МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технический институт

Р. А. Юдин, И. Р. Юдин

ОСНОВЫ ТЕОРИИ

ГОРЕНИЯ И ДЕТОНАЦИИ

Учебное пособие

Череповец

2012

Р

УДК 661

ББК 35.513

Ю 16

ассмотрено на заседании кафедры теплоэнергетики и теплотехники, протокол № 2 от 23.09.11 г.

Одобрено УМС ЧГУ, протокол № 3 от 17.11.11 г.

Юдин Р. А., Юдин И. Р. Основы теории горения и детонации: Учеб. пособие. – Череповец, 2012. – 140 с. – ISBN 978 – 5 – 85341 – 474 – 7.

В пособии сформулированы основные понятия, теплотехнические и теплофизические параметры процессов горения и условия, сопровождающие вибрационное горение и детонацию горючих смесей; приведены физико-химические реакции горения углерода, окиси углерода, водорода и углеводородных газов, включая ряды алканов, алкенов и алкинов, для различных условий.

Пособие предназначено для студентов специальностей 280102 «Безопасность технологических процессов и производств», 140104 «Промышленная теплоэнергетика».

Рецензенты: С.В. Лукин, канд. техн. наук, проф. (ЧГУ); Е.А. Шестакова, канд. техн. наук, доцент (ЧГУ)

Научный редактор: Н.И. Шестаков, д-р техн. наук, проф.

© Юдин Р.А., Юдин И.Р., 2012

©

ISBN 978 – 5 – 85341 – 474 – 7

ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет», 2012

Введение

Топливо, по образному выражению В.И. Ленина, является «хлебом промышленности». С развитием производства, а также в связи с использованием высокоскоростного транспорта и механизированного сельского хозяйства потребность в топливе стремительно возросла.

По агрегатному состоянию все виды топлива делятся на твердое, жидкое и газообразное. К твердому топливу относятся дрова, торф, горючие сланцы, уголь, кокс и т.д. К жидкому – нефть и часть продуктов ее крекинга, к газообразному – природный, попутный и искусственные газы, поэтому по методам получения топливо делится на естественное и искусственное. Последнее получают по специальным технологиям, например методом коксования (кокс) и путем крекинга нефти (керосин, бензин, дизельное топливо – «солярка», сжиженный газ, а также газы поземной газификации). Искусственное топливо также является попутным продуктом специальных технологий, например коксовый, доменный, генераторный и сланцевый газы. Естественное топливо добывают из недр земли.

Химический состав любого вида естественного топлива в значительной степени зависит от месторождения и срока его эксплуатации. Состав искусственных газов также имеет существенные различия. Так, существуют сжиженные газы на основе технического пропана, а также газы на основе технического бутана, содержащие не более 4 % этана и этилена. Кроме того, сжиженные газы получают путем смешения в заданной пропорции указанных газов.

До середины XX в. в структуре мирового топливного баланса прочно доминировало твердое топливо, главным образом уголь. В современном мировом топливном балансе на долю углеводородного топлива – нефти и природного газа – приходится более 65 %. Однако нефть является сырьем нефтехимической промышленности, ее использование в качестве топлива экономически преступно, так как, по образному выражению Д.И. Менделеева, «сжигать нефть – это все равно, что сжигать ассигнации» [7], [8].

Увеличение потребления углеводородного топлива привело к тому, что все промышленно развитые страны Западной Европы, США и Япония вынуждены в больших количествах импортировать это топливо. Более того, поставка в эти страны российского природного газа привела к тому, что на большинстве энергопотребляющих установок были применены современные инновационные решения. Ранее на этих установках использовали исключительно электрическую энергию, стоимость которой при всех способах ее получения всегда выше стоимости природного газа, так как последний является природным сырьем, а электрическая энергия – искусственным видом энергии, для получения которой требуются различные природные ресурсы.

В связи с вышеизложенным уместно отметить, что сегодняшние сложности Украины по расчетам за поставки природного газа из России во многом связаны с тем, что в переходный период большинство ее тепловых электростанций по экологическим соображениям были переведены с угля на природный газ, а в условиях рыночной экономики это непозволительная роскошь. Подобное положение имело место и в России, в Кузбассе, но этот неэкономичный переход был вовремя приостановлен. В пределах России переход с твердого и жидкого топлива на газообразное по экологическим соображениям оправдан для котельных, находящихся вблизи крупных жилых массивов либо поселков с магистральным газоснабжением.

Физико-химическое описание процессов сжигания твердых видов топлива, в отличие от газообразного, является более простым, поэтому и теплотехнические расчеты этих процессов также не представляют трудностей. Кроме того, связанные с риском техногенные процессы при сжигании твердого топлива, в отличие от углеводородного газообразного, маловероятны. Здесь уместно отметить, что взрывы на угольных шахтах связаны исключительно с выделениями метана, которые усиливаются из-за пропитки метана угольной пылью. В связи с этим в пособии основное внимание сосредоточено на описании и теплотехнических расчетах процессов горения и детонации углеводородных газов, в частности природного газа.

В связи с тем, что при сжигании любого вида топлива не до-пускается химическая неполнота сгорания, а условным топливом является уголь с теплотворной способностью 7000 ккал/м³ (29 309 кДж/м³), в пособии приведена методика расчета сжигания углерода, освещены вопросы повышения эффективности использования топлива, экологические аспекты и условия детонации топлива.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Горением называется всякая реакция, сопровождающаяся появлением света и выделением тепла. Сжигание топлива осуществляют, как правило, в воздухе, так как кислород дорог. Иногда для повышения температуры, например в мартеновских печах, воздух обогащают кислородом. Горение, возникающее в части объема газовоздушной смеси, распространяется в дальнейшем на весь объем.

Сжигание топлива в пламенных печах осуществляют в факеле. Факел – это струя, в пределах которой происходит горение. Реакция горения происходит в узкой полосе внутри факела, называемой фронтом пламени, который делит факел на две зоны: внутреннюю и внешнюю. Во внутреннюю зону подаются топливо и окислитель либо только топливо, туда же диффундирует из фронта пламени часть продуктов сгорания. Во внешней зоне находятся продукты сгорания либо продукты сгорания и окислитель, – как правило, воздух либо воздух, обогащенный кислородом.

Горение является совокупностью различных физико-хими-ческих процессов, включающих смешение топлива и окислителя с образованием горючей смеси, разогрев этой смеси за счет тепла продуктов сгорания из зоны реакции, ее воспламенение и горение до продуктов полного сгорания, которые после завершения реакции отводятся из зоны горения.

Продолжительность этих процессов определяет скорость го-рения. Самым медленным из них является процесс смешения топлива с воздухом, происходящий за счет молекулярной и турбулентной диффузии. Если, например, газообразное топливо и воздух подаются во внутреннюю зону факела параллельными ламинарными потоками, то образование горючей смеси происходит только за счет молекулярной диффузии. Интенсивность смешения определяется средней скоростью движения молекул (свободным пробегом) и длиной свободного пробега. Различают три механизма распространения пламени: нормальное, вибрационное и детонационное.

Нормальное распространение пламени происходит как при ламинарном, так и при турбулентном режимах движения потоков газа и воздуха. При ламинарном режиме оно характеризуется сравнительно малыми скоростями, зависящими от физико-химических свойств газовоздушной смеси. При турбулентном распространении пламени скорость процесса слабо зависит от свойств горючей смеси, а определяется преимущественно динамикой газового потока. Независимо от характера потоков при нормальном распространении пламени величины давления в зоне горения и объеме смеси практически одинаковы. При этом подготовка к воспламенению заключается в подогреве слоев горючей смеси, прилегающих к фронту горения. Воспламенение происходит вследствие передачи тепла из зоны реакции теплопроводностью, излучением и диффузией раскаленных продуктов сгорания топлива.

В случае детонационного (взрывного) горения скорость распространения пламени зависит от химического состава смеси и равна скорости распространения ударной волны. Температура, развиваемая при детонации, составляет порядка 5000 К. При взрыве давление в зоне горения может превышать 200 кПа. При этом фронт пламени перемещается с очень высокой скоростью, составляющей не менее 1000 м/с, при значительных перепадах давления. Подогрев слоев горючей смеси, прилегающих к фронту пламени, происходит благодаря адиабатному сжатию этих слоев ударной волной, возникающей в результате существенного увеличения объема горючей смеси при сгорании топлива, и тормозящему действию невоспламенившейся смеси, которая вследствие инерции не может быстро освободить место для вновь образовавшихся продуктов сгорания и дать им свободно расширяться, в результате чего происходит взрыв.

Нормальное горение при определенных условиях может перейти в детонацию. Переходный нестационарный режим характеризуется неравномерным распространением пламени, большими колебаниями, вибрациями фронта пламени, который иногда достигает такой силы, что пламя гаснет. Этот переходный режим горения подчиняется особым, свойственным только ему закономерностям и в теории рассматривается как особый, вибрационный вид горения.

В печах потоки обычно движутся турбулентно, а перемешивание осуществляется за счет турбулентной диффузии. В этом процессе переносятся не отдельные молекулы, а турбулентные моли, заключающие в себе миллиарды молекул. Интенсивность смесеобразования определяется величиной пульсаций скорости. При этом изменяются длина свободного пробега молекул и другие характеристики турбулентности. Путь свободного пробега молей на несколько порядков больше длины свободного пробега молекул, поэтому скорость смесеобразования при турбулентной диффузии значительно выше, чем при молекулярной диффузии. Однако реакции горения начинаются лишь тогда, когда молекулы топлива и окислителя подведены друг к другу на расстояние меньше 5–6 длин свободного пробега. Масштаб турбулентности заведомо превышает эту величину, поэтому завершение смесеобразования происходит за счет молекулярной диффузии. Таким образом, процессы молекулярной и турбулентной диффузии дополняют друг друга.

Образование смеси можно осуществлять как вне факела, так и непосредственно в факеле. В первом случае во внутреннюю зону факела поступает подготовленная в газогорелочном устройстве горючая смесь, во втором случае газ и воздух подводятся отдельно, и уже в факеле происходит их перемешивание.

Очевидно, что можно получить и частично перемешанную смесь заданного состава. Соответственно, газогорелочные устройства, основанные на полном предварительном приготовлении газовоздушной смеси до начала горения вне факела, называют кинетическими. В горелках без предварительного смешения процессы смесеобразования и горения протекают одновременно, поэтому эти устройства часто называют диффузионными. Такое объединение не в полной мере отражает существующую классификацию горелок. Промежуточный вариант – это горелки с частичным предварительным смешением. К этому варианту относятся горелки с незавершенным и организованным частичным предварительным смешением.

При диффузионном горении в горелки подается ламинарная струя топлива, которое в пограничном слое смешивается с воздухом с образованием горючей смеси. Перемешивание происходит при помощи молекулярной диффузии и конвекции. Процесс горения протекает одновременно с этими процессами. Внутри факела находится потенциальное ядро, которое заполнено топливом без примесей воздуха. Эта область факела всегда темная. В промежуточной зоне перед фронтом пламени топливо смешивается с первичным воздухом. В эту зону также поступает часть продуктов сгорания. Их концентрация увеличивается по мере приближения к фронту пламени, который начинается у входного отверстия носика горелки.

За пределами факела находится зона, расширяющаяся в направлении развития факела. Зажигающий пояс, иногда именуемый зажигающим кольцом, располагается на границе струи с окружающей средой в зоне с очень незначительными скоростями, поэтому устойчивость диффузионного факела значительно выше, чем при кинетическом горении с предварительно подготовленной смесью топлива и окислителя.

Для того, чтобы началось горение, необходимо создать определенные начальные условия – воспламенить смесь. Горючую смесь можно воспламенить двумя способами. При первом способе горючую смесь разогревают до температуры, выше которой она воспламеняется самостоятельно. При этом медленная реакция резко переходит в бурное реагирование, сопровождающееся появлением пламени. Этот процесс называется самовоспламенением. При этом горение возникает одновременно во всем объеме. Температура, при которой происходит самовоспламенение, называется температурой самовоспламенения. Она является важнейшим начальным условием для этого процесса, но не является физико-химической характеристикой горючей смеси данного состава, так как зависит от таких факторов, как размеры и форма камеры сжигания.

При втором способе холодная смесь зажигается в какой-либо одной точке высокотемпературным источником – запальником. Этот способ называют вынужденным воспламенением, или зажиганием. В печах и котлах воспламенение горючей смеси производят обычно запальником. В качестве запальника используют раскаленное тело, дежурное пламя и электрическую искру. С точки зрения механизма возникновения горения зажигание ничем не отличается от самовоспламенения. В обоих случаях в момент воспламенения происходит резкий переход от незаметной химической реакции в бурное реагирование. Однако этот переход ограничен небольшим объемом горючей смеси, в котором созданы необходимые условия воспламенения. Далее пламя распространяется с ограниченной скоростью.

Устойчивость пламени зависит от соотношения количества тепла, подводимого в зону зажигания (пояс, кольцо), и количества тепла, расходуемого в этой зоне на воспламенение горючей смеси. Пределы устойчивости для различных смесей определяются эмпирически. Искусственную стабилизацию факела осуществляют путем увеличения поверхности зоны зажигания. На выходе из горелки устанавливают стабилизатор, например плохо обтекаемое тело, перекрывающее центральную часть выходного сечения. В газовом потоке за стабилизатором образуется вихревая зона, заполненная высокотемпературными продуктами сгорания, которые являются дополнительным зажигающим поясом. С этой же целью газовый поток на выходе из горелки закручивают с помощью специальных конструктивных элементов. В качестве стабилизатора также используют огнеупорные туннели с рециркуляцией продуктов сгорания, дополнительно стабилизирующей процесс горения. Кроме того, горелочный туннель является дополнительным смесителем топлива и окислителя.

В горелочном туннеле, диаметр которого d_т больше диаметра носика горелки d_г, образуются вихревые зоны, заполненные высокотемпературными продуктами сгорания, которые подогревают газовоздушную смесь. Сам туннель также раскаляется и подогревает горючую смесь. Оптимальные соотношения диаметров туннеля и горелки описываются эмпирической формулой d_т = 2,4 – 3,0 d_г.

Интенсификации горения достигают путем увеличения поверхности фронта пламени. Наиболее распространенный способ – подогрев смеси и ее компонентов и регулирование ее химического состава. При сжигании высококалорийного топлива, например природного газа, следует подогревать только воздух, так как при его сжигании количество топлива на порядок меньше количества воздуха, необходимого для полного сгорания, поэтому подогревать такое топливо экономически нецелесообразно. Кроме того, при подогреве углеводородное топливо разлагается с выделением сажистого углерода, сжигание которого весьма затруднительно, а при сжигании в радиационных трубах приводит к существенному снижению их стойкости.

Существуют и другие способы интенсификации смесеобразования. Например, для ускорения процессов смесеобразования факел иногда подвергают воздействию низкочастотных пульсаций и акустических колебаний. При частоте колебаний до 200 Гц существенно возрастает температура факела, деформируется фронт пламени и увеличивается скорость горения. При этом коэффициент теплоотдачи увеличивается в несколько раз.

Таким образом, скорость горения газовоздушной смеси резко возрастает с повышением температуры. При температуре ниже определенного уровня скорость взаимодействия горючих газов и кислорода воздуха настолько мала, что горения газовоздушной смеси в обычных условиях, т.е. без предварительного подогрева реагирующих газов или катализаторов, не происходит.

Температура горения в большей степени зависит от наличия в газовоздушной смеси газов, не вступающих в реакцию, т.е. балласта или избыточных газов. Необходимость затраты тепла на нагрев этих газов снижает температуру горения, поэтому для обеспечения процесса горения холодной газовоздушной смеси в топке необходимо, чтобы избыток воздуха или избыток газа не превышал определенных границ, в пределах которых обеспечивается поддержание достаточно высокой температуры.

В соответствии с этим и соотношение расходов газа и воздуха в газовоздушной смеси не может выходить за определенные пределы, существенно различные для отдельных газов. Эти пределы называют концентрационными границами зажигания, или пределами воспламенения. Различие этих пределов обусловлено двумя факторами: во-первых, различным соотношением расходов газа и воздуха в стехиометрических газовоздушных смесях, во-вторых, различной реакционной способностью газов, обуславливающей температуру, при которой можно осуществить процесс горения с достаточной точностью, не прибегая к предварительному подогреву реагирующих газов или применению катализаторов.

Концентрационные границы зажигания водородовоздушных смесей очень широки – от 4 до 74 % содержания молекулярного водорода в смеси с воздухом, в смеси коксового газа (60 % Н₂) с воздухом – от 5 до 30 %. Гораздо ýже эти границы у метановоздушных смесей – от 5 до 15 % содержания СН₄. У природных газов с малым содержанием балласта концентрационные границы практически такие, как у метана. Наличие в исходном газе балласта в виде азота, диоксида углерода, влаги (N₂, СО₂, Н₂О) сужает концентрационные границы зажигания газов, поэтому у природных газов с высоким содержанием азота концентрационные границы значительно ýже.

Однако сужение границ обусловлено не только большим количеством балластирующих компонентов, но и их физико-химичес-кими свойствами. Трехатомные газы с высокой объемной теплоемкостью сужают границы зажигания в большей степени, чем азот, поэтому газы, состоящие из Н₂О и СО₂, характеризуются более узкими границами зажигания, чем газы, состоящие из СН₄ и N₂. Концентрационные границы зажигания нефтепромысловых газов в смеси с воздухом составляют 4–15 %, а сжиженных газов – 1,8–9,5 %. В табл. 1 приведены установленные параметры горения для различных однокомпонентных газов, включая границы зажигания.

Таблица 1