1.4. Кинетическая и диффузионная области горения

Для создания теоретических основ конкретного процесса горения важно понять, какой процесс – физический или химический – является лимитирующим, самым медленным, определяющим скорость всего процеcса в целом. Для ускорения всего процесса горения нужно ускорять прежде всего лимитирующий процесс.

Область горения, в которой время сгорания зависит только от скорости химической реакции между кислородом и горючим, называется кинетической. В кинетической области осуществляется, например, тление древесного угля или древесины. Так как тление происходит при низкой температуре, скорость реакции настолько мала, что скорость диффузии кислорода к поверхности обычно опережает скорость взаимодействия кислорода. В данном примере лимитирующей стадией является химическая реакция, так как она самая медленная.

Область горения, в которой скорость процесса зависит только от времени, необходимого для возникновения физического контакта кислорода и горючего, или от скорости другого физического процесса, называется диффузионной.

Горение жидкого топлива происходит обычно в диффузионной области. При горении жидкого топлива лимитирует скорость испарения (а горит, как сказано выше, только испарившиеся вещество). Если требуется ускорить весь процесс горения, то нужно создать условия для лучшего испарения.

Для гомогенных процессов лимитирующая стадия зависит от общего давления смеси. При высоком давлении частота столкновений реагирующих частиц очень большая, поэтому лимитировать может скорость химической реакции. В этом случае горение происходит в кинетической области.

В газовых смесях процесс может протекать также в диффузионной области, если общее давление низкое, так как самой медленной стадией будет взаимная диффузия и столкновение реагирующих частиц. Между этими крайними случаями есть область промежуточных давлений, при которых важны оба процесса – и химический, и физический.

В диффузионной области происходит также горение газа, выходящего из трубы. В этих случаях смесь паров и газов с воздухом образуется во время горения в результате диффузии кислорода к молекулам горючего.

При интенсивном высокотемпературном горении твердого топлива обычно лимитирует диффузия кислорода к поверхности топлива и отвод продуктов от поверхности. В таком процессе горения антрацита, кокса или древесного угля, когда температура на поверхности большая, скорость реакции очень большая. В этом случае скорость подхода кислорода к поверхности отстает от скорости химической реакции.

Глава 2

ОСОБЕННОСТИ ГОРЕНИЯ ГАЗОВ ЖИДКОСТЕЙ И ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ

2.1. Особенности горения газов

Особенностью горения гомогенных систем является наличие критических условий, т.е. определенных, характерных для данной конкретной горючей смеси, параметров, вне пределов которых реакция протекает стационарно, без самоускорения, а в их пределах она самоускоряется. К таким параметрам относится состав смеси (концентрация горючего вещества и окислителя), давление, начальная температура, наличие примесей, геометрия сосуда и материал его стенок и некоторые другие. Переход от медленного состояния к быстрому носит резкий характер. Достаточно изменить лишь ненамного размер сосуда, температуру, или концентрацию горючего, как течение реакции радикально меняется. В одних случаях при постоянном действии источника воспламенения (например, пламени) воспламенения не происходит. Взаимодействия горючего и окислителя идет, но только в зоне пламени, и оно не самораспространяется. Постепенно вся смесь прореагирует. Время полного израсходования горючего зависит от источника зажигания – его мощности, температуры, площади действия. Если же параметры смеси находятся в области воспламенения, то достаточно кратковременного воздействия источника зажигания, чтобы произошел взрыв или быстрое сгорание смеси.

Рассмотрим влияние концентрации на способность смеси к самовоспламенению. Известно, что для воспламенения газовой смеси концентрация горючего должна находиться в определенных пределах – между нижним и верхним пределами воспламенения. Эти пределы зависят от горючего, окислителя, устройства, в котором изучается процесс (геометрии сосуда, материала его стенок), от наличия посторонних примесей в газовой смеси. В табл. 1 приведены значения пределов воспламенения некоторых веществ.

Т а б л и ц а 1.

Пределы воспламенения некоторых газовых смесей

Вещество в газообразном состоянии	Пределы воспламенения, % объемные
	Нижний	Верхний
Аммиак NH3	15,5	27
Ацетилен С2Н2	2,5	80
Ацетон (СН3)2СО	2,6	12,8
Н2	4,0	74,2
Метан СН4	5,0	15,0
СО	12,5	74,2
Пропан С3Н8	2,1	9,4
Этанол С2Н5ОН	3,3	18,9
Диэтиловый эфир (С2Н5)2О	1,9	36,5
Бензол С6Н6	1,4	6,8

При замене воздуха на кислород оба предела возрастают, причем нижний немного, а верхний более сильно. Например, для водорода в смеси с кислородом нижний предел равен 4,7%, а верхний 93,9%. Для метана нижний предел равен 5,4%, а верхний 59,2%.

Объяснение наличия пределов воспламенения лежит в области химической кинетики. Как известно, скорость химических реакций пропорционально произведению концентрации реагирующих веществ. В данном случае это горючее и окислитель. Нижний предел характеризуется низкой концентрацией горючего, поэтому скорость мала и процесс затухает, происходит без самоускорения.

Верхний предел связан с малой концентрацией окислителя, с его нехваткой для развития процесса горения. Наиболее оптимальной для процесса горения является стехиометрическое соотношение горючего и окислителя, то есть соответствующее коэффициентам в уравнении реакции между ними.

Сильное отличие верхнего предела смесей с кислородом и воздухом связано с тем, что в воздухе всего 21% кислорода. При замене воздуха на кислород концентрация кислорода в горючей смеси возрастает почти в пять раз, поэтому его нехватка наступает при гораздо более высоких концентрациях горючего.

Из-за наличия нижнего предела воспламенения практически редко происходит полное сгорание топлива. Особенно это проявляется в устройствах, где существует короткое время пребывания топлива в факелах (например, в двигателях внутреннего сгорания). В них всегда происходит выброс в атмосферу непрореагировавшего топлива (газ, бензин, дизельное топливо и т.д.). На крупных ТЭЦ горение происходит в длинных факелах, и доля несгоревшего топлива существенно ниже.