6.1. Процес горіння

З первісних часів і до нашого часу енергія палива забезпечує існування людства. За цей час способи добування і використання вогню надзвичайно удосконалились, а коло використовуваних палив розширилось. Одночасно поглиблювалося розуміння природи горіння як фізико-хімічного процесу. У новітні часи був по/новому оцінений екологічний вплив промислового спалювання палива на природний кругообіг вуглецю, що відбувається в біосфері між атмосферою, океаном і живими організмами.  Існує думка, що історія людства починається з моменту видобування вогню. Саме вогонь, а точніше енергія, яка міститься в паливі, зробила людину такою могутньою; обігріває та освітлює будинки, рухає машини.

Людина застосувала вогонь раніше, ніж навчилась його спеціально добувати. Спочатку джерелами вогню були лише пожежі, що виникали від самозапалювання прілого листя, грозових розрядів і вулканічної лави. Від них одержували, дбайливо зберігали, підтримували і переносили з місця на місце «черговий» вогонь, що вважався божественною істотою, яка харчується сухим листям і травою.

Згодом людина навчилася сама запалювати вогонь. Штучне отримання вогню методом тертя дерев'яних предметів доведено в історичних описах життя первісних народів і подекуди зберігалося до нової ери. Найчастіше використовували круглу паличку, яку швидко обертали у заглибленні дерев'яної дошки. Тепло, що виділялося під час тертя, запалювало дерев'яну тирсу в жолобку, що з'єднував точку обертання і чашу з дерев'яною стружкою або сухим подрібненим листям (докладно про це розповідається у розділі 2 першої частини книги). Така технологія вимагала вправності й терпіння, аж поки кресало із сірчаного колчедану і кремінь не полегшили цю працю. Пізніше сірчаний колчедан замінили на сталь, а як легкозаймистий матеріал почали застосовували трут – губчату масу з висушеного гриба-трутовика. Такий пристрій був основним засобом запалювання вогню аж до винаходу в ХІХ столітті фосфорних сірників. Поява сучасних запальничок виявилася просто поверненням до старої ідеї кресала, але на новому технологічному рівні.

Засоби запалювання удосконалювались одночасно з поглибленням знань про фізико-хімічну природу вогню і палива.

Речовин, які виділяють при спалюванні тепло, є дуже багато, однак не всі вони можуть називатися паливом. Для цього речовина має задовольняти низку вимог, серед яких достатність і доступність у природі запасів цієї речовини або сировини для її одержання; можливість спалювання з досить високим ступенем використання отриманого тепла (ККД); нешкідливість продуктів згоряння для обслуговуючого персоналу, а також для навколишнього тваринного і рослинного світу. Цим вимогам відповідають різні вуглецеві речовини від майже чистого вуглецю до його сполук з воднем, киснем, азотом і сіркою.

У словнику Володимира Даля поняття «паливо» визначено як «всякий припас для топки печей, для сугрева; дрова, уголь, камыш, солома, коренник (торф), кирпич (кизяк)». Технічний прогрес істотно доповнив цей перелік як речовинами, які широко відомі тепер (газ, нафта, бензин), так і екзотичними (метанол, водень, синтез-газ). У даний час паливом називають усі матеріали, що служать джерелом енергії, у тому числі ядерне паливо, ракетне й ін. У більш вузькому розумінні паливо – це горючі речовини, що виділяють при спалюванні значну кількість теплоти, яка використовується безпосередньо в технологічних процесах або перетворюється в інші види енергії.

Ломоносов показав роль повітря в горінні дослідами з нагрівання металів у запаяних ретортах. Тим самим він підтвердив сформульований ним раніше (у 1748 році) закон збереження речовини, який став основою сучасної хімії.

Таблиця 6.1. Теплотворна здатність різних видів палива

* Теплотворна здатність природного газу – МДж/м3

На початку XVIII століття було зроблено спробу пояснити явище горіння на основі гіпотези флогістону. Відповідно до цієї гіпотези всі речовини, здатні горіти або змінюватися від дії вогню, містять особливу «речовину вогню» – флогістон. Уперше правильно витлумачив процес горіння як з'єднання палаючої речовини з «важкими частинками повітря» М.В. Ломоносов.

В основі одержання енергії з палива шляхом горіння завжди лежить хімічна реакція окислювання. Прикладом може служити горіння метану:

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О + Енергія.

Горіння – це хімічна реакція окислювання, за якої спостерігаються хоча б дві з трьох наступних ознак: розігрівання палаючого тіла, світіння і полум'я. Найчастіше ми спостерігаємо всі три ознаки. Рідше зустрічається горіння без полум'я. Так, наприклад, горять порошки металів. І зовсім рідко буває так зване холодне горіння – без нагрівання. Таке полум'я у розрідженої пари фосфору.

Теплота згоряння, кДж/кг

Мал. 6.1. Теплота згоряння різних видів твердого палива

Таблиця 6.2. Температура займання твердих видів палива і газу

Ефективність палива залежить від кількості енергії, яку можна одержати з одиниці його ваги. Ця характеристика називається теплотворною здатністю і вимірюється у джоулях на кілограм (Дж/кг).

Теплоту згоряння різних видів палива показано в табл 6.1 та на діаграмі (мал. 6.1).

Для порівняння запасів, витрати й обліку різних палив часто використовують поняття «умовне паливо». За одиницю умовного палива приймається 1 кг палива, що має теплоту згоряння 29,3 МДж.

Якщо теплота згоряння досить велика і реакція окислювання йде досить швидко, то утворюється полум'я, вогонь, який являє собою розпечену суміш вуглекислого газу, азоту, водяної пари і незгорілого палива. Яскравість полум'я залежить від властивостей горючої речовини. Розжарені гази світять відносно слабко і тому утворюють бліде полум'я. Джерелом випромінювання в цьому випадку є хімічна енергія (хемілюмінесценція). Полум'я, яке сильно світиться, спостерігається, якщо в зоні горіння присутні тверді частинки, наприклад вугілля. Природа випромінювання в цьому випадку суто термічна – випромінювання розжарених частинок. У ряді випадків полум'я підсвічують штучно, вводячи в нього надлишкове паливо. Це дозволяє істотно збільшити тепловіддачу від факелу до кладки печі або до матеріалу, що нагрівається.

Здатність палива до займання визначають температурою займання (таблиця 6.2). Температура займання газів залежить від умов займання: у струмені повітря, у замкнутій посудині й ін. Рідкі палива, крім температури займання, характеризуються умовною величиною – температурою спалаху, за якої пари палива, що нагрівається в спеціальному приладі, утворюють з навколишнім повітрям суміш, яка займається від іскри. Температура спалаху, наприклад гасу, близько 30–40°С, а авіабензину – біля 40°С.

Якщо горіння організоване погано (повітря недостатньо або воно погано перемішане з паливом), в полум'ї з'являються продукти неповного горіння – водень, окис вуглецю і сажа. Якщо повітря для горіння надходить у факел безпосередньо з навколишнього середовища, за рахунок природної дифузії, то таке полум'я називається дифузійним. Його можна спостерігати в найпростішому лабораторному приладі – пальнику Бунзена.

У факелі можна розрізнити конусоподібне ядро 1, яке утворюється при витіканні газу з пальника (сопла) 2; зону 3, заповнену сумішшю газу і продуктів згоряння, зону 4, заповнену сумішшю продуктів згоряння і повітря (мал. 6.2, а). Границя 5 між зонами 3 і 4 являє собою фронт горіння, до якого ззовні дифундує окислювач, а зсередини надходить горючий газ.

Бунзен Роберт-Вільгельм (1811–1899) – німецький хімік, іноземний член Петербурзької академії наук, усе життя займався експериментальними дослідженнями в області неорганічної, аналітичної і фізичної хімії. Вперше одержав електрохімічним способом ряд металів, розробив точні методи газового аналізу, поклав початок спектральному аналізові. Бунзен винайшов багато лабораторних пристосувань, у тому числі лабораторний газовий пальник, що має його ім'я.

Продукти, що утворюються при горінні газу, частково дифундують назустріч газу, забезпечуючи його прогрівання, частково змішуються з повітрям і потім залишають факел.

При переході від ламінарного витікання газу до турбулентного (мал. 6.2, б) границі між зазначеними зонами втрачають чіткість і стають хвилястими, розмитими і навіть розірваними на окремі частини. При турбулентному витіканні газу зона горіння 3, крім суміші вихідного газу і продуктів згоряння, містить включення кисню. У зоні 4, поряд з переважним змістом повітря, виявляються продукти згоряння і вихідний газ. Фронт горіння являє собою не конусоподібну поверхню, а зону 5, де горіння відбувається найбільш інтенсивно і спостерігається найбільш високий вміст продуктів згоряння. У зоні 5 встигають прореагувати тільки 65–85% пального; інші 15–35% реагують у зоні догоряння 4.

Щоб паливо давало високу температуру і згоряло без залишку, його потрібно частково або цілком перемішати з киснем повітря попередньо, до початку горіння. Така паливоповітряна суміш горить швидше і теплова напруженість факелу в цьому випадку більша. Швидкість горіння при цьому може виявитися настільки високою, що полум'я може проскочити усередину змішувача і вивести його з ладу. При добре організованому горінні в камері згоряння можна одержати теплонапругу об'єму понад 100 млн. кДж/м3 на годину.

Мал. 6.2. Схема вільного дифузійного факелу

Попередній підігрів повітря і палива і збагачення повітря киснем також поліпшують процес горіння і збільшують температуру полум'я.

Головним недоліком використання людством різних видів палива є те, що вони являють собою непоновлювані природні запаси. Крім того, їх широкомасштабне використання втягує у сталий баланс біосфери все зростаючу кількість діоксиду вуглецю (двооксиду вуглецю, або вуглекислого газу) СО2 – компоненту природного кругообігу вуглецю на Землі.