Вопрос 18

Горение газового топлива представляет собой совокупность сложных аэродинамических, тепловых и химических процессов. Для протекания процесса горения газа должны быть созданы определенные условия. Во-первых, необходимо к горючему газу подвести в достаточном количестве окислитель (чаще всего воздух) и перемешать их. Во-вторых, состав газо­воздушной смеси должен находиться в концентрационных пределах вос­пламеняемости. В-третьих, должен быть создан источник воспламенения. В-четвертых, необходимо создать условия для стабилизации фронта вос­пламенения, то есть определенный температурный уровень.

Горение - это процесс быстрого высокотемпературного окисления, сочетающий физические и химические явления, когда во фронте пламени концентрация топлива и окислителя резко падает, а концентрация продук­тов сгорания и уровень температуры резко повышаются. >

Процесс смесеобразования предшествует горению, осуществляется до ввода газа и воздуха в топку или же одновременно с подачей газа и возду­ха.

Подготовка горючей смеси газа с необходимым количеством воздуха может осуществляться как вне топки, без теплового воздействия на про­цесс смесеобразования, так и в зоне горения, то есть в топке, где одновре­менно с образованием локальных объемов горючей смеси сразу же начи­нается горение. Если в первом случае в зону горения непрерывно поступа­ет заранее подготовленная смесь, то во втором случае газ и необходимое количество воздуха подводятся к зоне горения раздельно. Очевидно, воз­можны и различные промежуточные схемы организации горения.

Горение заранее подготовленной смеси нередко условно называют кинетическим, а горение, протекающее одновременно со смесеобразова­нием в топке, - диффузионным, так как это смесеобразование включает процессы турбулентной (в заключительной стадии - молекулярной) диф­фузии. Эти термины введены Г. Кнорре и обобщенно характеризуют про­цессы смешения и горения, хотя в ряде случаев не отражают действитель­ных процессов, протекающих при горении заранее подготовленной смеси, так как в последнем случае интенсивность процесса определяется не зако­нами химической кинетики, а законами теплообмена и диффузии.

Реакция горения любого углеводорода в кислороде выражается урав­нением

С_тН_п+(т+п/4)0₂=тС0₂+(п/2)Н₂0. (6.1.)

Например, реакция горения метана имеет вид: СН4+20₂=С0₂=2Н₂0. Если сжигание производится в среде воздуха, то реакция примет вид СmНn+(т + п/4)(0₂+3.76N₂ ) = тС0₂ + п / 2(Н₂0) + 3.76(т + п/4)N₂. (6.2.) Из стехиометричсеких соотношений определяют количество воздуха, необходимое для полного сгорания газа V₀, м³/м³. Для всех углеводородов справедливо следующее соотношение

V₀ = 4.76(т + п/4). (6.3)

С увеличением относительной молекулярной массы растет и теорети­ческое количество воздуха, необходимого для сжигания. В реальных усло­виях для сжигания требуется некоторый избыток воздуха, поэтому вводит­ся понятие коэффициента избытка воздуха а.

Для того, чтобы могли протекать реакции горения, необходимо соз­дать условия для воспламенения смеси топлива и окислителя. Воспламенение может быть самопроизвольным и вынужденным. Под самовоспла­менением понимается прогрессирующее самоускорение химических реак­ций, в результате которого медленно протекающий в начальной стадии процесс достигает больших скоростей и на завершающей стадий протекает мгновенно. Вынужденное воспламенение (зажигание) обусловлено внесе­нием в реагирующую смесь источника теплоты, температура которого выше её температуры воспламенения.

Процесс воспламенения характеризуется тем, что имеются опреде­ленные границы (пределы), вне которых воспламенение не наступает ни при каких условиях. Известно, что газовоздушные смеси воспламеняются только в том случае, когда содержание газа в воздухе находится в опреде­ленных (для каждого газа) пределах. При незначительном содержании газа количество теплоты, выделившейся при горении, недостаточно для дове­дения соседних слоев смеси до температуры воспламенения, то есть для распространения пламени. То же наблюдается и при слишком большом со­держании газа в газовоздушной смеси. Недостаток кислорода воздуха, идущего на горение, приводит к понижению температурного уровня, в ре­зультате чего соседние слои не нагреваются до температуры воспламене­ния. Этим двум случаям соответствуют нижний и верхний пределы вос­пламеняемости.

Пределы воспламеняемости смесей газов, не содержащих балластных примесей или содержащих их в небольшом количестве, могут быть при­ближенно определены по формуле

г де L² - предел воспламеняемости (верхний или соответственно нижний) газовой смеси;

r₁, r₂, r_n содержание компонента в газовой смеси, % (без воздуха ) ;

l₁, l₂, l_n - пределы воспламеняемости (верхний или нижний) отдельных

компонентов, входящих в газовую смесь.