Горение — одно из основных процессов в обеспечении энергией, необходимой для повседневной жизни и различных отраслей промышленности. Понимание его фундаментальных принципов не только необходимо, но и жизненно важно для оптимизации и управления процессами горения. Химия, как основа этого процесса, лежит в основе концепций горения. Поэтому рассмотрение и выделение основных концепций химии, обсуждаемых ниже, будет играть ключевую роль в изучении процесса горения.
Процесс горения
Горение представляет собой окисление компонентов топливной композиции, способных окисляться и поддающихся выражению химическим уравнением. В горение масса каждого элемента будет оставаться постоянной, поэтому необходимо, чтобы закон сохранения массы соблюдался во всех реакциях. В соответствии с уравнением 1, простейшим типом реакции является реакция между углеродом и кислородом.
Уравнение 1
C + O2 → CO2
Уравнение 1 обозначает, что 12 кг (эквивалентно одному киломолю) углерода реагируют с 32 кг (эквивалентно одному киломолю) кислорода, образуя 44 кг (эквивалентно одному киломолю) углекислого газа. Компоненты, участвующие в реакции горения, называются реагентами, а материалы, получаемые в результате процесса горения, называются продуктами. Общая форма реакции горения выражается уравнением 2.
Уравнение 2
Топливо + Окислитель → Водяной пар + Углекислый газ + Оксид азота + Энергия
В реакциях горения основными продуктами реакции являются водяной пар и углекислый газ. В зависимости от температуры и давления продуктов сгорания вода может находиться в жидком или парообразном состоянии. В большинстве случаев вместо использования чистого кислорода в качестве окислителя используется определенное количество воздуха. В состав воздуха в молярном отношении входят 21% кислорода, 78% азота, 1% аргона и другие газы. Расчеты горения обычно не учитывают аргон и другие газы и предполагают, что воздух состоит из 21% кислорода и 79% азота в молярном отношении. При таком предположении на каждый моль кислорода в воздухе приходится 3,76 моль азота.
В статье под названием «Чистое сжигание топлива: Новый подход для сокращения загрязнения и устойчивого развития» описано всестороннее и полное объяснение чистого топлива. Для получения более подробной информации рекомендуем прочитать данную статью.
Теоретический и избыточный воздух
Минимальное количество воздуха, необходимое для полного горения топлива, называется теоретическим воздухом. Во время реакции с теоретическим количеством воздуха на стороне продукта не будет кислорода, и реакцию можно рассматривать в соответствии с уравнением 3.
Уравнение 3
.
Стехиометрические коэффициенты в уравнении 3 можно получить, используя принципы равновесия. Эти коэффициенты приведены в таблице 1.
![\[ \Large % تغییر سایز به بزرگتر \renewcommand{\arraystretch}{2} % افزایش فاصلهی عمودی برای وسطچین شدن متن \begin{array}{|c|c|} \hline \multicolumn{1}{|c|}{x + \frac{y}{4}} & \multicolumn{1}{c|}{v_{O_2}} \\ % وسطچین \hline \multicolumn{1}{|c|}{x} & \multicolumn{1}{c|}{v_{CO_2}} \\ % وسطچین \hline \multicolumn{1}{|c|}{\frac{y}{2}} & \multicolumn{1}{c|}{v_{H_2O}} \\ % وسطچین \hline \multicolumn{1}{|c|}{3.76\left(x + \frac{y}{4}\right)} & \multicolumn{1}{c|}{v_{N_2}} \\ % وسطچین \hline \end{array} \]](https://raadmanburner.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-264d5417fde2ab626eb820683851cbba_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Таблица1-Стехиометрические коэффициенты реакции горения
Следовательно, для полного горения одного моля углеводородного топлива с химической формулой, указанной в уравнении 3, требуется (x+y/4) 4,76 моль воздуха. Это количество воздуха эквивалентно 100% теоретического воздуха. Однако на практике, полное горение происходит, когда количество подаваемого воздуха несколько превышает теоретическое. Поэтому для определения количества дополнительного воздуха, необходимого для горения, определяются два параметра AF и λ. Параметр AF представляет собой соотношение воздуха и топлива и определяется согласно уравнению 4 и уравнению 5 на массовой и молярной основе соответственно.
Уравнение 4
![\[ AF_{mass} = \frac{m_{air}}{m_{fuel}} \]](https://raadmanburner.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-02b9280f62162f5e9d74c875fdac945e_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Уравнение 5
![\[ AF_{mole} = \frac{n_{air}}{n_{fuel}} \]](https://raadmanburner.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-776421eb0ff00ab9773bbfa8ed9423c4_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Коэффициент эквивалентности ϕ определяется как теоретическое соотношение воздуха и топлива, деленное на фактическое соотношение воздуха и топлива в соответствии с уравнением 6.
Уравнение 6
![\[ \phi = \frac{AF_s}{AF_a} \]](https://raadmanburner.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-1fa614365a75044112625201947c5f9e_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Если ϕ <1, то смесь называется бедной по топливу и горение имеет избыток воздуха, а если ϕ>1, то смесь называется богатой по топливу. Фактическое количество используемого воздуха можно выразить через процент избыточного воздуха λ, как приведено в уравнении 7.
Уравнение 7
Нижний индекс s относится к значению параметра в стехиометрическом состоянии. Использование 20% избытка воздуха (%λ=20) является обычным явлением при промышленном горении.
Загрязняющие вещества, образующиеся при горении
Как объясняли, в промышленном сфере, полное горение происходит, когда количество подаваемого воздуха несколько превышает теоретическое количество воздуха. При неполном горении, образуются побочные продукты — загрязняющие вещества. Наиболее важными загрязняющими веществами, образующимися при горении, являются оксид углерода и NOx. Регулируя количество избыточного воздуха, можно контролировать выбросы загрязняющих веществ, образующихся при горении. На нижеследующем рисунке приведено скорость образования загрязняющих веществ оксида углерода и NOx в зависимости от соотношения воздуха и топлива в горение.
Скорость образования NOx максимальна вблизи стехиометрического соотношения воздух-топливо, и по мере уменьшения соотношения воздух-топливо снижается образование загрязняющих веществ NOx. В этом случае увеличиваются выбросы оксида углерода. При увеличении избытка воздуха по отношению к стехиометрическому одновременно снизится эмиссия загрязняющих веществ оксида углерода и NOx, однако при чрезмерном увеличении этого соотношения, с одной стороны, понизится температура пламени, а с другой стороны, возрастут потери в дымоходе. Вместе эти два фактора снижают эффективность горения. Поэтому горение всегда необходимо учитывать оптимальное количество избыточного воздуха.
Загрязнение азотом
Выбросы оксидов азота в атмосферу способствует возникновению смога, кислотных дождей, глобальному потеплению и разрушению озонового слоя. Основным источником оксидов азота является горение ископаемого топлива в печах и двигателях внутреннего горения. Наиболее важными соединениями оксидов азота являются оксид азота (NO), диоксид азота (NO2) и закись азота (N2O).
Тремя основными механизмами образования оксидов азота в реакциях горения являются термический механизм NOx, мгновенный механизм NOx и топливный механизм NOx.
Термические NOx образуются в основном при высоких температурах и в присутствии больших количеств азота и кислорода. В этих условиях молекулы азота под воздействием высокой температуры распадаются на свои компоненты и соединяются с кислородом. Этот тип NOx наиболее распространен в большинстве процессов горения, особенно в промышленном оборудовании, таком как котлы, газовые турбины и двигатели внутреннего горения.
Мгновенное образование NOx обусловлено реакцией свободных радикалов, образующихся в процессе горения. Эти реакции обычно происходят на ранних стадиях горения и приводят к образованию нестабильных соединений азота, которые быстро превращаются в оксиды азота.
Топливные NOx образуются, когда соединения азота в химической структуре топлива разрушаются в процессе горения, а высвобождающиеся атомы азота вступают в реакцию с кислородом. Этот тип NOx образуется в значительных количествах, особенно в жидком и твердом топливе, таком как мазут и уголь. Его количество зависит от химического состава топлива, условий горения и температуры пламени.
Загрязнение оксидом углерода (CO)
Окись углерода (CO) обычно образуется в небольшом количестве процессов горения как продукт неполного горения. Угарный газ — это горючий газ, не имеющий цвета, запаха, вкуса и обычно не вызывающий коррозии. Окись углерода содержится во всех продуктах сгорения, в которых используется углеродное топливо. При равновесии оксид углерода образуется по уравнению 8.
Уравнение 8
CO2 → CO + 0.5O2
Концентрация оксида углерода зависит от температуры и избытка воздуха. В горение, богатой топливом, уровень оксида углерода увеличивается из-за недостатка кислорода. Количество оксида углерода можно уменьшить только в том случае, если при высоких температурах к топливу будет добавлено достаточное количество воздуха. При горении с низким содержанием топлива окись углерода соединяется с воздухом, образуя молекулы углекислого газа.
Окись углерода обычно образуется при неполном горении углеводородного топлива. Система зажигания в обедненной зоне использует дополнительный кислород для обеспечения полного горения и минимизации выбросов оксида углерода. На следующем рисунке приведен график соотношения воздуха и топлива в процессе горения и интенсивности выбросов загрязняющего вещества оксида углерода. На этом графике горизонтальная ось отображает соотношение воздуха и топлива в горение. Соотношение воздуха и топлива в стехиометрическом режиме считается равным единице.
Горелки Raadman, благодаря своей точной инженерной конструкции, способны работать с небольшим избытком воздуха, что приводит к повышению эффективности горения, снижению выбросов загрязняющих веществ и оптимизации расхода топлива. Для точного контроля количества избыточного воздуха можно использовать датчики CO/O₂ Trim, например, от AutoFlame. Эти системы непрерывно измеряют количество кислорода и оксида углерода в выхлопных газах и с помощью интеллектуального контроллера регулируют соотношение воздуха и топлива.
Адиабатическая температура пламени
При отсутствии тепловых потерь температура продуктов горения достигает своего максимума, который называется адиабатической температурой пламени. На следующем рисунке приведены адиабатические температуры пламени для трех видов топлива: водорода, метана и пропана с точки зрения коэффициента эквивалентности.
Пиковая температура (максимальная температура) для топлив на вышеуказанной рисунке наблюдалась при условиях, близких к стехиометрическим. Во многих реальных пламенах максимальная температура достигается в условиях бедной топливной смеси. Причина этого в том, что для предотвращения неполного горения, а для полного горения требуется больше кислорода. Почти все промышленные предприятия работают на обедненной топливной смеси, чтобы обеспечить низкий уровень выбросов оксида углерода. Поэтому, в зависимости от фактической конструкции горелок, температура пламени может быть близка к пиковой температуре (условиям, оптимальным для максимальной теплопередачи).
Максимальная температура, которую может выдержать камера сгорения, зависит от материала, из которого она изготовлена. Поэтому адиабатическая температура пламени является важным фактором при проектировании камеры горения газовых турбин, котлов и т. д. В таблице 2 приведены адиабатические температуры пламени для некоторых видов топлива.
Одной из основных проблем при работе с высокотемпературным пламенем является проблема максимизации NOx. Скорость термического образования NOx экспоненциально растет с ростом температуры, поэтому многие современные разработки направлены на снижение температуры пламени для минимизации образования NOx. В связи с этим горелки Raadman, благодаря своей усовершенствованной конструкции, обеспечивают оптимальное распределение топлива и воздуха таким образом, что исключается образование зон с максимальной температурой и, как следствие, минимизируется образование NOx.
Виды горения
Горение происходит двумя способами, которые обсуждаются ниже.
Горение с предварительным смешиванием
В однородном предварительно смешанном пламени топливо и воздух сначала полностью смешиваются, а затем воспламеняются с помощью инициатора, например искры. Из пламени возникает пламя, которое начинает распространяться. Граница между сгоревшими и несгоревшими частями называется фронтом пламени. Фронт пламени движется с определенной скоростью в сторону участков, не участвующих в реакции, при этом интенсивность горения очень высока.
Горение с предварительным смешиванием используется в горелках с предварительным смешиванием, включая усовершенствованные горелки Raadman. Этот тип промышленных горелок сконструирован таким образом, что топливо и воздух смешиваются перед поступлением в камеру горения, а затем горение происходит в месте образования пламени. Эта технология обеспечивает более высокую эффективность и значительное сокращение выбросов загрязняющих веществ, таких как CO и NOx, что является ключевыми преимуществами горелок с предварительным смешиванием Raadman.
Горение без предварительного смешивания
В пламени без предварительного смешивания реакции предварительного горения происходят до смешивания топлива и окислителя. Затем, когда топливо и воздух поступают в камеру сгорания и смешиваются, происходит воспламенение одновременно с проникновением молекул топлива в окислитель. Интенсивность воспламенения в этом типе пламени зависит от количества смешанного топлива и окислителя. Зажигание в дизельных двигателях, газовых турбинах, пламени спичек и свечей, печных горелках и т. д. происходит без предварительного смешивания.
Горение без предварительного смешивания используется в обычных горелках. В горелках этого типа топливо и воздух движутся раздельно перед выходом из форосуки. Свежий воздух и топливо смешиваются, достигая отверстия форсунки или дальше, и происходит горение. Компания Paсkman, обладая обширными техническими знаниями, проектирует и производит обычные горелки в соответствии с национальными и международными стандартами. Горелки Raadman разработаны для сокращения выбросов и оптимизацию энергопотребления и могут улучшить горение в различных отраслях промышленности.
Заключительное слово: оптимальное горение с помощью современных промышленных горелок
Промышленные горелки играют ключевую роль в оптимизации процесса горения и снижении выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду. Понимание принципов горения, включая стехиометрические соотношения, адиабатические температуры пламени и механизмы образования загрязняющих веществ, таких как NOx и CO, имеет важное значение для проектирования эффективных систем горения. Точный контроль избытка воздуха и использование современных технологий в конструкции горелок могут оказать непосредственное влияние на повышение эффективности горения и снижение выбросов загрязняющих веществ.
В связи с этим горелки Rааdman, благодаря своей усовершенствованной конструкции, обеспечивают оптимальное смешивание топлива и воздуха и, помимо повышения эффективности горения, способствуют снижению выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду. Эта технология предотвращает чрезмерное образование загрязАняющих веществ, таких как NOx, за счет лучшего контроля температуры пламени и предотвращения образования зон пиковой температуры. В результате, использование инженерных знаний и передовых технологий при проектировании горелок является эффективным решением для снижения вредного воздействия на окружающую среду и достижения оптимального и устойчивого горения.
