Газоснабжение. Горение газов: Учебное пособие (Разделы 1-9. Газообразное топливо. Расчеты эффективности использования топлива), страница 16

Смеси горючих газов с воздухом (с кислородом) могут воспламеняться (взрываться) только в том случае, когда содержание газа в смеси укладывается в строго определенные границы. С этой точки зрения различают нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения (границы взрываемости, воспламеняемости или распространения пламени). Нижний предел  соответствует минимальному содержанию газа в смеси, а верхний предел  — его максимальному содержанию, при которых происходит воспламенение (взрыв) смеси или самопроизвольное (без притока теплоты извне) распространение пламени в объеме смеси.

Вне концентрационных пределов воспламенения газовоздушные смеси не горят и не взрываются. Поэтому эта характеристика так важна с точки зрения эффективного и безопасного использования газообразных топлив. Рис. 4.2 схематично иллюстрирует поведение газовоздушных смесей при их зажигании раскаленной электрической спиралью в зависимости от содержания в них газа.

Если содержание газа в газовоздушной смеси внутри со суда составляет меньше  (рис. 4.2, a), то при попытке произвести зажигание горение не будет происходить ни внутри сосуда, ни на выходе из него, поскольку и там, и там в смеси слишком мало молекул топлива (слишком «бедная» смесь). Из рассуждений, приведенных в п. 2.3, следует, что в этом случае количество неблагоприятных столкновений топливо — топливо и кислород — кислород превышает количество благоприятных столкновений типа топливо — кислород, продолжающих цепь реакции горения. Строго говоря, на поверхности самой спирали будет происходить химическая реакция окисления топлива, но без дальнейшего самопроизвольного распространения пламени.

Рис. 4.2. Воспламенение газовоздушной смеси высокотемпературным источником при различном содержании горючего газа в смеси: а — меньше нижнего предела воспламенения; б — в диапазоне между нижним и верхним пределами воспламенения; в — выше верхнего предела воспламенения

При содержании газа в пределах от до  самопроизвольное горение после воспламенения будет происходить как внутри сосуда, так и вместе выхода из него, причем даже после удаления источника зажигания (рис. 4.2, б). Отметим, что внутри сосуда происходит очень быстрое распространение пламени в смеси, то есть взрыв. В этом случае в газовоздушной смеси существует наиболее выгодное для развития цепи реакции соотношение молекул горючего и окислителя.

При концентрации горючего газа выше  (рис. 4.2, в) в смеси не хватает молекул кислорода (слишком «богатая» смесь). Самопроизвольное (после зажигания спиралью) горение будет происходить в месте истечения смеси, благодаря ее разбавлению воздухом из окружающей среды. В объеме смеси окисление будет происходить только на поверхности спирали во время ее действия.

Приближенные значения концентрационных пределов воспламенения для некоторых распространенных газов в смеси воздухом приведены в табл. 4.7.

Замена воздуха чистым кислородом практически не изменяет нижней границы распространения пламени, тогда как верхняя граница значительно возрастает (табл. 4.8). Это объясняется цепным характером реакций горения. В бедной смеси увеличение концентрации кислорода приводит только к дальнейшему росту числа соударений радикалов типа O+O, которые с точки зрения развития цепи являются неблагоприятными и ничего не меняют. В бедной смеси замена воздуха кислородом приводит к тому, что вместо неблагоприятных столкновений типа топливо — азот происходят благоприятные соударения молекул горючего газа с кислородом и активными радикалами. Поэтому смесь продолжает оставаться горючей при более высокой концентрации газа.

Данные табл. 4.7 и 4.8 характеризуют воспламеняемость холодных смесей. С ростом температуры пределы воспламенения расширяются. При температуре, превышающей температуру самовоспламенения, смеси газов с воздухом и кислородом сгорают при любом их объемном соотношении.

Таблица 4.7

Концентрационные пределы воспламенения газов и паров в смеси с воздухом

при температуре 20 °C и под давлением 101325 Па