Работаете в энергетике? Присоединяйтесь к нашему сообществу http://www.rosteplo.ru/soc/registration

Вы можете редактировать страницы энциклопедии

Механизм реакции горения

Материал из РосТепло
Перейти к: навигация, поиск
← Газообразное топливо Содержание Теплота сгорания различного топлива →


Содержание раздела

Горение – процесс быстрого высокотемпературного окисления, сочетающий физические и химические явления. Горение состоит из большого числа элементарных окислительно-восстановительных процессов, приводящих к перераспределению валентных электронов между атомами взаимодействующих веществ – цепная реакция. В процессе цепной реакции возникают свободные атомы, радикалы и другие неустойчивые промежуточные соединения, обладающие повышенной химической активностью – активные центры. Реагируя с исходным веществом, активные центры образуют конечные продукты реакции и новые активные промежуточные центры.

Начальный процесс образования активных центров из исходных веществ называется зарождением цепи. Этот процесс всегда идет с поглощением энергии, т.е. является эндотермическим.

Разветвление цепи происходит в результате реагирования активного центра с исходным веществом, в результате образуется несколько активных центров.

Под обрывом цепи понимают процесс, при котором активный продукт исчезает.

Если скорость разветвления больше скорости обрыва, то происходит развитие цепной реакции. Если скорость обрыва больше, чем скорость разветвления, то реакция не идет. Цепная реакция с неразветвленными цепями характеризуется образованием только одного нового активного центра – результат взаимодействия существовавшего активного центра с исходным веществом. Цепная реакция с разветвляющимися цепями характеризуется образованием нескольких активных центров (взамен израсходованного), что приводит к значительному ускорению реакции. К обрыву цепи может привести столкновение активных центров: между собой, с молекулами инертного вещества, со стенкой топки, со стенкой теплообменного устройства.

Наиболее простым является механизм реакции окисления (горения) водорода, а наиболее сложным – окисление углеводородов. Окисление водорода относится к цепной реакции с разветвляющимися цепями и состоит из следующих элементарных стадий:

1. H2 + O2 → H + H2O – зарождение цепи

2. H + O2 → OH + O – разветвление цепи

3. O + H2 → OH + H – продолжение цепи

4. OH + H2 → H2O + H – продолжение цепи

5. H + стенка → (1/2) H2 – обрыв цепи на стенке

6. H + O2 + M → H2O + M – обрыв цепи в объеме


В результате взаимодействия атома водорода с молекулой кислорода получаются 2 молекулы воды и 3 новых атома водорода (активные центры), т.е. цепная реакция является разветвленной. Скорость цепных реакций очень чувствительна к посторонним примесям и к форме сосуда (топки).

О завершении процесса горения судят по анализам продуктов сгорания, выполняемых с использованием газохроматографического метода исследований (определение избытка воздуха, с которым работает горелка, может производиться двумя методами: по анализу газовоздушной смеси в смесителе горелки и по анализу продуктов сгорания).

На интенсивность горения топлива могут оказывать влияние следующие факторы:

- Повышение температуры реагирующих веществ – топлива и окислителя. При повышении температуры на каждые 10° скорость реакции возрастает в 2–4 раза – правило Вант-Гоффа. (Воздействие температуры на реакции изучает особый раздел химии – «Термохимия»).

- Фотохимическое действие света, заключающееся в том, что молекулы реагирующих веществ, поглощая кванты света, возбуждаются, т.е. становятся более реакционноспособными. (Воздействие света видимого, ультрафиолетового на реакции изучает – «Фотохимия»).

- Ионизирующее излучение – (изучает – «Радиационная химия»).

- Давление – (изучает – «Химия сжатия»).

- Механическое воздействие. Механохимическим актом является разрыв химических связей в веществе под действием механических сил (дробление, перетирание и др.). Возникающие при этом «осколки» молекул повышают реакционноспособность веществ. (Химические процессы, происходящие под действием механических сил, изучает «Механохимия»).

- Каталитическое воздействие. Катализаторы – это вещества, изменяющие скорость реакции. В присутствии катализатора изменяется путь, по которому происходит суммарная реакция. Так, реакция окисления CO кислородом 2CO + O2 = 2CO2 в значительной степени ускоряется в присутствии паров воды, это вызвано развитием цепей с участием свободных радикалов OH и H:

OH + CO → CO2 + H – зарождение цепи

H + O2 → OH + O – продолжение цепи

CO + O → CO2 – продолжение цепи

В зависимости от агрегатного состояния катализатора и реагирующих веществ различают катализ гомогенный и гетерогенный.

Химические реакции, происходящие между веществами, находящимися в одной фазе, называют гомогенными, в разных фазах – гетерогенными.

Горение твердого топлива состоит из подогрева, испарения влаги, возгонки летучих, образования кокса, окисления летучих, окисления кокса – гетерогенный процесс.

Горение жидкого топлива состоит из нагрева, кипения, испарения, окисления – гетерогенный процесс.

Горение газообразного топлива состоит из двух стадий: подогрева и окисления – гомогенный процесс.


Горение газа

Процесс горения газообразного топлива сопровождается быстрым окислением простых горючих газов и пирогенетическим разложением сложных газов. Пирогенетическое разложение протекает с выделением сажистого углерода и с образованием быстро окисляющихся низкомолекулярных соединений. Сажистый углерод в факеле придает пламени окраску и делает его светящимся. При предварительном смешении воздуха с простыми газами (CO, H2) пирогенетическое разложение отсутствует и смесь горит прозрачным пламенем. Присутствие в смеси инертных газов N2 и CO2 повышает температуру воспламенения, а кислород – понижает; с повышением давления температура воспламенения понижается.

Температуру воспламенения смесей горючих газов ориентировочно можно рассчитать по формуле:


tвоспл.см ≈ 0,01 (ata + btb + ctc + …)


где: a, b, c – содержание горючих газов, %;

ta , tb , tc – температуры воспламенения газов, °С.

Скорость воспламенения зависит также от состава газов и обычно не превышает 10 м/сек.

При горении газообразного топлива в некоторых условиях возможен взрыв, особенно при быстром воспламенении горючей смеси определенного состава в небольшом объеме. Тепло, выделяющееся при этом, почти полностью расходуется на нагрев продуктов горения, быстрое расширение которых вызывает сжатие окружающего слоя. При большой скорости воспламенения сжатие не успевает распространяться по всему объему пространства и локализуется. Это вновь вызывает сжатие и расширение, т.е. образуется взрывная волна, распространяющаяся со скоростью 2000–3000 м/сек.

Взрывная волна образуется не только от нагревания, но и в результате электрохимических процессов. Предупредить образование взрывоопасной смеси можно надежной герметизацией газопроводных устройств, положительным давлением газа в газопроводе и полным исключением возможности воспламенения смеси.



Таблица 7.1. Скорость распространения пламени в смесях горючих газов с воздухом



Газ Стехиометрическая смесь Смесь, в которой скорость имеет

максималь­ное значение

Содержание, об. %
Ин, см/с
Содержание, об. %
Ин max,,

см/с

газа воздуха газа воздуха
Водород
29,5
70,5
160–180
42–43
57–58
265–267
Окись углерода
29,5
70,5
28–30
43–52,5
47,5–57
41–46
Метан
9,5
90,5
28–37
9,5–10,5
89,5–90,5
37–38
Пропан
4,03
95,97
40,6–40,8
4,26
95,74
42,9–43,2
Бутан
3,14
96,86
34
3,3
96,7
37
Ацетилен
7,75
92,25
100–128
10–10,7
89,3–90
131–157
Этилен
6,54
93,46
60–63
7,0–7,4
92,6–93
63–81



Горение мазута

Процесс горения мазута более сложен по сравнению с процессом горения газообразного топлива. Сжигание мазута с помощью горелок условно можно разделить на несколько взаимосвязанных друг с другом стадий:

-распыление мазутной струи;

-смешение мелких капель мазута с воздухом;

-нагрев аэросмеси до температур испарения мелких капель; пирогенетическое разложение молекул углеводородов и воспламенение образовавшихся газов;

-смешение газов, парообразных и твердых продуктов разложения (сажистого углерода) с воздухом в горящем факеле и их окисление (горение).

Чем тоньше распыление мазута, тем лучше протекают процессы смешения мелких капель с воздухом, подогрев и воспламенение подготовленной для горения смеси топлива с воздухом.

При факельном сжигании мазута скорость выгорания частиц топлива, движущихся в потоке аэросмеси, зависит от трех факторов:

- тонкости распыления мазута;

- условий смешения распыленного мазута с воздухом;

- условий подвода тепла к начальной части факела, необходимого для стабилизации воспламенения горючей смеси, выходящей из форсунки.

При подогреве мазутных капель, находящихся в потоке аэросмеси, протекают процессы, связанные с испарением жидкости и расщеплением углеводородов. Испарение начинается при 150 °С с выделением легких фракций. При температурах выше 350 °С и недостатке воздуха начинается расщепление частиц с образованием легких и тяжелых углеводородов. При температурах выше 650 °С, молекулы углеводородов распадаются с образованием высокомолекулярных углеводородов и твердого остатка в виде сажистого углерода.

Высокомолекулярные углеводороды и сажистый углерод, дающий коптящее пламя, сгорают с трудом. Для сжигания одной молекулы продукта распада углеводородов в виде (C18H2)2 требуется 37 молекул кислорода. Следовательно, если при движении потока горючей смеси капли мазута сразу попадут в зону высоких температур факела, то они будут быстро нагреваться и при расщеплении выделять трудносгораемые продукты, которые, не догорая, будут удаляться вместе с дымовыми газами.

Особенно неблагоприятно для полного горения неравномерное распределение кислорода в аэросмеси, которое наблюдается при подаче струи мазута по оси факела, при больших потерях скоростного напора воздуха в выходном отверстии мазутной горелки и плохом смешении аэросмеси топлива в процессе горения за горелкой.

Для улучшения процессов горения мазута большое значение имеют подготовительные стадии, проводимые перед сжиганием, например: подогрев мазута при подаче в горелки, предварительное его смешение с воздухом или паром для получения мазутной эмульсии до подачи в горелки, предварительная газификация мазута за счет неполного сжигания в горелочной камере с последующим дожиганием полученного газа в топочном пространстве.

Предварительная газификация мазута за счет неполного сжигания, а также предварительная подготовка мазутной эмульсии в смеси с водой, паром или сжатым воздухом до подачи в горелочное устройство существенно изменяют процесс горения жидкого топлива в факеле, приближая его к процессу горения газообразного топлива.


Горение твердого топлива

Гетерогенный процесс горения (окисления) твердого топлива наиболее сложен (о последовательности отдельных стадий горения твердого топлива было упомянуто выше). Скорость гетерогенной реакции в данном случае измеряется количеством углерода, сгоревшего в единицу времени на единице активной поверхности топлива (площади). Скорость этой реакции зависит от температуры, давления, концентрации реагирующих веществ и от продолжительности диффузии окислителя к активной поверхности.

Продолжительность диффузии в свою очередь зависит: от температуры, от разности концентраций окислителя в потоке и на поверхности частицы, от толщины пограничного слоя.

Пограничный слой образуется вблизи поверхности частиц топлива из-за уменьшения реагирующих веществ, вследствие увеличения концентрации продуктов горения (СО и СО2). Этот пограничный слой газа толщиной «б» препятствует подводу кислорода к поверхности частицы. Толщина пограничного слоя зависит от скорости потока и от приведенного диаметра частицы топлива.

В результате скорость горения твердого топлива определяется тем, какой из составляющих процессов – диффузия или собственно окисление – является лимитирующим.

Сжигание твердого топлива в слое на колосниковой решетке имеет много недостатков, главные из них состоят в том, что трудно получить высокие температуры горения топлива и автоматизировать процессы горения и тепловой режим котла.

Твердое топливо в большинстве случаев перерабатывают на пылевидное или газообразное путем газификации. Пылевидное топливо сжигается факельным способом. При факельном способе сжигания требуется меньше избыточного количества воздуха для полноты горения по сравнению со слоевым способом.

При сжигании угольной пыли коэффициент избытка воздуха принимается не более 1,20–1,25. При этом значительное количество воздуха, необходимого для горения, можно подавать подогретым до высокой температуры. Процессы горения угольной пыли легче автоматизировать.


Реакции горения углерода, серы, углеводородов

Горение углерода

С+О2= СО2

1моль (молекула)+1 моль= 1 моль

1объемная часть+1 объемная часть= 1 объемная часть (полное сгорание)

12 массовых частей+32 массовые части= 44 массовые части

Горение окиси углерода

2СО+О2= 2СО2

2 моля +1 моль= 2 моля

2 объемные части+1 объемная часть= 2 объемные части (полное сгорание) 56 массовых частей+32 массовые части= 88 массовых частей


Горение серы

S +О2= SО2

1 моль+1 моль= 1 моль

1 объемная часть+1 объемная часть= 1 объемная часть

32 массовые части+32 массовые части= 64 массовые части


Горение водорода

2H22= 2 H2O

2 моля+1 моль= 2 моля

2 объемные части +1 объемная часть= 2 объемные части

4 массовые части+32 массовые части= 36 массовых частей


Горение углеводородов


CmHn+(m + n/4 )O2= mCO2 + n/2 H2O


1 моль +(m + n/4 ) молей= m молей + n /2молей


1 объемная часть +(m + n/4 ) объемных частей= m объемных частей + n /2объемных частей


12 m + n массовых частей + 32 (m + n/4 ) массовых частей= 44 m массовых частей + 9 n массовых частей



Таблица 7.2. Атомные массы химических элементов



Элемент Обозначение Атомная масса (приближенная) Элемент Обозначение Атомная масса (приближенная)
Углерод
Водород
Сера
С
H
S
12
1
32
Кислород
Азот
O
N
16
14



Таблица 7.3. Скорость горения со свободной поверхности


Горючее
Плотность, г/см3
Массовая скорость горе­ния, кг/(м2ч)
Интенсивность излуче­ния, кВт/м2
Керосин
Автобензин
Бензол
Метиловый спирт
ñ19 = 0,845
ñ17 = 0,77
ñ16= 0,875
ñ16 = 0,80
49,33
80,85
45,37
57,60
12,1
14,3
23,3
19,7
Личные инструменты
Пространства имён

Варианты
Действия
Навигация
Инструменты