восплаиенения в кислородных смесях, % газа по объему
Водород Окись углерода Метан Этан Пропан Бутан Пентан Гексан Гептан Октан Этилен Ацитилен Бензол Метилов.спирт Этиловый спирт Сероуглерод Сероводород Водяной газ Коксовый газ Природный газ Доменный газ	Н2 СО СН4 С2Н6 С3Н8 С4Н10 С5Н12 С6Н14 С7Н16 С8Н18 С2Н4 С2Н2 С6Н6 СН3ОН СН5ОН СS Н2S - - - -	12,5 3,22 2,37 1,86 1,4 1,25 1,0 0,95 3,75 2,5 1,41 6,72 3,28 1,25 4,3 6,0 5,6 5,1,	74,2 74,2 12,45 9,5 8,41 7,8 6,9 6,0 - 29,6 6,75 36,5 18,95 50,0 45,50 28-30,8 12,1-25 65-73,9	4,65 15,5 5,4 4,1 2,3 1,8 - - - - 2,9 3,5 2,6 - - - - - - - -	93,9 93,9 59,2 50,5 - - - - 79,9 89,4 - - - - - - - -

 

Чтобы установить пределы воспламенения промышленных газов, которые являются смесью различных горючих компонентов, пользуются правилом Ле-Шателье, по которому

 

, (2.2)

где Z- искомый нижний или верхний предел воспла­менения;

Z ₁; Z ₂; Z ₃ - соответствующие пределы воспламенения для горючих компонентов топлива;

Р ₁; Р₂; Р₃ - процентное содержание отдельных горючих компонентов в топливе.

Если газообразное топливо содержит балласт в виде СО₂ и N₂, то для определения пределов воспламенения применяют формулу

, (2.3)

где σ = СО+ N₂ – содержание балласта в горючем газе, %;

Z^г - пределы воспламенения, рассчитанные для горючей массы газа.