Горение

Химическая реакция между топливом и кислородом

Пламя , возникающее в результате горения (горения) топлива .

Оборудование для борьбы с загрязнением воздуха обеспечивает контроль горения в промышленных процессах .

Горение , или горение , ^[1] представляет собой высокотемпературную экзотермическую окислительно-восстановительную химическую реакцию между топливом (восстановителем) и окислителем , обычно атмосферным кислородом , в результате которой образуются окисленные, часто газообразные продукты, в смеси, называемой дымом . Горение не всегда приводит к возгоранию , поскольку пламя видно только тогда, когда вещества, подвергающиеся горению, испаряются, но когда это происходит, пламя является характерным индикатором реакции. Хотя для инициирования горения необходима энергия активации (например, использование зажженной спички для зажигания огня), тепло от пламени может обеспечить достаточно энергии, чтобы сделать реакцию самоподдерживающейся .

Горение часто представляет собой сложную последовательность элементарных радикальных реакций . Твердые виды топлива , такие как древесина и уголь , сначала подвергаются эндотермическому пиролизу с образованием газообразного топлива, сгорание которого затем обеспечивает тепло, необходимое для производства большего количества топлива. Горение часто бывает настолько горячим, что возникает свет лампы накаливания в виде свечения или пламени . Простой пример можно увидеть в сгорании водорода и кислорода с образованием водяного пара – реакции, которая обычно используется в качестве топлива для ракетных двигателей . В этой реакции выделяется 242 кДж/моль тепла и соответственно снижается энтальпия (при постоянной температуре и давлении):  

${\displaystyle {\ce {2H_{2}(g){+}O_{2}(g)\rightarrow 2H_{2}O\uparrow }}}$

Некаталитическое горение на воздухе требует относительно высоких температур. Полное сгорание является стехиометрическим относительно топлива, при котором не остается топлива и, в идеале, остаточного окислителя. Термодинамически химическое равновесие горения на воздухе преимущественно находится на стороне продуктов. Однако полного сгорания добиться практически невозможно, поскольку химическое равновесие не обязательно достигается или может содержать несгоревшие продукты, такие как окись углерода , водород и даже углерод ( сажа или зола). Таким образом, образующийся дым обычно токсичен и содержит несгоревшие или частично окисленные продукты. Любое горение при высоких температурах в атмосферном воздухе , который на 78 процентов состоит из азота , также приводит к образованию небольших количеств нескольких оксидов азота , обычно называемых NOx , поскольку горение азота термодинамически благоприятствует при высоких, а не при низких температурах. Поскольку сгорание редко бывает чистым, по закону может потребоваться очистка топливного газа или каталитические нейтрализаторы .

Пожары возникают естественным путем, вызванные ударами молний или продуктами вулканического происхождения . Горение ( огонь ) было первой контролируемой химической реакцией, открытой людьми в форме костров и костров , и продолжает оставаться основным методом производства энергии для человечества. Обычно топливом является углерод , углеводороды или более сложные смеси, такие как древесина , которые содержат частично окисленные углеводороды. Тепловая энергия, вырабатываемая при сжигании ископаемого топлива , такого как уголь или нефть , или возобновляемого топлива , такого как дрова , собирается для различных целей, таких как приготовление пищи , производство электроэнергии или промышленное или бытовое отопление. В настоящее время горение также является единственной реакцией, используемой для питания ракет . Сжигание также применяется для уничтожения ( сжигания ) отходов, как неопасных, так и опасных.

Окислители для горения имеют высокий окислительный потенциал и включают атмосферный или чистый кислород , хлор , фтор , трифторид хлора , закись азота и азотную кислоту . Например, водород сгорает в хлоре с образованием хлористого водорода с выделением тепла и света, характерных для горения. Хотя обычно горение не катализируется, оно может катализироваться платиной или ванадием , как в контактном процессе .

Типы

Полный и неполный

Полный

Горение метана , углеводорода .

При полном сгорании реагент сгорает в кислороде и образует ограниченное количество продуктов. Когда углеводород сгорает в кислороде, в результате реакции в основном образуются углекислый газ и вода. При сгорании элементов образуются в основном наиболее распространенные оксиды. Углерод дает углекислый газ , сера дает диоксид серы , а железо дает оксид железа (III) . Азот не считается горючим веществом, если окислителем является кислород . Тем не менее, небольшие количества различных оксидов азота (обычно обозначаемых NO
_Иксвиды) образуются, когда воздух является окислительным.

Горение не обязательно благоприятно для максимальной степени окисления и может зависеть от температуры. Например, триоксид серы количественно не образуется при сжигании серы. Виды NO _x появляются в значительных количествах при температуре выше примерно 2800 °F (1540 °C), и больше их образуется при более высоких температурах. Количество NO _x также зависит от избытка кислорода. ^[2]

В большинстве промышленных применений и при пожарах источником кислорода является воздух ( O
₂). В воздухе каждый моль кислорода смешивается примерно с3,71  моль азота. Азот не участвует в горении, но при высоких температурах часть азота преобразуется в NO.
_Икс(в основном NO , с гораздо меньшими количествами NO2). С другой стороны, когда кислорода недостаточно для полного сгорания топлива, часть углерода топлива превращается в окись углерода , а часть водорода остается непрореагировавшей. Поэтому полная система уравнений горения углеводорода в воздухе требует дополнительного расчета распределения кислорода между углеродом и водородом в топливе.

Количество воздуха, необходимое для полного сгорания, известно как «теоретический воздух» или «стехиометрический воздух». ^[3] Количество воздуха, превышающее это значение, фактически необходимое для оптимального сгорания, известно как «избыточный воздух» и может варьироваться от 5% для газового котла до 40% для антрацитового угля и до 300% для газовой турбины. . ^[4]

Неполный

Неполное сгорание происходит, когда кислорода недостаточно для полной реакции топлива с образованием углекислого газа и воды. Это также происходит, когда горение гасится радиатором, например твердой поверхностью или пламегасителем. Как и в случае с полным сгоранием, вода образуется при неполном сгорании; однако вместо углекислого газа образуются углерод и окись углерода.

Для большинства видов топлива, таких как дизельное топливо, уголь или древесина, перед сгоранием происходит пиролиз . При неполном сгорании продукты пиролиза остаются несгоревшими и загрязняют дым вредными твердыми частицами и газами. Частично окисленные соединения также вызывают беспокойство; частичное окисление этанола может привести к образованию вредного ацетальдегида , а углерод может привести к образованию токсичного угарного газа.

Конструкции устройств сгорания позволяют улучшить качество сгорания, например, горелок и двигателей внутреннего сгорания . Дальнейшие улучшения достижимы за счет каталитических устройств дожига (таких как каталитические нейтрализаторы ) или простого частичного возврата выхлопных газов в процесс сгорания. Такие устройства требуются экологическим законодательством для автомобилей большинства стран. Они могут быть необходимы для того, чтобы крупные устройства сжигания, такие как тепловые электростанции , могли достичь установленных законом стандартов выбросов .

Степень сгорания можно измерить и проанализировать с помощью испытательного оборудования. Подрядчики, пожарные и инженеры по системам отопления , вентиляции и кондиционирования воздуха используют анализаторы сгорания для проверки эффективности горелки в процессе сгорания. Кроме того, таким способом можно измерить эффективность двигателя внутреннего сгорания, а некоторые штаты США и местные муниципалитеты используют анализ сгорания для определения и оценки эффективности современных транспортных средств на дорогах.

Оксид углерода является одним из продуктов неполного сгорания . ^[5] При образовании угарного газа выделяется меньше тепла, чем при образовании углекислого газа, поэтому полное сгорание предпочтительнее, особенно потому, что угарный газ является ядовитым газом. При дыхании угарный газ заменяет кислород и соединяется с частью гемоглобина в крови, что делает его неспособным переносить кислород. ^[6]

Проблемы связанные с неполным сгоранием

Проблемы окружающей среды

Эти оксиды соединяются с водой и кислородом в атмосфере, образуя азотную кислоту и серную кислоту , которые возвращаются на поверхность Земли в виде кислотных отложений или «кислотных дождей». Выпадение кислоты наносит вред водным организмам и убивает деревья. Из-за образования определенных питательных веществ, которые менее доступны растениям, таких как кальций и фосфор, он снижает продуктивность экосистемы и ферм. Дополнительная проблема, связанная с оксидами азота, заключается в том, что они, наряду с углеводородными загрязнителями, способствуют образованию приземного озона , основного компонента смога. ^[7]

Проблемы со здоровьем человека

Вдыхание угарного газа вызывает головную боль, головокружение, рвоту и тошноту. Если уровень угарного газа достаточно высок, люди теряют сознание или умирают. Воздействие умеренных и высоких уровней угарного газа в течение длительного периода положительно коррелирует с риском сердечно-сосудистых заболеваний. Люди, пережившие тяжелое отравление угарным газом, могут страдать от долгосрочных проблем со здоровьем. ^[8] Окись углерода из воздуха поглощается в легких, а затем связывается с гемоглобином в эритроцитах человека. Это снижает способность эритроцитов, переносящих кислород по всему организму.

Тлеющий

Тление — это медленная, низкотемпературная, беспламенная форма горения, поддерживаемая теплом, выделяющимся при непосредственном воздействии кислорода на поверхность топлива в конденсированной фазе. Обычно это реакция неполного сгорания. К твердым материалам, которые могут поддерживать реакцию тления, относятся уголь, целлюлоза , древесина , хлопок , табак , торф , труха , перегной , синтетические пенопласты, обугливающиеся полимеры (включая пенополиуретан ) и пыль . Распространенными примерами явлений тления являются возникновение бытовых пожаров на мягкой мебели слабыми источниками тепла (например, сигаретой, короткозамкнутым проводом) и стойкое горение биомассы за пылающими фронтами лесных пожаров .

Спонтанный

Самовозгорание — это тип горения, который происходит путем саморазогрева (повышения температуры из-за экзотермических внутренних реакций), за которым следует тепловой разгон (саморазогрев, который быстро ускоряется до высоких температур) и, наконец, воспламенение. Например, фосфор самовоспламеняется при комнатной температуре без применения тепла. Органические материалы, подвергающиеся бактериальному компостированию , могут выделять достаточно тепла, чтобы достичь точки сгорания. ^[9]

турбулентный

Сгорание, приводящее к турбулентному пламени, наиболее часто используется в промышленных целях (например, в газовых турбинах , бензиновых двигателях и т. д.), поскольку турбулентность способствует процессу смешивания топлива и окислителя .

Микрогравитация

Цветное составное изображение в оттенках серого, состоящее из отдельных кадров видеозаписи капли топлива с подсветкой, горящей в условиях микрогравитации.

Термин «микрогравитация» относится к «низкому» гравитационному состоянию (т.е. «микро» в смысле «маленькой» и не обязательно миллионной нормальной гравитации Земли), при котором влияние плавучести на физические процессы может быть значительным. считается небольшим по сравнению с другими процессами потока, которые наблюдаются при нормальной гравитации. В такой среде динамика теплового и потоковопереноса может вести себя совсем иначе, чем в обычных гравитационных условиях (например, пламя свечи принимает форму сферы ^[10] ). Исследования горения в условиях микрогравитации способствуют пониманию широкого спектра аспектов, которые имеют отношение как к окружающей среде космического корабля (например, динамика пожара, имеющая отношение к безопасности экипажа на Международной космической станции ), так и к земным (наземным) условиям (например, динамика сгорания для помощи в разработке новых топливных смесей для улучшения сгорания, процессов изготовления материалов, управления температурой электронных систем , динамики кипения многофазного потока и многих других).

Микросжигание

Процессы горения, происходящие в очень малых объемах, называются микрогорением . Высокое соотношение поверхности к объему увеличивает удельные теплопотери. Расстояние гашения играет жизненно важную роль в стабилизации пламени в таких камерах сгорания .

Химические уравнения

Стехиометрическое горение углеводорода в кислороде.

Обычно химическое уравнение стехиометрического сгорания углеводорода в кислороде выглядит так :

${\displaystyle {\ce {C_{\mathit {x}}H_{\mathit {y}}{}+{\mathit {z}}O2->{\mathit {x}}CO2{}+{\frac {\mathit {y}}{2}}H2O}}}$

где . ${\displaystyle z=x+{\frac {y}{4}}}$

Например, стехиометрическое горение пропана в кислороде:

${\displaystyle {\ce {{\underset {propane \atop (fuel)}{C3H8}}+{\underset {oxygen}{5O2}}->{\underset {carbon\ dioxide}{3CO2}}+{\underset {water}{4H2O}}}}}$

Стехиометрическое горение углеводорода в воздухе.

Если стехиометрическое сгорание происходит с использованием воздуха в качестве источника кислорода, азот , присутствующий в воздухе ( Атмосфера Земли ), можно добавить в уравнение (хотя он не реагирует), чтобы показать стехиометрический состав топлива в воздухе и состав образующегося дымового газа. Обработка всех некислородных компонентов воздуха азотом дает соотношение «азота» к кислороду 3,77, т.е. (100% - O2%) / O2%, где O2% составляет 20,95% об.:

${\displaystyle {\ce {C}}_{x}{\ce {H}}_{y}+z{\ce {O2}}+3.77z{\ce {N2 ->}}\ x{\ce {CO2}}+{\frac {y}{2}}{\ce {H2O}}+3.77z{\ce {N2}}}$

где . ${\displaystyle z=x+{\frac {1}{4}}y}$

Например, стехиометрическое горение пропана ( ) в воздухе: ${\displaystyle {\ce {C3H8}}}$

${\displaystyle {\ce {{\underset {fuel}{C3H8}}+{\underset {oxygen}{5O2}}}}+{\underset {\ce {nitrogen}}{18.87{\ce {N2}}}}{\ce {->{\underset {carbon\ dioxide}{3CO2}}+{\underset {water}{4H2O}}}}+{\underset {\ce {nitrogen}}{18.87{\ce {N2}}}}}$

Стехиометрический состав пропана в воздухе составляет 1/(1+5+18,87)=4,02% об.

Стехиометрическая реакция горения C _α H _β O _γ на воздухе:

${\displaystyle {\ce {C_{\mathit {\alpha }}H_{\mathit {\beta }}O_{\mathit {\gamma }}}}+\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}\right)\left({\ce {O_{2}}}+3.77{\ce {N_{2}}}\right)\longrightarrow \alpha {\ce {CO_{2}}}+{\frac {\beta }{2}}{\ce {H_{2}O}}+3.77\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}\right){\ce {N_{2}}}}$

Стехиометрическая реакция горения C _α H _β O _γ S _δ :

${\displaystyle {\ce {C_{\mathit {\alpha }}H_{\mathit {\beta }}O_{\mathit {\gamma }}S_{\mathit {\delta }}}}+\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}+\delta \right)\left({\ce {O_{2}}}+3.77{\ce {N_{2}}}\right)\longrightarrow \alpha {\ce {CO_{2}}}+{\frac {\beta }{2}}{\ce {H_{2}O}}+\delta {\ce {SO_{2}}}+3.77\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}+\delta \right){\ce {N_{2}}}}$

Стехиометрическая реакция горения C _α H _β O _γ N _δ S _ε :

${\displaystyle {\ce {C_{\mathit {\alpha }}H_{\mathit {\beta }}O_{\mathit {\gamma }}N_{\mathit {\delta }}S_{\mathit {\epsilon }}}}+\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}+\epsilon \right)\left({\ce {O_{2}}}+3.77{\ce {N_{2}}}\right)\longrightarrow \alpha {\ce {CO_{2}}}+{\frac {\beta }{2}}{\ce {H_{2}O}}+\epsilon {\ce {SO_{2}}}+\left(3.77\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}+\epsilon \right)+{\frac {\delta }{2}}\right){\ce {N_{2}}}}$

Стехиометрическая реакция горения C _α H _β O _γ F _δ :

${\displaystyle {\ce {C_{\mathit {\alpha }}H_{\mathit {\beta }}O_{\mathit {\gamma }}F_{\mathit {\delta }}}}+\left(\alpha +{\frac {\beta -\delta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}\right)\left({\ce {O_{2}}}+3.77{\ce {N_{2}}}\right)\longrightarrow \alpha {\ce {CO_{2}}}+{\frac {\beta -\delta }{2}}{\ce {H_{2}O}}+\delta {\ce {HF}}+3.77\left(\alpha +{\frac {\beta -\delta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}\right){\ce {N_{2}}}}$

Следы продуктов сгорания

Различные другие вещества начинают появляться в значительных количествах в продуктах сгорания при температуре пламени выше о1600  К. _ При использовании избытка воздуха азот может окисляться до NO и, в гораздо меньшей степени, до NO.2. CO образуется в результате диспропорции CO ₂ и H2и OH образуются в результате диспропорционирования H 2 O .

Например, когда1  моль пропана сгорает _28,6  моль воздуха (120 % от стехиометрического количества), продукты сгорания содержат 3,3 % O
₂. ВПри температуре 1400  К равновесные продукты сгорания содержат 0,03% NO и 0,002% OH . В1800  К , продукты сгорания содержат 0,17% NO , 0,05% OH , 0,01% CO и 0,004% H.
₂. ^[11]

Дизельные двигатели работают с избытком кислорода для сжигания мелких частиц , которые имеют тенденцию образовываться только со стехиометрическим количеством кислорода, что обязательно приводит к выбросам оксидов азота . И в Соединенных Штатах, и в Европейском Союзе применяются ограничения на выбросы оксидов азота транспортными средствами, что требует использования специальных каталитических нейтрализаторов или обработки выхлопных газов мочевиной ( см. Жидкость для выхлопных газов дизельных двигателей ).

Неполное сгорание углеводорода в кислороде

При неполном (частичном) сгорании углеводорода с кислородом образуется газовая смесь, содержащая преимущественно CO.
₂, CO , H 2 O и H
₂. Такие газовые смеси обычно готовят для использования в качестве защитной атмосферы при термообработке металлов и газовой цементации . ^[12] Общее уравнение реакции неполного сгорания одного моля углеводорода в кислороде:

${\displaystyle {\ce {{\underset {fuel}{C_{\mathit {x}}H_{\mathit {y}}}}+{\underset {oxygen}{{\mathit {z}}O2}}->{\underset {carbon\ dioxide}{{\mathit {a}}CO2}}+{\underset {carbon\ monoxide}{{\mathit {b}}CO}}+{\underset {water}{{\mathit {c}}H2O}}+{\underset {hydrogen}{{\mathit {d}}H2}}}}}$

Когда z падает ниже примерно 50% от стехиометрического значения, CH4может стать важным продуктом сгорания; когда z падает ниже примерно 35% от стехиометрического значения, элементарный углерод может стать стабильным.

Продукты неполного сгорания можно рассчитать с помощью материального баланса в предположении, что продукты сгорания достигают равновесия . ^{[13] [14]} Например, при сгорании одного моля пропана ( C
₃ЧАС
₈) с четырьмя молями O
₂, образуется семь молей дымового газа, а z составляет 80% от стехиометрического значения. Три уравнения баланса элементов:

• Углерод: ${\displaystyle a+b=3}$
• Водород: ${\displaystyle 2c+2d=8}$
• Кислород: ${\displaystyle 2a+b+c=8}$

Этих трех уравнений самих по себе недостаточно для расчета состава дымовых газов. Однако в положении равновесия реакция конверсии вода-газ дает другое уравнение:

${\displaystyle {\ce {CO + H2O -> CO2 + H2}}}$; ${\displaystyle K_{eq}={\frac {a\times d}{b\times c}}}$

Например, вПри 1200  К значение К _экв составляет 0,728. ^[15] Решая, дымовой газ состоит из 42,4% H 2 O , 29,0% CO ₂ , 14,7% H.
₂и 13,9% CO . Углерод становится стабильной фазой при1200  К идавление 1  атм , когда z составляет менее 30% от стехиометрического значения, при этом продукты сгорания содержат более 98% H.
₂и CO и около 0,5% CH
₄.

Вещества или материалы, которые подвергаются горению, называются топливом . Наиболее распространенными примерами являются природный газ, пропан, керосин , дизельное топливо , бензин, древесный уголь, уголь, древесина и т. д.

Жидкое топливо

Горение жидкого топлива в окислительной атмосфере фактически происходит в газовой фазе. Горит пар, а не жидкость. Следовательно, жидкость обычно загорается только при температуре выше определенной температуры: ее температуры вспышки . Температура вспышки жидкого топлива — это самая низкая температура, при которой оно может образовывать воспламеняющуюся смесь с воздухом. Это минимальная температура, при которой в воздухе остается достаточное количество испаренного топлива для начала горения.

Газообразное топливо

Горение газообразного топлива может происходить посредством одного из четырех различных типов горения: диффузионное пламя , пламя предварительной смеси , фронт самовоспламеняющейся реакции или детонация . ^[16] Тип горения, которое фактически происходит, зависит от степени, в которой топливо и окислитель смешаны перед нагревом: например, диффузионное пламя образуется, если топливо и окислитель первоначально разделены, тогда как в противном случае образуется предварительно смешанное пламя. . Точно так же тип горения также зависит от давления: например, детонация представляет собой фронт самовоспламеняющейся реакции, связанный с сильной ударной волной, что придает ей характерный пик высокого давления и высокую скорость детонации . ^[16]

Твердое топливо

Общая схема горения полимера

Акт горения состоит из трех относительно различных, но перекрывающихся фаз:

• Фаза предварительного нагрева , когда несгоревшее топливо нагревается до температуры вспышки, а затем до температуры воспламенения . Горючие газы начинают выделяться в процессе, аналогичном сухой перегонке .
• Фаза дистилляции или газовая фаза , когда воспламеняется смесь выделяющихся горючих газов с кислородом. Энергия производится в виде тепла и света. Часто видно пламя . Передача тепла от сгорания к твердым веществам поддерживает выделение горючих паров.
• Угольная фаза или твердая фаза , когда выход горючих газов из материала слишком мал для постоянного присутствия пламени и обугленное топливо не горит быстро, а просто тлеет, а в дальнейшем только тлеет .

Управление горением

Эффективный технологический нагрев требует возврата как можно большей части теплоты сгорания топлива в обрабатываемый материал. ^{[17] [18]} Существует множество причин потерь при работе процесса нагрева. Обычно основной потерей является тепло , уходящее с отходящими газами (т.е. дымовыми газами ). Температура и количество отходящих газов указывают на их теплосодержание ( энтальпию ), поэтому поддержание их низкого количества сводит к минимуму потери тепла.

В идеальной печи поток воздуха для горения должен быть согласован с потоком топлива, чтобы обеспечить каждой молекуле топлива точное количество кислорода, необходимое для полного сгорания. Однако в реальном мире горение протекает не идеально. Несгоревшее топливо (обычно CO и H
₂), выброшенный из системы, представляет собой потерю теплотворной способности (а также угрозу безопасности). Поскольку горючие вещества в отходящих газах нежелательны, а присутствие в них непрореагировавшего кислорода представляет минимальные проблемы безопасности и охраны окружающей среды, первый принцип управления горением заключается в обеспечении большего количества кислорода, чем теоретически необходимо для обеспечения сгорания всего топлива. Для метана ( CH
₄) для горения, например, требуется чуть больше двух молекул кислорода.

Однако второй принцип управления горением заключается в том, чтобы не использовать слишком много кислорода. Правильное количество кислорода требует трех типов измерений: во-первых, активный контроль расхода воздуха и топлива; во-вторых, измерение содержания кислорода в отходящих газах; и в-третьих, измерение горючих отходящих газов. Для каждого процесса нагрева существует оптимальный режим минимальных теплопотерь отходящих газов при допустимых уровнях концентрации горючих веществ. Минимизация избытка кислорода дает дополнительную выгоду: для данной температуры отходящих газов уровень NOx является самым низким, когда избыток кислорода поддерживается на низком уровне. ^[2]

Соблюдению этих двух принципов способствует составление материального и теплового баланса в процессе сгорания. ^{[19] [20] [21] [22]} Материальный баланс напрямую связывает соотношение воздух/топливо с процентным содержанием O.
₂в дымовом газе. Тепловой баланс связывает тепло, доступное для загрузки, с общим чистым теплом, выделяемым при сгорании топлива. ^{[23] [24]} Дополнительные материальные и тепловые балансы могут быть составлены для количественной оценки термического преимущества от предварительного нагрева воздуха для горения, ^{[25] [26]} или обогащения его кислородом. ^{[27] [28]}

Механизм реакции

Горение в кислороде представляет собой цепную реакцию , в которой участвуют множество различных радикальных промежуточных продуктов. Высокая энергия, необходимая для инициирования, объясняется необычным строением молекулы дикислорода . Конфигурация молекулы дикислорода с самой низкой энергией представляет собой стабильный, относительно нереакционноспособный дирадикал в триплетном спиновом состоянии . Связывание можно описать тремя парами связывающих электронов и двумя разрыхляющими электронами с выровненными спинами , так что молекула имеет ненулевой полный угловой момент. С другой стороны, большинство видов топлива находятся в синглетном состоянии со спаренными спинами и нулевым полным угловым моментом. Взаимодействие между ними является квантовомеханически « запрещенным переходом », то есть возможным с очень низкой вероятностью. Чтобы инициировать горение, требуется энергия, чтобы перевести дикислород в состояние спиновой пары, или синглетный кислород . Это промежуточное соединение чрезвычайно реакционноспособно. Энергия передается в виде тепла , а затем реакция производит дополнительное тепло, что позволяет ей продолжаться.

Считается, что горение углеводородов инициируется отрывом атома водорода (а не отрывом протона) от топлива до кислорода с образованием гидропероксидного радикала (НОО). Далее он реагирует с образованием гидропероксидов, которые распадаются с образованием гидроксильных радикалов . Существует большое разнообразие этих процессов, в результате которых образуются топливные радикалы и окислительные радикалы. Окисляющие виды включают синглетный кислород, гидроксил, одноатомный кислород и гидропероксил . Такие интермедиаты недолговечны и не могут быть изолированы. Однако нерадикальные промежуточные соединения стабильны и образуются при неполном сгорании. Примером является ацетальдегид , образующийся при сжигании этанола . Промежуточное соединение при горении углерода и углеводородов, окись углерода , имеет особое значение, поскольку является ядовитым газом , но также экономически полезна для производства синтез-газа .

Твердое и тяжелое жидкое топливо также подвергается множеству реакций пиролиза , в результате которых образуется более легко окисляемое газообразное топливо. Эти реакции являются эндотермическими и требуют постоянного подвода энергии от продолжающихся реакций горения. Недостаток кислорода или другие неправильно спроектированные условия приводят к выделению этих вредных и канцерогенных продуктов пиролиза в виде густого черного дыма.

Скорость горения – это количество материала, которое сгорает за определенный период времени. Оно может выражаться в граммах в секунду (г/с) или килограммах в секунду (кг/с).

Детальное описание процессов горения с точки зрения химической кинетики требует формулирования большой и сложной сети элементарных реакций. ^[29] Например, при сжигании углеводородного топлива обычно участвуют сотни химических веществ, реагирующих в соответствии с тысячами реакций.

Включение таких механизмов в вычислительные потоковые решатели по-прежнему представляет собой довольно сложную задачу, главным образом в двух аспектах. Во-первых, число степеней свободы (пропорциональное числу химических соединений) может быть чрезвычайно большим; во-вторых, исходный член, обусловленный реакциями, вводит несопоставимое количество временных масштабов, что делает всю динамическую систему жесткой. В результате прямое численное моделирование турбулентных реактивных потоков с тяжелым топливом вскоре становится невыполнимым даже для современных суперкомпьютеров. ^[30]

Поэтому было разработано множество методологий для уменьшения сложности механизмов сгорания, не прибегая к высоким уровням детализации. Примеры предоставлены:

• Метод релаксационного перераспределения (РМР) ^{[31] [32] [33] [34]}
• Подход внутреннего маломерного многообразия (ILDM) и его дальнейшие разработки ^{[35] [36] [37]}
• Метод равновесной кривой прообраза края с инвариантными ограничениями. ^[38]
• Несколько вариационных подходов ^{[39] [40]}
• Метод вычислительных сингулярных возмущений (CSP) и его дальнейшие разработки. ^{[41] [42]}
• Подход «Равновесие с контролируемой скоростью и ограничениями» (RCCE) и «Квазиравновесное многообразие» (QEM). ^{[43] [44]}
• G-схема. ^[45]
• Метод инвариантных сеток (МИГ). ^{[46] [47] [48]}

Кинетическое моделирование

Кинетическое моделирование можно изучить для понимания механизмов реакции термического разложения при горении различных материалов, используя, например, термогравиметрический анализ . ^[49]

Температура

Антуан Лавуазье проводит эксперимент, связанный с горением, вызванным усиленным солнечным светом.

Предполагая идеальные условия сгорания, такие как полное сгорание в адиабатических условиях (т.е. отсутствие потерь или притока тепла), можно определить температуру адиабатического сгорания. Формула, определяющая эту температуру, основана на первом законе термодинамики и учитывает тот факт, что теплота сгорания полностью используется для нагрева топлива, воздуха для горения или кислорода, а также газов продуктов сгорания (обычно называемых дымовые газы ).

В случае сжигания ископаемого топлива на воздухе температура сгорания зависит от следующих факторов:

• теплотворная способность ;
• стехиометрическое соотношение воздуха и топлива ; ${\displaystyle {\lambda }}$
• удельная теплоемкость топлива и воздуха;
• температуры воздуха и топлива на входе.

Адиабатическая температура сгорания (также известная как адиабатическая температура пламени ) увеличивается при более высоких значениях теплоты сгорания и температурах входящего воздуха и топлива, а также при стехиометрическом соотношении воздуха, приближающемся к единице.

Чаще всего температура адиабатического сгорания угля составляет около 2200 °C (3992 °F) (для входящего воздуха и топлива при температуре окружающей среды и для ), около 2150 °C (3902 °F) для масла и 2000 °C (3632 °F). F) для природного газа . ^{[50] [51]} ${\displaystyle \lambda =1.0}$

В промышленных обогревателях , парогенераторах электростанций и больших газовых турбинах более распространенным способом выражения использования большего количества воздуха для горения, чем стехиометрическое, является процент избыточного воздуха для горения . Например, избыток воздуха для горения в 15 процентов означает, что используется на 15 процентов больше воздуха, чем необходимо стехиометрически.

Нестабильность

Нестабильность горения обычно представляет собой сильные колебания давления в камере сгорания. Эти колебания давления могут достигать 180  дБ, а длительное воздействие циклических давлений и температурных нагрузок сокращает срок службы компонентов двигателя. В ракетах, таких как F1, использовавшихся в программе «Сатурн V», нестабильность приводила к огромным повреждениям камеры сгорания и окружающих компонентов. Эта проблема была решена путем изменения конструкции топливной форсунки. В жидкостных реактивных двигателях размер и распределение капель можно использовать для уменьшения нестабильности. _{Нестабильность сгорания является} серьезной проблемой в наземных газотурбинных двигателях из-за выбросов NOx . Тенденция заключается в том, чтобы использовать обедненную смесь с коэффициентом эквивалентности менее 1, чтобы снизить температуру сгорания и, таким образом, сократить выбросы NO _x ; однако работа на обедненной смеси делает его очень чувствительным к нестабильности сгорания.

Критерий Рэлея является основой анализа термоакустической нестабильности горения и оценивается с помощью индекса Рэлея за один цикл нестабильности ^[52]

${\displaystyle G(x)={\frac {1}{T}}\int _{T}q'(x,t)p'(x,t)dt}$

где q' – возмущение скорости тепловыделения, а p' – колебание давления. ^{[53] [54]} Когда колебания тепловыделения совпадают по фазе с колебаниями давления, индекс Рэлея положителен и величина термоакустической нестабильности максимальна. С другой стороны, если индекс Рэлея отрицательный, то происходит термоакустическое затухание. Критерий Рэлея подразумевает, что термоакустической нестабильностью можно оптимально управлять, если колебания тепловыделения сдвинуты по фазе на 180 градусов с колебаниями давления с той же частотой. ^{[55] [56]} Это минимизирует индекс Рэлея.

Смотрите также

Рекомендации

1. разговорное значение горения - горение, сопровождающееся пламенем.
2. Образование NOx. Alentecinc.com. Проверено 28 сентября 2010 г.
3. Центральные котельные (Отчет). Министерство армии США. 1989. с. Глоссарий 26. ТМ 5-650.
4. «Инженерный набор инструментов: оптимальные процессы сгорания - топливо против избыточного воздуха» . 2003 . Проверено 15 мая 2023 г.
5. «Процесс неполного сгорания».
6. «Горение, показывающее неполное сгорание» .
7. «Экологические проблемы, связанные с неполным сгоранием» .
8. «Отравление угарным газом». 8 декабря 2020 г.
9. «Идеальный шторм: динамика и предотвращение мульчированного пожара». Soilandmulchproducernews.com . Проверено 12 июля 2018 г.
10. История Шаттла-Мир/Наука/Микрогравитация/Пламя свечи в микрогравитации (CFM) – MGBX. Spaceflight.nasa.gov (16 июля 1999 г.). Проверено 28 сентября 2010 г.
11. Бэйл, Кристофер В.; Белиль, Ева (8 марта 2022 г.). «Эквилиб-Паутина». Центр исследований в области вычислительной термохимии Политехнического университета Монреаля . Проверено 15 мая 2023 г.
12. Комитет ASM по атмосфере в печах, атмосфере в печах и контролю углерода , Металс-Парк, Огайо [1964].
13. «Экзотермическая атмосфера». Промышленное отопление : 22 июня 2013 г. Проверено 5 июля 2013 г.
14. [1] ЭкзоКальк
15. "Реакция-Сеть". Crct.polymtl.ca . Проверено 12 июля 2018 г.
16. Брэдли, D (25 июня 2009 г.). «Сгорание и разработка будущих моторных топлив». Труды Института инженеров-механиков, Часть C: Журнал машиностроительной науки . 223 (12): 2751–2765. дои : 10.1243/09544062jmes1519. S2CID  97218733.
17. «Расчет теплоты сгорания природного газа» . Промышленное отопление : 28 сентября 2012 г. Проверено 5 июля 2013 г.
18. [2] HeatCalc
19. «Составление материального баланса». Промышленное отопление : 20 ноября 2012 г. Проверено 5 июля 2013 г.
20. [3] МатБалКалк
21. «Составление теплового баланса». Промышленное отопление : 22 декабря 2012 г. Проверено 5 июля 2013 г.
22. [4] HeatBalCalc
23. «Доступное тепло сгорания» . Промышленное отопление : 22 апреля 2013 г. Проверено 5 июля 2013 г.
24. [5] AvailHeatCalc
25. «Создание баланса системы (Часть 2)» . Промышленное отопление : 24 марта 2012 г. Проверено 5 июля 2013 г.
26. [6] SysBalCalc2
27. «Создание баланса системы (Часть 1)» . Промышленное отопление : 22 февраля 2012 г. Проверено 5 июля 2013 г.
28. [7] SysBalCalc
29. Закон, CK (2006). Физика горения . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521154215.
30. Гусси, Д.; Маас, У. (2011). Моделирование турбулентного горения . Спрингер Наука. стр. 193–220.
31. Кьяваццо, Элиодоро; Карлин, Илья (2011). «Адаптивное упрощение сложных многомасштабных систем». Физ. Преподобный Е. 83 (3): 036706. arXiv : 1011.1618 . Бибкод : 2011PhRvE..83c6706C. doi : 10.1103/PhysRevE.83.036706. PMID  21517624. S2CID  7458232.
32. Кьяваццо, Элиодоро; Азинари, Пьетро; Висконти, Филиппо (2011). «Быстрый расчет многомасштабных систем сгорания». Фил. Пер. Рой. Соц. А. _ 369 (1945): 2396–2404. arXiv : 1011.3828 . Бибкод : 2011RSPTA.369.2396C. дои : 10.1098/rsta.2011.0026. PMID  21576153. S2CID  14998597.
33. Кьяваццо, Элиодоро (2012). «Аппроксимация медленной и быстрой динамики в многомасштабных динамических системах линеаризованным методом релаксационного перераспределения». Журнал вычислительной физики . 231 (4): 1751–1765. arXiv : 1102.0730 . Бибкод : 2012JCoPh.231.1751C. дои : 10.1016/j.jcp.2011.11.007. S2CID  16979409.
34. Кушкбаги, Махди; Фрузакис, Э. Христос; Кьяваццо, Элиодоро; Булухос, Константинос; Карлин, Илья (2014). «Метод глобального релаксационного перераспределения для уменьшения кинетики горения» (PDF) . Журнал химической физики . 141 (4): 044102. Бибкод : 2014JChPh.141d4102K. дои : 10.1063/1.4890368. PMID  25084876. S2CID  1784716. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
35. Маас, У.; Папа, С.Б. (1992). «Упрощение химической кинетики: внутренние многообразия низкой размерности в пространстве состава». Сжечь. Пламя . 88 (3–4): 239–264. дои : 10.1016/0010-2180(92)90034-м.
36. Быков, В.; Маас, У (2007). «Распространение концепции ILDM на реакционно-диффузионные коллекторы». Сжечь. Теоретическая модель . 11 (6): 839–862. Бибкод : 2007CTM....11..839B. дои : 10.1080/13647830701242531. S2CID  120624915.
37. Нафе, Дж.; Маас, У. (2002). «Общий алгоритм улучшения ILDM». Сжечь. Теоретическая модель . 6 (4): 697–709. Бибкод : 2002CTM.....6..697N. дои : 10.1088/1364-7830/6/4/308. S2CID  120269918.
38. Рен, З.; Папа, С.Б.; Владимирский А.; Гукенхаймер, Дж. М. (2006). «Метод инвариантной равновесной краевой прообразной кривой с ограничениями для уменьшения размерности химической кинетики». Дж. Хим. Физ . 124 (11): 114111. Бибкод : 2006JChPh.124k4111R. дои : 10.1063/1.2177243. ПМИД  16555878.
39. Лебедзь, Д. (2010). «Принципы экстремума, связанные с энтропией, для редукции моделей диссипативных динамических систем». Энтропия . 12 (4): 706–719. Бибкод : 2010Entrp..12..706L. дои : 10.3390/e12040706 .
40. Рейнхардт, В.; Винклер, М.; Лебедзь, Д. (112). «Аппроксимация медленных притягивающих многообразий в химической кинетике с помощью подходов оптимизации, основанных на траекториях» (PDF) . Дж. Физ. хим. А. _ 112 (8): 1712–1718. Бибкод : 2008JPCA..112.1712R. дои : 10.1021/jp0739925. PMID  18247506. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
41. Лам, SH; Гусси, Д. (1991). Традиционные асимптотические и вычислительные сингулярные возмущения для упрощенного кинетического моделирования . Берлин: Шпрингер.
42. Валорани, М.; Гусси, Д.; Наджм, Х.Н. (2005). «Поправки высших порядков при приближении многообразий низкой размерности и построении упрощенных задач с помощью метода CSP». Дж. Компьютер. Физ . 209 (2): 754–786. Бибкод : 2005JCoPh.209..754V. дои :10.1016/j.jcp.2005.03.033.
43. Кек, JC; Гиллеспи, Д. (1971). «Метод частичного равновесия с регулируемой скоростью обработки реагирующих газовых смесей». Сжечь. Пламя . 17 (2): 237–241. дои : 10.1016/S0010-2180(71)80166-9.
44. Кьяваццо, Элиодоро; Карлин, Илья (2008). «Алгоритм квазиравновесной сетки: геометрическое построение для сокращения модели». Дж. Компьютер. Физ . 227 (11): 5535–5560. arXiv : 0704.2317 . Бибкод : 2008JCoPh.227.5535C. дои : 10.1016/j.jcp.2008.02.006. S2CID  973322.
45. Валорани, М.; Паолуччи, С. (2009). «G-схема: основа для многомасштабного адаптивного сокращения моделей». Дж. Компьютер. Физ . 228 (13): 4665–4701. Бибкод : 2009JCoPh.228.4665V. дои : 10.1016/j.jcp.2009.03.011.
46. Кьяваццо, Элиодоро; Карлин, Илья; Горбань, Александр (2010). «Роль термодинамики в сокращении модели при использовании инвариантных сеток» (PDF) . Коммун. Вычислить. Физ . 8 (4): 701–734. Бибкод : 2010CCoPh...8..701C. CiteSeerX 10.1.1.302.9316 . дои : 10.4208/cicp.030709.210110a. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. 
47. Кьяваццо, Элиодоро; Карлин, Илья; Фрузакис, Христос Э.; Булухос, Константинос (2009). «Метод инвариантной сетки для модельной редукции сгорания водорода». Труды Института горения . 32 : 519–526. arXiv : 0712.2386 . doi :10.1016/j.proci.2008.05.014. S2CID  118484479.
48. Кьяваццо, Элиодоро; Карлин, Илья; Горбань, Александр; Булухос, Константинос (2010). «Сочетание метода сокращения модели с решеточным методом Больцмана для моделирования горения». Сжечь. Пламя . 157 (10): 1833–1849. doi : 10.1016/j.combustflame.2010.06.009.
49. Рейес, Дж.А.; Конеса, JA; Марсилла, А. (2001). «Пиролиз и сжигание вторичной переработки картонных коробок с полипокрытием. кинетическая модель и мс-анализ». Журнал аналитического и прикладного пиролиза . 58–59: 747–763. дои : 10.1016/S0165-2370(00)00123-6.
50. «Адиабатическая температура пламени». Промышленное отопление : 20 мая 2013 г. Проверено 5 июля 2013 г.
51. [8] AFTCalc
52. Джон Уильям Стратт, третий барон Рэлей, доктор философии, FRS., почетный член Тринити-колледжа, Кембридж; «Теория звука», §322h, 1878 г.:
53. А. А. Патнэм и В. К. Деннис (1953) «Колебания органной трубы в наполненной пламенем трубке», Четвертый (международный) симпозиум по горению , Институт горения, стр. 566–574.
54. EC Фернандес и М. В. Хейтор, «Нестационарное пламя и критерий Рэлея» в книге Ф. Кулика, М. В. Хейтора и Дж. Х. Уайтлоу, ред., « Нестационарное горение » (Дордрехт, Нидерланды: Kluwer Academic Publishers, 1996), стр. 4
55. Даулинг, AP (2000a). «Вихри, звук и пламя – разрушительное сочетание». Авиационный журнал RaeS
56. Кристи, Робин С.М.; Бернс, Иэн С.; Камински, Клеменс Ф. (2013). «Температурная реакция акустически вынужденного турбулентного обедненного пламени предварительно смешанной смеси: количественное экспериментальное определение». Наука и технология горения . 185 : 180–199. дои : 10.1080/00102202.2012.714020. S2CID  46039754.

дальнейшее чтение

• Пуансо, Тьерри; Вейнанте, Денис (2012). Теоретическое и численное горение (3-е изд.). Европейский центр исследований и повышения квалификации в области научных вычислений.
• Лакнер, Максимилиан; Зима, Франц; Агарвал, Авинаш К., ред. (2010). Справочник по горению, набор из 5 томов. Вайли-ВЧ . ISBN 978-3-527-32449-1. Архивировано из оригинала 17 января 2011 г. Проверено 29 апреля 2010 г.
• Баукал, Чарльз Э., изд. (1998). Горение, усиленное кислородом . ЦРК Пресс .
• Глассман, Ирвин; Йеттер, Ричард. Горение (Четвертое изд.).
• Повороты, Стивен (2011). Введение в горение: концепции и приложения .
• Рэгланд, Кеннет В.; Брайден, Кеннет М. (2011). Техника сгорания (Второе изд.).
• Баукал, Чарльз Э. младший, изд. (2013). «Промышленное сжигание». Справочник Джона Зинка Хэмворти по горению: трехтомный набор (второе изд.).
• Гардинер, У. К. младший (2000). Химия газофазного горения (пересмотренная ред.).