Основные положения теории горения

Горением называют процесс быстрого химического соединения горючих элементов топлива с окислителем, обычно с кислородом воздуха, сопровождающийся выделением теплоты и света.

Непосредственно перед горением требуется обеспечить хорошее перемешивание между молекулами горючих веществ топлива с окислителем. Затем полученную смесь необходимо нагреть до температуры воспламенения. Выделяемая при горении теплота расходуется на нагрев новых порций топлива и воздуха, вступающих в реакцию, на нагрев образующихся при этом продуктов сгорания и на компенсацию потерь теплоты в окружающую среду. Температура воспламенения мазута 530—600 и газов 500—700 °С. При достижении температуры воспламенения реакции окисления резко ускоряются, и процесс переходит непосредственно в горение.

При отоплении печей обычно используют факельный метод сжигания топлива. Факел — частный вид пламени, образующегося при подаче топлива и воздуха в печь струями. В факеле происходят одновременно процессы перемешивания, подогрева смеси до температуры воспламенения и собственно горения. Факел имеет вполне определенную форму и размеры.

В теории горения различают гомогенное и гетерогенное горение. Гомогенное горение происходит в объеме, а гетерогенное — на поверхности капелек, а затем, после испарения летучих составляющих, на сажистых частицах. Чем меньше размер частиц жидкого топлива, тем больше будет удельная поверхность взаимодействия твердой фазы с газовой. Поэтому распыливание жидкого топлива позволяет сжечь больше топлива в единице объема, т. е. интенсифицировать горение.

Гомогенное горение может происходить в двух режимах: кинетическом и диффузионном. В первом случае в зону горения, например в рабочее пространство печи, подают заранее подготовленную топливно-воздушную смесь. Основной этап процесса — прогрев смеси и окисление горючих составляющих топлива. При этом, факел получается короткий и высокотемпературный. Предварительный подогрев смеси или обогащение воздуха кислородом ускоряет процесс горения. Так, подогрев многих газовоздушных смесей до 500 °С приводит к увеличению скорости горения почти в 10 раз. Температура предварительного подогрева смеси не должна превышать температуры ее воспламенения, чтобы избежать горения внутри горелки. Во втором случае процессы смешения, подогрева смеси и горения осуществляются в факеле одновременно. Наиболее медленная стадия — смесеобразование, т. е. встречная диффузия молекул и микро- и макрообъемов газа и воздуха. Поэтому факел будет длиннее, чем в первом случае. Желая сократить длину факела, газовый и воздушный поток дробят на отдельные струйки. Этому же способствует увеличение скоростей струй и направление потоков газа и воздуха под углом друг к другу и т. д. Улучшения перемешивания газа с воздухом добиваются с помощью выбора более совершенной горелки, подогрева газа, воздуха и т. д.

Механизм горения всех веществ может быть объяснен теорией цепного воспламенения и горения, разработанной академиками Н. Н. Семеновым и Я- Б. Зельдовичем и др. Суть теории состоит в том, что окисление совершается не сразу по стехиометрическим соотношениям, а через ряд промежуточных реакций с образованием так называемых активных центров, которыми являются радикал ОН, а также атомы водорода и кислорода. Они вызывают последовательную цепь реакций.

При неблагоприятных условиях, например низкой температуре смеси, количество активных центров уменьшается, цепи обрываются, и процесс окисления прекращается. В соответствии с этой теорией при температуре воспламенения образование и обрыв цепей количественно равны друг другу. При повышении температуры смеси выше температуры воспламенения образование (разветвление) цепей превышает их обрыв, что обеспечивает устойчивое горение. Если приход теплоты при горении будет больше теплоотвода, то скорость реакции горения резко возрастет. При этом могут возникнуть ударные волны, обладающие большой разрушительной силой.

Воспламенение смеси горючего газа и воздуха возможно только при определенном их соотношении. Предельные соотношения их называют концентрационными пределами. Различают нижний и верхний пределы, определяемые предельным содержанием горючего газа в смеси, %. Для водорода пределы имеют значения 4,1—75; оксида углерода 12,5—75; метана 5,3—14; коксового газа 5,6—30,4, а для природного газа 4—13.

Повышение температуры смеси расширяет пределы воспламенения, а увеличение давления и наличие в смеси негорючих газов (С0₂, N₂), наоборот, сужает эти пределы. При подогреве смеси до температуры воспламенения смесь воспламеняется при любых соотношениях газа и воздуха.

Концентрационные пределы имеют большое практическое значение для безопасного разжигания печей, ремонтных работ на газопроводах и т. д. Если, например, в рабочем пространстве и дымоходах слаборазогретой печи имеются газовые смеси, то они могут воспламениться. При плохом теплоотводе из зоны горения процесс ускоряется вплоть до детонации, заканчивающейся взрывом.

Все сказанное выше справедливо для понимания процессов горения газообразного топлива. Однако для отопления печей используют и мазут, сжигаемый в распыленном состоянии. Вследствие этого процесс сжигания мазута слагается из отдельных стадий: распыление, смешение с воздухом, подогрев до температур вспышки и воспламенения, горение капли и твердого остатка (кокса). Все отдельные стадии совершаются или на поверхности капли или вблизи нее. Существенное влияние на процесс горения оказывает кипение жидкого топлива с образованием паровой фазы. Хотя горение мазута определяется многими факторами, однако окисление горючих окислителем носит цепной характер.

В теплотехнике часто используют понятие теплового напряжения, под которым подразумевают количество теплоты, выделяющееся при сжигании топлива в единицу времени, отнесенное к 1 м³ топки или рабочего пространства печи. Для жидкого топлива оно доходит до 600 кВт/м³, а для газообразного — вдвое больше.

2.5. Аналитический расчёт горения топлива

Расчеты необходимы для определения расхода воздуха на горение, количества и состава продуктов горения и температуры горения.

Для расчетов используют следующие соотношения и величины:

1) отношение объемного содержания азота к кислороду в обычном воздухе, не обогащенного кислородом, ;

2) молекулярную массу химических элементов для водорода она приближенно равна 2, для азота — 28, кислорода и серы — 32;

3) объемы воздуха и продуктов горения при нормальных условиях (температура 0°С, давление 101,3 кПа).

Рассмотрим состав жидкого топлива

Горючими составляющими являются углерод, водород и сера. При использовании сухого воздуха реакции полного горения этих составляющих имеют вид

;

При горении 1 моля углерода и серы расходуется по 1 молю кислорода. При горении 2 молей водорода расходуется также 1 моль кислорода. С каждым молем кислорода вносится в печь молей азота. Азот переходит в продукты горения. Поэтому, например, при горении 1 моля углерода получается 1моль углекислого газа и 3,76 моля азота. При горении углерода по этой реакции выделяется количество теплоты . При горении водорода образуется свой состав продуктов горения и выделяется иное количество теплоты.

На горение 1 моля углерода затрачивается 1 кмоль кислорода объемом 22,4 м³. Если надо рассчитать расход кислорода на 1 кг углерода, то объем 1 кмоля кислорода делят на молекулярную массу углерода, равную 12. Поэтому на 1 кг С расходуется 22,4/12 = = 1,867 м³/кг O₂. Рассуждая аналогично, получим, что на горение 1 кг Н затрачивается 22,4/(2·2) = 5,5 м³ O₂ (произведение в знаменателе означает, что в реакции горения принимают участие две молекулы водорода с молекулярной массой 2). На горение 1 кг S расходуется 22,4/32 = 0,7 м³ O₂.

Выше был определен объем кислорода, который нужно подать на горение 1 кг углерода, водорода и серы. Кислород нужно подавать с воздухом. Но в состав топлива, выраженного в % по массе, входит какое-то количество килограммов свободного кислорода. Определим его в м³ следующим образом. Если бы имелось 32 кг кислорода, то это соответствовало бы объему 22,4 м³, но масса кислорода — O^р, тогда, составив пропорцию

32 — 22,4

O^p —x,

получим

м³.

Кислород топлива уменьшает потребность в кислороде воздуха.

Любое топливо — это смесь горючих элементов, поэтому общий расход кислорода (воздуха) определяется суммированием его расхода для отдельных элементов.

Определим расход кислорода, необходимого для полного горения 1 кг мазута с учетом кислорода топлива, м³/кг:

.

Теоретический расход воздуха для полного горения 1 кг топлива, м³/кг:

Состав газообразного топлива

Как и ранее, запишем все реакции горения:

;

;

;

.

По аналогии с первой реакцией запишем реакцию горения углеводородов:

.

В рассматриваемом случае можно воспользоваться объемным соотношением горючего и кислорода. Видно, например, что на горение 1 м³ СО или Н₂ необходимо израсходовать 0,5 м³ О₂. Для сероводорода расход кислорода на 1 м³ газа увеличивается в 3 раза. Для горения 1 м³ углеводорода типа в соответствии с реакцией горения, например, метана нужно подать м³ О₂.

Теоретически необходимый расход кислорода для горения единицы топлива, м³/м³

.

В это выражение содержания горючих составляющих и кислорода подставляют в %.

Теоретический расход воздуха, м³/м³

Действительный расход воздуха, необходимый для полного сжигания топлива, всегда превышает теоретический. Это объясняется несовершенством перемешивания топлива с воздухом. Разность между теоретически необходимым и действительным расходом воздуха будет тем меньше, чем лучше перемешано топливо с воздухом в топливосжигающем устройстве или в рабочем пространстве печи. Очевидно, что газ легче перемешивать с воздухом, чем мазут. Поэтому при сжигании мазута требуется больший избыток воздуха, чем при сжигании газа. Для уменьшения избытка воздуха мазут обычно сжигают в распыленном виде, что улучшает перемешивание топлива с воздухом.

Отношение действительного расхода воздуха к теоретически необходимому называют коэффициентом расхода воздуха:

, или

где; и —действительный и теоретический расходы воздуха, м³/кг или м³/м³.

Коэффициент расхода воздуха зависит от вида топлива, кон­струкции топливосжигающего устройства (горелки или форсунки) и температуры подогрева воздуха и газа. Так, например, мазут сжигают с избытком воздуха, соответствующим коэффициенту а = 1,15, а газ с .