Химическая реакция горения топлива и кислорода

Введение

Химическая реакция между топливом и кислородом

Горение — это высокотемпературная экзотермическая окислительно-восстановительная химическая реакция между топливом (восстановителем) и окислителем, обычно атмосферным кислородом, в результате которой образуются окисленные, часто газообразные продукты, образующие смесь, называемую дымом. Горение не всегда приводит к возникновению пожара, поскольку пламя становится видимым только тогда, когда вещества, участвующие в горении, испаряются, но когда это происходит, пламя является характерным признаком реакции. Хотя для инициирования горения необходимо подвести энергию активации (например, используя зажженную спичку для розжига огня), тепло, выделяемое пламенем, может обеспечить достаточно энергии для поддержания реакции самопроизвольно. Наука, изучающая горение, называется наукой о горении. Горение часто представляет собой сложную последовательность элементарных радикальных реакций. Твердое топливо, такое как древесина и уголь, сначала подвергается эндотермическому пиролизу с образованием газообразного топлива, горение которого затем обеспечивает тепло, необходимое для производства большего количества топлива. Горение часто бывает достаточно горячим, чтобы излучать свечение в виде раскаленного тела или пламени. Простой пример можно увидеть в горении водорода и кислорода с образованием водяного пара — реакции, которая обычно используется в качестве топлива для ракетных двигателей. Эта реакция выделяет 242 кДж/моль тепла и соответственно уменьшает энтальпию (при постоянной температуре и давлении):

2H₂(г) + O₂(г) → 2H₂O(г)

Некаталитическое горение в воздухе требует относительно высоких температур. Полное горение является стехиометрическим по отношению к топливу, при котором топливо полностью выгорает и, в идеале, не остается остаточного окислителя. Термодинамически химическое равновесие горения в воздухе значительно смещено в сторону продуктов. Однако достичь полного горения практически невозможно, поскольку химическое равновесие не всегда устанавливается или могут присутствовать несгоревшие продукты, такие как монооксид углерода, водород и даже углерод (сажа или зола). Таким образом, образующийся дым обычно токсичен и содержит несгоревшие или частично окисленные продукты. Любое горение при высоких температурах в атмосферном воздухе, который на 78 процентов состоит из азота, также приводит к образованию небольшого количества оксидов азота (NOx), поскольку горение азота термодинамически благоприятно при высоких, но не при низких температурах. Поскольку горение редко бывает полным, очистка топливных газов или каталитические нейтрализаторы могут быть обязательными в соответствии с законом. Пожары возникают естественным образом, вызванные ударами молнии или вулканическими извержениями. Горение (огонь) было первой контролируемой химической реакцией, открытой человеком, в виде костров и кострищ, и продолжает оставаться основным способом производства энергии для человечества. Обычно топливом является углерод, углеводороды или более сложные смеси, такие как древесина, содержащая частично окисленные углеводороды. Тепловая энергия, выделяемая при сжигании ископаемого топлива, такого как уголь или нефть, или возобновляемых источников топлива, таких как дрова, используется для различных целей, таких как приготовление пищи, производство электроэнергии или промышленное или бытовое отопление. Горение в настоящее время является единственной реакцией, используемой для приведения в действие ракет. Горение также используется для уничтожения (сжигания) отходов, как опасных, так и неопасных. Окислители для горения обладают высоким окислительным потенциалом и включают атмосферный или чистый кислород, хлор, фтор, трифторид хлора, оксид азота и азотную кислоту. Например, водород горит в хлоре с образованием хлороводорода с выделением тепла и света, характерных для горения. Хотя обычно не катализируется, горение может быть катализировано платиной или ванадием, как в контактном процессе.

Uncatalyzed combustion in air requires relatively high temperatures. Complete combustion is stoichiometric concerning the fuel, where there is no remaining fuel, and ideally, no residual oxidant. Thermodynamically, the chemical equilibrium of combustion in air is overwhelmingly on the side of the products. However, complete combustion is almost impossible to achieve, since the chemical equilibrium is not necessarily reached, or may contain unburnt products such as carbon monoxide, hydrogen and even carbon (soot or ash). Thus, the produced smoke is usually toxic and contains unburned or partially oxidized products. Any combustion at high temperatures in atmospheric air, which is 78 percent nitrogen, will also create small amounts of several nitrogen oxides, commonly referred to as NOx, since the combustion of nitrogen is thermodynamically favored at high, but not low temperatures. Since burning is rarely clean, fuel gas cleaning or catalytic converters may be required by law. Fires occur naturally, ignited by lightning strikes or by volcanic products. Combustion (fire) was the first controlled chemical reaction discovered by humans, in the form of campfires and bonfires, and continues to be the main method to produce energy for humanity. Usually, the fuel is carbon, hydrocarbons, or more complicated mixtures such as wood that contain partially oxidized hydrocarbons. The thermal energy produced from the combustion of either fossil fuels such as coal or oil, or from renewable fuels such as firewood, is harvested for diverse uses such as cooking, production of electricity or industrial or domestic heating. Combustion is also currently the only reaction used to power rockets. Combustion is also used to destroy (incinerate) waste, both nonhazardous and hazardous. Oxidants for combustion have high oxidation potential and include atmospheric or pure oxygen, chlorine, fluorine, chlorine trifluoride, nitrous oxide and nitric acid. For instance, hydrogen burns in chlorine to form hydrogen chloride with the liberation of heat and light characteristic of combustion. Although usually not catalyzed, combustion can be catalyzed by platinum or vanadium, as in the contact process.

Полный

При полном сгорании реагент сгорает в кислороде и образует ограниченное количество продуктов. Когда углеводород сгорает в кислороде, реакция в основном дает углекислый газ и воду. При сгорании элементов продуктами являются, прежде всего, наиболее распространенные оксиды. Углерод образует углекислый газ, сера – диоксид серы, а железо – оксид железа(III). Азот не считается горючим веществом при использовании кислорода в качестве окислителя. Тем не менее, небольшие количества различных оксидов азота (обычно обозначаемых как виды) образуются при использовании воздуха в качестве окислителя. Сгорание не обязательно приводит к максимальной степени окисления и может зависеть от температуры. Например, триоксид серы не образуется количественно при сгорании серы. Значительные количества этих видов появляются при температурах выше примерно , и их количество увеличивается с повышением температуры. Количество также является функцией избытка кислорода. В большинстве промышленных применений и при пожарах источником кислорода является воздух. В воздухе каждый моль кислорода смешан примерно с 3,71 моль азота. Азот не участвует в процессе сгорания, но при высоких температурах часть азота преобразуется в (в основном , с гораздо меньшим количеством ). С другой стороны, при недостаточном количестве кислорода для полного сгорания топлива часть углерода превращается в угарный газ, а часть водорода остается в не прореагировавшем состоянии. Поэтому полный набор уравнений для сгорания углеводородов в воздухе требует дополнительного расчета распределения кислорода между углеродом и водородом в топливе. Количество воздуха, необходимое для полного сгорания, известно как "теоретический воздух" или "стехиометрический воздух". Количество воздуха, превышающее это значение и фактически необходимое для оптимального сгорания, называется "избыточным воздухом" и может варьироваться от 5% для котельной на природном газе до 40% для антрацитового угля и до 300% для газовой турбины.

Неполный

Неполное сгорание происходит, когда недостаточно кислорода для полного взаимодействия топлива с образованием углекислого газа и воды. Оно также возникает, когда сгорание прерывается теплоотводом, например, твердой поверхностью или ловушкой пламени. Как и при полном сгорании, при неполном сгорании образуется вода; однако вместо углекислого газа образуются углерод и угарный газ. Для большинства видов топлива, таких как дизельное топливо, уголь или древесина, пиролиз происходит перед сгоранием. При неполном сгорании продукты пиролиза остаются несгоревшими и загрязняют дым вредными твердыми частицами и газами. Также вызывают опасения частично окисленные соединения: частичное окисление этанола может приводить к образованию вредного ацетальдегида, а углерод – токсичного угарного газа. Конструкция устройств сгорания, таких как горелки и двигатели внутреннего сгорания, может улучшить качество сгорания. Дальнейшее улучшение возможно благодаря каталитическим устройствам дожига (например, каталитическим нейтрализаторам) или простому частичному возврату выхлопных газов в процесс сгорания. Такие устройства требуются природоохранным законодательством для автомобилей в большинстве стран. Они могут быть необходимы для обеспечения соответствия крупных устройств сгорания, таких как тепловые электростанции, установленным нормам выбросов. Степень сгорания можно измерить и проанализировать с помощью испытательного оборудования. Специалисты по системам отопления, вентиляции и кондиционирования, пожарные и инженеры используют анализаторы горения для проверки эффективности горелки в процессе сгорания. Кроме того, таким образом можно измерить эффективность двигателя внутреннего сгорания, и некоторые штаты и муниципалитеты США используют анализ сгорания для определения и оценки эффективности транспортных средств, находящихся в эксплуатации. Угарный газ – один из продуктов неполного сгорания. Образование угарного газа выделяет меньше тепла, чем образование углекислого газа, поэтому полное сгорание значительно предпочтительнее, особенно учитывая, что угарный газ – ядовитый газ. При вдыхании угарный газ вытесняет кислород и связывается с частью гемоглобина в крови, лишая ее способности переносить кислород.

Incomplete combustion will occur when there is not enough oxygen to allow the fuel to react completely to produce carbon dioxide and water. It also happens when the combustion is quenched by a heat sink, such as a solid surface or flame trap. As is the case with complete combustion, water is produced by incomplete combustion; however, carbon and carbon monoxide are produced instead of carbon dioxide. For most fuels, such as diesel oil, coal, or wood, pyrolysis occurs before combustion. In incomplete combustion, products of pyrolysis remain unburnt and contaminate the smoke with noxious particulate matter and gases. Partially oxidized compounds are also a concern; partial oxidation of ethanol can produce harmful acetaldehyde, and carbon can produce toxic carbon monoxide. The designs of combustion devices can improve the quality of combustion, such as burners and internal combustion engines. Further improvements are achievable by catalytic after burning devices (such as catalytic converters) or by the simple partial return of the exhaust gases into the combustion process. Such devices are required by environmental legislation for cars in most countries. They may be necessary to enable large combustion devices, such as thermal power stations, to reach legal emission standards. The degree of combustion can be measured and analyzed with test equipment. HVAC contractors, firefighters and engineers use combustion analyzers to test the efficiency of a burner during the combustion process. Also, the efficiency of an internal combustion engine can be measured in this way, and some U. S. states and local municipalities use combustion analysis to define and rate the efficiency of vehicles on the road today. Carbon monoxide is one of the products from incomplete combustion. The formation of carbon monoxide produces less heat than formation of carbon dioxide so complete combustion is greatly preferred especially as carbon monoxide is a poisonous gas. When breathed, carbon monoxide takes the place of oxygen and combines with some of the hemoglobin in the blood, rendering it unable to transport oxygen.

Проблемы окружающей среды

Эти оксиды соединяются с водой и кислородом в атмосфере, образуя азотную и серную кислоты, которые возвращаются на поверхность Земли в виде кислотных осадков, или "кислотных дождей". Кислотные осадки наносят вред водным организмам и приводят к гибели деревьев. Они снижают продуктивность экосистем и сельскохозяйственных угодий, поскольку затрудняют усвоение растениями важных питательных веществ, таких как кальций и фосфор. Кроме того, оксиды азота, наряду с углеводородными загрязнителями, способствуют образованию приземного озона – основного компонента смога.

Проблемы со здоровьем человека

Вдыхание угарного газа вызывает головную боль, головокружение, рвоту и тошноту. При достаточно высокой концентрации угарного газа люди теряют сознание или умирают. Длительное воздействие умеренных и высоких уровней угарного газа положительно связано с риском сердечных заболеваний. Люди, пережившие тяжелое отравление угарным газом, могут страдать от долгосрочных последствий для здоровья. Угарный газ, поступающий из воздуха, поглощается в легких и связывается с гемоглобином в красных кровяных клетках. Это снижает способность красных кровяных клеток переносить кислород по всему организму.

Сжигание

Тление — это медленная, низкотемпературная, бездымная форма горения, поддерживаемая теплом, выделяющимся при непосредственном контакте кислорода с поверхностью твердого топлива. Это, как правило, неполная реакция сгорания. Твердые материалы, способные поддерживать тление, включают уголь, целлюлозу, древесину, хлопок, табак, торф, лесную подстилку, гумус, синтетические пены, обугливающиеся полимеры (включая пенополиуретан) и пыль. Типичными примерами явлений тления являются возникновение пожаров в жилых помещениях на мягкой мебели от слабых источников тепла (например, сигареты, поврежденной проводки) и продолжительное горение биомассы позади фронта пламени лесных пожаров.

Спонтанный

Спонтанное воспламенение – это тип горения, который происходит в результате самонагрева (повышения температуры из-за экзотермических внутренних реакций), за которым следует тепловой разгон (самонагревание, которое быстро ускоряется до высоких температур) и, в конечном итоге, воспламенение. Например, фосфор самовоспламеняется при комнатной температуре без подведения тепла. Органические материалы, подвергающиеся бактериальному компостированию, могут выделять достаточно тепла, чтобы достичь температуры воспламенения.

Турбулентное

Сжигание, приводящее к образованию турбулентного пламени, наиболее широко используется в промышленных приложениях (например, в газовых турбинах, бензиновых двигателях и т.п.), поскольку турбулентность способствует смешиванию топлива и окислителя.

Микрогравитация

Термин "микро"гравитация относится к гравитационному состоянию, характеризующемуся низким уровнем гравитации (то есть "микро" в значении "небольшой", а не обязательно одной миллионной от нормальной гравитации Земли), при котором влияние сил плавучести на физические процессы можно считать незначительным по сравнению с другими процессами, возникающими при нормальной гравитации. В такой среде динамика тепло- и массопереноса может существенно отличаться от наблюдаемой в обычных условиях гравитации (например, пламя свечи приобретает сферическую форму). Исследования горения в условиях микрогравитации способствуют пониманию широкого спектра явлений, имеющих значение как для среды космического аппарата (например, динамика пожара, важная для обеспечения безопасности экипажа на Международной космической станции), так и для наземных условий (например, динамика горения капель для разработки новых топливных смесей с улучшенными характеристиками, процессов создания материалов, теплового управления электронными системами, многофазного кипения и многих других).

Микровозгорание

Процессы сгорания, происходящие в очень малых объемах, рассматриваются как микросгорание. Высокое отношение площади поверхности к объему увеличивает удельные тепловые потери. Расстояние гашения играет важную роль в стабилизации пламени в таких камерах сгорания.

Продукты следового сгорания

Различные другие вещества начинают появляться в значительных количествах в продуктах сгорания, когда температура пламени превышает примерно 1600. При использовании избыточного воздуха азот может окисляться до оксида азота (NO) и, в гораздо меньшей степени, до диоксида азота (NO2). Оксид азота (NO) образуется непропорционально, а водород (H2) и оксид азота (NO) образуются также непропорционально. Например, при сжигании 1 части пропана с 28,6 частями воздуха (120% стехиометрического количества), продукты сгорания содержат 3,3% оксида азота (NO). При 1400, равновесные продукты сгорания содержат 0,03% оксида азота (NO) и 0,002% диоксида азота (NO2). При 1800, продукты сгорания содержат 0,17% оксида азота (NO), 0,05% диоксида азота (NO2), 0,01% и 0,004%. Дизельные двигатели работают с избытком кислорода для сжигания мелких частиц, которые образуются при использовании только стехиометрического количества кислорода, что неизбежно приводит к выбросам оксидов азота. Как в Соединенных Штатах, так и в Европейском Союзе действуют ограничения на выбросы оксидов азота транспортными средствами, что требует использования специальных каталитических нейтрализаторов или обработки выхлопных газов мочевиной (см. дизельную выхлопную жидкость).

Жидкие топлива

Сгорание жидкого топлива в окисляющей атмосфере фактически происходит в газовой фазе. Горит именно пар, а не сама жидкость. Поэтому жидкость обычно воспламеняется только при достижении определенной температуры – температуры вспышки. Температура вспышки жидкого топлива – это самая низкая температура, при которой оно способно образовывать с воздухом воспламеняющуюся смесь. Это минимальная температура, при которой в воздухе содержится достаточно испарившегося топлива для начала горения.

Газообразные топлива

Сжигание газообразных видов топлива может происходить посредством одного из четырех различных типов горения: диффузионного пламени, пламени с предварительным смешением, фронта самовоспламенения или в виде детонации. Тип горения, который фактически происходит, зависит от степени смешения топлива и окислителя до начала нагрева: например, диффузионное пламя образуется, если топливо и окислитель изначально разделены, в то время как пламя с предварительным смешением образуется в противном случае. Аналогичным образом, тип горения также зависит от давления: детонация, например, представляет собой фронт реакции самовоспламенения, связанный с сильной ударной волной, что обуславливает характерный пик высокого давления и высокую скорость детонации. В процессе нагрева существует множество потерь. Как правило, доминирующей потерей является тепло, уносимое отработавшими газами (т.е. дымовыми газами). Температура и количество отработавших газов указывают на их теплосодержание (энтальпию), поэтому минимизация их количества снижает потери тепла. В идеальной печи расход воздуха для сгорания был бы согласован с расходом топлива, чтобы каждой молекуле топлива соответствовало точное количество кислорода, необходимое для полного сгорания. Однако в реальных условиях сгорание не протекает идеально. Несгоревшее топливо (обычно CO и H₂) , выбрасываемое из системы, представляет собой потерю теплотворной способности (а также создает опасность). Поскольку горючие вещества нежелательны в отработавших газах, в то время как присутствие не прореагировавшего кислорода представляет минимальную опасность для безопасности и окружающей среды, первым принципом управления сгоранием является обеспечение избытка кислорода, превышающего теоретически необходимое количество для полного сгорания топлива. Например, для сгорания метана требуется чуть больше двух молекул кислорода. Однако второй принцип управления сгоранием заключается в том, чтобы не использовать слишком много кислорода. Определение оптимального количества кислорода требует трех видов измерений: во-первых, активного контроля расхода воздуха и топлива; во-вторых, измерения содержания кислорода в отработавших газах; и в-третьих, измерения содержания горючих веществ в отработавших газах. Для каждого процесса нагрева существует оптимальное состояние, характеризующееся минимальными тепловыми потерями с отработавшими газами при приемлемых уровнях концентрации горючих веществ. Минимизация избыточного кислорода дает дополнительное преимущество: при заданной температуре отработавших газов уровень NOx минимален при минимальном избытке кислорода. Материальный баланс напрямую связывает соотношение воздух/топливо с процентным содержанием CO₂ в газах сгорания. Тепловой баланс соотносит тепло, доступное для нагреваемого материала, с общей чистой теплотой, выделяемой при сжигании топлива. Дополнительные материальные и тепловые балансы могут быть составлены для количественной оценки теплового преимущества предварительного нагрева воздуха для сгорания или его обогащения кислородом.

Combustion of gaseous fuels may occur through one of four distinctive types of burning: diffusion flame, premixed flame, autoignitive reaction front, or as a detonation. The type of burning that actually occurs depends on the degree to which the fuel and oxidizer are mixed prior to heating: for example, a diffusion flame is formed if the fuel and oxidizer are separated initially, whereas a premixed flame is formed otherwise. Similarly, the type of burning also depends on the pressure: a detonation, for example, is an autoignitive reaction front coupled to a strong shock wave giving it its characteristic high pressure peak and high detonation velocity. There are many avenues of loss in the operation of a heating process. Typically, the dominant loss is sensible heat leaving with the offgas (i. e., the flue gas). The temperature and quantity of offgas indicates its heat content (enthalpy), so keeping its quantity low minimizes heat loss. In a perfect furnace, the combustion air flow would be matched to the fuel flow to give each fuel molecule the exact amount of oxygen needed to cause complete combustion. However, in the real world, combustion does not proceed in a perfect manner. Unburned fuel (usually and ) discharged from the system represents a heating value loss (as well as a safety hazard). Since combustibles are undesirable in the offgas, while the presence of unreacted oxygen there presents minimal safety and environmental concerns, the first principle of combustion management is to provide more oxygen than is theoretically needed to ensure that all the fuel burns. For methane combustion, for example, slightly more than two molecules of oxygen are required. The second principle of combustion management, however, is to not use too much oxygen. The correct amount of oxygen requires three types of measurement: first, active control of air and fuel flow; second, offgas oxygen measurement; and third, measurement of offgas combustibles. For each heating process, there exists an optimum condition of minimal offgas heat loss with acceptable levels of combustibles concentration. Minimizing excess oxygen pays an additional benefit: for a given offgas temperature, the NOx level is lowest when excess oxygen is kept lowest. The material balance directly relates the air/fuel ratio to the percentage of in the combustion gas. The heat balance relates the heat available for the charge to the overall net heat produced by fuel combustion. Additional material and heat balances can be made to quantify the thermal advantage from preheating the combustion air, or enriching it in oxygen.

Кинетическое моделирование

Кинетическое моделирование может быть использовано для изучения механизмов реакций термического разложения при сгорании различных материалов, например, с применением термогравиметрического анализа.