Механизм горения газообразного топлива

Он протекает по реакциям окисления гомогенного типа. Для протекания процесса горения газа должны быть созданы определённые условия, которые включают:

1.Необходимость подвода к горючему газу достаточного количества окислителя и перемешивание его с топливом.

2.Концентрационный состав газовоздушной смеси должен находится в пределах воспламеняемости.

3.Наличие источника воспламенения.

4.Необходимость создания условий для стабилизации фронта воспламенения, т.е. определённого температурного уровня.

Сам механизм реакции горения представляет собой процесс быстрого высокотемпературного окисления, сочетающий химические и физические явления, когда во фронте пламени концентрация окислителя и топлива резко падает, а концентрация продуктов сгорания и температура резко повышаются.

В соответствии с современными представлениями процесса горения согласно теории, развитой Р.Р. Семёновым и его школой, горение топлива, включая газообразное, протекает по цепным реакциям с неразветвлёнными и разветвлёнными цепями. В процессе цепной реакции возникают свободные атомы, радикалы и другие неустойчивые промежуточные соединения, обладающие повышенной химической активностью. Реагируя с исходным веществом, активные центры могут образовывать не только конечные продукты, но и активные промежуточные продукты.

Начальный процесс образования активных веществ из исходных веществ называется зарождением цепи. Этот процесс всегда идёт с поглощением энергии (эндотермический процесс), так как для разрыва внутримолекулярных связей необходима энергия.

Разветвление цепи происходит в результате реагирования одной молекулы активного вещества с исходным веществом, в результате чего образуются две или несколько молекул активного продукта. Под обрывом цепи понимают процесс, при котором активный продукт пропадает. Если скорость разветвления больше скорости обрыва, то происходит развитие цепи, если наоборот, то реакция практически не идёт. К обрыву цепи может привести активных центров между собой, с молекулами инертного газа и со стенкой.

Наиболее простой является реакция горения водорода. Сложнее процесс горения углеводородов.

Процесс горения водорода относится к цепным реакциям и осуществляется следующим образом:

 

1.
3Н₂ + О₂ > 2Н + 2Н₂О

2.
Н + О₂ > ОН + О

3.
О + Н₂ > НО + Н

4.
ОН + Н₂ > Н₂О + Н

5.
Н + СТ > 1/2Н₂

6.
Н + М + О₂ > Н₂О + М

где ОН,О – активные группы;

2Н – два активных центра;

СТ – стенка;

М – молекула инертного газа.

Как видно из приведённых соотношений, в результате взаимодействия молекулы водорода с молекулой кислорода получаются две молекулы воды и два новых атома водорода, которые являются активными центрами и таким образом цепная реакция получает разветвление, и называется реакцией с разветвлёнными цепями.

Согласно закона действующих масс, скорость любой химической реакции, в том числе и окисления газов, зависит от концентрации реагирующих веществ и температуры.

Согласно закона Аррениуса, скорость реакции равна:

,

где С – концентрация.

Энергия активации (Е) может быть определена экспериментально для каждой элементарной химической реакции по скоростям реакции при разных температурах. Численные значения энергии активации реакции горения большинства газовых смесей лежат в пределах от 83 до 167.5 МДж/Кмоль.

На скорость химической реакции оказывают влияние температура и давление. С увеличением температуры скорость реакции резко возрастает согласно следующей закономерности:

,

где ω₁ – скорость химической реакции при температуре Т₁;

ω₂ – скорость химической реакции при температуре Т₂.

Так например для метановоздушной смеси при энергии активации 167.4 МДж/Кмоль и R = 8.374 КДж/Кмоль∙К, повышение температуры в два раза приводит к увеличению скорости реакции в 5∙10⁸ раз.

При определённых значениях давления реакция может идти медленно или совсем не идти, но достаточно иногда незначительно повысить это давление и смесь прореагирует очень быстро. Влияние давления на скорость реакции описывается следующим соотношением:

,

где n – порядок реакции (горение углеводородных топлив относится к реакции второго порядка).

Таким образом при сжигании газа скорость химической реакции прямопропорциональна давлению.

^