2.4. Основные положения теории горения

Горением называют процесс быстрого химического соединения горючих элементов топлива с окислителем, обычно с кислородом воздуха, сопровождающийся выделением теплоты и света.

Непосредственно перед горением требуется обеспечить хорошее перемешивание между молекулами горючих веществ топлива с окислителем. Затем полученную смесь необходимо нагреть до температуры воспламенения. Выделяемая при горении теплота расходуется на нагрев новых порций топлива и воздуха, вступающих в реакцию, на нагрев образующихся при этом продуктов сгорания и на компенсацию потерь теплоты в окружающую среду. Температура воспламенения мазута 530—600 и газов 500—700 °С. При достижении температуры воспламенения реакции окисления резко ускоряются, и процесс переходит непосредственно в горение.

При отоплении печей обычно используют факельный метод сжигания топлива. Факел — частный вид пламени, образующегося при подаче топлива и воздуха в печь струями. В факеле происходят одновременно процессы перемешивания, подогрева смеси до температуры воспламенения и собственно горения. Факел имеет вполне определенную форму и размеры.

В теории горения различают гомогенное и гетерогенное горение. Гомогенное горение происходит в объеме, а гетерогенное — на поверхности капелек, а затем, после испарения летучих составляющих, на сажистых частицах. Чем меньше размер частиц жидкого топлива, тем больше будет удельная поверхность взаимодействия твердой фазы с газовой. Поэтому распыливание жидкого топлива позволяет сжечь больше топлива в единице объема, т. е. интенсифицировать горение.

Гомогенное горение может происходить в двух режимах: кинетическом и диффузионном. В первом случае в зону горения, например в рабочее пространство печи, подают заранее подготовленную топливно-воздушную смесь. Основной этап процесса — прогрев смеси и окисление горючих составляющих топлива. При этом, факел получается короткий и высокотемпературный. Предварительный подогрев смеси или обогащение воздуха кислородом ускоряет процесс горения. Так, подогрев многих газовоздушных смесей до 500 °С приводит к увеличению скорости горения почти в 10 раз. Температура предварительного подогрева смеси не должна превышать температуры ее воспламенения, чтобы избежать горения внутри горелки. Во втором случае процессы смешения, подогрева смеси и горения осуществляются в факеле одновременно. Наиболее медленная стадия — смесеобразование, т. е. встречная диффузия молекул и микро- и макрообъемов газа и воздуха. Поэтому факел будет длиннее, чем в первом случае. Желая сократить длину факела, газовый и воздушный поток дробят на отдельные струйки. Этому же способствует увеличение скоростей струй и направление потоков газа и воздуха под углом друг к другу и т. д. Улучшения перемешивания газа с воздухом добиваются с помощью выбора более совершенной горелки, подогрева газа, воздуха и т. д.

Механизм горения всех веществ может быть объяснен теорией цепного воспламенения и горения, разработанной академиками Н. Н. Семеновым и Я- Б. Зельдовичем и др. Суть теории состоит в том, что окисление совершается не сразу по стехиометрическим соотношениям, а через ряд промежуточных реакций с образованием так называемых активных центров, которыми являются радикал ОН, а также атомы водорода и кислорода. Они вызывают последовательную цепь реакций.

При неблагоприятных условиях, например низкой температуре смеси, количество активных центров уменьшается, цепи обрываются, и процесс окисления прекращается. В соответствии с этой теорией при температуре воспламенения образование и обрыв цепей количественно равны друг другу. При повышении температуры смеси выше температуры воспламенения образование (разветвление) цепей превышает их обрыв, что обеспечивает устойчивое горение. Если приход теплоты при горении будет больше теплоотвода, то скорость реакции горения резко возрастет. При этом могут возникнуть ударные волны, обладающие большой разрушительной силой.

Воспламенение смеси горючего газа и воздуха возможно только при определенном их соотношении. Предельные соотношения их называют концентрационными пределами. Различают нижний и верхний пределы, определяемые предельным содержанием горючего газа в смеси, %. Для водорода пределы имеют значения 4,1—75; оксида углерода 12,5—75; метана 5,3—14; коксового газа 5,6—30,4, а для природного газа 4—13.

Повышение температуры смеси расширяет пределы воспламенения, а увеличение давления и наличие в смеси негорючих газов (С0₂, N₂), наоборот, сужает эти пределы. При подогреве смеси до температуры воспламенения смесь воспламеняется при любых соотношениях газа и воздуха.

Концентрационные пределы имеют большое практическое значение для безопасного разжигания печей, ремонтных работ на газопроводах и т. д. Если, например, в рабочем пространстве и дымоходах слаборазогретой печи имеются газовые смеси, то они могут воспламениться. При плохом теплоотводе из зоны горения процесс ускоряется вплоть до детонации, заканчивающейся взрывом.

Все сказанное выше справедливо для понимания процессов горения газообразного топлива. Однако для отопления печей используют и мазут, сжигаемый в распыленном состоянии. Вследствие этого процесс сжигания мазута слагается из отдельных стадий: распыление, смешение с воздухом, подогрев до температур вспышки и воспламенения, горение капли и твердого остатка (кокса). Все отдельные стадии совершаются или на поверхности капли или вблизи нее. Существенное влияние на процесс горения оказывает кипение жидкого топлива с образованием паровой фазы. Хотя горение мазута определяется многими факторами, однако окисление горючих окислителем носит цепной характер.

В теплотехнике часто используют понятие теплового напряжения, под которым подразумевают количество теплоты, выделяющееся при сжигании топлива в единицу времени, отнесенное к 1 м³ топки или рабочего пространства печи. Для жидкого топлива оно доходит до 600 кВт/м³, а для газообразного — вдвое больше.