Fizykochemia spalania

Podstawowe wiadomości

Spalanie towarzyszy człowiekowi od ponad
miliona lat

„Świątynia ognia” –
muzeum w Baku

90% wytwarzanej energii pochodzi ze spalania różnego rodzaju
pierwotnych lub przetworzonych paliw kopalnych.

Spalanie jest zjawiskiem wszechobecnym, masowym i spotykamy
się z nim lub jego skutkami na każdym kroku.

Mimo,

ż

e

ogień

towarzyszy

człowiekowi

od

czasów

prehistorycznych, sam proces spalania nie został jeszcze do końca
poznany przez naukę, a jego wykorzystanie nie odbywa się
zazwyczaj w warunkach optymalnych.

Wiedza

o

spalaniu

jest

złożona

i

ma

charakter

interdyscyplinarny, łącząc chemię, fizykę, mechanikę płynów,
wymianę ciepła, masy i pędu, budowę maszyn i inżynierię
materiałową.

SPALANIE PALIW JEST

NIE TYLKO ŹRÓDŁEM

ENERGII, ALE RÓWNIEś PRZYCZYNĄ POWSTAWANIA
WIĘKSZOŚCI ZANIECZYSZCZEŃ ATMOSFERY

Spalanie

wg PN-ISO 8421-1:1997 jest to egzotermiczna reakcja

substancji palnej z utleniaczem, której towarzyszą płomienie,
ż

arzenie i/lub wydzielanie dymu.

Utleniacz

-pierwiastek lub związek chemiczny, który może

spowodować utlenianie lub spalanie

Utlenianie

- jest procesem polegającym na utracie elektronów przez

obojętne atomy, cząsteczki lub jony, w którym następuje
podwyższenie stopnia utlenienia reduktora.

Szybkość reakcji utlenienia

(tj. ilość substancji utlenionej w

jednostce czasu) jest funkcją temperatury otoczenia..

Podstawową egzotermiczną reakcja chemiczną w procesie
spalania jest reakcja utlenienia.

Sam proces utlenienia się materiału to za mało, aby
substancja się paliła.

O tym czy substancja ulegnie zapaleniu decyduje ilość ciepła
gromadzonego w stosunku do ciepła odprowadzonego.

Jeśli szybkość wydzielenia ciepła w wyniku reakcji utlenienia
jest odpowiednio duża i przewyższa ilość ciepła traconego do
otoczenia, proces utlenienia przekształca się w proces
spalania.

Energia aktywacji = energii
potrzebnej do zapłonu

Energia aktywacji jest - podawaną często w przeliczeniu na
1mol substancji - wielkością bariery energetycznej (w skali
mikroskopowej – bariera potencjału), którą musi pokonać układ
reagujących indywiduów chemicznych aby doszło do reakcji
chemicznej.
Energię aktywacji dla reakcji można wyznaczyć na podstawie

równania Arrheniusa

, znając szybkość reakcji w różnych

temperaturach:

Czym mniejsza energia aktywacji, tym zwiększa się szybkość
reakcji.

Katalizatory

obniżają energię aktywacji przez tworzenie

kompleksów przejściowych z substratami. Oprócz tego energia ta
jest zależna od wielu czynników.

k- stała szybkości reakcji

E

a

- energia aktywacji, A – stała

empiryczna,

R- stała gazowa, T- temperatura

W zależności od rodzaju substancji utlenianej, temperatury
otoczenia i ilości utleniacza w czasie procesu spalania może
pojawić się płomień, żar i/lub dym.

Stąd też spalanie dzielimy na:

•Spalanie płomieniowe -

proces spalania substancji, w którym

pojawia się płomień. Występuje podczas spalania gazów, cieczy
i niektórych materiałów stałych, które tworzą palną fazę lotną.

•Spalanie bezpłomieniowe -

proces spalania niektórych

materiałów w fazie stałej bez pojawienia się płomienia.
Występuje podczas spalania materiałów stałych, które w danych
warunkach otoczenia nie tworzą palnej fazy lotnej.

Spalanie bezpłomieniowe

Tlenie

śarzenie

Tlenie –

powolne spalanie materiału bez emisji światła

widzialnego, charakteryzujące się wydzielaniem dymu i wzrostem
temperatury. Ten rodzaj spalania głównie dotyczy materiałów
pochodzenia naturalnego np. węgla drzewnego, skóry, filcu, które
w danych warunkach spalania nie tworzą płomienia i nie dają żaru.

Jeśli podczas spalania bezpłomieniowego pojawi się żar (emisja
ś

wiatła ze strefy spalania) wówczas proces spalania nazywamy

żarzeniem.

Jarzenie wg PN-ISO 8421-1:1997 żarzenie wytworzone bez
spalania lub innych chemicznych reakcji np. żarzenie wytworzone
przez elektrycznie grzane włókno wolframowe.

Spalanie

ze względu na stosunek ilościowy materiału palnego i

utleniacza

możemy podzielić także na:

−

spalanie całkowite, spalanie niecałkowite

−

spalanie zupełne lub niezupełne.

Spalanie całkowite i zupełne

jest to spalanie w rezultacie, którego

otrzymuje się produkty, które nie mogą się już palić np.: dwutlenek
węgla (CO

2

), woda (H

2

O), dwutlenek siarki (SO

2

), pięciotlenek fosforu

(P

2

O

5

), itp. Cały węgiel atomowy zawarty w paliwie spala się na CO

2

,

cały wodór na H

2

O, cała siarka na SO

2,

lub SO

3

.

Spalanie niecałkowite

– zachodzi gdy po spaleniu substancji pozostają

nie wypalone części w postaci: sadzy (węgiel i inne), węglowodory,
pozostałość zwęglona.

Spalanie niezupełne

-

polega na tym, że tylko część węgla atomowego

zawartego w paliwie spala się na CO

2

, a pozostała część na CO.

SPALANIE

kontrolowane niekontrolowane

Spalanie kontrolowane

- typ reakcji chemicznej, w której

zarówno ilość paliwa, jak i szybkość jego dostarczania jest
kontrolowana w danych warunkach wentylacji i w danych
warunkach cieplnych.

Spalanie niekontrolowane

- taki typ reakcji, który przebiega

w układzie palnym w sposób samorzutny bez żadnej kontroli.

Podział ze względu na stan skupienia reagentów:

•

Homogeniczne

•

Heterogeniczne

Podział ze względu na szybkość spalania:

•

Dyfuzyjne

(wolne) szybkość spalania zależy od dyfuzji

powietrza do środowiska spalania

•

Kinetyczne

(szybkie)- szybkość r. spalania zależy od

szybkości przebiegu reakcji chemicznej.

Spalanie dyfuzyjne-

••••

jest najczęściej spotykanym w przyrodzie i technice

rodzajem spalania,

•

jego istota polega na tym, że mieszanina palna nie jest

doskonale wymieszana, lecz paliwo i utleniacz występują
początkowo osobno, a następnie mieszają się wskutek dyfuzji

•

w warstwie rozdzielającej utleniacz i paliwo gazowe, gdzie

stosunek powietrza do paliwa osiąga wartość stechiometryczną
(

=1), stabilizuje się płomień dyfuzyjny, po którego stronie

wewnętrznej występuje mieszanina spalin i gazu palnego, a po
stronie zewnętrznej - mieszanina spalin i powietrza

Przykładami spalania dyfuzyjnego (w czystej formie) są:

- spalanie gazu wypływającego z rurki do atmosfery,

- spalanie kropel paliwa ciekłego w powietrzu (silnik tłokowy z
wtryskiem bezpośrednim, silnik przepływowy),

- płomień świecy.

λ

W płomieniu wyróżnia się strefę palnej fazy lotnej i strefę
spalania; w strefie palnej fazy lotnej następuje przygotowanie
paliwa do spalenia.

Spalanie dyfuzyjne

laminarne turbulentne

szybkość przepływu szybkość przepływu jest

chaotyczna,

jest stała,niewielka,

przypadkowa

małe powierzchnie spalania (50cm

2

)

Ze wzrostem prędkości wypływu płomień - po przejściu fazy
pośredniej,w której maleje jego wysokość - staje się płomieniem
turbulentnym, co powoduje ustalenie jego wysokości na niższym
poziomie w stosunku do długości płomienia laminarnego oraz
oderwanie się od krawędzi dyszy palnika. Wysokość płomienia
staje się niezależna od wydatku gazu przez dyszę.

Pożar

wg PN-ISO 8421-1:1997:

•1.

Proces spalania charakteryzujący się emisją cieplną, któremu

towarzyszy dym i/lub płomień.
•2.

Spalanie o niekontrolowanym przebiegu w czasie i przestrzeni.

Wybuch

– gwałtowne rozprężanie się gazu, które może być

wynikiem szybkiej reakcji utlenienia lub rozkładu, ze wzrostem
temperatury lub bez niego.

RÓśNICA między pożarem a spalaniem:

POśAR

sumaryczny

efekt

cieplny

zaistnienia

różnych

przemian

chemicznych i zjawisk fizycznych w określonym układzie
termodynamicznym i powodujący jego zmianę,

powstaje tylko wtedy, gdy istnieje przestrzenna i czasowa

współzależność czynników warunkujących jego powstanie

jest sumą reakcji spalania i na jego rozwój oddziałuje układ palny,

otoczenie.

SPALANIE

zachodzi w ściśle określonej objętości,

jest to fizykochemiczny proces wzajemnego oddziaływania

materiału palnego (paliwa) i powietrza