РОЗДІЛ 2
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИФУЗІЙНОГО ГОРІННЯ ТУРБУЛЕНТНОГО СТРУМЕНЯ ПРИРОДНОГО ГАЗУ ПРИ СТАБІЛІЗАЦІЇ ЙОГО НА ПОВЕРХНІ
2.1. Основні особливості горіння метану (природного газу)
З метою розробки потужних подових щілинних пальників для спалювання газу необхідно з'ясувати найбільш важливі фактори, що впливають на умови дифузійного горіння, а також кінетичні фактори згоряння палива при стабілізації факела на вертикальній поверхні щілини-амбразури пальника.
Горіння природного газу, що спалюється у різних пристроях (метан, як правило, є основним компонентом природного газу (більше 92%), тому, в деяких випадках при горінні природного газу, іншими компонентами, що містяться в природному газі, можна знехтувати з допустимою похибкою) достатньо вивчено і ряд досліджень [35-39] дозволяє дати якісну оцінку.
Горіння метану може бути приведено в вигляді:
>Окислення CH2O > CO > CO2
> H2 > H2O
СН4
>Піроліз C2H2; CH2; CH; C
Перевага одного з двох шляхів розкладу палива залежить від температури процесу.
По М.М. Семенову [35] низькотемпературне окислення метану відбувається наступним чином:
CH4 + O2 > CH3 + HO2,
(2.1)
CH3 + O2 > HCHO + OH,
(2.2)
OH + CH4 > CH3 +H2O,(2.3)CH4 + HO2 > H2O2 + CH3,
(2.4)
HCHO > CO2 ; H2O,
(2.5)
Цей процес супроводжується утворенням формальдегіду, який і визначає швидкість реакції. [36]
Високотемпературне горіння метану характеризується наявністю активних частинок H, O, OH, які утворюються в цепному процесі окислення палива [35,36,38,39], формули 2.2, 2.5 та:
CH4 + OH > CH3 + H2O,
(2.6)
H + O2 > OH + O,
(2.7)
CH4 + O > CH3 + OH,
(2.8)
При нагріванні вуглеводневого палива і недостачі окисника можуть протікати реакції термічного розкладу, при яких метилен CH3 перетворюється в метил CH2 і метин CH [37, 40]
CH3 + H > CH2,
(2.9)
H + O2 > OH + O,
(2.10)
CH2 + 2OH > HCHO + H2O,
(2.11)
CH2 + O > HCHO,
(2.12)
CH2 + H > CH + H2,
(2.13)
При глибокому термічному розкладі в полум'ї з'являється вуглець, який і дає характерну світимість зони горіння. В роботі [41] вказується, що світимість полум'я може бути також зумовлено наявністю вуглеводневих радикалів.
Схеми найбільш важливих реакцій при горінні метану представлено на рис.2.1 [35].
Рис.2.1. Схеми найбільш важливих реакцій при горінні метану.
М - означає інертну газоподібну речовину, яка не приймає участі в хімічних перетвореннях, але її наявність в зоні реакції впливає на швидкість деяких реакцій, оскільки через співударяння вона може передавати енергію молекулам, що взаємодіють між собою.
Теоретична температура горіння чистого метану складає Т0=2220 К.
В табл.2.1 представлено теоретичний рівновісний вміст частинок при горінні метану.
Таблиця 2.1
Рівноважний вміст активних частинок при горінні метану
Рівновісний вміст активних частинокОд. вимірюванняВеличина [O]ppm203 [H]ppm369 [OH]ppm2761
Процес горіння, або вибух, починається якщо концентрація пального у повітрі досягне певної величини. Нижній і верхній поріг самозагоряння Ан і Ав для різних газів має величини табл.2.2 [42]
Таблиця 2.2
Концентраційні межі самозагоряння суміші горючих газів з повітрям та киснем (при tсум=20 С), об. %. (в числівнику нижній, а знаменнику верхній поріг самозагоряння Ан і Ав)
ГазЗ повітрямЗ киснемМетан5,3/15,05,1/61,0Етан3,0/12,53,0/66,0Пропан2,2/9,52,3/55,0н-Бутан1,9/8,51,8/48,0Ізобутан1,8/82,9/79,9Ацетилен2,5/80,42,5/98,1Водень 4,0/75,04,0/94,0Оксид вуглецю12,5/74,015,5/94,0
Поняття концентраційних меж запалення зв'язано з поняттям температури самозагоряння. Тому концентраційні межі також багато в чому залежать від умов проведення досліду. З приведених у табл.2.2 даних видно, що розведення чистого кисню азотом повітря майже не впливає на нижній і значно знижує верхню межу запалення.
Структура, форма і розміри факела залежать від складу газоповітряної суміші.
2.2. Дифузійне горіння природного газу
При модернізації котлів треба мати на увазі, що в димових газах концентрація СО не повинна перевищувати 100 мг/м3 (з екологічних умов), а дифузійне горіння природного газу є одним з потенційних джерел викиду СО.
Необхідними умовами стійкого протікання процесу горіння в технічному його розумінні є наявність молекулярного контакту між паливом і окислювачем при мінімально необхідному температурному рівні.
У залежності від того, де і при яких умовах відбувається утворення газоповітряної суміші розрізняють два основних види горіння: кінетичне і дифузійне. В даній роботі вивчається струменеве дифузійне горіння природного газу на вертикальній поверхні каналу щілини пальника. Окисником є кисень, що входить до складу атмосферного повітря, а паливом - природний газ. Нижче приведено склад природного газу (табл.2.3), визначений за участі автора на хроматографі Agilent 6890N в Інституті газу НАН України.
Відповідно до складу природного газу кисневий індекс складає 2,014 (чистий метан 2,0), густина газу при нормальних умовах (101,3 кПа, 0°С) ?г=0,78 кг/нм3, нижча теплота згоряння газу - 46,6 МДж/кг (чистий метан 50 МДж/кг), теоретична температура горіння стехіометричної суміші Tb=2200 К та термодинамічно рівноважний вміст оксидів азоту у продуктах згоряння [NOx]b=1800 ppm (3600 мг/м3).
Таблиця 2.3
Склад мережного природного газу
КомпонентВміст, %КомпонентВміст, %КомпонентВміст, %CO21,12C3H80,93neo-C5H120,01N22,20n-C4H100,08C6H140,01CH492,74i-C4H100,10C2H62,79i-C5H120,02
Закономірності формування турбулентних дифузійних факелів вивчалися багатьма авторами [43-51], схема дифузійного факелу рис.2.2.
Рис.2.2. Схематична структура дифузійного факелу
1 - газ (?=0); 2 - фронт горіння на зовнішній поверхні факела (?=1); 3 - газ, продукти термічного розкладання, пр