Продолжительность горения горючих газов

Процесс горения горючих газов состоит из 2х стадий: физической и химической. Следовательно, продолжительность процесса горения складывается из времени, затраченного на физическую и химическую стадии.

Полное время горения:

 = _физ + _хим

Физическая стадия включает в себя процесс подготовки смеси к горению, т.е. перемешивание газа с воздухом и подогрев смеси до температуры воспламенения.

Химическая стадия включает в себя время протекания химической реакции окисления горючих элементов.

Полное время горения зависит от способа перемешивания газа и воздуха. При хорошем предварительном перемешивании газа и воздуха время на подготовку очень мало и продолжительность физической стадии близка к нулю, а сам процесс горения протекает очень быстро: τ≈τ_хим

Это время составляет 0,003 – 0,007 секунды.

При отсутствии предварительного перемешивания газа и воздуха значительно возрастает продолжительность физической стадии и по сравнению с ней химическая стадия очень мала по времени:  _физ

В зависимости от влияния температуры на процесс горения различают 2 вида горючих газов:

1. Теплоустойчивые, которые при высоких температурах без доступа кислорода не разлагаются на составные части. К ним относятся искусственные газы, состоящие из водорода и окиси углерода. В присутствии кислорода они очень быстро сгорают и поэтому называются быстрогорящими газами.

2. Теплонеустойчивые, которые при высоких температурах (выше 1000^оС) без доступа кислорода разлагаются на составные части. К ним относятся все природные и искусственные газы, состоящие из углеводородов. При нагревании они сначала разлагаются на углерод и водород, а потом сгорают, на это затрачивается большое количество времени, требуется большой объем воздуха, поэтому они называются медленногорящими газами.

Методы сжигания горючих газов

В зависимости от способа и места перемешивания горючего газа с воздухом различают 3 метода сжигания газа:

- диффузионный – горение яркосветящимся пламенем;

- кинетический – беспламенное горение;

- смешанный (диффузионно – кинетический) – горение несветящимся факелом.

Рассмотрим методы сжигания газа на примере работы инжекционной газовой горелки.

Рисунок 5.1.1. Рисунок 5.1.1. Методы сжигания газа

3. Основная зона - зона полного горения;

4. Зона продуктов сгорания;

5. Видимый фронт пламени.

1. Внутренний конус, состоящий из чистого газа или смеси газа и воздуха (зона подготовки смеси);

2. Зона неполного горения смеси;

Диффузионное сжигание газа

осуществляется без предварительного перемешивания газа и воздуха. В горелку подается только газ. Подача первичного воздуха в смеситель горелки отсутствует. Воздух подается в топку, где и смешивается с газом. Перемешивание газа и воздуха в топке осуществляется за счет диффузии.

Диффузия – это способность молекул одного вещества (кислорода) проникать в толщу другого (горючего газа). Различают 2 вида диффузии:

1. Молекулярная - за счет теплового движения молекул воздуха и газа, которые имеют большие скорости, но очень короткий пробег, что замедляет перемешивание.

2. Турбулентная - за счет скорости движения потока воздуха относительно потока газа.

П роцесс диффузии протекает очень медленно, особенно молекулярная диффузия. По этой причине требуется много времени на подготовку смеси, полное время горения очень продолжительно и примерно равно физической стадии ( _физ). Поэтому, для полного сжигания газа требуется большое количество воздуха, т.е. большой его избыток  =1,2 – 1,3.

В результате медленного горения факел имеет большие размеры и очень низкую температуру: в ядре факела в основной зоне - не более 1400^оС, а на его поверхности около 1000^оС. Внутри факела образуется большая по размерам зона неполного горения, куда затруднен доступ кислорода воздуха. При неполном сгорания газа образуется углерод в виде сажи. Частицы сажи под действием высокой температуры начинают светиться, что придает всему факелу яркосветящийся вид.

Диффузионный факел обладает высокой устойчивостью, т.е. не стремится к отрыву или проскоку при любой нагрузке. При увеличении нагрузки на горелку увеличивается подача газа, при этом факел только увеличивает свои размеры, но не отрывается от горелки. Диффузионные горелки иногда называются горелками внешнего смешения, т.к. перемешивание газа и воздуха происходит за пределами горелки. Такие горелки применяются в промышленных печах, где требуется сравнительно низкая, но равномерная по объему топки температура. Они также применяются в паровых и водогрейных котлах малой мощности, которые имеют неэкранированные топки.

При использовании диффузионного горения в экранированных топках светящийся факел отдает «холодным» экранам большое количество теплоты излучением, температура факела существенно снижается, что приводит к химическому недожогу и образованию сажи.

Для интенсификации диффузионного горения стремятся увеличить турбулентную диффузию за счет подвода потока воздуха с большой скоростью под углом к потоку газа, а также за счет дробления потока газа на множество струек.

Достоинства диффузионного горения:

1. Высокая устойчивость факела при любой нагрузке на горелку;

2.Возможность подачи воздуха в топку с высокой температурой превышающей температуру воспламенения газа;

3. Равномерная температура по всему объему топки, что дает возможность в промышленных печах обеспечивать равномерный нагрев различных изделий.

Недостатки диффузионного горения:

1. Для полного сжигания газа требуется большой избыток воздуха (), что увеличивает потери теплоты q₂ с уходящими газами.

2. Для полного сжигания требуется большой объем топки, работающей с малым тепловым напряжением.

3. Слабая интенсивность горения и низкая температура факела приводят к уменьшению температурного напора и увеличению поверхности нагрева агрегатов.