Как изменяется уровень кислорода в процессе горения

Урок 18. Физические и химические свойства кислорода

В уроке 18 «Физические и химические свойства кислорода» из курса «Химия для чайников» выясним, какие физические и химические свойства имеет кислород и узнаем о реакциях горения.

Как у любого химического вещества, у кислорода есть свой набор физических и химических свойств, по которым его можно отличить от других веществ.

Физические свойства

По своим физическим свойствам простое вещество кислород относится к неметаллам. При нормальных условиях он находится в газообразном агрегатном состоянии. Кислород не имеет цвета, запаха и вкуса. Масса кислорода объемом 1 дм 3 при н. у. равна примерно 1,43 г.

При температуре ниже −183 °С кислород превращается в голубую жидкость, а при −219 °С эта жидкость переходит в твердое вещество. Это означает, что температура кипения кислорода равна: t _кип.= −183 °С, а температура плавления составляет: t _пл.= −219 °С. Кислород плохо растворяется в воде.

Химические свойства

Кислород является химически активным веществом. Он способен вступать в реакции с множеством других веществ, однако для протекания большинства этих реакций необходима более высокая, чем комнатная, температура. При нагревании кислород реагирует с неметаллами и металлами.

Если стеклянную колбу наполнить кислородом и внести в нее ложечку с горящей серой, то сера вспыхивает с образованием яркого пламени и быстро сгорает (рис. 80).

Химическую реакцию, протекающую в этом случае, можно описать следующим уравнением:

В результате реакции образуется вещество SO₂, которое называется сернистым газом. Сернистый газ имеет резкий запах, который вы ощущаете при зажигании обычной спички. Это говорит о том, что в состав головки спички входит сера, при горении которой и образуется сернистый газ.

Подожженный красный фосфор в колбе с кислородом вспыхивает еще ярче и быстро сгорает, образуя густой белый дым (рис. 81).

При этом протекает химическая реакция:

Белый дым состоит из маленьких твердых частиц продукта реакции — P₂O₅.

Если в колбу с кислородом внести тлеющий уголек, состоящий в основном из углерода, то он также вспыхивает и сгорает ярким пламенем (рис. 82).

Протекающую химическую реакцию можно представить следующим уравнением:

Продуктом реакции является CO₂, или углекислый газ, с которым вы уже знакомы. Доказать образование углекислого газа можно, добавив в колбу немного известковой воды. Помутнение свидетельствует о присутствии CO₂ в колбе.

Возгорание уголька можно использовать для отличия кислорода от других газов. Если в сосуд (колбу, пробирку) с газом внести тлеющий уголек и он вспыхнет, то это указывает на наличие в сосуде кислорода.

Кроме неметаллов, с кислородом реагируют и многие металлы. Внесем в колбу с кислородом раскаленную стальную проволоку, состоящую в основном из железа. Проволока начинает ярко светиться и разбрасывать в разные стороны раскаленные искры, как при горении бенгальского огня (рис. 83).

При этом протекает следующая химическая реакция:

В результате реакции образуется вещество Fe₃O₄ (железная окалина). В состав формульной единицы этого вещества входят три атома железа, причем один из них имеет валентность II, а два других атома имеют валентность III. Поэтому формулу этого вещества можно представить в виде FeO * Fe₂O₃.

На заметку: Реакцию железа с кислородом используют для резки стальных изделий. Для этого определенный участок детали сначала нагревают с помощью кислородногазовой горелки. Затем направляют на нагретое место струю чистого кислорода, для чего перекрывают кран поступления горючего газа в горелку. Нагретое до высокой температуры железо вступает в химическую реакцию с кислородом и превращается в окалину. Так можно разрезать очень толстые железные детали.

Реакции горения

Общим для рассмотренных нами реакций является то, что при их протекании выделяется много света и теплоты. Очень многие вещества именно так взаимодействуют между собой.

Рассмотренные выше реакции простых веществ серы, фосфора, углерода и железа с кислородом являются реакциями горения.

Реакциями горения называются химические реакции, протекающие с выделением большого количества теплоты и света.

Кроме простых веществ, в кислороде горят и многие сложные вещества, например метан CH₄. При горении метана образуются углекислый газ и вода:

В результате этой реакции выделяется очень много теплоты. Вот почему ко многим домам подведен природный газ, основным компонентом которого является метан. Теплота, выделяющаяся при горении метана, используется для приготовления пищи и других целей.

На заметку: Некоторые химические реакции протекают очень быстро. Такие реакции называют взрывными или просто взрывами. Например, взаимодействие кислорода с водородом может протекать в форме взрыва.

Горение может протекать не только в кислороде, но и в других газах. Об этих процессах вы узнаете при дальнейшем изучении химии.

Горение веществ на воздухе и в кислороде

Вы уже знаете, что в состав окружающего нас воздуха входит кислород. Поэтому многие вещества горят не только в чистом кислороде, но и на воздухе.

Горение на воздухе протекает чаще всего гораздо медленнее, чем в чистом кислороде. Происходит это потому, что в воздухе лишь одна пятая часть по объему приходится на кислород. Если уменьшить доступ воздуха к горящему предмету (а следовательно, уменьшить доступ кислорода), горение замедляется или прекращается. Отсюда понятно, почему для тушения загоревшегося предмета на него следует набросить, например, одеяло или плотную тряпку.

На заметку : При пожарах для тушения горящих предметов часто используют пену (рис. 84). Она обволакивает горящий предмет и прекращает доступ к нему кислорода. Горение сначала замедляется, а затем прекращается совсем.

Некоторые вещества, быстро сгорающие в кислороде, на воздухе не горят вообще. Так, если нагреть железную проволоку на воздухе даже до белого каления, она все равно не станет гореть, тогда как в чистом кислороде быстро сгорает с образованием раскаленных искр.

Краткие выводы урока:

1. При обычных условиях кислород — газ, не имеющий цвета, запаха и вкуса, плохо растворимый в воде.
2. Кислород обладает высокой химической активностью. Он вступает в химические реакции со многими простыми и сложными веществами.
3. Химические реакции, протекающие с выделением большого количества теплоты и света, называют реакциями горения.
4. В чистом кислороде вещества горят намного быстрее, чем на воздухе.

Надеюсь урок 18 «Физические и химические свойства кислорода» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

Влияние концентрации кислорода на процесс сжигания газообразного топлива Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Павлечко Владимир Никифорович, Францкевич Виталий Станиславович

Приведены результаты расчета процесса горения природного газа с различными количествами добавляемого технического кислорода взамен атмосферного воздуха. Для снижения трудоемкости расчетов использована специально разработанная программа. Расчет выполнен для сжигания 1 нм3 природного газа и для 150 нм3/ч применительно к условиям одной из стекловаренных печей ОАО «Полоцк-Стекловолокно». Добавление каждых 5% кислорода от его количества, необходимого для горения газа, повышает температуру в печи на 41-58оС, снижает расход воздуха на 0,55 нм3/нм3 газа, природного газа на 1,18-1,39%, выбросов оксидов азота на 6%. Экономия 1 нм3 газа достигается при использовании 7 нм3 кислорода.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Павлечко Владимир Никифорович, Францкевич Виталий Станиславович

INFLUENCE OF OXYGEN CONCENTRATION ON THE PROCESS OF COMBUSTION GAS FUEL

The results of calculating the combustion process of natural gas with various amounts of added oxygen in place of atmospheric air are given. To reduce the complexity of calculations, a specially developed program was used. The calculation was carried out for the combustion of 1 nm3 of natural gas and for 150 nm3/h in relation to the conditions of one of the glass furnaces OJSC Polotsk-Steklovolokno. The addition of every 5% of oxygen from its amount necessary for burning gas raises the temperature in the furnace by 41-58°C, reduces air consumption by 0.55 nm3/nm3 of gas, natural gas by 1.18-1.39%, emissions of nitrogen oxides on 6%. Saving 1 nm3 of gas is achieved when 7 nm3 oxygen is used.

Текст научной работы на тему «Влияние концентрации кислорода на процесс сжигания газообразного топлива»

Труды БГТУ, 2018, серия 2, № 2, с. 100-105

В. Н. Павлечко, В. С. Францкевич

Белорусский государственный технологический университет

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА НА ПРОЦЕСС СЖИГАНИЯ

Приведены результаты расчета процесса горения природного газа с различными количествами добавляемого технического кислорода взамен атмосферного воздуха. Для снижения трудоемкости расчетов использована специально разработанная программа. Расчет выполнен для сжигания 1 нм3 природного газа и для 150 нм3/ч применительно к условиям одной из стекловаренных печей ОАО «Полоцк-Стекловолокно». Добавление каждых 5% кислорода от его количества, необходимого для горения газа, повышает температуру в печи на 41-58оС, снижает расход воздуха на 0,55 нм3/нм3 газа, природного газа на 1,18-1,39%, выбросов оксидов азота на 6%. Экономия 1 нм3 газа достигается при использовании 7 нм3 кислорода.

Ключевые слова: сжигание природного газа, добавление технического кислорода.

V. N. Pavlechko, V. S. Frantskevich

Belarusian State Technological University

INFLUENCE OF OXYGEN CONCENTRATION ON THE PROCESS OF COMBUSTION GAS FUEL

The results of calculating the combustion process of natural gas with various amounts of added oxygen in place of atmospheric air are given. To reduce the complexity of calculations, a specially developed program was used. The calculation was carried out for the combustion of 1 nm3 of natural gas and for 150 nm3/h in relation to the conditions of one of the glass furnaces OJSC Polotsk-Steklovolokno. The addition of every 5% of oxygen from its amount necessary for burning gas raises the temperature in the furnace by 41-58°C, reduces air consumption by 0.55 nm3/nm3 of gas, natural gas by 1.18-1.39%, emissions of nitrogen oxides on 6%. Saving 1 nm3 of gas is achieved when 7 nm3 oxygen is used.

Key words: burning of natural gas, addition of technical oxygen.

Введение. Используемый в промышленности в качестве окислителя воздух содержит большое количество азота, который в процессах горения не используется, а является бесполезным балластом, так как для его нагрева необходимо расходовать некоторое количество тепловой энергии, а для его транспортировки по трубопроводам требуется расходовать заметное количество электрической энергии. Балласт, выводимый в атмосферу с дымовыми газами, содержит существенное количество тепла и вызывает тепловое загрязнение окружающей среды. При высокой температуре топки азот частично окисляется с образованием оксидов, которые также загрязняют воздух. Частичное или полное замещение азота необходимым и достаточным количеством кислорода позволяет соответствующим образом уменьшить его расход и отмеченное выше его негативное влияние на процесс горения топлива. Кроме того, при использовании кислорода достигается более высокая температура в топке, появляется возможность использования низкокалорийного топлива и снижения его расхода [1, 2]. В то же время внедрение кислородного дутья сдерживается его высокой стоимо-

стью, необходимостью использования специальных горелок, перенастройки системы управления и автоматизации процесса горения, кроме того, отсутствием отечественного опыта.

Основная часть. По заданию крупнейшего в Республике Беларусь производителя продуктов разделения воздуха ОАО «Крион» проведена работа по определению возможности использования дополнительного количества кислорода в процессе горения газообразного топлива. Целью работы являлось определение влияния концентрации кислорода на процесс сжигания газообразного топлива. Расчет процесса горения необходимо было представить в виде специальной программы. Необходимость разработки программы была обусловлена большим объемом и трудоемкостью вычислительных операций. Программа разработана на основе электронных таблиц Excel. Апробация программы проводилась на примере расчета процесса горения природного газа в одной из стекловаренных печей ОАО «Полоцк-Стекловолокно».

В программе использована общепринятая методика расчета процесса горения топлива [3-5], на основании которой определены температура

В. Н. Павлечко, В. С. Францкевич

и теплоемкость продуктов горения, их состав и количество.

Как известно, взаимодействие кислорода и компонентов природного газа при полном сгорании топлива осуществляется в соответствии с формулами:

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О;

2С2Н2 + 7О2 = 4 СО2 = 6Н2О;

СэН8 + 5О2 = ЗСО2 + 4Н2О;

2С4Н10 +1ЗО2 = 8СО2 + 1ОН2О;

С5Н10 + 8О2 = 5СО2 + 6Н2О.

Стехиометрический расход кислорода для окисления 1 кг метана

—= 1 — = 4 кг/кг, (1) Мсн 16

молекулярная масса кислорода и метана соответственно, кг/кмоль.

Объемный расход кислорода для окисления 1 нмЗ метана

РСН4 л 0,7143 2 3,3 (2)

где рСН4, Ро — плотность соответственно метана

и кислорода при нормальных условиях, кг/м3.

Объемный расход воздуха для окисления 1 нм3 метана

°2-= — 100 = 9,524 нм3/нм3, (3) 21

где X 0 — объемное содержание кислорода в

С учетом горения других компонентов природного газа помимо метана стехиометриче-ские удельные расходы кислорода и воздуха

будут несколько меньше (1,9677 нм3/нм3 кислорода и 9,37 нм3/нм3 воздуха).

В расчете принята средняя температура воздуха, подаваемого на горение, 1в = 600°С и кислорода О = 600°С с учетом того, что газовая смесь, состоящая из воздуха и добавляемого кислорода, проходит через рекуператор, в котором частично утилизируется тепло отходящих дымовых газов.

Первоначально расчет выполнен для 1 м3 природного газа, состав и характеристика которого приведены в табл. 1, параметры воздуха, используемого для горения, — в табл. 2. Параметры кислорода, используемого для горения, приняты в соответствии с ГОСТ 6331-78 (табл. 3). Необходимые для расчета технологические параметры одной из стекловаренных печи ОАО «Полоцк-Стекловолокно» приведены в табл. 4.

Выход дымовых газов (диоксида углерода, водяного пара, азота и остаточного кислорода) принят пропорциональным расходу топлива. При высокой температуре печи азот атмосферного воздуха частично окисляется с образованием оксидов. Образование диоксидов зависит от множества факторов, которые при выполнении работы не учитывались, но логически следует, что с уменьшением азота, вводимого в топку, выход его оксидов должен снижаться.

Приход тепла в печь определен по формуле

где Уг — расход природного газа, нм /с; вр -низшая теплота сгорания природного газа, кДж/кг; 0в — физическое тепло, вносимое в топку воздухом, кДж/кг; 0г — физическое тепло, вносимое в топку природным газом, кДж/кг; во2 — физическое тепло, вносимое в топку добавляемым техническим кислородом, кДж/кг.

Состав и характеристика природного газа

Наименование показателя Размерность Величина

Метан (СН4) % (об.) 95,6

Этан (С2Н6) % (об.) 0,7

Пропан (С3Н8) % (об.) 0,4

Бутан (С4Н10) % (об.) 0,2

Пентан (С5Н12) % (об.) 0,2

Диоксид углерода (С02) % (об.) 0,1

Плотность природного газа, рг кг/нм3 0,7312

Температура природного газа, /г °С 0

Удельная теплоемкость природного газа, сг кДж/(нм3-град) 1,55

Теплота сгорания природного газа, в|р кДж/нм3 33 948

Параметры воздуха для горения

Наименование показателя Размерность Величина

Плотность воздуха, рв кг/нм3 1,293

Удельная теплоемкость воздуха, св кДж/(нм3-град) 1,350

Температура воздуха, 4 °С 600

Влагосодержание воздуха, х кг/кг 0,01

Коэффициент избытка воздуха, а — 1,1455

Содержание кислорода в воздухе, х02 % (об.) 21

Содержание азота в воздухе, х^ % (об.) 79

Параметры кислорода, используемого для горения Таблица 3

Наименование показателя Размерность Величина

Содержание кислорода, х'02 % (об.) 99,7

Содержание диоксида углерода, Х'С02 % (об.) 0,2

Плотность чистого кислорода, р02 кг/нм3 1,4286

Удельная теплоемкость кислорода, с0 02 кДж/(нм3-град) 1,300

Температура кислорода, 10 °2 °С 600

Некоторые технологические параметры стекловаренной печи

Наименование параметра Размерность Величина

Низшая теплота сгорания топлива, О кДж/нм3 33 948

Расход природного газа, Уг нм3/ч 150

Расход воздуха, Ь'а нм3/ч 1650

Температура воздуха, 4 °С 500—700

Температура газового пространства, 4 °С 1550

При расчете реальной температуры топки значение пирометрического коэффициента принято равным 0,8. Удельные теплоемкости компонентов дымовых газов приняты из справочников при рабочей температуре топки.

В результате расчета установлено, что при добавлении кислорода снижается расход воздуха и, соответственно, расход азота. Суммарный приход кислорода не изменяется, так как добавочный кислород полностью компенсирует снижение прихода кислорода вследствие уменьшения количества воздуха, подаваемого на горение. Следовательно, при добавлении кислорода снижаются затраты тепла на нагрев балластного азота от температуры 600°С после рекуператора до температуры газового пространства печи (1550°С), уменьшается количество тепла, вносимого воздухом в печь, но повышается тепло, вносимое добавляемым кислородом, нагретым до температуры 600°С в рекуператоре. Расчет некоторых параметров печи

выполнен исходя из одинакового количества тепла, которое должно быть внесено в печь с учетом потерь тепла.

Результаты расчета разработанной программой процесса горения 1 нм3 природного газа приведены в табл. 5, в одной из стекловаренных печей — в табл. 6.

Анализ результатов показал, что каждые 5% добавляемого кислорода (0,0989 нм3/нм3), используемого взамен воздуха для горения природного газа, позволяют повысить рабочую температуру процесса горения на 41-58°С (меньшие цифры соответствуют меньшим добавкам кислорода), а также снижают расход воздуха на 0,55 нм3/нм3 газа. Количество тепла, вносимого в топку, определено без учета снижения потерь тепла на нагрев азота до температуры топки. Замещение воздуха на 20% кислородом приводит к снижению объемов дымовых газов на 18% и в первом приближении к пропорциональному уменьшению выбросов оксидов азота.

Результаты расчета процесса сгорания 1 нм природного газа

Наименование показателя Размерность Величина

Расход технического кислорода, Уо? нм3/нм3 0,0000 0,0989 0,1978 0,2966 0,3955 0,4944 0,5933 0,6922 1,9776

Удельный расход чистого кислорода от расхода воздуха, у = Уо/ / Ь0/теор об. доли 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 1,00

Расход чистого кислорода, У02 нм3/нм3 0,0000 0,0984 0,1968 0,2952 0,3935 0,4919 0,5903 0,6887 1,9677

Снижение расхода влажного воздуха, ДЬвозд нм3/нм3 0,0000 0,2436 0,4872 0,7309 0,9745 1,2181 1,4617 1,7053 4,8724

Теоретический расход сухого воздуха, Ь0 нм3/нм3 9,4510 8,9784 8,5059 8,0333 7,5608 7,0882 6,6157 6,1431 0,0000

Теоретический расход влажного воздуха, Ьа нм3/нм3 9,6022 9,1221 8,6420 8,1619 7,6818 7,2016 6,7215 6,2414 0,0000

Действительный расход сухого воздуха, Ь0' нм3/нм3 10,8261 10,2848 9,7435 9,2022 8,6609 8,1196 7,5783 7,0370 0,0000

Действительный расход влажного воздуха, Ьа' нм3/нм3 10,9993 10,4493 9,8994 9,3494 8,7995 8,2495 7,6995 7,1496 0,0000

Расход избыточного количества сухого воздуха, (а — 1) Ь0' нм3/нм3 1,5752 1,4964 1,4177 1,3389 1,2602 1,1814 1,1026 1,0239 0,0000

Расход избыточного количества влажного воздуха, (а — 1) Ьа' нм3/нм3 1,6004 1,5204 1,4404 1,3603 1,2803 1,2003 1,1203 1,0403 0,0000

Выход диоксида углерода, УС02 нм3/нм3 1,0010 1,0012 1,0014 1,0016 1,0018 1,0020 1,0022 1,0024 1,0049

Выход водяного пара, УН?о нм3/нм3 1,9727 1,9726 1,9726 1,9725 1,9724 1,9723 1,9722 1,9721 1,9710

Выход азота, У^ нм3/нм3 8,5806 8,1530 7,7254 7,2977 6,8701 6,4425 6,0148 5,5872 0,0280

Выход кислорода, У02 нм3/нм3 0,2888 0,2743 0,2599 0,2455 0,2310 0,2166 0,2021 0,1877 0,0000

Суммарный выход дымовых газов, Удг нм3/нм3 11,8431 11,4012 10,9592 10,5172 10,0753 9,6333 9,1914 8,7494 3,0039

Влагосодержание дымовых газов, хдг кг/кг сух. газа 0,1208 0,1262 0,1320 0,1384 0,1454 0,1532 0,1619 0,1716 0,7838

Задаваемая удельная теплоемкость дымовых газов, сдг кДж/(нм3-°С) 1,6123 1,6231 1,6348 1,6476 1,6614 1,6765 1,6931 1,7113 2,4283

Пирометрический коэффициент, Г| — 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80

Приход тепла, 0т кДж/нм3 34323 34032 33740 33449 33158 32866 32575 32283 28496

Рабочая температура печи, 4 °С 1798 1839 1883 1930 1981 2035 2093 2156 3906

Удельная теплоемкость дымовых газов при 1„, сдт, кДж/(нм3-°С) 1,6123 1,6231 1,6348 1,6476 1,6614 1,6765 1,6931 1,7113 2,4283

§ 2. Основы теории горения топлива

Горением называется процесс взаимодействия топли­ва с окислителем, сопровождающийся выделением тепла, а иногда и света. Роль окислителя в большинстве случаев вы­полняет кислород воздуха. Всякое горение предполагает прежде всего тесный контакт между молекулами топлива и окислителя. Чтобы происходило горение, необходимо обес­печить этот контакт, т. е. необходимо смешать топливо с воздухом. Следовательно, процесс горения складывается из двух стадий: смешение топлива с воздухом и воспламене­ние и горение топлива.

В процессе горения образуется пламя, в котором про­текает реакция горения составляющих топлива и выделя­ется тепло. В технике при сжигании газообразного, жидкого и твердого пылевидного топлив применяют факельный метод сжигания. Факел — это частный случай пламени, ко­гда топливо и воздух поступают в рабочее пространство печи в виде струй, которые постепенно перемешиваются друг с другом. Поэтому форма и длина факела обычно определенные.

При факельном, наиболее распространенном в метал­лургии и машиностроении сжигании топлива аэродинами­ческую основу процесса составляют струйные течения.

На практике при создании устройств для сжигания топ­лива (горелок, форсунок) применяют различные конструк­тивные приемы (направляют струи под углом друг к другу, создают закручивание струй и др.) с тем, чтобы организо­вать смешение так, как это необходимо для конкретного случая сжигания топлива.

Различают гомогенное и гетерогенное горения. При го­могенном горении тепло- и массообмен происходят между телами, находящимися в одинаковом агрегатном состоя­нии. Гомогенное горение протекает в объеме топлива и свойственно газообразному топливу.

При гетерогенном горении тепло- и массообмен проис­ходят между телами, находящимися в разных агрегатных состояниях (в состоянии обмена находятся, газ и поверх­ность частиц топлива). Такое горение свойственно жидко­му и твердому топливам.

Гомогенное горение может протекать в кинетической и диффузионной областях.

При кинетическом горении полное перемешивание топ­лива с воздухом осуществляют предварительно и в зону горения подают заранее подготовленную топливо-воздуш­ную смесь. В этом случае основную роль играют химичес­кие процессы, связанным с протеканием реакций окисления топлива. При диффузионном гомогенном горении про­цессы смешения и горения не разделены и совершаются практически одновременно. В этом случае процесс горения определяется перемешиванием, так как время смешения больше времени, необходимого для протекания химической реакции.

При гетерогенном горении твердого топлива также раз­личают кинетическую и диффузионную области реагиро­вания. Кинетическая область возникает в том случае,когда скорость диффузии в порах топлива значительно прево­сходит скорость химической реакции; диффузионная об­ласть возникает при обратном соотношении скоростей диф­фузии и горения.

Процесс горения любого топлива разделяется на две стадии: воспламенение и непосредственное горение.

Процесс воспламенения характеризует собой предвари­тельный период, когда в результате медленного окисления в системе происходит накопление тепла с соответствующим постепенным повышением температуры. При достижении определенной температуры, называемой температурой вос­пламенения, реакции окисления резко ускоряются и про­цесс переходит непосредственно в горение.

Температура воспламенения зависит от природы топ­лива и соответствует практически той наинизшей темпера­туре, при которой начинается интенсивное горение.

Ниже приведены температуры воспламенения в возду­хе различных топлив, К:

Чтобы установить пределы воспламенения промышлен­ных газов, являющихся смесью различных горючих компо­нентов, пользуются правилом аддитивности:

(74)

где z — искомый нижний или верхний предел воспламе­нения; z₁, z₂, x₃ — соответствующие пределы воспламене­ния для горючих компонентов топлива; p₁, p₂, p₃ — процент­ное содержание отдельных горючих компонентов в смеси (в реальном топливе).

Воспламенение вне концентрационных пределов отсут­ствует, потому что выделение тепла вне пределов воспла­менения невелико и не может компенсировать возникаю­щие тепловые потери.

Горение газообразного топлива

Горение газов осуществляется в объеме и относится к гомогенному горению; оно может происходить в кинетиче­ской и диффузионных областях.

Кинетическое горение

После того как произошло воспламенение, наступает процесс распространения пламени, связанный с постоянной передачей тепла от сгоревших к новым порциям топлива. Подобная передача тепла определяется законами теплопроводности и диффузии и зависит от характера пламени. Ес­ли пламя распространяется в неподвижной смеси или в смеси, движущейся ламинарно, то основной формой пере­дачи тепла является молекулярная теплопроводность.

Подобный чисто теплопроводный процесс получил наз­вание нормального горения.

П ри турбулентном движении газоокислительной смеси большую роль приобретает турбулентная диффузия. При некоторых условиях распространение пламени происходит с огромной скоростью и имеет характер взрывной волны. По­добное распространение пла­мени получило название дето­национного горения или прос­то детонации.

Нормальное горение. После воспламенения горючей смеси возникает определенный фронт горения. Распространение пла­мени предполагает перемеще­ние этого горения в направ­лении несгоревших порций га­за. Позади фронта горения на­ходятся продукты сгорания, впереди — невоспламенившая­ся горючая смесь.

Возникшая при этом разность температур между про­дуктами сгорания и горючей смесью приводит к переда­че тепла теплопроводностью, которая, опережая фронт го­рения, способствует подогреву новых порций смеси до тем­пературы воспламенения и вызывает перемещение фронта. В большинстве случаев при горении газов фронт пламенч является очень тонким —около 410 –2 —610 –2 см, поэто­му с некоторым приближением его можно рассматривать как поверхность.

При нормальном горении фронт пламени в покоящей­ся горючей смеси перемещается с определенной скоростью u_n = n/, где n — расстояние, на которое перемещается фронт пламени за время .

Скорость нормального горения определяется исключи­тельно процессом теплопроводности и потому является фи­зико-химической константой горючей смеси.

По современным представлениям горение газовой сме­си может быть изображено графически (рис. 43). Самовос­пламенение происходит в точке T_в, но до идет химическая реакция, свойственная индукционному периоду. Быст­рая реакция происходит в коротком интервале температур от в до Т_г, который соответствует химической толщине фронта пламени _р. Тепловая толщина фронта б_п пред­ставляет собой зону тепловой подготовки прогрева горю­чей смеси до , после которой развивается интенсивная химическая реакция.

Для всех горючих газов существует оптимальное соот­ношение газа и воздуха, при котором скорость нормально­го горения достигает максимальной величины.

Увеличение температуры подогрева газа или газовой: смеси приводит к существенному увеличению скорости го­рения.

Горение однородной смеси в турбулентном потоке. Го­рение при турбулентном режиме — гораздо более распро­страненный случай в металлургической практике по срав­нению с горением в спокойной или ламинарно движущейся среде.

В настоящее время турбулентное горение рассматрива­ется как процесс, протекающий в отдельных перемешиваю­щихся объемах (объемное горение).

На скорость турбулентного горения и на состояние фрон­та горения большое влияние оказывает общий уровень тур­булентности потока. Измерения скорости турбулентного перемещения пламени показали, что отношение скорости турбулентного распространения пламени к нормальной ско­рости u_т/u_н быстро возрастает с увеличением числа Rе.

Это увеличение происходит в результате изменения u_т, так как u_н — const.

Диффузионное горение

В настоящее время широко распространен диффузион­ный метод сжигания газообразного топлива, при котором смешение и горение происходит в одном объеме. Поэтому процессы смешения при диффузионном горении играют первостепенную роль.

Процессы смешения между струями топлива и воздуха могут протекать при ламинарном и турбулентном течени­ях этих струй. В первом случае смешение определяется мо­лекулярной диффузией, во втором — турбулентной диффу­зией.

На рис. 44 представлена упрощенная схема распределе­ния концентраций в ламинарном пламени. Как видно, кис­лород полностью отсутствует внутри объема, ограниченного фронтом пламени, так же как топливо отсутствует за пределами этого объема.

Расчеты и опыты показали, что высота пламени пропор­циональна скорости подачи газа и обратно пропорциональ­на коэффициенту диффузии.

Если рассматривать факел, образующийся при вытека­нии горючего газа в неограниченную спокойную среду, то при определенной (критичес­кой) скорости ламинарный факел начнет переходить в турбулентный.

Критическое значение кри­терия Rе_кр, при достижении которого начинается переход ламинарного пламени в турбу­лентное, зависит от вида топ­лива, динамических характе­ристик потока и влияния на них процесса горения.

Горение жидкого топлива

В условиях промышленных печей жидкое топливо (обыч­но мазут) сжигают в распыленном состоянии. Поэтому в основном комплексный процесс сжигания жидкого топлива складывается из процессов: 1) распыливания; 2) воспламе­нения, которому предшествует и способствует процесс смешения, подогрева и испарения топлива и 3) горения капель жидкого топлива.

Основой процесса распыливания топлива является дро­бление жидкости распылителем, происходящее в том слу­чае, если давление движущегося распылителя превышает действие поверхностного натяжения.

Распыленное жидкое топливо, попав в среду с высокой температурой, начинает испаряться. Около поверхности капли (рис. 45) образуется паро-воздушная смесь, которая воспламеняется первой. Температуру, при которой происхо­дит воспламенение паро-воздушыой смеси, называют тем­пературой вспышки топлива.

Температура кипения жидких топлив всегда ниже тем­пературы воспламенения, поэтому горение жидкого топли­ва в основном происходит в паровой фазе. Процесс горе­ния паро-воздушной смеси и процесс испарения тесно свя­заны между собой. При горении жидкого топлива происхо­дит процесс теплообмена между газовой средой и поверхностью жидкости, т.е. между средами, находящимися в разных агрегатных состояниях, что придает всему процес­су гетерогенный характер.

Горение твердого топлива

Г орение твердого топлива относят к гетерогенным про­цессам, хотя в нем и встречаются элементы гомогенного горения (горение летучих).

Процесс горения твердого топлива может быть разде­лен на следующие стадии: подогрев и подсушка топлива; процесс пирогенного разложения топлива с выделением летучих и об­разованием коксового остатка; го­рение летучих, горение коксового остатка (углерода).

П ри подогреве топлива до 473 К и выше протекает процесс выделе­ния летучих, т.е. горючей смеси раз­личных газообразных составляю­щих: Н₂, СО, СО₂, СН₄, С_nН_m, Н₂О и др. Количество летучих для раз­ных углей различно и для некото­рых из них весьма велико по отно­шению к массе всего топлива (табл. 8). Температура начала выделения летучих зависит от возраста угля. Чем старше уголь, чем выше в нем содержание углерода, тем при более высокой температуре начинается процесс выделения летучих. Летучие в процессе горения твердого топлива играют важную роль.

При горении кускового топлива летучие выделяются при сравнительно умеренных температурах, смешиваются с воздухом и воспламеняются первыми. Таким образом, го­рением летучих начинается процесс горения топлива. Тепло, выделяемое при горении летучих, способствует повышению температуры и дальнейшему развитию процесса горения. Горение углерода начинается после завершения выхода ле­тучих, так как вначале кислород расходуется на горение летучих. Процесс горения углерода продолжителен и он определяет общее время протекания процесса.

Горение полное и неполное

В металлургической практике в большинстве случаев применяется полное горение, продукты которого не содер­жат каких-либо горючих компонентов. Все виды топлива содержат углерод и водород, в состав продуктов полного сгорания входят углекислый газ, водяные пары и азот. СО₂ и Н₂О являются достаточно сильными окислителями, поэто­му металл при нагреве в продуктах полного сгорания значи­тельно окисляется. Для того чтобы избежать окисления ме­талла, его надо нагревать в газовой среде (защитной ат­мосфере), не содержащей газов-окислителей. Одним из методов получения таких атмосфер является метод, при котором производится неполное сжигание газа с последу­ющим удалением из продуктов неполного сжигания газоз-окислителей. Неполное горение применяют также тогда, ко­гда стремятся снизить окисление или обезуглероживание металла без использования специальных атмосфер.

В настоящее время наиболее распространенным газооб­разным топливом является природный газ, состоящий в ос­новном из метана.

При полном горении метана при стехиометрическом со­отношении СН₄+2О₂ = СО₂+2Н₂О продукты сгорания, кро­ме азота, поступившего с воздухом, будут содержать СО₂ и Н₂О. Если увеличить количество кислорода выше стехиометрического, т.е. на молекулу СН₄ подать более двух мо­лекул О₂, то в продуктах сгорания будет содержаться еще и кислород. Но если количество кислорода ниже стехио-метрического, т.е. в реакции СН₄+mО₂СО₂+Н₂О+Н₂+ +СО m<2, то происходит неполное горение топлива. При этом в продуктах сгорания наряду с N₂, СО₂ и Н₂O содер­жатся восстановительные газы Н₂ и СО, которые способны окисляться (гореть) с выделением тепла. Это и является причиной потерь тепла в результате химического недожо­га. Поскольку в продуктах неполного сгорания концент­рация газов-окислителей СO₂ и Н₂О значительно ниже, чем при полном горении, постольку окисление металла при нагреве в подобной среде будет меньше. При определенном значении т состав продуктов неполного сгорания может быть определен по константе равновесия реакции водяного газа К_р=р_СОр_Н2О/(р_СО2р_Н2), где р_і, — парциальное давле­ние соответствующего компонента.

Значения константы равновесия реакции водяного газа следующие:

Расчеты горения топлива

При горении топлива в качестве окислителя используют кислород воздуха. В результате образуются продукты сго­рания и развивается определенная температура горения. Поэтому расчеты горения топлива выполняются с целью определения:

а) количества необходимого для горения воздуха;

б) количества и состава продуктов сгорания;

в) температуры горения.

Расход воздуха

Расходы воздуха можно определять как в объемных, так и в массовых единицах.

Для уяснения методики определения расхода воздуха рассмотрим полное горение метана (СН₄) по реакции СН₄ + 2О₂ = СО₂+2Н₂О.

Сначала определим расход воздуха в объемных едини­цах. Как следует из приведенной реакции, для сжигания 1 моля СН₄ требуется 2 моля О₂. Поскольку 1 кмоль любо­го газа занимает при нормальных условиях одинаковый объем (22,4 м 3 ), то для сжигания 22,4 м 3 СН₄ потребуется 222,4=44,8 м 3 О₂. Таким образом, для сжигания 1 м 3 СН₄ требуется 2 м 3 О₂, но в сухом воздухе кислород по объему составляет 21%, остальные 79% приходятся на долю азо­та. Следовательно, количество азота в воздухе в 3,762 раза больше количества кислорода. Поэтому расход воздуха на сжигание 1 м 3 метана составит 2+23,762=9,524 м 3 .

Аналогичный расчет можно провести и в массовых еди­ницах. Подобные расчеты чаще делают для твердого или жидкого топлива. Возьмем, например, горение углерода С + О₂ = СО₂. Из этой реакции видно, что на 1 кмоль С рас­ходуется 1 кмоль О₂, но 1 кгмоль С имеет массу, равную 12 кг, а кгмоль О₂ 32 кг; следовательно, для сжигания 1 кг С потребуется кг кислорода. В воздухе кислород по массе составляет 23,2%, а азот 76,8%. Поэтому вместе с кислородом войдет азота кг.

Следовательно, для сжигания 1 кг углерода потребуется воздуха 2,67+8,83=11,50 кг. Это количество можно пере­вести в объемное, поделив общую массу воздуха на его плотность (1,293 кг/м 3 ), т.е. 11,50/1,293=8,89 м 3 .

Как при горении метана, так и при горении углерода полученные по реакциям количества кислорода и воздуха представляют собой те наименьшие количества, которые не­обходимы для полного окисления единицы горючего веще­ства. Такое наименьшее необходимое количество воздуха (кислорода) называется теоретическим количеством. На практике, однако, сжигание топлива осуществляется при расходах воздуха, несколько превышающих теоретическое количество. Величина, показывающая отношение действи­тельного расхода воздуха (V_д) к теоретическому количест­ву (V_т), называется коэффициентом избытка воздуха п =V_д/V_т и играет на практике очень важную роль.

Более универсальной величиной является коэффициент расхода кислорода (п₀), который показывает отношение действительного расхода кислорода ( ) к теоретически необходимому ( ), т.е. .

Коэффициент избытка воздуха пригоден только для пол­ного сгорания топлива в воздухе.

При неполном же сгорании, когда подаваемое количе­ство кислорода меньше теоретического, применим только коэффициент расхода кислорода, который становится мень­ше единицы. При применении обогащенного дутья, в кото­ром количество кислорода превышает 21%, характерным также является коэффициент расхода кислорода. В этом случае метод определения расхода дутья аналогичен выше изложенному с той лишь разницей, что изменяется соотно­шение между азотом и кислородом.

Всякое промышленное топливо представляет собой ме­ханическую или химическую смесь отдельных горючих эле­ментов, поэтому общий расход воздуха (кислорода) опре­деляется суммированием аналогичного расхода для отдель­ных элементов.

Состав и количество продуктов сгорания

Состав и количество продуктов сгорания определяют по методу, применяемому для определения расхода воздуха. Рассмотрим снова пример полного горения метана при ко­эффициенте избытка, равном единице. В результате горе­ния образуются СО₂ и Н₂О. Кроме того, в продуктах сго­рания будет присутствовать N₂, внесенный с воздухом.. Определим последовательно количество каждой составляющей продуктов сгорания. При сжигании 1 м 3 метана обра­зуется СО₂ 1м 3 и Н₂О 2 м 3 . Кроме того, с воздухом вносится 23,762 = 7,524 м 3 N₂. Таким образом, полное количество продуктов сгорания составит 1 м 3 + 2 м 3 + 7,524 м 3 = 10,524 м 3 .

Состав продуктов сгорания следующий:

Если бы СН₄ сжигали с коэффициентом избытка воз­духа, превышающим единицу, то общее количество про­дуктов сгорания возросло бы в связи с увеличением коли­чества азота и наличием в продуктах сгорания избыточно­го кислорода.

При сжигании топлива в обогащенном кислородом воз­духе наблюдается обратная картина.

При расчетах горения необходимо составлять матери­альный баланс процесса, путем определения исходных ве­ществ и продуктов сгорания.

Температура горения

Под температурой горения понимают ту температуру, которую приобретают продукты сгорания в результате со­общения им тепла, выделенного при сжигании. Различают теоретическую и калориметрическую температуру горения.

Продукты сгорания топлива нагреваются до высоких температур, при которых возможна диссоциация СО₂ и Н₂О, достигающая иногда 10%. В результате диссоциации происходит изменение объема и уменьшается выделяемое количество тепла, так как в процессе диссоциации погло­щается тепло. Теоретическая температура горения опреде­ляется с учетом диссоциации в продуктах сгорания, т.е.

где — теплота сгорания топлива, Дж/м 3 , или Дж/кг;

q_дисс — тепло, пошедшее на процесс диссоциации, Дж;

V_пр — объем продуктов сгорания, образующихся при сго­рании единицы топлива, м 3 ;

с — удельная теплоемкость про­дуктов сгорания, кДж/(м 3 К).

Калориметрическая температура определяется из усло­вия, что все выделившееся при горении тепло расходуется только на повышение температуры продуктов сгорания. Иными словами, калориметрическая температура горения определяется для адиабатных условий, когда отсутствует теплообмен с внешней средой. Следовательно, .

При наличии подогретого воздуха (или топлива) кало­риметрическую температуру можно определить из выраже­ния

где Q_ф — физическое тепло подогрева воздуха и топлива.

На практике обычно определяют калориметрическую температуру горения, которая является одной из характе­ристик топлива.

Расчет калориметрической температуры выполняют из условий полного сгорания топлива следующим образом. Продукты сгорания любого топлива представляют собой смесь различных газообразных составляющих СО₂, Н₂О, N₂, О₂, SО₂. Каждой из этих составляющих при той или иной температуре присуща вполне определенная величина теплоемкости. Это дает возможность определить теплоем­кость продуктов сгорания в целом для соответствующей температуры.

Энтальпия продуктов сгорания, как смеси газов, опреде­ляют аналогично определению теплоемкости продуктов сгорания.

Количество тепла, которое выделяется при горении еди­ницы топлива, равно произведению энтальпии на объем продуктов сгорания, образовавшихся от сгорания единицы топлива Q = IV.

Однако возможна и обратная постановка задачи. Дело в том, что для продуктов сгорания определенного состава каждой величине теплоемкости 1 м 3 продуктов сгорания со­ответствует вполне определенная температура. Другой теплоемкости будет соответствовать и другая температура. По­добный метод определения температуры по величине теп­лоемкости (или энтальпии) продуктов сгорания широко применяется в расчетах.

Процесс горения

Горение в большинстве случаев сложный химический процесс. Он состоит из элементарных химических реакций окислительно-восстановительного типа, приводящих к перераспределению валентных электронов между атомами взаимодействующих молекул. Окислителями могут быть самые различные вещества: хлор, бром, сера, кислород, кислородсодержащие вещества и т. п. Однако чаще всего приходится иметь дело с горением в атмосфере воздуха, при этом окислителем является кислород. Известно, что воздух представляет собой смесь газов, основными компонентами которой являются азот (78%), кислород (21%) и аргон (0,9%). Аргон, содержащийся в воздухе, является инертным газом и в процессе горения участия не принимает. Азот в процессе горения органических веществ также практически участия не принимает.

Для многих расчетов (определение объема воздуха, необходимого для сгорания одной массовой или объемной единицы вещества, нахождение объема продуктов сгорания, температуры горения и т. п.) необходимо составлять уравнения реакций горения веществ в воздухе. При составлении этих уравнений поступают следующим образом: горючее вещество и участвующий в горении воздух пишут в левой части, после знака равенства пишут образующиеся продукты реакции. Например, необходимо составить уравнение реакции горения метана в воздухе. Сначала записывают левую часть уравнения реакции: химическую формулу метана плюс химические формулы веществ, входящих в состав воздуха. Для простоты расчетов принимают, что воздух состоит из 21 % кислорода и 79% азота, т. е. на один объем кислорода в воздухе приходится 79/21 = 3,76 объема азота, или на каждую молекулу кислорода приходится 3,76 молекулы азота. Таким образом, состав воздуха может быть представлен так: О₂+З,76 N₂. Тогда левая часть уравнения будет иметь вид CH₄+O₂+ 3,76N₂ =

Какие будут получаться продукты? Ориентироваться необходимо на состав горючего

вещества. Углерод горючего всегда при полном сгорании превращается в диоксид углерода

(СО₂), водород — в воду (Н₂О). Так как в данном горючем веществе нет других

элементов, то в продуктах сгорания будет диоксид углерода и вода. Азот воздуха (3,76 N₂) в

процессе горения участия не принимает, он целиком перейдет в продукты сгорания. Таким

образом, правая часть уравнения реакции горения метана будет следующей:

Написав левую и правую части, необходимо найти коэффициенты перед формулами. Известно, что суммарная масса веществ, вступивших в реакцию, должна быть равна массе всех веществ, получившихся в результате реакции. Это означает, что число атомов одного и того же элемента в правой и левой частях уравнения должно быть одинаковым, независимо от того, в состав какого вещества этот элемент входит. Сначала уравнивают число атомов углерода, затем водорода, потом кислорода. Множитель перед коэффициентом (3,76), поставленный у молекулы азота, всегда будет равен коэффициенту перед кислородом. Уравнение реакции будет иметь вид

Учитывая, что расчет ведут обычно на 1 моль или 1 м 3 горючего вещества, в уравнении реакции коэффициент перед горючим веществом не ставят. Поэтому в некоторых уравнениях реакций горения могут появиться перед кислородом или другим веществом дробные коэффициенты; например, уравнение реакции горения ацетилена в воздухе будет иметь вид

Если в состав горючего вещества, кроме углерода и водорода, входит азот, то он выделяется при горении в свободном виде N₂, например при горении пиридина

Если в состав горючего вещества входит хлор, то он при горении обычно выделяется в виде хлористого водорода, например при горении хлористого винила

Сера, входящая в состав горючего вещества, выделяется в виде SO₂.

Содержащийся в горючем веществе кислород выделяется в виде соединений с другими элементами горючего, например СО₂ или Н₂О, в свободном виде он не выделяется. При горении веществ, богатых кислородом, как правило, требуется меньше воздуха. Сгорание веществ может происходить также за счет кислорода, находящегося в составе других веществ, способных его легко отдавать. Такими веществами являются азотная кислота HNO₃, бертолетова соль КСЮ₃, селитра KNO₃, NaNO₃, NH4NO₃, перманганат калия КМпО₄, пероксид бария ВаО₂ и др. Смеси перечисленных выше окислителей с горючими веществами взаимодействуют с большой скоростью, часто со взрывом. Примером таких смесей может служить черный порох, сигнальные осветительные составы и т. п.

Чтобы возникло горение, необходимы определенные условия: наличие горючего вещества, окислителя (кислорода) и источника зажигания. Горючее вещество и окислитель должны быть нагреты до определенной температуры источником тепла (источником зажигания): пламенем, искрой, накаленным телом или теплом, выделяемым при какой-либо химической реакции или механической работе. В установившемся процессе горения постоянным источником воспламенения является зона горения, т. е. область, где происходит реакция, выделяется тепло и свет. Для возникновения и протекания процесса горения горючее вещество и окислитель должны находиться в определенном количественном соотношении.

Сгорание веществ может быть полным и неполным. При полном сгорании образуются продукты, не способные к дальнейшему горению (СО₂, Н₂О, НС1); при неполном — получающиеся продукты способны к дальнейшему горению (СО, H₂S, HCN, NH₃, альдегиды и т. д.). В условиях пожара при горении органических веществ на воздухе чаще всего полного сгорания не происходит. Признаком неполного сгорания является наличие дыма, содержащего несгоревшие частицы углерода.

Однако как бы ни проходил процесс горения, в основе его лежит химическое взаимодействие между горючим веществом и окислителем.

Современная теория окисления — восстановления основана на следующих положениях. Сущность окисления состоит в отдаче окисляющимся веществом (восстановителем) валентных электронов окислителю, который, принимая электроны, восстанавливается. Сущность восстановления состоит в присоединении восстанавливающимся веществом (окислителем) электронов восстановителя, который, отдавая электроны, окисляется. В результате передачи электронов изменяется структура внешнего (валентного) электронного уровня атома. Каждый атом при этом переходит в наиболее устойчивое в данных условиях состояние.

В химических процессах электроны могут полностью переходить из электронной оболочки атомов одного вида в оболочку атомов другого вида. Так, при горении металлического натрия в хлоре атомы натрия отдают по одному электрону атомам хлора. При этом на внешнем электронном уровне атома натрия оказывается восемь электронов (устойчивая структура), а атом, лишившийся одного электрона, превращается в положительно заряженный ион. У атома хлора, получившего один электрон, внешний уровень заполняется восемью электронами, но атом превращается в отрицательно заряженный ион. В результате действия кулоновских электростатических сил происходит сближение разноименно заряженных ионов и образуется молекула хлорида натрия (ионная связь)

Na + + Cl — à + Na+Сl

В других процессах электроны внешних оболочек двух различных атомов как бы поступают в общее пользование, стягивая тем самым атомы в молекулы (ковалентная связь)

И, наконец, один атом может отдавать в общее пользование свою пару электронов

Но во всех случаях атомы стремятся приобрести устойчивые внешние электронные структуры.

Процесс горения — весьма активный процесс, протекающий с выделением значительного количества энергии (в виде тепла и света). Следовательно, в этом процессе происходит такое превращение веществ, при котором из менее устойчивых веществ получаются более устойчивые.