Горение газового топлива

Лекция 17 Горение газового топлива Общие положения. В основу теории горения газового топлива положено учение, разработанное академиком Семеновым Н.Н., о промежуточных химических преобразованиях. Горение газовых топлив происходит на основе цепных разветвленных реакций при образовании промежуточных химически активных центров ОН-, Н+, и др., дающих начало реакциям горения. Определяют три причины образования активных центров: 1.Столкновение активных молекул: Н2+ О2 ОН- + ОН- 2. Столкновение горючего с активной молекулой: Н2 +М  Н+ + Н+ + М 3. Диссоциация водяного пара: Н2О  Н+ + ОН- Основные горючие компоненты газа – это метан СН4, его гомологи общей формулы СnHm, водород Н2и оксид углерода (II) СО. Известно, что сжигание газового топлива протекает в два этапа: первый - предпламенное смешение топлива с окислителем с образованием горючей смеси и нагревание ее до температуры воспламенения tвосп., второй – воспламенение и горение газо-воздушной смеси. При горении метана в результате первого цикла реакций образуется три активные частицы, способные к развитию цепи – это два активных водорода и кислород по реакции: СН4 + O2 СO2 + 2Н2O + 2H+ + O2- (tвоспл= 650-700 оС, Еактив=140-160 кДж/моль). При горении оксида углерода (II) в результате первого цикла реакций образуется две активные частицы, способные к развитию цепи – это активные водород и кислород по реакции: СО + O2 2СO2+ H+ + O2- (tвоспл= 600-650 оС, Еактив=100-120 кДж/моль). Гомологи метана, входящие в состав газового топлива, склонны к термическому разложению. Температура термического разложения этих соединений несколько выше температуры воспламенения газа. Поэтому при хорошем смесеобразовании горение протекает до начала термического разложения углеводородов. Если количество окислителя недостаточное или смесеобразование плохо организовано, то часть молекул газа, не имея контакта с молекулами окислителя, в зоне высоких температур подвергается термическому разложению с образованием атомов углерода, которые взаимодействия между собой образуют сажистые соединения. Горение твердых частиц сажи протекает медленно с потерями тепла. Если нагревание природного газа происходит с достаточным количеством окислителя и при хорошем смесеобразовании, то под действием кислорода, кроме реакции горения, метан сравнительно легко распадается с образованием метильного радикала и радикала водорода по реакции: СН4 СН3 + Н. Образовавшийся радикал водорода реагирует с молекулой кислорода с образованием двух активных частиц: Н + О2 ОН- + О. Образовавшийся метильный радикал взаимодействует гидроксилом с образованием метилового спирта по реакции: СН3 + ОН- СН3ОН. Метиловый спирт при взаимодействии с атомарным кислородом образует формальдегид СН3ОН + О  НСООН + Н2О При дальнейшем отщеплении атомов водорода от метильного радикала образуется еще одна активная частица – радикал СН, вступающая в реакцию с гидроксилом с образованием формальдгида по реакции: СН + ОН- НСООН. Образование формальдегида может происходить и по реакции метильного радикала с кислородом СН3 + О2 НСООН. Образующийся в ходе реакций формальдегид легко распадается до оксида углерода (II) и водорода НСООН  СО + Н2 или окисляется с образованием углекислого газа и воды НСООН + О2 СО2 + Н2О. Таким образом, при нагревании предельных углеводородов в атмосфере со свободным кислородом образование сажи не происходит. Для ввода газа и воздуха в зону горения и образования горючей смеси применяют специальные устройства – горелки. В зависимости от способа образования горючей смеси различают следующие принципы горения газа: - горение предварительно подготовленной однородной смеси газа с воздухом; - горение при раздельной подачи в зону горения газа и воздуха; - горение при предварительном смешении газа с частью необходимого для горения воздуха; - горение при незавершенном предварительном перемешивании газа со всем необходимым для горения воздухом. По аэродинамическим характеристикам газовоздушного потока в зоне горения различают ламинарное и турбулентное горение. В промышленных установках осуществляется турбулентное горение газа. Горение неподвижной газовой смеси.Рассмотрим сначала процесс горения газового топлива в простейшем варианте: распространение пламени в неподвижной однородной смеси горючего газа с окислителем - воздухом или кислородом (подразумевается, что концентрация топлива находится в интервале между нижним и верхним пределами взрываемости). Воспламенение горючей смеси, как уже было указано, происходит при повышении ее температуры выше температуры воспламенения. Обычно такие температурные условия создаются не во всей исходной смеси, а только в небольшой ее части. Так происходит, например, при зажигании смеси от внешнего пламени (или электрической искры). Внесенное в газовую смесь пламя нагревает ближайший слой смеси, который воспламеняется и сгорает. Теплота, выделенная сгоревшим слоем, передается следующему слою исходно смеси, температура последнего также повышается до температуры воспламенения, слой сгорает, от него нагревается соседний слой и т.д. Горящий слой газовой смеси называют фронтом горения, так видно из изложенного, сгорание топлива в данных условиях происходит в процессе перемещения фронта горения от места воспламенения горючей смеси к другим ее частям. На рис. 1 схематично показано распределение концентраций топлива и температур внутри горящего слоя и около него для некоторого определенного момента времени. Ось x направлена перпендикулярно фронту горения. Слева от горящего слоя 2 располагается исходная газовая смесь 1, имеющая начальную температуру T0 и концентрацию топлива c0. В области фронта горения концентрация топлива сТ резко понижается вследствие его сгорания (на графике показан случай полного сгорания, когда концентрация топлива снижается до нуля), а температура T резко возрастает от тепловыделения при горении. Фронт горения непрерывно перемещается влево в сторону еще не сгоревшей смеси. Скорость такого перемещения в направлении нормали (перпендикуляра) к фронту горения называют нормальной скоростью распространения пламени. Она определяется скоростью прогревания слоев исходной смеси от горящего слоя и зависит от состава топлива и окислителя, а также от соотношения между ними, т.е. от состава горючей смеси. Для смесей метана - основного компонента природного горючего газа - с воздухом при различных соотношениях топливо - окислитель нормальная скорость распространения пламени изменяется в пределах VПЛН = 20-50 см/с, причем наибольшее ее значение достигается, когда указанное соотношение соответствует стехиометрии реакции CH4 + 2O2 = CO2 + H2O, т.е. на один объем метана приходится 9,52 объемов воздуха (9,52·0,21 = два объема О2). Увеличение или уменьшение содержания воздуха в смеси против указанного значения понижает VПЛН. Рис1. Распределение концентраций топлива сТ и температур Т в области фронта горения неподвижной газовой смеси. Из компонентов газового топлива наибольшая скорость распространения пламени присуща водороду. В водородно-воздушных смесях она может доходить до 250 м/с. Этот максимум наблюдается при содержании воздуха в смеси, составляющем 0,6 стехиометрического. Отклонение от такого состава смеси приводит к быстрому уменьшению VПЛН. Если взять горючую газовую смесь в таком малом объеме, в котором ее горение происходит практически сразу по всему объему, то, как показывают экспериментальные данные, процесс сгорания такого объема занимает очень короткое время: tГОР » 10-3 с. Исходя из этого, можно определить толщину горящего слоя газовой смеси: Приняв VПЛН - 50 см/с, получим d = 50·10-3 = 0,05 см, т.е. толщина фронта горения составляет всего около 0,5 мм. Горение движущейся газовой смеси. Распространение пламени в потоке газовой смеси происходит в направлении, противоположном направлению движения потока, т.е. имеет место наложение двух движений. Скорость распространения пламени в этом случае зависит не только от рассмотренных выше факторов, но также от режима течения потока. При ламинарном режиме, когда соседние слои газа движутся параллельно друг другу, не смешиваясь, распространение пламени в каждом слое может происходить в принципе так же, как в неподвижной газовой смеси. Увеличение скорости газа приводит к переходу ламинарного режима течения в турбулентный, для которого характерно интенсивное перемешивание потока вследствие возникающих в нем завихрений. Распространение пламени в турбулентном потоке, как и в предыдущих случаях, происходит за счет нагревания все новых порций горючей смеси до температуры воспламенения, но существенно изменяется механизм переноса теплоты. Этот процесс значительно интенсифицируется, поэтому и скорость распространения пламени резко возрастает. Завихрения в турбулентном потоке деформируют фронт горения, он размывается, превращается в широкую зону горения, которая перемещается с большой скоростью. В потоке горючей газовой смеси, движущейся по трубе, практически нельзя добиться стабильного положения фронта (или зоны) горения. Действительно, если средняя скорость потока превышает скорость распространения пламени, фронт горения будет потоком "вынесен" из трубы. В противоположном случае фронт горения перемещается навстречу потоку - происходит "прискок" пламени до того места, где топливо смешивается с воздухом. В случае большого объема газовой смеси на участке "проскока" и затрудненного отвода продуктов сгорания из него такой "проскок" может вызвать взрыв. Горение газового топлива, заранее смешанного с необходимым количеством воздуха, называют кинетическим. Сжигание газового топлива в топках паровых котлов. Кинетическое сжигание газового топлива в топках паровых котлов применяют сравнительно редко, потому что смесь горючего газа с необходимым для его полного сгорания воздухом дает в топочной камере слабо светящийся факел, имеющий невысокую излучательную способность. Чтобы интенсифицировать лучистый теплообмен в топке, добиваются повышения излучательной способности факела путем раздельной подачи топлива и воздуха в топку. В этом случае поступающий в топку горючий газ первоначально нагревается от топочных газов в условиях нехватки окислителя. Среди компонентов газового топлива различают теплоустойчивые и теплонеустойчивые.К последним относятся углеводороды, и, в частности, метан. При нагревании в бескислородной среде до 400 - 600°C, они начинают разлагаться. Одним из конечных продуктов разложения является углерод: CH4=C + 2H2, который выделяется в виде мельчайших частиц сажи. Сажа смешивается с воздушным потоком и сгорает в нем, причем такой процесс сопровождается сильным тепловым и световым излучением. Интенсивность процесса горения газового топлива, подаваемого в топку отдельно от воздуха, определяется интенсивностью перемешивания потоков топлива и воздуха в объеме топочной камеры, перемешивание в значительной мере обусловлено диффузионным переносом веществ, поэтому данный способ сжигания газа называется диффузионным. Добиться полного сгорания топлива при диффузионном его сжигании непросто, так как трудно обеспечить быстрое и полное перемешивание горючего газа с воздухом в топке. Эта задача осложняется тем, что объемы топлива и воздуха, подлежащих смешению, различаются более чем в 20 раз. Для получения удовлетворительной эффективности смешения чаще всего прибегают к способу сжигания, промежуточному между кинетическим и диффузионным: до подачи в топку горючий газ смешивают только в частью воздуха, необходимого для полного сгорания топлива (с "первичным" воздухом). Остальную часть ("вторичный" воздух) подают отдельно, параллельным потоком. Схема факела, образующегося при такой организации процесса показана на рис. 2. Смесь топлива с первичным воздухом 1 подается в топку через центральный канал горелки 3, вторичный воздух 2 - через кольцевой канал, расположенный вокруг центрального. На выходе из центрального канала образуется короткая зона кинетического горения 4, в которой полностью расходуется на горение первичный воздух. В последующей длинной зоне 5 присутствуют продукты сгорания топлива, образовавшиеся в зоне 4, и не сгоревшая часть топлива, нагретого до высокой температуры в условиях отсутствия окислителя. В зоне 6 не сгоревшее топливо смешивается с воздухом - это зона диффузионного горения, обладающая высокой излучательной способностью. Рис.2. Схема факела при сжигании горючего газа, смешанного с частью необходимого для горения воздуха Расчет процессов горения природного газа Элементарные реакции горения 1. Горение водорода 2H2 + O2= 2H2O 1 м30,5 м31 м3 Таким образом, при окислении 1 м3 водорода 2. Горение метана CH4+O2= CO2 + 2H2O 1 м32 м31 м32 м3 Таким образом, при окислении 1 м3 метана 2. Горение тяжелых углеводородов CmHn + (m+n/4)O2 = mCO2 + n/2H2O 1 м3m+n/4м3m м3n/2 м3 Таким образом, при окислении 1 м3CmHn Теоретический объем кислорода, необходимый для полного сгорания 1 нм3 природного газа Теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 нм3 природного газа Расчет продуктов сгорания природного газа 1. Теоретические объемы газов при α=1. Теоретический объем газов а) Объем трехатомных газов б) Объем азота в) Объем водяных паров Таким образом, теоретический объем водяных паров будет равен: 2. Действительные объемы газов при α1. а) Объем трехатомных газов б) Объем азота ; в) Объем водяных паров ; г) Объем кислорода избыточного воздуха ; Действительный объем уходящих газов