Механизм реакции горения топлива

Горение - реакция высокотемпературного окисления топлива, сопровождающаяся выделением энергии (тепла, света). Как известно, химическое взаимодействие углеводородов с кислородом воздуха в промышленности осуществляют в двух режимах.

Если цель окисления углеводородов - получение кислородсодержащих продуктов высокой потребительской ценности (спирты, альдегиды, кетоны, кислоты), то процесс окисления ведут, как правило, при сравнительно низких температурах (не выше 250°С). При этой температуре реакция окисления протекает сравнительно медленно по механизму вырожденного разветвления (через первичное образование гидроперекисей), и для ее ускорения требуется присутствие гомогенных или гетерогенных катализаторов.

В отличие от этого, при использовании углеводородного сырья исключительно в качестве энергетического топлива с целью получения тепла и энергии процесс окисления ведут при температурах выше 1000°С. В этих условиях реакция протекает по обычному механизму цепных разветвленных реакций.

Механизм реакции горения углеводородов на примере реакции горения метана в кислороде (3.12):

Эта реакция относится к ценным реакциям.

Цепными реакциями называют такие, в которых превращение исходных веществ в продукты реакции протекает через регулярное чередование нескольких реакций с участием свободных радикалов.

Любая ценная реакция обязательно включает три основные стадии: зарождение цепи, продолжение цепи и обрыв цепи.

1. Зарождением (инициированием) цепи называют стадию цепной реакции, в которой из валентно насыщенных молекул образуются свободные радикалы.

2. Реакциями продолжения цепи называют стадии цепной реакции, в которых с сохранением свободной валентности расходуются исходные реагенты и образуются продукты реакции.

3. Обрывом цепи называют стадии цепного процесса, в которых происходит исчезновение свободной валентности.

Элементарная стадия цепной реакции, в которой превращение активных промежуточных частиц приводит к увеличению числа свободных радикалов и атомов называется разветвлением цепи.

Образование свободных радикалов в результате превращений стабильных продуктов реакции окисления называется вырожденным разветвлением цепи.

В общем виде схему реакции горения можно представить следующей схемой.

Стадия зарождения цепи:

(6.1)

где - метил;

- гидропериксидный радикал.

Стадия продолжения цепи:

Ключевой стадией продолжения цепи является образование перекисного радикала :

	(6.2)
	(6.3)
	(6.4)

Гидропероксидный радикал может распадаться с образованием молекулы формальдегида по реакции:

(6.5)

Вода образуется по реакции:

(6.6)

Вырожденное разветвление осуществляется при взаимодействии альдегида с :

(6.7)

Продолжение цепи окисления происходит также по реакции:

(6.8)

Стадия обрыва цепи:

Наиболее часто обрыв цепи наблюдается в результате гибели радикала на стенке и по так называемому механизму квадратичного обрыва в результате протекания реакции рекомбинации двух радикалов:

(6.9)

Согласно этому механизму активными центрами реакции количественного горения метана в кислороде до и являются радикалы и .

Состав продуктов горения

В условиях неполного сгорания углеводородные топлива частично окисляются до , а не до или разлагаются с образованием сажи (высокодисперсных частиц элементарного углерода). Топлива могут содержать и содержат в своем составе различные серосодержащие соединения, которые в условиях протекания реакции горения приводят к получению . Молекулярный кислород в качестве окислителя используют лишь для специальных целей. Сжигание ведут в воздухе, содержащем около 78% азота. Поэтому в условиях высоких температур горения топлива наблюдается образование оксидов азота.

Результаты сжигания в факеле нефтезаводского газа, в основном состоящего из метана и имеющего теплоту сгорания около 4·10⁴ кДж/м³ в газо-мазутной горелке. Показано распределение концентраций исходного газообразного топлива ( и ), кислорода воздуха, продуктов горения метана , образующихся оксидов азота и температуры по длине факела.

Длина факела приведена по оси абсцисс в условных единицах, как отношение длины факела к его диаметру, численно равному диаметру насадки (см. рис. 6.1).

Из рис. 6.1 видно, что факел имеет максимальную температуру в начале 2-ой четверти его длины. Следует отметить, что положение температурного максимума факела зависит от многих факторов, и определяется, прежде всего, конструкцией горелки, подачей воздуха и видом топлива.

В согласии с представлениями о кинетике реакции идет монотонное снижение концентрации компонентов исходного топлива и окислителя . Концентрация промежуточного продукта неполного окисления метана - – проходит через максимум. Концентрация конечного продукта - (другой конечный продукт – вода – на графике не показан) нарастает, достигая максимума в конце факела.

Рис. 6.1. Распределение температуры, концентраций исходного топлива и продуктов его сгорания по длине факела

Огонь, пламя всегда занимали, занимают и будут занимать значительное место в материальной и духовной жизни человека. Именно добывание и широкое использование огня способствовало быстрой эволюции человека.