Особенности сжигания газа

В топку можно подавать заранее подготовленную газовоздушную смесь, а можно вдувать горючий газ и воздух раздельно. Сжигание подготовленной смеси называется кинетическим, поскольку оно определяется только кине­тикой реакций горения. В соответствии с законом Аррениуса (1889г.) скорость реакции сильно (по экспоненте) возра­стает с температурой, поэтому при высо­ких температурах, обычных для топоч­ных камер, такая смесь может сгорать с огромной скоростью.

Предварительно подготовленную смесь сжигают в карбюраторных двига­телях внутреннего сгорания, где горение должно завершиться за ничтожно малое время. В промышленных топках и печах такой большой скорости сгорания обыч­но не требуется. В то же время под­готовленная смесь чрезвычайно взрывоо­пасна. Она может взорваться от электри­ческой искры (как в цилиндре карбюра­торных ДВС), при проскоке пламени через горелку из топки и просто при нагреве до определенной температуры, называемой температурой само­воспламенения. Ее значения для некоторых газов в смеси с воздухом при­ведены ниже:

Газ Н₂ СО СН₄ С₂Н₂

t,°C 580—590 644—658 650—750 406—440

Надо отметить, что не всякую смесь можно поджечь даже от постороннего источника (например, электрической искры). Различают нижний (α_в >1, бед­ная смесь) и верхний (α_в <1, богатая смесь) концентрационные гра­ницы зажигания. Вне этих преде­лов смесь невозможно зажечь, т. е. она пожаро- и взрывобезопасна (надо иметь в виду, что богатая топливом смесь, вы­текая в воздух и разбавляясь им, станет пожароопасной).

Учитывая взрывоопасность готовой смеси, в промышленных установках предпочитают без особой необходимости не иметь с нею дела, подавая горючий газ в топку отдельно от воздуха. В отли­чие от кинетического такое горение на­зывается диффузионным, посколь­ку скорость его сгорания определяется интенсивностью смешения компонентов, осуществляемого в конечном счете путем взаимной диффузии.

Турбулентные пульсации обеспечива­ют смешение достаточно крупных порций топлива с окислителем, создавая переме­жающиеся объемы топлива, окислителя и продуктов сгорания (макросмешение). Однако для горения необходимо смеше­ние на молекулярном уровне. В каждом из этих объемов реагенты путем молекулярной диффузии транспортируются к поверхности их раздела, где образуется пламя, непрерывно разрушающееся тур­булентными пульсациями и возникающее в новых местах. Поскольку горение ос­ложняется диффузией — процессом, протекающим весьма медленно, диффу­зионный факел получается много длин­нее, чем факел подготовленной смеси. Тем не менее сжигание топлива при раз­дельной подаче его с окислителем широ­ко применяется по двум причинам. Во-первых, раздельный их транспорт по тру­бопроводам к топке и смешение уже в процессе сжигания намного безопас­нее, чем подача взрыво- и пожароопас­ной горючей смеси. Во-вторых, иногда нужно сознательно замедлить сжигание, как говорят, «растянуть» факел, сделать его длиннее, например, для того чтобы равномернее нагреть металл по всей дли­не печи или увеличить светимость факела за счет сажистых частиц, выделяющихся при диффузионном сжигании.