Сжигание газообразного топлива

Введение

Горением называют химическую цепную реакцию, протекающую сравнительно быстро во времени и сопровождающуюся интенсивным вы-делением теплоты, резко повышающим температуру вступившей в реак-цию смеси.
При обычной температуре процессы соединения горючих газов с кислородом воздуха (процессы окисления) протекают очень медленно, по-чти незаметно. Происходит это потому, что выделяющееся при таком окислении значительное количество теплоты компенсируется теплопотеря-ми в окружающем пространстве, вследствие чего не наблюдается ни по-вышения температуры, ни ускорения процесса окисления. При повышении температуры горючей смеси скорость реакции окисления будет постепенно возрастать, и при температуре, называемой «температурой воспламене-ния», процесс медленного окисления переходит в самопроизвольный про-цесс горения, не требующий больше притока извне. С этого момента, вы-деляющаяся при горении теплота не только компенсирует потери тепла в окружающее пространство, но и обеспечивает подогрев соседних частиц газовоздушной смеси до температуры воспламенения.
Целью данной работы является изучение специфики сжигания газо-образного топлива.
В соответствии с поставленной целью необходимо решить ряд задач, таких как:
 рассмотреть реакции горения и газификации;
 изложить нижний и верхний пределы взрываемости горючих га-зов;
 охарактеризовать влияние концентрации кислорода на процесс сжигания газообразного топлива;
 описать кинетику реакций горения газообразного топлива;
 проанализировать условия воспламенения горючих газов;
 описать скорость сжигания газообразного топлива.
Объектом исследования является газообразное топливо, предметом – химические и физические процессы его сжигания.


1 Особенности горения газообразного топлива

1.1 Реакции горения и газификации
Органическое топливо (газообразное, жидкое и твердое) широко ис-пользуют в разного рода тепловых установках: в топках паровых и водо-грейных котлов, в том числе паротурбинных электростанций, в промыш-ленных печах и в сельском хозяйстве, в камерах сгорания газовых турбин и воздушно-реактивных двигателей, в цилиндрах поршневых двигателей внутреннего сгорания, в камерах сгорания магнитогазодинамических электрогенераторов и т. д.
Топливо в любых теплотехнических установках сжигают для того, чтобы получить теплоту в результате протекания экзотермических хими-ческих реакций и получить раскаленные продукты полного сгорания (ды-мовые газы) или продукты газификации.
В топках паровых котлов, в промышленных печах (кроме шахтных печей), в двигателях внутреннего сгорания, в камерах сгорания газовых турбин горение ведут с наибольшей полнотой, получая продукты полного сгорания.
В газогенераторах осуществляют газификационные процессы, в ко-торых в качестве окислителей используют кислород, воздух, водяной пар и углекислый газ. Реакции, протекающие в таких устройствах, едины по своей природе с реакциями горения, но в результате их получают горючие газообразные продукты газификации.
Бывает и двухстадийное сжигание топлива: 1 - сначала топливо гази-фицируется; 2 - затем (в том же устройстве) продукты газификации полно-стью дожигаются.
Условия сгорания топлива в разных теплотехнических устройствах и подготовка их к сжиганию различны, как различны и сами топлива. Например, в топках паровых и водогрейных котлов и в промышленных печах топливо сгорает при атмосферном давлении, в то время как в каме-рах сгорания газовых турбин и в цилиндрах двигателей внутреннего сго-рания топливо горит при давлении, во много раз превышающем атмо-сферное. Несмотря на указанное выше различие, в процессах сгорания различных видов топлива много общего. Краткая информация о процес-сах горения и топливных устройствах изложена ниже.
Процессы горения делят на гомогенные, протекающие в объеме, ко-гда топливо и окислитель находятся в одинаковом фазовом состоянии (например, горение водорода в смеси с воздухом), и на гетерогенные, про-исходящие на поверхности твердого углерода (например, горение кокса в потоке воздуха). В указанных реакциях горения окислителем является су-хой воздух, состоящий по объему примерно из 21% кислорода и 79% азо-та, и поэтому продукты сгорания содержат балласт - азот, который их разбавляет. При использовании в качестве окислителя чистого кислорода балласт будет отсутствовать.
Во всех теплотехнических установках стремятся к проведению про-цессов горения с наибольшей скоростью, потому что это позволяет создать малогабаритные машины и аппараты и получить в них наибольшую про-изводительность. Процессы горения в существующих установках проте-кают с большой скоростью с выделением при сгорании топлива большого количества теплоты и с получением высоких температур. Для лучшего по-нимания влияния разных факторов на скорость горения ниже рассмотрены элементы кинетики химических реакций.
Скорость любой химической реакции зависит от концентрации реа-гирующих веществ, температуры и давления. Объясняется это тем, что мо-лекулы газов, двигаясь в разных направлениях с большой скоростью, сталкиваются друг с другом. Чем чаще их столкновения, тем быстрее про-текает реакция. Частота же столкновений молекул зависит от их количества в единице объема, т. е. от концентрации и, кроме того, от температуры. Под концентрацией понимают массу вещества в единице объема и измеря-ют ее в кг/м3, а чаще - числом киломолей в 1 м3.
Процесс горения газообразного топлива гомогенный, т. е. и топливо, и окислитель находятся в одном агрегатном состоянии и граница раздела фаз отсутствует. Для того, чтобы началось горение, газ должен соприка-саться с окислителем. При наличии окислителя для начала горения необ-ходимо создать определенные условия. Окисление горючих составляющих возможно и при относительно низких температурах. В этих условиях ско-рости химических реакций имеют незначительную величину. С повышени-ем температуры скорость реакций возрастает.
При достижении некоторой температуры газо-воздушная смесь вос-пламеняется, скорости реакций резко возрастают и количество теплоты становится достаточным для самопроизвольного поддержания горения. Минимальная температура, при которой происходит воспламенение смеси, называется температурой воспламенения. Значение этой температуры для различных газов неодинаково и зависит от теплофизических свойств го-рючих газов, содержания горючего в смеси условий зажигания, условий отвода теплоты в каждом конкретной в устройстве и т. д. Например, тем-пература воспламенения водорода находится в пределах 820-870 К, а оки-си углерода и метана - соответственно 870-930 К и 10201070 К.
Горючий газ в смеси с окислителем сгорает в факеле. Факел - некото-рый определенный объем движущихся газов, в котором протекают про-цессы горения. В соответствии с общими положениями теории горения различают два принципиально различных метода сжигания газа в факеле - кинетически и диффузионный. Для кинетического сжигания характерно предварительное (до начала горения) смешивание газа с окислителем. Газ и окислитель подаются сначала в смешивающее устройство горелки. Горе-ние смеси осуществляется вне пределов смесителя. В этом случае скорость процесса будет лимитироваться скоростью химических реакций горения и τгор, τхим.
Диффузионное горение происходит в процессе смешивания горючего газа с воздухом. Газ поступает в рабочий объем отдельно от воздуха. Скорость процесса в данном случае будет ограничена скоростью смеши-вания газа с воздухом и τгор < τфиз.
Разновидностью диффузионного горения является смешанное (диф-фузионно-кинетическое) горение. Газ предварительно смешивается с неко-торым (недостаточным для полного горения) количеством воздуха. Этот воздух называется первичным. Образовавшаяся смесь подается в рабочий объем. Туда же отдельно от нее поступает остальная часть воздуха (вто-ричный воздух).
В топках котельных агрегатов чаще используются кинетический и смешанный принципы сжигания топлива. Диффузионный способ чаще все-го используется в технологических промышленных печах.
Структура и длина факела при прочих равных условиях зависит от режима потока. Различают ламинарный и турбулентный газовые факелы. Ламинарный факел образуется при небольших скоростях истечения смеси (Re < 2300). Ламинарный режим сохраняется только на некотором рассто-янии от среза горелки. Затем из-за процессов массообмена с окружающей средой происходит турбулизация факела. При Re > 3000 факел турбулен-тен уже около среза горелочного устройства. 
Горение газа происходит в узкой зоне, называемой фронтом горе-ния. Газ, предварительно перемешанный с окислителем, сгорает во фронте горения, который называется кинетическим. Этот фронт представляет со-бой поверхность раздела между свежей газо-воздушной смесью и продук-тами сгорания. Площадь поверхности кинетического фронта горения определяется скоростью химических реакций.
В случае диффузионного сжигания газа образуется диффузионный фронт горения, который является поверхностью раздела между продукта-ми сгорания и смесью газа с продуктами сгорания, диффундирующими навстречу потоку газа. Площадь поверхности этого фронта определяется скоростью смешивания газа с окислителем.
Диффузионно-кинетическое сжигание газа характеризуется наличием двух фронтов. При кинетическом сжигании расходуется окислитель, пода-ваемый в смеси с газом, при диффузионном догорает та часть газа, кото-рая не сгорела при кинетическом сжигании из-за недостатка окислителя.
На рис. 1 показана структура горящих факелов при различных спо-собах сжигания горючего газа и схема фронта горения.

Рисунок 1 - Структура фронта горения факелов: кинетического (а), смешанного (б) и диффузионного (в), а также схема фронта горения

Набегающая свежая газо-воздушная смесь нагревается за счет пере-дачи теплоты путем теплопроводности и излучения от фронта горения. Подогретая до температуры воспламенения смесь сгорает во фронте горе-ния, а продукты сгорания покидают эту зону и частично диффундируют в набегающую смесь. Положение фронта горения над срезом горелки зави-сит от физической природы горючего газа, концентрации его в смеси, ско-рости потока и других факторов. Фронт горения может перемещаться в направлении, нормальном к своей поверхности, до установления равенства между количествами сгоревшей и поступившей смеси, отнесенными к еди-нице поверхности фронта. При этом выполняется и тепловое равновесие: поток теплоты от фронта горения уравновешивается встречным потоком переносимого холодного исходного газа.