Пламенное горение горючих газов

Образующиеся при пиролизе древесины угли и горючие газы сгорают на воздухе по-разному, причём и горючие газы сгорают по-разному в зависимости от того, смешаны ли они с воздухом предварительно в горючую смесь (гомогенные пламена) или не смешаны или частично смешаны (гетерогенные диффузные пламена).

Метан через жиклёр 1 подаётся в модельную горелку 2, где струйно смешивается с подсасываемым через отверстия 3 «первичным» воздухом, а затем сгорает во «вторичном» воздухе над горелкой в виде известного голубого прозрачного пламени 4 (рис. 93). Процесс горения является самоподдерживающимся процессом: в зону пламени 4 поступает метан изнутри, а кислород воздуха снаружи. Метан в смеси с подмешанным воздухом сначала прогревается за счёт теплопроводности от фронта горения, затем начинает термически разлагаться (как при пиролизе). Образующиеся активные радикалы при наличии кислорода тотчас вступают в первичные реакции окисления (с выделением тепла СН₄+О₂→CH₂+H₂+O₂→CO*+ H₂O +H₂ и т. д.), а затем всё это догорает во внешнем («вторичном») воздухе 10.

Развивающиеся температуры горения метана обычно не превышают 1200-1500°С, а при таких температурах газы ещё не светятся и остаются невидимыми. Поэтому горение метана было бы невидимым, если бы волею природы во всех процессах горения углеводородных топлив не образовывался бы в следовых количествах радикал С₂ (молекула их двух атомов углерода), излучающий на длинах волнах 5000-5200 А интенсивный свет синего цвета (так называемые спектральные полосы Свана), а также радикал СН, слабо излучающий на длине волны 4300 А. Однако, если не обращать внимания на лёгкое синее свечение (в самом начале процесса горения), можно сказать, что пламя горелки с предварительным смешением газа с воздухом, является практически не светящимся. Это оказалось удобным, например, для нагрева предметов в пламени без копоти (в частности, кухонных кастрюль). Немецкий химик Бунзен, придумавший такую горелку в середине XIX века и впервые получивший прозрачные пламена, успешно использовал её для спектрального анализа соединений металлов. Так, оказалось, что соли натрия (поваренная пищевая соль, в частности) окрашивают пламя в жёлтый цвет, меди — в зелёный, кальций — в малиновый, кадмий — в красный и т. п.). Издавна окраска пламени свечением атомов металлов широко использовалась для производства сигнальных ракет, салютов, цветных факелов и т. п. Этот эффект можно использовать и в представительских курных банях для декоративной окраски пламени очага, например, путём замачивания дров в рассолах с последующей восстановительной сушкой.

Рис. 93. Принципиальная схема модельной бунзеновской горелки на природном газе — метане
Рис. 93. Принципиальная схема модельной бунзеновской горелки на природном газе — метане: 1 — труба с жиклёром для подачи метана, 2 — корпус горелки как смесительного устройства, 3 — воздухоподающие отверстия, 4 — голубая полоска прозрачного пламени, 5 — трубка для ввода дополнительного метана, 6 — сажистые частицы, образующиеся в результате пиролиза, 7 — светящееся светло-жёлтое пламя, состоящее из раскалённых сажистых частиц, 8 — стабилизатор пламени (застойная зона), 9 — клубы дыма (копоть), 10 — «вторичный» воздух, подмешивающийся в светящееся пламя и окисляющий сажистые частицы.

Теперь введём в голубое пламя бунзеновской горелки дополнительный метан по специальной трубке 5 (рис. 93). Поскольку эта струйка метана не смешана предварительно с воздухом, то она будет сначала нагреваться в пламени фактически в отсутствии кислорода внутри себя и будет претерпевать обычный пиролиз (может быть частично окислительный пиролиз, но явно в условиях дефицита кислорода). В таком случае метан разложится (через множество стадий химического превращения) на водород и сажу (чёрный дым) СН₄ → CnHm+2H₂. Сажистые частицы, раскалившись, будут излучать свет, в частности, при температуре 1200°С светло-жёлтого цвета. Такое привычное пламя с раскалёнными сажистыми частицами называется светящимся. Такие пламена использовались раньше в XIX веке в газовых фонарях для освещения улиц крупных городов. Используются они для освещения в свечах, керосиновых осветительных лампах, факелах, лучинах. Именно такие пламена в виде светящихся «языков» пламени возникают и в печах при горении дров.

Образовавшиеся в результате пиролиза сажистые частицы и водород постепенно сгорают по мере поступления (подмешивания) воздуха в струю. Если сажистые частицы CnHm по какой-либо причине не догорают до конца (слишком крупные частицы сажи, мало воздуха, захолаживание струи), то они укрупняются (агрегируются, поликонденсируются), превращаются из светящихся языков пламени в чёрный дым 9 или копоть на поверхностях. Важно подчеркнуть, что в осветительных приборах (например, газовых уличных фонарях) хоть и специально создают сажу( для свечения), но специально её потом и дожигают (для чистоты стёкол фонаря).

Получить светящееся пламя можно не только подачей дополнительного метана по трубке 5, но и уменьшением (или прекращением) подачи воздуха через отверстия 3. То есть при недостатке воздуха прозрачное голубое пламя начинает светить, а может быть и коптить.

В прозрачное голубое пламя можно погрузить массивную металлическую ложку (или, например, дно металлической кастрюли), и ложка не закоптится. Если же пламя светится (даже если внешнего дымления 9 не наблюдается), то ложка в верхней части пламени покрывается копотью в виде «сухой» легкостираемой сажи (порошка углерода), а в более низких зонах пламени — липкой или твёрдой копотью в виде плёнки «креозота». В голубой части пламени свечи касание ложки не вызывает дымления.

Выше мы рассмотрели в качестве модельного горючего газа метан. Однако, качественные результаты не изменятся, если вместо метана использовать любые иные горючие газы (или пары жидкостей). При этом процессы горения и пиролиза идут параллельно, и количество дыма зависит от типа газа и количества кислорода. Горение газообразных продуктов пиролиза древесины сопровождается появлением большого количества сажистых частиц, ввиду лёгкости сажеобразования из ароматических фрагментов лигнина (уже имеющих в своём составе бензольные кольца) с высокой летучестью (температуры кипения бензола 80°С, толуола 110°С, ксилола 144°С, стирола 145°С, нафталина 218°С).

Рис. 94. Схема пламени спички
Рис. 94. Схема пламени спички: 1 — остов спички (осиновая палочка), 2 — обгоревший остов, 3 — потоки конвективного воздуха, 4 — прозрачная зона, заполненная невидимыми газообразующими продуктами пиролиза древесины, 5 — голубая полоска прозрачного пламени, 6 — светящееся светло-жёлтое пламя, 7 — копоть, 8 — «вторичный» воздух, 9 — голубое пламя, не сопровождающееся жёлтым пламенем, обусловлено выходом наиболее насыщенных кислородом газообразных продуктов пиролиза (формальдегида, спиртов и т. п.) и подсосом воздуха по направлению 10, смешивающегося с газами пиролиза перед подачей в пламя. Напомним, что остов спички пропитан веществами, предотвращающим горение (тление) угольного остатка 2 в противопожарных целях.

Особенностью древесины как топлива является невозможность подвода воздуха к каждой точке поверхности каждого полена в печи, вследствие чего газообразные продукты пиролиза невозможно сразу же смешать с воздухом перед подачей в зону пламенного горения. Поэтому пламена древесины в печах неминуемо являются светящимися и коптящими. Если смотреть на горящую спичку с торца, то отчётливо видна прозрачная, как будто бы ничем не заполненная зона вокруг остова спички 4 (рис. 94). В ней поток невидимых глазом газообразных продуктов пиролиза устремляется наружу и «отталкивает» голубую зону горения от поверхности спички, в ней же поток тепла идёт от зоны горения на поверхности древесины и обеспечивает её пиролиз. Если голубая зона приближается к древесине, то поток тепла на древесину становится больше, образование газообразных продуктов пиролиза увеличивается, и голубая зона «отталкивается» от древесины. Иными словами, процесс горения является саморегулирующимся. Ввиду нехватки кислорода в голубой зоне горения образуются раскалённые сажистые частицы, которые и образуют светящееся пламя 6 в виде языка светло-жёлтого цвета, называемое в народе огнём. Динамика изменения вида пламени вдоль спички справа налево фактически представляет собой временную развёртку процесса пламенного горения дровяного полена в печи.

Вклад теплоты сгорания сажистых частиц обычно весьма невелик (доли процента), и поэтому дожигать их какими-то специальными дорогостоящими методами энергетически невыгодно (если это не связано с необходимостью чистоты аппаратуры-посуды или с экологическими соображениями). Сгорающие сажистые частицы в большинстве случаев не нагревают продукты сгорания, а охлаждают их за счёт лучистой теплопередачи. Но излучение тепла с обычных бытовых пламён невелико. Так, например, спичка или свечка обычной мощности 50 Вт отдаёт в виде излучения не более 6-10 Вт тепла. В то же время, если посчитать теоретически возможный лучистый поток со свечи обычного размера и температурой 1000°С , то в предположении абсолютно чёрного тела он приблизится к полной мощности свечи 50 Вт. Значит, жёлтое пламя свечи прозрачное, в чём легко убедиться с помощью фонарика или лазерной указки.

Источник: health.totalarch.comДачные бани и печи. Принципы конструирования. Хошев Ю.М. 2008

Добавить комментарий

CAPTCHA
Подтвердите, что вы не спамер