Промышленные печи и газовое хозяйство заводов - Щукин А.А.
Скачать (прямая ссылка):
3-2. ГОМОГЕННОЕ ГОРЕНИЕ
Напомним, что процессы горения делятся на гомогенные, протекающие в объеме, когда топливо и окислитель находятся в одинаковом фазовом состоянии, и на гетерогенные, происходящие на поверхности твердого углерода. Примерами гомогенного горения являются реакции
2H2 + 02 + J-N2 = 2H20 + g-Na; (3-1)
СН4+ 20а + 2 g- N2 - С02 + 2Н20 + 2 g- N.. (3-2)
Примером гетерогенного горения может служить реакция
С + О, + g- N, = СО, + g- N.. (3-3)
В приведенных реакциях горения окислителем является сухой воздух, состоящий примерно по объему из 21% кислорода и 79% азота, и поэтому продукты сгорания балластируются азотом. При использовании в качестве окислителя чистого сухого кислорода балласт б^дет отсутствовать. В дальнейшем для простоты мы будем писать реакции горения без балластного азота, не забывая учитывать его при расчете горения. Азот только в условиях высоких температур (выше 2 000°С) начинает связываться с кислородом, образуя закись азота N0, и поэтому в расчетах горения азот рассматривается как инертный газ.
Написанные реакции являются стехиометрическими, т. е. характеризуют суммарные количественные соотношения между исходными веществами и конечными продуктами реакции. В действительности горе-46
ние идет с образованием промежуточных веществ в определенной последовательности. Нельзя, например, считать, что водород сразу сгорает в водяной пар. Горение протекает по цепной реакции с разветвленными цепями, когда каждая молекула порождает ряд новых активных центров, быстро ускоряющих ход реакции, т. е. носит взрывной характер. В технических устройствах скорость сгорания лимитируется не скоростью химического реагирования, а определяется смесеобразованием — физическим процессом смешения горючих газов с воздухом.
При рассмотрении процесса горения природного газа наибольший
интерес представляют реакции взаимодействия кислорода с метаном,
являющимся самой существенной составляющей природного газа. В присутствии кислорода метан расщепляется с выделением атома водорода с образованием радикала СНз:
СН4—>СНз+Н. (3-4)
Атом водорода, соединяясь с молекулой кислорода, образует,гидроксил ОН:
Н + Ог—*0Н+0. (3-5)
Затем образуется сравнительно неустойчивая молекула метилового спирта
СНз+ОН—>-СН3ОН. (3-6).
Метиловый спирт образует формальдегид — нестойкое соединение, которое легко распадается на окись углерода СО и водород Н2:
СНзОН + О—>НСН0 + Н20; НСНО—>CO + H2. (3-7)
Образование стабильных молекул СО и Н2 возможно из метилового спирта путем отщепления от него водорода и с присоединением гидроксила:
СН+ОН—*СО + Н2. (3-8)
Известно, что светимость пламени придают частицы дисперсного
углерода, выделяющиеся при крекинге углеводородов. Размер сажистых частиц очень мал (0,1—0,3 мкм), а число их очень велико — порядка 1 • 10е в 1 см3. Но из описанного хода реакции горения метана видно, что при подводе к корню факела и достаточно хорошем смесеобразовании в пламени отсутствуют раскаленные частицы углерода (сажи), благодаря чему плам,я будет полупрозрачным с лиловато-сине-ватой окраской, характерной для горения водорода (фиолетовое пламя) и окиси углерода (синеватое пламя).
Смесеобразование. Образование смеси газа с окислителем осуществляется при помощи горелок (газогорелочных устройств) и реже посредством механических смесителей. В горелках с внутренним смешением газ перемешивается со всем количеством воздуха, необходимым для горения. В других газогорелочных устройствах смесеобразование не заканчивается и продолжается вне горелки. Иногда с целью замедлить горение (что бывает редко) подача газа и воздуха в камеру сгорания производится раздельными струями. Если смесеобразование в горелке не закончено или осуществляется раздельная подача топлива и окислителя, то процессы смесеобразования и горения происходят одновременно. Хороший контакт горючего и окислителя и хорошее смесеобразование горючих газов и воздуха — важнейшие условия интенсивного и полного сгорания топлива. Чем лучше контакт между топливом и воздухом и смесеобразование газов, тем быстрее и полнее протекает процесс горения, тем выше при одинаковых условиях температура, экономичнее и производительнее работает агрегат.
47
Если смесь горючего газа с воздухом предварительно тщательно приготовлена (в инжекционных или механических смесителях), то горение в целом лимитируется собственно реакцией горения (кинетикой горения) и весь процесс идет в кинетической области. Во всех других случаях, когда ‘ из сопла вытекает недостаточно перемешанная смесь или при смешении струй газа и воздуха вне горелочных устройств, имеет место горение в диффузионной области, так как оно определяется скоростью диффузии воздуха к реагирующему топливу.
Смешение струй осуществляется путем как молекулярной, так и турбулентной диффузии. Чем больше турбулентность потока смешиваю-
f"тип...... щегося газа, тем быстрее идет смесеобра-
Прошжуточнст afoac/nt зование, тем меньше отстает подача окис-
*' ' лителя и тем позднее сказывается ограни-
чение химического процесса.
|. \ . На рис. 3-1 показано изменение ско-
