Навігація
Головна
ПОСЛУГИ
Авторизація/Реєстрація
Реклама на сайті
 
Головна arrow Екологія arrow Транспортна екологія
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

Горіння вуглеводневих палив

Для визначення кількісних показників споживання та утворення речовин протягом процесів отримання енергії при спалюванні палива використовують рівняння матеріального балансу цих процесів.

Основним джерелом теплоти при спалюванні палив є екзотермічне окислення атомів вуглецю C та водню Н, що в ньому містяться. Крім цих речовин палива містять також у незначних кількостях сполуки азоту, кисневмісні сполуки, можуть містити сірку, важкі метали тощо.

Умовна молекула палива має вигляд . Для палив, що містять азотні сполуки, умовну молекулу записують так: . Для палив, що містять сірку, так:

Матеріальний баланс формується за елементним складом палива. Цей склад виражає відносний масовий вміст окремих елементів за повного й неповного згоряння палива.

(3.8)

де– масовий вміст у паливі відповідно вуглецю, водню, кисню, азоту, сірки, мінеральної частини та вологи (у частках одиниці).

Приблизний елементний склад деяких палив, що використовуються в транспортних процесах, наведено в табл. 3.4.

З наведених у цій таблиці палив вміст мінеральної частити та вологи є найбільшим у мазуті й може доходити: мінеральних речовин – до 0,2 %; вологи – до 9 %.

Таблиця 3.4

Властивості палив, що використовуються для транспортних процесів

Паливо

Елементний склад за масою, %

QНИЖЧУ

МДж/кг

Wc

Wn

W0

Wfr

Ws

Водень

-

100

-

-

-

119,6

Стиснений природний газ

71,0

23,2

0,4

5,3

0,1

46,9

Зріджений нафтовий газ

84,0

16,0

-

-

0,01

45,5

Метанол

37,5

12,5

50,0

-

-

19,6

Диметилефір

52,2

13,0

34,8

-

-

28,8

Бензин

85,5

14,5

-

-

0.02

44,0

Дизельне паливо

86,5

13,3

-

0,02

0,2

41,3

Мазут

85,6

11,3

0,5

0,3

2,3

40,9

Масові частки окремих елементів в 1 кг палива з умовною формулоюзнаходять за такими співвідношеннями:

(3.9)

(3.10)

(3.11)

де– молярна маса умовної молекули палива; – маса вуглецю, водню та кисню в молекулі палива. При цьому

У більшості товарних сортів бензину й дизельного палива наявністю кисню можна знехтувати. Тоді умовна молекула палива набуває вигляду

Повне окислення палива. Співвідношення між кількістю початкових продуктів (паливо плюс повітря) і продуктів згоряння визначається з рівнянь хімічної реакції за таких допущень:

  • – усі хімічні сполуки складаються з атомів окремих елементів, зв'язаних між собою в певних числових співвідношеннях;
  • – при хімічних реакціях атоми зберігають свою індивідуальність, і відбувається тільки їх перегрупування. Повне окислення (згоряння) молекули CxHy до кінцевих продуктів (діоксиду вуглецю CO2 і водяної пари H2O) описується рівнянням (початкові і кінцеві продукти реакції дані в кіломолях):

(3.12)

При цьому X атомів вуглецю в 1-му кмоль CxHy становлять X кмольу атомів водню в 1-му кмоль CxHy становлять х/2 кмоль

Склад продуктів згоряння в перерахунку на 1 кг палива буде:

(3.13)

(3.14)

а виражаючи це через елементний склад:

(3.15)

(3.16)

У реакції бере участькмоль

Якщо до складу палива входить кисень (CxHy Oz), то права частина рівняння залишиться незмінною, а необхідна для горіння кількість кисню повітря (кмоль) зменшується відповідно на Кількість кисню (кмоль), необхідну для повного згоряння палива, називають стехіометричною.

Стехіометрична кількість N02 дорівнює: кількість (кмоль) O2 на 1 кмоль палива:

(3.17)

кількість (кмоль) O2 на 1 кг палива:

(3.18)

маса (кг) O2 на 1 кг палива:

(3.19)

Теплота згоряння палива(Мдж/кг), тобто тепловий ефект екзотермічних реакцій, що відбуваються з утворенням і , визначається за формулою Д. І. Менделєєва:

(3.20)

Маса кисню, що споживається з атмосфери для повного згоряння палива (кг/кг палива):

(3.21)

де – стехіометричне число.

Приймаючи об'ємний вміст кисню в повітрі за 21 % і масовий – за 23,2 %, стехіометричну кількість повітря, необхідного для повного згоряння палива, можна знайти за формулами:

кількість (кмоль) повітря на 1 кг палива:

(3.22)

маса (кг) повітря на 1 кг палива:

(3.23)

Для газових палив, що являють собою суміш вуглеводнів складуз об'ємною часткою φ вуглеводнів,(кмоль (м3) повітря / кмоль (м3) палива):

(3.24)

У попередніх формулах а (коефіцієнт надлишку повітря) – відношення кількості повітря, що міститься в паливо-повітряній суміші, до його мінімальної кількості, яка теоретично необхідна для повного згорання всього паливащо

знаходиться в суміші:

(3.25)

де– годинна витрата палива, кг/год;

– мінімальна теоретично необхідна кількість кисню, потрібна для повного згоряння палива, кг/год.

Якщо, то паливо-повітряна суміш має стехіометричний (теоретичний) склад; якщо– суміш бідна; якщо– суміш багата.

Для дизелівдля номінального режиму і для режиму холостого ходу. Для карбюраторних двигунів внутрішнього згоряння

Приблизні дані про споживання кисню і викиди деяких речовин унаслідок повного згоряння різних видів палив наведено у табл. 3.5.

Таблиця 3.5

Споживання кисню та викиди при повному згорянні 1 кг палива, кг

Паливо

Споживання O2

Викиди в результаті згорання

H2O

N2

CO2

Водень

7,94

8,94

26,41

-

Стиснений природний газ

3,13

2,25

13,28

2,8

Зріджений нафтовий газ

3,47

1,59

12,0

3,0

Метанол

1,5

1,13

4,98

1,37

Диметилефір

1,92

1,08

-

1,84

Бензин

3,04

1,46

11,74

3,1

Дизельне паливо

3,34

1,29

11,39

3,16

Мазут

3,17

0,78

10,4

3,5

Унаслідок повного згоряння сучасних видів палива споживаєтьсякг кисню повітря. Виділеннястановить близько 3 кг, води –кг, азоту – кг.

Неповне окислення палива. Якщо кількість кисню менша за стехіометричну, то повного окислення палива не відбувається через недостатню кількість кисню. За таких умов частина вуглецю окислиться не до,а лише до CO, а частина водню не згорить взагалі. Окислення вуглеводневої молекуливідбуватиметься відповідно до рівняння:

(3.26)

де– масова частка вуглецю, що окислюється до CO;

– масова частка водню, який не згорів.

У продуктах згоряння з'являється водень, який не згорів (), та оксид вуглецю (). Таким чином:

(3.27)

Або на 1 кг палива (кмоль):

(3.28)

Зі зменшенням кількості кисню в паливо-повітряній суміші у продуктах згоряння збільшуватиметься вміст CO іі зменшуватиметься вмісті. Зау продуктах згоряння міститимуться чадний газ CO і водень, що не згорів Відповідне рівняння окислення має вигляд:

(3.29)

Кількість кисню (кмоль)відповідає умові, коли число атомів вуглецю дорівнює числу атомів кисню, тобто . При подальшому зменшенні вмісту кисню у суміші () у продуктах згорання з'являється вуглець, що не згорів (сажа).

Величина викидів забруднюючих речовин залежить не тільки від виду палива, але й від фізико-хімічних процесів у камері згоряння двигуна, що приводять до їх утворення.

Під час згоряння палив відбуваються як гомогенні, так і гетерогенні реакції.

Гомогенні процеси відбуваються з речовинами, що перебувають в одній фазі, наприклад, у газовій, коли як паливо використовують природний газ, пари рідкого палива тощо, а як окислювач – кисень повітря.

Гет ерогенне горіння відбувається на поверхні твердого або рідкого палива і складається з двох стадій: підведення окислювача до поверхні та безпосередньо хімічної реакції на цій поверхні. У транспортних двигунах набули поширення процеси ламінарного і турбулентного гомогенного горіння.

Ламінарне горіння має місце за поширення фронту полум'я по нерухомій суміші, або суміші, що рухається в ламінарному режимі. Фронт полум'я у цьому разі утворює вузьку зону завтовшки до 1 мм, що відокремлює свіжу суміш від продуктів згоряння. Температура в цій зоні змінюється практично лінійно за рахунок конвективного теплообміну шляхом прогрівання свіжої суміші від її початкової температури до температури продуктів згоряння. Під дією випромінювання від полум'я в свіжій суміші перед фронтом у шарі до 5 мм протікають фотохімічні процеси, результатом яких є утвореннятощо.

Під час турбулентного руху паливо-повітряної суміші значні пульсації викривлюють фронт полум'я, розриваючи його. Товщина фронту за атмосферного тиску значно більша, ніж під час ламінарного і досягає 20 -ь 25 мм. Швидкість турбулентного горіння залежить від інтенсивності й масштабів турбулентності суміші.

Характерною особливістю фізичних і хімічних закономірностей процесу горіння є наявність значного результуючого екзотермічного ефекту хімічних реакцій цього процесу, а також високої температури, що визначає швидкості цих реакцій. Хід хімічної реакції при зміні енергії молекули від початковогодо кінцевогозначення можливий тоді, коли молекула має енергію, більшу ніж. Якщо, то в результаті реакції виділяється теплота (реакція екзотермічна), в іншому разі реакція супроводжується поглинанням теплоти (ендотермічна). Загалом будь-яка реакція може відбуватися в обох напрямках – прямому і зворотному.

Швидкість основних хімічних реакцій у процесі горіння V залежить від концентрації паливата окислювача, а також константи швидкості /-тої хімічної реакціїі визначається за формулою Ареніуса:

(3.30)

де– показники порядку реакції за відповідними компонентами.

Константа швидкості хімічної реакції визначається за формулою:

(3.31)

де– передекспоненційний множник;

R – універсальна газова стала;

– множник, що характеризує частку

молекул, які мають енергію більшу, ніж енергія активації E3 за температури Т. Чим більша енергія активації, тим сильніша залежність цього множника від температури, тому горіння можна визначити як хімічну реакцію з екзотермічним ефектом і високим значенням енергії активації.

Упродовж хімічної реакції концентрації вихідних компонентів, як правило, зменшуються, а продуктів згоряння – збільшуються. Тому з часом настає момент, коли швидкості прямої і зворотної реакцій стають однаковими. Настає момент хімічної рівноваги. Оскільки, як правило, енергії активації прямої та зворотної реакцій різні, то зі зміною температури швидкості прямої та зворотної реакцій змінюються по-різному, а отже, змінюються і рівноважні концентрації. За низьких температур рівновага може бути не досягнута взагалі. При цьому згоряння буде неповним. У реальних умовах повного згоряння палива не відбувається. Тому окріму відпрацьованих газах присутні також продукти неповного згоряння, тверді частинки (C) та інші токсичні речовини.

 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Банківська справа
БЖД
Бухоблік та Аудит
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Менеджмент
Нерухомість
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
РПС
Соціологія
Статистика
Страхова справа
Техніка
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Інші