Uslovi za obezbeđivanje potpunog sagorevanja gasa. Gori gas

8.1. REAKCIJE SAGOREVANJA

Sagorevanje je brza hemijska reakcija spajanja zapaljivih komponenti sa kiseonikom, praćena intenzivnim oslobađanjem toplote i naglim povećanjem temperature produkata sagorevanja. Reakcije sagorevanja opisuju se tzv. stehiometrijske jednadžbe koje kvalitativno i kvantitativno karakteriziraju tvari koje ulaze u reakciju i nastaju iz nje (Stehiometrijski sastav zapaljive mješavine (od grčkog stoicheion - baza, element i grčkog metreo - mjerim) - sastav smjese u kojoj je oksidatora tačno onoliko koliko je potrebno za potpunu oksidaciju goriva ). Opća jednačina reakcije sagorijevanja bilo kojeg ugljikovodika

C m H n + (m + n/4) O 2 = mCO 2 + (n/2) H 2 O + Q(8.1)

gdje je m, n broj atoma ugljika i vodika u molekuli; Q je toplotni efekat reakcije, odnosno toplota sagorevanja.

Reakcije sagorevanja nekih gasova date su u tabeli. 8.1. Ove jednačine su ravnotežne i iz njih je nemoguće suditi ni o brzini reakcija ni o mehanizmu hemijskih transformacija.

Tabela 8.1. Reakcije sagorevanja i kalorijska vrednost suhih gasova (na 0°S i 101,3 kPa)

Gas	Reakcija sagorevanja	Toplota sagorevanja
		Molar, kJ/kmol		Masa, kJ/kg		Volumetrijski, kJ / m 3
		viši	inferiorni	viši	inferiorni	viši	inferiorni
Vodonik	H 2 + 0,5O 2 \u003d H 2 0	286,06	242,90	141 900	120 080	12 750	10 790
ugljen monoksid	CO + 0,5O 2 \u003d CO 2	283,17	283,17	10 090	10 090	12 640	12 640
Metan	CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O	880,90	800,90	55 546	49 933	39 820	35 880
Ethane	C 2 H 6 + 0,5O 2 \u003d 2CO 2 + 3H 2 O	1560,90	1425,70	52 019	47 415	70 310	64 360
Propan	C 3 H 8 + 5H 2 O \u003d 3CO 2 + 4H 2 O	2221,40	2041,40	50 385	46 302	101 210	93 180
n-butan		2880,40	2655,00	51 344	47 327	133 800	123 570
izobutan	C 4 H 10 + 6,5O 2 \u003d 4CO 2 + 5H 2 O	2873,50	2648,30	51 222	47 208	132 960	122 780
n-pentan	C 5 H 12 + 8O 2 \u003d 5CO 2 + 6H 2 O	3539,10	3274,40	49 052	45 383	169 270	156 630
Etilen	C 2 H 4 + 3O 2 \u003d 2CO 2 + 2H 2 O	1412,00	1333,50	50 341	47 540	63 039	59 532
propilen	C 3 H 6 + 4,5O 2 \u003d 3CO 2 + 3H 2 O	2059,50	1937,40	48 944	46 042	91 945	88 493
Butilen	C 4 H 8 + 6O 2 \u003d 4CO 2 + 4H 2 O	2720,00	2549,70	48 487	45 450	121 434	113 830

Toplotni efekat (kalorična vrednost) Q - količina toplote koja se oslobađa pri potpunom sagorevanju 1 kmola, 1 kg ili 1 m 3 gasa pri normalnom fizičkih uslova. Postoje veća Q in i niža Q n kalorijska vrijednost: veća kalorijska vrijednost uključuje toplinu kondenzacije vodene pare tokom sagorijevanja (u stvarnosti, kada se gas sagorijeva, vodena para se ne kondenzira, već se uklanja zajedno s drugim produktima sagorijevanja) . Tipično, tehnički proračuni se obično provode prema nižoj kalorijskoj vrijednosti, bez uzimanja u obzir topline kondenzacije vodene pare (≈2400 kJ/kg).

Efikasnost izračunata prema nižoj kalorijskoj vrijednosti je formalno veća, ali je toplota kondenzacije vodene pare prilično visoka, a njena upotreba je više nego razumna. To potvrđuje i aktivna upotreba kontaktnih izmjenjivača topline u tehnologiji grijanja, koji su vrlo raznoliki u dizajnu.

Za mješavinu zapaljivih plinova, viša (i niža) kalorijska vrijednost plinova određena je omjerom

Q = r 1 Q 1 + r 2 Q 2 + ... + r n Q n (8.2)

gdje je r 1 , r 2 , ..., r n - zapreminski (molarni, maseni) udjeli komponenti uključenih u smjesu; Q 1 , Q 2 , …, Q n - kalorijska vrijednost komponenti.

Korišćenje tabele. 8.1, viša i niža kalorijska vrijednost, kJ / m 3, složenog plina mogu se odrediti sljedećim formulama:

Q u \u003d 127,5 H 2 + 126,4 CO + 398 CH 4 + 703 C 2 H 6 + 1012 C 8 H 8 + 1338 C 4 H 10 + 1329 C 4 H 10 +
+ 1693 C 5 H 12 + 630 C 2 H 4 + 919 C 3 H 6 +1214 C 4 H 8 (8.3)

Q n \u003d 107,9 H 2 + 126,4 CO + 358,8 CH 4 + 643 C 2 H 6 + 931,8 C 8 H 8 + 1235 C 4 H 10 + 1227 C 4 H 10 +
+ 1566 C 5 H 12 + 595 C 2 H 4 + 884 C 8 H 6 + 1138 C 4 H 8 (8.4)

gdje je H 2 , CO, CH 4 itd. - sadržaj pojedinih komponenti u gasnom gorivu, vol. %.

Proces sagorevanja je mnogo komplikovaniji nego prema formuli (8.1), jer uz grananje lanaca dolazi do kidanja usled stvaranja srednje stabilnih jedinjenja, koja na visokim temperaturama prolaze dalje transformacije. Uz dovoljnu koncentraciju kisika nastaju krajnji proizvodi: vodena para H 2 O i ugljični dioksid CO 2. U nedostatku oksidacionog agensa, kao i kada se reakciona zona ohladi, intermedijarna jedinjenja se mogu stabilizovati i pasti u okruženje.

Intenzitet oslobađanja toplote i porast temperature dovode do povećanja aktivnih čestica u reakcionom sistemu. Takav odnos između lančane reakcije i temperature, koji je karakterističan za skoro sve procese sagorevanja, doveo je do uvođenja koncepta lančano-termičke eksplozije – same hemijske reakcije sagorevanja su lančane prirode, a njihovo ubrzanje nastaje usled oslobađanje toplote i povećanje temperature u reagujućem sistemu.

Brzina kemijske reakcije u homogenoj smjesi proporcionalna je proizvodu koncentracija reaktanata:

w = kS 1 S 2 (8.5)

gdje su C 1 i C 2 koncentracije reagujućih komponenti, kmol/m 3; k - konstanta brzine reakcije, u zavisnosti od prirode reaktanata i temperature.

Kada se gas sagorijeva, koncentracije reaktanata mogu se uvjetno smatrati nepromijenjenim, jer se u zoni izgaranja događa kontinuirani priliv svježih komponenti jednovrijednog sastava.

Konstanta brzine reakcije (prema Arrheniusovoj jednačini):

K \u003d K 0 e -E / RT (8.6)

gdje je K 0 - predeksponencijalni faktor uzet za biometrijske homogene smjese, ≈1,0; E - energija aktivacije, kJ/kmol; R je univerzalna plinska konstanta, J/(kg K); T - apsolutna temperatura, K (°C); e je baza prirodnih logaritama.

Predeksponencijalni faktor K 0 može se tumačiti kao konstanta koja odražava potpunost sudara molekula, a E - kao minimalna energija za raskidanje veza molekula i formiranje aktivnih čestica koje osiguravaju efikasnost sudara. Za uobičajene zapaljive mješavine je unutar (80÷150) 10 3 kJ/kmol.

Jednačina (8.6) pokazuje da brzina hemijskih reakcija naglo raste s porastom temperature: na primjer, povećanje temperature sa 500 na 1000 K povlači za sobom povećanje brzine reakcije sagorijevanja za faktor od 2 10 4 ÷5 10 8 puta (ovisno o energiji aktivacije).

Na brzinu reakcija sagorevanja utiče njihova lančana priroda. U početku, atomi i radikali nastali reakcijom ulaze u spojeve s početnim supstancama i jedni s drugima, formirajući krajnje proizvode i nove čestice koje ponavljaju isti lanac reakcija. Sve veće stvaranje takvih čestica dovodi do "ubrzanja" hemijskih reakcija - zapravo eksplozije cijele smjese.

Visokotemperaturno sagorijevanje ugljovodonika je složeno i povezano je sa stvaranjem aktivnih čestica u obliku atoma i radikala, kao i međumolekularnih spojeva. Kao primjer, date su reakcije sagorijevanja najjednostavnijeg ugljikovodika - metana:

1. H + O 2 -› OH + O
   CH 4 + OH -› CH 3 + H 2 O
   CH 4 + O -› CH 2 + H 2 O
2. CH 3 + O 2 -› HCNO + OH
   CH 2 + O 2 -› HCHO + O
3. HCHO + OH -› HCO + H 2 O
   HCNO + O -› CO + H 2 O
   HCO + O 2 -› CO + O + OH
4. CO + O -› CO 2
   CO + OH -› CO 2 + H

Rezultat jednog ciklusa:

2CH 4 + 4O 2 -› 2CO 2 + 4H 2 O

8.2. PRORAČUNI SAGOREVANJA

Kiseonik za sagorevanje dolazi iz vazduha kao njegov sastavni deo. Za proračune se pretpostavlja da je volumetrijski sastav suhog zraka sljedeći:

kiseonik - 21,0%, azot - 79,0%.

Prema datim informacijama, 1 m 3 kiseonika se nalazi u 100/21 = 4,76 m 3 vazduha, odnosno 79/21 = 3,76 m 3 azota na 1 m 3 kiseonika. Uzimajući u obzir da 1 kmol gasa u normalnim uslovima zauzima zapreminu od 22,4 litara, reakcija sagorevanja (vidi jednačinu 8.1) bilo kog ugljovodonika u vazduhu može se zapisati u generalizovanom obliku:

C m H n + (t + n/4) (O 2 + 3,76N 2) = tCO 2 + (n/2) H 2 O + (t + n/4) 3,76N 2

Zahtevi za kiseonikom i vazduhom pri sagorevanju različitih gasova, izračunati iz datih reakcija sagorevanja, prikazani su u tabeli. 8.2.

Tabela 8.2. Teoretska potreba za suvim kiseonikom i vazduhom, m 3, i zapremina produkata sagorevanja gasa pri sagorevanju 1 m 3 gasa

Gas	Teorijska potreba		produkti sagorevanja
	kiseonik	zrak	ugljen-dioksid	vodena para	nitrogen	Ukupno
Vodonik H 2	0,5	2,38	–	1,0	1,88	2,88
Ugljen monoksid CO	0,5	2,38	1,0	–	1,88	2,88
Metan CH 4	2,0	9,52	1,0	2,0	7,52	10,52
Etan C 2 H 6	3,5	16,66	2,0	3,0	13,16	18,16
Propan C 3 H 8	5,0	23,80	3,0	4,0	18,80	25,80
Butan C 4 H 10	6,5	30,94	4,0	5,0	24,44	33,44
Pentan C 5 H 12	8,0	38,08	5,0	6,0	30,08	41,08
Etilen C 2 H 4	3,0	14,28	2,0	2,0	11,28	15,28
Propilen C 3 H 6	4,5	21,42	3,0	3,0	16,92	22,92
Butilen C 4 H 8	6,0	28,56	4,0	4,0	22,56	30,56
Pentilen C 5 H 10	7,5	35,70	5,0	5,0	28,20	38,20
Acetilen C 2 H 2	2,5	11,90	2,0	1,0	9,40	12,40

Za složeni plin, potrošnja suhog zraka V c, m 3 / m 3, izračunava se prema formuli koja uzima u obzir potrebu za kisikom pojedinih komponenti smjese:

V c \u003d 4,76 / 100 (0,5H 2 + 0,5CO + 2CH 4 + 3,5C 2 H 6 + 5C 3 H 8 + 6,5C 4 H 10 + 3C 2 H 4 + 4,5C 3 H 6 +6C 4 H 8 -O 2) (8.7)

Teoretski protok vlažnog zraka V vl, m 3 / m 3, više određen formulom (8.7) zapreminom vodene pare sadržane:

V ow \u003d V s + 0,001244d u V s (8,8)

gdje je d in - vlažnost zraka, g / m 3.

Sa nepoznatim hemijskim sastavom gasova, ali poznatom nižom toplotnom vrednošću Q n, kJ/m 3, teoretska potrošnja vazduha V t, m 3 / m 3,

V t ≈ Q n / 3770 (8.9)

Stvarna potrošnja zraka V dv, m 3 / m 3, uvijek se uzima nešto velikom:

V motor \u003d V t α (8.10)

gdje je α koeficijent viška zraka, koji odgovara zahtjevima GOST-a. Za potpuno sagorevanje goriva, vrednost α mora biti veća od 1. Sastav i zapremina produkata sagorevanja, izračunati iz reakcija sagorevanja određenih gasova u suvom vazduhu, dati su u tabeli. 8.2.

8.3. TEMPERATURA GORENJA

U toplotnoj tehnici razlikuju se sledeće temperature sagorevanja gasova: toplotna izlazna, kalorimetrijska, teorijska i stvarna (izračunata). Kapacitet grijanja t w - maksimalna temperatura proizvoda potpunog sagorevanja gasa u adijabatskim uslovima sa koeficijentom viška vazduha α = 1,0 i pri temperaturi gasa i vazduha od 0 ° C:

t W = Q n /(∑Vc p)(8.11)

gdje je Q n - niža kalorijska vrijednost plina, kJ / m 3; ∑ Vc p - zbir proizvoda zapremina ugljičnog dioksida, vodene pare i dušika nastalih pri sagorijevanju 1 m 3 plina (m 3 / m 3), i njihovih prosječnih volumetrijskih toplotnih kapaciteta pri konstantnom pritisku unutar temperatura od 0 °C do tw (kJ /(m 3 o °C).

Zbog varijabilnosti toplotnog kapaciteta gasova, toplotni učinak se određuje metodom uzastopnih aproksimacija. Njegova vrijednost se uzima kao početni parametar za prirodni gas(≈2000°C), pri α = 1,0 određuju se zapremine komponenti produkata sagorevanja, prema tabeli. 8.3 nalazi se njihov prosječni toplinski kapacitet, a zatim se prema formuli (8.11) izračunava toplinska snaga plina. Ako se kao rezultat izračunavanja pokaže da je niža ili viša od prihvaćene, tada se postavlja druga temperatura i proračun se ponavlja.

Tabela 8.3. Prosječni volumetrijski toplinski kapacitet plinova, kJ / (m 3 ° C)

Temperatura, °S	CO2	N 2	O2	CO	CH 4	H2	H 2 O (vodena para)	zrak
								suho	mokro po 1 m 3 suvi gas
0	1,5981	1,2970	1,3087	1,3062	1,5708	1,2852	1,4990	1,2991	1,3230
100	1,7186	1,2991	1,3209	1,3062	1,6590	1,2978	1,5103	1,3045	1,3285
200	1,8018	1,3045	1,3398	1,3146	1,7724	1,3020	1,5267	1,3142	1,3360
300	1,8770	1,3112	1,3608	1,3230	1,8984	1,3062	1,5473	1,3217	1,3465
400	1,9858	1,3213	1,3822	1,3356	2,0286	1,3104	1,5704	1,3335	1,3587
500	2,0030	1,3327	1,4024	1,3482	2,1504	1,3104	1,5943	1,3469	1,3787
600	2,0559	1,3453	1,4217	1,3650	2,2764	1,3146	1,6195	1,3612	1,3873
700	2,1034	1,3587	1,3549	1,3776	2,3898	1,3188	1,6464	1,3755	1,4020
800	2,1462	1,3717	1,4549	1,3944	2,5032	1,3230	1,6737	1,3889	1,4158
900	2,1857	1,3857	1,4692	1,4070	2,6040	1,3314	1,7010	1,4020	1,4293
1000	2,2210	1,3965	1,4822	1,4196	2,7048	1,3356	1,7283	1,4141	1,4419
1100	2,2525	1,4087	1,4902	1,4322	2,7930	1,3398	1,7556	1,4263	1,4545
1200	2,2819	1,4196	1,5063	1,4448	2,8812	1,3482	1,7825	1,4372	1,4658
1300	2,3079	1,4305	1,5154	1,4532	–	1,3566	1,8085	1,4482	1,4771
1400	2,3323	1,4406	1,5250	1,4658	–	1,3650	1,8341	1,4582	1,4876
1500	2,3545	1,4503	1,5343	1,4742	–	1,3818	1,8585	1,4675	1,4973
1600	2,3751	1,4587	1,5427	–	–	–	1,8824	1,4763	1,5065
1700	2,3944	1,4671	1,5511	–	–	–	1,9055	1,4843	1,5149
1800	2,4125	1,4746	1,5590	–	–	–	1,9278	1,4918	1,5225
1900	2,4289	1,4822	1,5666	–	–	–	1,9698	1,4994	1,5305
2000	2,4494	1,4889	1,5737	1,5078	–	–	1,9694	1,5376	1,5376
2100	2,4591	1,4952	1,5809	–	–	–	1,9891	–	–
2200	2,4725	1,5011	1,5943	–	–	–	2,0252	–	–
2300	2,4860	1,5070	1,5943	–	–	–	2,0252	–	–
2400	2,4977	1,5166	1,6002	–	–	–	2,0389	–	–
2500	2,5091	1,5175	1,6045	–	–	–	2,0593	–	–

Toplotni učinak uobičajenih jednostavnih i složenih plinova pri njihovom sagorijevanju u suhom zraku dat je u tabeli. 8.4. Prilikom sagorevanja gasa atmosferski vazduh koji sadrži oko 1 mas. % vlage, toplotni učinak se smanjuje za 25-30°C.

Tabela 8.4. Izlaz toplote gasova u suvom vazduhu

jednostavan gas	Toplotni učinak, °C	Složeni gas prosečne kompozicije	Približna toplinska snaga, °C
Vodonik	2235	polja prirodnog gasa	2040
ugljen monoksid	2370	prirodna naftna polja	2080
Metan	2043	Koka-kola	2120
Ethane	2097	Visokotemperaturna destilacija škriljaca	1980
Propan	2110	Eksplozija pare i kiseonika pod pritiskom	2050
Butan	2118	Generator od masnog uglja	1750
Pentane	2119	Paro-vazduh generatora iz siromašnih goriva	1670
Etilen	2284	Ukapljeni (50% C 3 H 4 + 50% C 4 H 10)	2115
Acetilen	2620		2210

Kalorimetrijska temperatura sagorevanja t do - temperatura određena bez uzimanja u obzir disocijacije vodene pare i ugljičnog dioksida, ali uzimajući u obzir stvarnu početnu temperaturu plina i zraka. Razlikuje se od toplotnog učinka t po tome što se temperatura gasa i vazduha, kao i koeficijent viška vazduha α uzimaju prema njihovim stvarnim vrednostima. Možete odrediti t k po formuli:

t k \u003d (Q n + q fizički) / (ΣVc p) (8.12)

gdje je q fizičko - toplinski sadržaj (fizička toplina) plina i zraka, mjereno od 0°C, kJ/m3.

Prirodni i tečni ugljovodonični gasovi se obično ne zagrevaju pre sagorevanja, a njihova zapremina je mala u odnosu na zapreminu vazduha za sagorevanje. Stoga se pri određivanju kalorimetrijske temperature može zanemariti sadržaj topline u plinovima. Kada se sagorevaju gasovi sa niskom toplotnom vrednošću (generator, visoka peć, itd.), njihov toplotni sadržaj (posebno oni zagrejani pre sagorevanja) ima veoma značajan uticaj na kalorimetrijsku temperaturu.

Zavisnost kalorimetrijske temperature prirodnog gasa srednjeg sastava u vazduhu temperature 0°C i vlažnosti od 1% od koeficijenta viška vazduha α data je u tabeli. 8.5, za tečni ugljovodonični gas kada se sagoreva na suvom vazduhu - u tabeli. 8.7. Tablični podaci. 8.5–8.7, može se voditi sa dovoljnom tačnošću kada se utvrđuje kalorimetrijska temperatura sagorevanja drugih prirodnih gasova koji su relativno bliskog sastava, i ugljovodonični gasovi skoro svaka kompozicija. Ukoliko je potrebno postići visoku temperaturu pri sagorevanju gasova sa niskim koeficijentima viška vazduha, kao i za povećanje efikasnosti peći, one u praksi zagrevaju vazduh, što dovodi do povećanja kalorimetrijske temperature (videti tabelu 8.6).

Tabela 8.5. Kalorimetrijske i teorijske temperature sagorevanja prirodnog gasa u vazduhu sa t = 0°C i 1% vlažnosti u zavisnosti od koeficijenta viška vazduha α

		Teoretska temperatura sagorevanja t t, ° C	Koeficijent viška zraka α	Kalorimetrijska temperatura sagorevanja t k, °S
1,0	2010	1920	1,33	1620
1,02	1990	1900	1,36	1600
1,03	1970	1880	1,40	1570
1,05	1940	1870	1,43	1540
1,06	1920	1860	1,46	1510
1,08	1900	1850	1,50	1470
1,10	1880	1840	1,53	1440
1,12	1850	1820	1,57	1410
1,14	1820	1790	1,61	1380
1,16	1800	1770	1,66	1350
1,18	1780	1760	1,71	1320
1,20	1760	1750	1,76	1290
1,22	1730	–	1,82	1260
1,25	1700	–	1,87	1230
1,28	1670	–	1,94	1200
1,30	1650	–	2,00	1170

Tabela 8.6. Kalorimetrijska temperatura sagorevanja prirodnog gasa t k, ° C, u zavisnosti od koeficijenta viška suvog vazduha i njegove temperature (zaokružene vrednosti)

Koeficijent viška zraka α	Temperatura suvog vazduha, °S
	20	100	200	300	400	500	600	700	800
0,5	1380	1430	1500	1545	1680	1680	1740	1810	1860
0,6	1610	1650	1715	1780	1840	1900	1960	2015	2150
0,7	1730	1780	1840	1915	1970	2040	2100	2200	2250
0,8	1880	1940	2010	2060	2130	2200	2260	2330	2390
0,9	1980	2030	2090	2150	2220	2290	2360	2420	2500
1,0	2050	2120	2200	2250	2320	2385	2450	2510	2560
1,2	1810	1860	1930	2000	2070	2140	2200	2280	2350
1,4	1610	1660	1740	1800	2870	1950	2030	2100	2160
1,6	1450	1510	1560	1640	1730	1800	1860	1950	2030
1,8	1320	1370	1460	1520	1590	1670	1740	1830	1920
2,0	1220	1270	1360	1420	1490	1570	1640	1720	1820

Tabela 8.7. Kalorimetrijska temperatura sagorevanja t na tehnički propan na suvom vazduhu sa t = 0°C u zavisnosti od koeficijenta viška vazduha α

Koeficijent viška zraka α	Kalorimetrijska temperatura sagorevanja t k, °S	Koeficijent viška zraka α	Kalorimetrijska temperatura sagorevanja t k, °S
1,0	2110	1,45	1580
1,02	2080	1,48	1560
1,04	2050	1,50	1540
1,05	2030	1,55	1500
1,07	2010	1,60	1470
1,10	1970	1,65	1430
1,12	1950	1,70	1390
1,15	1910	1,75	1360
1,20	1840	1,80	1340
1,25	1780	1,85	1300
1,27	1750	1,90	1270
1,30	1730	1,95	1240
1,35	1670	2,00	1210
1,40	1630	2,10	1170

Teoretska temperatura sagorevanja t T - maksimalna temperatura, određena slično kao i kalorimetrijska t k, ali prilagođena za endotermne (zahtjevaju toplinu) reakcije disocijacije ugljičnog dioksida i vodene pare, koje se nastavljaju povećanjem volumena:

CO 2 ‹–› CO + 0,5O 2 - 283 mJ / mol (8,13)

H 2 O ‹–› H 2 + 0,5O 2 - 242 mJ / mol (8,14)

Na visokim temperaturama, disocijacija može dovesti do stvaranja atomskog vodika, kiseonika i OH hidroksilnih grupa. Osim toga, kada se gas sagorijeva, uvijek nastaje nešto dušikovog oksida. Sve ove reakcije su endotermne i dovode do smanjenja temperature sagorijevanja.

Teoretska temperatura sagorevanja može se odrediti sljedećom formulom:

t T \u003d (Q n + q fizički - q dis) / (ΣVc p) (8.15)

gde je q dis - ukupni trošak toplote za disocijaciju CO 2 i H 2 O u produktima sagorevanja, kJ / m 3; ΣVc p je zbir proizvoda zapremine i srednjeg toplotnog kapaciteta produkata sagorevanja, uzimajući u obzir disocijaciju po 1 m 3 gasa.

Tabela 8.8. Stepen disocijacije vodene pare H 2 O i ugljičnog dioksida CO 2 u zavisnosti od parcijalnog pritiska

Temperatura, °S	Parcijalni pritisak, MPa
	0,004	0,006	0,008	0,010	0,012	0,014	0,016	0,018	0,020	0,025	0,030	0,040
Vodena para H 2 O
1600	0,85	0,75	0,65	0,60	0,58	0,56	0,54	0,52	0,50	0,48	0,46	0,42
1700	1,45	1,27	1,16	1,08	1,02	0,95	0,90	0,85	0,8	0,76	0,73	0,67
1800	2,40	2,10	1,90	1,80	1,70	1,60	1,53	1,46	1,40	1,30	1,25	1,15
1900	4,05	3,60	3,25	3,0	2,85	2,70	2,65	2,50	2,40	2,20	2,10	1,9
2000	5,75	5,05	4,60	4,30	4,0	3,80	3,55	3,50	3,40	3,15	2,95	2,65
2100	8,55	7,50	6,80	6,35	6,0	5,70	5,45	5,25	5,10	4,80	4,55	4,10
2200	12,3	10,8	9,90	9,90	8,80	8,35	7,95	7,65	7,40	6,90	6,50	5,90
2300	16,0	15,0	13,7	12,9	12,2	11,6	11,1	10,7	10,4	9,6	9,1	8,4
2400	22,5	20,0	18,4	17,2	16,3	15,6	15,0	14,4	13,9	13,0	12,2	11,2
2500	28,5	25,6	23,5	22,1	20,9	20,0	19,3	18,6	18,0	16,8	15,9	14,6
3000	70,6	66,7	63,8	61,6	59,6	58,0	56,5	55,4	54,3	51,9	50,0	47,0
Ugljični dioksid CO2
1500	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4	–
1600	2,0	1,8	1,6	1,5	1,45	1,4	1,35	1,3	1,25	1,2	1,1
1700	3,8	3,3	3,0	2,8	2,6	2,5	2,4	2,3	2,2	2,0	1,9
1800	6,3	5,5	5,0	4,6	4,4	4,2	4,0	3,8	3,7	3,5	3,3
1900	10,1	8,9	8,1	7,6	7,2	6,8	6,5	6,3	6,1	5,6	5,3
2000	16,5	14,6	13,4	12,5	11,8	11,2	10,8	10,4	10,0	9,4	8,8
2100	23,9	21,3	19,6	18,3	17,3	16,5	15,9	15,3	14,9	13,9	13,1
2200	35,1	31,5	29,2	27,5	26,1	25,0	24,1	23,3	22,6	21,2	20,1
2300	44,7	40,7	37,9	35,9	34,3	32,9	31,8	30,9	30,0	28,2	26,9
2400	56,0	51,8	48,8	46,5	44,6	43,1	41,8	40,6	39,6	37,5	35,8
2500	66,3	62,2	59,3	56,9	55,0	53,4	52,0	50,7	49,7	47,3	45,4
3000	94,9	93,9	93,1	92,3	91,7	90,6	90,1	89,6	88,5	87,6	86,8

Kao što se može vidjeti iz tab. 8.8, na temperaturama do 1600 ° C, stepen disocijacije se ne može uzeti u obzir, a teoretska temperatura sagorevanja može se uzeti jednakom kalorimetrijskoj. Na višim temperaturama stepen disocijacije može značajno smanjiti temperaturu u radnom prostoru. U praksi nema posebne potrebe za tim, teoretsku temperaturu izgaranja potrebno je odrediti samo za visokotemperaturne peći koje rade na prethodno zagrijanom zraku (na primjer, peći na otvorenom ložištu). Za kotlovske instalacije to nije potrebno.

Tabela 8.9. Maksimum
temperature koje nastaju
u slobodnom plamenu, °S

Stvarna (proračunata) temperatura produkata sagorevanja t d- temperatura, koja se postiže u realnim uslovima na najtoplijoj tački baklje. On je manji od teoretskog i zavisi od gubitka toplote u okolinu, stepena prenosa toplote iz zone sagorevanja zračenjem, dužine procesa sagorevanja u vremenu itd. Stvarne prosečne temperature u pećima i kotlovima su odredio toplotni bilans ili približno prema teorijskoj ili kalorimetrijskoj temperaturi sagorevanja u zavisnosti od temperature u pećima uz uvođenje eksperimentalno utvrđenih faktora korekcije u njih:

t d = t t η(8.16)

gdje je η- tzv. pirometrijski koeficijent u granicama:

• za dobro izrađene termo i grijaće peći sa toplinskom izolacijom - 0,75–0,85;
• za zatvorene peći bez toplotne izolacije - 0,70–0,75;
• za zaštićene kotlovske peći - 0,60–0,75.

U praksi je potrebno poznavati ne samo gore navedene temperature adijabatskog sagorijevanja, već i maksimalne temperature koji nastaju u plamenu. Njihove približne vrijednosti se obično utvrđuju eksperimentalno spektrografskim metodama. Maksimalne temperature koje se javljaju u slobodnom plamenu na udaljenosti od 5-10 mm od vrha konusnog fronta sagorevanja date su u tabeli. 8.9. Analiza datih podataka pokazuje da su maksimalne temperature u plamenu manje od toplotnog izlaza (zbog troškova toplote za disocijaciju H 2 O i CO 2 i odvođenje toplote iz zone plamena).

8.4. TEMPERATURA AUTOPALJENJA

Da bi se pokrenule reakcije sagorevanja, neophodni su uslovi za paljenje mešavine goriva sa oksidantom. Paljenje može biti spontano i prinudno (paljenje).

Temperatura automatskog paljenja- minimalna temperatura na kojoj počinje spontano (tj. bez vanjskog dovoda topline) proces sagorijevanja u zagrijanoj mješavini plina i zraka, zbog oslobađanja topline zapaljenim česticama plina.

Temperatura samozapaljenja nije fiksna za dati gas i zavisi od mnogih parametara: njegovog sadržaja u mešavini gasa i vazduha, stepena homogenosti smeše, oblika i veličine posude u kojoj se mešavina zagreva, brzine i način njegovog zagrijavanja, katalitički učinak zidova posude, pritisak pod kojim se smjesa. Precizno razmatranje ovih faktora je vrlo teško, pa se u praksi, na primjer, prilikom procjene eksplozivnosti koriste eksperimentalni podaci (vidi tabelu 8.10).

Tabela 8.10. Najniže izmjerene temperature samozapaljenja nekih plinova i para pomiješanih sa zrakom pri atmosferskom pritisku

Temperature samozapaljenja zapaljivih plinova u kisiku su nešto niže nego u zraku. Unošenjem balastnih nečistoća (dušik i ugljični dioksid) u sastav plina dolazi do povećanja temperature samozapaljenja. Prisustvo komponenti s niskom temperaturom samozapaljenja u složenim plinovima dovodi do smanjenja temperature samozapaljenja smjese.

Prisilno paljenje (paljenje) se izvodi paljenjem smjese na jednoj ili više tačaka sa izvorom visoke temperature - otvorenim plamenom ili električnom iskrom na mjestu gdje plin izlazi iz kanala za sagorijevanje gorionika u zapreminu peći. . Paljenje se razlikuje od samozapaljenja po tome što se zapaljiva mješavina dovodi do pojave plamena ne u cijeloj svojoj zapremini, već samo u malom dijelu. Uklanjanje topline iz grijane zone zahtijeva da brzina oslobađanja topline izvora paljenja bude veća od ovog odvođenja topline. Nakon što se zapali, izvor paljenja se uklanja i do sagorijevanja dolazi širenjem fronta plamena.

8.5. GRANICE ZAPALJIVOSTI I EKSPLOZIJE

Mješavine plina i zraka mogu se zapaliti (eksplodirati) samo kada je sadržaj plina u mješavini unutar određenih (za svaki plin) granica. U tom smislu postoje donja i gornja granica koncentracije zapaljivosti. Donja granica odgovara minimalnoj, a gornja - maksimalnoj količini plina u smjesi, pri kojoj se zapaljuju (tokom paljenja) i spontano (bez priliva topline izvana) širenje plamena (samozapaljenje). Iste granice odgovaraju uslovima eksplozivnosti mešavina gasa i vazduha.

Ako je sadržaj plina u mješavini plina i zraka manji od donje granice zapaljivosti, takva mješavina ne može izgorjeti i eksplodirati, jer toplina koja se oslobađa u blizini izvora paljenja nije dovoljna da se smjesa zagrije do temperature paljenja. Ako je sadržaj gasa u smeši između donje i gornje granice zapaljivosti, zapaljena smeša se pali i gori i u blizini izvora paljenja i kada se ukloni. Ova mješavina je eksplozivna. Što je širi raspon granica zapaljivosti (koji se nazivaju i granice eksplozivnosti) i što je niža donja granica, to je plin eksplozivniji. I konačno, ako sadržaj plina u mješavini prelazi gornju granicu zapaljivosti, tada je količina zraka u mješavini nedovoljna za potpuno sagorijevanje plina.

Postojanje granica zapaljivosti uzrokovano je gubitkom toplote tokom sagorevanja. Kada se zapaljiva smjesa razrijedi zrakom, kisikom ili plinom, gubici topline se povećavaju, brzina širenja plamena se smanjuje, a izgaranje prestaje nakon uklanjanja izvora paljenja.

Tabela 8.11. Granice zapaljivosti gasova pomešanih sa vazduhom (pri t = 20°C i p = 101,3 kPa)

Gas	Sadržaj gasa u mešavini gasa i vazduha, vol. %				Maksimum pritisak pucanja, MPa	Koeficijent zraka α na granicama zapaljivosti
	U granicama zapaljivosti		Sa stehiometrijskim sastavom smjese	Sa sastavom smjese daje maksimalni tlak eksplozije
	niže	gornji				niže	gornji
Vodonik	4,0	75,0	29,5	32,3	0,739	9,8	0,15
ugljen monoksid	12,5	74,0	29,5	–	–	2,9	0,15
Metan	5,0	15,0	9,5	9,8	0,717	1,8	0,65
Ethane	3,2	12,5	5,68	6,28	0,725	1,9	0,42
Propan	2,3	9,5	4,04	4,60	0,858	1,7	0,40
n-butan	1,7	8,5	3,14	3,6	0,858	1,7	0,35
izobutan	1,8	8,4	3,14	–	–	~1,8	0,35
n-pentan	1,4	7,8	2,56	3,0	0,865	1,8	0,31
Etilen	3,0	16,0	6,5	8,0	0,886	2,2	0,17
propilen	2,4	10,0	4,5	~5,1	~0,89	1,9	0,37
Butilen	1,7	9,0	3,4	~4,0	~0,88	1,7	0,35
Acetilen	2,5	80,0	7,75	14,5	1,03	3,3	0,019

Tabela 8.12. Granice zapaljivosti gasova pomešanih sa kiseonikom (pri t = 20°C i p = 101,3 kPa)

Granice zapaljivosti uobičajenih gasova u smešama sa vazduhom i kiseonikom date su u tabeli. 8.11–8.12. Sa povećanjem temperature smjese, granice zapaljivosti se šire, a na temperaturi koja prelazi temperaturu samozapaljenja, mješavine plina sa zrakom ili kisikom izgaraju u bilo kojem volumnom odnosu.

Granice zapaljivosti ne zavise samo od vrste zapaljivih gasova, već i od uslova eksperimenata (kapaciteta posude, toplotne snage izvora paljenja, temperature smeše, širenja plamena gore, dole, horizontalno, itd.). To objašnjava donekle različite vrijednosti ovih granica u različitim književnim izvorima. U tabeli. 8.11–8.12 prikazani su relativno pouzdani podaci dobijeni sa sobnoj temperaturi i atmosferski pritisak tokom širenja plamena odozdo prema gore u cevi prečnika 50 mm ili više. Kada se plamen širi odozgo prema dolje ili horizontalno, donje granice se lagano povećavaju, a gornje smanjuju. Granice zapaljivosti složenih zapaljivih plinova koji ne sadrže balastne nečistoće određuju se pravilom aditiva:

L g \u003d (r 1 + r 2 + ... + r n) / (r 1 / l 1 + r 2 / l 2 + ... + r n / l n) (8.17)

gdje je L g donja ili gornja granica zapaljivosti složenog plina u mješavini plina i zraka ili plina i kisika, vol. %; r 1 , r 2 , …, r n - sadržaj pojedinačnih komponenti u kompleksnom gasu, vol. %; r 1 + r 2 + ... + r n \u003d 100%; l 1, l 2, ..., l n - donje ili gornje granice zapaljivosti pojedinih komponenti u gasno-vazduh ili gasno-kiseoničnoj smeši prema tabeli. 8.11 ili 8.12, knj. %.

U prisustvu balastnih nečistoća u gasu, granice zapaljivosti mogu se odrediti formulom:

L b \u003d L g / (8,18)

gde je L b - gornja i donja granica zapaljivosti smeše sa primesama balasta, vol. %; L g - gornja i donja granica zapaljivosti zapaljive smeše, vol. %; B - količina nečistoća balasta, frakcije jedinice.

Prilikom proračuna često je potrebno znati koeficijent viška vazduha α za različite granice zapaljivosti (videti tabelu 8.11), kao i pritisak koji nastaje prilikom eksplozije mešavine gasa i vazduha. Koeficijent viška zraka koji odgovara gornjoj ili donjoj granici zapaljivosti može se odrediti formulom

α = (100/L – 1) (1/V T) (8.19)

Pritisak koji nastaje eksplozijom mješavine plina i zraka može se odrediti s dovoljnom aproksimacijom sljedećim formulama:

za stehiometrijski omjer jednostavnog plina i zraka:

P vz \u003d P n (1 + βt k) (m / n) (8.20)

za bilo koji omjer složenog plina i zraka:

R vz \u003d R n (1 + βt k) V vlps / (1 + αV m) (8.21)

gde je P vz - pritisak nastao usled eksplozije, MPa; p n - početni pritisak (prije eksplozije), MPa; β - koeficijent zapreminskog širenja gasova, numerički jednak koeficijentu pritiska (1/273); t K - kalorimetrijska temperatura sagorevanja, °S; m je broj molova nakon eksplozije, određen reakcijom sagorevanja gasa u vazduhu; n je broj molova prije eksplozije uključenih u reakciju sagorijevanja; V vlps - zapremina proizvoda mokrog sagorevanja po 1 m 3 gasa, m 3; V t - teoretska potrošnja zraka, m 3 /m 3.

Tabela 8.13. Pritisak koji nastaje eksplozijom smjese propan-vazduh, ovisno o koeficijentu pražnjenja k sb i vrsti zaštitnog uređaja

Vrsta zaštitnog uređaja	Koeficijent protoka k sb, m 2 / m 3
	0,063	0,033	0,019
Jednostruko fiksno ostakljenje sa vanjskim pričvršćivanjem od stakla debljine 3 mm	0,005	0,009	0,019
Dvostruko fiksno staklo sa vanjskim pričvršćivanjem stakla debljine 3 mm	0,007	0,015	0,029
Okretni jednostruki okvir prozora sa velikom šarkom i opružnom bravom za opterećenje od 5 MPa / m 2	0,002	–	–
Okretni jednostruki okvir prozora sa gornjom šarkom i opružnom bravom za opterećenje od 5 MPa / m 2	0,003	–	–
Ploče koje slobodno leže na podu s masom, kg / m 2:
	0,023
	0,005
	0,018

Eksplozivni pritisci dati u tabeli. 8.13 ili određena formulama može nastati samo ako je plin potpuno izgorio unutar kontejnera i njegovi zidovi su dizajnirani za ove pritiske. Inače su ograničeni čvrstoćom zidova ili njihovih najlakše uništenih dijelova – impulsi pritiska šire se kroz neupaljeni volumen mješavine brzinom zvuka i do ograde stižu mnogo brže od fronta plamena.

Ova karakteristika - razlika u brzinama širenja plamena i impulsima pritiska (udarni talas) - u praksi se široko koristi za zaštitu gasnih uređaja i prostorija od uništenja tokom eksplozije. Da bi se to postiglo, u otvore zidova i plafona ugrađuju se krmene grede, okviri, paneli, ventili itd. koji se lako otvaraju ili srušuju. Pritisak koji nastaje usled eksplozije zavisi od konstrukcijskih karakteristika zaštitnih uređaja i koeficijenta pražnjenja k sb, koji je odnos površine zaštitnih uređaja na zapreminu prostorije.

8.6. SAGOREVANJE U NEKRETNOJ SREDINI

Kretanje zone plamena - fronta plamena, - područja koje odvaja neizreagovanu zapaljivu smjesu od produkata izgaranja, uzrokovano je činjenicom da se hladna zapaljiva smjesa ispred nje zagrijava do temperature paljenja zbog toplinske provodljivosti i difuzije. vrućih produkata sagorijevanja u hladnu smjesu. Linearna brzina kojom se front plamena kreće kroz homogenu zapaljivu smjesu naziva se ujednačena brzina širenja plamena zavisno od vrste gasa i njegovog sadržaja u mešavini gasa i vazduha. Minimalna brzina za sve vrste zapaljivih plinova odgovara donjoj i gornjoj granici paljenja, a maksimalna - omjeru plinova i zraka.

Rice. 8.1. Krive ujednačenih brzina
širenje plamena u n, definirano
u cijevi prečnika 25,4 mm
1-vodonik; 2-vodeni plin; 3-ugljični monoksid;
4-etilen; 5-koksni plin; 6-etan; 7-metan;
8-generatorski parno-vazdušni mlazni gas

Rice. 8.2. Utjecaj promjera d tr i koncentracije
metan pomiješan sa zrakom za promjenu
ravnomjerna brzina širenja plamena u n

Eksperimentima je utvrđeno da brzina širenja plamena zavisi od prečnika cilindrične cevi kroz koju se širi: što je veći prečnik, to je veća brzina širenja. Povećanje prečnika cevi smanjuje uticaj zidova na proces sagorevanja i pokretnu frontu plamena i doprinosi poboljšanju konvekcije (slika 8.2). Analiza podataka grafikona pokazuje da je kod vrlo malih dimenzija cijevi širenje plamena općenito nemoguće (zbog jakog relativnog odvođenja topline). Veličine cijevi, kanala i proreza na kojima se plamen ne širi nazivaju se kritičnim.

Oni su različiti za različite gasove:

• hladna mešavina metana sa vazduhom - 3 mm;
• mješavina vodonika i zraka - 0,9 mm;
• zagrijana mješavina metana sa zrakom - 1,2 mm.

Gašenje u kanalima malog poprečnog presjeka koristi se u praksi za stvaranje odvodnika plamena: vatrootpornih rešetki, keramičkih poroznih diskova, diskova od presovanih metalnih kuglica, posuda punjenih sitnozrnatim materijalima itd.); požarni kanali u dizajnu gorionika koji rade na mješavinama plina i zraka.

Za komparativne karakteristike zapaljiva svojstva plinova (bez obzira na veličinu cijevi), koncept "normalna brzina širenja plamena"- ovo je brzina koja se odnosi na hladnu (još neupaljenu) smjesu kojom se plamen kreće po normali na svoju površinu. Pretpostavlja se da je prednja strana plamena ravna i jednaka promjeru cijevi:

u n \u003d w p πr 2 / S (8.22)

gdje je u n normalna brzina širenja plamena, m/s; w p - izmjerena ravnomjerna brzina širenja plamena, m/s; r - radijus cijevi, m; S je površina fronta plamena, m 2 .

Tabela 8.14. Brzine širenja plamena u raznim mešavinama gas-vazduh (pri t=20°C i p=103,3 kPa), m/s

Gas	Mješavina sa maksimalnom normom brzina širenja plamena			Stehiometrijska smjesa
	Sadržaj u smeši, vol. %		Maksimum normalno brzina širenje	Sadržaj u smeši, vol. %		Normalno brzina širenje plamen
	gas	zrak		gas	zrak
Vodonik	42,0	58,0	2,67	29,5	70,5	1,6
ugljen monoksid	43,0	57,0	0,42	29,5	70,5	0,30
Metan	10,5	89,0	0,37	9,5	90,5	0,28
Ethane	6,3	93,7	0,40	5,7	94,3	0,32
Propan	4,3	95,7	0,38	4,04	95,96	0,31
n-butan	3,3	96,7	0,37	3,14	96,86	0,30
Etilen	7,0	93,0	0,63	6,5	93,5	0,5
propilen	4,8	95,2	0,44	4,5	95,5	0,37
Butilen	3,7	96,3	0,43	3,4	96,6	0,38
Acetilen	10,0	90,0	1,35	7,75	92,25	1,0

Kao što se vidi iz podataka u tabeli. 8.14, maksimalna brzina širenja plamena odgovara mješavini plina i zraka s nedostatkom oksidatora (ne stehiometrijski). Sa viškom goriva povećava se efikasnost sudara reagujućih čestica i povećava se brzina hemijskih reakcija.

Brzine širenja plamena za mješavine plina i kisika su za red veličine veće nego za mješavine plina i zraka. Tako je maksimalna normalna brzina širenja plamena za mješavinu metana i kisika 3,3 m/s, a za mješavinu propana i butana s kisikom 3,5–3,6 m/s.

Maksimalna normalna brzina širenja plamena u mešavini složenog gasa sa vazduhom, m/s, određena je formulom:

u n max \u003d (r 1 u 1 + r 2 u 2 + ... + r n u n) / (r 1 + r 2 + ... + r n) (8.23)

gdje je r 1 , r 2 ,…r n sadržaj pojedinačnih komponenti u kompleksnom gasu, vol. %; u 1 , u 2 ,...u n su maksimalne normalne brzine širenja plamena složenih gasnih komponenti pomiješanih sa zrakom, m/s.

Navedeni omjeri su prikladni za plinove koji imaju bliske normalne brzine širenja plamena, na primjer, za prirodne i ukapljene ugljikovodične plinove. Za mešavine gasova sa dramatično različitim brzinama širenja plamena (npr. mešavine prirodnih i veštačkih gasova, mešavine sa visokim sadržajem vodonika), one daju samo približne vrednosti.

Ako smjesa sadrži balastne nečistoće (dušik i ugljični dioksid), tada za približan izračun brzine širenja plamena treba koristiti sljedeću formulu:

u b \u003d u n max (1 - 0,01N 2 - 0,012CO 2) (8,24)

Značajno povećava brzinu širenja plamena zagrijavanjem mješavine plina i zraka:

u‘ n \u003d u n (T‘ / T) (8.25)

gdje su u‘ n brzine širenja plamena u zagrijanoj smjesi sa apsolutnom temperaturom T‘, K; i n - isto, u hladnoj smjesi sa temperaturom od T, K.

Predgrijavanje smjese mijenja njenu gustinu u obrnutoj proporciji sa apsolutnom temperaturom, pa se stoga brzine širenja plamena povećavaju proporcionalno ovoj temperaturi. Ovu činjenicu treba uzeti u obzir u proračunima, posebno u onim slučajevima kada se kanali za pečenje plamenika nalaze u zagrijanom zidu ili kada su pod utjecajem zračenja peći, vrućih plinova itd.

Ujednačenost širenja plamena moguća je pod sledećim uslovima:

• vatrogasna cijev je kratka;
• sagorevanje se širi pri konstantnom pritisku blizu atmosferskog.

Ako je dužina cijevi značajna, tada se ravnomjerno širenje plamena za neke mješavine može pretvoriti u vibracijsko, a zatim u detonaciju sa nadzvučnom brzinom gorenja (2000 m/s ili više), kada se smjesa zapali uslijed udarni val koji zagrijava smjesu na temperature iznad temperature paljenja. Detonacija se javlja u mješavinama s velikim brzinama širenja plamena. Granice koncentracije detonacije su uže od granica zapaljivosti smeša gas-vazduh i gas-kiseonik, vol. %: propan - 3,2–37, izobutan - 2,8–31, vodonik - 15–90. Pritisak koji nastaje pri detonacionom sagorevanju može desetinama puta premašiti početni pritisak i dovesti do uništenja cevi i drugih posuda predviđenih za visoke pritiske.

8.7. GORENJE U LAMINARNOM I TURBULENTNOM PROTOKU

Rice. 8.3. sagorevanje front
mešavina gasa i vazduha u
laminarno kretanje

Front plamena se može zaustaviti stvaranjem nadolazeći saobraćaj zapaljiva smjesa brzinom jednakom normalnoj brzini širenja plamena. Dobar primjer je površina unutrašnjeg konusa Bunsenovog plamenika. Podešavanjem sastava mešavine gasa i vazduha koja izlazi iz gorionika u laminarnom režimu kretanja, moguće je postići izgled stabilnog i oštro definisanog konusa sagorevanja (slika 8.3). Bočna površina stošca (front plamena), koja je nepomična u odnosu na ivicu zapaljenja kanala gorionika, kreće se prema izlaznoj mješavini plina i zraka, a plamen se u ovom slučaju širi duž normale na površinu paljenja na svakoj od njegove tačke. Na površini konusnog fronta plamena očuvana je jednakost brzina - projekcije brzine strujanja mješavine plina i zraka na normalu wn na generatrisu stošca i normalne brzine širenja plamena ne poštuju Michelsonov zakon:

w n \u003d w znoj cosφ \u003d u n (8.26)

gdje je φ ugao između smjera strujanja i normale na površinu konusnog fronta plamena; w znoj - prosječna brzina protoka mješavine plina i zraka koja prolazi kroz gorionik u jedinici vremena, m/s.

Konstantnost normalne brzine širenja plamena vrijedi samo za glavni dio bočne površine konusnog fronta plamena. Na vrhu stošca brzina se povećava zbog zagrijavanja mješavine plina i zraka blisko raspoređenim dijelovima konusne površine fronta plamena, a u podnožju konusa opada zbog efekta hlađenja kraja. dio vatrogasnog kanala gorionika.

Za praktične proračune, ova razlika se obično zanemaruje i pretpostavlja se da je brzina prolaska smjese kroz front plamena konstantna po cijeloj površini konusa i jednaka u n.

Prosječna normalna brzina širenja plamena je

u n \u003d V cm / S (8,27)

gdje je V cm zapremina mješavine plina i zraka koja prolazi kroz gorionik, S je površina konusnog fronta plamena.

U praksi, konusni front plamena nema pravilan geometrijski oblik, stoga se za precizno određivanje S plamen fotografira, front plamena je podijeljen na niz skraćenih čunjeva. Zbir bočnih površina je ukupna površina konusnog fronta plamena. Vrijednosti normalnih brzina širenja plamena, određene i Bunsenovom metodom plamenika i drugim metodama, iste su i jednake normalnim brzinama datim u tabeli. 8.14.

Visina konusnog fronta plamena zavisi uglavnom od veličine kanala za sagorevanje gorionika. Smanjenje visine plamena može se postići drobljenjem velikih požarnih kanala u nekoliko malih. Za mješavine plina i zraka istog sastava, visina konusnih frontova plamena malih kanala h može se približno odrediti iz visine fronta plamena jednog kanala H:

h = H/ √n(8.28)

gdje je n broj malih kanala.

Za gorionike velike toplinske snage (gorionici industrijskih kotlova, peći itd.), sagorijevanje se, u pravilu, odvija u turbulentnom toku - glatka konusna fronta plamena je zamagljena i gubi svoj čisti konusni oblik zbog vrtložnog kretanja i pulsiranja. U ovom slučaju uočavaju se dva karakteristična tipa sagorijevanja, koji odgovaraju turbulenciji malih i velikih razmjera.

Na skalama turbulencije koje ne prelaze debljinu laminarne zone sagorijevanja, konusni front plamena zadržava svoj oblik i ostaje glatki, iako se zona izgaranja povećava. Ako skala turbulencije premašuje debljinu zone normalnog izgaranja, površina konusnog fronta plamena postaje neravna. To dovodi do povećanja ukupne površine fronta sagorevanja i sagorevanja veće količine zapaljive smeše po jediničnom poprečnom preseku protoka.

U slučaju turbulencije velikih razmjera, koja znatno premašuje debljinu laminarne zone sagorijevanja, poremećaj površine fronta plamena dovodi do odvajanja pojedinačnih čestica vruće smjese, koje se naknadnim pulsiranjem drobe. Front plamena gubi svoj integritet i pretvara se u sistem odvojenih centara sagorevanja u obliku jednakih čestica zapaljive smeše koje se seciraju i sagorevaju u toku.

Rice. 8.4. Relativna promjena brzine
širenje plamena koksnog gasa
pomešano sa vazduhom u zavisnosti od broja
Reynolds i način kretanja smjese

Uz turbulenciju velikih razmjera povećava se površina fronta plamena, koja se sastoji od površina svih gorućih čestica, što dovodi do naglog povećanja brzine širenja plamena (slika 8.4). U ovom slučaju može doći ne samo do frontalnog sagorijevanja koje se širi normalnom brzinom v n, već i do volumetrijskog sagorijevanja koje nastaje zbog turbulentnih pulsacija vrućih produkata izgaranja u svježu smjesu. Posljedično, ukupna brzina širenja plamena tijekom turbulencije velikih razmjera određena je jednom ili drugom kombinacijom elemenata frontalnog i volumetrijskog sagorijevanja.

U odsustvu pulsiranja, turbulentna brzina izgaranja postaje jednaka normalnoj brzini širenja plamena. Suprotno tome, ako fluktuirajuća brzina značajno premašuje normalnu, turbulentna brzina sagorevanja postaje malo ovisna o fizička i hemijska svojstva zapaljive smeše. Eksperimenti su pokazali malu zavisnost brzine sagorevanja različitih homogenih mešavina gasa i vazduha sa α>1 u industrijskim pećima od normalne brzine širenja plamena.

8.8. STABILNOST GORENJA

Rice. 8.5. Shema izravne kompenzacije
u n \u003d w znoj tijekom laminarnog kretanja
mešavina gasa i vazduha
1 – zid gorionika;
2 - prednji dio plamena

Glavni faktori koji utiču na stabilnost sagorevanja su brzina izlivanja mešavine gasa i vazduha i širenje plamena. Prilikom sagorevanja gasno-vazduh mešavina u laminarnom toku, stabilan deo konusnog fronta plamena je njegov donji deo. Na ovom mjestu je front plamena, zbog širenja mješavine plina i zraka koja struji u atmosferu i usporavanja stijenke kanala, okrenut horizontalno i podignut iznad ruba kanala za debljinu fronta plamena (Sl. 8.5).

Na ovom dijelu fronta dolazi do potpune kompenzacije brzine strujanja gasa i zraka brzinom širenja plamena u n = w znoj . Na ostatku konusnog dijela fronta plamena kompenzacija je djelomična i vrši se samo u smjeru normalnom na front sagorijevanja: u n = w sweat cosφ . Komponenta w znoj sinφ ostaje neuravnotežena i nosi tačku paljenja od osnove konusa do njegovog vrha. Stabilnost konusnog fronta plamena objašnjava se činjenicom da prstenasti pojas u osnovi služi kao izvor paljenja, bez kojeg bi ostatak fronta bio odnesen strujom gasno-vazdušne mešavine.

Ako brzina protoka mješavine premašuje brzinu širenja plamena, širina pojasa za paljenje se smanjuje sve dok ne postane zanemarljiva. U tom slučaju je narušena stabilnost fronta plamena i dolazi do odvajanja od plamenika. Ako brzina širenja plamena u prstenastom području uz zid (ne na zidu) premašuje brzinu oticanja mješavine plina i zraka, plamen se uvlači u miješalicu gorionika (prekoračivanje).

Kada su odvojeni, postoje:

• kvar plamena iz plamenika i njegovo gašenje;
• odvajanje od ivice vatrenog kanala, kada plamen dostigne novu, prilično stabilnu poziciju u struji iznad gorionika;
• raspad podignutog plamena i njegovo gašenje;
• izbacivanje podignute baklje na ivicu vatrenog kanala gorionika;
• stvaranje suspendovanog plamena kada se mlaz zapali na određenoj udaljenosti od gorionika.

Sve ove pojave su neprihvatljive, jer dovode do nakupljanja neizgorelog gasa u okolnoj atmosferi ili u peći.

Rice. 8.6. Ovisnost brzine odvajanja jednog
plamena u otvorenoj atmosferi mješavine prirodnih
gas sa vazduhom na veličinu vatrogasnog kanala i
sadržaj primarnog vazduha.

Rice. 8.7. Ovisnost o brzini odvajanja
višestruki plamen u otvorenoj atmosferi
mješavine prirodnog plina sa zrakom po veličini
požarni kanal i primarni vazdušni sadržaj.
a - dijagram gorionika; b – krive razdvajanja plamena

Na sl. Na slici 8.6 prikazane su eksperimentalne krive odvajanja plamena od rubova požarnih kanala injekcionih jednobakljskih gorionika koji rade na mješavini hladnog plina sa zrakom. Na granici i iznad ovih krivina počinje odvajanje plamena, a ispod krivih počinje stabilno sagorijevanje.

U praksi su rasprostranjeni injekcioni gorionici sa više baklji sa kanalima za požar prečnika 2-6 mm (slika 8.7). Uspostavljanje brzina odvajanja plamena w ref za takve gorionike može se izvršiti prema sljedećoj formuli:

w neg = 3,5 10 -3 d k T 2 (1 + V t) / (1 + α 1 V t) (8,29)

gdje je d k prečnik kanala za pečenje, m; α 1 - koeficijent viška primarnog vazduha; T je apsolutna temperatura mešavine gasa i vazduha, K.

Iz formule se može vidjeti da stabilnost sagorijevanja raste s povećanjem prečnika požarnih kanala i temperature, a opada s povećanjem koeficijenta viška primarnog zraka. Stabilnost sagorevanja je takođe povećana zbog međusobnog uticaja plamena.

Do odvajanja plamena od požarnih kanala može doći i iz drugih razloga. Ako gorionik i dimni plinovi nisu pravilno postavljeni, mogu dospjeti u injektor gorionika i dovesti do odvajanja plamena (smanjenjem brzine širenja plamena u mješavini plina i zraka razrijeđenoj inertnim plinovima). Takođe, uzrok odvajanja može biti velika brzina sekundarnog vazduha koji izbacuje plamen iz požarnih kanala.

Tabela 8.15. Stopa homogene mješavine prirodnih
gas sa vazduhom, pri čemu dolazi do proboja
plamen, m/s (temperatura smjese 20°C)

Prečnika pucanje kanala	Odnos primarnog vazduha
	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	1,1
3,5	0,05	0,10	0,18	0,22	0,23	0,21
4,0	0,08	0,12	0,22	0,25	0,26	0,20
5,0	0,09	0,16	0,27	0,31	0,31	2,23
6,0	0,11	0,18	0,32	0,38	0,39	0,26
7,0	0,13	0,22	0,38	0,44	0,45	0,30
8,0	0,15	0,25	0,43	0,50	0,52	0,35
9,0	0,17	0,28	0,48	0,57	0,58	0,39
10,0	0,20	0,30	0,54	0,64	0,65	0,43

Takođe je neprihvatljivo da plamen treperi u mešalici gorionika, obično praćen pucanjem. Klizanje dovodi ili do gašenja plamena i izbacivanja nesagorele smeše u prostoriju ili peć, ili do sagorevanja mešavine unutar gorionika. Sklonost plamena da bljesne zavisi od vrste gasa, normalne brzine širenja plamena, sadržaja primarnog vazduha u mešavini gasa i vazduha, veličine vatrogasnih kanala, temperature smeše ili zidova kanale. Na proboj plamena utiču i toplotna provodljivost materijala od kojih su napravljeni vatrogasni kanali, njihov oblik, dubina i izrada, prisustvo neravnina, polomljenih ivica itd.

Dato u tabeli. 8.15 vrijednosti brzina homogenih mješavina prirodnih plinova sa zrakom, pri kojima dolazi do proboja, mogu se koristiti i za druge plinove, uz korekcije:

w" inc \u003d w inc u" n / u n (8.30)

gdje je w‘ pr brzina bljeskanja plamena za drugi plin, m/s; w pr - brzina klizanja za prirodni gas (prema tabeli 8.15), m/s; u‘ n - normalna brzina širenja plamena za drugi gas, m/s; u n - brzina širenja plamena u metanu, m/s.

Maksimalna brzina klizanja može se izračunati pomoću približne formule:

w pr \u003d 0,73 10 -3 d k T 2 (8,31)

Ista formula, sa aproksimacijom koja je dovoljna za praksu, može se koristiti i za druge gasove uz uvođenje korekcije za promenu normalne brzine širenja plamena. Na osnovu brojnih eksperimenata može se izvesti sljedeći zaključak: granice stabilnog rada gorionika ograničene su brzinama odvajanja i povratnim udarom plamena.

Rice. 8.8. Ovisnost brzine mješavine plin-vazduh, pri kojoj dolazi do odvajanja i povratnog plamena, od koeficijenta viška primarnog zraka
I - odvajanje plamena; II - proboj plamena; III - žute ivice plamena;
1–3 prečnika vatrogasnih kanala gorionika, mm: 1 – 25, 2 – 25, 3 – 32

Na sl. 8.8 prikazuje krivulje koje karakteriziraju brzine protoka mješavine prirodnog plina i zraka, pri kojima dolazi do odvajanja i povratnog plamena. Priroda krivulja ukazuje na nagli pad stabilnosti plamena kako se sadržaj primarnog zraka u smjesi povećava. Povećanje stabilnosti plamena javlja se smanjenjem sadržaja primarnog zraka i dostiže maksimum kada se smanji na nulu (difuzijsko sagorijevanje). Međutim, takvo sagorijevanje ugljikovodičnih plinova u mnogim slučajevima je neprihvatljivo, jer dovodi do pojave žutog plamena, koji karakterizira pojavu čestica čađi u njemu.

Rice. 8.9. Uobičajeni usporivači plamena
a - cilindrični tunel sa naglim širenjem sekcije;
b - isto, sa vrtložnim tokom;
c – konusni tunel sa vrtložnim tokom;
d - stabilizator u obliku konusnog tijela;
e - isto, u obliku okrugle šipke;
e - isto, u obliku stabilnog prstenastog plamena
1 - mlaznica gorionika; 2 - tunel; 3 - bočna rupa;
4 – prstenasti kanal; 5 - prstenasti plamen;
6 - plamen glavnog toka mješavine plina i zraka

U praksi, da bi se proširio opseg stabilnosti sagorevanja bilo koje zapaljive mešavine gasa i vazduha, pretpostavlja se da je brzina strujanja nekoliko puta veća od brzine odvajanja. Sprečavanje odvajanja plamena postiže se upotrebom stabilizatora plamena (slika 8.9).

Za stabilizaciju plamena ubrizgavanja i drugih gorionika koji proizvode osnosimetrične mlazove plin-zrak koriste se vatrostalni cilindrični tuneli s naglim širenjem poprečnog presjeka. Rad takvog tunela zasniva se na perifernoj cirkulaciji dijela toplih produkata sagorijevanja, koja nastaje zbog razrjeđivanja stvorenog mlazom.

Za stabilizaciju plamena gorionika koji proizvode vrtložnu mješavinu plina i zraka koriste se i cilindrični i konusni tuneli s uglom otvaranja od 30-60°. Kod vrtložnog toka veći pritisak nastaje na periferiji tunela nego u njegovom središnjem dijelu. To dovodi do paraksijalnog recirkulacije nekih vrućih produkata sagorijevanja i paljenja hladne mješavine plina i zraka koja ulazi u tunel iznutra.

Kada ugradnja tunela nije moguća, za stabilizaciju plamena koriste se tijela loše aerodinamične forme koja se postavljaju u struju mješavine plina i zraka na njenom izlazu iz vatrenog kanala gorionika. U tom slučaju dolazi do paljenja smjese na periferiji stabilizatora, iza kojeg dolazi do djelomične recirkulacije vrućih plinova koji zapaljuju zapaljivu smjesu iznutra. Stabilizirajući učinak takvih uređaja je niži nego kod tunela.

U gorionicima s jednom i više gorionika s ubrizgavanjem, stabilizatori sagorijevanja se široko koriste u obliku posebne plamene mlaznice. Stabilizirajuće dejstvo ovog uređaja zasniva se na sprečavanju razblaživanja glavnog toka u korenu plamena viškom vazduha, što sužava granice njegove stabilnosti, kao i na zagrevanju i paljenju glavnog toka prstenastim plamenom duž cele njegove periferije. . Stabilnost prstenastog plamena tokom odvajanja postiže se takvim omjerom presjeka vatrenog prstena i bočnih otvora, u kojem brzina smjese plina i zraka u prstenastoj šupljini ne prelazi normalnu brzinu širenja plamena. Da bi se spriječilo da plamen bljesne u mješalicu gorionika, dimenzije bočnih rupa koje formiraju prstenasti plamen uzimaju se manjim od kritičnih.

8.9. SHEME ZAŠTITNIKA PLAMA

Vazduh ili kiseonik koji ulaze u gasovod mogu da formiraju eksplozivnu mešavinu, pa je neophodno zaštititi cevovode od prodora vazduha ili kiseonika u njega. U svim eksplozivnim industrijama moraju se stvoriti uslovi koji isključuju mogućnost zapaljenja impulsa. Izvori paljenja koji uzrokuju eksploziju mješavine plina i zraka su:

• otvoreni plamen;
• električna pražnjenja radne električne opreme;
• kratki spoj u električnim žicama;
• varnice u električnim uređajima;
• pregoreli otvoreni osigurači;
• pražnjenja statičkog elektriciteta.

Sigurnost od eksplozije obezbjeđuju različiti odvodniki plamena. ugrađeni u cjevovode, na rezervoare, na gasovode za pročišćavanje, svijeće i druge sisteme gdje postoji opasnost od eksplozije.

Gašenje plamena u kanalu ispunjenom zapaljivom smjesom događa se samo pri minimalnom promjeru kanala, koji zavisi od hemijskog sastava i pritiska smeše, a objašnjava se gubitkom toplote iz reakcione zone na zidove kanala. Sa smanjenjem prečnika kanala, njegova površina se povećava po jedinici mase reakcione smeše, tj. povećavaju se gubici toplote. Kada dostignu kritičnu vrijednost, brzina reakcije sagorijevanja opada toliko da dalje širenje plamena postaje nemoguće.

Sposobnost gašenja plamena odvodnika plamena zavisi uglavnom od prečnika kanala za gašenje i mnogo manje od njihove dužine, a mogućnost prodora plamena kroz kanale za gašenje zavisi uglavnom od svojstava i sastava zapaljive smeše i pritiska. Normalna brzina širenja plamena je glavna veličina koja određuje veličinu kanala za gašenje i izbor tipa odvodnika plamena: što je veći, manji je kanal potreban za gašenje plamena. Takođe, dimenzije kanala za gašenje zavise od početnog pritiska zapaljive smeše. Za procjenu otpornosti plamena odvodnika plamena, tzv. Peclet Re kriterijum:

Pe \u003d w cm dc p p / (RT 0 λ 0) (8,32)

U granici gašenja plamena, formula Pecletova kriterija ima oblik:

Re cr = w cm d cr c p p cr /(RT 0 λ 0) (8.33)

gdje je w cm normalna brzina širenja plamena; d je prečnik kanala za prigušivanje; d kp - kritični prečnik kanala za gašenje; c p je specifični toplotni kapacitet gasa pri 0°C i konstantnom pritisku; p - pritisak gasa; p cr - kritični pritisak gasa; R je univerzalna plinska konstanta; T 0 - apsolutna temperatura gasa; λ 0 - toplotna provodljivost početne smeše.

Dakle, da bi se izračunala sposobnost zaustavljanja plamena odvodnika plamena, potrebni su sljedeći početni podaci:

• normalne brzine širenja plamena mešavine zapaljivih gasova;
• stvarna veličina maksimalnih kanala za gašenje datog odvodnika plamena.

Ako je dobijena vrijednost veća od Re cr = 65, odvodnik plamena neće odgoditi širenje plamena ove zapaljive mješavine, i obrnuto, ako Re< 65, огнепреградитель задержит распространение пламени. Запас надежности огнепреградителя, который находят из отношения Ре кр к вычисленному значению Ре, должен составлять не менее 2:

P \u003d Re cr / Re \u003d 65 / Re\u003e 2.0 (8.34)

Koristeći činjenicu da je Re cr konstantan na granici gašenja plamena, moguće je izračunati približni kritični promjer kanala za bilo koju zapaljivu smjesu, ako je poznata brzina širenja plamena, kao i toplinski kapacitet i toplinska provodljivost. gasni sistem. Preporučuju se sljedeći kritični prečnici kanala za gašenje, mm:

• pri sagorijevanju mješavine plina i zraka - 2,9 za metan i 2,2 za propan i etan;
• pri sagorijevanju smjesa kisika u cijevima (pri apsolutnom pritisku od 0,1 MPa u uvjetima slobodne ekspanzije produkata izgaranja) - 1,66 za metan i 0,39 za propan i etan.

Rice. 8.10. Vrste odvodnika plamena:
a - upakovano; b - kaseta; c - lamelarni; g - mreža; e - kermet

Strukturno, odvodniki plamena su podijeljeni u četiri tipa (slika 8.10):

• sa mlaznicom od zrnatih materijala;
• sa direktnim kanalima;
• od kermeta ili metalnih vlakana;
• mesh.

Prema načinu ugradnje - u tri vrste: na cijevima za izbacivanje plinova u atmosferu ili na baklji; o komunikacijama; ispred plinskih gorionika.

U tijelu montiranog odvodnika plamena, između rešetki, nalazi se mlaznica sa punilom (staklene ili porculanske kuglice, šljunak, korund i druge granule od izdržljivog materijala). Kasetni odvodnik požara je kućište u koje je postavljena kaseta za gašenje požara od valovitih i ravnih metalnih traka čvrsto namotanih u rolnu. U slučaju pločastog odvodnika plamena - paket ravnoparalelnih metalnih ploča sa strogo određenim razmakom između njih. Na mrežastom odvodniku plamena u tijelu se nalazi paket čvrsto stisnutog metalne mreže. Metalno-keramički odvodnik plamena je kućište unutar kojeg je ugrađena porozna metal-keramička ploča u obliku ravnog diska ili cijevi.

Najčešće se koriste mrežasti odvodniki plamena (počeli su se ugrađivati ​​početkom 19. stoljeća u rudarske svjetiljke (Devi lampe) da bi spriječili eksplozije vatrenog gasa). Ovi odvodniki plamena se preporučuju za zaštitu instalacija koje sagorevaju gasovita goriva. Odvodnik plamena se sastoji od nekoliko slojeva mesingane mreže sa veličinom oka od 0,25 mm, u sendviču između dvije perforirane ploče. Mrežasti paket je ojačan u kavezu koji se može ukloniti.

Tijelo odvodnika plamena izrađeno je od lijevanog željeza ili legure aluminija i sastoji se od dva identična dijela povezana vijcima sa klinkom koji se može ukloniti između njih. Pored razmatranih suvih odvodnika plamena, tečne sigurnosne brave se široko koriste za zaštitu gasovoda od prodora eksplozivnog talasa i plamena tokom gasno-plamenske obrade metala, kao i cevovoda i aparata punjenih gasom od prodora kiseonik i vazduh u njih.

Tečne zaptivke moraju:

• da spreči širenje eksplozivnog talasa tokom povratnih udara i tokom paljenja gasova;
• zaštititi plinovod od ulaska kisika i zraka u njega;
• obezbediti minimum hidraulički otpor prolaz toka gasa. Osim toga, tekućina iz zatvarača ne smije se odnijeti u obliku kapljica u značajnim količinama.

8.10. PRINCIPI SAGOREVANJA

Procesi sagorevanja gasa zasnivaju se na principima koji se konvencionalno nazivaju kinetički i difuzijski. Po kinetičkom principu stvara se homogena smjesa s malo viška zraka prije nego što počne sagorijevanje. Izgaranje takve mješavine odvija se u kratkom prozirnom plamenu bez stvaranja čestica čađi u plamenu. Za sagorevanje gasa po kinetičkom principu koriste se specijalne mešalice ili injekcioni gorionici koji pripremaju homogenu mešavinu gasa i vazduha sa viškom primarnog vazduha α 1 = 1,02:1,05.

Sa manjim sadržajem primarnog vazduha, po kinetičkom principu, teče samo početna faza sagorevanja, do upotrebe kiseonika koji je u mešavini sa gasom. Preostali gasovi i produkti nepotpunog sagorevanja sagorevaju se spoljnom difuzijom kiseonika (sekundarni vazduh), tj. prema d i f u z i o n n o m na principu. Za α 1< 1 у факела есть два видимых фронта горения: внутренний, возникающий за счет первичного воздуха, и наружный, образующийся за счет диффузии кислорода из окружающей среды. Ukupna visina plamen se prilikom takvog sagorijevanja povećava, a temperatura lagano opada. Stabilnost plamena i njegova prozirnost zavise od sadržaja primarnog zraka u smjesi: što je veći, to je manja stabilnost plamena, veća je njegova prozirnost i obrnuto.

Princip sagorevanja gasa sa α 1< 1,0 является п р о м е ж у т о ч н ы м (между кинетическим и диффузионным). С учетом этого принципа конструируются все газовые аппараты с инжекционными горелками. В таких горелках содержание первичного воздуха в смеси принимается в зависимости от вида газа таким, чтобы:

• u plamenu nije bilo čestica čađi;
• stabilnost sagorijevanja je osigurana promjenama toplinske snage u svim granicama potrebnim u praksi.

Po principu difuzije (α 1 = 0), procesi sagorevanja i mešanja se razvijaju paralelno. Budući da se procesi miješanja odvijaju mnogo sporije od procesa izgaranja, brzina i potpunost izgaranja određuju se brzinom i potpunošću miješanja plina i zraka. Do miješanja plina sa zrakom u ovom slučaju može doći difuzijom (bilo sporo molekularnom ili turbulentnom, uključujući molekularnu kao završnu fazu). Shodno tome, brzina gorenja i struktura difuzijskog plamena se razlikuju.

Karakteristike takvog spaljivanja:

• stabilnost plamena kada se toplotna snaga menja od nule do maksimalno moguće u skladu sa uslovima separacije;
• postojanost temperature po cijeloj visini plamena;
• mogućnost distribucije na velike proizvoljne površine;
• kompaktnost plamenika i jednostavnost njihove izrade;
• značajna visina plamena i neizbježnost pirolitičkih procesa koji dovode do stvaranja svijetlog čađavog plamena.

Rice. 8.11. Struktura slobodnog plamena:
a - laminarni plamen; b - turbulentni plamen

Difuzijsko sagorijevanje može se pretvoriti u kinetičko ili srednje sagorijevanje ako je miješanje ispred procesa sagorijevanja. U praksi se to može postići prisilnim dovodom zraka, što dovodi do stvaranja kvazihomogene mješavine plina i zraka sa α 1 > 1,0, koja gori u prozirnom plamenu.

Da bi ilustrovali principe sagorevanja na sl. 8.11. date su sheme slobodnog plamena: laminarni i turbulentni. Laminarna baklja nastaje zbog međusobnog molekularna difuzija gas i vazduh. Unutar konusnog jezgra 1 nalazi se čisti plin koji teče iz cijevi pod laminarnim strujanjem. U zoni 2 - mešavina gasa i produkata sagorevanja, u zoni 3 - mešavina proizvoda sagorevanja i vazduha. Granica 4 je glatki konusni front plamena, na koji molekuli zraka difundiraju izvana, a molekuli plina iznutra. Produkti sagorevanja delimično difunduju prema gasu, intenzivno ga zagrevajući u zoni predplamena. To dovodi do pirolize ugljikovodika i stvaranja čestica čađave, dajući plamenu sjajnu svjetlost.

Izgaranje se može intenzivirati turbulencijom tokova miješanja. Turbulentni plamen nema jasan konusni front sagorevanja, on je „zamućen“ i razbijen pulsiranjem u zasebne čestice.

Struktura plamena sastoji se od jezgra čistog gasa 1, zone relativno sporog sagorevanja 2, difuzne zone najintenzivnijeg sagorevanja 3 sa visokim sadržajem produkata sagorevanja i zone sagorevanja 4 sa prevlašću vazduha u to. Nema jasno definisanih granica između zona, one se neprekidno pomeraju u zavisnosti od stepena turbulencije toka. Karakteristike turbulentnog plamena su:

• tijek procesa sagorijevanja gotovo u cijeloj zapremini;
• povećanje intenziteta sagorevanja;
• visoka transparentnost plamena;
• njegova niža otpornost na odvajanje.

Turbulentno sagorijevanje plina ima široku primjenu u pećima raznih kotlova i peći. Za intenziviranje procesa sagorijevanja koriste se i prirodna (povećanjem brzine) i umjetna turbulencija strujanja, na primjer, vrtložnim strujanjem zraka i dovođenjem tankih mlaznica plina u njega pod različitim uglovima.

8.11. USLOVI ZA STVARANJE PROIZVODA NEPOTPUNOG SAGOREVANJA I SMANJENJE KONCENTRACIJE ŠTETNIH SUPSTANCI U NJIMA

Prilikom sagorevanja zapaljivih gasova proizvodi sagorevanja mogu sadržati komponente potpunog (ugljen-dioksid i vodena para) i nepotpunog sagorevanja (ugljenmonoksid, vodonik, nezasićeni, zasićeni, aromatični ugljovodonici i čestice čađi). Osim toga, dušikovi oksidi se uvijek nalaze u produktima sagorijevanja. Prisustvo produkata nepotpunog sagorevanja u značajnim koncentracijama je neprihvatljivo, jer dovodi do zagađenja vazduha otrovnim materijama i do smanjenja efikasnosti instalacija koje rade na gasno gorivo.

Glavni razlozi njihovog visokog sadržaja:

• sagorevanje gasova sa nedostatkom vazduha;
• loše mešanje zapaljivih gasova i vazduha pre i tokom sagorevanja;
• prekomjerno hlađenje plamena prije završetka reakcija sagorijevanja.

Za metan, reakcije sagorevanja (ovisno o koncentraciji kisika u reakcijskoj smjesi) mogu se opisati sljedećim jednadžbama:

CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O + 800,9 MJ / mol

u stehiometrijskom omjeru ili sa viškom oksidacijskog sredstva;

CH 4 + O 2 \u003d CO + H 2 + H 2 O + Q i CH 4 + 0,5O 2 \u003d CO + 2H 2 O + Q

u odsustvu oksidacionog sredstva.

Rice. 8.12. Intermedijarni proizvodi sagorevanja

Rice. 8.13. Primarni sadržaj zraka,
što sprečava nastanak
žuti jezici u plamenu
Gas: 1 - koks;
2 - polja prirodnog gasa;
3 - naftna polja;
4 - propan; 5 - butan

Na sl. 8.12 prikazuje približni prosječni sastav nekih intermedijarnih jedinjenja - vodonika, ugljičnog monoksida, etilena, acetilena i relativno malog broja zasićenih i jednostavnih aromatičnih jedinjenja - i ugljičnog dioksida koji nastaju u plamenu pri difuzijskom sagorijevanju prirodnog gasa (97%). Gas je spaljivan u laminarnoj baklji, gas je izlazio iz cijevi prečnika 12 mm. Ukupna visina plamena 130–140 mm.

Maksimalna koncentracija vodika i acetilena postižu se približno na istoj visini plamena, gotovo istovremeno nestaju na vrhu svijetleće zone plamena. Od svih međuspojeva nastalih u plamenu (isključujući čestice čađave), ugljični monoksid posljednji nestaje. Ovo daje osnovu da se po njegovom indeksu sudi o potpunosti sagorevanja gasa. Oksidi dušika uvijek su prisutni u produktima sagorijevanja, čija se maksimalna koncentracija javlja u zonama intenzivnog sagorijevanja ugljičnog monoksida i vodika.

Izgaranje ugljikovodičnih plinova uz nedostatak oksidatora dovodi do stvaranja čestica čađi, dajući plamenu žutu boju. Proces sagorevanja čađi se odvija u fazama i relativno sporo. Ponekad se sagorijevanje formiranih čestica čađi odgađa i može potpuno prestati kada uđu u niskotemperaturno područje baklje ili kada se površine za izmjenu topline ispiru plamenom. Dakle, prisustvo svjetlećeg plamena uvijek ukazuje na pojavu pirolitičkih procesa i mogućnost kemijske nepotpunosti sagorijevanja, posebno u malim zaštićenim kotlovskim pećima.

Sprečavanje stvaranja čestica čađi postiže se prethodnim miješanjem ugljikovodičnih plinova s ​​dovoljnom količinom oksidacijskog sredstva. Sadržaj primarnog vazduha u smeši, pri kojoj se javlja prozirni plamen, zavisi ne samo od vrste ugljovodonika, već i od uslova mešanja sa sekundarnim vazduhom (prečnik kanala za sagorevanje gorionika) (Sl. 8.13. ). Na ivici i iznad krivina plamen je providan, a ispod krivina ima žute jezike. Krivulje pokazuju da se sadržaj primarnog zraka u smjesi povećava s povećanjem broja atoma ugljika u molekuli i promjera kanala za sagorijevanje gorionika. Omjer primarnog viška zraka α 1 u smjesi, pri kojem nestaju žuti plamenovi, ovisno o gore navedenim faktorima, može se odrediti za požarne kanale malih gorionika:

α 1 \u003d 0,12 (m + n / 4) 0,5 (d k / d 0) 0,25 (8,35)

gdje su m i n broj atoma ugljika i vodika u molekulu ili njihov prosječan broj za složeni plin; d k - prečnik vatrogasnih kanala gorionika, mm; d 0 - referentni prečnik kanala gorionika (1 mm).

Osiguranje potpunog sagorijevanja u praktičnim uvjetima prilično je složen zadatak, koji ne zavisi samo od principa sagorevanja gasa, već i od uslova za razvoj plamena u zapremini peći. Većina visoki zahtjevi prema potpunosti sagorijevanja primjenjuju se na kućanskim aparatima i drugim instalacijama koje proizvode sagorijevanje ispuštaju u atmosferu. Sagorijevanje plina u takvim instalacijama je najteže, jer je povezano sa pranjem hladnih površina za izmjenu topline plamenom. Za sagorevanje gasa u kućnim pećima koriste se injekcioni gorionici sa više gorionika, koji formiraju homogenu mešavinu sa koeficijentom viška primarnog vazduha α 1< 1. Недостающий для сгорания газа воздух поступает за счет диффузии из окружающей атмосферы.

Rice. 8.14. Koncentracija ugljičnog monoksida
u produktima sagorijevanja u plinskoj peći
a – gorionik sa perifernim dovodom sekundarnog vazduha;
b - sa centralnim i perifernim dovodom sekundarnog zraka
1 - prirodni plin, gorionik sa perifernim napajanjem
sekundarni zrak, udaljenost do dna posuđa 25 mm;
2–4 - prirodni plin, gorionik sa perifernim i
centralno sekundarno dovod zraka, udaljenost
do dna posuda, mm: 2 - 25, 3 - 18, 4 - 10;
5 – tečni gas, plamenik sa centralnim i perifernim
dovod sekundarnog zraka, udaljenost do dna posude 25 mm;
6 - tečni plin, gorionik sa perifernim napajanjem

Na sl. 8.14 prikazani su dijagrami gorionika sa 2 gorionika za kućne plinske peći i prosječna koncentracija ugljičnog monoksida CO u produktima sagorijevanja prirodnog metana (95 vol.%) i propana (93 vol.%) kada gorionici rade sa nazivnom toplinom izlaz. Razlika između gorionika je u tome što se na jedan od njih dovodi sekundarni zrak samo s periferije, a na drugi - i sa periferije i iz centralnog kanala.

Potpunost sagorevanja gasa zavisi od koeficijenta viška primarnog vazduha u smeši, udaljenosti od vatrenih kanala gorionika do dna posude, vrste zapaljivog gasa i načina dovoda sekundarnog vazduha. Istovremeno, povećanje sadržaja primarnog zraka u smjesi, kao i povećanje udaljenosti od plamenika do dna posude, dovode do smanjenja koncentracije ugljičnog monoksida u produktima izgaranja. Minimalna koncentracija ugljičnog monoksida odgovara koeficijentu viška primarnog zraka α 1 = 0,6 i više i udaljenosti od gorionika do dna posude 25 mm, a maksimalna - α 1 = 0,3 i ispod i udaljenosti od gorionika do dna posude 25 mm. plamenika do dna posude 10 mm. Osim toga, povećanje toplinske snage gorionika za 15-20% zbog povećanja tlaka plina dovodi do povećanja koncentracije ugljičnog monoksida u produktima izgaranja za 1,2-1,3 puta, a zbog topline sagorijevanja gasa, za 1,5-2 puta.

Treba obratiti pažnju na pojavu aromatičnih jedinjenja u procesu sagorevanja - benzen, policiklički benzpiren, benzantracen itd. Posebna pažnja jer su neki od njih kancerogeni. Proces njihovog formiranja je veoma složen i odvija se u fazama. U prvoj fazi pojavljuje se acetilen i njegovi derivati. U zoni plamena ove tvari prolaze kroz procese izduživanja lanca s preraspodjelom trostrukih ugljičnih veza u dvostruke. Kao rezultat ciklizacije i dehidracije dovode do pojave različitih aromatičnih spojeva, uključujući i policiklične.

Tabela 8.16. Prosječna koncentracija ugljičnog monoksida i benzo(a)pirena u produktima sagorijevanja u zavisnosti od vrste plina, tipa gorionika i koeficijenta viška primarnog zraka ( termičko opterećenje plamenici - 1600 kcal / h, udaljenost od plamenika do dna posuđa - 24-26 mm)

Tip plamenika	Prosječna koncentracija
	ugljen monoksid, mg/l (u smislu α = 1,0)	benzo(a)piren, mcg / 100 m 3
Prirodni gas
pri α i = 0,60 ÷ 0,70	0,10	Nije pronađeno
pri α i = 0,30 ÷ 0,35	1,20	Otisci prstiju
pri α i = 0,60 ÷ 0,70	0,50	Nije pronađeno
pri α i = 0,30 ÷ 0,35	0,12	Nije pronađeno
Tečni naftni gas
Plamenik sa perifernim sekundarnim dovodom zraka:
pri α i = 0,60 ÷ 0,70	0,30	0,03
pri α i = 0,30 ÷ 0,35	1,20	1,10
Plamenik sa centralnim i perifernim dovodom sekundarnog vazduha:
pri α i = 0,60 ÷ 0,70	0,07	0,02
pri α i = 0,30 ÷ 0,35	1,00	0,045

Tablični podaci. 8.16 pokazuju da pri sagorijevanju prirodnih plinova s ​​koeficijentom viška primarnog zraka α 1 = 0,6 i više na obje vrste gorionika, koncentracija ugljičnog monoksida u produktima izgaranja zadovoljava zahtjeve GOST 5542-87.

Tabela 8.17. Udaljenost između rubova kanala za pečenje jednorednih gorionika za ubrizgavanje, ovisno o njihovim dimenzijama i koeficijentu viška primarnog zraka

Prečnici vatrogasnog kanala, mm	Udaljenosti između rubova kanala, mm pri različitim vrijednostima koeficijenta viška primarnog zraka α 1
	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6
2,0	11	8	6	5	4
3,0	15	12	9	7	5
4,0	16	14	11	9	7
5,0	18	15	14	12	10
6,0	20	18	16	14	12

Istraživanja su pokazala da razmaci između rubova požarnih kanala, koji osiguravaju brzo širenje plamena, sprječavajući njihovo spajanje, zavise od njihove veličine i sadržaja primarnog zraka u smjesi, koji se smanjuje s njegovim povećanjem. Optimalne udaljenosti između ivica kanala, koje osiguravaju dovoljnu potpunost sagorevanja gasa i brzo širenje plamena, date su u tabeli. 8.17. Kada su kanali za pečenje raspoređeni u dva reda u šahovnici, razmaci između ivica mogu se uzeti prema istoj tabeli. U tom slučaju, razmaci između redova trebaju biti 2-3 puta veći od udaljenosti između kanala.

Rice. 8.15. Koncentracija ugljičnog monoksida, acetilena,
etan, etilen i benzo(a)piren u produktima sagorijevanja
plin srednjeg pritiska u gorioniku za ubrizgavanje

Uopštavanje brojnih eksperimentalnih podataka omogućilo je dobijanje krivulja prosječne koncentracije u produktima sagorijevanja različitih komponenti, koje kvalitativno i kvantitativno karakteriziraju proces sagorijevanja (slika 8.15). Potpuno sagorevanje homogene mešavine gas-vazduh postiže se samo kada je koeficijent viška primarnog vazduha α = 1,05 i veći. Sa smanjenjem sadržaja zraka u smjesi, posebno pri α< 1,0, возрастает концентрация оксида углерода СО, ацетилена С 2 Н 2 , этилена С 2 Н 4 , пропилена С 3 Н 6 и пропана С 3 Н 8 , а также бенз(а)-пирена С 20 Н 9 . Также возрастает концентрация и других компонентов - водорода, бензола и др.

Uz razmatrane produkte nepotpunog sagorijevanja, sagorijevanjem plina uvijek nastaje određena količina dušikovih oksida, čije se stvaranje događa u visokotemperaturnim zonama kako nakon završetka glavnih reakcija sagorijevanja tako i tokom sagorijevanja. Maksimalna koncentracija NOx javlja se u završnim fazama, što odgovara sagorijevanju plina i intenzivnom sagorijevanju međuproizvoda u obliku vodonika i ugljičnog monoksida.

Primarni spoj u sagorijevanju mješavine plina i zraka je dušikov oksid. Početak lančane reakcije povezan je s atomskim kisikom koji nastaje u zonama visoke temperature zbog disocijacije molekularnog kisika:

O 2 -› 2O - 490 kJ / mol (8.36)

O + N 2 -› NO + N - 300 kJ / mol (8.37)

N + O 2 –› 2NO + 145 kJ/mol (8,38)

reakcija ravnoteže

N 2 + O 2 -› 2NO - 177 kJ / mol (8,39)

Do stvaranja atomskog kiseonika dolazi i prilikom delimične disocijacije produkata sagorevanja: sa smanjenjem temperature i prisustvom kiseonika, deo formiranog azotnog oksida (1–3 vol.%) oksidira se u azot dioksid NO 2 . Reakcija se najintenzivnije odvija nakon ispuštanja dušikovog oksida u atmosferu. Glavni faktori koji utiču:

• temperatura u reakcionim zonama;
• omjer viška zraka i vrijeme kontakta reagujućih komponenti.

Temperatura plamena zavisi od hemijskog sastava gasa, sadržaja vazduha u mešavini gasa i vazduha, stepena njene homogenosti i odvođenja toplote iz reakcione zone. Maksimalna moguća koncentracija dušikovog oksida na datoj temperaturi, vol. %, može se izračunati pomoću formule

NE p = 4.6e -2150 / (RT) / √ O 2 N 2 (8.40)

gdje je NO p ravnotežna koncentracija dušikovog oksida, vol. %; R je univerzalna plinska konstanta; T - apsolutna temperatura, K; O 2 i N 2 - koncentracija, vol. % kiseonika i azota.

Visoka koncentracija dušikovog oksida, srazmjerna ravnotežnoj, nastaje kada se gas sagorijeva u pećima snažnih parogeneratora iu visokotemperaturnim otvorenim, koksnim i sličnim pećima. U kotlovima male i srednje snage, u malim grijaćim i termičkim pećima sa značajnim odvođenjem topline i kratkim vremenom zadržavanja komponenti u visokotemperaturnim zonama, izlaz dušikovog oksida je za red veličine manji. Osim toga, što je kraće vrijeme boravka reagujućih komponenti u zoni visoke temperature, to je manje dušikovog oksida u produktima izgaranja.

Sagorevanje gasa u zračećim gorionicima i u fluidizovanom sloju je takođe efikasno: u ovim slučajevima dolazi do mikrobakljačkog sagorevanja homogene mešavine gasa i vazduha sa koeficijentom viška vazduha α = 1,05 uz veoma intenzivno odvođenje toplote iz reakcione zone. Koncentracija azotnih oksida pri sagorevanju gasa u radijacionim gorionicima je oko 40, au fluidizovanom sloju 80–100 mg/m 3 . Smanjenje veličine vatrogasnih kanala radijacijskih gorionika i vatrostalnih zrna u fluidiziranom sloju pomaže u smanjenju izlaza dušikovih oksida.

Akumulirani podaci omogućili su niz promjena u dizajnu opreme za kotlove i grijanje, pružajući ne samo visoka efikasnost i niska koncentracija produkata nepotpunog sagorijevanja, ali i smanjena emisija dušikovih oksida u atmosferu. Ove promjene uključuju:

• smanjenje dužine visokotemperaturnih tunela i premještanje izgaranja iz njih u peći;
• korištenje stabilizatora sagorijevanja umjesto keramičkih tunela u obliku blef tijela ili prstenastog plamena;
• organizacija ravnog plamena s povećanom površinom prijenosa topline;
• disperzija plamena povećanjem broja gorionika ili korištenjem blok plamenika;
• stepenasto dovod zraka u reakcijsku zonu;
• ravnomjerna raspodjela toplinskih tokova u peći, sita peći i njihova podjela na odjeljke ekranima;
• primena difuzionog principa sagorevanja gasa (difuziono sagorevanje je dozvoljeno samo u slučajevima kada se može obezbediti slobodan razvoj plamena bez pranja površina razmenjivača toplote).

Najefikasnije smanjenje izlaza dušikovih oksida postiže se istovremenom primjenom nekoliko metoda.

Sagorevanje gasovitog goriva je kombinacija sledećih fizičkih i hemijskih procesa: mešanje zapaljivog gasa sa vazduhom, zagrevanje smeše, termička razgradnja zapaljive komponente, paljenje i hemijska kombinacija zapaljivih elemenata sa atmosferskim kiseonikom.

Stabilno sagorevanje mešavine gas-vazduh moguće je uz kontinuirano dovođenje potrebnih količina zapaljivog gasa i vazduha na front sagorevanja, njihovo temeljito mešanje i zagrevanje do temperature paljenja ili samozapaljenja (tabela 5).

Paljenje mješavine plina i zraka može se izvesti:

• zagrijavanje cjelokupnog volumena mješavine plina i zraka do temperature samozapaljenja. Ova metoda se koristi u motorima sa unutrašnjim sagorevanjem, gde se mešavina gasa i vazduha zagreva brzom kompresijom do određenog pritiska;
• upotreba stranih izvora paljenja (zapaljivači, itd.). U ovom slučaju se ne zagrijava cijela mješavina plina i zraka do temperature paljenja, već dio. Ova metoda se koristi pri sagorijevanju plinova u gorionicima. plinski uređaji;
• postojeće baklje kontinuirano u procesu sagorevanja.

Da bi se pokrenula reakcija sagorijevanja plinovitog goriva, potrebno je potrošiti određenu količinu energije potrebnu za razbijanje molekularnih veza i stvaranje novih.

Hemijska formula za sagorevanje gasovitog goriva, koja ukazuje na ceo mehanizam reakcije povezan sa pojavom i nestankom veliki broj slobodnih atoma, radikala i drugih aktivnih čestica je kompleksan. Zbog toga se, radi pojednostavljenja, koriste jednačine koje izražavaju početno i konačno stanje reakcija sagorevanja gasa.

Ako ugljikovodične plinove označimo C m H n, tada će jednadžba za kemijsku reakciju sagorijevanja ovih plinova u kisiku imati oblik

C m H n + (m + n/4)O 2 = mCO 2 + (n/2)H 2 O,

gdje je m broj atoma ugljika u plinu ugljikovodika; n je broj atoma vodika u plinu; (m + n/4) - količina kiseonika potrebna za potpuno sagorevanje gasa.

U skladu sa formulom, izvode se jednadžbe za sagorevanje gasova:

• metan CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O
• etan C 2 H 6 + 3,5O 2 \u003d 2CO 2 + ZH 2 O
• butan C 4 H 10 + 6,5O 2 \u003d 4CO 2 + 5H 2 0
• propan C 3 H 8 + 5O 3 \u003d ZSO 2 + 4H 2 O.

U praktičnim uslovima sagorevanja gasa kiseonik se ne uzima u svom čistom obliku, već je deo vazduha. Pošto se vazduh sastoji od 79% azota i 21% kiseonika po zapremini, za svaku zapreminu kiseonika je potrebno 100:21 = 4,76 zapremina vazduha ili 79:21 = 3,76 zapremina azota. Tada se reakcija sagorevanja metana u vazduhu može zapisati na sledeći način:

CH 4 + 2O 2 + 2 * 3,76N 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O + 7,52N 2.

Jednačina pokazuje da je za sagorevanje 1 m 3 metana potrebno 1 m 3 kiseonika i 7,52 m 3 azota ili 2 + 7,52 = 9,52 m 3 vazduha.

Kao rezultat sagorijevanja 1 m 3 metana, 1 m 3 ugljičnog dioksida, 2 m 3 vodene pare i 7,52 m 3 dušika. Donja tabela prikazuje ove podatke za najčešće zapaljive plinove.

Za proces sagorevanja mešavine gas-vazduh potrebno je da količina gasa i vazduha u mešavini gas-vazduh bude u određenim granicama. Ove granice se nazivaju granice zapaljivosti ili granice eksplozivnosti. Postoje donja i gornja granica zapaljivosti. Minimalni sadržaj gasa u mešavini gasa i vazduha, izražen kao zapreminski procenat, pri kojem dolazi do paljenja, naziva se donja granica zapaljivosti. Maksimalni sadržaj plina u mješavini plina i zraka, iznad kojeg se smjesa ne zapali bez dovoda dodatne topline, naziva se gornja granica zapaljivosti.

Količina kiseonika i vazduha tokom sagorevanja određenih gasova

	Za sagorijevanje 1 m 3 plina potrebno je, m 3		Prilikom sagorijevanja oslobađa se 1 m 3 plina, m 3				Toplina sagorevanja He, kJ / m 3
	kiseonik		dioksida ugljenik
ugljen monoksid

Ako mješavina plina i zraka sadrži plin manje od donje granice zapaljivosti, tada neće izgorjeti. Ako u mješavini plin-vazduh nema dovoljno zraka, onda se izgaranje ne odvija u potpunosti.

Inertne nečistoće u gasovima imaju veliki uticaj na veličinu granica eksplozivnosti. Povećanje sadržaja balasta (N 2 i CO 2) u gasu sužava granice zapaljivosti, a kada se sadržaj balasta poveća iznad određenih granica, mešavina gasa i vazduha se ne zapali ni u kom odnosu gasa i vazduha (tabela ispod) .

Broj zapremina inertnog gasa po 1 zapremini zapaljivog gasa pri kojoj mešavina gasa i vazduha prestaje da bude eksplozivna

Najmanja količina vazduha potrebna za potpuno sagorevanje gasa naziva se teorijski protok vazduha i označava se sa Lt, odnosno ako je neto kalorična vrednost gasnog goriva 33520 kJ/m 3 , zatim teoretski potrebna količina zraka za sagorijevanje 1 m 3 gas

L T\u003d (33 520/4190) / 1,1 \u003d 8,8 m 3.

Međutim, stvarni protok zraka uvijek premašuje teoretski. To se objašnjava činjenicom da je vrlo teško postići potpuno sagorijevanje plina pri teoretskim brzinama protoka zraka. Stoga, svako postrojenje za sagorijevanje plina radi s malo viška zraka.

Dakle, praktičan protok vazduha

L n = αL T,

gdje L n- praktična potrošnja zraka; α - koeficijent viška vazduha; L T- teoretska potrošnja zraka.

Koeficijent viška vazduha je uvek veći od jedan. Za prirodni gas jeste α = 1,05 - 1,2. Koeficijent α pokazuje koliko puta stvarni protok vazduha premašuje teoretski, uzet kao jedinica. Ako α = 1, tada se mešavina gasa i vazduha naziva stehiometrijski.

At α = 1,2 sagorevanje gasa se vrši sa viškom vazduha za 20%. Po pravilu, sagorevanje gasova treba da se odvija sa minimalnom vrednošću a, jer se sa smanjenjem viška vazduha smanjuju gubici toplote sa izduvnim gasovima. Vazduh uključen u sagorevanje je primarni i sekundarni. Primarno naziva se zrak koji ulazi u gorionik radi miješanja s plinom u njemu; sekundarno- vazduh koji ulazi u zonu sagorevanja se ne meša sa gasom, već odvojeno.

Fizička i hemijska svojstva prirodnog gasa

Prirodni plin je bezbojan, bez mirisa i ukusa, netoksičan.

Gustina gasova pri t = 0°C, R = 760 mm Hg. Art.: metan - 0,72 kg / m 3, zrak -1,29 kg / m 3.

Temperatura samozapaljenja metana je 545 - 650°C. To znači da će se svaka mješavina prirodnog plina i zraka zagrijana na ovu temperaturu zapaliti bez izvora paljenja i izgorjeti.

Temperatura sagorevanja metana je 2100°C u pećima od 1800°C.

Kalorična vrijednost metana: Q n = 8500 kcal / m 3, Q u = 9500 kcal / m 3.

Eksplozivnost. razlikovati:

- donja granica eksplozivnosti je najniži sadržaj gasa u vazduhu pri kojem dolazi do eksplozije, za metan je 5%.

Sa manjim sadržajem gasa u vazduhu neće doći do eksplozije zbog nedostatka gasa. Prilikom uvođenja izvora energije treće strane - iskače.

- gornja granica eksplozivnosti je najveći sadržaj gasa u vazduhu pri kojem dolazi do eksplozije, za metan je 15%.

Sa većim sadržajem gasa u vazduhu neće doći do eksplozije zbog nedostatka vazduha. Kada se uvede izvor energije treće strane - vatra, vatra.

Za eksploziju plina, osim što ga drži u zraku u granicama njegove eksplozivnosti, potreban je i vanjski izvor energije (varnica, plamen, itd.).

Prilikom eksplozije gasa u zatvorenom prostoru (prostorija, ložište, rezervoar i sl.) dolazi do više razaranja nego na otvorenom.

Pri sagorijevanju plina s nedostatkom kisika, u produktima sagorijevanja nastaje ugljični monoksid (CO), odnosno ugljični monoksid, koji je vrlo toksičan plin.

Brzina širenja plamena je brzina kojom se front plamena kreće u odnosu na mlaz svježe mješavine.

Procijenjena brzina širenja plamena metana - 0,67 m/s. To zavisi od sastava, temperature, pritiska smeše, odnosa gasa i vazduha u smeši, prečnika fronta plamena, prirode kretanja smeše (laminarno ili turbulentno) i određuje stabilnost sagorevanja.

Odorizacija gasa- ovo je dodavanje tvari jakog mirisa (odoransa) plinu kako bi se plinu dalo miris prije isporuke potrošačima.

Zahtjevi za mirise:

- oštar specifičan miris;

- ne smije spriječiti sagorijevanje;

- ne treba da se rastvara u vodi;

– moraju biti bezopasni za ljude i opremu.

Etil merkaptan (C 2 H 5 SH) se koristi kao odorant, dodaje se metanu - 16 g na 1000 m 3, zimi se stopa udvostručuje.

Osoba treba da oseti miris mirisa u vazduhu kada je sadržaj gasa u vazduhu 20% donje granice eksplozivnosti metana - 1% zapremine.

Ovo hemijski proces jedinjenja zapaljivih komponenti (vodonik i ugljenik) sa kiseonikom sadržanim u vazduhu. Javlja se oslobađanjem topline i svjetlosti.

Kada se ugljik sagorijeva, nastaje ugljični dioksid (CO 2), a vodik se formira u vodenu paru (H 2 0).

Faze sagorevanja: dovod gasa i vazduha, formiranje mešavine gasa i vazduha, paljenje smeše, njeno sagorevanje, uklanjanje produkata sagorevanja.

Teoretski, kada sav gas izgori i sva potrebna količina vazduha učestvuje u sagorevanju, reakcija sagorevanja 1 m 3 gasa:

CH 4 + 20 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O + 8500 kcal / m 3.

Za sagorevanje 1 m 3 metana potrebno je 9,52 m 3 vazduha.

Praktično neće sav vazduh koji se dovodi za sagorevanje učestvovati u sagorevanju.

Dakle, osim ugljičnog dioksida (CO 2) i vodene pare (H 2 0), u produktima sagorijevanja će se pojaviti:

- ugljični monoksid, odnosno ugljični monoksid (CO), ako uđe u prostoriju, može izazvati trovanje osoblja;

- atomski ugljik, odnosno čađ (C), koji se taloži u plinskim kanalima i pećima, pogoršava vuču i prijenos topline na grijaćim površinama.

- neizgoreni gas i vodonik - akumulirajući se u pećima i gasovodima, formiraju eksplozivnu smešu.

S nedostatkom zraka dolazi do nepotpunog sagorijevanja goriva - proces sagorijevanja se odvija uz nedovoljno sagorijevanje. Do sagorevanja dolazi i kod slabog mešanja gasa sa vazduhom i niske temperature u zoni sagorevanja.

Za potpuno sagorevanje gasa, vazduh za sagorevanje se dovodi u dovoljnoj količini, vazduh i gas moraju biti dobro izmešani, a potrebna je visoka temperatura u zoni sagorevanja.

Za potpuno sagorevanje gasa, vazduh se dovodi u većoj količini nego što je teoretski potrebno, odnosno sa viškom neće sav vazduh učestvovati u sagorevanju. Dio topline će ići za zagrijavanje ovoga višak vazduha i biće pušten u atmosferu.

Koeficijent viška zraka α je broj koji pokazuje koliko je puta stvarna potrošnja za sagorijevanje veća nego što je teoretski potrebno:

α = V d / V t

gdje je V d - stvarna potrošnja zraka, m 3;

V t - teoretski potreban zrak, m 3.

α = 1,05 - 1,2.

Metode spaljivanja gasa

Vazduh za sagorevanje može biti:

- primarni - uvodi se u gorionik, miješa se s plinom, a mješavina plina i zraka se koristi za sagorijevanje;

- sekundarni - ulazi u zonu sagorevanja.

Metode sagorevanja gasa:

1. Metoda difuzije - gas i vazduh za sagorevanje se dovode odvojeno i mešaju u zoni sagorevanja, sav vazduh je sekundarni. Plamen je dug, potreban je veliki prostor za peć.

2. Mješoviti način - dio zraka se dovodi u gorionik, pomiješan sa gasom (primarni zrak), dio zraka se dovodi u zonu sagorijevanja (sekundarni). Plamen je kraći nego kod difuzijske metode.

3. Kinetička metoda - sav vazduh se meša sa gasom unutar gorionika, odnosno sav vazduh je primarni. Plamen je kratak, potreban je mali prostor za peć.

Uređaji za plinske gorionike

Plinski gorionici su uređaji koji dovode gas i vazduh na front sagorevanja, formiraju mešavinu gasa i vazduha, stabilizuju front sagorevanja i obezbeđuju potreban intenzitet procesa sagorevanja.

Gorionik opremljen dodatni uređaj(tunel, uređaj za distribuciju vazduha itd.) naziva se uređaj za gasni gorionik.

Zahtjevi gorionika:

1) mora biti fabrički proizveden i proći državna ispitivanja;

2) mora da obezbedi potpuno sagorevanje gasa u svim režimima rada sa minimalnim viškom vazduha i minimalnom emisijom štetne materije u atmosferi;

3) ume da koristi automatsku kontrolu i sigurnost, kao i merenje parametara gasa i vazduha ispred gorionika;

4) mora imati jednostavan dizajn, biti pristupačan za popravku i reviziju;

5) mora stabilno raditi u okviru propisa o radu, po potrebi imati stabilizatore za sprečavanje odvajanja i povratnog plamena;

6) za radne gorionike, nivo buke ne bi trebalo da prelazi 85 dB, a temperatura površine ne bi trebalo da prelazi 45 ° C.

Parametri plinskih gorionika

1) toplotna snaga gorionika N g - količina toplote koja se oslobađa pri sagorevanju gasa za 1 sat;

2) najniža granica stabilnog rada gorionika N n. .P. . - najmanju snagu pri kojoj gorionik radi stabilno bez odvajanja i preskoka plamena;

3) minimalna snaga N min - snaga donje granice, uvećana za 10%;

4) gornja granica stabilnog rada gorionika N in. .P. . - najveća snaga pri kojoj gorionik radi stabilno bez odvajanja i preskoka plamena;

5) maksimalna snaga N max - snaga gornje granice, umanjena za 10%;

6) nazivna snaga N nom - najveća snaga sa kojom gorionik radi duže vreme uz najveću efikasnost;

7) radni opseg upravljanja - vrednosti snage od N min do N nom;

8) koeficijent regulacije rada - odnos nazivne snage prema minimalnoj.

Klasifikacija plinskih gorionika:

1) prema načinu dovoda vazduha za sagorevanje:

- bez eksplozije - zrak ulazi u peć zbog razrjeđivanja u njoj;

- ubrizgavanje - vazduh se usisava u gorionik usled energije gasnog mlaza;

- mlaz - vazduh se dovodi do gorionika ili do peći pomoću ventilatora;

2) prema stepenu pripremljenosti zapaljive smeše:

– bez prethodnog mešanja gasa sa vazduhom;

- uz potpuno prethodno miješanje;

- sa nepotpunim ili delimičnim prethodnim mešanjem;

3) brzinom odliva produkata sagorevanja (niska - do 20 m / s, srednja - 20-70 m / s, visoka - više od 70 m / s);

4) prema pritisku gasa ispred gorionika:

- niske do 0,005 MPa (do 500 mm vodenog stupca);

- prosjek od 0,005 MPa do 0,3 MPa (od 500 mm vodenog stupca do 3 kgf / cm 2);

- visoka više od 0,3 MPa (više od 3 kgf / cm 2);

5) prema stepenu automatizacije upravljanja gorionikom - sa ručnim upravljanjem, poluautomatski, automatski.

Prema načinu dovoda zraka gorionici mogu biti:

1) Difuzija. Sav vazduh ulazi u baklju iz okolnog prostora. Gas se dovodi u gorionik bez primarnog zraka i, napuštajući kolektor, miješa se sa zrakom izvan njega.

Najjednostavniji plamenik u dizajnu, obično cijev s rupama izbušenim u jednom ili dva reda.

Raznolikost - plamenik za ognjište. Sastoji se od plinskog kolektora izrađenog od čelične cijevi, začepljenog na jednom kraju. U cijevi se buše rupe u dva reda. Kolektor se ugrađuje u prorez, napravljen od vatrostalne cigle, na osnovu grate. Plin kroz rupe u kolektoru izlazi u otvor. Zrak ulazi u isti otvor kroz rešetku zbog razrjeđivanja u peći ili uz pomoć ventilatora. Tokom rada, vatrostalna obloga utora se zagrijava, osiguravajući stabilizaciju plamena u svim režimima rada.

Prednosti gorionika: jednostavan dizajn, pouzdan rad (povratak plamena je nemoguć), bešumnost, dobra regulacija.

Nedostaci: niske snage, neekonomičan, jak plamen.

2) Injekcioni gorionici:

a) niskog pritiska ili atmosferskog (odnosi se na gorionike sa delimičnim prethodnim mešanjem). Mlaz gasa velikom brzinom izlazi iz mlaznice i, zbog svoje energije, hvata vazduh u konfuzer, povlačeći ga u gorionik. Mešanje gasa sa vazduhom odvija se u mešalici koja se sastoji od grla, difuzora i vatrene mlaznice. Vakum koji stvara injektor povećava se sa povećanjem pritiska gasa, dok se menja količina primarnog vazduha koji se uvlači. Količina primarnog zraka može se promijeniti pomoću podloške za podešavanje. Promjenom razmaka između perilice i konfuzora, regulira se dovod zraka.

Da bi se osiguralo potpuno sagorijevanje goriva, dio zraka ulazi zbog razrjeđivanja u peći (sekundarni zrak). Regulacija njegove potrošnje se vrši promjenom vakuuma.

Imaju svojstvo samoregulacije: s povećanjem opterećenja povećava se pritisak plina, koji ubrizgava povećanu količinu zraka u gorionik. Kako se opterećenje smanjuje, količina zraka se smanjuje.

Plamenici se ograničeno koriste na opremi velikog kapaciteta (više od 100 kW). To je zbog činjenice da se kolektor plamenika nalazi direktno u peći. Tokom rada, zagrijava se na visoke temperature i brzo se kvari. Imaju visok omjer viška zraka, što dovodi do neekonomičnog sagorijevanja plina.

b) Srednji pritisak. Kada se poveća pritisak gasa, ubrizgava se sav vazduh potreban za potpuno sagorevanje gasa. Sav vazduh je primarni. Rade pri pritisku gasa od 0,005 MPa do 0,3 MPa. Odnosi se na gorionike potpunog prethodnog miješanja plina sa zrakom. Kao rezultat dobrog miješanja plina i zraka, rade sa malim omjerom viška zraka (1,05-1,1). Burner Kazantsev. Sastoji se od regulatora primarnog zraka, mlaznice, miješalice, mlaznice i pločastog stabilizatora. Prilikom napuštanja mlaznice, plin ima dovoljno energije da ubrizga sav zrak potreban za sagorijevanje. U mikseru se gas potpuno meša sa vazduhom. Regulator primarnog vazduha istovremeno prigušuje buku koja nastaje usled velike brzine mešavine gasa i vazduha. Prednosti:

- jednostavnost dizajna;

– održivi rad kada se opterećenje promijeni;

- nedostatak dovoda vazduha pod pritiskom (bez ventilatora, elektromotora, vazdušnih kanala);

– mogućnost samoregulacije (održavanje konstantnog odnosa gas-vazduh).

Nedostaci:

- velike dimenzije gorionika po dužini, posebno gorionika sa povećanom produktivnošću;

– visok nivo buke.

3) Gorionici sa prinudnim dovodom vazduha. Formiranje mješavine plina i zraka počinje u plameniku i završava u peći. Zrak se dovodi ventilatorom. Snabdijevanje plinom i zrakom vrši se kroz odvojene cijevi. Rade na gas niskog i srednjeg pritiska. Za bolje miješanje, tok plina se usmjerava kroz rupe pod uglom u odnosu na protok zraka.

Da bi se poboljšalo miješanje, struji zraka se daje rotacijski pokret pomoću vrtložaca sa konstantnim ili podesivim kutom lopatice.

Vrtložni plinski gorionik (GGV) - plin iz razvodnog razvodnika izlazi kroz rupe izbušene u jednom redu, te pod uglom od 90 0 ulazi u strujanje zraka vrtložnim vrtložnim lopaticom. Oštrice su zavarene pod uglom od 45 0 do vanjska površina gasni razvodnik. Unutar gasnog kolektora nalazi se cijev za praćenje procesa sagorijevanja. Prilikom rada na loživom ulju u njega se ugrađuje parno-mehanička mlaznica.

Plamenici dizajnirani za sagorijevanje nekoliko vrsta goriva nazivaju se kombinirani.

Prednosti gorionika: velika toplotna snaga, širok opseg regulacije rada, mogućnost kontrole odnosa viška vazduha, mogućnost predgrevanja gasa i vazduha.

Nedostaci plamenika: dovoljna složenost dizajna; moguće je odvajanje i probijanje plamena, u vezi s tim postaje potrebno koristiti stabilizatore sagorijevanja (keramički tunel, pilot baklja itd.).

Nesreće sa gorionicima

Količina vazduha u mešavini gasa i vazduha je najvažniji faktor koji utiče na brzinu širenja plamena. U mješavinama u kojima sadržaj plina prelazi gornju granicu njegovog paljenja, plamen se uopće ne širi. Sa povećanjem količine vazduha u smeši, brzina širenja plamena se povećava, dostižući najveću vrednost kada je sadržaj vazduha oko 90% njegove teorijske količine neophodne za potpuno sagorevanje gasa. Povećanjem protoka zraka do gorionika stvara se mješavina koja je siromašnija plinom, sposobna da gori brže i da izazove bljesak plamena u gorioniku. Stoga, ako je potrebno povećati opterećenje, prvo povećajte dovod plina, a zatim i zrak. Ako je potrebno smanjiti opterećenje, rade suprotno - prvo smanjuju dovod zraka, a zatim i plina. U trenutku paljenja gorionika zrak ne bi trebao ući u njih i plin se pali u difuzijskom režimu zbog zraka koji ulazi u peć, nakon čega slijedi prelazak na dovod zraka u gorionik

1. Odvajanje plamena - kretanje zone gorionika od izlaza gorionika u pravcu sagorevanja goriva. Nastaje kada brzina mješavine plina i zraka postane veća od brzine širenja plamena. Plamen postaje nestabilan i može se ugasiti. Plin nastavlja strujati kroz ugašeni gorionik, što dovodi do stvaranja eksplozivne smjese u peći.

Odvajanje se javlja kada: povećanje tlaka plina iznad dozvoljenog, naglo povećanje dovoda primarnog zraka, povećanje vakuuma u peći, rad gorionika u transcendentalnim režimima u odnosu na one navedene u pasošu.

2. Flashback - pomeranje zone plamena prema zapaljivoj mešavini. To se dešava samo u gorionicima sa prethodnom mešavinom gasa i vazduha. Nastaje kada brzina mješavine plina i zraka postane manja od brzine širenja plamena. Plamen skače unutar gorionika, gdje nastavlja da gori, uzrokujući deformaciju gorionika zbog pregrijavanja. Kada je moguće proklizavanje, moguć je mali pucanje, plamen će se ugasiti, kroz gorionik u praznom hodu će doći do gasiranja peći i gasovoda.

Do proboja dolazi kada: pritisak gasa ispred gorionika padne ispod dozvoljene vrednosti; paljenje gorionika kada se dovodi primarni vazduh; velika opskrba plinom pri niskom tlaku zraka, smanjujući performanse gorionika prethodnim miješanjem plina i zraka ispod vrijednosti navedenih u pasošu. Nije moguće sa difuzionom metodom sagorevanja gasa.

Postupci osoblja u slučaju nesreće na gorioniku:

- ugasite gorionik,

- ventilirati peć,

- saznati uzrok nesreće,

- napraviti upis u dnevnik

Opće informacije. Drugi važan izvor unutrašnje zagađenje, snažan faktor senzibilizacije za ljude je prirodni gas i produkti njegovog sagorevanja. Gas je višekomponentni sistem koji se sastoji od desetina različitih jedinjenja, uključujući i one posebno dodane (tabela 12.3).
Postoje direktni dokazi da upotreba uređaja koji sagorevaju prirodni plin (plinske peći i kotlovi) štetno djeluje na zdravlje ljudi. Osim toga, osobe sa povećanom osjetljivošću na faktore okoline neadekvatno reagiraju na komponente prirodnog plina i produkte njegovog sagorijevanja.
Prirodni plin u kući je izvor mnogih različitih zagađivača. To uključuje spojeve koji su direktno prisutni u plinu (mirisi, plinoviti ugljikovodici, toksični organometalni kompleksi i radioaktivni plin radon), produkti nepotpunog sagorijevanja (ugljični monoksid, dušikov dioksid, organske čestice aerosola, policiklički aromatični ugljikovodici i male količine isparljivih organskih spojeva ). Sve ove komponente mogu uticati na ljudski organizam kako same tako i u kombinaciji jedna sa drugom (sinergijski efekat).
Tabela 12.3
Sastav gasovitog goriva Komponente Sadržaj, % Metan 75-99 Etan 0,2-6,0 Propan 0,1-4,0 Butan 0,1-2,0 Pentan Do 0,5 Etilen Sadrži u nekim naslagama Propilen Butilen Benzen Ugljik Sumpordioksid. Vodonik-sulfid. 0,001
Mirisi. Mirisi su organska aromatična jedinjenja koja sadrže sumpor (merkaptani, tioeteri i tioaromatična jedinjenja). Dodaju se prirodnom plinu kako bi ga otkrili u slučaju curenja. Iako su ovi spojevi prisutni u vrlo niskim koncentracijama ispod praga koje se ne smatraju toksičnim za većinu pojedinaca, njihov miris može uzrokovati mučninu i glavobolju kod inače zdravih osoba.
Kliničko iskustvo i epidemiološki podaci ukazuju na to da hemijski osjetljive osobe neodgovarajuće reagiraju na kemikalije prisutne čak i pri koncentracijama ispod praga. Osobe s astmom često identificiraju miris kao promotor (okidač) napada astme.
Mirisi uključuju, na primjer, metanetiol. Metanetiol, takođe poznat kao metilmerkaptan (merkaptometan, tiometilalkohol), je gasovito jedinjenje koje se obično koristi kao aromatični dodatak prirodnom gasu. Smrad Osjeti ga većina ljudi u koncentraciji od 1 dijela na 140 ppm, međutim, visoko osjetljive osobe mogu otkriti ovaj spoj u mnogo nižim koncentracijama. Toksikološke studije na životinjama pokazale su da 0,16% metanetiola, 3,3% etanetiola ili 9,6% dimetil sulfida mogu izazvati komu kod 50% pacova izloženih ovim jedinjenjima tokom 15 minuta.
Drugi merkaptan, koji se također koristi kao aromatični aditiv prirodnom plinu, je merkaptoetanol (C2H6OS) također poznat kao 2-tioetanol, etil merkaptan. Jako nadražuje oči i kožu, može imati toksični učinak kroz kožu. Zapaljiv je i razgrađuje se kada se zagrije stvarajući vrlo otrovne pare SOx.
Merkaptani, kao zagađivači zraka u zatvorenom prostoru, sadrže sumpor i mogu uhvatiti elementarnu živu. U visokim koncentracijama merkaptani mogu uzrokovati poremećenu perifernu cirkulaciju i ubrzan rad srca, mogu stimulirati gubitak svijesti, razvoj cijanoze, pa čak i smrt.
Aerosoli. Izgaranjem prirodnog plina nastaju fine organske čestice (aerosoli), uključujući kancerogene aromatične ugljovodonike, kao i neka hlapljiva organska jedinjenja. DOS su za koje se sumnja da su senzibilizirajuća sredstva koja su u stanju da izazovu, zajedno sa drugim komponentama, sindrom "bolesne zgrade", kao i višestruku hemijsku osjetljivost (MCS).
JIOC takođe uključuje formaldehid, koji se formira u malim količinama tokom sagorevanja gasa. Upotreba plinskih uređaja u kući u kojoj žive osjetljive osobe povećava izloženost ovim nadražujućim tvarima, što kasnije pogoršava znakove bolesti i također promiče dalju senzibilizaciju.
Aerosoli koji nastaju tokom sagorevanja prirodnog gasa mogu postati adsorpcioni centri za razne hemijske jedinjenja koja su prisutna u vazduhu. Tako se zagađivači zraka mogu koncentrirati u mikrovolumenima, međusobno reagirati, posebno kada metali djeluju kao katalizatori reakcija. Što je čestica manja, to je veća koncentracijska aktivnost takvog procesa.
Štaviše, vodena para nastala tokom sagorevanja prirodnog gasa je transportna veza za čestice aerosola i zagađivače kada se prenose u plućne alveole.
Tokom sagorevanja prirodnog gasa nastaju i aerosoli koji sadrže policiklične aromatične ugljovodonike. Imaju štetne efekte na respiratorni sistem i poznati su kancerogeni. Osim toga, ugljovodonici mogu dovesti do kronične intoksikacije kod osjetljivih ljudi.
Stvaranje benzena, toluena, etilbenzola i ksilena pri sagorijevanju prirodnog plina također je nepovoljno za ljudsko zdravlje. Poznato je da je benzen kancerogen u dozama znatno ispod praga. Izloženost benzenu je u korelaciji s povećanim rizikom od raka, posebno leukemije. Senzibilizirajući efekti benzena nisu poznati.
organometalnih jedinjenja. Neke komponente prirodnog gasa mogu sadržavati visoke koncentracije toksičnih teških metala, uključujući olovo, bakar, živu, srebro i arsen. Po svoj prilici, ovi metali su prisutni u prirodnom gasu u obliku organometalnih kompleksa kao što je trimetilarsenit (CH3)3As. Povezanost s organskom matricom ovih toksičnih metala čini ih topivim u lipidima. To dovodi do visokog nivoa apsorpcije i sklonosti bioakumulaciji u ljudskom masnom tkivu. Visoka toksičnost tetrametilplumbita (CH3)4Pb i dimetil žive (CH3)2Hg ukazuje na utjecaj na ljudsko zdravlje, budući da su metilirana jedinjenja ovih metala toksičnija od samih metala. Posebno su opasna ova jedinjenja tokom laktacije kod žena, jer u ovom slučaju dolazi do migracije lipida iz masnih depoa tela.
Dimetil živa (CH3)2Hg je posebno opasno organometalno jedinjenje zbog svoje visoke lipofilnosti. Metil živa se može ugraditi u tijelo udisanjem kao i kroz kožu. Apsorpcija ovog jedinjenja u gastrointestinalnom traktu je skoro 100%. Živa ima izražen neurotoksični efekat i sposobnost da utiče na reproduktivnu funkciju čoveka. Toksikologija ne raspolaže podacima o sigurnim nivoima žive za žive organizme.
Organska jedinjenja arsena su takođe visoko toksična, posebno tokom njihovog metaboličkog razaranja (metaboličke aktivacije), što rezultira stvaranjem visoko toksičnih neorganskih oblika.
Proizvodi sagorevanja prirodnog gasa. Dušikov dioksid je u stanju da deluje na plućni sistem, što olakšava razvoj alergijske reakcije drugim supstancama, smanjuje funkciju pluća, podložnost zaraznim bolestima pluća, potencira bronhijalnu astmu i druge respiratorne bolesti. To je posebno izraženo kod djece.
Postoje dokazi da N02 proizveden sagorevanjem prirodnog gasa može izazvati:
upala plućnog sistema i smanjenje vitalne funkcije pluća;
povećan rizik od simptoma sličnih astmi, uključujući piskanje, kratak dah i napade astme. Ovo je posebno uobičajeno kod žena koje kuhaju na plinskim štednjacima, kao i kod djece;
smanjenje otpornosti na bakterijske bolesti pluća zbog smanjenja imunoloških mehanizama zaštite pluća;
pružanje štetnih efekata općenito na imunološki sistem ljudi i životinja;
utjecaj kao pomoćno sredstvo na razvoj alergijskih reakcija na druge komponente;
povećana osjetljivost i povećani alergijski odgovor na bočne alergene.
Proizvodi sagorijevanja prirodnog plina sadrže prilično visoku koncentraciju sumporovodika (H2S), koji zagađuje okoliš. Otrovan je u koncentracijama manjim od 50 ppm, au koncentracijama od 0,1-0,2% smrtonosan je i pri kratkom izlaganju. Budući da tijelo ima mehanizam za detoksikaciju ovog spoja, toksičnost sumporovodika je više povezana s koncentracijom izloženosti nego s dužinom izlaganja.
Iako sumporovodik ima jak miris, kontinuirano izlaganje niskim koncentracijama dovodi do gubitka čula mirisa. To čini mogući toksični efekat za ljude koji nesvjesno mogu biti izloženi opasnim razinama ovog plina. Njegove neznatne koncentracije u zraku stambenih prostorija dovode do iritacije očiju i nazofarinksa. Umjereni nivoi uzrokuju glavobolju, vrtoglavicu, kao i kašalj i otežano disanje. Visok nivo dovodi do šoka, konvulzija, kome, što završava smrću. Osobe koje su preživjele akutnu toksičnu izloženost sumporovodiku doživljavaju neurološke disfunkcije kao što su amnezija, tremor, neravnoteža, a ponekad i teža oštećenja mozga.
Akutna toksičnost relativno visokih koncentracija sumporovodika je dobro poznata, ali nažalost malo je informacija dostupno o kroničnom izlaganju niskim dozama ovoj komponenti.
Radon. Radon (222Rn) je takođe prisutan u prirodnom gasu i može se transportovati cevovodima do gasnih peći, koje postaju izvori zagađenja. Budući da se radon raspada u olovo (210Pb ima poluživot od 3,8 dana), to rezultira tankim slojem radioaktivnog olova (u prosjeku debljine 0,01 cm) koji prekriva unutrašnje površine cijevi i opreme. Formiranje sloja radioaktivnog olova povećava pozadinu radioaktivnosti za nekoliko hiljada dezintegracija u minuti (na površini od 100 cm2). Uklanjanje je vrlo teško i zahtijeva zamjenu cijevi.
Treba imati na umu da jednostavno isključivanje plinske opreme nije dovoljno da se uklone toksični efekti i donese olakšanje kemijski osjetljivim pacijentima. Plinska oprema moraju biti u potpunosti udaljeni iz prostorija, jer čak i neradni šporet na plin nastavlja da oslobađa aromatična jedinjenja koja je apsorbovala tokom godina upotrebe.
Kumulativni efekti prirodnog gasa, aromatičnih jedinjenja i produkata sagorevanja na ljudsko zdravlje nisu tačno poznati. Pretpostavlja se da se uticaj nekoliko jedinjenja može višestruko uvećati, dok odgovor na izloženost nekoliko zagađivača može biti veći od zbira pojedinačnih efekata.
Dakle, karakteristike prirodnog gasa koje su od značaja za zdravlje ljudi i životinja su: zapaljivost i eksplozivnost;
svojstva gušenja;
zagađenje produktima sagorevanja vazdušno okruženje prostorije;
prisustvo radioaktivnih elemenata (radon);
sadržaj visoko toksičnih spojeva u produktima izgaranja;
prisustvo toksičnih metala u tragovima;
sadržaj toksičnih aromatičnih jedinjenja koji se dodaju prirodnom gasu (posebno za osobe sa višestrukom hemijskom osetljivošću);
sposobnost komponenti gasa da senzibiliziraju.

Sagorevanje je reakcija u kojoj se hemijska energija goriva pretvara u toplotu.

Spaljivanje može biti potpuno ili nepotpuno. Do potpunog sagorevanja dolazi sa dovoljno kiseonika. Njegov nedostatak uzrokuje nepotpuno sagorijevanje, pri čemu se oslobađa manje topline nego pri potpunom sagorijevanju, a ugljični monoksid (CO), koji je toksičan za radno osoblje, stvara čađ koja se taloži na grijaćoj površini kotla i povećava gubitak topline, što dovodi do prekomjerne potrošnje goriva i smanjenja efikasnosti kotla, zagađenja atmosfere.

Za sagorevanje 1 m 3 metana potrebno je 10 m 3 vazduha, u kome ima 2 m 3 kiseonika. Za potpuno sagorijevanje prirodnog plina, zrak se dovodi u peć s malim viškom. Odnos stvarne zapremine utrošenog zraka V d i teoretski potrebnog V t naziva se koeficijent viška zraka = V d / V t. Ovaj pokazatelj ovisi o dizajnu plinskog plamenika i peći: što su savršeniji, to su manje. Potrebno je osigurati da koeficijent viška zraka ne bude manji od 1, jer to dovodi do nepotpunog sagorijevanja plina. Povećanje omjera viška zraka smanjuje efikasnost kotla.

Potpunost sagorevanja goriva može se odrediti pomoću gasnog analizatora i vizuelno - po boji i prirodi plamena:

prozirno plavkasto - potpuno izgaranje;

crvena ili žuta - nepotpuno sagorijevanje.

Sagorevanje se kontroliše povećanjem dovoda vazduha u peć kotla ili smanjenjem dovoda gasa. Ovaj proces koristi primarni (miješa se s plinom u gorioniku - prije sagorijevanja) i sekundarni (kombinuje se sa plinom ili mješavinom plina i zraka u kotlovskoj peći tokom sagorijevanja) zrak.

U kotlovima opremljenim difuzijskim gorionicima (bez prinudnog dovoda zraka), sekundarni zrak, pod djelovanjem vakuuma, ulazi u peć kroz vrata ventilatora.

Kod kotlova opremljenih injekcionim gorionicima: primarni vazduh ulazi u gorionik usled ubrizgavanja i reguliše se podloškom za podešavanje, a sekundarni vazduh ulazi u gorionik kroz vrata ventilatora.

U kotlovima sa mješajućim gorionicima primarni i sekundarni zrak se dovode u gorionik pomoću ventilatora i kontroliraju zračnim zaklopkama.

Kršenje odnosa između brzine mešavine gasa i vazduha na izlazu iz gorionika i brzine širenja plamena dovodi do odvajanja ili prekoračenja plamena na gorionicima.

Ako je brzina mješavine plina i zraka na izlazu iz gorionika veća od brzine širenja plamena - odvajanje, a ako je manja - klizanje.

U slučaju da se plamen prekine i bljesne, osoblje za rukovanje mora ugasiti kotao, ventilirati peć i plinske kanale i ponovo upaliti kotao.

Gasovita goriva se iz godine u godinu sve više koriste. razne industrije Nacionalna ekonomija. U poljoprivrednoj proizvodnji plinovito gorivo ima široku primjenu u tehnološke (za grijanje plastenika, plastenika, sušara, stočarskih i živinarskih kompleksa) i domaće svrhe. U posljednje vrijeme sve se više koristi za motore s unutrašnjim sagorijevanjem.

U poređenju sa drugim vrstama gasovitih goriva, ima sledeće prednosti:

gori u teorijskoj količini zraka, što daje visoku termička efikasnost i temperatura sagorevanja;

kada sagorijeva, ne stvara neželjene produkte suhe destilacije i sumpornih spojeva, čađi i dima;

relativno je lako snabdijevati se putem gasovoda do udaljenih objekata potrošnje i može se skladištiti centralno;

lako se zapali na bilo kojoj temperaturi okoline;

zahtijeva relativno niske troškove za ekstrakciju, što znači da je jeftinija vrsta goriva u odnosu na druge vrste goriva;

može se koristiti u komprimiranom ili ukapljenom obliku za motore s unutrašnjim sagorijevanjem;

ima visoka svojstva protiv detonacije;

ne stvara kondenzat tokom sagorevanja, što obezbeđuje značajno smanjenje habanja delova motora itd.

Istovremeno, plinovito gorivo ima i određena negativna svojstva, koja uključuju: toksično djelovanje, stvaranje eksplozivnih smjesa pri miješanju sa zrakom, lako strujanje kroz spojeve koji ne propuštaju, itd. Zbog toga je pri radu s plinovitim gorivom potrebno pažljivo poštivati potrebni su relevantni sigurnosni propisi.

Upotreba plinovitih goriva određena je njihovim sastavom i svojstvima ugljovodoničnog dijela. Najviše se koristi prirodni ili prateći gas iz naftnih ili gasnih polja, kao i fabrički gasovi rafinerija nafte i drugih postrojenja. Glavni sastojci ovih plinova su ugljikovodici s brojem atoma ugljika u molekuli od jedan do četiri (metan, etan, propan, butan i njihovi derivati).

Prirodni gasovi iz gasnih polja sastoje se skoro u potpunosti od metana (82...98%), uz malo korišćenja gasovitog goriva za motore sa unutrašnjim sagorevanjem. Vozni park koji stalno raste zahteva sve veću količinu goriva. Najvažniji nacionalni ekonomski problemi stabilnog snabdijevanja automobilskih motora efikasnim nosiocima energije i smanjenja potrošnje tečnih goriva naftnog porijekla moguće je riješiti korištenjem plinovitih goriva - tečne nafte i prirodnih plinova.

Za automobile se koriste samo visokokalorični ili srednjekalorični plinovi. Kada radi na niskokaloričnom plinu, motor se ne razvija potrebna snaga, a također smanjuje domet automobila, što je ekonomski neisplativo. Pa). Proizvode sljedeće vrste komprimiranih plinova: prirodni, mehanizirani koks i obogaćeni koks

Glavna zapaljiva komponenta ovih gasova je metan. Kao i za tečno gorivo, prisustvo sumporovodika u gasovitom gorivu je nepoželjno zbog njegovog korozivnog dejstva na gasnu opremu i delove motora. Oktanski broj plinova omogućava pojačanje motora automobila u smislu omjera kompresije (do 10 ... 12).

Prisustvo cijanida CN je veoma nepoželjno u automobilskom gasu. Spajajući se s vodom, stvara cijanovodičnu kiselinu, pod utjecajem koje se stvaraju sitne pukotine na zidovima cilindara. Prisustvo katranskih supstanci i mehaničkih nečistoća u plinu dovodi do stvaranja naslaga i zagađenja na uređajima plinske opreme i dijelovima motora.