Сагоревање

Горењем или изгарањем горива може настати пламен

Горење или изгарање је хемијска промена, код које долази до оксидације горивих састојака неког горива. То је процес између горива и оксиданса, у којем се ствара топлота због промене хемијских састојака. Уз ослобађање топлоте може се појавити светлост, у облику жарења или пламена. Горива су најчешће органске материје (посебно угљоводоници) у гасовитом, течном или чврстом стању.

Код потпуног изгарања, гориви састојци реагују са оксидансима, као што су кисеоник или флуор, и производе су једињења хемијских елемената горива са оксидансима. На пример:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O + енергија

CH₂S + 6 F₂ → CF₄ + 2 HF + SF₆

Једноставан пример може бити горење водоника и кисеоника, које се користи за погон ракетних мотора:

2 H2 + O2 → 2 H₂O_(gas) + топлота

Резултат је водена пара.

Потпуно изгарање је готово немогуће постићи. У стварности, горењем долази до хемијске равнотеже, где је присутан велик број различитих хемијских једињења, у већем или мањем уделу, као рецимо угљен-моноксид или чисти угљеник (чађ или пепео), уз производе горења. Додатно, горење у атмосферском ваздуху, који је 78% азот, ствара читав низ азотних оксида.

Врсте горења

Потпуно изгарање

Код потпуног изгарања, гориви састојци изгарају у кисеонику, стварајући ограничен број производа. Када угљоводоник изгара у кисеонику, хемијска реакција створа само угљен-диоксид и воду. Када хемијски елементи изгарају, настају пре свега оксиди тих елемената. Угљеник ће створити угљен-диоксид, азот ће створити азот-диоксид, сумпор ствара сумпор-диоксид, а гвожђе ствара гвожђе (III) оксид.

Горење не достиже увек ступањ потпуне оксидације. Оно је зависно од низа фактора, међу којима је температуре. На примјер, сумпор триоксид се неће увек створити сагорењем сумпора. Азотни оксиди се почињу стварати изнад 1 540°Ц и више азотних оксида се ствара са већом температуром. Испод тих температура, азот остаје у молекулском облику (N₂). Производи горења зависе и од вишка или притока кисеоника.

Код већине индустријских примена и у ватри, атмосферски ваздух је извор кисеоника (О₂). У ваздуху, сваки 1 kg кисеоника је помијешан са приближно 3,76 kg азота. Азот не суделује увек у горењу, али код већих температура, део азота ће се претворити у азотне оксиде (NO_x), обично између 0,002% до 1%. Уз то, где је присутан угљеник, део угљеника ће се претворити у угљен-моноксид. Рецимо, читав низ хемијских реакција код горења метана је слиједећи:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂О

2 CH₄ + 3 O₂ → 2 CO + 4 H₂O

N₂ + O₂ → 2 NO

N₂ + 2 O₂ → 2 NO₂

Непотпуно изгарање

Непотпуно изгарање ће се појавити само онда када нема довољно кисеоника да омогући гориву потпуну реакцију при стварању угљен-диоксида и воде.

Код већине горива, као што је дизел, угљен или дрво, пре изгарања се одвија пиролиза. Код непотпуног изгарања, производи пиролизе остају неизгорени и појачавају дим са штетним материјама и гасовима. Делимична оксидација етанола ствара штетни етанал (ацеталдехид), а угљеник ствара отровни угљен-моноксид.

Квалитет горења се може поправити са конструкцијом уређаја за горење, као што су пламеници или мотори са унутарњим сагоревањем. Даља побољшања се могу постићи са катализаторима (као што је каталитички претварач) или једноставним делимичним враћањем испустних гасова у поступак горења. Такве уређаје захтевају и закони о заштити околине, рецимо за аутомобиле у разним државама, а потребни су и за великих уређаја за изгарање, као што су код термоелектрана, да би постигао дозвољени садржај димних гасова.

Ступањ изгарања се може мерити и проучавати, са опремом за тестирање. Добављачи климатизације, ватрогасци и инжењери, користе уређаје за проверу изгарања, да би проучили ефикасност пламеника и клипних мотора, за време изгарања. Посебно је то важно за превозна возила, да би се смањило загађивање.

Димљење

Димљење је спорији облик горења, са нижим температурама и без пламена, који одржава топлину тиме што кисеоник директно удара површине згуснутог горива. То је типични облик непотпуног изгарања. Чврсте материје које могу одржавати димљење су угљен, целулоза, дрво, памук, дуван, тресет, синтетичке пене, прашина. Типичан пример димљења је горење цигарете или горење биомаса.

Брзо изгарање

Брзо изгарање је облик горења, познат као ватра, у којој се велике количине топлотне и светлосне енергије ослобађају, а често настаје и пламен. Примјењује се код мотора с унутрашњим изгарањем или код термобарног оружја. Понекад, велика количина гаса ствара претјеран притисак, који ствара буку. Такво изгарање називамо експлозија. За изгарање није увек неопходан кисеоник, рецимо водоник изгара с хлором, стварајући водоников хлорид, уз ослобађање топлине и светла, својствених изгарању.

Спремник пара етанола се мијеша са ваздухом и долази до брзог изгарања

Дизел мотор произведен 1906. године у фирми MAN AG

Турбулентно изгарање

Изгарање којим се ствара турбулентни пламен, користи се углавном за индустријске примјене (гасне турбине, бензински мотори итд.), зато што турбуленција помаже мешању горива и оксиданса.

Пламен без гравитације

Године 2000. експерименти које је провела НАСА, показали су да гравитација игра додатну улогу у обликовању пламена. Нормални распоред пламена код нормалне гравитације зависи од преноса топлоте. Код мале или нулте гравитације, као у свемиру, природног одвода топлоте нема, пламен постаје кугласт, добија више плаву боју и изгарање је боље.

Микро изгарање

Поступак горења који се одвија у малом обиму, назива се микро изгарање. Брзо хлађење игра важну улогу у равнотежи горења, у коморама за изгарање.

Хемијске једначине

Општа хемијска једначина за стохиометријско горење угљоводоника је:

$C_{x}H_{y}+\left(x+{\frac {y}{4}}\right)O_{2}\rightarrow \;xCO_{2}+\left({\frac {y}{2}}\right)H_{2}O$

На пример, горење пропана се може описати као:

$C_{3}H_{8}+5O_{2}\rightarrow \;3CO_{2}+4H_{2}O$

Уопште, хемијска једначина за стохиометријско непотпуно изгарање угљоводоника у кисеонику се може описати као:

$\left(z\right)C_{x}H_{y}+\left(z\left({\frac {x}{2}}+{\frac {y}{4}}\right)\right)O_{2}\rightarrow \;z\cdot xCO+\left({\frac {z\cdot y}{2}}\right)H_{2}O$

Пример непотпуног изгарања пропана је:

$2C_{3}H_{8}+7O_{2}\rightarrow \;2C+2CO+8H_{2}O+2CO_{2}$

Једноставна описна једначина за горење угљоводоника са кисеоником је:

${\textrm {gorivo}}+{\textrm {kiseonik}}\rightarrow \;{\textrm {toplota}}+{\textrm {voda}}+{\textrm {ugljen\ dioksid}}$

Уколико се користи ваздух као извор кисеоника, азот се може додати у једначину, иако он не суделује у хемијској реакцији, али приказује састав димних гасова:

$C_{x}H_{y}+\left(x+{\frac {y}{4}}\right)O_{2}+3,76\left(x+{\frac {y}{4}}\right)N_{2}\rightarrow \;xCO_{2}+\left({\frac {y}{2}}\right)H_{2}O+3,76\left(x+{\frac {y}{4}}\right)N_{2}$

На пример, горење пропана је:

$C_{3}H_{8}+5O_{2}+18,8N_{2}\rightarrow \;3CO_{2}+4H_{2}O+18,8N_{2}$

Једноставна описна једначина за горење угљоводоника са ваздухом је:

${\textrm {gorivo}}+{\textrm {vazduh}}\rightarrow \;{\textrm {toplota}}+{\textrm {voda}}+{\textrm {azot}}+{\textrm {ugljen\ dioksid}}$

Азот може изгорети и када постоји вишак кисеоника. Тој термодинамичкој реакцији погодују високе температуре. Дизел мотор ради са вишком кисеоника да бе се изгореле и мале честице, па као резултат ствара и азотне оксиде. Да би се смањило стварање азотних оксида, законски је обавезно имати на аутомобилима каталитички претварач или катализатор, или додавати испустним гасовима уреју.

Горива

Текућа горива

Горење текућег горива у атмосфери кисеоника се у у ствари догађа у гасовитом стању горива. Паре сагоревају, а не течност. Због тога, течност ће се запалити само изнад одређене температуре, која се зове температура запаљења. Температура запаљења је најнижа температура, на којој пара течности или испарљиве чврсте материје, ствара запаљиву смјесу са ваздухом. При температури запаљења, паре близу површине течности се запале када се изложе пламену.

Чврста горива

Изгарање чврстих горива се састоји од 3 процеса, који се и преклапају:

• Фаза предгревања, када се гориво загрева до температура запаљења, а затим и до температуре горења. Запаљиве паре се укључују у процес, сличан сувој дестилацији.
• Фаза дестилације или гасовита фаза, када се мешавина запаљивих пара и кисеоника запали. Створена енергија се ослобађа у облику топлоте и светлости. Често је видљив и пламен. Пренос топлоте од места изгарања на чврсте материје омогућује да се развијају додатне запаљиве паре.
• Фаза угљена или чврста фаза, када излазни запаљиви гасови са материјала, имају превише ниску температуру да одржавају сталан пламен, па гориво поугљени. Гориво не гори довољно брзо, само жари, а касније се и дими.

Начин реакције

Изгарање с кисеоником укључује читав низ реакција са радикалима.

Висока енергија која је потребна за почетак горења се објашњава необичном структуром молекула кисеоника. Он је стабилан молекул, који садржи двоструку ковалентну везу. У његовој структури су сви електрони молекула спарени. Огледима је, међутим, утврђено да кисеоник има парамагнетична својства, што указује на неспарене електроне у структурној формули молекула кисеоника. Да би се покренуло изгарање, потребно је прво претворити молекул кисеоника у два атома кисеоника. Та прелазна реакција има високу енергију активације, али се након тога ослобађа знатна количина топлоте, чиме се реакција наставља. Након иницирања настају бројни радикали, као што су водоник пероксид (HOO·), хидроксилни радикал (OH·), хидропероксид (О2⁻), угљен-моноксид, једноатомни кисеоник, итд.

Чврста горива пре изгарања, пролазе прво кроз читав низ пиролитичких реакција, које производе оксидирано и гасовито гориво. Ако нема довољно кисеоника, јављају се штетни и канцерогени пиролитички производи, које препознајемо по јаком и црном диму.

Температура

У случају фосилних горива која изгарају са ваздухом, температура изгарања зависи од низа фактора:

• топлотна моћ горива
• стехиометријски однос ваздуха и горива λ
• специфични топлотни капацитет
• улазне температуре ваздуха и горива

Адијабатска температура изгарања се повећава са већом топлотном моћи, већим улазним температурама ваздуха и горива, и ако стехиометријски однос ваздуха и горива тежи 1. Адијабатска температура изгарања за угљен је око 2 200°Ц (температурама ваздуха и горива је собна температура и λ = 1), око 2 150°Ц за нафту и 2 000°Ц за земни гас.

Код индустријских грејача са пламеником, парних и плинских термоелектрана, обично се ради са вишком ваздуха, најчешће 15% у односу на стехиометријску вредност.

Нестабилности

Нестабилности код изгарања су обично снажне осцилације притиска у комори за сагоревање. Оне могу бити велике и до 180 dB, што знатно смањује век трајања делова машина.

Брзина изгарања

Брзина изгарања је количина материјала која изгара у јединици времена, а изражава се у јединицама: kg/s или g/s.

Литература

• Poinsot, Thierry; Veynante, Denis (2012). Theoretical and Numerical Combustion (3rd изд.). European Centre for Research and Advanced Training in Scientific Computation. Архивирано из оригинала 12. 09. 2017. г. Приступљено 09. 02. 2021. 
• Lackner, Maximilian; Winter, Franz; Agarwal, Avinash K., ур. (2010). Handbook of Combustion, 5 volume set. Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-32449-1. Архивирано из оригинала 17. 01. 2011. г. Приступљено 06. 12. 2011. 
• Baukal, Charles E., ур. (1998). Oxygen-Enhanced Combustion. CRC Press. 
• Glassman, Irvin; Yetter, Richard. Combustion (Fourth изд.). 
• Turns, Stephen (2011). An Introduction to Combustion: Concepts and Applications. 
• Ragland, Kenneth W; Bryden, Kenneth M. (2011). Combustion Engineering (Second изд.). 
• Baukal, Charles E. Jr, ур. (2013). „Industrial Combustion”. The John Zink Hamworthy Combustion Handbook: Three-Volume Set (Second изд.). 
• Gardiner, W. C. Jr (2000). Gas-Phase Combustion Chemistry (Revised изд.). 

Spoljašnje veze

• Sagorevanje ugljovodonika
• Simulacija sagorevanja gasa