Горением называется быстрое окисление кислородом воздуха го­рючих составных частей топлива, сопровождающееся выделением опре­деленного количества тепла. Так как процесс горения протекает с очень большой скоростью, то температура горящего тела и продуктов горе­ния сильно повышается. Под влиянием высокой температуры сложные органические соединения разлагаются на ряд более простых молекул — водород, метан, этилен и др., которые, соединяясь с кислородом воз­духа, в конечном результате образуют углекислоту С02 и водяные пары Н20.

Рассмотрим процессы горения всех горючих составных частей то­плива. За единицу измерения примем 1 кг и килограмм-молекулу (моль). Килограмм-молекула (моль) — это количество вещества, вес которого в кг выражается тем же числом, что и молекулярный вес. Например, молекулярный вес кислорода 02 равен 32, следовательно, 1 моль кисло­рода весит 32 кг.

Для облегчения расчетов ниже приводятся характеристики газов (табл. 9). Значения удельного веса газов и объема моля даны к нор­мальным условиям, т. е. для давления 760 мм рт. ст. и темпера­туры 0°.

Таблица 9

Характеристика технических газов Газ Формула Молеку - ляр ый вес и. Нормаль­ный удель­ный вес у в кг>нм‘ Объем МОЛЯ при нормаль­ных усло­виях в нм* Газовая постоян­ная R в кгм, кг °С Воздух (без углекислоты) . 28,95 1,293 22,40 29.27 Кислород. ............................. о2 32,00 1,429 2239 25,5 Азот........................................ n2 28,016 1,251 22,40 30.25 Водород................................. н2 2,016 0,08987 22,43 420.5 Окись углерода...................... со 28 01 1,250 22.40 30.25 Углекислота........................... со* 44,01 1,977 22.26 19,25 Сернистый ангидрид. . . so* 64,06 2,926 21,89 13.23 Водяной пар........................... Н*0 18,016 0,805 22.40 46,7 Ацетилен............................... с, н* 26,04 1,1709 22,22 32,5 Метан...................................... сн4 16,04 0,717 22,36 52,8

Горение углерода. При полном сгорании углерод, соединяясь с кислородом, образует углекислоту С02, а при незаконченном — окись углерода СО. Наличие в газах окиси углерода СО показывает, что процесс горения не закончен, так как из окиси углерода в резуль­тате дальнейшего окисления получается углекислота С02.

При сгорании углерода в чистом кислороде реакция окисления идет следующим образом:

С + 02 = С02.

Для 1 моля углерода уравнение примет вид

1 моль С - f - 1 моль 02 = 1 моль С02. (15)

Зная молекулярные веса веществ, участвующих в реакции, можно написать их весовые соотношения:

12 кг С + 32 кг 02= 44 кг С02.

В обычных условиях горение происходит не в чистом кислороде а в воздухе, который представляет смесь, состоящую по объему при­близительно из 21°/0 кислорода 02 и 79% азота N2. Следовательно, на одну единицу объема кислорода в воздухе приходится 79:21 = 3,76 объема азота, т. е. на 1 моль 02 3,76 моля N2.

Баланс продуктов горения углерода в воздухе напишется так:

1 моль С + 1 моль 02*+3,76 моля N2 =

= 1 моль С02 + 3,76 моля N2. (16)

В физической химии принято к правой части уравнения горения приписывать тепловой эффект реакции в ккал на 1 моль окисляющегося элемента. В данном случае тепловой эффект от горения 1 моля угле­рода выразится в + 96 600 ккалімоль С. Знак плюс показывает, что при реакции произошло выделение тепла. Формула реакции напишется так (слово „моль* в этих формулах не пишется):

С + 02 + 3,76N2 = С02 + 3,76N2 + 96 600 ккалімоль С. (17)

Подставив в формулу (17) значения весов молей всех веществ, получим

12 кг С + 32 кг 02 + 105,4 кг N2 = 44 кг С02 + Ю5,4 кг N2 +

-(-96 600 ккалімоль С. (18)

Для 1 кг углерода формула (18) примет вид

1 кг С + 2,67 кг 02 + 8,8 кг N2 = 3,67 кг С02 + 8,8 кг N2 +

+ 8050 ккал/кг С. (19)

Наконец, заменяя веса газов соответствующими объемами при нор­мальных условиях, будем иметь

1 кг С + 1,866 нм3 02 + 7,0 нм3 N2 =

= 1,86 нм3 СОа + 7,0 нм3 N2 + 8050 ккал/кг С.

Уравнение (20) показывает, что объем продуктов горения твердого углерода почти равен объему воздуха до горения.

Аналогично формулам баланса продуктов горения углерода можно наиясать формулы и для других горючих элементов топлива.

При неполном сгорании углерода С в окись углерода СО можно написать по аналогии следующие выражения (учитывая, что тепловой эффект равен+ 28 400 ккалімоль С):

2С + 02 = 2СО;

2С + 02 + 3,76N2 = 2СО + 3,76N2 + 2-28 400 ккал/2 моля С; (21)

1 кг С + 1,33 кг 02 + 4,4 кг N2 = 2,33 кг СО + 4,4. кг N2 +

+ 2370 ккалікг С (22)

и окончательно

1 кг С + 0,933 нм3 02 + 3,5 нмь N2 =

= 1,866 нмь СО+ 3,5 нм3 N2 + 2370 ккал/кг С. (23)

Формула (23) показывает, что при неполном сгорании углерода объем продуктов сгорания на величину объема кислорода больше, чем объем воздуха до сгорания.

При сгорании окиси углерода СО будем иметь соответственно

	2СО + 0,	г — 2СОа;
2СО + 02 + 3,76N2	= 2С02 + 3,76N2 +
	+ 2-68 200 ккал/2 моля СО;	(24)
I	кг СО + 0,57 кг	02 + 1,88 кг N2 =
= 1,57	кг С02 + 1,88 кг N2 + 2430 ккал/кг СО;	(25)
1 нм3 СО + 0,5 нм%	02 + 1,88 нл3 N2 =
— 1 нм3	С02 + 1,88 нм3	N2 + 3050 ккал)нмь СО.	(26)

Уравнение (26) показывает, что при горении окиси углерода про­исходит уменьшение объема продуктов сгорания по сравнению с объ­емом газов, вступающих в реакцию горения. Объем продуктов сгора­ния уменьшился на величину объема кислорода, нужного для реакции.

Как видно из предыдущего, процесс горения углерода может про­текать двумя путями: 1) углерод сгорает полностью; 2) сгорание угле­рода происходит не сразу, сначала углерод при неполном горении образует окись углерода, а потом при продолжении процесса горения получается углекислота.

Законы термохимии показывают, что количество выделяемого тепла при реакции горения не зависит от пути, по которому проходила реакция, а зависит только от начального и конечного состояния тел, участвующих в процессе.

Переходим к рассмотрению процесса горения остальных горючих элементов топлива.

Горение водорода происходит согласно уравнению

2Нг + 02 ~ 2НгО.

Количество выделившегося при горении водорода тепла зависит от состояния продуктов сгорания — водяных паров. 1 моль водорода выделяет 68 380 ккал тепла в том случае, если продукты сгорания сконденсировать и охладить до 0°. Если пар не конденсируется, то количество выделившегося тепла будет меньше на величину теплосо­держания водяного пара.

Так как условно считают, что водяной пар при отсутствии конден­сации охлаждается до 0°, то величину теплосодержания сухого на­сыщенного пара необходимо брать также при 0°. Теплосодержание пара при этом условии равно 595 ккал}кг.

При горении 1 моля Н2, т. е. 2,016 кг Н2, образуется 1 моль, т. е. 18,016 кг водяного пара Н20 и при отсутствии конденсации его выделяется тепла

QHs = 68 380 — 595* 18,016 = 57 700 ккал/моль Н2.

Можно сказать, что тепловыделение при горении 1 моля водорода 68 380 ккалімоль соответствует высшей его теплотворной способности, а 57 700 ккалімоль — низшей.

В дальнейшем при записи формул горения водорода тепловой эф­фект реакции будем записывать дробью, указывая в числителе высшую теплотворную способность, а в знаменателе — низшую.

Итак, для реакции горения водорода можно записать следующие соотношения:

2Н2 + 02 + 3,?6N2 = 2НаО + 3,76N2 +Я^8380_ KKaAfM0M н>. (27) 1 кг. Н2 + 7,95 кг + 26,2 кг N2 = 8,95 кг Н20 +

ОО QOA

+ 26,2 кг N2 + 2g~55o' ккал]кг Н2; (28)

1 кг Н2 + 5,57 нмь 02 + 20,95 нм3 N2 = 11,12 ш<3Н20 +

+ 20,95 нм% N2+ ккал/кг Н2; (29)

1 нмь Н2 + 0,5 нм3 02 + 1,88 нм3 N2 =

= 1 am3 Н20 + 1,88 нм? N2 + ккалінм3 Н2. (30)

При сгорании газообразного водорода объем продуктов сгорания получается на величину объема кислорода, вступающего в реакцию, меньшим, чем до реакции.

Горение серы, в результате которого получается сернистый газ (сернистый ангидрид), характеризуется следующими соотношениями (тепловыделение ромбической серы Qs = 69 390 моль S):

S + 02 = S02;

S + 02 + 3,76Na = S02 - f - 3,76Na + 69 390 ккал/моль S; (31) 1 кг S + 0,998 кг Оа -f 3,28 кг Na = 1,998 кг SOa - f

-(-3,28 кг N2 + 2160 ккал/кг S; (32)

1 кг S + 0,698 нм3 02 + 2,62 нмь Na = 0,683 нмь SOa - f

+ 2,62 нм3 Na + 2160 ккал/кг S. (33)

Формула (32) показывает, что при сгорании твердой серы объем газов в процессе реакции горения почти не меняется.

В реальном процессе горения топлива в продуктах горения серы может образоваться некоторое количество серной кислоты H2S04.

Горение находящейся в составе топлива колчеданной серы проходит иначе, чем горение чистой серы.

Ввиду незначительного содержания серы в топливе все расчеты, касающиеся ее горения, можно производить по формулам (31) — (33).

Используя приведенные формулы реакций горения углерода, водо­рода и серы, можно написать аналогичные формулы для реакций горе­ния более сложных веществ, например, ацетилена СаН2, метана СН4 и других углеводородов.

Процесс горения называют полным в том случае, когда горючие элементы: углерод С, водород Н, летучая сера S"[4], полностью сгорая, образуют углекислоту СОа, водяной пар Н20 и сернистый газ S02, при этом в золе и шлаках горючие вещества совершенно отсутствуют.

Признаками неполного горения топлива будут: 1) наличие в продуктах сгорания окиси углерода СО и несгоревших водорода Н2, углерода С и углеводородов и 2) присутствие в золе горючих веществ.

В процессе горения наблюдается светящееся и несветящееся пламя. Светящееся пламя получается благодаря частичному разложению угле­водородов и выделению углерода. Выделившиеся твердые частицы, бу­дучи нагреты до температуры пламени, начинают сильно светить и превращают бесцветное пламя в ярко светящееся. Если же сгорание углеводородов происходит непосредственно (без разложения), пламя будет несветящимся.