Горючих веществ на свете столь-ко, что все и не перечислить. Есть среди них твёрдые вещества, на-пример: уголь, сера, фосфор, дере-во, некоторые металлы. Есть жид-кие: бензин, керосин, эфир, спирт, ацетон. Есть и газообразные — скажем, горючий газ метан, что горит у тебя на кухне, или другой горючий газ, пропан, который продают в бал-лонах, или ацетилен (возможно, ты видел, как пламенем ацетиленовой горелки сваривают железные листы). Молекулы метана, пропана, ацети-лена состоят из атомов углерода и атомов водорода, то есть из атомов разного вида. А разобраться в таком сложном процессе, как горение, бу-дет легче, если в этом процессе ста-нут участвовать молекулы, состоя-щие лишь из атомов одного вида.
Водород, как ты помнишь, горю-чий газ, и каждая его молекула со-стоит из двух атомов одного вида — атомов водорода. Вот мы и посмот-рим, как горит водород. А горит он, между прочим, отлично и пламя да-ёт такое жаркое, что на заводах пла-менем водородной горелки разре-зают толстенные стальные плиты.
Если тебе приходилось видеть та-кую горелку (хотя бы в кино), ты за-метил, наверное, что к ней идут трубки от двух стальных баллонов. В одном баллоне водород, в другом — кислород. Так что правильнее назы-вать эту горелку не водородной, а водородно-кислородной.
Что же происходит в пламени водородно-кислородной горелки? Преж-де всего обрати внимание на очень важный факт. Чтобы пламя появи-лось, к горелке надо поднести за-жжённую спичку или зажигалку: сам по себе водород не загорится (в точ-ности так же, как не загорится газ в кухонной горелке, пока к ней не под-несёшь огонёк). Но почему, чтобы водород загорелся, нужно сначала подогреть его хотя бы маленьким язычком постороннего пламени?
Дело в том, что атомы водорода, из которых состоит молекула водорода, держатся друг за друга крепко-прекрепко. На редкость дружная пара! Правда, атомы водорода ужасные непоседы: всё время вертятся, дёр-гаются, то сближаясь между собой, то удаляясь, словно между ними пру-жинка (и во всех других молекулах атомы ведут себя так же). Однако как бы ни растягивалась пружинка, она не лопается, пока... Догадался, что пока? Пока температура водорода не слишком высокая!
То, что при повышении температу-ры газа скорость его молекул увели-чивается, тебе уже известно. Но оказывается, при этом и атомы в молекулах становятся непоседли-вее, дёргаются всё сильнее и силь-нее. И значит, беспорядочное тепловое движение — это свойство не только всех на свете молекул, но и всех атомов, из которых эти молеку-лы состоят!
Нас, однако, интересует сейчас молекула водорода. При комнат-ной температуре тепловое движе-ние атомов в этой молекуле недо-статочно сильное,чтобы разлучить их дружную пару. Но вот к горелке поднесли зажжённую спичку... Как только молекула водорода попада-ет в пекло, её атомы начинают вер-теться и дёргаться так энергично, что связь между ними, того и гля-ди, оборвётся. К тому же при высо-кой температуре и сама молекула мчится чуть ли не с космической скоростью.
В мире молекул нет ГАИ и никто не призывает: «Не превышайте ско-рость — может произойти авария!» И авария не заставляет себя долго ждать. Причём авария с жертвами: молекула водорода, налетев на бе-зумной скорости на другую молеку-лу, погибает — атомы, из которых она состояла, разлетаются кто куда. А дальше происходит самое инте-ресное...
Мы уже не раз говорили в этой книжке, что большинство атомов не любит жить в одиночку. Что же каса-ется атомов водорода, то они оди-ночества просто не выносят! Есте-ственно, что осиротевшие атомы водорода так и норовят с кем-ни-будь соединиться. Но с кем? Встре-титься снова после того, как их раз-метала в разные стороны авария, нет никакой надежды. Разве оты-щешь друг друга в невообразимой толчее, где мечутся миллиарды миллиардов молекул? А все другие атомы заняты — каждый сидит в своей молекуле.
Что же делает оставшийся в оди-ночестве атом водорода?
Представь себе такую картину: в разгаре школьный бал, повсюду танцующие пары. Причём, как это нередко бывает, девочки танцуют с девочками, мальчики с мальчиками. Лишь один мальчик остался без па-ры. И вот он, не долго думая, под-скочил к паре девочек, схватил за руки ту, что оказалась поближе, ото-рвал её от партнёрши и начал с нею танцевать. «Ах, так?!» — сказала бывшая партнёрша, тут же направи-лась к ближайшей паре мальчиков и, схватив одного из них за руки, оторвала от партнёра. «Ах, так?!» — воскликнул оказавшийся в одиноче-стве партнёр...
Я думаю, можно не продолжать. Ты и сам понимаешь, что и дальше всё пойдёт по цепочке.
Так же бесцеремонно поступают и атомы-одиночки. Ты не забыл, на-деюсь, что вместе с водородом в го-релку подаётся и кислород. Молеку-ла этого газа тоже двухатомная — она состоит из двух атомов кисло-рода. Осиротевший атом водорода, потолкавшись среди молекул, обя-зательно наткнётся вскоре (через миллиардные доли секунды) на «танцующую пару» атомов кислоро-да. Хвать! — и вот уже атом водоро-да танцует с атомом кислорода, а второй атом кислорода остался не удел... «Ах, так?!» — И он, даже не из- винившись, выхватывает себе ново-го партнёра из первой попавшейся молекулы водорода. «Ах, так?!» — И очутившийся в одиночестве атом водорода... Ну, и так далее, по це-почке.
Но это ещё не всё! Аппетит прихо-дит во время еды. С точки зрения атома кислорода, один «малыш», то есть атом водорода, с которым он оказался в паре, — ни то ни сё. Ведь у атома кислорода, если можно так выразиться, осталась незанятой вторая «рука» — он способен удержать возле себя ещё одного такого же малыша. Где его взять? Да всё там же — отнять у молекулы водоро-да. В результате ещё один атом во-дорода остался беспризорным и вынужден искать, к кому бы притк-нуться. И будь уверен — найдёт! И потянется ещё одна цепочка обме-нов партнёрами...
Ты заметил, что картина здесь по-лучилась сложнее, чем на школьном балу? Там ведь втроём обычно не танцуют! А тут из-за жадности атома кислорода, который присоединяет к себе одного за другим два атома водорода, получается уже не одна цепочка, а несколько цепочек. С каждым мгновением их становится всё больше, они ветвятся, словно дерево, и вскоре, через тысячные доли секунды, в обмен партнёрами вовлекаются все вновь поступаю-щие в горелку молекулы водорода и кислорода. Не удивительно, что хи-мики называют горение разветв-лённой цепной химической реак-цией .
Так из атомов водорода (синие шарики) и кислорода (красные шарики) получаются молекулы воды
А всё ветвистое дерево этой реак-ции, в которой участвует такое чис-ло молекул, что его и вообразить трудно, началось с одной-единственной молекулы водорода, рас-павшейся в пламени спички на два одиночных атома. После этого, как ты понимаешь, спичку можно спо-койно убрать: стоит появиться одиночным атомам (для этого и нужна была спичка) — и горение будет продолжаться само собой.
Что ещё мы можем теперь ска-зать о горении? Что одни молекулы при этом гибнут, зато рождаются другие. В нашем случае, то есть в водородно-кислородной горелке, умирают молекулы водорода и кис-лорода, а рождаются молекулы, в которых атом кислорода удержива-ет возле себя «обеими руками» два атома водорода. Кто же они, ново-рождённые, как их зовут? Ну, их имя тебе прекрасно знакомо, ведь это молекулы вещества, без кото-рого мы с тобой и дня не смогли бы прожить, — воды
! Недаром самый лёгкий на свете газ так и назвали: «водород», то есть «рождающий воду».
Вещества, которые рождаются при сжигании какого-нибудь топ-лива, называют продуктами сгорания этого топлива. Значит, при сжигании водорода получает-ся всего лишь один продукт сгора-ния — вода.
Итак, нам уже удалось немало уз-нать о горении. Но имеем ли мы право считать, что изучили его как следует? Нет, не имеем. Потому что мы пока не ответили ещё на два важных вопроса:
откуда берёт-ся при горении тепло и
что такое пламя?
Константиновский М. Холодно... Теплее... Горячо!
Природный газ — это самое распространенное топливо на сегодняшний день. Природный газ так и называется природным, потому что он добывается из самых недр Земли.
Процесс горения газа является химической реакцией, при которой происходит взаимодействия природного газа с кислородом, который содержится в воздухе.
В газообразном топливе присутствует горючая часть и негорючая.
Основным горючим компонентом природного газа является метан — CH4. Его содержание в природном газе достигает 98 %. Метан не имеет запаха, не имеет вкуса и является нетоксичным. Предел его воспламеняемости находится от 5 до 15 %. Именно эти качества позволили использовать природный газ, как один из основных видов топлива. Опасно для жизни концентрация метана более 10 %, так может наступить удушье, вследствие нехватки кислорода.
Для обнаружения утечки газа, газ подвергают одоризации, иначе говоря добавляют сильнопахнущее вещество (этилмеркаптан). При этом газ можно обнаружить уже при концентрации 1 %.
Кроме метана в природном газе могут присутствовать горючие газы — пропан, бутан и этан.
Для обеспечения качественного горения газа необходимо в достаточном количестве подвести воздух в зону горения и добиться хорошего перемешивания газа с воздухом. Оптимальным считается соотношение 1: 10. То есть на одну часть газа приходится десять частей воздуха. Кроме этого необходимо создание нужного температурного режима. Чтобы газ воспламенился необходимо его нагреть до температуры его воспламенения и в дальнейшем температура не должна опускаться ниже температуры воспламенения.
Необходимо организовать отвод продуктов сгорания в атмосферу.
Полное горение достигается в том случае, если в продуктах сгорания выходящих в атмосферу отсутствуют горючие вещества. При этом углерод и водород соединяются вместе и образуют углекислый газ и пары воды.
Визуально при полном сгорании пламя светло-голубое или голубовато-фиолетовое.
Полное сгорание газа.
метан + кислород = углекислый газ + вода
СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О
Кроме этих газов в атмесферу с горючими газами выходит азот и оставшийся кислород. N 2 + O 2
Если сгорание газа происходит не полностью, то в атмосферу выбрасываются горючие вещества – угарный газ, водород, сажа.
Неполное сгорание газа происходит вследствие недостаточного количества воздуха. При этом визуально в пламени появляются языки копоти.
Опасность неполного сгорания газа состоит в том, что угарный газ может стать причиной отравления персонала котельной. Содержание СО в воздухе 0,01-0,02% может вызвать легкое отравление. Более высокая концентрация может привести к тяжелому отравлению и смерти.
Образующаяся сажа оседает на стенках котлов ухудшая тем самым передачу тепла теплоносителю снижает эффективность работы котельной. Сажа проводит тепло хуже метана в 200 раз.
Теоретически для сжигания 1м3 газа необходимо 9м3 воздуха. В реальных условиях воздуха требуется больше.
То есть необходимо избыточное количество воздуха. Эта величина обозначаемая альфа показывает во сколько раз воздуха расходуется больше, чем необходимо теоретически.
Коэффициент альфа зависит от типа конкретной горелки и обычно прописывается в паспорте горелки или в соответствие с рекомендациями организации производимой пусконаладочные работы.
С увеличением количества избыточного воздуха выше рекомендуемого, растут потери тепла. При значительном увеличение количества воздуха может произойти отрыв пламени, создав аварийную ситуацию. Если количество воздуха меньше рекомендуемого то горение будет неполным, создавая тем самым угрозу отравления персонала котельной.
Для более точного контроля качества сгорания топлива существуют приборы — газоанализаторы, которые измеряют содержание определенных веществ в составе уходящих газов.
Газоанализаторы могут поступать в комплекте с котлами. В случае если их нет, соответствующие измерения проводит пусконаладочная организация при помощи переносных газоанализаторов. Составляется режимная карта в которой прописываются необходимые контрольные параметры. Придерживаясь их можно обеспечить нормальное полное сгорание топлива.
Основными параметрами регулирования горения топлива являются:
- соотношение газа и воздуха подаваемых на горелки.
- коэфициент избытка воздуха.
- разряжение в топке.
- Кэфициент полезного действия котла.
При этом под коэфициентом полезного действия котла подразумевают соотношение полезного тепла к величине всего затраченного тепла.
Состав воздуха
| Название газа | Химический элемент | Содержание в воздухе |
| Азот | N2 | 78 % |
| Кислород | O2 | 21 % |
| Аргон | Ar | 1 % |
| Углекислый газ | CO2 | 0.03 % |
| Гелий | He | менее 0,001 % |
| Водород | H2 | менее 0,001 % |
| Неон | Ne | менее 0,001 % |
| Метан | CH4 | менее 0,001 % |
| Криптон | Kr | менее 0,001 % |
| Ксенон | Xe | менее 0,001 % |
Чем проклинать тьму,
лучше зажечь хотя бы
одну маленькую свечу.
Конфуций
В начале
Первые попытки понять механизм горения связаны с именами англичанина Роберта Бойля, француза Антуана Лорана Лавуазье и русского Михаила Васильевича Ломоносова. Оказалось, что при горении вещество никуда не «исчезает», как наивно полагали когда-то, а превращается в другие вещества, в основном газообразные и потому невидимые. Лавуазье в 1774 году впервые показал, что при горении из воздуха уходит примерно пятая его часть. В течение XIX века ученые подробно исследовали физические и химические процессы, сопровождающие горение. Необходимость таких работ была вызвана прежде всего пожарами и взрывами в шахтах.
Но только в последней четверти ХХ века были выявлены основные химические реакции, сопровождающие горение, и по сей день в химии пламени осталось немало темных пятен. Их исследуют самыми современными методами во многих лабораториях. У этих исследований несколько целей. С одной стороны, надо оптимизировать процессы горения в топках ТЭЦ и в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, предотвратить взрывное горение (детонацию) при сжатии в цилиндре автомобиля воздушно-бензиновой смеси. С другой стороны, необходимо уменьшить количество вредных веществ, образующихся в процессе горения, и одновременно - искать более эффективные средства тушения огня.
Существуют два вида пламени. Топливо и окислитель (чаще всего кислород) могут принудительно или самопроизвольно подводиться к зоне горения порознь и смешиваться уже в пламени. А могут смешиваться заранее - такие смеси способны гореть или даже взрываться в отсутствие воздуха, как, например, пороха, пиротехнические смеси для фейерверков, ракетные топлива. Горение может происходить как с участием кислорода, поступающего в зону горения с воздухом, так и при помощи кислорода, заключенного в веществе-окислителе. Одно из таких веществ - бертолетова соль (хлорат калия KClO 3); это вещество легко отдает кислород. Сильный окислитель - азотная кислота HNO 3: в чистом виде она воспламеняет многие органические вещества. Нитраты, соли азотной кислоты (например, в виде удобрения - калийной или аммиачной селитры), легко воспламеняются, если смешаны с горючими веществами. Еще один мощный окислитель, тетраоксид азота N 2 O 4 - компонент ракетных топлив. Кислород могут заменить и такие сильные окислители, как, например, хлор, в котором горят многие вещества, или фтор. Чистый фтор - один из самых сильных окислителей, в его струе горит вода.
Цепные реакции
Основы теории горения и распространения пламени были заложены в конце 20-х годов прошлого столетия. В результате этих исследований были открыты разветвленные цепные реакции. За это открытие отечественный физикохимик Николай Николаевич Семенов и английский исследователь Сирил Хиншельвуд были в 1956 году удостоены Нобелевской премии по химии. Более простые неразветвленные цепные реакции открыл еще в 1913 году немецкий химик Макс Боденштейн на примере реакции водорода с хлором. Суммарно реакция выражается простым уравнением H 2 + Cl 2 = 2HCl. На самом деле она идет с участием очень активных осколков молекул - так называемых свободных радикалов. Под действием света в ультрафиолетовой и синей областях спектра или при высокой температуре молекулы хлора распадаются на атомы, которые и начинают длинную (иногда до миллиона звеньев) цепочку превращений; каждое из этих превращений называется элементарной реакцией:
Cl + H 2 → HCl + H,
H + Cl 2 → HCl + Cl и т. д.
На каждой стадии (звене реакции) происходит исчезновение одного активного центра (атома водорода или хлора) и одновременно появляется новый активный центр, продолжающий цепь. Цепи обрываются, когда встречаются две активные частицы, например Cl + Cl → Cl 2 . Каждая цепь распространяется очень быстро, поэтому, если генерировать «первоначальные» активные частицы с высокой скоростью, реакция пойдет так быстро, что может привести к взрыву.
Н. Н. Семенов и Хиншельвуд обнаружили, что реакции горения паров фосфора и водорода идут иначе: малейшая искра или открытое пламя могут вызвать взрыв даже при комнатной температуре. Эти реакции - разветвленно-цепные: активные частицы в ходе реакции «размножаются», то есть при исчезновении одной активной частицы появляются две или три. Например, в смеси водорода и кислорода, которая может спокойно храниться сотни лет, если нет внешних воздействий, появление по той или иной причине активных атомов водорода запускает такой процесс:
H + O 2 → OH + O,
O + H 2 → OH + H.
Таким образом, за ничтожный промежуток времени одна активная частица (атом H) превращается в три (атом водорода и два гидроксильных радикала OH), которые запускают уже три цепи вместо одной. В результате число цепей лавинообразно растет, что моментально приводит к взрыву смеси водорода и кислорода, поскольку в этой реакции выделяется много тепловой энергии. Атомы кислорода присутствуют в пламени и при горении других веществ. Их можно обнаружить, если направить струю сжатого воздуха поперек верхней части пламени горелки. При этом в воздухе обнаружится характерный запах озона - это атомы кислорода «прилипли» к молекулам кислорода с образованием молекул озона: О + О 2 = О 3 , которые и были вынесены из пламени холодным воздухом.
Возможность взрыва смеси кислорода (или воздуха) со многими горючими газами - водородом, угарным газом, метаном, ацетиленом - зависит от условий, в основном от температуры, состава и давления смеси. Так, если в результате утечки бытового газа на кухне (он состоит в основном из метана) его содержание в воздухе превысит 5%, то смесь взорвется от пламени спички или зажигалки и даже от маленькой искры, проскочившей в выключателе при зажигании света. Взрыва не будет, если цепи обрываются быстрее, чем успевают разветвляться. Именно поэтому была безопасной лампа для шахтеров, которую английский химик Хэмфри Дэви разработал в 1816 году, ничего не зная о химии пламени. В этой лампе открытый огонь был отгорожен от внешней атмосферы (которая могла оказаться взрывоопасной) частой металлической сеткой. На поверхности металла активные частицы эффективно исчезают, превращаясь в стабильные молекулы, и потому не могут проникнуть во внешнюю среду.
Полный механизм разветвленно-цепных реакций очень сложен и может включать более сотни элементарных реакций. К разветвленно-цепным относятся многие реакции окисления и горения неорганических и органических соединений. Таковой же будет и реакция деления ядер тяжелых элементов, например плутония или урана, под воздействием нейтронов, которые выступают аналогами активных частиц в химических реакциях. Проникая в ядро тяжелого элемента, нейтроны вызывают его деление, что сопровождается выделением очень большой энергии; одновременно из ядра вылетают новые нейтроны, которые вызывают деление соседних ядер. Химические и ядерные разветвленно-цепные процессы описываются сходными математическими моделями.
Что надо для начала
Чтобы началось горение, нужно выполнить ряд условий. Прежде всего, температура горючего вещества должна превышать некое предельное значение, которое называется температурой воспламенения. Знаменитый роман Рэя Брэдбери «451 градус по Фаренгейту» назван так потому, что примерно при этой температуре (233°C) загорается бумага. Это «температура воспламенения», выше которой твердое топливо выделяет горючие пары или газообразные продукты разложения в количестве, достаточном для их устойчивого горения. Примерно такая же температура воспламенения и у сухой сосновой древесины.
Температура пламени зависит от природы горючего вещества и от условий горения. Так, температура в пламени метана на воздухе достигает 1900°C, а при горении в кислороде - 2700°C. Еще более горячее пламя дают при сгорании в чистом кислороде водород (2800°C) и ацетилен (3000°C). Недаром пламя ацетиленовой горелки легко режет почти любой металл. Самую же высокую температуру, около 5000°C (она зафиксирована в Книге рекордов Гиннесса), дает при сгорании в кислороде легкокипящая жидкость - субнитрид углерода С 4 N 2 (это вещество имеет строение дицианоацетилена NC–C=C–CN). А по некоторым сведениям, при горении его в атмосфере озона температура может доходить до 5700°C. Если же эту жидкость поджечь на воздухе, она сгорит красным коптящим пламенем с зелено-фиолетовой каймой. С другой стороны, известны и холодные пламена. Так, например, горят при низких давлениях пары фосфора. Сравнительно холодное пламя получается и при окислении в определенных условиях сероуглерода и легких углеводородов; например, пропан дает холодное пламя при пониженном давлении и температуре от 260–320°C.
Только в последней четверти ХХ века стал проясняться механизм процессов, происходящих в пламени многих горючих веществ. Механизм этот очень сложен. Исходные молекулы обычно слишком велики, чтобы, реагируя с кислородом, непосредственно превратиться в продукты реакции. Так, например, горение октана, одного из компонентов бензина, выражается уравнением 2С 8 Н 18 + 25О 2 = 16СО 2 + 18Н 2 О. Однако все 8 атомов углерода и 18 атомов водорода в молекуле октана никак не могут одновременно соединиться с 50 атомами кислорода: для этого должно разорваться множество химических связей и образоваться множество новых. Реакция горения происходит многостадийно - так, чтобы на каждой стадии разрывалось и образовывалось лишь небольшое число химических связей, и процесс состоит из множества последовательно протекающих элементарных реакций, совокупность которых и представляется наблюдателю как пламя. Изучать элементарные реакции сложно прежде всего потому, что концентрации реакционно-способных промежуточных частиц в пламени крайне малы.
Внутри пламени
Оптическое зондирование разных участков пламени с помощью лазеров позволило установить качественный и количественный состав присутствующих там активных частиц - осколков молекул горючего вещества. Оказалось, что даже в простой с виду реакции горения водорода в кислороде 2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О происходит более 20 элементарных реакций с участием молекул О 2 , Н 2 , О 3 , Н 2 О 2 , Н 2 О, активных частиц Н, О, ОН, НО 2 . Вот, например, что написал об этой реакции английский химик Кеннет Бэйли в 1937 году: «Уравнение реакции соединения водорода с кислородом - первое уравнение, с которым знакомится большинство начинающих изучать химию. Реакция эта кажется им очень простой. Но даже профессиональные химики бывают несколько поражены, увидев книгу в сотню страниц под названием «Реакция кислорода с водородом», опубликованную Хиншельвудом и Уильямсоном в 1934 году». К этому можно добавить, что в 1948 году была опубликована значительно большая по объему монография А. Б. Налбандяна и В. В. Воеводского под названием «Механизм окисления и горения водорода».
Современные методы исследования позволили изучить отдельные стадии подобных процессов, измерить скорость, с которой различные активные частицы реагируют друг с другом и со стабильными молекулами при разных температурах. Зная механизм отдельных стадий процесса, можно «собрать» и весь процесс, то есть смоделировать пламя. Сложность такого моделирования заключается не только в изучении всего комплекса элементарных химических реакций, но и в необходимости учитывать процессы диффузии частиц, теплопереноса и конвекционных потоков в пламени (именно последние устраивают завораживающую игру языков горящего костра).
Откуда все берется
Основное топливо современной промышленности - углеводороды, начиная от простейшего, метана, и кончая тяжелыми углеводородами, которые содержатся в мазуте. Пламя даже простейшего углеводорода - метана может включать до ста элементарных реакций. При этом далеко не все из них изучены достаточно подробно. Когда горят тяжелые углеводороды, например те, что содержатся в парафине, их молекулы не могут достичь зоны горения, оставаясь целыми. Еще на подходе к пламени они из-за высокой температуры расщепляются на осколки. При этом от молекул обычно отщепляются группы, содержащие два атома углерода, например С 8 Н 18 → С 2 Н 5 + С 6 Н 13 . Активные частицы с нечетным числом атомов углерода могут отщеплять атомы водорода, образуя соединения с двойными С=С и тройными С≡С связями. Было обнаружено, что в пламени такие соединения могут вступать в реакции, которые не были ранее известны химикам, поскольку вне пламени они не идут, например С 2 Н 2 + О → СН 2 + СО, СН 2 + О 2 → СО 2 + Н + Н.
Постепенная потеря водорода исходными молекулами приводит к увеличению в них доли углерода, пока не образуются частицы С 2 Н 2 , С 2 Н, С 2 . Зона сине-голубого пламени обусловлена свечением в этой зоне возбужденных частиц С 2 и СН. Если доступ кислорода в зону горения ограничен, то эти частицы не окисляются, а собираются в агрегаты - полимеризуются по схеме С 2 Н + С 2 Н 2 → С 4 Н 2 + Н, С 2 Н + С 4 Н 2 → С 6 Н 2 + Н и т. д.
В результате образуются частицы сажи, состоящие почти исключительно из атомов углерода. Они имеют форму крошечных шариков диаметром до 0,1 микрометра, которые содержат примерно миллион атомов углерода. Такие частицы при высокой температуре дают хорошо светящееся пламя желтого цвета. В верхней части пламени свечи эти частицы сгорают, поэтому свеча не дымит. Если же происходит дальнейшее слипание этих аэрозольных частиц, то образуются более крупные частицы сажи. В результате пламя (например, горящей резины) дает черный дым. Такой дым появляется, если в исходном топливе повышена доля углерода относительно водорода. Примером могут служить скипидар - смесь углеводородов состава С 10 Н 16 (C n H 2n–4), бензол С 6 Н 6 (C n H 2n–6), другие горючие жидкости с недостатком водорода - все они при горении коптят. Коптящее и ярко светящее пламя дает горящий на воздухе ацетилен С 2 Н 2 (C n H 2n–2); когда-то такое пламя использовали в ацетиленовых фонарях, установленных на велосипедах и автомобилях, в шахтерских лампах. И наоборот: углеводороды с высоким содержанием водорода - метан СН 4 , этан С 2 Н 6 , пропан С 3 Н 8 , бутан С 4 Н 10 (общая формула C n H 2n+2) - горят при достаточном доступе воздуха почти бесцветным пламенем. Смесь пропана и бутана в виде жидкости под небольшим давлением находится в зажигалках, а также в баллонах, которые используют дачники и туристы; такие же баллоны установлены в автомобилях, работающих на газе. Сравнительно недавно было обнаружено, что в копоти часто присутствуют шарообразные молекулы, состоящие из 60 атомов углерода; их назвали фуллеренами, а открытие этой новой формы углерода было ознаменовано присуждением в 1996 году Нобелевской премии по химии.
Горение древесины представляет собою окисление составных частей ее до углекислого газа СO 2 и воды Н 2 О.
Для осуществления этого процесса необходимо достаточное количество окислителя (кислорода) и нагревание древесины до определенной температуры.
При нагревании без доступа кислорода происходит термическое разложение древесины (пиролиз), в результате чего образуются уголь, газы, вода и летучие органические вещества.
В соответствии с теорией, развитой Г. Ф. Кнорре и другими учеными, горение древесины можно представить следующим образом.
В начале нагревания из древесины испаряется влага. В дальнейшем происходит термическое разложение составных частей ее. Составные части древесины в значительной степени окислены, поэтому они распадаются при невысокой температуре. Образование летучих веществ, достигает максимума (до 85% к весу начинается около 160° и сухой древесины) при 300°.
Продукты первичного распада древесины в результате сложных окислительных и восстановительных процессов переходят, в газообразное состояние, в котором они могут легко перемешиваться с молекулами кислорода, образуя горючую смесь, воспламеняющуюся при определенных условиях (избыток кислорода, достаточно высокая температура). В зависимости от качественного состояния древесина воспламеняется при 250-350°.
Газифицированные продукты горят во внешней кромке пламени, внутри же пламени летучие продукты пиролиза древесины превращаются в газообразное состояние.
Свечение пламени вызывается раскаленными частицами углерода, сгорающими в СО 2 во внешней его кромке при избытке кислорода. Наоборот, при недостатке кислорода, когда температура сравнительно невелика, пламя имеет красноватый цвет, при этом за счет несгоревших частиц углерода выделяется значительное количество копоти.
Чем больше подача кислорода, тем выше температура, больше и ярче пламя.
Внешний вид пламени также зависит от состава древесины и в первую очередь от содержания углеводородов и смол. Больше всего смол в сосновых деревьях, и березе, при горении которых образуется густое, яркое пламя. Пламя осины, летучие вещества которой содержат больше окиси углерода и меньше углеводородов, невелико, прозрачно, имеет синеватый оттенок. При горении ольхи, содержащей мало смол, также образуется более короткое и прозрачное пламя.
Последовательность термического разложения опилок при образовании коптильного дыма можно условно представить следующими этапами.
На первом этапе очередная «свежая» частица древесных опилок под воздействием горячей смеси паров и газов и теплового излучения соседних горящих частиц прогревается до 150-160°. В этот период в основном испаряется влага, заметного уменьшения объема частицы не наблюдается.
В последующие этапы температура частицы также повышается, вследствие чего происходит термическое разложение органической массы древесной частицы и воспламенение части газифицированных продуктов пиролиза с выделением тепла; часть же летучих веществ вместе с некоторым количеством несгоревшего углерода (сажи) увлекается конвекционными токами вверх, образуя дым. В конце процесса разложения древесины и выделения летучих соединений заметно уменьшаются размеры частицы.
Уголь (твердый углерод), образовавшийся в процессе термического разложения древесных опилок, нагревается теплом, выделяемым при окислении части летучих соединений и начинает реагировать с углекислотой и кислородом:
C + CO 2 → 2CO
2CO + O 2 → 2CO 2
При этом образуется небольшое, полупрозрачное синеватое пламя горения окиси углерода.
Объем частицы продолжает сокращаться; на заключительном этапе образуется зола. Под действием выделяющегося тепла начинает прогреваться следующая «свежая» частица древесных опилок.
Механизм и химизм сгорания древесины в виде поленьев дров, щепок или кучи опилок одинаков. Имеются отличия в количественной и качественной сторонах процесса собственно горения, т. е. окисления органических соединений кислородом при использовании дров или опилок.
Здесь мы сталкиваемся с понятиями так называемого полного и неполного горения. При полном горении летучие, паро- и газообразные вещества полностью окисляются (или сгорают) до углекислого газа и паров воды.
Примером полного горения может служить реакция окисления одного из компонентов коптильного дыма - метилового спирта СН 3 ОН:
СН 3 ОН + O 2 → CO 2 + 2H 2 O
Аналогично могут протекать реакции, окисления и других органических соединений, возникающих при термическом разложении древесины.
В результате полного горения образуется парогазовая смесь, которая состоит из углекислого газа и паров воды, не содержит коптильных компонентов и не представляет ценности для копчения.
Чтобы получить дым, пригодный для коптильного производства, необходимо создать условия неполного горения древесины. Для этого, например, сверху на дрова помещают слой увлажненных опилок, в результате чего зона и интенсивность горения значительно уменьшаются. При неполном горении летучие органические вещества окисляются лишь частично, а дым насыщается коптильными компонентами.
Глубина окисления продуктов пиролиза древесины зависит от количества кислорода, а также от температуры горения и скорости отвода летучих веществ из зоны горения.
При недостатке кислорода окисление летучих веществ, на пример метилового спирта, протекает по следующей реакции:
2СН 3 ОН + O 2 → 2C + 4H 2 O
Несгоревшие частички углерода, выйдя из зоны пламени, быстро охлаждаются и образуют вместе с другими, не окисленными до конца продуктами разложения древесины дым. Часть их оседает на стенках коптильных камер в виде копоти (сажи). При недостаточно хорошей изоляции коптильных камер на стенках их оседают также сконденсированные парообразные летучие вещества дыма (смола, деготь).
При более глубоком, но также неполном окислении горючих веществ образуется окись углерода:
СН 3 ОН + O 2 → CO + 2H 2 O
Таким образом, количество кислорода - один из самых существенных факторов, влияющих на химический состав дыма, в частности на изменение содержания в нем метилового спирта, формальдегида и муравьиной кислоты. Так, при ограниченном доступе воздуха в зону горения из метилового спирта образуется муравьиный альдегид:
СН 3 ОН + O 2 → CH 2 O + 4H 2 O
При поступлении большего количества воздуха, а, следовательно, и кислорода образовавшийся формальдегид окисляется до муравьиной кислоты:
2СН 2 О + O 2 → 2CHOOH
При избытке воздуха муравьиная кислота полностью окисляется до углекислого газа и воды:
2СНOOH + O 2 → 2CO 2 + 2H 2 O
При горении других продуктов пиролиза в зависимости от степени окисления аналогично образуются органические вещества, влияющие на состав дыма.
От количества кислорода, поступающего в сгорающий слой, зависит также температура горения. В обычных условиях древесина в виде поленьев не может сгорать без пламени, а, следовательно, без выделения тепла. В этом случае окисляется значительно большее количество веществ, образующихся из органической массы древесины, чем при сгорании (тлении) опилок. Поэтому значительная часть летучих веществ при сжигании дров не используется для копчения, а коптильный дым по составу уступает дыму, полученному при медленном сгорании опилок. При засыпке горящих дров влажными опилками увеличивается количество дыма, но и в этом случае дрова расходуются неэкономично.
Температурный режим естественного сгорания (тления) опилок значительно мягче по сравнению со сгоранием дров. При горении угля, оставшегося после выделения летучих веществ, образуется небольшое пламя. Полученное тепло расходуется главным образом на нагревание соседних слоев опилок, которые подвергаются термическому разложению без доступа кислорода, так как воздух оттесняется парами и газами горящего слоя.
Сгорание протекает медленно. Значительная часть продуктов термического разложения не окисляется в пламени, поэтому конвекционными потоками отводится сравнительно много летучих веществ.
Примером неполного сгорания опилок может служить сжигание их при нефорсированной нижней подаче воздуха. В этом случае сгорает полностью только нижний слой опилок. Горячие газы и пары вытесняют воздух и нагревают верхние слои опилок, что приводит к сухой перегонке древесины, в результате которой образуются уголь, газы, вода и органические соединения. При равномерном поступлении свежих опилок сверху горит только нижний слой угля, образующегося в результате сухой перегонки вышележащего слоя. При этом получается дым более насыщенный летучими органическими соединениями.
Лучшим способом получения дыма, богатого коптильными компонентами, является образование его в дымогенераторах, работающих на опилках с подогревом коптильной среды газом, глухим паром или электричеством, и во фрикционных дымогенераторах. В этом случае получается дым с повышенным содержанием летучих органических соединений, что обусловлено низкими температурами образования дыма и незначительным окислением первичных продуктов распада древесины.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
