2020-04-12
164
Е.А.Кравченко
ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА
Учебное пособие
Нефтяная форсунка В.Г.Шухова, «действующая
водяным паром» (1881 г.)
Белгород 2007
УДК 662.61 (07)
ББК 31.35я7
К 78
Рецензенты:
Кравченко Е.А.
К 78 Теория горения и взрыва: Учебное пособие / Е.А.Кравченко.- Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007. - 145 с.
В пособии изложены теоретические основы горения твердых, жидких и газообразных топлив, а также взрывных явлений. Приведены методические указания для выполнения расчетно-графического задания.
Предназначено для дистанционного обучения студентов специальности «Безопасность технологических процессов и производств» по дисциплине «Теория горения и взрыва».
Ил.17. Табл. 20. Библиогр.: 13 назв.
УДК 662.61 (07)
ББК 31.35я7
Белгородский государственный
технологический университет
(БГТУ) им. В.Г.Шухова, 2007
Белгород 2007
Введение
Горение является первым сложным техническим процессом,освоенным человечеством. В истории прогресса техники этот процесс занимал и продолжает занимать очень важное место, являясь основой современной энергетики, многих технологических производств, транспорта и быта. Тем не менее из-за очень большой сложности процессов, разнообразия условий горения в разных видах топочных устройств теория горения еще далека от завершения. Поэтому в большинстве случаев при создании устройств и агрегатов, в которых протекает процесс горения, возникает необходимость их опытной доводки.
Следует иметь в виду, что причиной пожаров (возгораний) чаще всего является неконтролируемое развитие экзотермической химической реакции, а случайных взрывов – горение. Поэтому все компоненты и смеси, в которых возможно протекание экзотермических реакций, должны считаться опасными, а при изготовлении, транспортировке, хранении и использовании таких материалов следует соблюдать специальные меры предосторожности, чтобы снизить вероятность их возгорания или взрыва. Чтобы обеспечить пожаро- и взрывобезопасность какого-либо технологического процесса, необходимо знать характеристики процесса горения используемых в этом процессе компонентов.
Основное загрязнение атмосферного воздуха связано со сжиганием органического топлива. Типичными токсичными выбросами в атмосферу для котельных, тепловых электрических станций, транспорта и других топливосжигающих устройств являются твердые частицы (пыль, зола), оксиды серы и азота, моноокись углерода, оксиды металлов, бенз(а)пирен. На пожарах и при случайных взрывах, как правило, горение происходит с недостатком окислителя, что приводит к образованию продуктов неполного сгорания, абсолютное большинство которых является весьма токсичным.
Для изучения курса теории горения и взрыва необходимо иметь соответствующую подготовку по математике, физике, химии, гидрогазодинамике и теплотехнике.
При изучении материала курса по данному пособию и (или) по рекомендуемым учебникам, приведенным в библиографическом списке, нужно прежде всего уяснить существо каждого излагаемого там вопроса. Главное – это понять изложенное в пособии или учебнике, а не «заучить».
Изучать материал рекомендуется по темам или по главам (параграфам) пособия или учебника. Сначала следует прочитать весь материал темы (параграфа), особенно не задерживаясь на том, что показалось не совсем понятным; часто это становится понятным из последующего. Затем надо вернуться к местам, вызвавшим затруднения, и внимательно разобраться в том, что было неясно. Особое внимание при повторном чтении обратите на формулировки соответствующих определений и т.п.; в точных формулировках, как правило, бывает существенно каждое слово и очень полезно понять, почему данное положение сформулировано именно так. Однако не следует стараться заучивать формулировки; важно понять их смысл и уметь изложить результат своими словами.
Закончив изучение темы, полезно составить краткий конспект, по возможности не заглядывая в данное пособие или учебник. Кроме того, нужно проверить, можете ли вы дать ответ на все контрольные вопросы, приведенные в конце каждого раздела (темы), то есть осуществить самопроверку.
Следует иметь в виду, что в различных учебниках материал может излагаться в разной последовательности. Поэтому ответ на какой-нибудь вопрос данной темы может оказаться в другой главе учебника, но на изучение курса в целом это, конечно, никак не скажется.
Методические указания по выполнению расчетно-графического задания приводятся ниже после изложения теоретического материала. Их надо прочитать обязательно и ими руководствоваться. В конце методических указаний приводится пример выполнения расчетно-графического задания.
Физико-химические основы горения
Основные понятия и определения
Горением называется сложное, быстро протекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и обычно ярким свечением (пламенем). В большинстве случаев основу горения составляют экзотермические окислительные реакции вещества, способного к горению (горючего), с окислителем. Продукты этих окислительных реакций называются продуктами горения.
Пламя – это видимая зона горения, делящая газовую смесь на две части – сгоревший газ, через который пламя уже прошло, и несгоревший газ, который вскоре войдет в область пламени. Граница между этими двумя частями горящей газовой смеси называется фронтом пламени.
Процесс горения является сложным и состоит из многих связанных между собой отдельных процессов, как физических, так и химических. Физика горения сводится к процессам тепломассообмена и переноса в реагирующей системе. Химия горения заключается в протекании окислительно-восстановительных реакций, состоящих обычно из целого ряда элементарных актов и связанных с переходом электронов от одних веществ к другим – от восстановителя к окислителю.
Окислительно-восстановительные реакции горения могут быть межмолекулярными и внутримолекулярными. Межмолекулярные реакции протекают с изменением степени окисления атомов в разных молекулах. Внутримолекулярные реакции горения протекают с изменением степени окисления разных атомов в одной и той же молекуле (обычно это реакции термического разложения веществ).
Горение зависит от условий образования горючей среды, теплообмена с окружающей средой, отвода продуктов сгорания и многих других факторов. Все это объясняет многообразие видов горения.
В зависимости от свойств горючей системы горение может быть гомогенным и гетерогенным, предварительно перемешанных компонентов (кинетическим) и диффузионным, ламинарным и турбулентным и т.д.
Если горючее (в виде газа или пара) предварительно, еще до начала горения, смешано с воздухом или кислородом, то горючую смесь называют гомогенной, а горение – кинетическим. Для некоторых твердых материалов, например каменных углей, характерен переход от пламенного горения спустя определенное время, в течение которого завершится выделение летучих компонентов, к горению непосредственно конденсированной фазы (твердого вещества),
проявляющемуся в появлении раскаленной поверхности. Такое горение является гетерогенным.
Если горючее подается в зону горения раздельно с кислородом или воздухом и перемешивается с ними в процессе горения, то происходит диффузионное горение При турбулентном диффузионном горении структура очага горения и способ распространения пламени в факеле менее ясны и существенно отличаются от гомогенного горения предварительно смешанных компонентов. Все типы пламени от кинетических до диффузионных наблюдаются в реальных устройствах и установках, использующих процессы горения как источники светового излучения или тепла.
Общая черта всех явлений и видов горения - высокая экзотермичность (интенсивное выделение тепла и резкое повышение температуры) химических превращений.
Возникновение и развитие процесса горения зависит как от скорости химического превращения горючей смеси и процессов тепло-массообмена между пламенем, еще не сгоревшим горючим веществом и окружающей средой, так и от внешних условий (сосуд или открытая среда).
Состав топлива
В настоящее время добывается большое количество разнообразных природных топлив. Много топлив получается искусственным путем в результате технологической переработки природных топлив. Все они резко различаются по физическим свойствам и химической структуре, что непосредственно влияет на характер процесса горения.
Основные разновидности природного топлива – древесина, торф, угли (бурый, каменный, антрацит), сланец, нефть, природный горючий газ. В качестве топлива используются также продукты переработки природного топлива – кокс; газы термообработки и коксования – генераторные, доменные, коксовальных печей; продукты нефтепереработки – бензин, керосин, дизельное топливо, мазут.
На практике при организации процессов горения в качестве горючего вещества используют твердые, жидкие и газообразные топлива. Твердые и жидкие топлива представляют собой сложные соединения горючих элементов, молекулярное строение которых еще недостаточно изучено, и включают в себя минеральные примеси и влагу. Углерод С, водород Н и кислород О определяют состав органической массы топлива. Кроме того, органическая масса топлива в небольших количествах содержит серу S и азот N. Все эти вещества могут принимать участие в процессе горения, и поэтому они составляют горючую массу топлива.
Минеральные примеси, попадающие в состав топлива в основном в процессе его образования, составляют золу топлива А, содержание которой в разных топливах различно. Зола непосредственно не принимает участие в реакциях окисления, определяющих процесс горения, однако, балластируя горючую массу, снижает ее тепловую ценность. Процентное содержание в топливе всех веществ (включая золу), входящих в состав сухой массы, называется элементарным составом сухой массы.
Общая масса топлива, включая золу и влагу W, называется рабочей. Все расчеты, связанные с анализом процесса горения, как правило, принято проводить по рабочей массе.
В зависимости от того, какая масса топлива берется в расчет, каждой составляющей присваивается соответствующий надстрочный индекс.
Горючая масса
Сг + Нг + Ог + Nг + Sгор+п = 100%.
Сухая масса
Сс+Нс+Ос+Nс+Sсор+п +Ас = 100%.
Рабочая масса
Ср+Нр+Ор+Nр+Sрор+п +Ар+Wр = 100%.
Приведение элементарного состава топлива от одной массы к другой производится с помощью обычной пропорции.
Главной горючей составляющей твердого и жидкого топлива является углерод, горение которого обусловливает выделение основного количества тепла. Теплота сгорания аморфного углерода 34,4 Мдж/кг (8130 ккал/кг).
Водород является вторым по значению элементом горючей массы топлива, его содержание в горючей массе твердых и жидких топлив колеблется от 2 до 10%. Много водорода содержится в природном газе и горючих сланцах, меньше всего – в антраците. Теплота сгорания водорода в водяной пар – 10,8 МДж/м3 (2579 ккал/м3).
Кислород и азот в топливе являются органическим балластом, так как их наличие уменьшает содержание горючих элементов в топливе. Кроме того, кислород, находясь в соединении с водородом или углеродом топлива, переводит некоторую часть горючих в окислившееся состояние и уменьшает его теплоту сгорания. Содержание кислорода велико в древесине и торфе. Азот при сжигании топлива в атмосфере воздуха не окисляется и переходит в продукты сгорания в свободном виде. При сжигании топлива в закрытых объемах (топках, печах, камерах сгорания двигателей и др.) некоторая часть азота окисляется.
Сера твердого топлива подразделяется на органическую Sор, пиритную Sп и сульфатную Sс:
S = Sор + Sп + Sc
. Органическая сера входит в состав сложных высокомолекулярных органических соединений топлива. Пиритная сера представляет собой ее соединения с металлами, чаще с железом (FeS2). Органическая и пиритная сера Sор+п участвуют в горении и относятся к сере горючей Sг. Сульфатная сера Sс входит в минеральную часть топлива в виде сульфатов СаSО4и FеSО4 и поэтому в процессе горения дальнейшему окислению не подвергается. Сульфатные соединения серы при горении переходят в золу.
Сера в жидком топливе содержится в виде сераорганических соединений (меркаптанов, сульфидов, дисульфидов и др.), элементарной серы и сероводорода Н2S. Все они участвуют в горении.
Сера в газовом топливе содержится в основном в виде сероводорода.
Образующийся при горении топлива сернистый газ SО2 и особенно сопутствующий ему в небольшом количестве серный газ SО3 вызывают коррозию металлических частей топливосжигающих устройств и отравляют окружающую местность. Вследствие низкой теплоты сгорания – 9,3 МДж/кг (2220 ккал/кг) присутствие серы уменьшает теплоту сгорания топлива. Поэтому сера является вредной и нежелательной примесью топлива.
Состав горючих газов обычно записывают в виде суммы объемного содержания составляющих газов (в процентах), например
СО + Н2 + СО2 + СН4 + СmНn + Н2S + О2 + N2 + Н2О = 100%.
Состав топлива необходим для определения тепловой ценности топлива, а также для сведения материальных балансов процесса горения.
