Methaan is een gasvormige chemische verbinding met de chemische formule CH4. Dit is de eenvoudigste vertegenwoordiger van alkanen. Andere namen voor deze groep organische verbindingen: verzadigde, verzadigde of paraffinische koolwaterstoffen. Ze worden gekenmerkt door de aanwezigheid van een eenvoudige binding tussen de koolstofatomen in het molecuul, en alle andere valenties van elk koolstofatoom zijn verzadigd met waterstofatomen. Voor alkanen is verbranding de belangrijkste reactie. Ze branden om kooldioxidegas en waterdamp te produceren. Hierdoor komt een enorme hoeveelheid chemische energie vrij, die wordt omgezet in thermische of elektrische energie. Methaan is een brandbare stof en het hoofdbestanddeel van aardgas, waardoor het een aantrekkelijke brandstof is. Het wijdverbreide gebruik van een natuurlijk fossiel is gebaseerd op de reactie van methaanverbranding. Omdat het onder normale omstandigheden een gas is, is het moeilijk om het over lange afstanden van de bron te transporteren, daarom wordt het vaak vooraf vloeibaar gemaakt.

Het verbrandingsproces bestaat uit de reactie tussen methaan en zuurstof, dat wil zeggen in de oxidatie van het eenvoudigste alkaan. Het resultaat is water en veel energie. Methaanverbranding kan worden beschreven met de vergelijking: CH4 [gas] + 2O2 [gas] → CO2 [gas] + 2H2O [stoom] + 891 kJ. Dat wil zeggen, één methaanmolecuul vormt bij interactie met twee zuurstofmoleculen een molecuul en twee watermoleculen. Tegelijkertijd wordt gelijk aan 891 kJ toegewezen. Aardgas is de schoonste fossiele brandstof om te verbranden, aangezien steenkool, olie en andere brandstoffen complexer van samenstelling zijn. Daarom geven ze bij verbranding verschillende schadelijke stoffen vrij chemische substanties... Aangezien aardgas voor het grootste deel uit methaan bestaat (ongeveer 95%), ontstaan ​​er bij de verbranding praktisch geen bijproducten of veel minder dan bij andere soorten fossiele brandstoffen.

De calorische waarde van methaan (55,7 kJ / g) is hoger dan zijn homologen, bijvoorbeeld ethaan (51,9 kJ / g), propaan (50,35 kJ / g), butaan (49,50 kJ / g) of andere soorten brandstof (hout , kolen, kerosine). Verbranding van methaan geeft meer energie... Om ervoor te zorgen dat een gloeilamp van 100 W een jaar lang brandt, moet 260 kg hout worden verbrand, of 120 kg steenkool, of 73,3 kg kerosine, of slechts 58 kg methaan, wat overeenkomt met 78,8 m³ natuurlijke gas.

Het eenvoudigste alkaan is een belangrijke hulpbron voor het opwekken van elektriciteit. Dit gebeurt door het als brandstof te verbranden in een ketel die stoom opwekt, die een stoomturbine aandrijft. Ook wordt de verbranding van methaan gebruikt om hete rookgassen te verkrijgen, waarvan de energie arbeid levert (verbranding vindt plaats vóór de turbine of in de turbine zelf). In veel steden wordt methaan naar huizen geleid om binnenshuis te verwarmen en te koken. Vergeleken met andere soorten koolwaterstofbrandstoffen wordt de verbranding van aardgas gekenmerkt door minder uitstoot van kooldioxide en een grote hoeveelheid opgewekte warmte.

Verbranding van methaan wordt gebruikt om hoge temperaturen te bereiken in ovens van verschillende chemische industrieën, bijvoorbeeld grootschalige ethyleenfabrieken. Aardgas gemengd met lucht wordt toegevoerd aan de branders van de pyrolyse-ovens. Het verbrandingsproces produceert rookgassen op hoge temperatuur (700-900 ° C). Ze verwarmen pijpen (die zich in de oven bevinden), die worden gevoed met een mengsel van grondstoffen (om de vorming van cokes in de pijpen van de ovens te verminderen). Onder invloed van hoge temperaturen treden veel chemische reacties op waardoor de doelcomponenten (ethyleen en propyleen) en bijproducten (zware pyrolysehars, waterstof en methaanfracties, ethaan, propaan, С4, С5 koolwaterstoffen, pyrocondensaat) worden verkregen; elk van hen heeft zijn eigen toepassing, bijvoorbeeld pyrolysecondensaat wordt gebruikt om benzeen of componenten van motorbenzine te verkrijgen).

Verbranding van methaan is een complex fysisch-chemisch fenomeen gebaseerd op een exotherme redoxreactie, gekenmerkt door een hoge stroomsnelheid en het vrijkomen van een enorme hoeveelheid warmte, evenals warmte- en massaoverdrachtsprocessen. Daarom is de berekende bepaling van de verbrandingstemperatuur van het mengsel een moeilijke taak, omdat, naast de samenstelling van het brandbare mengsel, de druk en begintemperatuur ervan sterk worden beïnvloed. Met hun toename wordt een toename van de verbrandingstemperatuur waargenomen en dragen warmte- en massaoverdrachtsprocessen bij aan de afname ervan. De verbrandingstemperatuur van methaan bij het ontwerp van processen en apparaten voor chemische productie wordt bepaald door de rekenmethode en in bestaande installaties (bijvoorbeeld in pyrolyse-ovens) wordt deze gemeten met thermokoppels.

De brandstof voor het ketelhuis is aardgas geleverd door de GDS. Aardgas met een druk van 1-2 MPa, waarvan de temperatuur, het debiet en de druk worden geregistreerd door commerciële meetapparatuur, komt in de eerste reductiefase. De druk na de eerste reductiefase wordt geregeld door het drukregelventiel.

Verder komt brandstofgas met een druk van ongeveer 0,5 MPa de buisruimte van de verwarmer binnen, waarvan de warmtedrager stoom 0,3-0,6 MPa is. De temperatuur van het stookgas na de voorverwarmer wordt veranderd door een regelklep die op de stoomleiding is geïnstalleerd. Na de voorverwarmer wordt de brandstofgasdruk door de tweede reductietrap verlaagd tot 3-80 kPa Na de tweede reductietrap komt het gas de ketelbranders binnen via standaard gasapparatuur (SBG). Voor de SBG van elke ketel worden de druk, het debiet en de gastemperatuur gemeten en geregistreerd. De gasdruk na de SBG van elke ketel wordt ook geregistreerd

5.3.2. Kenmerken van het verbrandingsproces van aardgas.

De keuze van het type en aantal gasbranders, hun plaatsing en de organisatie van het verbrandingsproces hangen af ​​van de kenmerken van de thermische en aerodynamische bedrijfsomstandigheden van de industriële installatie. De juiste oplossing voor deze problemen bepaalt de intensiteit van het technologische proces en de efficiëntie van de installatie. Theoretische vereisten en werkervaring geven aan dat bij het ontwerpen van nieuwe gasinstallaties de belangrijkste indicatoren van hun werking in de regel kunnen worden verbeterd. Hierbij moet echter worden opgemerkt dat een verkeerd gekozen methode van gasverbranding en een niet-succesvolle opstelling van branders de productiviteit en efficiëntie van de installaties verminderen.

Bij het ontwerpen van industriële gasinstallaties moeten de taken van het intensiveren van het technologische proces en het verhogen van de efficiëntie van het brandstofgebruik worden opgelost met de laagste materiaalkosten en met inachtneming van een aantal andere voorwaarden, zoals bedrijfszekerheid, veiligheid, enz.

Bij de verbranding van aardgas kunnen, in tegenstelling tot de verbranding van andere soorten brandstof, de eigenschappen van de fakkel over een groot bereik worden gevarieerd. Daarom kan het voor bijna elk doel worden gebruikt. Hierbij dient alleen te worden bedacht dat de vereiste maximale intensivering van het technologische proces, een verhoging van de efficiëntie, evenals het voldoen aan andere vereisten voor de installatie, niet alleen kunnen worden bereikt door de keuze voor een of andere gasbrander, maar zal worden bereikt met de juiste oplossing van de hele complexe problemen van warmteoverdracht en aerodynamica, te beginnen met de toevoer van lucht en gas en eindigend met de afvoer van afvalverbrandingsproducten naar de atmosfeer. Van bijzonder belang is de beginfase van het proces - de organisatie van gasverbranding.

Aardgas is een kleurloos gas. Veel lichter dan lucht. De aanwezigheid van gas in de lucht van gebouwen, putten, putten van meer dan 20% veroorzaakt verstikking, duizeligheid, bewustzijnsverlies en de dood. Volgens hygiënische normen behoort aardgas (methaan) tot de 4e gevarenklasse (laaggevaarlijke stof). Lage toxiciteit, is geen gif.

Aardgas samenstelling:

Methaan 98,52%;

ethaan 0,46%;

Propaan 0,16%;

Butaan 0,02%;

Stikstof 0,73%;

Kooldioxide 0,07%.

Als aardgas alle zuiveringsgraden heeft doorstaan, verschillen de eigenschappen weinig van die van methaan. Methaan is het eenvoudigste element van een aantal methaankoolwaterstoffen. Methaan eigenschappen:

Specifieke verbrandingswarmte 7980 Kcal / m 3;

Vloeibaar bij t ° = -161 ° , hardt uit bij t ° = -182 ° ;

Dichtheid van methaan - 0,7169 kg / m 3 (2 keer lichter dan lucht);

Ontstekingstemperatuur t ° = 645 ° С;

Verbrandingstemperatuur t ° = 1500 ÷ 2000 ° С

Explosiegrenzen 5 ÷ 15%.

Bij interactie met lucht worden zeer explosieve mengsels gevormd die kunnen exploderen en vernietiging kunnen veroorzaken.

Verbranding van elke brandstof, inclusief gas, is een reactie van de chemische combinatie met zuurstof en gaat gepaard met het vrijkomen van warmte. De hoeveelheid warmte die wordt verkregen bij de volledige verbranding van 1 m 3 (of 1 kg) gas wordt de verbrandingswarmte genoemd. Maak onderscheid tussen de laagste verbrandingswarmte, waarbij geen rekening wordt gehouden met de latente vormingswarmte van waterdamp in de verbrandingsproducten, en de hoogste, wanneer met deze warmte rekening wordt gehouden. Het verschil tussen de bruto en netto calorische waarde is afhankelijk van de hoeveelheid waterdamp die vrijkomt bij de verbranding van brandstof en is ongeveer 2500 kJ per 1 kg of 2000 kJ per 1 m3 waterdamp.

De verbrandingswarmte van verschillende soorten brandstoffen kan aanzienlijk variëren. Dus brandhout en turf hebben bijvoorbeeld een lagere stookwaarde tot 12.500, de beste bitumineuze kolen - tot 31.000 en olie ongeveer 40.000 kJ / kg. Aardgas heeft een calorische onderwaarde van 40-44 MJ/kg.

De totale verbrandingstijd  wordt bepaald door de tijd  d van mengselvorming (diffusieprocessen) en de tijd  tot het optreden van chemische verbrandingsreacties (kinetische processen). Rekening houdend met het feit dat deze fasen van het proces elkaar kunnen overlappen, verkrijgen we  q + k.

Wanneer  tot  d (verbranding gelijktijdig met mengselvorming in de oven wordt genoemd diffusie, aangezien deze mengselvorming processen van turbulente (in de laatste fase - moleculaire) diffusie omvat).

Wanneer  d  k  k (verbranding van een vooraf bereid mengsel wordt vaak conventioneel genoemd kinetisch, wordt bepaald door de kinetiek van chemische reacties).

Wanneer  q en vergelijkbaar zijn, wordt het verbrandingsproces gemengd genoemd.

De volgende fase na de vorming van het mengsel is brandstofverwarming en -ontsteking. Bij het mengen van een straal brandbaar gas met een luchtstraal en een geleidelijke verhoging van hun temperatuur bij een bepaalde temperatuur, zal het mengsel ontbranden. De minimumtemperatuur waarbij het mengsel ontbrandt wordt het vlampunt genoemd.

De ontstekingstemperatuur is geen fysisch-chemische constante van een stof, aangezien deze, naast de aard van het brandbare gas, afhangt van de concentratie van het gas en de oxidator, evenals van de intensiteit van de warmte-uitwisseling tussen het gasmengsel en de milieu.

Er zijn boven- en ondergrenzen voor de concentratie van gas en oxidatiemiddel, en buiten deze limieten ontbranden mengsels bij een bepaalde temperatuur niet. Bij een stijging van de temperatuur van het gas-luchtmengsel, volgens de wet van Arrhenius, neemt de reactiesnelheid evenredig toe met e -E / RT en is de warmteafgifte evenredig met dezelfde waarde. Als het warmteverlies van de verbrandingszone geassocieerd met warmte-uitwisseling met de omgeving de warmteafgifte overschrijdt, zijn ontsteking en verbranding onmogelijk. Gewoonlijk vindt verwarming gelijktijdig plaats met de vorming van het mengsel.

Een gas-luchtmengsel waarin het gasgehalte tussen de onderste en bovenste ontvlambaarheidsgrenzen ligt, is explosief. Hoe groter het bereik van de ontvlambaarheidsgrenzen (ook wel explosiegrenzen genoemd), hoe explosiever het gas is. In zijn chemische essentie is de explosie van een gas-lucht (gas-zuurstof) mengsel een proces van zeer snelle (bijna onmiddellijke) verbranding, wat leidt tot de vorming van verbrandingsproducten met een hoge temperatuur en een sterke toename van hun druk. De berekende overdruk tijdens de explosie van aardgas is 0,75, propaan en butaan - 0,86, waterstof - 0,74, acetyleen - 1,03 MPa. In praktische omstandigheden bereikt de explosietemperatuur niet de maximale waarden en zijn de resulterende drukken lager dan aangegeven, maar ze zijn voldoende om niet alleen de bekleding van ketels, gebouwen, maar ook metalen containers te vernietigen als er een explosie optreedt in hen.

Als gevolg van ontsteking en verbranding ontstaat een vlam, wat een externe manifestatie is van de intense reacties van het oxidatiemiddel van de stof. Vlambeweging mee gasmengsel vlamverspreiding genoemd. In dit geval is het gasmengsel verdeeld in twee delen: het verbrande gas, waardoor de vlam al is gepasseerd, en het onverbrande gas, dat binnenkort in het gebied van de vlam zal komen. De grens tussen deze twee delen van het brandende gasmengsel wordt het vlamfront genoemd.

Een toorts is een stroom die een mengsel van lucht, brandende gassen, brandstofdeeltjes en verbrandingsproducten bevat, waarin verwarming, ontsteking en verbranding van gasvormige brandstof plaatsvindt.

Bij gewone temperaturen in ovens (1000-1500 ° C) geven koolwaterstoffen, waaronder methaan, zelfs in zeer korte tijd als gevolg van thermische ontleding merkbare hoeveelheden elementaire koolstof. Als gevolg van het verschijnen van elementaire koolstof in de toorts, verwerft het verbrandingsproces tot op zekere hoogte elementen van heterogene, d.w.z. voortgaand op het oppervlak van vaste deeltjes. De aanwezigheid van katalysatoren (oxiden van ijzer, nikkel) versnelt de afbraak van methaan en andere koolwaterstoffen aanzienlijk.

Dus in de oven of de werkruimte van de oven tussen het moment van gas- en luchtinjectie en de productie van uiteindelijke verbrandingsproducten als gevolg van de superpositie van het proces van thermische ontleding van koolwaterstoffen en de kettingoxidatiereactie, een zeer complexe beeld wordt waargenomen, gekenmerkt door de aanwezigheid van zowel de oxidatieproducten van СО 2 en Н 2 О, als CO, H 2, elementaire koolstof en producten van onvolledige oxidatie (van de laatste is formaldehyde vooral belangrijk). De verhouding tussen deze componenten zal afhangen van de omstandigheden en duur van gasverwarming voorafgaand aan oxidatiereacties.

Tijdens de verbranding van brandstof vinden chemische oxidatieprocessen van de brandbare componenten plaats, vergezeld van een intense warmteafgifte en een snelle stijging van de temperatuur van de verbrandingsproducten.

Maak onderscheid tussen homogene verbranding, die plaatsvindt in het volume, wanneer de brandstof en het oxidatiemiddel zich in dezelfde aggregatietoestand bevinden, en heterogene verbranding, die plaatsvindt op het grensvlak, wanneer de brandbare stof en het oxidatiemiddel zich in verschillende aggregatietoestanden bevinden.

Verbranding van gasvormige brandstoffen is een homogeen proces. Tijdens de verbranding is de snelheid van het voorwaartse proces onevenredig hoger dan de snelheid van het omgekeerde, daarom kan de omgekeerde reactie worden verwaarloosd. Bedenk dat voor een homogene verbrandingsreactie de uitdrukking voor de snelheid van de directe reactie de vorm zal hebben:

waarbij  de tijd is; T- absolute temperatuur; NAAR- universele gasconstante; k- reactiesnelheidsconstante, afhankelijk van de aard van de reactanten, de werking van de katalysatoren en temperatuur; k 0 - empirische constante; E- activeringsenergie, die de kleinste overtollige energie kenmerkt die botsende deeltjes moeten hebben om een ​​reactie te laten plaatsvinden.

Uit de uitdrukkingen (de tweede wordt de Arrhenius-vergelijking genoemd) volgt dat de reactiesnelheid toeneemt met toenemende concentraties (druk in het systeem) en temperatuur en met afnemende activeringsenergie. Experimentele metingen geven een veel lagere waarde voor de activeringsenergie dan de gegeven regelmatigheden van de chemische kinetiek. Dit komt door het feit dat de verbrandingsprocessen van gassen verwijzen naar kettingreacties en tussenstadia doorlopen met de continue vorming van actieve centra (atomen of radicalen).

Wanneer waterstof bijvoorbeeld verbrandt (Fig. 3) met behulp van vrije zuurstofatomen en hydroxylradicalen, worden drie actieve waterstofatomen gevormd in plaats van één die aanwezig was aan het begin van de beschouwde fase van de reactie. Deze verdrievoudiging vindt plaats in elke fase en het aantal actieve centra groeit als een lawine in kettingreacties. Bovendien zijn interacties tussen onstabiele tussenproducten veel sneller dan tussen moleculen.

Afb. 3. Schema van de kettingreactie van waterstofverbranding

De totale snelheid van de waterstofverbrandingsreactie wordt bepaald door de snelheid van de langzaamste reactie (uitgedrukt door de vergelijking H + O 2 OH + H 2)  = kC n C o, waarbij C n, C o de concentraties van atomaire waterstof en moleculaire zuurstof.

De oxidatieprocessen van koolwaterstoffen die het organische deel van natuurlijke en aanverwante gassen vormen, zijn het meest complex. Tot nu toe zijn er geen duidelijke ideeën over het kinetische mechanisme van de reacties, hoewel met vertrouwen kan worden gezegd dat verbranding een ketenkarakter heeft in aanwezigheid van een inductieperiode en verloopt met de vorming van talrijke tussenproducten van gedeeltelijke oxidatie en ontleding .

Een benaderend schema van de gefaseerde verbranding van methaan kan worden weergegeven door een reeks van de volgende reacties:

Hoewel de begin- en eindproducten van de verbrandingsreactie gassen zijn, kan in de tussenproducten, naast gassen, elementaire koolstof aanwezig zijn in de vorm van de kleinste roetsuspensie.

De snelheid van de verbrandingsreactie van koolmonoxide hangt af van de concentraties van koolmonoxide en waterdamp in de reactiezone, en de snelheid van ketenverbranding van methaan en andere koolwaterstoffen hangt af van de concentraties van atomaire waterstof, zuurstof en waterdamp.

Verbranding van gasvormige brandstof is een combinatie van complexe aerodynamische, thermische en chemische processen. Verbrandingsproces gasvormige brandstof bestaat uit verschillende fasen: gas mengen met lucht, het resulterende mengsel verwarmen tot de ontstekingstemperatuur, ontsteking en verbranding.

Algemene informatie. Een andere belangrijke bron van interne vervuiling, een sterk sensibiliserende factor voor de mens, is aardgas en zijn verbrandingsproducten. Gas is een meercomponentensysteem dat bestaat uit tientallen verschillende verbindingen, ook speciaal toegevoegde verbindingen (Tabel 12.3).
Er is direct bewijs dat het gebruik van apparaten die op aardgas branden (gasfornuizen en boilers) een negatief effect heeft op de menselijke gezondheid. Bovendien kunnen personen met een verhoogde gevoeligheid voor factoren milieu onvoldoende reageren op aardgascomponenten en verbrandingsproducten.
Aardgas in huis is een bron van veel verschillende vervuilende stoffen. Dit omvat verbindingen die direct in het gas aanwezig zijn (geurstoffen, gasvormige koolwaterstoffen, giftige organometaalcomplexen en radioactief radongas), producten onvolledige verbranding(koolmonoxide, stikstofdioxide, organische aerosoldeeltjes, polycyclische aromatische koolwaterstoffen en kleine hoeveelheden vluchtige organische stoffen). Al deze componenten kunnen zowel op zichzelf als in combinatie met elkaar het menselijk lichaam beïnvloeden (synergetisch effect).
Tabel 12.3
Samenstelling van gasvormige brandstof Componenten Inhoud,% Methaan 75-99 Ethaan 0,2-6,0 Propaan 0,1-4,0 Butaan 0,1-2,0 Pentaan Tot 0,5 Ethyleen Aanwezig in bepaalde velden Propyleen Butyleen Benzeen Zwavelgas Waterstofsulfide Kooldioxide 0,1-0,7 Koolmonoxide 0,001 Waterstof Omhoog tot 0,001
Geurstoffen. Geurstoffen zijn zwavelhoudende organische aromatische verbindingen (mercaptanen, thioethers en thio-aromatische verbindingen). Ze worden toegevoegd aan aardgas voor detectie bij lekkages. Hoewel deze verbindingen aanwezig zijn in zeer lage, subdrempelconcentraties die voor de meeste mensen niet als giftig worden beschouwd, kan hun geur bij gezonde personen misselijkheid en hoofdpijn veroorzaken.
Klinische ervaring en epidemiologische gegevens geven aan dat chemisch gevoelige personen onvoldoende reageren op chemische verbindingen die aanwezig zijn, zelfs bij concentraties onder de drempel. Personen met astma identificeren geur vaak als een trigger (trigger) voor astma-aanvallen.
Geurstoffen omvatten bijvoorbeeld methaanthiol. Methaanthiol, ook bekend als methylmercaptaan (mercaptomethaan, thiomethylalcohol), is een gasvormige verbinding die gewoonlijk wordt gebruikt als aromatisch additief voor aardgas. Slechte geur het wordt door de meeste mensen gevoeld bij een concentratie van 1 deel op 140 miljoen, maar deze verbinding kan bij veel lagere concentraties worden gedetecteerd bij zeer gevoelige personen. Toxicologische studies bij dieren hebben aangetoond dat 0,16% methaanthiol, 3,3% ethaanthiol of 9,6% dimethylsulfide coma kan veroorzaken bij 50% van de ratten die gedurende 15 minuten aan deze verbindingen zijn blootgesteld.
Een ander mercaptaan, ook gebruikt als aromatisch additief voor aardgas, is mercapto-ethanol (C2H6OS), ook bekend als 2-thioethanol, ethylmercaptaan. Ernstig irriterend voor ogen en huid, kan via de huid giftig zijn. Het is ontvlambaar en ontleedt bij verhitting onder vorming van zeer giftige SOx-dampen.
Mercaptanen, als luchtverontreinigende stoffen binnenshuis, bevatten zwavel en zijn in staat elementair kwik op te vangen. In hoge concentraties kunnen mercaptanen een verminderde perifere circulatie en een verhoogde hartslag veroorzaken, bewustzijnsverlies, de ontwikkeling van cyanose of zelfs de dood stimuleren.
Spuitbussen. Bij de verbranding van aardgas komen fijne organische deeltjes (aerosolen) vrij, waaronder kankerverwekkende aromatische koolwaterstoffen en enkele vluchtige organische stoffen. DOS zijn vermoedelijk sensibiliserende middelen die samen met andere componenten het sick building-syndroom kunnen veroorzaken, evenals meerdere chemische gevoeligheden (MCS).
In de JIOC zit ook formaldehyde, dat in kleine hoeveelheden ontstaat bij de verbranding van gas. Gebruik makend van gastoestellen in een huis waar gevoelige personen wonen, verhoogt de blootstelling aan deze prikkels, verergert vervolgens de symptomen van ziekte en draagt ​​ook bij aan verdere sensibilisering.
Aerosolen die tijdens de verbranding van aardgas worden gevormd, kunnen adsorptiecentra worden voor een verscheidenheid aan chemische verbindingen die in de lucht aanwezig zijn. Zo kunnen luchtverontreinigende stoffen zich in microvolumes concentreren en met elkaar reageren, vooral wanneer metalen als katalysatoren voor reacties werken. Hoe kleiner het deeltje, hoe hoger de concentratie-activiteit van een dergelijk proces.
Bovendien is waterdamp die vrijkomt bij de verbranding van aardgas een transportverbinding voor aërosoldeeltjes en verontreinigende stoffen wanneer ze naar de longblaasjes worden getransporteerd.
Bij de verbranding van aardgas komen ook aerosolen vrij die polycyclische aromatische koolwaterstoffen bevatten. Ze hebben een nadelig effect op ademhalingssysteem en zijn bekende kankerverwekkende stoffen. Bovendien kunnen koolwaterstoffen bij daarvoor gevoelige mensen leiden tot chronische intoxicatie.
De vorming van benzeen, tolueen, ethylbenzeen en xyleen bij de verbranding van aardgas is ook schadelijk voor de menselijke gezondheid. Van benzeen is bekend dat het kankerverwekkend is in doses die ver onder de drempel liggen. Blootstelling aan benzeen is gecorreleerd met een verhoogd risico op kanker, met name leukemie. De sensibiliserende effecten van benzeen zijn niet bekend.
Organometaalverbindingen. Sommige componenten van aardgas kunnen hoge concentraties giftige zware metalen bevatten, waaronder lood, koper, kwik, zilver en arseen. Naar alle waarschijnlijkheid zijn deze metalen in aardgas aanwezig in de vorm van organometaalcomplexen zoals trimethylarseniet (CH3) 3As. De verbinding met de organische matrix van deze giftige metalen maakt ze oplosbaar in lipiden. Dit leidt tot een hoge absorptiesnelheid en een neiging tot bioaccumulatie in menselijk vetweefsel. De hoge toxiciteit van tetramethylplumbiet (CH3) 4Pb en dimethylkwik (CH3) 2Hg suggereert een effect op de menselijke gezondheid, aangezien de gemethyleerde verbindingen van deze metalen giftiger zijn dan de metalen zelf. Deze verbindingen zijn vooral gevaarlijk tijdens het geven van borstvoeding bij vrouwen, omdat er in dit geval een migratie van lipiden uit de vetdepots van het lichaam plaatsvindt.
Dimethylkwik (CH3) 2Hg is een bijzonder gevaarlijke organometaalverbinding vanwege zijn hoge lipofiliciteit. Methylkwik kan in het lichaam worden opgenomen door inademing en ook via de huid. De opname van deze verbinding in het maagdarmkanaal is bijna 100%. Kwik heeft een uitgesproken neurotoxisch effect en de eigenschap om de menselijke voortplantingsfunctie te beïnvloeden. Toxicologie heeft geen gegevens over veilige niveaus van kwik voor levende organismen.
Organische verbindingen van arseen zijn ook zeer giftig, vooral tijdens hun metabolische vernietiging (metabolische activering), wat resulteert in de vorming van zeer giftige anorganische vormen.
Verbrandingsproducten van aardgas. Stikstofdioxide kan inwerken op het longstelsel, wat de ontwikkeling vergemakkelijkt allergische reacties aan andere stoffen, vermindert de longfunctie, gevoeligheid voor infectieziekten van de longen, versterkt bronchiale astma en andere aandoeningen van de luchtwegen. Dit geldt vooral bij kinderen.
Er zijn aanwijzingen dat NO2 uit de verbranding van aardgas kan leiden tot:
ontsteking van het longstelsel en een afname van de vitale functie van de longen;
een verhoogd risico op astma-achtige symptomen, waaronder piepende ademhaling, kortademigheid en toevallen. Dit geldt vooral voor vrouwen die voedsel koken op gasfornuizen, maar ook voor kinderen;
afname van de weerstand tegen bacteriële longziekten als gevolg van een afname van de immunologische mechanismen van longafweer;
weergave van ongunstige effecten in het algemeen op het immuunsysteem van mens en dier;
effect als adjuvans op de ontwikkeling van allergische reacties op andere componenten;
verhoogde gevoeligheid en verhoogde allergische reactie op nevenallergenen.
De verbrandingsproducten van aardgas bevatten een vrij hoge concentratie waterstofsulfide (H2S), wat het milieu vervuilt. Het is giftig bij concentraties lager dan 50 ppm en bij een concentratie van 0,1-0,2% is het zelfs bij korte blootstelling dodelijk. Aangezien het lichaam een ​​mechanisme heeft om deze verbinding te ontgiften, wordt de toxiciteit van waterstofsulfide meer geassocieerd met de blootstellingsconcentratie dan met de duur van de blootstelling.
Hoewel zwavelwaterstof een sterke geur heeft, leidt de continue blootstelling aan lage concentraties tot reukverlies. Dit maakt een toxisch effect mogelijk op mensen die onbewust kunnen worden blootgesteld aan gevaarlijke niveaus van dit gas. Onbeduidende concentraties ervan in de lucht van woonruimten leiden tot irritatie van de ogen, nasopharynx. Matige niveaus veroorzaken hoofdpijn, duizeligheid en hoesten en kortademigheid. Hoge niveaus leiden tot shock, convulsies, coma, die eindigen in de dood. Overlevenden van acute toxische blootstelling aan waterstofsulfide ervaren neurologische stoornissen zoals geheugenverlies, tremoren, onbalans en soms ernstiger hersenletsel.
De acute toxiciteit van relatief hoge concentraties waterstofsulfide is bekend, maar helaas is er weinig informatie beschikbaar over chronische lage dosis blootstelling aan deze component.
Radon. Radon (222Rn) is ook aanwezig in aardgas en kan via pijpleidingen naar gasfornuizen worden getransporteerd, die bronnen van vervuiling worden. Aangezien radon vervalt tot lood (de halfwaardetijd van 210Pb is 3,8 dagen), leidt dit tot de vorming van een dunne laag radioactief lood (gemiddeld 0,01 cm dik), die de binnenoppervlakken van leidingen en apparatuur bedekt. De vorming van een laag radioactief lood verhoogt de achtergrondwaarde van radioactiviteit met enkele duizenden vervalsingen per minuut (over een oppervlakte van 100 cm2). Het verwijderen ervan is erg moeilijk en vereist vervanging van leidingen.
Houd er rekening mee dat het eenvoudigweg uitschakelen van de gasapparatuur niet voldoende is om toxische effecten te verlichten en verlichting te brengen bij chemisch gevoelige patiënten. Gasapparatuur moet volledig uit de kamer worden verwijderd, omdat zelfs een niet-werkend gasfornuis aromatische verbindingen blijft afgeven die het door de jaren heen heeft opgenomen.
De cumulatieve effecten van aardgas, de invloed van aromatische verbindingen en verbrandingsproducten op de menselijke gezondheid zijn niet precies bekend. Verwacht wordt dat de blootstelling aan meerdere verbindingen zich kan vermenigvuldigen, waarbij de respons van blootstelling aan meerdere verontreinigende stoffen groter is dan de som van de individuele effecten.
Zo zijn de kenmerken van aardgas die van belang zijn voor de gezondheid van mens en dier: ontvlambaarheid en explosieve aard;
verstikkende eigenschappen;
luchtvervuiling van gebouwen door verbrandingsproducten;
de aanwezigheid van radioactieve elementen (radon);
gehalte aan zeer giftige verbindingen in verbrandingsproducten;
de aanwezigheid van sporen van giftige metalen;
het gehalte aan giftige aromatische verbindingen toegevoegd aan aardgas (vooral voor mensen met meerdere chemische gevoeligheden);
het vermogen van gascomponenten om te sensibiliseren.

8.1. VERBRANDINGSREACTIES

Verbranding is een snelle chemische reactie van het combineren van brandbare componenten met zuurstof, vergezeld van een intense afgifte van warmte en een sterke stijging van de temperatuur van verbrandingsproducten. Verbrandingsreacties worden beschreven door de zogenaamde. stoichiometrische vergelijkingen die kwalitatief en kwantitatief reagerende en resulterende stoffen karakteriseren (De stoichiometrische samenstelling van het brandbare mengsel (van het Griekse stoicheion - de basis, het element en het Griekse metreo - ik meet) is de samenstelling van het mengsel waarin precies zoveel oxidatiemiddel zit als nodig is voor de volledige oxidatie van de brandstof)... De algemene reactievergelijking voor de verbranding van een koolwaterstof

C m H n + (m + n / 4) O 2 = mCO 2 + (n / 2) H 2 O + Q (8.1)

waarbij m, n het aantal koolstof- en waterstofatomen in het molecuul is; Q is de reactiewarmte of verbrandingswarmte.

De verbrandingsreacties van sommige gassen worden gegeven in de tabel. 8.1. Deze vergelijkingen zijn evenwichtsvergelijkingen en kunnen niet worden gebruikt om de reactiesnelheid of het mechanisme van chemische transformaties te beoordelen.

Tabel 8.1. Verbrandingsreacties en verbrandingswarmte van droge gassen (bij 0 ° C en 101,3 kPa)

Gas	verbrandingsreactie:	Verbrandingswarmte
		Molaar, kJ / kmol		Massa, kJ / kg		Volume, kJ / m 3
		de hoogste	inferieur	de hoogste	inferieur	de hoogste	inferieur
Waterstof	H 2 + 0,5O 2 = H 2 0	286,06	242,90	141 900	120 080	12 750	10 790
Koolmonoxide	CO + 0,5O 2 = CO 2	283,17	283,17	10 090	10 090	12 640	12 640
methaan	CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O	880,90	800,90	55 546	49 933	39 820	35 880
ethaan	C 2 H 6 + 0,5O 2 = 2CO 2 + 3H 2 O	1560,90	1425,70	52 019	47 415	70 310	64 360
Propaan	C 3 H 8 + 5H 2 O = 3CO 2 + 4H 2 O	2221,40	2041,40	50 385	46 302	101 210	93 180
n-butaan		2880,40	2655,00	51 344	47 327	133 800	123 570
Isobutaan	C 4 H 10 + 6.5O 2 = 4CO 2 + 5H 2 O	2873,50	2648,30	51 222	47 208	132 960	122 780
n-Pentaan	C 5 H 12 + 8O 2 = 5CO 2 + 6H 2 O	3539,10	3274,40	49 052	45 383	169 270	156 630
Ethyleen	C 2 H 4 + 3O 2 = 2CO 2 + 2H 2 O	1412,00	1333,50	50 341	47 540	63 039	59 532
propyleen	C 3 H 6 + 4.5O 2 = 3CO 2 + 3H 2 O	2059,50	1937,40	48 944	46 042	91 945	88 493
butyleen	C 4 H 8 + 6O 2 = 4CO 2 + 4H 2 O	2720,00	2549,70	48 487	45 450	121 434	113 830

THERMISCHE EFFECT (verbrandingswarmte) Q - de hoeveelheid warmte die vrijkomt bij de volledige verbranding van 1 kmol, 1 kg of 1 m 3 gas onder normale fysieke omstandigheden. Maak onderscheid tussen de hoogste Q in en de laagste Q n verbrandingswarmte: de hoogste verbrandingswarmte omvat de condensatiewarmte van waterdamp tijdens de verbranding (in werkelijkheid, wanneer gas wordt verbrand, condenseert waterdamp niet, maar wordt samen met andere verbrandingsproducten). Doorgaans zijn technische berekeningen meestal gebaseerd op de laagste verbrandingswarmte, exclusief de condensatiewarmte van waterdamp (≈2400 kJ / kg).

Het rendement, berekend uit de laagste verbrandingswarmte, is formeel hoger, maar de condensatiewarmte van waterdamp is voldoende hoog en het gebruik ervan is meer dan doelmatig. Dit wordt bevestigd door het actieve gebruik van contactwarmtewisselaars in de verwarmingstechnologie, die zeer divers van ontwerp zijn.

Voor een mengsel van brandbare gassen wordt de hoogste (en laagste) verbrandingswarmte van gassen bepaald door de verhouding

Q = r 1 Q 1 + r 2 Q 2 + ... + r n Q n (8,2)

waarbij r 1, r 2, ..., rn - volumetrische (molaire, massa) fracties van de componenten die in het mengsel zijn opgenomen; Q 1, Q 2,…, Q n is de verbrandingswarmte van de componenten.

De tafel gebruiken. 8.1, hogere en lagere verbrandingswarmte, kJ / m 3, samengesteld gas kan worden bepaald door de volgende formules:

Qin = 127,5 H 2 + 126,4 CO + 398 CH 4 + 703 C 2 H 6 + 1012 C 8 H 8 + 1338 C 4 H 10 + 1329 C 4 H 10 +
+ 1693 C 5 H 12 + 630 C 2 H 4 + 919 C 3 H 6 +1214 C 4 H 8 (8,3)

Q n = 107,9 H 2 + 126,4 CO + 358,8 CH 4 + 643 C 2 H 6 + 931,8 C 8 H 8 + 1235 C 4 H 10 + 1227 C 4 H 10 +
+ 1566 C 5 H 12 + 595 C 2 H 4 + 884 C 8 H 6 + 1138 C 4 H 8 (8,4)

waarbij H 2, CO, CH 4, enz. - het gehalte aan afzonderlijke componenten in gasbrandstof, vol. %.

Het verbrandingsproces is veel gecompliceerder dan volgens formule (8.1), omdat ze samen met de vertakking van de ketens worden beëindigd door de vorming van intermediaire stabiele verbindingen, die bij hoge temperaturen verdere transformaties ondergaan. Bij voldoende zuurstofconcentratie worden de eindproducten gevormd: waterdamp H 2 O en kooldioxide CO 2. Bij gebrek aan een oxidatiemiddel, evenals bij koeling van de reactiezone, kunnen tussenverbindingen worden gestabiliseerd en in het milieu worden vrijgegeven.

De intensiteit van de warmteafgifte en een stijging van de temperatuur leiden tot een toename van de actieve deeltjes in het reagerende systeem. Deze onderlinge koppeling van kettingreactie en temperatuur, inherent aan bijna alle verbrandingsprocessen, leidde tot de introductie van het concept van een thermische kettingexplosie - de chemische verbrandingsreacties zelf zijn van kettingkarakter en hun versnelling vindt plaats door het vrijkomen van warmte en een stijging van de temperatuur in het reagerende systeem.

De snelheid van een chemische reactie in een homogeen mengsel is evenredig met het product van de concentraties van de reactanten:

w = kС 1 С 2 (8,5)

waarbij C 1 en C 2 de concentraties van de reagerende componenten zijn, kmol / m 3; k is de reactiesnelheidsconstante, die afhangt van de aard van de reagerende stoffen en temperatuur.

Wanneer gas wordt verbrand, kan de concentratie van reactanten voorwaardelijk als onveranderd worden beschouwd, omdat er in de verbrandingszone een continue instroom is van verse componenten van een samenstelling met één waarde.

Reactiesnelheidsconstante (volgens de Arrhenius-vergelijking):

K = K 0 e -E / RT (8,6)

waarbij K 0 de pre-exponentiële factor is die wordt aangenomen voor biometrische homogene mengsels, ≈ 1,0; E is de activeringsenergie, kJ / kmol; R - universele gasconstante, J / (kg K); Т - absolute temperatuur, К (° С); e is de basis van natuurlijke logaritmen.

De pre-exponentiële factor Ko kan worden geïnterpreteerd als een constante die de volledigheid van de botsing van moleculen weergeeft, en E - als de minimale energie voor het verbreken van de bindingen van moleculen en de vorming van actieve deeltjes die de effectiviteit van botsingen garanderen. Voor gewone brandbare mengsels is dit binnen (80 ÷ 150) 10 3 kJ / kmol.

Vergelijking (8.6) laat zien dat de snelheid van chemische reacties sterk toeneemt met een temperatuurstijging: een temperatuurstijging van 500 tot 1000 K leidt bijvoorbeeld tot een toename van de snelheid van de verbrandingsreactie met 2 10 4 ÷ 5 10 8 keer (afhankelijk van de activeringsenergie).

De snelheid van verbrandingsreacties wordt beïnvloed door hun ketenkarakter. Atomen en radicalen die aanvankelijk door de reactie worden gegenereerd, gaan verbindingen aan met de oorspronkelijke stoffen en met elkaar, waarbij ze eindproducten en nieuwe deeltjes vormen en dezelfde keten van reacties herhalen. De toenemende generatie van dergelijke deeltjes leidt tot de "versnelling" van chemische reacties - in feite de explosie van het hele mengsel.

Verbranding bij hoge temperatuur van koolwaterstoffen is complex en gaat gepaard met de vorming van actieve deeltjes in de vorm van atomen en radicalen, evenals intermediaire moleculaire verbindingen. Als voorbeeld worden de verbrandingsreacties van de eenvoudigste koolwaterstof, methaan, gegeven:

1. H + O 2 - ›OH + O
   CH 4 + OH -> CH 3 + H 2 O
   CH 4 + O - ›CH 2 + H 2 O
2. СН 3 + О 2 - ›НСНО + ОН
   СН 2 + О 2 - ›НСНО + О
3. НСНО + ОН - ›НСО + Н 2 О
   НСНО + О - ›СО + Н 2 О
   НСО + О 2 - ›СО + О + ОН
4. CO + O - ›CO 2
   CO + OH - ›CO 2 + H

Resultaat enkele cyclus:

2СН 4 + 4О 2 - ›2СО 2 + 4Н 2 О

8.2. VERBRANDINGSBEREKENINGEN

Zuurstof voor verbranding komt uit de lucht omdat het onderdeel... Voor berekeningen wordt aangenomen dat de volumetrische samenstelling van droge lucht als volgt is:

zuurstof - 21,0%, stikstof - 79,0%.

Volgens de gegeven informatie zit 1 m 3 zuurstof in 100/21 = 4,76 m 3 lucht, of 79/21 = 3,76 m 3 stikstof op 1 m 3 zuurstof. Aangezien 1 kmol gas onder normale omstandigheden een volume van 22,4 liter inneemt, kan de verbrandingsreactie (zie vergelijking 8.1) van elke koolwaterstof in lucht in een algemene vorm worden geschreven:

C m H n + (t + n / 4) (O 2 + 3.76N 2) = tCO 2 + (n / 2) H 2 O + (t + n / 4) 3.76N 2

De vereisten voor zuurstof en lucht tijdens de verbranding van verschillende gassen, berekend op basis van de gegeven verbrandingsreacties, zijn weergegeven in de tabel. 8.2.

Tabel 8.2. Theoretische vraag naar droge zuurstof en lucht, m ​​3, en de hoeveelheid gasverbrandingsproducten bij verbranding van 1 m 3 gas

Gas	theoretische behoefte		Verbrandingsproducten
	zuurstof	lucht	kooldioxide	waterdamp	stikstof-	Totaal
Waterstof H 2	0,5	2,38	–	1,0	1,88	2,88
Koolmonoxide CO	0,5	2,38	1,0	–	1,88	2,88
Methaan CH 4	2,0	9,52	1,0	2,0	7,52	10,52
Ethaan C 2 H 6	3,5	16,66	2,0	3,0	13,16	18,16
Propaan C 3 H 8	5,0	23,80	3,0	4,0	18,80	25,80
Butaan C 4 H 10	6,5	30,94	4,0	5,0	24,44	33,44
Pentaan C 5 H 12	8,0	38,08	5,0	6,0	30,08	41,08
Ethyleen C 2 H 4	3,0	14,28	2,0	2,0	11,28	15,28
Propeen C 3 H 6	4,5	21,42	3,0	3,0	16,92	22,92
Butyleen C 4 H 8	6,0	28,56	4,0	4,0	22,56	30,56
Pentyleen C 5 H 10	7,5	35,70	5,0	5,0	28,20	38,20
Acetyleen C 2 H 2	2,5	11,90	2,0	1,0	9,40	12,40

Voor een complex gas wordt het verbruik van droge lucht V c, m 3 / m 3, berekend met behulp van de formule die rekening houdt met het zuurstofverbruik van de afzonderlijke componenten van het mengsel:

V c = 4.76 / 100 (0.5H 2 + 0.5CO + 2CH 4 + 3.5C 2 H 6 + 5C 3 H 8 + 6.5C 4 H 10 + 3C 2 H 4 + 4.5C 3 H 6 + 6C 4 H 8 - О 2) (8.7)

Het theoretische debiet van vochtige lucht V vl, m 3 / m 3, is groter dan dat bepaald door de formule (8.7) door het volume waterdamp dat erin zit:

V vl = V s + 0,001244d in V s (8,8)

waar d in - luchtvochtigheid, g / m 3.

Met een onbekende chemische samenstelling van gassen, maar een bekende lagere verbrandingswarmte Q n, kJ / m 3, het theoretische luchtverbruik V t, m 3 / m 3,

V t ≈ Q n / 3770 (8,9)

Het werkelijke luchtverbruik V dv, m 3 / m 3, wordt altijd enigszins groot verondersteld:

V dv = V t . (8.10)

waarbij α de overtollige luchtcoëfficiënt is die voldoet aan de vereisten van GOST. Voor volledige verbranding van brandstof moet de waarde van α groter zijn dan 1. De samenstelling en het volume van verbrandingsproducten, berekend op basis van de verbrandingsreacties van sommige gassen in droge lucht, worden gegeven in de tabel. 8.2.

8.3. BRANDTEMPERATUUR

In de warmtetechniek worden de volgende verbrandingstemperaturen van gassen onderscheiden: warmteafgifte, calorimetrisch, theoretisch en actueel (berekend). Verwarmingscapaciteit t w is de maximale temperatuur van de producten van volledige gasverbranding in adiabatische omstandigheden met een luchtovermaatfactor α = 1,0 en bij een gas- en luchttemperatuur gelijk aan 0 ° C:

t w = Q n / (∑Vc p) (8.11)

waarbij Q n - de laagste verbrandingswarmte van gas, kJ / m 3; ∑Vc p is de som van de producten van de volumes kooldioxide, waterdamp en stikstof gevormd tijdens de verbranding van 1 m 3 gas (m 3 / m 3), en hun gemiddelde volumetrische warmtecapaciteiten bij constante druk binnen de temperatuur bereik van 0 ° C tot tl (kJ / (m 3 o ° C).

Vanwege de inconsistentie van de warmtecapaciteit van gassen, wordt de warmteafgifte bepaald door de methode van opeenvolgende benaderingen. Als initiële parameter wordt de waarde voor aardgas (≈2000 ° C) genomen, bij α = 1,0 worden de volumes van de componenten van verbrandingsproducten bepaald volgens de tabel. 8.3 wordt hun gemiddelde warmtecapaciteit gevonden en vervolgens wordt volgens de formule (8.11) de warmtecapaciteit van het gas berekend. Als uit de berekening blijkt dat deze lager of hoger is dan de geaccepteerde, wordt een andere temperatuur ingesteld en wordt de berekening herhaald.

Tabel 8.3. Gemiddelde volumetrische warmtecapaciteit van gassen, kJ / (m 3 ° С)

Temperatuur, °	CO2	N2	O 2	CO	CH 4	H 2	H 2 O (waterdamp)	lucht
								droog	nat 1 m 3 droog gas
0	1,5981	1,2970	1,3087	1,3062	1,5708	1,2852	1,4990	1,2991	1,3230
100	1,7186	1,2991	1,3209	1,3062	1,6590	1,2978	1,5103	1,3045	1,3285
200	1,8018	1,3045	1,3398	1,3146	1,7724	1,3020	1,5267	1,3142	1,3360
300	1,8770	1,3112	1,3608	1,3230	1,8984	1,3062	1,5473	1,3217	1,3465
400	1,9858	1,3213	1,3822	1,3356	2,0286	1,3104	1,5704	1,3335	1,3587
500	2,0030	1,3327	1,4024	1,3482	2,1504	1,3104	1,5943	1,3469	1,3787
600	2,0559	1,3453	1,4217	1,3650	2,2764	1,3146	1,6195	1,3612	1,3873
700	2,1034	1,3587	1,3549	1,3776	2,3898	1,3188	1,6464	1,3755	1,4020
800	2,1462	1,3717	1,4549	1,3944	2,5032	1,3230	1,6737	1,3889	1,4158
900	2,1857	1,3857	1,4692	1,4070	2,6040	1,3314	1,7010	1,4020	1,4293
1000	2,2210	1,3965	1,4822	1,4196	2,7048	1,3356	1,7283	1,4141	1,4419
1100	2,2525	1,4087	1,4902	1,4322	2,7930	1,3398	1,7556	1,4263	1,4545
1200	2,2819	1,4196	1,5063	1,4448	2,8812	1,3482	1,7825	1,4372	1,4658
1300	2,3079	1,4305	1,5154	1,4532	–	1,3566	1,8085	1,4482	1,4771
1400	2,3323	1,4406	1,5250	1,4658	–	1,3650	1,8341	1,4582	1,4876
1500	2,3545	1,4503	1,5343	1,4742	–	1,3818	1,8585	1,4675	1,4973
1600	2,3751	1,4587	1,5427	–	–	–	1,8824	1,4763	1,5065
1700	2,3944	1,4671	1,5511	–	–	–	1,9055	1,4843	1,5149
1800	2,4125	1,4746	1,5590	–	–	–	1,9278	1,4918	1,5225
1900	2,4289	1,4822	1,5666	–	–	–	1,9698	1,4994	1,5305
2000	2,4494	1,4889	1,5737	1,5078	–	–	1,9694	1,5376	1,5376
2100	2,4591	1,4952	1,5809	–	–	–	1,9891	–	–
2200	2,4725	1,5011	1,5943	–	–	–	2,0252	–	–
2300	2,4860	1,5070	1,5943	–	–	–	2,0252	–	–
2400	2,4977	1,5166	1,6002	–	–	–	2,0389	–	–
2500	2,5091	1,5175	1,6045	–	–	–	2,0593	–	–

De warmteafgifte van gewone eenvoudige en complexe gassen bij verbranding in droge lucht wordt gegeven in de tabel. 8.4. Bij het verbranden van gas in atmosferische lucht met ongeveer 1 gew. % vocht, warmteproductie neemt af met 25-30 ° С.

Tabel 8.4. Verwarmingscapaciteit van gassen in droge lucht

eenvoudig gas	Verwarmingscapaciteit, ° С	Complex gas gemiddelde compositie	Geschatte verwarmingscapaciteit, ° С
Waterstof	2235	Aardgasvelden	2040
Koolmonoxide	2370	Natuurlijke olievelden	2080
methaan	2043	Cokes	2120
ethaan	2097	Hoge temperatuur distillatie van schalie	1980
Propaan	2110	Stoom-zuurstofstoot onder druk	2050
Butaan	2118	Vet kolen generator	1750
pentaan	2119	Generator stoom-luchtstoot uit magere brandstoffen	1670
Ethyleen	2284	Vloeibaar gemaakt (50% C 3 H 4 + 50% C 4 H 10)	2115
Acetyleen	2620		2210

Calorimetrische verbrandingstemperatuur t k - temperatuur bepaald zonder rekening te houden met de dissociatie van waterdamp en kooldioxide, maar rekening houdend met de werkelijke begintemperatuur gas en lucht. Het verschilt van de warmteafgifte t doordat de temperatuur van het gas en de lucht, evenals de coëfficiënt van de overtollige lucht α, worden genomen volgens hun werkelijke waarden. Je kunt t tot bepalen met de formule:

t tot = (Q n + q fysiek) / (ΣVc p) (8.12)

waarbij q fysiek de warmte-inhoud (fysieke warmte) van gas en lucht is, gemeten vanaf 0°C, kJ/m 3.

Natuurlijke en vloeibaar gemaakte petroleumgassen worden meestal niet verwarmd vóór verbranding en hun volume in vergelijking met het volume verbrandingslucht is klein. Daarom kan bij het bepalen van de calorimetrische temperatuur de warmte-inhoud van gassen worden genegeerd. Bij het verbranden van gassen met een lage calorische waarde (generator, hoogoven, enz.), heeft hun warmte-inhoud (vooral verwarmd voor verbranding) een zeer significant effect op de calorimetrische temperatuur.

De afhankelijkheid van de calorimetrische temperatuur van aardgas van gemiddelde samenstelling in lucht met een temperatuur van 0 ° C en een vochtigheid van 1% van de overtollige luchtfactor α wordt gegeven in de tabel. 8.5, voor vloeibaar petroleumgas bij verbranding in droge lucht - in tabel. 8.7. Tabel gegevens. 8.5–8.7 kan men met voldoende nauwkeurigheid worden geleid bij het vaststellen van de calorimetrische temperatuur van de verbranding van andere aardgassen die relatief gelijkaardig zijn in samenstelling, en koolwaterstofgassen praktisch van elke samenstelling. Als het nodig is om een ​​hoge temperatuur te verkrijgen bij het verbranden van gassen met een lage luchtovermaat, evenals voor efficiëntie verbeteren ovens verwarmen ze in de praktijk de lucht, wat leidt tot een verhoging van de calorimetrische temperatuur (zie tabel 8.6).

Tabel 8.5. Calorimetrische en theoretische temperaturen van aardgasverbranding in lucht met t = 0 ° С en vochtigheid 1% afhankelijk van de overtollige luchtcoëfficiënt α

		Theoretische verbrandingstemperatuur t t, ° С	Overtollige luchtverhouding α	Calorimetrische verbrandingstemperatuur t к, ° С
1,0	2010	1920	1,33	1620
1,02	1990	1900	1,36	1600
1,03	1970	1880	1,40	1570
1,05	1940	1870	1,43	1540
1,06	1920	1860	1,46	1510
1,08	1900	1850	1,50	1470
1,10	1880	1840	1,53	1440
1,12	1850	1820	1,57	1410
1,14	1820	1790	1,61	1380
1,16	1800	1770	1,66	1350
1,18	1780	1760	1,71	1320
1,20	1760	1750	1,76	1290
1,22	1730	–	1,82	1260
1,25	1700	–	1,87	1230
1,28	1670	–	1,94	1200
1,30	1650	–	2,00	1170

Tabel 8.6. Calorimetrische temperatuur van aardgasverbranding t tot, ° С, afhankelijk van de verhouding van overtollige droge lucht en de temperatuur ervan (afgeronde waarden)

Overtollige luchtverhouding α	Droge luchttemperatuur, ° С
	20	100	200	300	400	500	600	700	800
0,5	1380	1430	1500	1545	1680	1680	1740	1810	1860
0,6	1610	1650	1715	1780	1840	1900	1960	2015	2150
0,7	1730	1780	1840	1915	1970	2040	2100	2200	2250
0,8	1880	1940	2010	2060	2130	2200	2260	2330	2390
0,9	1980	2030	2090	2150	2220	2290	2360	2420	2500
1,0	2050	2120	2200	2250	2320	2385	2450	2510	2560
1,2	1810	1860	1930	2000	2070	2140	2200	2280	2350
1,4	1610	1660	1740	1800	2870	1950	2030	2100	2160
1,6	1450	1510	1560	1640	1730	1800	1860	1950	2030
1,8	1320	1370	1460	1520	1590	1670	1740	1830	1920
2,0	1220	1270	1360	1420	1490	1570	1640	1720	1820

Tabel 8.7. Calorimetrische verbrandingstemperatuur t tot technisch propaan in droge lucht met t = 0 ° С afhankelijk van de overtollige luchtcoëfficiënt α

Overtollige luchtverhouding α	Calorimetrische verbrandingstemperatuur t к, ° С	Overtollige luchtverhouding α	Calorimetrische verbrandingstemperatuur t к, ° С
1,0	2110	1,45	1580
1,02	2080	1,48	1560
1,04	2050	1,50	1540
1,05	2030	1,55	1500
1,07	2010	1,60	1470
1,10	1970	1,65	1430
1,12	1950	1,70	1390
1,15	1910	1,75	1360
1,20	1840	1,80	1340
1,25	1780	1,85	1300
1,27	1750	1,90	1270
1,30	1730	1,95	1240
1,35	1670	2,00	1210
1,40	1630	2,10	1170

Theoretische verbrandingstemperatuur t T is de maximale temperatuur, op dezelfde manier bepaald als de calorimetrische t to, maar met een correctie voor endotherme (warmtebehoefte) reacties van dissociatie van kooldioxide en waterdamp, voortgaand met een toename in volume:

СО 2 ‹–› СО + 0,5О 2 - 283 mJ / mol (8,13)

Н 2 О ‹–› Н 2 + 0,5О 2 - 242 mJ / mol (8,14)

Bij hoge temperaturen kan dissociatie leiden tot de vorming van atomaire waterstof-, zuurstof- en OH-hydroxylgroepen. Bovendien produceert de verbranding van gas altijd een bepaalde hoeveelheid stikstofoxide. Al deze reacties zijn endotherm en leiden tot een verlaging van de verbrandingstemperatuur.

De theoretische verbrandingstemperatuur kan worden bepaald met behulp van de volgende formule:

t T = (Q n + q fysiek - q dis) / (ΣVc p) (8.15)

waarbij q dis het totale warmteverbruik is voor de dissociatie van СО 2 en Н 2 О in verbrandingsproducten, kJ / m 3; ΣVc p - de som van het product van het volume en de gemiddelde warmtecapaciteit van de verbrandingsproducten, rekening houdend met dissociatie per 1 m 3 gas.

Tabel 8.8. De mate van dissociatie van waterdamp H 2 O en kooldioxide CO 2 afhankelijk van de partiële druk

Temperatuur, °	Partiële druk, MPa
	0,004	0,006	0,008	0,010	0,012	0,014	0,016	0,018	0,020	0,025	0,030	0,040
Waterdamp H 2 O
1600	0,85	0,75	0,65	0,60	0,58	0,56	0,54	0,52	0,50	0,48	0,46	0,42
1700	1,45	1,27	1,16	1,08	1,02	0,95	0,90	0,85	0,8	0,76	0,73	0,67
1800	2,40	2,10	1,90	1,80	1,70	1,60	1,53	1,46	1,40	1,30	1,25	1,15
1900	4,05	3,60	3,25	3,0	2,85	2,70	2,65	2,50	2,40	2,20	2,10	1,9
2000	5,75	5,05	4,60	4,30	4,0	3,80	3,55	3,50	3,40	3,15	2,95	2,65
2100	8,55	7,50	6,80	6,35	6,0	5,70	5,45	5,25	5,10	4,80	4,55	4,10
2200	12,3	10,8	9,90	9,90	8,80	8,35	7,95	7,65	7,40	6,90	6,50	5,90
2300	16,0	15,0	13,7	12,9	12,2	11,6	11,1	10,7	10,4	9,6	9,1	8,4
2400	22,5	20,0	18,4	17,2	16,3	15,6	15,0	14,4	13,9	13,0	12,2	11,2
2500	28,5	25,6	23,5	22,1	20,9	20,0	19,3	18,6	18,0	16,8	15,9	14,6
3000	70,6	66,7	63,8	61,6	59,6	58,0	56,5	55,4	54,3	51,9	50,0	47,0
Kooldioxide CO 2
1500	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4	–
1600	2,0	1,8	1,6	1,5	1,45	1,4	1,35	1,3	1,25	1,2	1,1
1700	3,8	3,3	3,0	2,8	2,6	2,5	2,4	2,3	2,2	2,0	1,9
1800	6,3	5,5	5,0	4,6	4,4	4,2	4,0	3,8	3,7	3,5	3,3
1900	10,1	8,9	8,1	7,6	7,2	6,8	6,5	6,3	6,1	5,6	5,3
2000	16,5	14,6	13,4	12,5	11,8	11,2	10,8	10,4	10,0	9,4	8,8
2100	23,9	21,3	19,6	18,3	17,3	16,5	15,9	15,3	14,9	13,9	13,1
2200	35,1	31,5	29,2	27,5	26,1	25,0	24,1	23,3	22,6	21,2	20,1
2300	44,7	40,7	37,9	35,9	34,3	32,9	31,8	30,9	30,0	28,2	26,9
2400	56,0	51,8	48,8	46,5	44,6	43,1	41,8	40,6	39,6	37,5	35,8
2500	66,3	62,2	59,3	56,9	55,0	53,4	52,0	50,7	49,7	47,3	45,4
3000	94,9	93,9	93,1	92,3	91,7	90,6	90,1	89,6	88,5	87,6	86,8

Zoals je aan de tafel kunt zien. 8.8, bij temperaturen tot 1600 ° C kan de dissociatiegraad worden verwaarloosd en kan de theoretische verbrandingstemperatuur gelijk worden gesteld aan de calorimetrische temperatuur. Bij hogere temperaturen kan de mate van dissociatie de temperatuur in de werkruimte aanzienlijk verlagen. In de praktijk is hier geen bijzondere behoefte aan, de theoretische verbrandingstemperatuur moet alleen worden bepaald voor hoge temperatuur ovens werkend op voorverwarmde lucht (bijvoorbeeld openhaarden). Bij ketelinstallaties is dit niet nodig.

Tabel 8.9. Maximaal
optredende temperaturen
in vrije vlam, ° С

Werkelijke (berekende) temperatuur van verbrandingsproducten t d- de temperatuur die onder reële omstandigheden wordt bereikt op het heetste punt van de toorts. Het is lager dan de theoretische en hangt af van het warmteverlies naar de omgeving, de mate van warmteoverdracht van de verbrandingszone door straling, de lengte van het verbrandingsproces in de tijd, enz. De werkelijke gemiddelde temperaturen in ovens van ovens en ketels zijn bepaald door de warmtebalans of bij benadering door de theoretische of calorimetrische verbrandingstemperatuur op de temperatuur in de ovens met de introductie van experimenteel vastgestelde correctiefactoren daarin:

t d = t t η (8.16)

waarbij η de zogenaamde . is pyrometrische coëfficiënt binnen:

• voor hoogwaardige thermische en verwarmingsovens met thermische isolatie - 0,75–0,85;
• voor gesloten ovens zonder thermische isolatie - 0,70-0,75;
• voor afgeschermde ketelovens - 0,60-0,75.

In de praktijk is het noodzakelijk om niet alleen de hierboven vermelde adiabatische verbrandingstemperaturen te kennen, maar ook de maximumtemperaturen die in de vlam optreden. Hun geschatte waarden worden meestal experimenteel vastgesteld met spectrografische methoden. De maximale temperaturen die optreden in een vrije vlam op een afstand van 5-10 mm vanaf de bovenkant van het conische verbrandingsfront worden gegeven in de tabel. 8.9. Uit de analyse van de gepresenteerde gegevens blijkt dat de maximale temperaturen in de vlam lager zijn dan de warmteafgifte (vanwege het verbruik van warmte voor de dissociatie van H 2 O en CO 2 en de afvoer van warmte uit de vlamzone).

8.4. ZELFONTSTEKINGSTEMPERATUUR

Om verbrandingsreacties op gang te brengen, zijn voorwaarden voor de ontsteking van een mengsel van brandstof met een oxidatiemiddel vereist. Ontsteking kan spontaan en geforceerd zijn (ontsteking).

Zelfontbranding temperatuur- de minimumtemperatuur waarbij een spontaan (d.w.z. zonder externe warmtetoevoer) verbrandingsproces begint in het verwarmde gas-luchtmengsel, door het vrijkomen van warmte door verbranding van gasdeeltjes.

De zelfontbrandingstemperatuur is niet vast voor een bepaald gas en hangt af van vele parameters: het gehalte in het gas-luchtmengsel, de mate van homogeniteit van het mengsel, de vorm en grootte van het vat waarin het mengsel wordt verwarmd, de snelheid en verwarmingsmethode, het katalytische effect van de vatwanden, de druk waaronder het wordt gemengd. Het nauwkeurig verantwoorden van de genoemde factoren is erg moeilijk, daarom wordt in de praktijk bijvoorbeeld bij de beoordeling van het explosiegevaar gebruik gemaakt van experimentele gegevens (zie tabel 8.10).

Tabel 8.10. De laagst gemeten zelfontbrandingstemperaturen van sommige gassen en dampen vermengd met lucht bij atmosferische druk

De zelfontbrandingstemperaturen van brandbare gassen in zuurstof zijn iets lager dan in lucht. De introductie van ballastverontreinigingen (stikstof en kooldioxide) in de samenstelling van gassen leidt tot een verhoging van de zelfontbrandingstemperatuur. De aanwezigheid van componenten met een lage zelfontbrandingstemperatuur in complexe gassen leidt tot een verlaging van de zelfontbrandingstemperatuur van het mengsel.

Geforceerde ontsteking (ontsteking) wordt uitgevoerd door het mengsel op een of meerdere punten te ontsteken met een bron van hoge temperatuur - een open vlam of een elektrische vonk op het punt van gasuitgang van de verbrandingskanalen van de branders in de verbranding kamer. Ontsteking verschilt van zelfontbranding doordat het brandbare mengsel niet in het gehele volume, maar slechts in een klein deel ervan tot een vlam wordt gebracht. Warmteafvoer uit de verwarmde zone vereist dat de snelheid van warmteafgifte uit de ontstekingsbron groter is dan deze warmteafvoer. Na ontsteking wordt de ontstekingsbron verwijderd en vindt verbranding plaats door de voortplanting van het vlamfront.

8.5. BRANDBAARHEID EN EXPLOSIEGRENZEN

Gas-luchtmengsels kunnen alleen ontbranden (exploderen) wanneer het gasgehalte in het mengsel binnen bepaalde (per gas) grenzen ligt. Hierbij wordt onderscheid gemaakt tussen de onder- en bovengrens van de ontvlambaarheid. De ondergrens komt overeen met het minimum en de bovengrens is Maximaal nummer gas in het mengsel, waarin ze ontbranden (bij ontsteking) en spontane (zonder instroom van warmte van buitenaf) vlamvoortplanting (zelfontbranding). Dezelfde limieten komen overeen met de explosiviteitsvoorwaarden van gas-luchtmengsels.

Als het gasgehalte in het gas-luchtmengsel lager is dan de onderste brandbaarheidsgrens, kan een dergelijk mengsel niet verbranden en exploderen, aangezien de warmte die vrijkomt nabij de ontstekingsbron onvoldoende is om het mengsel tot de ontstekingstemperatuur te verwarmen. Als het gasgehalte in het mengsel tussen de onderste en bovenste ontvlambaarheidsgrenzen ligt, ontsteekt en verbrandt het ontstoken mengsel zowel nabij de ontstekingsbron als wanneer het wordt verwijderd. Dit mengsel is explosief. Hoe groter het bereik van de ontvlambaarheidsgrenzen (ook wel explosiegrenzen genoemd) en hoe lager de ondergrens, hoe explosiever het gas is. Ten slotte, als het gasgehalte in het mengsel de bovenste ontvlambaarheidsgrens overschrijdt, is de hoeveelheid lucht in het mengsel onvoldoende voor volledige verbranding van het gas.

Het bestaan ​​van ontvlambaarheidsgrenzen wordt veroorzaakt door warmteverlies tijdens de verbranding. Wanneer het brandbare mengsel wordt verdund met lucht, zuurstof of gas, nemen de warmteverliezen toe, neemt de voortplantingssnelheid van de vlam af en stopt de verbranding nadat de ontstekingsbron is verwijderd.

Tabel 8.11. Ontvlambaarheidsgrenzen van gassen gemengd met lucht (bij t = 20 ° C en p = 101,3 kPa)

Gas	Gasgehalte in het gas-luchtmengsel, vol. %				Maximaal explosiedruk, MPa	Overmaat luchtfactor α bij ontstekingsgrenzen
	Bij ontvlambaarheidsgrenzen		Met een stoichiometrische samenstelling van het mengsel	Met de samenstelling van het mengsel die de maximale explosiedruk geeft
	lager	bovenste				lager	bovenste
Waterstof	4,0	75,0	29,5	32,3	0,739	9,8	0,15
Koolmonoxide	12,5	74,0	29,5	–	–	2,9	0,15
methaan	5,0	15,0	9,5	9,8	0,717	1,8	0,65
ethaan	3,2	12,5	5,68	6,28	0,725	1,9	0,42
Propaan	2,3	9,5	4,04	4,60	0,858	1,7	0,40
n-Bhutan	1,7	8,5	3,14	3,6	0,858	1,7	0,35
Isobutaan	1,8	8,4	3,14	–	–	~1,8	0,35
n-Pentaan	1,4	7,8	2,56	3,0	0,865	1,8	0,31
Ethyleen	3,0	16,0	6,5	8,0	0,886	2,2	0,17
propyleen	2,4	10,0	4,5	~5,1	~0,89	1,9	0,37
butyleen	1,7	9,0	3,4	~4,0	~0,88	1,7	0,35
Acetyleen	2,5	80,0	7,75	14,5	1,03	3,3	0,019

Tabel 8.12. Ontvlambaarheidsgrenzen van gassen gemengd met zuurstof (bij t = 20 ° C en p = 101,3 kPa)

De ontvlambaarheidsgrenzen voor gewone gassen gemengd met lucht en zuurstof worden gegeven in de tabel. 8.11-8.12. Met een toename van de temperatuur van het mengsel, breiden de ontvlambaarheidsgrenzen uit en bij een temperatuur die de zelfontbrandingstemperatuur overschrijdt, verbranden mengsels van gas met lucht of zuurstof bij elke volumeverhouding.

De ontvlambaarheidsgrenzen hangen niet alleen af ​​van de soorten brandbare gassen, maar ook van de experimentele omstandigheden (vatcapaciteit, thermisch vermogen van de ontstekingsbron, mengseltemperatuur, vlamvoortplanting omhoog, omlaag, horizontaal, enz.). Dit verklaart de enigszins verschillende betekenissen van deze limieten in verschillende literaire bronnen. Tafel 8.11–8.12 toont relatief betrouwbare gegevens verkregen bij kamertemperatuur en atmosferische druk wanneer de vlam zich van onder naar boven verspreidt in een buis met een diameter van 50 mm of meer. Wanneer de vlam zich van boven naar beneden of horizontaal verspreidt, nemen de ondergrenzen iets toe en de bovengrenzen af. De ontvlambaarheidsgrenzen van complexe brandbare gassen die geen ballastverontreinigingen bevatten, worden bepaald volgens de optelsomregel:

L g = (r 1 + r 2 +… + r n) / (r 1 / l 1 + r 2 / l 2 +… + r n / l n) (8.17)

waarbij Lg de onderste of bovenste ontvlambaarheidsgrens is van een complex gas in een gas-lucht- of gas-zuurstofmengsel, vol. %; r 1, r 2, ..., r n - het gehalte aan individuele componenten in het complexe gas, vol. %; r 1 + r 2 + ... + r n = 100%; l 1, l 2, ..., l n - onder- of bovengrenzen van ontvlambaarheid van afzonderlijke componenten in een gas-lucht- of gas-zuurstofmengsel volgens de tabel. 8.11 of 8.12, vol. %.

In aanwezigheid van ballastverontreinigingen in het gas kunnen de ontvlambaarheidsgrenzen worden bepaald met de formule:

Lb = Lg /(8.18)

waarbij L b - de bovenste en onderste ontvlambaarheidsgrenzen van het mengsel met ballastverontreinigingen, vol. %; L g - bovenste en onderste ontvlambaarheidsgrenzen van een brandbaar mengsel, vol. %; B - de hoeveelheid ballastonzuiverheden, eenheidsfracties.

Bij het berekenen is het vaak nodig om de overmaat luchtcoëfficiënt α bij verschillende ontvlambaarheidsgrenzen te kennen (zie tabel 8.11), evenals de druk die ontstaat door de explosie van het gas-luchtmengsel. De overmaat luchtverhouding die overeenkomt met de bovenste of onderste ontvlambaarheidsgrenzen kan worden bepaald door de formule:

α = (100 / L - 1) (1 / V T) (8.19)

De druk die ontstaat door de explosie van gas-luchtmengsels kan met voldoende benadering worden bepaald met de volgende formules:

voor de stoichiometrische verhouding van een eenvoudig gas tot lucht:

P vz = P n (1 + βt k) (m / n) (8.20)

voor elke verhouding van complex gas tot lucht:

P vz = P n (1 + βt k) V vlps / (1 + αV m) (8,21)

waarbij P zz - de druk die ontstaat door de explosie, MPa; р n - begindruk (vóór explosie), MPa; β - volumetrische uitzettingscoëfficiënt van gassen, numeriek gelijk aan de drukcoëfficiënt (1/273); t K - calorimetrische verbrandingstemperatuur, ° С; m is het aantal mol na de explosie, bepaald door de reactie van gasverbranding in lucht; n is het aantal mol vóór de explosie dat deelneemt aan de verbrandingsreactie; V vlps - het volume van natte verbrandingsproducten per 1 m 3 gas, m 3; V t - theoretisch luchtverbruik, m 3 / m 3.

Tabel 8.13. De druk die ontstaat door de explosie van een propaan-luchtmengsel, afhankelijk van de afvoercoëfficiënt k sb en het type beveiligingsinrichting

Type beveiligingsapparaat	Stortcoëfficiënt k sb, m 2 / m 3
	0,063	0,033	0,019
Enkele vaste beglazing met externe bevestiging van glas 3 mm dik	0,005	0,009	0,019
Vaste dubbele beglazing met externe bevestiging van 3 mm glas	0,007	0,015	0,029
Draaibare enkele vleugel met een groot scharnier en een veerslot voor een belasting van 5 MPa / m 2	0,002	–	–
Enkele draaivleugel met bovenscharnier en veerslot voor een belasting van 5 MPa/m 2	0,003	–	–
Platen vrij op de vloer liggend, gewicht, kg / m 2:
	0,023
	0,005
	0,018

Explosiedrukken gegeven in tabel. 8.13 of bepaald door de formules, kan alleen plaatsvinden als er een volledige verbranding van het gas in de container is en de wanden zijn ontworpen voor deze drukken. Anders worden ze beperkt door de sterkte van de wanden of hun gemakkelijkst te vernietigen delen - drukpulsen planten zich door het niet-ontstoken volume van het mengsel voort met de snelheid van het geluid en bereiken de behuizing veel sneller dan het vlamfront.

Dit kenmerk - het verschil in de snelheden van vlamvoortplanting en drukimpulsen (schokgolven) - wordt in de praktijk veel gebruikt om gastoestellen en gebouwen te beschermen tegen vernietiging bij een explosie. Hiervoor worden in de openingen van wanden en plafonds eenvoudig te openen of in te klappen dwarsbalken, kozijnen, panelen, afsluiters, etc. gemonteerd. De druk die ontstaat door de explosie hangt af van de ontwerpkenmerken van de beveiligingsinrichtingen en de ontladingscoëfficiënt k sb, wat de verhouding is van het gebied beschermende apparaten naar het volume van de kamer.

8.6. VERBRANDING IN EEN STATIONAIRE OMGEVING

De beweging van de vlamzone - het vlamfront, - het gebied dat het niet-gereageerde brandbare mengsel scheidt van de verbrandingsproducten, wordt veroorzaakt door het feit dat het koude brandbare mengsel ervoor wordt verwarmd tot de ontstekingstemperatuur vanwege thermische geleidbaarheid en diffusie van gloeiende verbrandingsproducten in het koude mengsel. De lineaire snelheid waarmee het vlamfront langs een homogeen brandbaar mengsel beweegt, wordt genoemd uniforme vlamvoortplantingssnelheid, afhankelijk van zowel het type gas als het gehalte ervan in het gas-luchtmengsel. De minimumsnelheid voor alle soorten brandbare gassen komt overeen met de onderste en bovenste ontvlambare limieten, en de maximumsnelheid komt overeen met de verhouding van gassen tot lucht.

Afb. 8.1. Constante snelheidscurven
vlamverspreiding niet gedefinieerdn
in een buis met een diameter van 25,4 mm
1-waterstof; 2-watergas; 3-koolmonoxide;
4-ethyleen; 5-cokesovengas; 6-ethaan; 7-methaan;
Stoom-luchtstraalgas met 8 generatoren

Afb. 8.2. Effect van diameter d tr en concentratie
methaan vermengd met lucht voor verandering
uniforme vlamvoortplantingssnelheid u n

Experimenten hebben aangetoond dat de snelheid van vlamvoortplanting afhangt van de diameter van de cilindrische buis waardoor het zich voortplant: hoe grotere diameter, hoe hoger de voortplantingssnelheid. Een vergroting van de buisdiameter vermindert het effect van de wanden op het verbrandingsproces en het bewegende vlamfront en bevordert een verhoogde convectie (Fig. 8.2). Analyse van de grafiekgegevens geeft aan dat bij zeer kleine buisafmetingen vlamvoortplanting in het algemeen onmogelijk is (vanwege de sterke relatieve warmteafvoer). De afmetingen van de buizen, kanalen en sleuven, waarin de vlam zich niet voortplant, worden kritisch genoemd.

Ze zijn verschillend voor verschillende gassen:

• koud mengsel van methaan met lucht - 3 mm;
• waterstof-luchtmengsel - 0,9 mm;
• verwarmd mengsel van methaan en lucht - 1,2 mm.

Uitdoving in kanalen met een kleine doorsnede wordt in de praktijk gebruikt om vlamdovers te maken: vlamdovende roosters, keramische poreuze schijven, schijven gemaakt van geperste metalen kogels, vaten gevuld met fijnkorrelige materialen, enz.); brandkanalen in het ontwerp van branders die werken op gas-luchtmengsels.

Voor een vergelijkend kenmerk van de brandbare eigenschappen van gassen (ongeacht de grootte van de buizen), werd het concept geïntroduceerd "Normale snelheid van vlamvoortplanting" is de snelheid, aangeduid met het koude (nog niet ontstoken) mengsel, waarmee de vlam langs de normaal naar zijn oppervlak beweegt. Het vlamfront is vlak genomen en gelijk aan de buisdiameter:

u n = w p πr 2 /S(8.22)

waar u n - normale snelheid van vlamvoortplanting, m / s; w p - gemeten uniforme vlamvoortplantingssnelheid, m / s; r — buisstraal, m; S is het oppervlak van het vlamfront, m 2.

Tabel 8.14. Vlamvoortplantingssnelheid in verschillende gas-luchtmengsels (bij t = 20 ° C en p = 103,3 kPa), m / s

Gas	Mengsel met maximaal normaal vlamvoortplantingssnelheid:			Stoichiometrisch mengsel
	Inhoud in het mengsel, vol. %		Maximaal normaal snelheid verspreiden	Inhoud in het mengsel, vol. %		normaal snelheid verspreiden vlam
	gas-	lucht		gas-	lucht
Waterstof	42,0	58,0	2,67	29,5	70,5	1,6
Koolmonoxide	43,0	57,0	0,42	29,5	70,5	0,30
methaan	10,5	89,0	0,37	9,5	90,5	0,28
ethaan	6,3	93,7	0,40	5,7	94,3	0,32
Propaan	4,3	95,7	0,38	4,04	95,96	0,31
n-Bhutan	3,3	96,7	0,37	3,14	96,86	0,30
Ethyleen	7,0	93,0	0,63	6,5	93,5	0,5
propyleen	4,8	95,2	0,44	4,5	95,5	0,37
butyleen	3,7	96,3	0,43	3,4	96,6	0,38
Acetyleen	10,0	90,0	1,35	7,75	92,25	1,0

Zoals blijkt uit de gegevens in de tabel. 8.14, de maximale snelheid van vlamvoortplanting komt overeen met mengsels van gas en lucht met een gebrek aan oxidatiemiddel (niet stoichiometrisch). Bij een teveel aan brandstof neemt de efficiëntie van de botsing van reagerende deeltjes toe en neemt de snelheid van chemische reacties toe.

De vlamvoortplantingssnelheden voor gas-zuurstofmengsels zijn een orde van grootte hoger dan voor gas-luchtmengsels. De maximale normale voortplantingssnelheid van de vlam van een methaan-zuurstofmengsel is dus 3,3 m / s, en voor een mengsel van propaan en butaan met zuurstof - 3,5-3,6 m / s.

De maximale normale snelheid van vlamvoortplanting in een mengsel van een complex gas met lucht, m ​​/ s, wordt bepaald door de formule:

u н max = (r 1 u 1 + r 2 u 2 +… + r n u n) / (r 1 + r 2 + ... + r n) (8,23)

waarbij r 1, r 2,... r n - het gehalte aan individuele componenten in het complexe gas, vol. %; u 1, u 2, ... u n - de maximale normale voortplantingssnelheid van de vlam van de componenten van een complex gas gemengd met lucht, m ​​/ s.

De gegeven verhoudingen zijn geschikt voor gassen met dicht normale vlamvoortplantingssnelheden, bijvoorbeeld voor natuurlijke en vloeibaar gemaakte koolwaterstofgassen. Voor gasmengsels met sterk verschillende vlamvoortplantingssnelheden (bijvoorbeeld voor mengsels van natuurlijke en kunstmatige gassen, mengsels met een hoog waterstofgehalte) geven ze slechts benaderende waarden.

Als het mengsel ballastonzuiverheden bevat (stikstof en kooldioxide), gebruik dan voor een geschatte berekening van de vlamvoortplantingssnelheid de formule:

u b = u n max (1 - 0,01N 2 - 0,012СО 2) (8,24)

Verwarming van het gas-luchtmengsel verhoogt de snelheid van vlamvoortplanting aanzienlijk:

en 'n = en n (T' / T) (8,25)

waarbij en 'n - de snelheid van vlamvoortplanting in een verwarmd mengsel met een absolute temperatuur T', K; en n - hetzelfde, in een koud mengsel met een temperatuur van T, K.

Het voorverwarmen van het mengsel verandert de dichtheid omgekeerd evenredig met de absolute temperatuur; daarom nemen de vlamvoortplantingssnelheden evenredig met deze temperatuur toe. Met dit feit moet rekening worden gehouden bij berekeningen, vooral in gevallen waarin de stookkanalen van branders zich in verwarmd metselwerk bevinden of wanneer ze worden beïnvloed door de straling van de oven, hete gassen, enz.

De uniformiteit van vlamverspreiding is mogelijk onder de volgende voorwaarden:

• de vuurbuis is kort;
• verbranding plant zich voort bij een constante druk dichtbij de atmosferische druk.

Als de lengte van de buis aanzienlijk is, kan de uniforme vlamvoortplanting voor sommige mengsels veranderen in trillingen en vervolgens in detonatie met een supersonische brandsnelheid (2000 m / s of meer), wanneer het mengsel wordt ontstoken als gevolg van een schokgolf die het mengsel verwarmt tot temperaturen, boven de zelfontbrandingstemperatuur. Detonatie vindt plaats in mengsels met hoge vlamvoortplantingssnelheden. De detonatieconcentratiegrenzen zijn reeds de ontvlambaarheidsgrenzen van gas-lucht- en gas-zuurstofmengsels, vol. %: propaan - 3,2-37, isobutaan - 2,8-31, waterstof - 15-90. De druk die ontstaat tijdens detonatieverbranding kan de oorspronkelijke druk tientallen keren overschrijden en leiden tot de vernietiging van leidingen en andere vaten die zijn ontworpen voor hoge drukken.

8.7. VERBRANDING IN LAMINAIRE EN TURBULENTE STROMEN

Afb. 8.3. Verbrandingsfront
gas-lucht mengsel in
laminaire beweging

De voorkant van de vlam kan worden gestopt door een tegenbeweging van het brandbare mengsel te creëren met een snelheid gelijk aan de normale snelheid van vlamvoortplanting. Illustratief voorbeeld- het oppervlak van de binnenkegel van de bunsenbrander. Door de samenstelling van het gas-luchtmengsel dat uit de brander stroomt te regelen in een laminaire bewegingsmodus, is het mogelijk om het uiterlijk van een stabiele en scherp gedefinieerde verbrandingskegel te bereiken (Fig. 8.3). Zijoppervlak: kegel (vlamfront), stationair ten opzichte van de stookrand van het branderkanaal, beweegt naar het uitstromende gas-luchtmengsel, en de vlam plant zich in dit geval voort langs de normaal op het ontstekingsoppervlak op elk punt. Op het oppervlak van het kegelvormige vlamfront blijft de gelijkheid van snelheden behouden - de projecties van de stroomsnelheid van het gas-luchtmengsel op de normaal wн naar de beschrijvende van de kegel en de normale snelheid van vlamvoortplanting u н gehoorzaamt aan de Michelson wet:

w n = w zweet cosφ = u n (8,26)

waarbij φ de hoek is tussen de richting van de stroming en de normaal op het oppervlak van het kegelvormige vlamfront; ik zweet - gemiddelde snelheid de stroom van het gas-luchtmengsel dat per tijdseenheid door de brander gaat, m / s.

De constantheid van de normale snelheid van vlamvoortplanting geldt alleen voor het grootste deel van het zijoppervlak van het kegelvormige vlamfront. Aan de bovenkant van de kegel neemt de snelheid toe als gevolg van de verwarming van het gas-luchtmengsel door dicht bij elkaar gelegen delen van het kegelvormige oppervlak van het vlamfront, en aan de basis van de kegel neemt deze af vanwege het koelende effect van het uiteinde deel van het stookkanaal van de brander.

Voor praktische berekeningen wordt dit verschil meestal verwaarloosd en wordt aangenomen dat de doorgangssnelheid van het mengsel door het vlamfront constant is over het gehele oppervlak van de kegel en gelijk is aan u n.

De gemiddelde normale snelheid van vlamvoortplanting is:

u n = Vcm / S (8.27)

waarbij V cm het volume is van het gas-luchtmengsel dat door de brander gaat, S het oppervlak van het conische vlamfront.

In de praktijk heeft het conische vlamfront niet de juiste geometrische vorm, dus voor nauwkeurige definitie S de vlam wordt gefotografeerd, het vlamfront wordt opgedeeld in een reeks afgeknotte kegels. De som van de zijvlakken is het totale oppervlak van het kegelvormige vlamfront. De waarden van de normale snelheden van vlamvoortplanting, zowel bepaald door de bunsenbrandermethode als door andere methoden, zijn hetzelfde en gelijk aan de normale snelheden in de tabel. 8.14.

De hoogte van het kegelvormige vlamfront hangt voornamelijk af van de grootte van het branderkanaal. Een verlaging van de hoogte van de vlam kan worden bereikt door grote afvuurkanalen in meerdere kleine te verbrijzelen. Voor gas-luchtmengsels van dezelfde samenstelling kan de hoogte van de kegelvormige vlamfronten van kleine kanalen h bij benadering worden bepaald uit de hoogte van het vlamfront van een enkel kanaal H:

h = H / √n (8,28)

waarbij n het aantal kleine kanalen is.

Voor branders met een hoge warmteafgifte (branders van industriële ketels, ovens, enz.), Vindt de verbranding in de regel plaats in een turbulente stroming - een glad conisch vlamfront wordt wazig door vortexbeweging en pulsaties en verliest zijn duidelijke conische contouren . In dit geval worden twee karakteristieke soorten verbranding waargenomen, overeenkomend met kleine en grootschalige turbulentie.

Bij turbulentieschalen die de dikte van de laminaire verbrandingszone niet overschrijden, behoudt het conische vlamfront zijn vorm en blijft het glad, hoewel de verbrandingszone groter wordt. Als de turbulentieschaal de dikte van de normale verbrandingszone overschrijdt, wordt het oppervlak van het kegelvormige vlamfront ongelijk. Dit leidt tot een toename van het totale oppervlak van het verbrandingsfront en verbranding van een grotere hoeveelheid brandbaar mengsel per eenheid dwarsdoorsnede stromen.

Bij grootschalige turbulentie, die aanzienlijk groter is dan de dikte van de laminaire verbrandingszone, leidt de opwinding van het oppervlak van het vlamfront tot de scheiding van individuele deeltjes van het hete mengsel, die worden verpletterd door daaropvolgende pulsaties. Het vlamfront verliest zijn integriteit en verandert in een systeem van afzonderlijke verbrandingscentra in de vorm van gelijke, uiteengereten en brandbare mengseldeeltjes die in de stroom branden.

Afb. 8.4. Verandering in relatieve snelheid
cokesoven gasvlamverspreiding
vermengd met lucht afhankelijk van het aantal
Reynolds en het bewegingsregime van het mengsel

Bij grootschalige turbulentie neemt het oppervlak van het vlamfront, gevormd uit de oppervlakken van alle brandende deeltjes, toe, wat leidt tot een sterke toename van de snelheid van vlamvoortplanting (Fig. 8.4). In dit geval kan niet alleen frontale verbranding optreden, die zich voortplant met een normale snelheid v n, maar ook volumetrische verbranding die ontstaat door turbulente pulsaties van gloeiende verbrandingsproducten in het verse mengsel. Dientengevolge wordt de totale snelheid van vlamvoortplanting tijdens grootschalige turbulentie bepaald door een of andere combinatie van frontale en volumetrische verbrandingselementen.

Bij afwezigheid van pulsaties wordt de turbulente verbrandingssnelheid gelijk aan de normale vlamvoortplantingssnelheid. Integendeel, als de pulsatiesnelheid aanzienlijk groter is dan de normale, wordt de turbulente verbrandingssnelheid weinig afhankelijk van de fysisch-chemische eigenschappen van het brandbare mengsel. Experimenten hebben een kleine afhankelijkheid aangetoond van de verbrandingssnelheid van verschillende homogene gas-luchtmengsels met industrial> 1 in industriële ovens van de normale snelheid van vlamvoortplanting.

8.8. STABILITEIT VAN DE VERBRANDING

Afb. 8.5. Direct compensatiecircuit
u n = w zweten met laminaire beweging
gas-lucht mengsel
1 - branderwand;
2 - vlamfront

De belangrijkste factoren die de stabiliteit van de verbranding beïnvloeden, zijn de snelheid van de uitstroom van het gas-luchtmengsel en de voortplanting van de vlam. Wanneer gas-luchtmengsels in een laminaire stroming branden, is het stabiele deel van het conische vlamfront de Onderste gedeelte... Op dit punt wordt het vlamfront, als gevolg van de uitzetting van het gas-luchtmengsel dat in de atmosfeer stroomt en het remmende effect van de kanaalwand, horizontaal gedraaid en boven de kanaalrand geheven door de dikte van het vlamfront (Fig. 8.5).

Op de deze site voorzijde is er een volledige compensatie van de gassnelheid luchtstroom vlamvoortplantingssnelheid u n = w zweet. Op de rest van het conische gedeelte van het vlamfront heeft de compensatie een gedeeltelijk karakter en vindt alleen plaats in de richting loodrecht op het verbrandingsfront: u n = w zweet cosφ. De component w sweat sinφ blijft uit balans en draagt ​​het vlampunt van de basis van de kegel naar de top. De stabiliteit van het conische vlamfront wordt verklaard door het feit dat de ringvormige riem aan de basis dient als ontstekingsbron, zonder welke de rest van het front zou worden meegesleurd door de stroming van het gas-luchtmengsel.

Als de uitstroomsnelheid van het mengsel groter is dan de voortplantingssnelheid van de vlam, neemt de breedte van de ontbrandingsband af totdat deze verwaarloosbaar wordt. In dit geval wordt de stabiliteit van het vlamfront geschonden en treedt scheiding van de brander op. Als de vlamvoortplantingssnelheid in het ringvormige nabij-muurgebied (niet op de muur) het debiet van het gas-luchtmengsel overschrijdt, wordt de vlam in de brandermenger gezogen (doorbraak).

Bij scheiding wordt het volgende waargenomen:

• de vlam van de brander verwijderen en doven;
• scheiding van de rand van het stookkanaal wanneer de vlam een ​​nieuwe vrij stabiele positie in de stroming boven de brander bereikt;
• afbraak van de geheven vlam en het doven ervan;
• een opgeheven toorts naar de rand van het branderkanaal gooien;
• het creëren van een zwevende vlam bij het ontsteken van de straal op een bepaalde afstand van de brander.

Al deze verschijnselen zijn onaanvaardbaar, omdat ze leiden tot de ophoping van onverbrand gas in de omringende atmosfeer of in de oven.

Afb. 8.6. De afhankelijkheid van de snelheid van scheiding van een single
vlam in een open atmosfeer van natuurlijke mengsels
gas met lucht ter grootte van het afvuurkanaal en
primaire luchtinhoud.

Afb. 8.7. Afhankelijkheid van detachement
meervlammenvlam in een open atmosfeer
mengsels van aardgas met lucht uit de maat
brandkanaal en primaire luchtinhoud.
a - branderschema; b - scheidingscurven van de vlam

In afb. 8.6 toont de experimentele curven van vlamscheiding vanaf de randen van de stookkanalen van injectiebranders met één vlam die werken op een mengsel van koud gas met lucht. Bij de grens en boven de aangegeven curven begint de vlamscheiding en onder de curven vindt een stabiele verbranding plaats.

In de praktijk worden meerfasige injectiebranders met stookkanalen met een diameter van 2-6 mm veel gebruikt (afb. 8.7). Het bepalen van de scheidingssnelheid van de vlamwref voor dergelijke branders kan volgens de volgende formule:

w neg = 3,5 10 -3 d k T 2 (1 + V t) / (1 + α 1 V t) (8,29)

waarbij dk de diameter van de afvuurkanalen is, m; α 1 - coëfficiënt van overmaat primaire lucht; T is de absolute temperatuur van het gas-luchtmengsel, K.

De formule laat zien dat de stabiliteit van de verbranding toeneemt met een toename van de diameters van de stookkanalen en temperatuur en afneemt met een toename van de overmaat coëfficiënt van primaire lucht. Ook de stabiliteit van de verbranding wordt vergroot door de wederzijdse invloed van de vlam.

De scheiding van de vlam van de stookkanalen kan ook om andere redenen plaatsvinden. Wanneer verkeerde locatie van de brander en kanalen voor de verwijdering van verbrandingsproducten, kunnen ze in de branderinjector terechtkomen en tot vlamscheiding leiden (door een afname van de snelheid van vlamvoortplanting in het gas-luchtmengsel verdund met inerte gassen). De reden voor de scheiding kan ook zijn: hoge snelheid secundaire lucht die de vlam uit de vuurkanalen blaast.

Tabel 8.15. De snelheid van een homogeen mengsel van natuurlijke
gas met lucht, waarbij doorbraak optreedt
vlam, m/s (mengseltemperatuur 20 ° C)

Diameters brand kanalen	Primaire luchtoverschotverhouding
	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	1,1
3,5	0,05	0,10	0,18	0,22	0,23	0,21
4,0	0,08	0,12	0,22	0,25	0,26	0,20
5,0	0,09	0,16	0,27	0,31	0,31	2,23
6,0	0,11	0,18	0,32	0,38	0,39	0,26
7,0	0,13	0,22	0,38	0,44	0,45	0,30
8,0	0,15	0,25	0,43	0,50	0,52	0,35
9,0	0,17	0,28	0,48	0,57	0,58	0,39
10,0	0,20	0,30	0,54	0,64	0,65	0,43

Het is ook onaanvaardbaar dat de vlam in de brandermenger glijdt, meestal vergezeld van een plof. Een doorbraak leidt ofwel tot het doven van de vlam en het vrijkomen van het onverbrande mengsel in de kamer of oven, of tot de verbranding van het mengsel in de brander. De neiging van de vlam om door te breken hangt af van het type gas, de normale snelheid van vlamvoortplanting, het gehalte aan primaire lucht in het gas-luchtmengsel, de grootte van de vuurkanalen, de temperaturen van het mengsel of de wanden van de kanalen. Invloed op vlamdoorbraak wordt ook uitgeoefend door de thermische geleidbaarheidscoëfficiënt van de materialen waaruit de vuurkanalen zijn gemaakt, hun vorm, diepte en afwerking, de aanwezigheid van bramen, randbreuken, enz.

Gegeven in tabel. 8.15 de waarden van de snelheden van homogene mengsels van aardgas met lucht, waarbij de doorbraak optreedt, kunnen worden gebruikt voor andere gassen, rekening houdend met de wijzigingen:

w "pr = w pr u" n / u n (8.30)

waarbij w ’pr de vlamdoorbraaksnelheid is voor een ander gas, m/s; w pr - doorbraaksnelheid voor aardgas (volgens tabel 8.15), m / s; u 'n - normale snelheid van vlamvoortplanting voor een ander gas, m / s; u n - vlamvoortplantingssnelheid in methaan, m / s.

De maximale doorbraaksnelheid kan worden berekend met behulp van de benaderende formule:

w pr = 0,73 10 -3 d k T 2 (8,31)

Dezelfde formule, met een benadering die voldoende is voor de praktijk, kan ook worden gebruikt voor andere gassen met de introductie van een correctie voor de verandering in de normale vlamvoortplantingssnelheid. Op basis van talrijke experimenten kan de volgende conclusie worden getrokken: de grenzen van de stabiele werking van de branders worden beperkt door de snelheden van scheiding en doorbraak van de vlam.

Afb. 8.8. Afhankelijkheid van de snelheid van het gas-luchtmengsel, waarbij de scheiding en doorbraak van de vlam plaatsvindt, van de overmaat aan primaire lucht
I - vlamscheiding; II - vlamdoorbraak; III - gele randen van de vlam;
1-3 diameters van de stookkanalen van branders, mm: 1 - 25, 2 - 25, 3 - 32

In afb. 8.8 toont de curven die de stroomsnelheden karakteriseren van het mengsel van aardgas met lucht, waarbij de scheiding en doorbraak van de vlam optreedt. De aard van de curven wijst op een sterke afname van de vlamstabiliteit naarmate het gehalte aan primaire lucht in het mengsel toeneemt. Een toename van de vlamstabiliteit treedt op bij een afname van het gehalte aan primaire lucht en bereikt een maximum wanneer dit tot nul daalt (diffusieverbranding). Een dergelijke verbranding van koolwaterstofgassen is echter in veel gevallen onaanvaardbaar, omdat dit leidt tot het verschijnen van gele vlamtongen, die kenmerkend zijn voor het verschijnen van roetdeeltjes erin.

Afb. 8.9. Gemeenschappelijke verbrandingsstabilisatoren
a - een cilindrische tunnel met een plotselinge uitzetting van de sectie;
b - hetzelfde, met een wervelende stroom;
c - conische tunnel met wervelende stroming;
d - stabilisator in de vorm van een conisch lichaam;
d - hetzelfde, in de vorm van een ronde staaf;
e - hetzelfde, in de vorm van een stabiele ringvormige vlam
1 - afvuurmondstuk van de brander; 2 - tunnel; 3 - zijgat;
4 - ringvormig kanaal; 5 - ringvlam;
6 - vlam van de hoofdstroom van het gas-luchtmengsel

In de praktijk wordt, om het bereik van verbrandingsstabiliteit van eventuele brandbare gas-luchtmengsels uit te breiden, het debiet meerdere malen hoger dan het scheidingspercentage genomen. Het voorkomen van vlamscheiding wordt bereikt door het gebruik van verbrandingsstabilisatoren (Fig. 8.9).

Om de injectievlam en andere branders die axisymmetrische gas-luchtstralen produceren te stabiliseren, worden vuurvaste cilindrische tunnels met een plotselinge uitzetting van hun dwarsdoorsnede gebruikt. De werking van een dergelijke tunnel is gebaseerd op de perifere circulatie van een deel van de gloeiende verbrandingsproducten die ontstaan ​​door de verdunning die door de straal wordt gecreëerd.

Zowel cilindrische als conische tunnels met een openingshoek van 30-60 ° worden gebruikt om de vlam van branders te stabiliseren die een wervelend gas-luchtmengsel produceren. Met een wervelende stroom aan de rand van de tunnel, meer druk dan in het centrale deel. Dit leidt tot axiale recirculatie van een deel van de gloeiende verbrandingsproducten en ontsteking van het koude gas-luchtmengsel dat van binnenuit de tunnel instroomt.

Wanneer de installatie van tunnels niet mogelijk is, worden om de vlam te stabiliseren blufvormige lichamen gebruikt, die in de stroom van het gas-luchtmengsel worden geplaatst bij de uitlaat van het ontstekingskanaal van de brander. In dit geval vindt de ontsteking van het mengsel plaats aan de rand van de stabilisator, waarachter een gedeeltelijke recirculatie van gloeiende gassen is die het brandbare mengsel van binnenuit ontsteken. Het stabiliserende effect van dergelijke apparaten is lager dan dat van tunnels.

In enkel- en meervlamsinjectiebranders worden verbrandingsstabilisatoren veel gebruikt in de vorm van een speciale brander. Het stabiliserende effect van dit apparaat is gebaseerd op het voorkomen van verdunning van de hoofdstroom bij de toortswortel door overtollige lucht, wat de grenzen van zijn stabiliteit vernauwt, evenals op het verwarmen en ontsteken van de hoofdstroom met een ringvormige vlam langs de gehele omtrek . De stabiliteit van de ringvormige vlam tijdens het scheiden wordt bereikt door een zodanige verhouding van de secties van de vuurring en zijgaten, waarbij de snelheid van het gas-luchtmengsel in de ringvormige holte de normale snelheid van vlamvoortplanting niet overschrijdt. Om vlamdoorbraak in de brandermenger te voorkomen, worden de afmetingen van de zijgaten die de ringvormige vlam vormen kleiner genomen dan de kritische.

8.9. BRAND ARRANGEMENT DIAGRAMMEN

Lucht of zuurstof die de gaspijpleiding binnenkomt, kan een explosief mengsel vormen, daarom is het absoluut noodzakelijk om de pijpleidingen te beschermen tegen het binnendringen van lucht of zuurstof erin. In alle explosieve industrieën moeten omstandigheden worden gecreëerd om de mogelijkheid van ontstekingsimpulsen uit te sluiten. Ontstekingsbronnen die leiden tot een explosie van gas-luchtmengsels zijn:

• open vlam;
• elektrische ontladingen van bestaande elektrische apparatuur;
• kortsluiting in elektrische draden;
• vonken in elektrische apparaten;
• doorgebrande zekeringen;
• ontladingen van statische elektriciteit.

Explosieveiligheid wordt geboden door verschillende vlamdovers. geïnstalleerd in pijpleidingen, op tanks, op spoelgasleidingen, kaarsen en andere systemen waar explosiegevaar bestaat.

Vlamdoven in een kanaal gevuld met een brandbaar mengsel treedt alleen op bij een minimale kanaaldiameter, die afhankelijk is van chemische samenstelling en mengseldruk, en wordt verklaard door warmteverliezen vanuit de reactiezone naar de kanaalwanden. Met een afname van de kanaaldiameter neemt het oppervlak toe per massa-eenheid van het reagerende mengsel, d.w.z. warmteverlies neemt toe. Wanneer ze een kritische waarde bereiken, neemt de snelheid van de verbrandingsreactie zo sterk af dat verdere vlamvoortplanting onmogelijk wordt.

Het vlamdovende vermogen van een vlamdover hangt vooral af van de diameter van de bluskanalen en veel minder van hun lengte, en de mogelijkheid van vlamdoorslag door de bluskanalen hangt vooral af van de eigenschappen en samenstelling van het brandbare mengsel en de druk. De normale snelheid van vlamvoortplanting is de belangrijkste grootheid die de grootte van de bluskanalen en de keuze van het type vlamdover bepaalt: hoe groter het is, hoe kleiner het kanaal nodig is om de vlam te doven. Ook zijn de afmetingen van de bluskanalen afhankelijk van de begindruk van het brandbare mengsel. Om het vlamdovende vermogen van vlamdovers te beoordelen, de zogenaamde. Peclet Re-criterium:

Pe = w cm dc p p / (RT 0 0) (8,32)

In de limiet van het doven van de vlam, heeft de Peclet-criteriumformule de vorm:

Pe cr = w cm d cr c p p cr / (RT 0 0) (8,33)

waarbij w cm de normale snelheid van vlamvoortplanting is; d is de diameter van het afschrikkanaal; d cr is de kritische diameter van het afschrikkanaal; c p is de soortelijke warmtecapaciteit van het gas bij 0 ° C en constante druk; p is de gasdruk; p cr - kritische gasdruk; R is de universele gasconstante; T 0 is de absolute temperatuur van het gas; λ 0 - thermische geleidbaarheid van het oorspronkelijke mengsel.

Voor de berekening van het vlamdovende vermogen van vlamdovers zijn dus de volgende initiële gegevens nodig:

• normale voortplantingssnelheid van de vlam van brandbare gasmengsels;
• de werkelijke grootte van de maximale bluskanalen van deze vlamdover.

Als de verkregen waarde groter is dan Pe cr = 65, zal de vlamdover de verspreiding van de vlam van dit brandbare mengsel niet vertragen, en vice versa, als Pe< 65, огнепреградитель задержит распространение пламени. Запас надежности огнепреградителя, который находят из отношения Ре кр к вычисленному значению Ре, должен составлять не менее 2:

P = Re cr / Re = 65 / Re> 2,0 (8,34)

Gebruikmakend van de constantheid van Pe cr bij de vlamdovende grens, is het mogelijk om de geschatte kritische diameter van de kanalen voor elk brandbaar mengsel te berekenen als de vlamvoortplantingssnelheid, evenals de warmtecapaciteit en thermische geleidbaarheid bekend zijn gassysteem... De volgende kritische diameters van het afschrikkanaal worden aanbevolen, mm:

• bij verbranding van een gas-luchtmengsel - 2,9 voor methaan en 2,2 voor propaan en ethaan;
• bij het verbranden van zuurstofmengsels in leidingen (bij een absolute druk van 0,1 MPa onder omstandigheden van vrije uitzetting van verbrandingsproducten) - 1,66 voor methaan en 0,39 voor propaan en ethaan.

Afb. 8.10. Soorten vlamdovers:
een - verpakt; b - cassette; c - lamellair; g - gaas; d - cermet

Structureel zijn brandvangers onderverdeeld in vier typen (Figuur 8.10):

• met een mondstuk gemaakt van korrelige materialen;
• met rechte kanalen;
• van cermets of metaalvezels;
• gaas.

Volgens de installatiemethode - in drie typen: op pijpen voor het afvoeren van gassen in de atmosfeer of op een fakkel; op communicatie; voor gasbranders.

In het lichaam van de verpakte brandvanger tussen de roosters bevindt zich een mondstuk met vulmiddel (glazen of porseleinen ballen, grind, korund en andere korrels van duurzaam materiaal). Een cassettebrandafleider is een lichaam waarin een brandafleidercassette is gemonteerd van gegolfde en platte metalen strips die strak in een rol zijn gedraaid. In het lichaam van de lamellaire vlamdover bevindt zich een pakket van planparallelle metalen platen met een strikt gedefinieerde afstand ertussen. De mesh-brandvanger in het lichaam bevat een pakket stevig samengeperste metalen gaas... Een gesinterde brandvanger is een lichaam met een poreuze gesinterde plaat in de vorm van een platte schijf of buis die erin is geïnstalleerd.

Meestal worden gaasbrandafleiders gebruikt (ze werden aan het begin van de 19e eeuw geïnstalleerd in mijnwerkerslampen (Devi-lampen) om mijngasexplosies te voorkomen). Deze vlamdovers worden aanbevolen voor de bescherming van installaties waarin gasvormige brandstoffen worden verbrand. Het brandvertragende element bestaat uit meerdere lagen messing gaas met een maaswijdte van 0,25 mm, ingeklemd tussen twee geperforeerde platen. Het netpakket is verstevigd in een uitneembare houder.

Het lichaam van de vlamdover is gemaakt van gietijzer of aluminiumlegering en bestaat uit twee identieke delen die zijn verbonden door bouten met een verwijderbare clip ertussen. Naast de beschouwde droge vlamdovers, worden op grote schaal vloeibare veiligheidspoorten gebruikt, die gaspijpleidingen beschermen tegen het binnendringen van een explosiegolf en vlam tijdens gasvlamverwerking van metalen, evenals pijpleidingen en apparaten gevuld met gas, tegen de penetratie zuurstof en lucht erin.

Vloeibare afdichtingen moeten:

• voorkomen dat een explosiegolf zich voortplant tijdens omgekeerde schokken en tijdens het ontsteken van gassen;
• bescherm de gasleiding tegen het binnendringen van zuurstof en lucht erin;
• zorgen voor een minimale hydraulische weerstand tegen de doorgang van de gasstroom. Bovendien mag vloeistof uit de afdichting niet in de vorm van druppels in merkbare hoeveelheden worden weggevoerd.

8.10. VERBRANDINGSPRINCIPES

Gasverbrandingsprocessen zijn gebaseerd op de principes die gewoonlijk kinetiek en diffusie worden genoemd. In een kinetisch principe wordt een homogeen mengsel met een bepaalde luchtovermaat gecreëerd voordat de verbranding begint. De verbranding van een dergelijk mengsel vindt plaats in een korte transparante vlam zonder vorming van roetdeeltjes in de vlam. Voor gasverbranding volgens het kinetische principe worden speciale mixers of injectiebranders gebruikt, die een homogeen gas-luchtmengsel bereiden met een overmaat verhouding primaire lucht α 1 = 1,02: 1,05.

Bij een lager gehalte aan primaire lucht vindt volgens het kinetische principe alleen de beginfase van de verbranding plaats, vóór het gebruik van zuurstof, die zich met het gas vermengt. De overige gassen en producten van onvolledige verbranding worden verbrand door externe diffusie van zuurstof (secundaire lucht), d.w.z. volgens de d en f u z en ongeveer n over het principe. Voor α 1< 1 у факела есть два видимых фронта горения: внутренний, возникающий за счет первичного воздуха, и наружный, образующийся за счет диффузии кислорода из окружающей среды. Общая высота пламени при таком горении возрастает, а температура - несколько снижается. Устойчивость пламени и его прозрачность зависят от содержания первичного воздуха в смеси: чем оно выше, тем ниже устойчивость пламени, больше его прозрачность, и наоборот.

Gasverbrandingsprincipe met α 1< 1,0 является п р о м е ж у т о ч н ы м (между кинетическим и диффузионным). С учетом этого принципа конструируются все газовые аппараты с инжекционными горелками. В таких горелках содержание первичного воздуха в смеси принимается в зависимости от вида газа таким, чтобы:

• er waren geen roetdeeltjes in de vlam;
• de stabiliteit van de verbranding werd verzekerd met veranderingen in thermisch vermogen binnen de in de praktijk noodzakelijke grenzen.

Met het diffusieprincipe (α 1 = 0) verlopen de verbrandings- en mengprocessen parallel. Omdat de mengprocessen veel langzamer verlopen dan de verbrandingsprocessen, worden de snelheid en volledigheid van de verbranding bepaald door de snelheid en volledigheid van het mengen van gas en lucht. In dit geval kan de vermenging van gas met lucht plaatsvinden door diffusie (hetzij langzaam moleculair of turbulent, inclusief moleculair als eindstadium). Dienovereenkomstig verschillen de verbrandingssnelheid en de structuur van de diffusievlam.

Kenmerken van een dergelijke verbranding:

• vlamstabiliteit wanneer het thermisch vermogen verandert van nul tot het maximaal mogelijke volgens de scheidingsomstandigheden;
• constantheid van temperaturen over de gehele hoogte van de vlam;
• het vermogen om het over grote willekeurige oppervlakken te verdelen;
• compactheid van branders en eenvoud van hun fabricage;
• aanzienlijke hoogte van de vlam en de onvermijdelijkheid van pyrolytische processen die leiden tot de vorming van een heldere roetvlam.

Afb. 8.11. Vrije vlamstructuur:
a - laminaire vlam; b - turbulente vlam

Diffusieverbranding kan worden omgezet in kinetische of intermediaire verbranding als mengen vóór verbrandingsprocessen is. In de praktijk kan dit worden bereikt door geforceerde luchttoevoer, wat leidt tot de vorming van een quasi-homogeen gas-luchtmengsel met α 1> 1,0, dat brandt in een transparante vlam.

Om de principes van verbranding te illustreren, Fig. 8.11. de diagrammen van vrije fakkels worden gegeven: laminair en turbulent. Een laminaire toorts ontstaat door de onderlinge moleculaire diffusie van gas en lucht. Binnen de conische kern 1 stroomt zuiver gas uit de buis in een laminair stromingsregime. In zone 2 - een mengsel van gas en verbrandingsproducten, in zone 3 - een mengsel van verbrandingsproducten en lucht. Grens 4 is een glad kegelvormig vlamfront, waar luchtmoleculen van buiten naar toe diffunderen, en gasmoleculen van binnenuit. Verbrandingsproducten diffunderen gedeeltelijk naar het gas en verhitten het intensief in de voorvlamzone. Dit leidt tot de pyrolyse van koolwaterstoffen en de vorming van roetdeeltjes, die de vlam een ​​heldere helderheid geven.

De verbranding kan worden geïntensiveerd door de mengstromen te turbulent maken. De turbulente vlam heeft geen duidelijk conisch verbrandingsfront, hij is "wazig" en gefragmenteerd door pulsaties in afzonderlijke deeltjes.

De vlamstructuur bestaat uit een zuivere gaskern 1, een relatief langzame verbrandingszone 2, een diffuse zone van de meest intense verbranding 3 met een hoog gehalte aan verbrandingsproducten, en een verbrandingszone 4 met daarin een overwicht van lucht. Er zijn geen duidelijk gedefinieerde grenzen tussen de zones, ze verschuiven continu afhankelijk van de mate van stromingsturbulentie. De kenmerken van een turbulente vlam zijn:

• het verloop van het verbrandingsproces bijna door het gehele volume;
• het verhogen van de intensiteit van de verbranding;
• hoge transparantie van de vlam;
• zijn lagere weerstand tegen scheiding.

Turbulente verbranding van gas wordt veel gebruikt in de ovens van verschillende ketels en ovens. Om het verbrandingsproces te intensiveren, worden zowel natuurlijke (door verhoogde snelheden) als kunstmatige turbulentie van stromen gebruikt, bijvoorbeeld door de luchtstroom te laten wervelen en er dunne gasstralen in te voeren onder verschillende hoeken.

8.11. VOORWAARDEN VOOR DE VORMING VAN PRODUCTEN VAN ONVOLLEDIGE VERBRANDING EN VERMINDERING VAN DE CONCENTRATIE VAN SCHADELIJKE STOFFEN IN HAAR

Bij verbranding van brandbare gassen kunnen de verbrandingsproducten zowel volledige (kooldioxide en waterdamp) als onvolledige verbrandingscomponenten (koolmonoxide, waterstof, onverzadigde, verzadigde, aromatische koolwaterstoffen en roetdeeltjes) bevatten. Bovendien komen stikstofoxiden altijd voor in verbrandingsproducten. De aanwezigheid van producten van onvolledige verbranding in significante concentraties is onaanvaardbaar, omdat dit leidt tot vervuiling van de atmosfeer met giftige stoffen en tot een afname van de efficiëntie van installaties die op gasbrandstof werken.

De belangrijkste redenen voor hun hoge gehalte:

• verbranding van gassen met onvoldoende lucht;
• slechte menging van brandbare gassen en lucht voor en tijdens verbranding;
• overmatige afkoeling van de vlam totdat de verbrandingsreacties zijn voltooid.

Voor methaan kunnen verbrandingsreacties (afhankelijk van de zuurstofconcentratie in het reagerende mengsel) worden beschreven met de volgende vergelijkingen:

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + 800,9 MJ / mol

met een stoichiometrische verhouding of met een overmaat aan oxidatiemiddel;

CH 4 + O 2 = CO + H 2 + H 2 O + Q en CH 4 + 0,5 O 2 = CO + 2H 2 O + Q

met een gebrek aan een oxidatiemiddel.

Afb. 8.12. Tussenliggende verbrandingsproducten

Afb. 8.13. Primaire luchtinhoud,
die de vorming van
gele tongen in vlammen
Gas: 1 - cokesoven;
2 - aardgasvelden;
3 - olievelden;
4 - propaan; 5 - butaan

In afb. 8.12 toont een geschatte gemiddelde samenstelling van enkele tussenverbindingen - waterstof, koolmonoxide, ethyleen, acetyleen en een relatief klein aantal verzadigde en eenvoudigste aromatische verbindingen - en kooldioxide die ontstaat in een vlam tijdens diffusieverbranding van aardgas (97%). Het gas werd verbrand in een laminaire vlam, het gas stroomde uit een buis met een diameter van 12 mm. De totale hoogte van de vlam is 130-140 mm.

De maximale concentratie waterstof en acetyleen wordt bereikt op ongeveer dezelfde vlamhoogte; ze verdwijnen bijna gelijktijdig aan de bovenkant van de gloeiende vlamzone. Van alle tussenverbindingen die in de vlam worden gevormd (exclusief roetdeeltjes), is koolmonoxide de laatste die verdwijnt. Dit geeft aanleiding om de volledigheid van gasverbranding te beoordelen aan de hand van zijn index. De verbrandingsproducten bevatten altijd stikstofoxiden, waarvan de maximale concentratie optreedt in de zones van intense verbranding van koolmonoxide en waterstof.

Verbranding van koolwaterstofgassen zonder oxidatiemiddel leidt tot de vorming van roetdeeltjes, die de vlam een ​​gele kleur geven. Het roetverbrandingsproces verloopt in fasen en is relatief langzaam. Soms is het uitbranden van de gevormde roetdeeltjes vertraagd en kan deze volledig stoppen bij het betreden van het lagetemperatuurgebied van de toorts of wanneer de warmtewisselingsoppervlakken door de vlam worden gewassen. De aanwezigheid van een gloeiende vlam duidt dus altijd op het optreden van pyrolytische processen en de mogelijkheid van chemische onvolledige verbranding, vooral in kleine afgeschermde ketelovens.

Het voorkomen van de vorming van roetdeeltjes wordt bereikt door het vooraf mengen van koolwaterstofgassen met een voldoende hoeveelheid oxidatiemiddel. Het gehalte aan primaire lucht in het mengsel, waarbij een transparante vlam ontstaat, hangt niet alleen af ​​van het type koolwaterstoffen, maar ook van de mengomstandigheden met secundaire lucht (de diameter van de verbrandingskanalen van de branders) (Fig. 8.13 ). Aan de rand en boven de rondingen is de vlam transparant en onder de rondingen heeft hij gele tongen. De curven laten zien dat het gehalte aan primaire lucht in het mengsel toeneemt met een toename van het aantal koolstofatomen in het molecuul en de diameter van de stookkanalen van de branders. De coëfficiënt van het primaire luchtoverschot α 1 in het mengsel, waarbij de gele vlammen verdwijnen, kan, afhankelijk van de aangegeven factoren, worden bepaald voor kleine stookkanalen van branders:

α 1 = 0,12 (m + n / 4) 0,5 (d k / d 0) 0,25 (8,35)

waarbij m en n het aantal koolstof- en waterstofatomen in een molecuul zijn of hun gemiddelde aantal voor een complex gas; d k - diameter van de stookkanalen van de brander, mm; d 0 - referentiediameter van het branderkanaal (1 mm).

Het verzekeren van de volledigheid van de verbranding in praktische omstandigheden is een nogal gecompliceerde taak, niet alleen afhankelijk van het principe van gasverbranding, maar ook van de voorwaarden voor de ontwikkeling van de vlam in het ovenvolume. Aan de volledigheid van de verbranding worden de hoogste eisen gesteld huishoudelijke apparaten en andere installaties die verbrandingsproducten in de atmosfeer lozen. Verbranding van gas in dergelijke installaties is het moeilijkst, omdat dit gepaard gaat met het vlammen van koude warmtewisselingsoppervlakken. Voor gasverbranding in huishoudelijke kachels worden injectiebranders met meerdere vlammen gebruikt, die een homogeen mengsel vormen met een overmatige coëfficiënt van primaire lucht α 1< 1. Недостающий для сгорания газа воздух поступает за счет диффузии из окружающей атмосферы.

Afb. 8.14. Koolmonoxideconcentratie
in verbrandingsproducten in een gasfornuis
a - brander met perifere secundaire luchttoevoer;
b - met centrale en perifere secundaire luchttoevoer
1 - aardgas, brander met randtoevoer
secundaire lucht, afstand tot de bodem van de schalen 25 mm;
2–4 - aardgas, brander met rand- en
centrale toevoer van secundaire lucht, afstand
naar de bodem van de schalen, mm: 2 - 25, 3 - 18, 4 - 10;
5 – vloeibaar gemaakt gas, brander met centrale en rand
secundaire luchttoevoer, afstand tot de bodem van de schalen 25 mm;
6 - vloeibaar gas, brander met randtoevoer

In afb. 8.14 toont de diagrammen van 2-pits branders voor huishoudelijke gaskachels en de gemiddelde concentratie van koolmonoxide CO in de verbrandingsproducten van natuurlijk methaan (95 vol.%) en propaan (93 vol.%) Wanneer de branders werken met een nominale thermische kracht. Het verschil tussen de branders is dat secundaire lucht alleen vanuit de periferie aan een van hen wordt toegevoerd, en aan de andere - zowel vanuit de periferie als vanuit het centrale kanaal.

De volledigheid van de gasverbranding hangt af van de overmatige verhouding van de primaire lucht in het mengsel, de afstand van de verbrandingskanalen van de brander tot de bodem van het kookgerei, het type brandbaar gas en de wijze van toevoer van secundaire lucht. Tegelijkertijd leiden een toename van het gehalte aan primaire lucht in het mengsel, evenals een toename van de afstand van de brander tot de bodem van de schalen, tot een afname van de concentratie koolmonoxide in de verbrandingsproducten. De minimale concentratie koolmonoxide komt overeen met de overmaat coëfficiënt van primaire lucht α 1 = 0,6 en hoger en de afstand van de brander tot de bodem van het kookgerei 25 mm, en de maximale - α 1 = 0,3 en lager en de afstand van de brander tot de bodem van het kookgerei 10 mm. Bovendien leidt een toename van het thermisch vermogen van branders met 15-20% als gevolg van een toename van de gasdruk tot een 1,2-1,3 keer hogere concentratie koolmonoxide in verbrandingsproducten, en vanwege de verbrandingswarmte van gas - met 1,5-2 keer.

Het voorkomen in het verbrandingsproces van aromatische verbindingen - benzeen, polycyclisch benzpyreen, antraceenvrij, enz. - moet worden aangepakt Speciale aandacht omdat sommige kankerverwekkend zijn. Het proces van hun vorming is zeer complex en verloopt in fasen. In de eerste fase verschijnen acetyleen en zijn derivaten. In de vlamzone ondergaan deze stoffen ketenverlengingsprocessen met de herschikking van drievoudige koolstofbindingen in dubbele. Als gevolg van cyclisatie en uitdroging leiden ze tot het verschijnen van verschillende aromatische verbindingen, waaronder polycyclische.

Tabel 8.16. Gemiddelde concentratie koolmonoxide en benzo(a)pyreen in verbrandingsproducten, afhankelijk van het type gas, type brander en overmaat primaire lucht (warmtebelasting van de brander - 1600 kcal/h, afstand van de brander tot de onderkant van de schaal - 24-26 mm)

Type brander	Gemiddelde concentratie
	koolmonoxide, mg / l (in termen van α = 1,0)	benzo (a) pyreen, g / 100 m 3
Natuurlijk gas
met α i = 0,60 ÷ 0,70	0,10	Niet gevonden
bij α i = 0,30 ÷ 0,35	1,20	sporen
met α i = 0,60 ÷ 0,70	0,50	Niet gevonden
bij α i = 0,30 ÷ 0,35	0,12	Niet gevonden
Vloeibaar petroleum gas
Brander met perifere secundaire luchttoevoer:
met α i = 0,60 ÷ 0,70	0,30	0,03
bij α i = 0,30 ÷ 0,35	1,20	1,10
Brander met centrale en perifere secundaire luchttoevoer:
met α i = 0,60 ÷ 0,70	0,07	0,02
bij α i = 0,30 ÷ 0,35	1,00	0,045

Tabel gegevens. 8.16 laten zien dat bij verbranding van aardgas met een primaire luchtovermaatfactor α 1 = 0,6 en hoger op beide typen branders, de concentratie koolmonoxide in de verbrandingsproducten voldoet aan de vereisten van GOST 5542-87.

Tabel 8.17. De afstand tussen de randen van de stookkanalen van eenrijige injectiebranders, afhankelijk van hun grootte en de coëfficiënt van overmaat aan primaire lucht

Brandkanaaldiameters, mm	Afstanden tussen kanaalranden, mm bij verschillende betekenissen coëfficiënt van overmaat primaire lucht α 1
	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6
2,0	11	8	6	5	4
3,0	15	12	9	7	5
4,0	16	14	11	9	7
5,0	18	15	14	12	10
6,0	20	18	16	14	12

Studies hebben aangetoond dat de afstanden tussen de randen van de vuurkanalen, die zorgen voor een snelle verspreiding van de vlam en voorkomen dat ze samensmelten, afhankelijk zijn van hun grootte en het gehalte aan primaire lucht in het mengsel, en afnemen met de toename ervan. De optimale afstanden tussen de randen van de kanalen, die zorgen voor voldoende volledigheid van de gasverbranding en snelle vlamvoortplanting, worden gegeven in de tabel. 8.17. Wanneer de schietkanalen in twee rijen in een schaakbordpatroon zijn gerangschikt, kunnen de afstanden tussen de randen volgens dezelfde tabel worden genomen. In dit geval moet de afstand tussen de rijen 2-3 keer groter zijn dan de afstand tussen de kanalen.

Afb. 8.15. Concentratie van koolmonoxide, acetyleen,
ethaan, ethyleen en benz (a) pyreen in verbrandingsproducten
middendrukgas in de injectiebrander

De veralgemening van talrijke experimentele gegevens maakte het mogelijk om gemiddelde curven te verkrijgen van de concentratie in de verbrandingsproducten van verschillende componenten die het verbrandingsproces kwalitatief en kwantitatief karakteriseren (Fig. 8.15). Volledige verbranding van een homogeen gas-luchtmengsel wordt alleen bereikt bij een overmaat primaire lucht α = 1,05 en hoger. Met een afname van het luchtgehalte in het mengsel, vooral bij α< 1,0, возрастает концентрация оксида углерода СО, ацетилена С 2 Н 2 , этилена С 2 Н 4 , пропилена С 3 Н 6 и пропана С 3 Н 8 , а также бенз(а)-пирена С 20 Н 9 . Также возрастает концентрация и других компонентов - водорода, бензола и др.

Naast de beschouwde producten van onvolledige verbranding, verschijnt bij het verbranden van gas altijd een bepaalde hoeveelheid stikstofoxiden, waarvan de vorming plaatsvindt in zones met hoge temperatuur, zowel na de voltooiing van de hoofdverbrandingsreacties als tijdens het verbrandingsproces. De maximale NOx-concentratie treedt op in de laatste stadia, wat overeenkomt met gasverbranding en intensieve verbranding van tussenproducten in de vorm van waterstof en koolmonoxide.

De primaire verbinding bij de verbranding van gas-luchtmengsels is stikstofoxide. Het begin van de kettingreactie wordt geassocieerd met atomaire zuurstof, die ontstaat in zones met hoge temperatuur als gevolg van de dissociatie van moleculaire zuurstof:

О 2 - ›2О - 490 kJ / mol (8,36)

О + N 2 - ›NO + N - 300 kJ / mol (8,37)

N + О 2 - ›2NO + 145 kJ / mol (8,38)

Evenwichtsreactie

N 2 + О 2 - ›2NO - 177 kJ / mol (8,39)

De vorming van atomaire zuurstof treedt ook op tijdens gedeeltelijke dissociatie van verbrandingsproducten: bij een daling van de temperatuur en de aanwezigheid van zuurstof wordt een deel van het gevormde stikstofoxide (1-3 vol.%) geoxideerd tot stikstofdioxide NO 2. De reactie verloopt het meest intensief na het vrijkomen van stikstofoxide in de atmosfeer. Belangrijkste beïnvloedende factoren:

• temperatuur in de reactiezones;
• overmaat luchtverhouding en contacttijd van de reagerende componenten.

De vlamtemperatuur hangt af van de chemische samenstelling van het gas, het luchtgehalte in het gas-luchtmengsel, de mate van homogeniteit en warmteafvoer uit de reactiezone. De maximaal mogelijke concentratie stikstofoxide bij een bepaalde temperatuur, vol. % kan worden berekend met de formule

NEE p = 4,6е -2150 / (RT) / 2 N 2 (8,40)

waarbij NO p de evenwichtsconcentratie van stikstofoxide is, vol. %; R is de universele gasconstante; T is de absolute temperatuur, K; O 2 en N 2 - concentratie, vol. %, respectievelijk zuurstof en stikstof.

Een hoge concentratie stikstofoxide, evenredig met het evenwicht, treedt op wanneer gas wordt verbrand in de ovens van krachtige stoomgeneratoren en in openhaarden, cokesovens en soortgelijke ovens met hoge temperatuur. In ketels met een laag en gemiddeld vermogen, in kleine verwarmings- en thermische ovens met aanzienlijke warmteafvoer en een korte verblijftijd van componenten in zones met hoge temperaturen, is de opbrengst aan stikstofoxide een orde van grootte lager. Bovendien, hoe korter de verblijftijd van de reagerende componenten in de hoge temperatuurzone, hoe minder stikstofoxide in de verbrandingsproducten.

Verbranding van gas in stralingsbranders en in een wervelbed is ook efficiënt: in deze gevallen vindt microvlamverbranding van een homogeen gas-luchtmengsel met een overmaat luchtverhouding α = 1,05 plaats met een zeer intensieve warmteafvoer uit de reactiezone. De concentratie van stikstofoxiden tijdens gasverbranding in stralingsbranders is ongeveer 40 en in een wervelbed - 80-100 mg / m 3. Het verkleinen van de verbrandingskanalen van de stralingsbranders en vuurvaste korrels in het wervelbed helpt de opbrengst aan stikstofoxiden te verminderen.

De verzamelde gegevens maakten het mogelijk om een ​​aantal wijzigingen aan te brengen in het ontwerp van ketel- en verwarmingsapparatuur, waardoor niet alleen hoge efficiëntie en een lage concentratie van producten van onvolledige verbranding, maar ook een verminderde lozing van stikstofoxiden in de atmosfeer. Deze wijzigingen omvatten:

• het verkorten van de lengte van tunnels voor hoge temperaturen en het verplaatsen van de verbranding ervan naar ovens;
• het gebruik van verbrandingsstabilisatoren in de vorm van bluflichamen of ringvormige vlammen in plaats van keramische tunnels;
• organisatie van een platte vlamtoorts met een verhoogd warmteoverdrachtsoppervlak;
• het verspreiden van de vlam door het aantal branders te vergroten of door gebruik te maken van blokbranders;
• getrapte luchttoevoer naar de reactiezone;
• uniforme verdeling van warmtestromen in de vuurhaard, afscherming van vuurhaarden en hun verdeling in compartimenten door schermen;
• toepassing van het diffusieprincipe van gasverbranding (diffusieverbranding is alleen toegestaan ​​in gevallen waarin de vrije ontwikkeling van de vlam kan worden gegarandeerd zonder de warmtewisselingsoppervlakken te wassen).

De meest effectieve vermindering van de opbrengst aan stikstofoxiden wordt bereikt door gelijktijdig gebruik van meerdere methoden.

Gasverbranding is een combinatie volgende processen:

Mengen van brandbaar gas met lucht,

Verwarm het mengsel,

Thermische ontleding van brandbare componenten,

· Ontsteking en chemische combinatie van brandbare componenten met atmosferische zuurstof, vergezeld van de vorming van een fakkel en intense warmteafgifte.

Methaanverbranding vindt plaats volgens de reactie:

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O

Voorwaarden voor gasverbranding:

Zorgen voor de vereiste verhouding van brandbaar gas en lucht,

· Verwarmen tot de ontstekingstemperatuur.

Als het gas in het gas-luchtmengsel kleiner is dan de onderste ontstekingsgrens, dan zal het niet branden.

Als het gas-luchtmengsel meer gas bevat dan de bovenste ontvlambaarheidsgrens, dan zal het niet volledig verbranden.

Samenstelling van producten van volledige gasverbranding:

CO 2 - kooldioxide

H 2 O - waterdamp

* N 2 - stikstof (reageert niet met zuurstof tijdens verbranding)

Samenstelling van producten van onvolledige verbranding van gas:

CO - koolmonoxide

· C - roet.

Voor de verbranding van 1 m 3 aardgas is 9,5 m 3 lucht nodig. In de praktijk is het luchtverbruik altijd hoger.

Houding werkelijke consumptie lucht naar theoretisch vereiste uitgaven wordt de overmaat luchtverhouding genoemd: α = L / L t.,

Waar: L- werkelijk verbruik;

L t is het theoretisch vereiste debiet.

De overmaat luchtverhouding is altijd groter dan één. Voor aardgas is dat 1,05 - 1,2.

2. Doel, apparaat en belangrijkste kenmerken van doorstroomverwarmers.

Stromende gasboilers. Ontworpen voor het verwarmen van water tot een bepaalde temperatuur tijdens waterinname .. Doorstroomverwarmers zijn verdeeld volgens de warmtebelasting: 33600, 75600, 105000 kJ, volgens de mate van automatisering - in de hoogste en eerste klassen. Efficiëntie d. boilers 80%, het oxidegehalte is niet meer dan 0,05%, de temperatuur van de verbrandingsproducten achter de chopper is niet minder dan 180 0 C. Het principe is gebaseerd op het verwarmen van water tijdens de tapperiode.

De belangrijkste eenheden van doorstroomverwarmers zijn: een gasbrander, een warmtewisselaar, een automatiseringssysteem en een gasuitlaat. Gas onder lage druk wordt naar de injectiebrander geleid. De verbrandingsproducten passeren de warmtewisselaar en worden afgevoerd naar de schoorsteen. De verbrandingswarmte wordt overgedragen aan het water dat door de warmtewisselaar stroomt. Om de verbrandingskamer te koelen, wordt een spoel gebruikt waardoor water door de kachel circuleert. Gasstroomboilers zijn uitgerust met gasafvoerinrichtingen en tractieonderbrekers, die bij kortstondige uitval van de tractie voorkomen dat de vlam van de gasbranderinrichting dooft. Er is een rookkanaal voor aansluiting op de schoorsteen.

Doorstroomboiler op gas - VPG. Op de voorwand van de behuizing bevinden zich: bedieningsknop gaskraan, een knop voor het inschakelen van de magneetklep en een kijkvenster voor het observeren van de vlam van de waakvlam en hoofdbranders. Aan de bovenzijde van het apparaat bevindt zich een rookafvoerapparaat, aan de onderzijde bevinden zich sproeiers om het apparaat aan te sluiten op het gas- en watersysteem. Gas komt binnen magneetventiel, schakelt de gasafsluitklep van de water-gasbrandereenheid achtereenvolgens de ontstekingsbrander in en levert gas aan de hoofdbrander.

Blokkeren van de gasstroom naar de hoofdbrander, wanneer: verplicht werk ontsteker, wordt uitgevoerd door een magneetventiel aangedreven door een thermokoppel. Het blokkeren van de gastoevoer naar de hoofdbrander, afhankelijk van de beschikbaarheid van waterinlaat, wordt uitgevoerd door een klep die door een staaf wordt aangedreven vanuit het membraan van de waterblokklep.