Скорость реакции горения имеет существенное значение для обеспечения стационарных условий сжигания топлива.

Рассмотрим более подробно поведение плоского фронта пламени в трубе при различных скоростях подачи топливно-воздушной смеси (рис. 6.2). Условием обеспечения нормальной работы горелки является равенство скорости горения (скорости распространения пламени) горючей смеси скорости ее подачи. В этом случае зона 2 неподвижна.

Основная количественная характеристика пламени называется нормальной скоростью горения. Она представляет собой отношение перемещения фронта пламени в направлении к нормали к поверхности фронта в единицу времени и определяется формулой:

(6.11)

где – расстояние по нормали от поверхности фронта пламени.

1 2 3

1 - зона горючей топливно-воздушной смеси, 2 - зона неподвижного плоского фронта пламени, 3 - зона продуктов сгорания топлива

Рис. 6.2. Зональная схема плоского фронта пламени

Основным фактором, определяющим скорость распространения пламени, является химическая реакция, которая служит источником тепловой энергии. Тепловая энергия поддерживает горение и обеспечивает распространение пламени. Величина ее при прочих равных условиях (например, горение проводят в воздухе) определяется природой топлива.

При подаче топливно-воздушной смеси со скоростью меньшей скорости горения, зона пламени 2 смещается в зону подачи горючей смеси 1. Иначе говоря, топливо выгорает быстрее, чем оно подается в зону горения. В этом случае наблюдается явление, называемое проскок пламени - т.е. пламя появляется в зоне 1.

Если скорость горения топливно-воздушной смеси меньше скорости ее подачи, то зона горения 2 перемещается в зону выноса продуктов реакции горения 3 и возникает явление известное, как отрыв пламени горелки.

В этой связи становится понятным требование, предъявляемое к горелкам и направленное на обеспечение надежного и оптимального регулирования соотношения скоростей подачи топлива и его горения.

Однако в реальных условиях работы промышленных факельных горелок плоский фронт пламени (зона 2) при высоких скоростях горения топлива не стабилен, разрушается на множество локальных сравнительно небольших по размеру зон, в которых и происходит сгорание топлива.

Ниже приведены скорости распространения пламени (скорости горения) некоторых топливно-воздушных смесей (м/с): .

Классификация и структура пламен

Энергия топлива, высвобождающаяся в ходе протекания экзотермической реакции, часто принимает форму лучистой энергии и сопровождается излучением света - пламенем.

Прежде чем перейти к классификации пламен отметим, что химики давно обратили внимание на окрашивание бесцветного пламени в различные цвета летучими соединениями. В аналитической химии хорошо известна проба Ф.Ф. Бельштейна. При внесении в пламя горелки платиновой проволоки с соединениями натрия, калия и меди оно окрашивается в желтый, фиолетовый и зеленый цвета соответственно.

Называя пламенем любое свечение, источником которого является химическая реакция, можно привести следующую классификацию пламен по типам.

К I типу относят пламена, горящие без предварительного перемешивания топлива и воздуха, называемые диффузионными. В них перемешивание газообразного топлива и воздуха (окислителя) происходит в результате молекулярной диффузии. В свою очередь диффузионные пламена делят на холодные и горячие.

К числу холодных (400-500 К) относят пламена, горящие при высоком разряжении (в вакууме). Их еще называют разряженные пламена. В таких условиях скорость реакции горения невелика, температура пламени относительно невысока. Поскольку все выделяющееся в зоне горения тепло отводится через стенки горелки, то температура пламени примерно равна температуре стенок горелки (сосуда). Примером холодного диффузионного пламени является реакция горения сероуглерода:

(6.12)

Примером горячего диффузионного пламени является пламя или . Например, так горит природный газ в бытовой газовой плите.

К типу II принадлежат пламена, горящие в заранее приготовленной топливно-воздушной смеси при любом давлении. Практически важное значение в теплоэнергетике имеют горячие пламена разнообразных топливно-воздушных смесей, горящих как при атмосферном, так и давлении выше атмосферного. Температура такого пламени обычно составляет 2000-3000К.

6.5. Механизм образования загрязняющих веществ