6.1. Процесс горения

С первобытных времен и до нашего времени энергия топлива обеспечивает существование человечества. За это время способы добывания и использования огня необычайно усовершенствовались, а круг применяемых видов топлива расширился. Одновременно углублялось понимание природы горения как физико-химического процесса. В новейшие времена было по-новому оценено экологическое влияние промышленного сжигания топлива на природный круговорот углерода, который происходит в биосфере между атмосферой, океаном и живыми организмами. Существует мнение, что история человечества начинается с момента получения огня человеком. Именно огонь, а точнее энергия, заключенная в топливе, сделала человека таким могущественным, обогревает и освещает дома, движет машины.

Человек применил огонь раньше, чем научился его преднамеренно добывать. Первоначально источниками огня были только пожары, возникающие от самовоспламенения прелых листьев, грозовых разрядов и вулканической лавы. От них получали, бережно хранили, поддерживали и переносили с места на место «дежурный» огонь, который считался божественным существом, питающимся сухими листьями и травой.

Затем человек научился сам зажигать огонь. Искусственное получение огня трением деревянных предметов доказано историческими описаниями жизни первобытных народов и кое-где сохранялось до новой эры. Чаще всего использовали круглую палочку, которую быстро вращали в углублении деревянной доски. Выделяющееся при трении тепло воспламеняло деревянные опилки в желобке, соединяющем точку вращения и чашу с деревянной стружкой или сухими измельченными листьями (подробно об этом рассказано в разделе 2 первой части книги). Такая технология требовала хорошей сноровки и терпения, пока огниво из серного колчедана и кремень (кресало) не облегчили этот труд. Позднее серный колчедан заменили сталью, а в качестве легковоспламеняющегося материала начали применять трут – губчатую массу из высушенного гриба-трутовика. Такое устройство было основным средством зажигания огня вплоть до изобретения в XIX веке фосфорных спичек. Появление современных зажигалок явилось просто возвратом к старой идее кресала, но на новом технологическом уровне.

Средства воспламенения совершенствовались одновременно с углублением знаний о физико-химической природе огня и топлива.

Веществ, выделяющих при сжигании тепло, существует очень много, однако не все они могут быть названы топливом. Для этого вещество должно удовлетворять ряду требований, среди которых достаточность и доступность в природе запасов этого вещества или сырья для его получения; возможность сжигания с достаточно высокой степенью использования полученного тепла (КПД); безвредность продуктов сгорания для обслуживающего персонала, окружающего животного и растительного мира. Этим требованиям удовлетворяют различные углеродистые вещества от почти чистого углерода до его соединений с водородом, кислородом, азотом и серой.

В словаре Владимира Даля понятие «топливо» определено как «всякий припас для топки печей, для сугрева: дрова, уголь, камыш, солома, коренник (торф), кирпич (кизяк)». Технический прогресс существенно дополнил этот перечень веществами, как широко известными теперь (газ, нефть, бензин), так и экзотическими (метанол, водород, синтез-газ). В настоящее время топливом называют все материалы, служащие источником энергии, в том числе ядерное топливо, ракетное и др. В более узком понимании топливо – это горючие вещества, выделяющие при сжигании значительное количество теплоты, которая используется непосредственно в технологических процессах или преобразуется в другие виды энергии.

Ломоносов показал роль воздуха в горении опытами по нагреванию металлов в запаянных ретортах. Тем самым он подтвердил сформулированный им ранее (в 1748 году) закон сохранения вещества, который стал основой современной химии.

Таблица 6.1. Теплотворная способность различных видов топлива

* Теплотворная способность природного газа – МДж/м 3

В начале XVIII века была предпринята попытка объяснить явление горения на основе гипотезы флогистона. Согласно этой гипотезе все вещества, способные гореть или изменяться от действия огня, содержат особое

«вещество огня» – флогистон. Впервые правильно истолковал горение как соединение горящего вещества с «тяжелыми частицами воздуха» М.В. Ломоносов.

В основе получения энергии из топлива горением всегда лежит химическая реакция окисления. Примером может служить горение метана:

СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О + Энергия.

Горение – это химическая реакция окисления, при которой наблюдаются хотя бы два из трех следующих признаков: разогревание горящего тела, свечение и пламя. Чаще всего мы наблюдаем все три признака. Реже встречается горение без пламени. Так, например, горят порошки металлов. И совсем редко бывает так называемое холодное горение – без нагревания. Такое пламя у разреженных паров фосфора.

Теплота сгорания, кДж/кг

Рис. 6.1. Теплотворность различных видов твердого топлива

Таблица 6.2. Температура воспламенения твердых видов топлива и газа

Эффективность топлива зависит от количества энергии, которое можно получить от единицы его веса. Эта характеристика называется теплотворной способностью и измеряется в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Теплотворная способность различных видов топлива показана в табл. 6.1 и на диаграмме (рис. 6.1).

Для сравнения запасов, расхода и учета различных видов топлива часто используют понятие «условное топливо». В качестве единицы условного топлива принимается 1 кг топлива, имеющего теплоту сгорания 29,3 МДж.

Если теплотворная способность достаточно велика и реакция окисления идет быстро, образуется пламя, огонь, который представляет собой раскаленную смесь углекислого газа, азота, водяного пара и несгоревшего топлива. Яркость пламени зависит от свойств горючего вещества. Накаленные газы светят относительно слабо и поэтому образуют бледное пламя. Источником излучения в этом случае является химическая энергия (хемилюминесценция). Сильно светящееся пламя наблюдается, если в зоне горения присутствуют твердые частички, например уголь. Природа излучения при этом чисто термическая – излучение накаленных частиц. В ряде случаев пламя подсвечивают искусственно, вводя в него избыточное топливо. Это позволяет существенно увеличить теплоотдачу от факела к кладке печи или к нагреваемому материалу.

Способность топлива к воспламенению определяюттемпературой воспламенения (табл. 6.2).

Температура воспламенения газов зависит от условий воспламенения: в струе воздуха, в замкнутом сосуде и пр. Жидкое топливо, кроме температуры воспламенения, характеризуется условной величиной – темпера3 турой вспышки, при которой пары топлива, нагреваемого в специальном приборе, образуют с окружающим воздухом смесь, воспламеняющуюся от искры. Температура вспышки, например керосина, – около 30–40°С, а авиабензина – около 40°С.

Если горение организовано плохо (воздуха недостаточно или он плохо перемешан с топливом), в пламени появляются продукты неполного горения – водород, окись углерода и сажа. Если воздух для горения поступает в факел непосредственно из окружающей среды, за счет естественной диффузии, то такое пламя называется диффузионным. Его можно наблюдать в простейшем лабораторном приборе – горелке Бунзена.

Бунзен Р.В. (1811–1899) – немецкий химик, иностранный член Петербургской академии наук, всю жизнь занимался экспериментальными исследованиями в области неорганической, аналитической и физической химии. Впервые получил электрохимическим способом ряд металлов, разработал точные методы газового анализа, положил начало спектральному анализу. Бунзен изобрел многие лабораторные принадлежности, в том числе лабораторную газовую горелку, которая носит его имя.

В факеле различают конусообразное ядро 1, образующееся при истечении газа из горелки (сопла) 2 ; зону 3, заполненную смесью газа и продуктов сгорания; зону 4, заполненную смесью продуктов сгорания и воздуха (рис. 6.2, а). Граница 5 между зонами 3 и 4 представляет собой фронт горения, к которому снаружи диффундирует окислитель, а изнутри поступает горючий газ.

Образующиеся при горении продукты частично диффундируют навстречу газу, обеспечивая его прогрев, частично смешиваются с воздухом и затем покидают факел.

При переходе от ламинарного истечения газа к турбулентному (рис. 6.2, б) границы между указанными зонами теряют четкость и становятся волнистыми, размытыми и даже разорванными на отдельные части. При турбулентном истечении газа зона горения 3, кроме смеси исходного газа и продуктов сгорания, содержит включения кислорода. В зоне 4, наряду с преобладающим содержанием воздуха, обнаруживаются продукты сгорания и исходный газ. Фронт горения представляет собой не конусообразную поверхность, а зону 5, где горение происходит наиболее интенсивно и наблюдается наиболее высокое содержание продуктов сгорания. В зоне 5 успевают прореагировать только 65–85% горючего, остальные 15–35% реагируют в зоне догорания 4.

Чтобы топливо давало высокую температуру и сгорало без остатка, его нужно частично или полностью перемешать с кислородом воздуха предварительно, до начала горения. Такая топливовоздушная смесь горит быстрее и тепловая напряженность факела в данном случае больше. Скорость горения при этом может оказаться настолько высокой, что пламя будет способно проскочить внутрь смесителя и вывести его из строя. При хорошо организованном горении в камере сгорания можно получить теплонапряженность объема свыше 100 млн. кДж/ м 3 в час.

Рис. 6.2. Схема свободного диффузионного факела

Предварительный подогрев воздуха и топлива, обогащение воздуха кислородом также улучшают процесс горения и увеличивают температуру пламени.

Главным недостатком применения человечеством различных видов топлива является то, что они представляют собой невозобновляемые природные запасы. Кроме того, их широкомасштабное использование вовлекает в установившийся баланс биосферы все возрастающее количество диоксида углерода (двуокиси углерода или углекислого газа) СО 2 – компонента природного круговорота углерода на Земле.