Struktura płomienia gazowego

Wstęp teoretyczny

Zapłon mieszaniny gazowej

1. Zapłon

1. Definicja: intensywna reakcja egzotermiczna wywoływana w mieszance palnej

1. Mieszanina palna

1. Definicja: mieszania, w której płomień rozprzestrzenia się nieograniczenie także po zaprzestaniu działania źródła zapłonu

1. Temperatura zapłonu

1. Definicja: określona temperatura po osiągnięciu, której nie opłaca się dalsze podgrzewanie

1. Rodzaje zapłonów

1. Zapłon wymuszony: źródło zapłonu inicjuje zapłon, a dalsze rozprzestrzenianie przebiega niezależnie od źródła

2. Samozapłon: mieszanina po osiągnięciu temperatury samozapłonu podlega szybkiemu przyspieszeniu reakcji spalania co obrazuje gwałtowny wzrost temperatury

Zapłon wymuszony

1. Rodzaje metod inicjacji zapłonu

1. Iskra elektryczna

2. Spaliny

3. Płomień

4. Gorąca ścianka

1. Iskra elektryczna

Oddziałuje na mieszanie cieplnie i chemicznie. Termicznie opiera się na źródle wysokiej temperatury, a chemicznie jonizacji oraz dysocjacja gazu w wysokiej temperaturze.

Wywołuje zapłon wymuszony przy pewnej wartości energii.

1. Płomień

Oddziaływanie charakteru cieplno-łańcuchowego

1. Płomień pilotujący: zapala i podtrzymuje spalanie

2. Płomień turbulentny dyfuzyjny: uniesienie płomienia

3. Płomień wstępnie zmieszanych gazów: pali się w niewielkiej odległości od wylotu palnika

1. Czynniki wpływające na minimalną wartość energii zapłonu

1. Ciśnienie

2. Rodzaj i skład mieszaniny palnej

3. Rodzaj i odległość między elektrodami

4. Prędkość mieszaniny palnej

Stężeniowe granice zapłonu

1. Stężeniowe granice zapłonu

1. Definicja: określa zakres w jakim do zapłonu może dojść, po za nimi zapłon nie istnieje

1. Mieszanina palna z małym udziałem paliwa

Wydzielona ilość ciepła nie jest w stanie doprowadzić sąsiedniej warstwy do temperatury zapłonu (propagacja płomienia). Koniecznie trzeba zapewnić temperaturę rekompensującą straty do otoczenia oraz podgrzewanie zimnej mieszanki palnej napływającej do strefy spalania do takiego stopnia aby zaszło spalanie.

1. Dolna i górna stężeniowa granica zapłonu

1. Wzór Le Chateliera:

1. Zależności stężeniowych granic zapłonu

1. Ciśnienie: jego wahania wpływają na wartość zakresu zapłonu

2. Temperatura: wzrost powoduje rozszerzenie granic zapłonu

3. Rozcieńczenie mieszaniny palnej obojętnym składnikiem: pogarsza warunki spalania i obniża wartość górnej granicy zapłonu.

Płomień laminarny

1. Zjawisko powstawania płomienia

W długim i zamkniętym przewodzie umieszcza się nieruchomą mieszankę palną. Inicjując zapłon powstaje fala reakcji przemieszczająca się w kierunku zamkniętego końca przewodu.

Podgrzana mieszanka zwiększa prędkość reakcji. Dochodzi do nagrzania sąsiednich warstw świeżej mieszanki inicjując szybką reakcję.

1. Prędkość spalania laminarnego

1. Definicja: prędkość rozchodzenia się czoła laminarnego płomienia względem świeżej mieszanki palnej lub ścianki przewodu.

1. Cechy charakterystyczne

1. W cienkie warstwie zachodzą przemiany fizyczno-chemiczne

2. Zmianie ulega skład chemiczny i temperatura gazu

3. Wyczerpanie produktu będącego w niedomiarze

1. Struktura płomienia

Stopniowo temperatura świeżego gazu ulega podnoszeniu kosztem doprowadzanej energii. Reakcja zachodzi również w przegrzewie ale w wolniejszym tempie. Wzrost szybkości reakcji powoduje starty na rzecz obszaru podgrzewania. Rekompensowane są one przez znaczne ilości wydzielanego ciepła. Temperatura osiąga maksymalną wartość. W obszarze reakcji znajduje się wąski obszar świecenia . Większość gazu spala się w obszarze intensywnej reakcji.

1. Wielkości wpływające na spalanie laminarne

1. Szybkość przebiegu reakcji

2. Ciepło właściwe

3. Współczynnik przewodnictwa cieplnego

Palnika Bunsena

1. Budowa

2. Otrzymywanie płomienia

Paliwo gazowe doprowadza się do palnika przewodem. Podczas wypływania gazu z dyszy następuje zasysanie powietrza z otoczenia. W rurce palnika dochodzi do wymieszania paliwa i utleniacza. Tarczkę regulacyjnym ustalamy poziom dopływu powietrza. Mieszanka palna jest wydalana do nieruchomego otoczenia. Płomień przyjmuje dzwonowaty lub prawie stożkowaty kształt, jest nie co uniesiony nad wylotem palnika.

1. Niecałkowite i niezupełne spalanie

Ponieważ dopływ powietrza jest ograniczony cześć półproduktów spalania zostaje dopalonych w wtórnym płomieniu dyfuzyjnym tworzącym się nad głównym płomieniem.

Płomień kinetyczny

1. Powstawanie

Wstępnie zmieszane reagenty paliwa i utleniacza przed dyszą palnika w mieszalniku zostają następnie wydalone przez wylot palinka. Dochodzi do inicjacji spalania.

1. Struktura

1. Budowa

2. Wstępna strefa podgrzewania i inicjacji utleniacza z paliwem znajduje się przed czołem płomienia. Na jej końcu znajduje się punkt samoistnego utleniania paliwa bez dostaw ciepła z głównej strefy reakcji.

3. Głowna strefa reakcji to czoło płomienia. W niej powstają produkty pośrednie i końcowe spalania. Rodniki dyfundują do strefy podgrzewania i inicjacji początkując utleniania paliwa.

4. Wtórny płomień dyfuzyjny tworzy się w strefie popromiennej płomienia głównego. Dopalają się w nim półprodukty spalania powstałe w głównej strefie reakcji.

Płomień dyfuzyjny

1. Powstawanie

Struga paliw wypływając z wylotu palnika zostaje wciągnięta w czysto fizyczny proces mieszania z powietrzem. Płomień tworzy się w warstwie granicznej strumienia gazu palnego i gazowego utleniacza lub na granicy strumienia gazu palnego i otaczającego go nieruchomego utleniacza.

1. Struktura

1. Schemat

2. Obszar intensywnej reakcji chemicznej: umieszczony w obszarze stechiometrycznego stosunku dyfundującego strumienia paliwa do strumienia utleniacza. Przyjmuje postać święcącej powierzchni. Następuje całkowite utlenienie paliwa. Żółty kolor zawdzięcza zachodząca początkowo procesowi pirolizy. Duże stężenie i temperatura.

3. Strefa podgrzewania i inicjacji reakcji: położona po obu stronach czoła płomienia. Niewielki prędkości dopływu paliwa z wnętrza płomienia oraz dopływu utleniacza z zewnątrz.

4. Strefa popromienna: położona z obu stron czoła płomienia powyżej strefy intensywnej reakcji. Nie można jej oddzielić fizycznie. Dominują procesy równowagi. Niewielkie stężenie oraz temperatura.

1. Podział płomienia dyfuzyjnego

1. Laminarny

- dyfuzja czysto molekularna

- poprzeczny wymiar równy średnicy wylotowej dyszy palnika

- zewnętrzna powierzchnia gładka i wyraźnie zarysowana

- niewielka prędkość wypływu strumienia

1. Turbulentny

- dyfuzja turbulentna

- poprzeczny wymiar znacznie większy od średnicy wylotowej dyszy palnika

- zewnętrzna powierzchnia nieokreślonego kształtu i ciągle zaburzona zmianami (fale, drgania).

Przejście od płomienia dyfuzyjnego laminarnego do turbulentnego

1. Przebieg przejścia

Stopniowy wzrost prędkości wypływu strumienia paliwa. Po przekroczeniu prędkości dla granicznej liczby Re powoduje zaburzenie stateczności wierzchołka. Dalszy wzrost prędkości powoduje postęp zaburzenia w dół w kierunku wylotu dyszy. Płomień zaczyna przechodzić w turbulentny. Dzieli się on na dwa rodzaje. Zwykły turbulentny rozpoczynający się u wylotu dyszy oraz uniesiony płomień rozpoczynający się w pewnej odległości od wylotu dyszy.

Po osiągnięciu punktu wylotowego dyszy dalszy wzrost prędkości nie ma wpływu na stateczność płomienia.

1. Obszar intensywnej reakcji chemicznej to święcąc powierzchnia. W tym obszarze stu synek dyfundującego paliwa do strumienia utleniacza przyjmuje wartość stechiometryczną.

1. Podział

1. Laminarny:

- dyfuzja czysto molekularna

- porzeczny wymiar niewiele większy od średnicy wylotowe dyszy palnika

- zewnętrzna powierzchnia gładka i wyraźnie zarysowana

- niewielka prędkość wypływu mieszanki palnej

1. Turbulentny

- dyfuzja turbulentna

- wymiar poprzeczny znacznie większy od średnicy wylotowej dyszy palnika

- zewnętrzna powierzchnia nieokreślonego kształtu zaburzana zmianami (fale, drgania)

Stabilność płomienia

1. Stabilność

Odporność płomienia na małe zaburzenia oraz zespół warunków umożliwiających zaistnienie płomienia.

1. Proces stabilizacji płomienia w przestrzeni nieograniczonej, np. płomień butanu

1. Zmniejszając prędkość strumienia gazu do wartość równej lub mniejszej od prędkości rozchodzenia się czoła płomienia powoduje jego przeskok do wnętrza palnika.

2. Zwiększenie prędkości strumienia gazu do pewnych granic może powodować jego zerwanie lub oderwanie się od wylotu palnika.

3. Przy ustalonej średnicy palnika zachodzi zależność prędkości strumienia i liczby Re.

4. Przy dużych średnicach palnika prędkość strumienia krytycznej liczby Re poptrafi przyjąć taką wartość, że uniemożliwia zaistnienie płomienia laminarnego.

5. Płomień bogaty w paliwo jest stabilniejszy względem prędkości, granica zerwania płomienia przesuwa się ku wyższym wartością prędkości aby przy ustalonym stężeniu uniemożliwić zerwanie lub przeskok płomienia.

Bezpłomieniowe spalanie

1. Warunki zaistnienia spalania

1. Temperatura powietrza dostarczonego do komory spalania musi być większa od temperatury zapłonu paliwa.

2. Wysoki stopień recyrkulacji spalin w obszarze mieszania.

3. Spalanie przy niskim stężeniu O₂

1. Cechy

1. Reakcja spalania przebiega w znacznej objętości komory bez widocznego czoła płomienia

2. Lepsza stabilizacja płomienia

3. Wysoki wyrównany radiacyjny strumień ciepła zarówno w pobliżu palnika i jak na końcu komory spalania

4. Zmniejszenie emisji tlenku węgla i tlenków azotu

5. Podwyższenie efektywności cieplnej procesu spalania

1. Cechy wykorzystywanie w zastosowaniu przemysłowym

1. Większa efektywność cieplna pieców gazowych

2. Równomierny rozkład temperatury pieca gazowego

3. Niewielkie stężenie tlenków azotu w spalinach

1. Zastosowanie

1. Przemysł szklarski i ceramiczny

2. Hutnictwo

3. Petrochemia

Palniki gazowe

1. Funkcje wymagane do spełnienia przez palniki

1. Przygotowanie mieszaniny palnej

2. Zapewnieni ciągłego zapłonu mieszaniny palnej

3. Całkowite i zupełne spalanie

4. Ustabilizowanie czoła płomienia na wylocie z dyszy palnika

5. Określona aerodynamika struktury płomienia

6. Odpowiednie ukierunkowanie płomienia w komorze

7. Zabezpieczenie projektowanej wydajności cieplnej palnika

1. Podział ze względu na sposób działania

1. Dyfuzyjne

Paliwo i utleniacz podane są osobne. Mieszanie następuje w dyszy wylotowej palnika lub w komorze.

1. Kinetyczna

Paliwo i utleniacz mieszane mechanicznie. Strumień mieszaniny palnej podawany jest z prędkością zapobiegającą przeskoczeniu płomienia.

1. Kinetyczno-dyfuzyjne

Gaz częściowo mechanicznie mieszany z powietrzem pierwotnym. Częściowo zmieszana mieszanka podawana osobno podlega zmieszaniu z powietrzem wtórnym. Dopiero wtedy mieszanie jest ukończone.

1. Podział ze względu na cechy konstrukcyjne

1. Gazowy inżektorowy (atmosferyczny)

Występuje wstępne mieszanie. Powietrze zasysane przez gaz wypływający z dyszy paliwowej palnika.

1. Gazowy nadmuchowy

Powietrze dostarczane za pomocą nadmuchu z pełnym, niepełnym lub bez wstępnego mieszania.

1. Podział ze względu na organizację przepływu strumienia paliwa i utleniacza na wylocie z palnika

1. Palnik wirowy

2. Palnik nie wirowy

Paliwa gazowe

Klasyfikacja

1. Podział ze względu na pochodzenie

1. Naturalne:

Gaz ziemny, gazy płynne i metan pokładów węgla

1. Sztuczne:

Gaz miejski, wodór, gaz koksowniczy, produkty zgazowania egla

1. Podział ze względu na energetyczność

1. Bogate

Ciepło spalania 39 MJ/m³

1. Ubogie

Ciepło spalanie 27 MJ/m³

1. Podział według PN

1 – gazy sztuczne (GS)

2 – Gaz ziemny (GZ)

3 – gazy płynne (GPB)

4 – mieszaniny propan - butanu technicznego (GP)

Paliwo gazowe

1. Właściwości

1. Gazy sztuczne

Zbudowane głównie z wodoru, metanu, azotu i tlenku węgla. Przykładowe oznaczenia techniczne GS – 25, - 30, - 35.

1. Gaz ziemny

Paliwo kapale zbudowane głównie z metanu, np.: GZ – 25, - 30, - 35, - 41, - 50.

1. Gazy płynne

Mieszaniny węglowodorowe powstające przez stabilizację gazoliny surowej, ropy lub przeróbkę gazów rafineryjnych. Często nazywane LPG. Zbudowane gównie z propanu, butanu i izobutanu.

- mieszanina A (butan techniczny)

- mieszanina B (propan – butan techniczny)

- mieszanina C (propan techniczny)

1. Gaz ziemny

1. Powstawanie

Dość niejasny sposób powstania. Prawdopodobnie obumarłe szczątki roślinne podawane w litosferze działaniu wysokich ciśnień i temperatur uległy częściowej przemianie w węglowodory. Głównym węglowodorem jest metan i jego homologi.

1. Występowanie

Spotykany wraz z ropą naftową lub osobno w rozpuszczony w litosferze, zaabsorbowany w skałach lub pokładach węgla.

1. Sztuczne gazy palne

1. Gaz miejski

Powstaje przez nisko – lub średniotemperaturowy wytlewanie węgla. Składa się głównie z wodoru, metanu, azotu, tlenka węgla i tlenu. Wartość opałowa ok. 17,5 MJ/m³.

1. Gaz koksowniczy

Powstaje przez wysokotemperaturowe odgazowywanie węgla. Skład i własności podobne do gazu miejskiego.

1. Gaz ze zgazowywania węgla

Działanie mieszaniną pary wodnej z tlenem na węgiel kamienny lub brunatny.

1. Ważniejsze parametry

1. Skład

2. Ciepło spalania i wartość opałowa

3. Gęstość i gęstość względna

4. Liczba Wobbego

5. Wilgoć

6. Temperatura punktu rosy

7. Granice stężeniowe wybuchu

8. Zapotrzebowanie powietrza do spalania

9. Liczba oktanowa LO

1. Zalet stosowania paliwa gazowego

1. Wysokość sprawność energetyczna urządzeń grzewczych

2. Bark wymagań magazynowania u odbiorcy

3. Stałość ciepła i temperatury spalania

4. Łatwość regulacji płomienia

5. Automatyzacja paleniska i kotła

6. Bezdymne spalanie i brak popiołu

7. Mniejsza emisja dwutlenku węgla w porównaniu do spalania węgla