Процесс горения и строение пламени

ТЕХНОЛОГИЯ ГАЗОВОЙ СВАРКИ

ЛЕКЦИЯ 3

Для процессов газопламенной обработки наибольшее значение имеет процесс горения различных горючих газов и паров жидких горючих веществ в кислороде или воздухе. Горение любой газовой смеси начинается с воспламенения ее при какой-то определенной температуре, зависящей от условий процесса горения. После того как горение началось, дальнейший нагрев газа внешним источником теплоты становится излишним, так как теплота сгорания газа оказывается достаточной для поддержания горения новых порций горючей смеси.

Однако устойчивый процесс горения возможен лишь в том случае, если выделяющейся при сгорании горючей смеси теплоты достаточно и для нагрева новых порций газа, и для компенсации потерь теплоты в окружающую среду. Так, например, в трубках малых диаметров и особенно в капиллярах, где теплоотвод стенками трубки велик, горение газа невозможно.

Необходимое условие горения газа в кислороде или в воздухе — содержание горючего газа в смеси в определенных пределах, называемых пределами воспламенения. В зависимости от скорости воспламенения горючей смеси различают следующие три вида горения:

1) спокойное — со скоростью распространения пламени, не выше 10—15 м/с;

2) взрывчатое — со скоростью распространения пламени, достигающей нескольких сот метров в секунду;

3) детонационное — со скоростью распространения пламени свыше 1000 м/с. Скорость воспламенения зависит от состава газовой смеси, давления, под которым газовая смесь находится, характера и объема пространства, в котором происходит горение, термомеханических условий на его границе, от чистоты горючего газа и кислорода. С увеличением содержания в них примесей скорость воспламенения уменьшается.

Применяемые в процессах газопламенной обработки горючие газы или пары жидких горючих веществ представляют собой преимущественно смеси углеводородов с другими газами, например с окисью или двуокисью углерода. Все горючие газы, содержащие углеводороды, образуют пламя со светящимся ядром, аналогичным по строению ацетилено-кислородному пламени (рис. 35). Чем больше углерода в составе горючего газа, тем резче очерчено светящееся ядро пламени.

Кроме ацетилена, к горючим газам, образующим пламя со светящимся ядром, относятся метан, пропан, бутан, пропано-бутановые смеси, природные газы, нефтяной газ, пиролизный газ и др.

Наибольшее распространение в процессах газопламенной обработки, в особенности в процессах газовой сварки, получил ацетилен. Сварочное ацетилено-кислородное пламя принято делить на нормальное, окислительное и науглероживающее.

В сварочном пламени рассматривают три зоны: ядро, среднюю восстановительную зону и факел — окислительную зону.

Полное сгорание ацетилена в кислороде протекает по реакции

С₂Н₂ + 2,5О₂ = 2СО₂ + Н₂О+1300,6 кДж/моль.

Реакции горения сварочного пламени, характеризующие начальные и конечные стадии процесса горения ацетилена в кислороде, в первом приближении можно представить протекающими в две фазы.

Очень условно и схематично первая фаза сгорания ацетилена в кислороде происходит при их поступлении из горелки в соотношении 1:1:

С₂Н₂ + О₂ = 2СО + Н₂ + 452,64 кДж/моль.

Во второй фазе сгорания горючего также условно и схематично окончательное окисление (догорание) его происходит за счет подсасывания в пламя кислорода воздуха:

2СО + Н₂ + 1,5О₂ = 2СО_а + Н₂О + + 865,54 кДж/моль.

Пламя, образуемое при сгорании ацетилена в кислороде при подаче их в горелку в пропорции 1:1, принято называть нормальным.

Однако, практически, некоторая относительно небольшая часть водорода сгорает в водяной пар за счет кислорода, поступающего из горелки; кроме того, кислород имеет примеси, поэтому нормальное пламя образуется при несколько большем количестве поступающего из горелки кислорода, а именно при соотношении смеси

Ро= 1,05–1,2.

Для окислительного пламени, например, с соотношением смеси Ро = 1,5, начальная стадия горения, соответствующая средней зоне пламени, может быть выражена реакцией

С₂Н₂ + 1,50₂ = 2СО + Н₂ + 0,5О₂.

В этом случае средняя (рабочая) зона пламени утрачивает свои восстановительные свойства и приобретает окислительный характер.

Для науглероживающего пламени, в частности при соотношении смеси Р₀ = 0,5, реакцией, характеризующей сгорание горючего в средней зоне пламени, будет

С₂Н₂ + 0,50₂ = СО + С + Н₂.

В этом случае в средней зоне пламени появляется значительное количество свободного углерода, вследствие чего она становится науглероживающей.

Современная теория горения ацетилено-кислородного пламени и пламени других углеводородных газов с кислородом, разработанная школой академика Н. Н. Семенова, рассматривает следующие основные стадии горения.

Стадия подготовки горючего к сгоранию характеризуется пирогенным разложением ацетилена в присутствии кислорода. Процесс пирогенного разложения ацетилена протекает в ядре сварочного пламени.

Простое пирогенное разложение заключается в распаде горючего при температуре 800—1250° С на составные элементы — углерод С и водород Н.С₂Н₂ = 2С - Н₂.

В результате цепи реакций последовательного окисления и разложения образуются новые наиболее устойчивые продукты СО и Н₂. Однако в действительности в процессе разложения некоторая часть ацетилена в определенный промежуток времени распадается полностью на элементы, в результате чего появляется свободный углерод в виде мельчайших раскаленных частиц сажи, окружающих тонким слоем внутреннее ядро пламени.

Таким образом, можно считать, что яркость свечения ядра пламени любого углеводородного газа обусловлена сосредоточением на периферии ядра раскаленных частиц углерода.

Стадия восстановления — средняя зона пламени характеризуется ускорением окислительных процессов и началом активного окисления СО и Н₂ в углекислый газ СО₂, и водяной пар Н₂О.

Стадия догорания — факел пламени характеризуется протеканием интенсивного окисления продуктов пирогенного разложения ацетилена с образованием конечных продуктов горения СО₂ и Н₂О.

Изменение температурного состояния смеси в процессе горения может быть качественно представлено графиком на рис. В первой стадии горения (внутреннее ядро пламени) происходит повышение температуры смеси от Т₀ до температуры воспламенения Т_в. В стадии воспламенения (средняя зона пламени) температура резко возрастает от температуры воспламенения Т_е до максимальной температуры пламени Т_П. В стадии догорания температура понижается.

Дата добавления: 2014-01-04