Тема 1.3. Условия воспламенения и сгорания газового топлива

Горение газообразного топлива представляет собой сочетание следующих физических и химических процессов:

• смешение горючего газа с воздухом,
• подогрев смеси,
• термическое разложение горючих компонентов,
• воспламенение и химическое соединение горючих элементов с кислородом воздуха.

Устойчивое горение газовоздушной смеси возможно при непрерывном подводе к фронту горения необходимых количеств горючего газа и воздуха, их тщательном перемешивании и нагреве до температуры воспламенения или самовоспламенения (табл. 1).

Воспламенение газовоздушной смеси может быть осуществлено:

• нагревом всего объема газовоздушной смеси до температуры самовоспламенения. Такой способ применяют в двигателях внутреннего сгорания, где газовоздушную смесь нагревают быстрым сжатием до определенного давления;
• применением посторонних источников зажигания (запальников и т. д.). В этом случае до температуры воспламенения нагревается не вся газовоздушная смесь, а ее часть. Данный способ применяется при сжигании газов в горелках газовых приборов;
• существующим факелом непрерывно в процессе горения.

Для начала реакции горения газообразного топлива следует затратить определенное количество энергии, необходимой для разрыва молекулярных связей и создания новых.

Химическая формула сгорания газового топлива с указанием всего механизма реакции, связанного с возникновением и исчезновением большого количества свободных атомов, радикалов и других активных частиц, сложна. Поэтому для упрощения пользуются уравнениями, выражающими начальное и конечное состояния реакций горения газа.

Если углеводородные газы обозначить С_mН_n, то уравнение химической реакции горения этих газов в кислороде примет вид

C_mH_n + (m + n/4)O₂ = mCO₂ + (n/2)H₂O ,

где m - количество атомов углерода в углеводородном газе; n - количество атомов водорода в газе; (m + n/4) - количество кислорода, необходимое для полного сгорания газа.

В соответствии с формулой выводятся уравнения горения газов:

• метана СН₄ + 2O₂ = СO₂ + 2Н₂O
• этана С₂Н₆ + 3,5O₂ = 2СO₂ + ЗН₂O
• бутана С₄Н₁₀ + 6,5O₂= 4СO₂ + 5Н₂0
• пропана C₃H₈ + 5O₃ = ЗСO₂ + 4Н₂O.

В практических условиях сжигания газа кислород берется не в чистом виде, а входит в состав воздуха. Так как воздух состоит по объему на 79 % из азота и на 21 % из кислорода, то на каждый объем кислорода требуется 100 : 21 = 4,76 объема воздуха или 79 : 21 = 3,76 объема азота. Тогда реакцию горения метана в воздухе можно записать следующим образом:

СН₄ + 2O₂ + 2*3,76N₂ = CO₂ + 2H₂O + 7,52N₂ .

Из уравнения видно, что для сжигания 1 м³ метана требуется 1 м³ кислорода и 7,52 м³ азота или 2 + 7,52 = 9,52 м³ воздуха.

В результате сгорания 1 м³ метана получается 1 м³ диоксида углерода, 2 м³ водяных паров и 7,52 м³ азота. В таблице ниже приведены эти данные для наиболее распространенных горючих газов.

Для процесса горения газовоздушной смеси необходимо, чтобы количество газа и воздуха в газовоздушной смеси было в определенных пределах. Эти пределы называются пределами воспламеняемости или пределами взрываемости. Различают нижний и верхний пределы воспламеняемости. Минимальное содержание газа в газовоздушной смеси, выраженное в объемных процентах, при котором происходит воспламенение, называется нижним пределом воспламеняемости. Максимальное содержание газа в газовоздушной смеси, выше которого смесь не воспламеняется без подвода дополнительной теплоты, называется верхним пределом воспламеняемости.

Количество кислорода и воздуха при сжигании некоторых газов

Если в газовоздушной смеси содержится газа меньше нижнего предела воспламеняемости, то она не будет гореть. Если в газовоздушной смеси недостаточно воздуха, то горение протекает не полностью.

Большое влияние на величины пределов взрываемости оказывают инертные примеси в газах. Увеличение содержания в газе балласта (N₂ и СO₂) сужает пределы воспламеняемости, а при повышении содержания балласта выше определенных пределов газовоздушная смесь не воспламеняется при любых соотношениях газа и воздуха (таблица ниже).

Количество объемов инертного газа на 1 объем горючего газа, при котором газовоздушная смесь перестает быть взрывоопасной

Наименьшее количество воздуха, необходимое для полного сжигания газа, называется теоретическим расходом воздуха и обозначается Lt, то есть если низшая теплота сгорания газового топлива 33520 кДж/м³, то теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 м³ газа

L_T= (33 520/4190)/1,1 = 8,8 м³.

Однако действительный расход воздуха всегда превышает теоретический. Объясняется это тем, что очень трудно достигнуть полного сгорания газа при теоретических расходах воздуха. Поэтому любая газовая установка для сжигания газа работает с некоторым избытком воздуха.

Итак, практический расход воздуха

L_n = αL_T ,

где L_n – практический расход воздуха; α - коэффициент избытка воздуха; L_T - теоретический расход воздуха.

Коэффициент избытка воздуха всегда больше единицы. Для природного газа он составляет α = 1,05 - 1,2. Коэффициент α показывает, во сколько раз действительный расход воздуха превышает теоретический, принимаемый за единицу. Если α = 1, то газовоздушная смесь называется стехиометрической.

При α = 1,2 сжигание газа производится с избытком воздуха на 20 %. Как правило, сжигание газов должно проходить с минимальным значением α, так как с уменьшением избытка воздуха снижаются потери теплоты с уходящими газами. Воздух, принимающий участие в горении, бывает первичным и вторичным. Первичным называется воздух, поступающий в горелку для смешения в ней с газом; вторичным — воздух, поступающий в зону горения не в смеси с газом, а отдельно.