6.1. Теоретические основы сжигания газа

Горение является сложной химической реакцией горючего (газ) и окислителя, кислород воздуха сопровождающейся выделением значительного количества тепла. Температура сгорания является важной характеристикой процесса сжигания газа. Используются понятия калориметрическая ( от лат. калор - тепло) и теоретическая температура сгорания.

Калориметрическая температура - это температура, до которой бы нагрелись продукты полного сгорания, если бы вся теплота газа и воздуха пошла бы на их нагревание. Для определения этой температуры запишем уравнение теплового баланса:

q_Vв +I_г + I_в =I_к .( 6.1)

где q_Vв высшая теплота сгорания газа, кДж/ м³; I_г , I_в –энтальпия газа и воздуха при температурах t_г⁰С и t_в⁰С поступления их в горелку; I_к – энтальпия продуктов сгорания при калориметрической температуре t _к⁰С.

Выражение для I_гимеет вид:

I_{г =} t_гV_гс_г ,( 6.2)

где V_г-объемные доли компонентов газа в 1 м ³ газа (м³); с_г - объемная теплоемкость компонентов газа при постоянном давлении, кДж/м³ град.

Для I_в запишем соотношение:

I_в=V_вс_вt_в = αV_втс_вt, (6.3)

где V_в объем воздуха, приходящийся на 1м3 газа; с_в –объемная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, кДж/м³ град; α =V_в/V_вт- коэффициент избытка воздуха в процессе горения: V_вт = 10.3 м³ - теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1м³ газа.

Энтальпия продуктов сгорания рассчитывается по их составу:

I_к= t_к  Vс = ( V_N2с_N2 + V_О2с_О2 + V_СО2с_СО2 + V_{Н2 О}с_Н2О), (6.4)

где V,с – объемы веществ в продуктах сгорания и их объемные теплоемкости при постоянном давлении; объемы веществ V определяются на основании химического уравнения процесса горения, так , например, уравнение горения метана имеет вид:

СН₄ + 2 О₂ = СО₂ + 2 Н₂О. (6.5)

С помощью соотношений (6.1) …(6.4) найдем выражение для калориметрической температуры:

t_к = (q_vв + t_г V_гс_г +αV_втс_вt_в)/ Vс. ( 6.6)

Расчет калориметрической температуры горения по формуле (6.6) ведется методом последовательных приближений, т.к. значения теплоемкостей , входящие в формулу (6.6), зависят от температуры.

Из формулы (6.6) следует, что температура горения возрастает при использовании газа с большей теплотой сгорания q_vв и при предварительном подогреве воздуха теплом отходящих газов ( увеличение t_в ). Максимальная температура сжигания метана в воздухе 1950⁰С.

Теоретическая температура сгорания отличается от калориметрической тем, что она определяется с учетом неполноты сгорания газа и потерь энергии на диссоциацию ( от лат. разъединение), т.е. на разложение части продуктов сгорания СО₂ и Н₂О [ см. формулу (6.5)] на составляющие. Потери энергии на диссоциацию учитываются при температурах, превышающих 2000⁰С. При неполном сгорании газа в продуктах сгорания содержатся не прореагировавшие с кислородом воздуха метан, водород, окись углерода, сажа. Сжигание газа должно быть организовано так, чтобы происходило полное сгорание газа, при котором в продуктах сгорания содержатся только негорючие газы : СО₂, N₂, пары Н₂О и некоторое количество избыточного кислорода при α > 1.

Отметим, что при сжигании газа обычно принимают коэффициент избытка воздуха α = 1,05…1,1. Необходимость избытка воздуха над теоретическим количеством вызвана тем, что в реальных условиях невозможно обеспечить равномерное перемешивание газа с воздухом и требуется дополнительное количество воздуха.

Скорость горения – это скорость химических реакций, которая определяется изменением во времени τ концентраций реагирующих веществ С в процессе горения. В общем виде скорость горения в соответствии с определением выражается следующим образом:

W=-dС/dτ . (6.7)

В формуле (6.7) знак «минус» свидетельствует об уменьшении концентрации реагирующего вещества. Согласно закону Аррениуса, скорость реакции резко возрастает с увеличением температуры:

W=K₀ƒ(C)/exp(E/RT), (6.8)

где К₀ – константа, не зависящая от температуры; ƒ(C) – функция влияния концентрации веществ на скорость реакции; Е - энергия активации, характеризующая активность молекул веществ при реагировании между собой; R – газовая постоянная; Т - абсолютная температура (К).

При низких температурах скорость реакции ничтожно мала, но выделяющаяся в результате реакции теплота приводит к повышению температуры и скорости реакции.

Само тепловыделение зависит от температуры. Можно записать с учетом формулы (6.8):

Q=WqV=qVK₀ƒ(C)/exp(E/RT) ,(6.9)

где q-тепловой эффект реакции; V- объем горючей смеси.

При высоких температурах 1200…1300⁰С тепловыделение резко увеличивается и скорость реакции столь возрастает, что реакция протекает практически мгновенно. Такое горение является тепловым.

Воспламенение газовоздушной смеси. Для начала горения газовоздушную смесь надо воспламенить. Воспламенение возможно двумя способами. При первом способе смесь доводится до такой температуры, при которой она сама воспламеняется по всему объему. Температура самовоспламенение смеси зависит от условий теплообмена смеси с внешней средой. Минимальное значение температуры самовоспламенения природных газов с воздухом следующие : метан 654⁰С, этан и пропан 530⁰С , бутан 490⁰С.

Второй способ характеризуется тем, что холодную газовоздушную смесь поджигают в одном месте искрой, раскаленным телом, пламенем. Возникающее пламя распространяется по всему объему смеси с определенной скоростью, вовлекая в процесс горения все новые и новые массы смеси. Такой процесс называется вынужденным зажиганием и характеризуется тепловым горением.

В технике применяются оба способа воспламенения смесей. Однако, в газогорелочных и топочных устройствах чаще осуществляется второй способ- вынужденное зажигание.

Газовоздушную смесь можно зажечь только при определенных соотношениях газа и воздуха. Очень бедные и очень богатые газом смеси не горят. Наименьшая концентрация газа в смеси, при которой смесь зажигается, называется нижним пределом воспламенения. Наибольшая концентрация газа в смеси, при которой смесь еще может гореть, называется верхним пределом воспламенения. Если газовоздушная смесь предварительно нагрета, то указанные пределы расширяются.

Наличие пределов воспламенения газовых смесей объясняется тем, что бедным и богатым смесям соответствует низкая теоретическая температура горения, а потери теплоты в окружающую среду настолько снижают температуру, что смесь теряет способность к горению.

В таблице 6.1 приведены пределы воспламенения газовоздушных смесей природных газов.

Таблица 6.1. Нижний и верхний пределы воспламенения газовоздушных смесей

(% содержание газа по объему).

ГАЗ	ПРЕДЕЛ
	Нижний	Верхний
МЕТАН	5	15
ЭТАН	3,22	12,45
ПРОПАН	2,37	9,5
БУТАН	1,86	8,41

Пределы воспламенения газовоздушных смесей используются при проектировании газового оборудования и решении вопросов по технике безопасности использования газа, где они являются пределами взрываемости.