ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ГОРЕНИЯ

ОСНОВНЫЕ РЕАКЦИИ

Процесс горения – это, по сути, быстро протекающая реакция окисления топлива. Реакция сопровождается видимым физическим явлением - «пламенем» и выделением большого количества тепловой энергии.

В результате реакции окисления, углерод соединяется с кислородом, образуя не ядовитый газ: двуокись углерода (углекислый газ) с выделением некоторого количества теплоты.

С + О2 → СО2 + Тепло

Таким же образом водород, вступая в реакцию с кислородом, образует водяной пар и некоторое количество теплоты.

2Н2 + О2 → 2Н2О + Тепло

Необходимо учитывать, что реакция окисления (горение) происходит нормально только при строго определенном «стехиометрическом» соотношении топлива и кислорода в топливной смеси.

В противном случае, т.е. при избытке топлива или недостатке кислорода в топливной смеси, сгорание топлива будет происходить не полностью. Одна часть топлива вступает в реакцию окисления с кислородом, а другая не получает достаточного количества кислорода и сгорает частично. При этом снижается количество выделяющейся теплоты по сравнению с тем, которое выделилось бы при полном сгорании. В результате неполного сгорания, как видно из нижеприведенной формулы, неполное окисление углерода, содержащегося в топливе, сопровождается образованием угарного газа (СО), который является высокотоксичным веществом.

2С + О2 → 2СО + Тепло

Неполное сгорание иногда требуется в специальных промышленных термических процессах, но его следует избегать при любых других обстоятельствах.

Рис. 1 Условное изображение факела

Помимо двуокиси углерода и водяного пара при горении также образуются и другие вещества, но в меньшем количестве: оксиды серы, оксиды азота, угарный газ, оксиды металлов, - об этом будет рассказано ниже.

ВЕЩЕСТВА, ПОДДЕРЖИВАЮЩИЕ ГОРЕНИЕ

В качестве окислителя при горении обычно используется воздух. Как известно, воздух это смесь газов, основными составляющими которой являются кислород и азот.

Если известен точный химический состав топлива, можно рассчитать стехиометрическое количество кислорода и, следовательно, количество участвующего в горении воздуха, необходимого для процесса горения.

Стехиометрическое количество воздуха можно вычислить по следующей формуле:

Wa = 11,51·C + 34,26·H + 4,31·S – 4,32·O [кг_{воздуха}/кг_{топлива}];

или же:

Wa = 8,88·C + 26,44·H + 3,33·S – 3,33·O [нор.м³ _{воздуха}/кг_{топлива}];

где С, Н, S и О - соответственно массовые проценты углерода, водорода, серы и кислорода, входящих в состав топлива.

В таблицах 2 и 3 показано стехиометрическое количество воздуха для некоторых видов топлива.

Если в реакции окисления топлива (горении) участвует большее количество воздуха, нежели требуется (исходя из стехиометрического уравнения), то весь азот и та часть кислорода, которая не вступила в реакцию с топливом, не будут участвовать в реакции окисления.

При этом они поглощают некоторое количество тепла, выделяемого во время горения, а реальное количество тепловой энергии распределится в большем объёме газа, и удельный тепловой поток снизится (температура пламени станет ниже).

Количество кислорода, содержащегося в воздухе, составляет приблизительно 21% от объема и около 23% от веса. Но это значение не постоянно и меняется в зависимости от высоты над уровнем моря и температуры. Изменение концентрации кислорода в воздухе вызвано тем, что нагревание участвующего в горении воздуха и изменение высоты над уровнем моря дает один и тот же эффект, а именно – уменьшение плотности воздуха. Уменьшение плотности воздуха является причиной уменьшения количества кислорода. На высоте 1000 метров над уровнем моря плотность воздуха примерно на 10% меньше, чем на нулевой высоте над уровнем моря.

Изменение плотности воздуха и, следовательно, количества кислорода из-за сильного изменения высоты над уровнем моря или температуры по сравнению с нормальными условиями (высота над уровнем моря – 100 метров, температура воздуха, участвующего в горении - 20°С), является таким фактором, которым нельзя пренебрегать. Это подробнее описано в разделе 3 в параграфах с примерами по выбору горелки.

При определенных условиях на содержание кислорода в воздухе также могут влиять и другие факторы:

• влажность воздуха (обычно при увеличении относительной влажности воздуха, содержание кислорода в нём уменьшается);
• повышенное содержание в воздухе пыли и других волокнистых соединений (проблемы в системах горения возникают в связи с тем, что они отбирают на себя часть воздуха, участвующего в горении). 

ВИДЫ ТОПЛИВА

Топливо - это вещество, при вступлении которого в реакцию с кислородом воздуха, образуется значительное количество тепловой энергии, а также небольшое количество электромагнитной энергии (свет), механической энергии (шум) и электрической энергии (ионы и свободные электроны).

Топливо можно классифицировать на основе его обычного физического состояния (твердое, жидкое, газообразное) и на основе его происхождения (природное, искусственное или производное топливо). Наиболее распространенные виды топлива представлены в таблице 1.

Таблица 1 Классификация основных видов топлива

Природное топливо сконцентрировано в подземных месторождениях, откуда его извлекают для дальнейшей переработки. Как правило, природное топливо нельзя использовать сразу, поскольку его химический состав и свойства могут очень сильно различаться в зависимости от месторождения и времени добычи. Для эффективного и безопасного использования топлива необходимо обеспечить постоянство его физико-химических характеристик на протяжении всего времени использования.

Типичные методы обработки (обогащения) природного топлива основаны на увеличении концентрации в единице массы или объёма горючих составляющих и удалении вредных и инертных примесей.

Древесный уголь получают из древесины, посредством медленного и частичного сжигания внутри специальной ямы, закрытой землей.

При дистилляции антрацита с низким уровнем жирности при умеренной температуре получают кокс.

Из угля можно получить различные виды искусственного газообразного топлива путём таких процессов синтеза, как: сухая перегонка, частичное окисление или реакция с парами воды.

Всё искусственное жидкое или газообразное топливо можно получить при дистилляции нефти.

Перед использованием природного газа, посредством десульфуризации из него необходимо удалить крайне загрязняющую составляющую – Н₂S, вместе с инертной фракцией – СО₂.

Все эти процессы направлены на то, чтобы сделать химический состав топлива однородным, - тогда его легче и выгоднее использовать.

В частности, жидкое и газообразное топливо легче транспортировать и очень легко дозировать - чтобы обеспечить полноту сгорания. По этой причине является предпочтительным для вентиляторных горелок именно данный тип топлива.

Все виды топлива характеризуются следующими основными показателями:

• Теплотворная способность Теплотворная способность – это количество тепла, произведенного при полном сгорании единицы массы или объёма топлива. Теплотворная способность измеряется в кДж/Нм3 (1) для газа и в кДж/кг для жидкого и твердого топлива. Существуют два значения теплотворной способности: - высшая теплотворная способность (ВТС) учитывает количество теплоты, полученной при полном сгорании единицы массы или объёма топлива с учётом теплоты, полученной при конденсации водяных паров из дымовых газов; - низшая теплотворная способность (НТС), учитывает количество теплоты, полученной при полном сгорании единицы массы или объёма топлива без учёта теплоты, полученной при конденсации водяных паров из дымовых газов; ВТС и НТС связаны между собой следующим соотношением: ВТС = НТС + количество теплоты полученное при конденсации водяных паров из дымовых газов. Т.к. в теплогенераторах температура дымовых газов выше температуры конденсации водяных паров, в расчётах используются значение НТС (кроме конденсационных котлов, т.е. установок имеющих специальные устройства для конденсации водяных паров из дымовых газов, - в этих случаях в расчетах используются значения ВТС). 

• Теоретическое количество воздуха, необходимое для горения Это минимальное количество воздуха, участвующего в горении, которое необходимо для получения идеального стехиометрического горения. Оно измеряется в Нм3 возд/Нм3 газа для газообразного топлива и в Нм3 возд/кгтопл для жидкого топлива.

Для газообразного топлива также имеют большое значение следующие основные физические характеристики:

• Относительная плотность газа Это соотношение массы одного и того же объёма сухого воздуха и газа, измеренного при одинаковой температуре и давлении. 
• Точка росы Это значение температуры, при достижении которой водяной пар, содержащийся в дымовых газах, начинает конденсироваться. Эта температура может сильно отличаться от стандартного значения 100°С. Водяной пар смешан с другими газами, и зависит от уровня кислотности дымовых газов. Измеряется в градусах Цельсия (°С)
• Взрывоопасная концентрация Это диапазон концентрации газа в воздухе, выраженный в процентах, в котором данная смесь является взрывоопасной.
• Число Воббе Этот параметр определяет теплоту, высвобождаемую газом. Оно определяется из соотношения между высшей теплотворной способностью и квадратным корнем относительной плотности газа.  

Этот коэффициент очень полезен для оценки взаимозаменяемости газообразного топлива двух различных видов.