Условия воспламенения горючих газов

Для организации процесса горения необходимо смешать газовое топливо с определенным количеством воздуха и нагреть газовоздушную смесь или даже ничтожно малый ее объем до некоторой температуры, называемой температурой воспламенения.

В холодной смеси кинетическая энергия молекул газа и кислорода незначительна и реакции окисления протекают медленно, с выделением малых количеств тепла, рассеивающихся в окружающей среде. При нагревании смеси скорость молекул реагентов и количество их соударений возрастают и за счет непрерывного увеличения количества активных центров происходит самоуско-рение реакции, сопровождающееся прогрессирующим выделением тепла, а, следовательно, и повышением температуры смеси. Минимальная температура, при которой обеспечивается самоускорение реакции, приводящее к воспламенению смеси, называется температурой воспламенения (табл. 10.2). Она зависит от концентрации газа в газовоздушной смеси, давления, способа нагрева смеси, а иногда и от каталитического воздействия стенок топки.

Таблица 10.2

Температуры воспламенения, жаропроизводительность и пределы воспламеняемости некоторых газов в смеси с воздухом

при атмосферном давлении и α = 1

Примечание. Жаропроизводительность дана без учета содержания влаги в воздухе.

Воспламенение горючей газовоздушной смеси может быть осуществлено двумя способами: нагревом всего объема смеси, до температуры воспламенения, называемой в этом случае температурой самовоспламенения, или поджиганием смеси в одном или нескольких местах внешним источником тепла, имеющим достаточно высокую температуру. Первый способ применяется, например, в двигателях внутреннего сгорания, когда за счет сжатия топливовоздушная смесь нагревается до температуры самовоспламенения.

Для газогорелочных устройств применяют второй способ зажигания. В этом случае фронт горения от места зажигания распространяется по струе вытекающей из горелки газовоздушной смеси за счет нагревания соседних слоев смеси до температуры воспламенения. Скорость и характер распространения фронта горения по потоку газовоздушной смеси в этом случае зависят от ряда ниже рассматриваемых факторов.

Прежде всего следует учитывать, что не всякая холодная газовоздушная смесь, заключенная в замкнутый объем, может быть воспламенена внешним источником зажигания. Воспламеняются лишь те смеси, в которых содержание горючего газа находится в определенных для каждого газа пределах. При поджигании «бедных» смесей - смесей с недостаточным содержанием горючего газа - тепла, выделившегося при горении в очаге поджигания, не хватает для нагрева соседних слоев смеси до температуры воспламенения и самопроизвольное горение смеси не достигается.

«Богатые» смеси - смеси со слишком большим содержанием горючего газа - при поджигании также не горят самостоятельно, так как из-за недостатка воздуха в смеси у очага поджигания сгорает малое количество газа и выделяющегося при этом тепла недостаточно для поддержания температуры воспламенения.

Этим двум условиям соответствуют нижний и верхний концентрационные пределы воспламеняемости (взрываемости) газа (см. табл. 10.2). Нижний предел соответствует минимальному, а верхний - максимальному содержанию горючего газа в смеси, при котором происходит ее воспламенение при зажигании и самопроизвольное (без притока тепла извне) распространение пламени. Вне концентрационных пределов газовоздушные смеси не горят и не взрываются. В интервале между нижним и верхним пределами смеси при поджигании в атмосфере горят, а в замкнутом объеме взрываются.

Таким образом, при поджигании у устья горелки газовоздушной смеси с различным содержанием в ней газа могут иметь место следующие случаи.

1. Из устья вытекает газовоздупшая смесь с содержанием газа, меньшим нижнего предела воспламеняемости. В этом случае смесь не загорится, хотя ее горючие составляющие в пламени запальника будут гореть.

2. Из устья горелки вытекает смесь, количество газа в которой находится между нижним и верхним пределами воспламеняемости. Тогда при определенном соотношении скорости истечения смеси и скорости распространения пламени по потоку смесь будет гореть.

3. Из горелки вытекает смесь, количество газа в которой превышает верхний предел воспламеняемости. При этом условии вытекающая смесь также будет гореть. В горении будет участвовать не только воздух, содержащийся в смеси, но и воздух из окружающей зону горения атмосферы.

4. В замкнутом объеме (например, в топке или газоходе), заполненном газовоздушной смесью, воспламенение ее (взрыв) возможно только при условии, что содержание газа в смеси находится в интервале между нижним и верхний пределами воспламеняемости и в объем внесен источник температуры, величина которой выше температуры воспламенения. Давление, возникающее при взрыве газовоздушных смесей, определяется на опытных установках. Для природных газов оно достигает 0,7-0,8 МПа. Обусловлено это быстрым, почти мгновенным сгоранием газа, очень быстрым нагревом и расширением образующихся продуктов сгорания и скачкообразным повышением их давления.

Давление, возникающее при взрыве смеси простого газа с сухим воздухом при стехиометрическом их соотношении равно

р_вз = р₀∙(1 + αt_к) m/n, (10.18)

где р₀ - абсолютное давление в сосуде до взрыва, МПа;

α - коэффициент объемного расширения газов, численно равный коэффициенту увеличения давления;

t_к - калориметрическая температура горения, °С;

m и n - соответственно число молекул после взрыва и до него, определяется по реакциям горения.

Пределы воспламеняемости газовоздушных смесей при повышении температуры расширяются, при повышении давления и увеличении балластных компонентов сужаются.

ЛЕКЦИЯ 11