Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. - Основные характеристики горения (1043377), страница 19

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 19)

Хотя эти исследования выполнены не с отборными зондами, а с достаточно большими соплами, имеются качественные соображения в пользу того, что поведение зондов будет аналогичным. Низкое давление отбора, обычно используемое в исследованиях пламен, в значительной мере благоприятствует быстрому тушению. При малых размерах отборного зонда время, необходимое для достижения нужного отношения площадей сечений зонда (важной величины при данном входном давлении), будет много меньше времени при больших соплах, для которых выполнялись исследо­вания. Это благоприятствует быстрому расширению газов и эф­фективному тушению. Поэтому вполне вероятно, что отбор­ные зонды могут обеспечивать очень эффективное тушащее действие.

Если концентрации атомов и радикалов в пламени значительны по сравнению с содержанием устойчивых соединений (водород-воз­душное пламя), то данные измерения концентраций этих устойчи­вых компонентов могут быть ошибочными. В этом случае пробле­ма отбора достаточно трудна. Однако в большинстве пламен из­быток концентрации радикалов над максимально равновесной кон­центрацией определяются множителем, меняющимся в пределах от 2 до 5. Например, в метан-кислородном пламени [13] мольные доли атомов и радикалов равны: N_CH3 = 0,0005, Nн = 0,008, N₀ = =0,015 и Nон = 0,01. Ошибка, вызываемая рекомбинацией ради­калов при измерении концентраций СН₄, Н₂О и О₂, составляет только несколько процентов. Отобранные газы быстро охлажда­ются в результате расширения при отводе из пламени. При этих условиях роль радикально-молекулярных обменных реакций долж­на быть пренебрежимо малой.

Если концентрация радикалов измерена, то можно ввести по­правку в результаты анализа проб устойчивых продуктов сгорания при условии, что известен механизм рекомбинации. Утверждения, встречающиеся в литературе, о том, что радикалы всегда являются источником грубых ошибок, во многих конкретных случаях не­правильны.

Отбор проб при высоком давлении (>0,1 МПа) связан с проб­лемами пространственной разрешающей способности. Ширина фронта пламени изменяется обратно пропорционально давлению, поэтому для поддержания необходимой разрешающей способности при повышении давления требуется уменьшение диаметра отвер­стия. Этот способ ограничен тремя следующими факторами:

1. диаметр наименьшего отверстия в кварцевом зонде составляет
   несколько микрометров (при меньших отверстиях вследствие капиллярного эффекта характеристики тушения будут плохими);

2. невозможно установить зонд с точностью, большей чем 1 мкм;

3. скорость отбора уменьшается пропорционально квадрату диаметра отверстия, а увеличивается с ростом давления только ли­нейно. Следовательно, при заданной разрешающей способности из
   пламени при высоком давлении можно извлечь значительно меньшую по массе пробу. Это не вызывает последующих осложнений,
   если для анализа используют масс-спектрометр.

Тушащее действие зонда при отборе из пламени с высоким давлением может быть недостаточным. Зондовые отборы из пла­мен при низком давлении (несколько сот Паскалей или несколько миллиметров ртутного столба) дают очень хорошие результаты. По-видимому, нижнего предела по давлению нет, и трудности обу­словлены лишь получением соответствующего пламени.

Отбор неохлаждаемым кварцевым зондом ограничен темпера­турой размягчения кварца (2000 К). Однако эти трубки можно использовать и при температуре выше 2000 К, если предусмотреть радиационное охлаждение зонда. Повысить температурный предел использования неохлаждаемого зонда можно путем снижения дав­ления, что уменьшает интенсивность теплопередачи к зонду.

Таким образом, зондовые отборы представляют собой простой процесс: отбирают пробу газовой фазы, охлаждают ее и анали­зируют. Применительно к пламени возникает ряд проблем, боль­шинство из которых можно решить, используя очень маленький микрозонд, выполненный из кварца.

3. Диффузионные пламена окиси углерода, водорода и угля

Состав газа в ламинарном диффузионном пламени окиси угле­рода в воздухе экспериментально исследован Бурке и Шуманом (1928 г.). На рис. II.1 показаны результаты анализа состава газа.

Рис, II. 1. Состав газа по оси диффузион­ного пламени. окиси углерода ,(h — высо- та над устьем горелки).

концентрации окиси угле­рода, двуокиси углерода и азота представлены в зави­симости от высоты h над устьем горелки. Помимо азота внутрь пламени диф­фундирует двуокись углерода, образующаяся при взаи­модействии окиси углерода с кислородом воздуха в реак­ционном слое на поверхно­сти пламени. Авторы полу­чили хорошее совпадение экспериментальных и рас­четных данных.

Как уже отмечалось выше, состав газа в ламинарном диффу­зионном водород-воздушном пламени экспериментально исследо­ван авторами работы [4]. На рис. II.2 представлены результаты анализа состава газа по сечению пламени на трех различных вы­сотах h от устья цилиндрической горелки. Пробы отбирались с по­мощью охлаждаемых трубок из нержавеющей стали с внутренним диаметром 0,6 мм, причем газовый поток до точки отбора ничем; не возмущался. Необходимо отметить, что содержание воды в про­бах не указано. Поэтому, до данным авторов, в пробах, взятых на граничной поверхности пламени, содержание азота составляет 100%, в то время как в действительности проба содержит смесь азота и паров воды. На высоте 30,5 см анализ указывает на при­сутствие кислорода внутри пламени. Авторы объясняют это неко­торой нестабильностью положения пламени, вследствие чего от­борная трубка периодически могла подсасывать воздух.

Распределение реагирующих веществ и продуктов сгорания в турбулентном диффузионном пламени водорода с воздухом изуча­ли авторы работы {14]. Кривые распределения водорода и кисло-

Рис. 11.2. Состав газа в диффузионном пламени водорода [4] на различных высотах от устья горелки. (Скорость газа в устье горелки 33 м/с, диаметр горелки 6,35 мм; r — расстояние от оси пламени; стрелки показывают гра­ницу пламени.)

рода по форме напоминают кривые ламинарного пламени с той лишь разницей, что на некотором расстоянии вблизи фронта пла­мени экспериментально обнаружено одновременное присутствие водорода и кислорода. Это объясняется вибрационным характером турбулентного пламени, приводящим к тому, что средняя во вре­мени толщина реакционной зоны кажется больше по сравнению с истинной толщиной.

Газообразование в слое горящих частиц электродного угля, антрацита, бурого и древесного угля экспериментально исследова­но авторами работ [15, 16]. На рис. II.3 приведено, по данным Колодцева, характерное изменение концентраций газообразных ком­понентов при горении угля с незначительным содержанием хи­мически связанного водорода и кислорода (в виде примесей орга­нических веществ).

На рис. II.4 показан, по данным Колодцева, состав газа при горении угля с заметным содержанием органических составляющих (подмосковного бурого угля). Эти результаты относятся к опытам со свободно залегающим неподвижным слоем при воз­душном дутье сверху вниз. Во всех случаях в кислородной зоне существует и окись углерода, и двуокись углерода. При содержа­нии кислорода 2—3% наступает заметное изменение в ходе кривых O₂ и СО: содержание СО₂ начинает уменьшаться, а содержание CO возрастает. Одновременно падает температура. Все это указывает на протекание эндотермического процесса восстанов­ления углекислоты, который выше по слою замедляется вследствие

Рис. II.З. Состав газа в слое частиц при горении древесного угля ,(h — высота

слоя).

Рис. II.4. Состав газа в слое частиц при горении подмосковного бурого угля

(h—высота слоя).

уменьшения содержания СО₂ и понижения температуры Увели­чение скорости дутья увеличивает температуру слоя и степень разложения углекислоты в силу относительного уменьшения теплопотерь. Расходование кислорода завершается очень быстро практически независимо от скорости дутья. Длина зоны, на которой содержание кислорода падает от 21 до 1,0%, в первом прибли­жении пропорциональна первой степени диаметра частиц угля Численно она составляет 2—3 диаметра частицы

Отношение [СО]/[СО₂] в кислородной зоне зависит от рода кокса, размера частиц и режима дутья. Выход СО растет при увеличении скорости дутья и температуры. Длина восстановитель­ной зоны всегда больше кислородной, так как процесс разложения CO2 в конце зоны тормозится вследствие понижения темпера­туры. Появление водорода и газообразных углеводородов при го­рении некоторых видов углей вызвано наличием в их составе заметного количества органических составляющих (и влаги).

4. Ламинарно-диффузионные пламена городского газа

Как отмечено выше, состав устойчивых газообразных продук­тов в коническом воздушном ламинарном диффузионном пламени городского (светильного) газа экспериментально исследован Ландольтом. Он использовал светильный газ [в % (об.)]: Н₂ — 42; СН₄ —39; СО —5,7; С₂Н₄ —4,6; С₄Н₆ — 3,7; N₂ —5. Перед подачей

в горелку газ тщательно очищался от примесей угле­кислоты, кислорода, паров воды и подвергался химиче­скому анализу.

Отбор газовых проб из
пламени производился с по­
мощью отсасывающей тру­
бочки (капилляра), которая
вводилась в пламя снизу со
стороны горелки. Отобран­ный газ анализировался на
содержание воды (вода по­глощалась СаС1₂), двуокиси
углерода (поглощалась КОН) и кислорода (погло­щался пирогаллоловокислым калием). Содержание остальных компонентов вы­числялось после последовательного сжигания их в кислороде и определения коли­чества образовавшихся СО₂ и Н₂О.

Результаты анализа га­зообразных проб, отобранных на различной

высоте по оси пламени, представлены на рис. II.5*. Внутрь пламени диффундируют N₂, СО₂ и Н₂О, содержа­щие которых увеличивается по мере приближения к вершине пла­мени. Содержание углеводородов СН₄, С₄Н₆ и С₂Н₄ по мере при­ближения к вершине пламени уменьшается, а изменение концен­трации СО и Н₂ по высоте пламени носит сложный вид. Внутри пламени обнаружены незначительные следы кислорода, хотя про­никание воздуха через газоотборную систему и вдоль пробоотборной трубки методически исключалось. Ландольт объяснил это прониканием некоторого количества воздуха из окружающей среды в нижнюю холодную часть пламени вблизи горелки.

На наш взгляд, присутствие незначительного количества кис­лорода в пробах может быть объяснено рекомбинацией атомного кислорода, вероятно образующегося при протекании некоторых реакций в пламени, в процессе отбора пробы. Кроме того, такие 'продукты, как СО₂ и Н₂О, могут подвергаться диссоциации в вы­сокотемпературных частях пламени. Так, по данным, приведенным в работе [17, с. 20], в газе пиролиза метана в низкотемпературной пароводяной Плазме обнаружено 2,8% свободного атомного кис­лорода.

Исходные компоненты городского газа и его первоначальные продукты превращения в пламени разбавлены диффундирующим внутрь азотом, парами воды и двуокисью углерода. По мере при­ближения к .вершине пламени концентрация горючих веществ все более и более уменьшается за счет разбавления. Например, по данным Ландольта, я а высоте 5,0 мм в пламени их концентрация уменьшается в 4—5 раз. Чтобы проследить изменение содержания горючих веществ в результате химических превращений, перво­начальные результаты (см. рис. II.5) были обработаны Ландольтом следующим образом.

1. Вычислено содержание горючих веществ в % (масс.) (умно­
   жением объемных % на молекулярные массы).

2. Найден элементный состав городского газа и проб газа из
   пламени для каждой исследованной высоты.

3. Найдена массовая часть разбавителя в пробе из пламени
   для каждой исследованной высоты по соотношениям

Ландольт отмечает, что более точным является расчет разбави­теля по азоту, так как углерод может частично не догорать в пла­мени, а пары воды могут конденсироваться в нижней холодной части пламени (у горелки).

Характеристики

Список файлов книги