ГОРЕНИЕ ТОПЛИВА. ПРОЦЕСС ГОРЕНИЯ
Горением называется быстрое окисление кислородом воздуха горючих составных частей топлива, сопровождающееся выделением определенного количества тепла. Так как процесс горения протекает с очень большой скоростью, то температура горящего тела и продуктов горения сильно повышается. Под влиянием высокой температуры сложные органические соединения разлагаются на ряд более простых молекул — водород, метан, этилен и др., которые, соединяясь с кислородом воздуха, в конечном результате образуют углекислоту С02 и водяные пары Н20.
Рассмотрим процессы горения всех горючих составных частей топлива. За единицу измерения примем 1 кг и килограмм-молекулу (моль). Килограмм-молекула (моль) — это количество вещества, вес которого в кг выражается тем же числом, что и молекулярный вес. Например, молекулярный вес кислорода 02 равен 32, следовательно, 1 моль кислорода весит 32 кг.
Для облегчения расчетов ниже приводятся характеристики газов (табл. 9). Значения удельного веса газов и объема моля даны к нормальным условиям, т. е. для давления 760 мм рт. ст. и температуры 0°.
Таблица 9
|
Характеристика технических газов
|
Горение углерода. При полном сгорании углерод, соединяясь с кислородом, образует углекислоту С02, а при незаконченном — окись углерода СО. Наличие в газах окиси углерода СО показывает, что процесс горения не закончен, так как из окиси углерода в результате дальнейшего окисления получается углекислота С02.
При сгорании углерода в чистом кислороде реакция окисления идет следующим образом:
С + 02 = С02.
Для 1 моля углерода уравнение примет вид
1 моль С — f — 1 моль 02 = 1 моль С02. (15)
Зная молекулярные веса веществ, участвующих в реакции, можно написать их весовые соотношения:
12 кг С + 32 кг 02= 44 кг С02.
В обычных условиях горение происходит не в чистом кислороде а в воздухе, который представляет смесь, состоящую по объему приблизительно из 21°/0 кислорода 02 и 79% азота N2. Следовательно, на одну единицу объема кислорода в воздухе приходится 79:21 = 3,76 объема азота, т. е. на 1 моль 02 3,76 моля N2.
Баланс продуктов горения углерода в воздухе напишется так:
1 моль С + 1 моль 02*+3,76 моля N2 =
= 1 моль С02 + 3,76 моля N2. (16)
В физической химии принято к правой части уравнения горения приписывать тепловой эффект реакции в ккал на 1 моль окисляющегося элемента. В данном случае тепловой эффект от горения 1 моля углерода выразится в + 96 600 ккалімоль С. Знак плюс показывает, что при реакции произошло выделение тепла. Формула реакции напишется так (слово „моль* в этих формулах не пишется):
С + 02 + 3,76N2 = С02 + 3,76N2 + 96 600 ккалімоль С. (17)
Подставив в формулу (17) значения весов молей всех веществ, получим
12 кг С + 32 кг 02 + 105,4 кг N2 = 44 кг С02 + Ю5,4 кг N2 +
-(-96 600 ккалімоль С. (18)
Для 1 кг углерода формула (18) примет вид
1 кг С + 2,67 кг 02 + 8,8 кг N2 = 3,67 кг С02 + 8,8 кг N2 +
+ 8050 ккал/кг С. (19)
Наконец, заменяя веса газов соответствующими объемами при нормальных условиях, будем иметь
1 кг С + 1,866 нм3 02 + 7,0 нм3 N2 =
= 1,86 нм3 СОа + 7,0 нм3 N2 + 8050 ккал/кг С.
Уравнение (20) показывает, что объем продуктов горения твердого углерода почти равен объему воздуха до горения.
Аналогично формулам баланса продуктов горения углерода можно наиясать формулы и для других горючих элементов топлива.
При неполном сгорании углерода С в окись углерода СО можно написать по аналогии следующие выражения (учитывая, что тепловой эффект равен+ 28 400 ккалімоль С):
2С + 02 = 2СО;
2С + 02 + 3,76N2 = 2СО + 3,76N2 + 2-28 400 ккал/2 моля С; (21)
1 кг С + 1,33 кг 02 + 4,4 кг N2 = 2,33 кг СО + 4,4. кг N2 +
+ 2370 ккалікг С (22)
и окончательно
1 кг С + 0,933 нм3 02 + 3,5 нмь N2 =
= 1,866 нмь СО+ 3,5 нм3 N2 + 2370 ккал/кг С. (23)
Формула (23) показывает, что при неполном сгорании углерода объем продуктов сгорания на величину объема кислорода больше, чем объем воздуха до сгорания.
При сгорании окиси углерода СО будем иметь соответственно
|
2СО + 0, |
г — 2СОа; |
||
|
2СО + 02 + 3,76N2 |
= 2С02 + 3,76N2 + |
||
|
+ 2-68 200 ккал/2 моля СО; |
(24) |
||
|
I |
кг СО + 0,57 кг |
02 + 1,88 кг N2 = |
|
|
= 1,57 |
кг С02 + 1,88 кг N2 + 2430 ккал/кг СО; |
(25) |
|
|
1 нм3 СО + 0,5 нм% |
02 + 1,88 нл3 N2 = |
||
|
— 1 нм3 |
С02 + 1,88 нм3 |
N2 + 3050 ккал)нмь СО. |
(26) |
Уравнение (26) показывает, что при горении окиси углерода происходит уменьшение объема продуктов сгорания по сравнению с объемом газов, вступающих в реакцию горения. Объем продуктов сгорания уменьшился на величину объема кислорода, нужного для реакции.
Как видно из предыдущего, процесс горения углерода может протекать двумя путями: 1) углерод сгорает полностью; 2) сгорание углерода происходит не сразу, сначала углерод при неполном горении образует окись углерода, а потом при продолжении процесса горения получается углекислота.
Законы термохимии показывают, что количество выделяемого тепла при реакции горения не зависит от пути, по которому проходила реакция, а зависит только от начального и конечного состояния тел, участвующих в процессе.
Переходим к рассмотрению процесса горения остальных горючих элементов топлива.
Горение водорода происходит согласно уравнению
2Нг + 02 ~ 2НгО.
Количество выделившегося при горении водорода тепла зависит от состояния продуктов сгорания — водяных паров. 1 моль водорода выделяет 68 380 ккал тепла в том случае, если продукты сгорания сконденсировать и охладить до 0°. Если пар не конденсируется, то количество выделившегося тепла будет меньше на величину теплосодержания водяного пара.
Так как условно считают, что водяной пар при отсутствии конденсации охлаждается до 0°, то величину теплосодержания сухого насыщенного пара необходимо брать также при 0°. Теплосодержание пара при этом условии равно 595 ккал}кг.
При горении 1 моля Н2, т. е. 2,016 кг Н2, образуется 1 моль, т. е. 18,016 кг водяного пара Н20 и при отсутствии конденсации его выделяется тепла
QHs = 68 380 — 595* 18,016 = 57 700 ккал/моль Н2.
Можно сказать, что тепловыделение при горении 1 моля водорода 68 380 ккалімоль соответствует высшей его теплотворной способности, а 57 700 ккалімоль — низшей.
В дальнейшем при записи формул горения водорода тепловой эффект реакции будем записывать дробью, указывая в числителе высшую теплотворную способность, а в знаменателе — низшую.
Итак, для реакции горения водорода можно записать следующие соотношения:
2Н2 + 02 + 3,?6N2 = 2НаО + 3,76N2 +Я^8380_ KKaAfM0M н>. (27) 1 кг. Н2 + 7,95 кг + 26,2 кг N2 = 8,95 кг Н20 +
ОО QOA
+ 26,2 кг N2 + 2g~55o’ ккал]кг Н2; (28)
1 кг Н2 + 5,57 нмь 02 + 20,95 нм3 N2 = 11,12 ш<3Н20 +
+ 20,95 нм% N2+ ккал/кг Н2; (29)
1 нмь Н2 + 0,5 нм3 02 + 1,88 нм3 N2 =
= 1 am3 Н20 + 1,88 нм? N2 + ккалінм3 Н2. (30)
При сгорании газообразного водорода объем продуктов сгорания получается на величину объема кислорода, вступающего в реакцию, меньшим, чем до реакции.
Горение серы, в результате которого получается сернистый газ (сернистый ангидрид), характеризуется следующими соотношениями (тепловыделение ромбической серы Qs = 69 390 моль S):
S + 02 = S02;
S + 02 + 3,76Na = S02 — f — 3,76Na + 69 390 ккал/моль S; (31) 1 кг S + 0,998 кг Оа -f 3,28 кг Na = 1,998 кг SOa — f
-(-3,28 кг N2 + 2160 ккал/кг S; (32)
1 кг S + 0,698 нм3 02 + 2,62 нмь Na = 0,683 нмь SOa — f
+ 2,62 нм3 Na + 2160 ккал/кг S. (33)
Формула (32) показывает, что при сгорании твердой серы объем газов в процессе реакции горения почти не меняется.
В реальном процессе горения топлива в продуктах горения серы может образоваться некоторое количество серной кислоты H2S04.
Горение находящейся в составе топлива колчеданной серы проходит иначе, чем горение чистой серы.
Ввиду незначительного содержания серы в топливе все расчеты, касающиеся ее горения, можно производить по формулам (31) — (33).
Используя приведенные формулы реакций горения углерода, водорода и серы, можно написать аналогичные формулы для реакций горения более сложных веществ, например, ацетилена СаН2, метана СН4 и других углеводородов.
Процесс горения называют полным в том случае, когда горючие элементы: углерод С, водород Н, летучая сера S"[4], полностью сгорая, образуют углекислоту СОа, водяной пар Н20 и сернистый газ S02, при этом в золе и шлаках горючие вещества совершенно отсутствуют.
Признаками неполного горения топлива будут: 1) наличие в продуктах сгорания окиси углерода СО и несгоревших водорода Н2, углерода С и углеводородов и 2) присутствие в золе горючих веществ.
В процессе горения наблюдается светящееся и несветящееся пламя. Светящееся пламя получается благодаря частичному разложению углеводородов и выделению углерода. Выделившиеся твердые частицы, будучи нагреты до температуры пламени, начинают сильно светить и превращают бесцветное пламя в ярко светящееся. Если же сгорание углеводородов происходит непосредственно (без разложения), пламя будет несветящимся.