Объемы потребления кислорода воздуха и выделения различных веществ при полном сгорании 1 кг топлива, кг

Топливо	Потребление О2	Выход веществ в результате сгорания
Н2О	N2	CO2
Водород Сжатый природный газ Сжиженный нефтяной газ Метанол Диметилэфир Бензин Дизтопливо Мазут Каменный уголь	7,94   3,13   3,47 1,5 1,92 3,04 3,34 3,17 2,48	8,94   2,25   1,59 1,13 1,08 1,46 1,29 0,78 -	26,41   13,28   12,0 4,98 - 11,74 11,39 10,4 8,86	-   2,8   3,0 1,37 1,84 3,1 3,16 3,5 3,0

В результате полного сгорания топлива потребляется 1,5—7,9 кг кислорода воздуха, а выделение СО₂(для используемых в настоящее время топлив) составляет порядка З кг, воды 0,8—2,3 кг, азота 0,4—13,3 кг.

Неполное окисление. Если количество кислород будет меньше стехиометрического, то окисление будет неполным: часть углерода кислится лишь до СО, а часть водорода не сгорит вообще. Окисление углеводородной молекулы СхНуидет по уравнению

СхНу+[(w*x/2)+(1-w)x+e(1-w₁)/4]O₂=

=wxCO+(1-w)xCO₂+yw₁H₂/2+y(1-w₁)H₂O/2, (19)

где w - массовая доля углерода, окислившегося до СО; w₁ — массовая доля несгоревшего водорода.

В продуктах сгорания появляется несгоревший водород (N_H2) и оксид углерода (Hсо). Тогда

Nco+Nco2=х; N_H2+N_H2O=y/2.

Рис. 5 - Фронт пламени при ламинарном (а) и турбулентном (б) и горении[5]

Ламинарное горение образуется при распространении фронта
пламени по неподвижной или ламинарно движущейся горючей смеси. Фронт пламени представляет собой узкую зону толщиной до
1 мм (δ_пл), отделяющую свежую смесь от продуктов сгорания
(рис. 2.4, а), в которой температура меняется практически линейно за счет конвективного теплообмена (теплового распространения пламени) путем прогрева свежей смеси от температуры То до температуры продуктов сгорания Тпс. Под воздействием излучения пламени перед фронтом в свежей смеси протекают фотохимические предпламенные процессы (на расстоянии до 5 мм от фронта) с образованием Н₂, СО, СО₂, Н₂О и т. д.

При турбулентном движении горючей смеси крупные пульсации искривляют фронт пламени, разрывают его (рис. 5, б). Толщина фронта при атмосферном давлении значительно больше, чем у ламинарного (20-25мм). Скорость турбулентного горения зависит от интенсивности и масштабов турбулентности смеси.

Рис. 6 - Энергия активизации Еа и тепловой эффект прямой и обратной реакции

Отличительной особенностью физических и химических закономерностей процесса горения является наличие большого результирующего экзотермического эффекта химических реакций и температуры, определяющей скорости этих реакций. Ход химической реакции при изменении энергии молекулы от начального Ео до конечного Ек зна чений возможен, когда молекула имеет энергию, большую Ео (рис. 6). Если Ео>Ек, то в результате реакции выделяется теплота ∆Ǫ (экзотермическая реакция), иначе реакция сопровождается поглощением теплоты (эндотермическая). В принципе любая реакция может идти в обоих направлениях. На схеме для обратной реакции Еа(обр)- энергия активации, а ∆Ǫ - эндотермический эффект.

Скорость основных химических реакций в процессе горения vx зависит от концентраций топлива c, окислителя с, а также константы скорости i-й химической реакции kс и определяется по формуле Аррениуса

vx_i=kc_ic с, (20)

где n,m — показатели порядка реакции по соответствующим компонентам.

Константа скорости химической реакции определяется по формуле

Kc=koexp[-Ea/(RT)], (21)

где ko – предэкспотенциальный множитель; R - универсальная газовая постоянная; exp[-Ea/(RT)] - множитель, характеризующий долю молекул, обладающих энергией большей, чем энергия активации Еа п ри температуре Т. Чем больше энергия активации, тем сильнее зависимость множителя от температуры, поэтому г о р е н и е можно определить как химическую реакцию с экзотермическим эффектом и высоким значением энергии активации.

При осуществлении химической реакции концентрации исходных компонентов обычно уменьшаются, а продуктов сгорания – увеличиваются. Поэтому наступает момент, когда скорости прямой обратной реакций становятся одинаковыми — наступает состояние химического равновесия. Поскольку обычно энергии активации прямой и обратной реакций различны, то с изменением температуры скорости прямой и обратной реакций изменяются в различной степени, а следовательно, изменяются и равновесные концентрации. При низких температурах равновесие может быть вообще не достигнуто, сгорание будет неполным, образуются продукты неполного сгорания в составе отработавших газов, которые при выбросе загрязняют окружающую среду. Обычно в горелочных устройствах полного сгорания топлива не происходит и кроме СО₂, Н₂О, N₂, O₂, SО₂ в отработавших газах присутствуют продукты неполного сгорания твердые частицы (С) и другие токсичные вещества (всего более 280 наименований).

Дата добавления: 2014-01-13