Газоснабжение. Горение газов: Учебное пособие (Разделы 1-9. Газообразное топливо. Расчеты эффективности использования топлива), страница 40

Явление присутствия в отходящих газах продуктов неполного сгорания топлива называется химическим недожогом. Оксид углерода, водород, различные углеводороды и сажа содержатся в отходящих газах при сжигании газа с недостаточным количеством воздуха, при неудовлетворительном смешении газа и воздуха перед сжиганием или в процессе горения, а также при чрезмерном охлаждении пламени до завершения реакций горения.

Известно, что при горении углеводородного топлива протекают как реакции полного стадийного высокотемпературного окисления углеводородов, так и процессы их газификации и термического разложения (пиролиза). Пиролиз происходит в условиях общего или локального недостатка окислителя. При сжигании метана отмеченные реакции могут быть описаны следующими уравнениями:

в окислительной зоне при избытке кислорода:

 кДж;                        (8.1)

 кДж;                           (8.2)

 кДж;                               (8.3)

 кДж;                                (8.4)

в восстановительной зоне при недостатке кислорода:

 кДж;                          (8.5)

 кДж;                           (8.6)

 кДж.                              (8.7)

Эти уравнения представляют итоговый результат реакций, то есть начальное состояние реагентов и конечное состояние продуктов сгорания. В действительности процессы горения более сложны и протекают в соответствии с цепным механизмом (см. п. 2.3).

Приведенные уравнения наиболее характерны для процессов горения однородных газовоздушных смесей с недостатком окислителя (< 0). Догорание образующегося водорода и оксида углерода и сгорание еще не вступившего в реакцию метана может происходить только за счет дополнительного кислорода, диффундирующего из окружающей пламя атмосферы. В случае если условия для диффузии внешнего кислорода недостаточно благоприятны или пламя чрезмерно охлаждается, часть промежуточных продуктов горения вместе с продуктами завершенного сгорания остается в отходящих газах и попадает в окружающую среду.

Для протекания реакций газификации в смеси должно присутствовать определенное количество первичного воздуха, зависящее от вида топлива, геометрии и толщины газовых струй и режима горения. Если воздуха достаточно, то образуется прозрачное пламя, если же недостаточно, в пламени появляются характерные желтые «язычки», свидетельствующие о протекании не только реакций газификации, но и реакций термического разложения углеводородов, приводящих к образованию сажистых частиц и различных углеводородов. Таким образом, сам внешний вид пламени характеризует протекающие в нем процессы.

На рис. 8.1 приведены экспериментальные данные, показывающие содержание первичного воздуха в смеси с различными газами, которое предотвращает образование желтых язычков пламени в ламинарном пламени. На кривой и выше нее пламя прозрачно, а ниже кривых наблюдаются желтые язычки. Анализ данных показывает, что необходимое для полного сгорания содержание первичного воздуха в смеси растет при увеличении числа атомов углерода в молекуле и диаметра огневых каналов. Значение  в газовоздушной смеси, при котором исчезают желтые язычки пламени, в зависимости от указанных факторов, может быть описано следующим приближенным выражением (для малых диаметров каналов):

,                                    (8.8)

где m, n — число атомов, соответственно, углерода и водорода в молекуле или их среднее число для сложного газа; d — диаметр огневого канала горелки, мм.

Рис. 8.1. Кривые образования желтых язычков пламени для различных газов: 1 — коксовый газ; 2 — природный газ газовых месторождений; 3 — газ нефтяных месторождений; 4 — технический пропан; 5 — технический бутан

При диффузионном горении всегда протекают как реакции полного окисления и восстановления, так и реакции термического разложения углеводородов, приводящие к появлению сажистых частиц. Образование этих частиц происходит в непосредственной близости от фронта пламени в результате нагрева газа диффундирующими в него раскаленными продуктами сгорания.