14.3. Елементи теорії горіння та організація процесу спалювання палива

Горіння – складний фізико-хімічний процес взаємодії палива з окиснювачем, який супроводжується інтенсивним виділенням теплоти та швидким ростом температури.

Якщо паливо та окиснювач знаходяться в однаковому фазовому стані, то горіння називається гомогенним, якщо в різних фазових станах – гетерогенним. Горіння газового палива є процесом гомогенним, а горіння коксу в потоці повітря – гетерогенним.

14.3.1. Гомогенне горіння. Горіння газоподібного палива

Експериментальне вивчення багатьох газових реакцій свідчить, що механізм цих реакцій відрізняється від механізму, який відповідає закону діючих мас. Багато газових реакцій протікають через проміжні стадії з більш низьким порядком реакцій і меншою енергією активації, обминаючи високий енергетичний бар’єр. В процесі протікання таких реакцій активними проміжними продуктами або активними центрами найчастіше є вільні атоми або радикали. Реакції з таким механізмом називають ланцюговими. Теорія ланцюгових реакцій створена Н. Н. Семеновим. Згідно цієї теорії, горіння трактується як ланцюгова реакція з розгалуженими ланцюгами, коли один активний центр вступаючи в реакцію, викликає створення двох чи більше нових активних центрів. В таких реакціях концентрація активних центрів значно вища від рівноважної і зростає в ході реакції. У зв’язку з цим різко зростає і швидкість реакції.

Процес горіння газового палива складається із декількох стадій: утворення горючої суміші, підігрівання суміші до температури спалаху та горіння летких.

Мінімальна температура, за якої газ спалахує, називається температурою спалаху. Ця температура не є фізико-хімічною характеристикою, а залежить для кожного палива від умов підведення і відведення теплоти та деяких інших чинників. Температура спалаху водню лежить в межах 580-590 ^оС, оксиду вуглецю – 644-658 ^оС, метану –650-750 ^оС, етилену – 542-547 ^оС, ацетилену – 406-440 ^оС. Знання температури спалаху має велике практичне значення з точки зору організації безпечного процесу горіння, оскільки границі спалаху та границі вибуху газів співпадають.

Повний час згоряння палива _Г складається із часу _д, необхідного для підведення окиснювача до палива (сумішеутворення) – дифузійна стадія процесу, та часу _К , необхідного для протікання самої хімічної реакції горіння – кінетична стадія процесу.

. (14.14)

Для спалювання газу можливі два граничні випадки. Якщо _д,  _К, то _Г  _д і горіння називають дифузійним. В цьому випадку процес горіння лімітується в основному часом сумішеутворення. Якщо _К,  _д, то _Г  _К і горіння лімітується часом самої хімічної реакції.

В залежності від способу подачі повітря, необхідного для горіння, можливі такі види спалювання газу.

1. Горіння однорідної газової суміші, коли спалюється попередньо підго-товлена горюча суміш.

2. Дифузійне горіння, коли газ і повітря подаються окремо.

3. Горіння з недостатнім об’ємом повітря (газ подається разом з повітрям, але об’єм останнього недостатній для повного горіння).

Найважливішою умовою інтенсивного та повного горіння є хороший контакт окиснювача з горючим і сумішеутворення газу з повітрям.

Дифузійний принцип спалювання здійснюється за умови окремої подачі газу та повітря. Розрізняють дифузійне ламінарне та турбулентне, в залежності від характеру руху полум’я (факелу), горіння.

Особливістю дифузійного ламінарного горіння є вкрай повільне сумішеутворення і низька інтенсивність процесу із-за поганої теплопровідності газів. У випадку ламінарного руху газу та повітря їх змішування проходить тільки за рахунок молекулярної дифузії, а стійкий фронт полум’я, тобто шар, який відділяє продукти горіння від вихідних продуктів, встановлюється тільки в зоні стехіометричного складу суміші.

Розподіл температур і концентрацій в зоні горіння залежить від співвідношення між коефіцієнтом температуропровідності та дифузії. Особливістю ламінарного дифузійного горіння є розтягнутий характер факелу (рис. 14.1).

Р ис. 14.1. Структура ламінарного дифузійного факелу

Дифузійне горіння газу в турбулентному потоці характеризується складнішим механізмом горіння у порівнянні з ламінарним. Сильний вплив на довжину факела створює ступінь закручування струменів газу та повітря і кут зустрічі цих струменів. Змінюючи ці параметри можна регулювати довжину факелу в дуже широких межах. Завдяки перевагам закрученого потоку забезпечується добре сумішеутворення та інтенсивне горіння.

Перехід ламінарного дифузійного горіння в турбулентне для більшості газів проходить за умови чисел Рейнольдса Rе  2200.

Турбулентний дифузійний факел забезпечує рівномірніше розподілення температур та рівномірнішу тепловіддачу в робочому просторі камери згоряння і застосовується в основному, тоді, коли газ спалюється у великих кількостях.

Спалювання газу з недостатньою кількістю повітря застосовується з метою отримання нейтральної захисної атмосфери в муфельних та електричних печах. Нагрівання стальних виробів у захисній атмосфері захищає їх від окиснення. Для спалювання газу з кількістю повітря, що становить 0,7…0,8 від теоретичного в продуктах горіння містяться СО та Н₂, а у випадку зниження кількості повітря – метан та важкі вуглеводні. Спалювання газу з малою кількістю повітря супроводжується крекінгом вуглеводнів сажі.