книги из ГПНТБ / Брюханов О.Н. Вопросы теплофизики при беспламенном сжигании газа

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РСФСР

КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

О. Н. БРЮХАНОВ

ВОПРОСЫ ТЕПЛОФИЗИКИ ПРИ БЕСПЛАМЕННОМ СЖИГАНИИ ГАЗА

Нейтральный з н з ,

Калининград

1973

ПРЕДИСЛОВИЕ

Лучистый теплообмен является доминирующим видом тепло­ передачи в высокотемпературных огнетехничеоких установках. Во многих случаях применение лучистых источников тепла в низкотемпературных процессах значительно эффективнее по сравнению с использованием других методов нагрева. Примене­ ние беспламенных газовых излучателей для термообработки ма­ териалов, отопления и нагрева дает значительный экономиче­ ский эффект, повышает производительность, качество продук­ ции, снижает удельный расход топлива, уменьшает процент бра­ ка, капитальные и эксплуатационные затраты и' др.

Понимание физических основ процесса горения, умение поль­ зоваться ими при решении прикладных задач лучистого тепло­ обмена при применении беспламенных газовых излучателей, позволяет осуществлять более надежное проектное (Прогнозиро­

практического использования без достаточного обобщения, теоре­ тического обоснования и объяснения.

они охватывают исследования беспламенного сжигания газа ло 1948 года. Со времени выхода в свет монографий М. Б. Равича етрошло іболее двух десятилетий. Многие вопросы, (затронутые в них, актуальны и сейчас. Однако за этот период в Советском Союзе проведен значительный объем исследований по совершен­ ствованию беспламенных методов сжигания газа с глубокими

3

ВВЕДЕНИЕ

В связ'и с развитием системы газоснабжения в нашей стране и большой доли газа в энергетическом балансе стоит вопрос о •создании условий для наиболее экономичного, рационального и безопасного использовния газа в различных областях народно­ го хозяйства.

Одним из наиболее рациональных методов передачи тепла, выделяющегося при сжигании газа, является излучение. Пере­ дача тепла излучением при сжигании газа связана с разработ­

Историю развития методов беспламенного сжигания газа хорошо проследил М. Б. Равич [1, 2], в своем изложении этого вопроса мы будем следовать М. Б. Равичу.

Беспламенное сжигание исторически связано с каталитиче­ ским действием поверхностей твердых тел. Поэтому сжигание горючей смеси на поверхности твердых тел, обладающих ката­ литическими свойствами, называли беспламенными сжиганием или поверхностным горением.

Первым прибором, появившимся в 1817 году, в котором осу­ ществлялось беспламенное горение, была всем известная без­ опасная шахтерская лампа Дэви. В этой лампе на поверхности платиновой спирали, обладающей каталитическим свойством по отношению к кислороду атмосферы и к горючему газу, происхо­ дит сжигание газа при комнатной температруе. В случае повы­ шенного содержания метана в атмосфере рудников, лампа гас­ нет, но платиновая спираль продолжает светиться даже при малом содержании кислорода в воздухе, позволяя углекопам найти путь к выходу.

В 1831 году было создано портативное огнево. При помощи специальной U-образной трубки путем реакции цинка с со­ ляной кислотой, получали водород, который при выходе из ка­ пилляра, зажигался посредством иридиевой или платиновой губ­ ки, помещенной в латунный сосуд с крышкой. Пламя горящего

5

водорода использовали для зажигания свечи или спиртовой лам- 'Пы. Этот процесс Д. И. Менделеев объяснил тем, что водород вос­ пламеняется, потому что губчатая платина 'сгущает в себе водо­ род, нагревается и воспламеняет его. Значительное нагревание пластины завист от того, что сгущенный там же в ее парах во­

ложено использовать также для зажигания гремучего газа в двигателях, эвдиометрических исследований, окисления 'спирта в уксусную кислоту и других целей.

•Исследованиями 'было установлено, что лубки, приготов­

толченый золотой порошок начинает каталитически воздейст­ вовать при 55°С, а серебряный при 150°С и т. д.

Еще в 1881 году было установлено ускоряющее влияние не­ большого количества водяных паров на процесс сжигания окиси

В результате многих исследований было установлено, что при температуре ниже 500°С, кроме перечисленных выше твердых

верхности. Причем, также твердые неметаллические тела — уголь, пемза, стекло, фарфор и кварц —• ускоряют реакции го­ рения гремучего газа при температурах ниже «точки кипения ртути», т. е. 356°С; при ѳтом активность стеклянных осколков с острыми краями почти вдвое выше, чем кусков стекла с закруг­ ленными краями. Таким образом, был сделан важный шаг в области применения носителей в каталитической технике.

Было установлено, что в присутствии платиновой губки окись углерода сгорает при температуре около 150°С, а этилен при '260°С.

Явление поверхностного беспламенного горения привлекла внимание ученых и привело к излучению влияния поверх­ ности на течение многих химических реакций. Опыты по окис­ лению спирта в уксусную кислоту, сернистого ангидрида в сер­ ный и другие 'были в дальнейшем положены в основу примене­ ния гетерогенного катализа во 'многих отраслях химической промышленности.

Между тем, как отмечает М. Б. Равич, поверхностное горе­ ние не получило в 19-ім столетии применения в теплотехнике,

6

т. к. сжигание газообразного водорода в промышленных уста­ новках не являлось актуальным в то время. Но іпо мере того, как газообразное топливо начало широко использоваться во многих областях техники, появилась необходимость в разработ­ ке рациональных методов его сжигания.

В 1906 году Бон и Уиллер опубликовали исследование: «Со­ единение водорода и кислорода в контакте с нагретыми поверх­ ностями». В нем Бон предлагает различать два возможных условия горения газов:

2. Гетерогенное, т. е. горение на горячей и раскаленной по­ верхности, «поверхностное горение».

При прочих равных условиях гетерогенное поверхностное горение протекает .быстрее, чем нормальное пламенное гомоген­ ное горение.

В результате проведенных исследований им были сделаны выводы:

1. При соприкосновении горючих газов и воздуха с горячей

серебро, золото, окись никеля, фарфор, огнеупорная глина обла­ дают способностью ускорять горение газов в различной степени в зависимости от их химического состава и состояния поверх­ ности.

3. При более высоких температурах, соответствующих ярко­ му калению, разница в каталитическом действии раскаленных

и горючего газа и ионизировать их за счет энергии поверхности, которая заряіжается электричеством.

5. Горение происходит непосредственно у раскаленной по­ верхности, благодаря этому, горение можно сконцентрировать

втой части аппарата, где требуется подвод тепла.

6.При соприкосновении с раскаленной поверхностью газ полностью сгорает при минимальном избытке воздуха.

Применить метод поверхностного горения в технике шире, чем его предшественникам, позволили Бону те обстоятельства, что он располагал возможностью проводить опыты не только с водородом но и с техническими газами, в частности, с коксо­ вым. Вместо платины и иридия он использовал в качестве мате­ риала для осуществления поверхностного горения дешевые и легкодоступные огнеупоры — шамот и динас.

Сжигание газов по методу поверхностного горения проводи-

7

лось следующим образом: смесь горючего газа и воздуха про­ пускали через пористую диафрагму из монолитного куска огнеупора, со скоростью, превышающей скорость распространения пламени газовоздушной смеси. Выходящий из диафрагмы газ поджигали: при этом сначала горение протекало в обычных условиях, затем пламя постепенно уменьшали и при разогреве диафрагмы для яркого накала горение концентрировалось на внешней поверхности диафрагмы.

Другой метод осуществления поверхностного горения заклю­ чался в сжигании газовоздушной смеси в слое дробленного огне­ упорного материала (тигельная печь).

Бон пытался построить дымогарные котлы, работающие по принципу беспламенного горения, но эта попытка окончилась неудачей, которая в сильной степени скомпрометировала этот •метод в газах широкого «руга теплотехников того времени, что надоліго задержало применение беспламенного торения в тех­ нике.

Боном была также сделана попытка широко распространить диафрагмы из монолитного огнеупора, но ввиду их высокого со­ противления и оплавления (поверхности, в особенности, при ра­ боте на недостаточно-чистых газах, они широкого применения не получили. Огнеупоры выбирали с точки зрения их стойкости при высоких температурах, не вдаваясь в оценку их каталити­

Современные процессы беспламенного сжигания газа сво­ дятся к сжиганию газа без видимого пламени непосредственно на поверхности жароупорных материалов, нередко с использо­ ванием их каталитических свойств. При этом весь воздух, не­ обходимый для полного сгорания газа, предварительно хорошо перемешан с .газом до поступления в зону ігорения. Участие рас­ каленных до температуры 700о , С и выше поверхностей твердых тел в процессе беспламенного сжигания газа имеет очень боль­ шое значение, но оно основано не на каталитическом воздейст­ вии поверхностей, а на других принципах, в основном, на участии их в процессе теплообмена.

Англии и Шнабель в Германии. Разложение углеводородов в этих горелках ускоряется, благодаря наличию раскаленных ке­ рамических поверхностей, на которых газ сгорает без видимого пламени, т. е. беспламенно.

Цоне усовершенствовал эти горелки путем создания слои­ стых пористых плит из спекающегося материала различной зер­ нистости, причем, слой материала с наименьшими зернами по­ мещался на поверхности горения. Смесь газа и воздуха прохо­ дит через эти пористые плиты и горит на их поверхности.

8