Цвет пламени при сжигании отработанного масла

Задался вопросом: Какой же цвет имеет пламя при сжигании отработанного машинного масла?
Так и назвал эту тему «Цвет пламени» (не путать с одноимённым названием нового фильма «Цвет Пламени», 2010 )!
Для этого нашёл районную мазутную котельную, где уже отлажено сжигание отработки (!) и имеется достаточно оснащённый участок топливной подготовки. Переписался с их руководством и объяснил, что в бытовых условиях (без лаборатории) такое выполнить сложно. Главным условием было хорошее оснащение приборами контроля и учёта, чтобы можно было зафиксировать режимы горения и производительность котлов в течение нескольких часов нормальной стабильной работы, и так чтобы по приборам можно было контролировать наименьший уровень выбросов по графам СОх, NОx, SОx и бензапиренам (нормируемым!).
Сначала котёл ДКВР (двух-горелочный с форсунками ОН-521, 400 мм) поддерживает нормальную работу, потом на одной горелке срывается подача воздуха – так сымитирован процесс некачественного сжигания для контраста изображения цвета пламени (быстро конечно восстанавливается, чтобы не сработала сигнальная автоматика котла). Этот момент зафиксирован на снимке Общего вида.
Выкладываю эти кадры, на которых видно:
Левое окно Общего вида: Цвет пламени хороший – идёт максимально полное сгорание топлива, цвет пламени светло-жёлтый (виден по дуге от ядра), сопровождался ровным шелестящим звуком.
Правое окно (с эмитированным процессом): Цвет пламени плохой – пошёл недожёг топлива, пламя рыжего оттенка, нет яркости, сопровождается неровным треском.
За качество снимков прошу извинить (на щите топки реквизиты, срезал), но при наладке и эксплуатации техники, полагаю, визуальное представление цвета пламени может быть полезным.
Полагая, что цвет пламени говорит о многом..., в этой теме предлагаю выкладывать свои фото с комментариями.

 

Для более широкого представления изложенной темы, чтобы разобраться в сути цвета и как распознать состав сжигаемого топлива по цвету, привожу несколько ссылок:
Горение — Википедия
Пламя — Википедия
Пламя — Традиция
Элементы: Проба на окрашивание пламени
цвет пламени - Форум химиков на XuMuK.ru
ОКРАШИВАНИЕ ПЛАМЕНИ
Ответы@Mail.Ru: Почему пламя горелки газовой плиты синего цвета ?
От чего зависит цвет пламени? - Энциклопедия*-*Информационный сайт Lifecity
Доноры хлора (FAQ) (ПИРОТЕХНИКУМ)
Пиротехника -> Пиротехнические составы

Как продолжение - последствия, привожу ссылки с определением дыма:
http://ru.wikipedia.org/wiki/Дым
http://ru.wikipedia.org/wiki/ПДК
http://ru.wikipedia.org/wiki/Класс_опасности

 

Регулярно возникают вопросы какой цвет пламени должен быть в печи при сжигании отработанного масла. И поскольку зерном раздора является нестыковки наших тактильных ощущений и теоретических знаний, давайте вместе попытаемся разобраться в сложившейся ситуации. ( попрошу пару часов не давать ответы)

Все представляют процесс горения в общих чертах. Есть топливо, есть окислитель - в процессе горения образуются более простые соединения и выделяется тепло. Для тех кому не особо интересно вдаваться в подробности, в общих чертах это звучит так:

Вопрос
Почему пламя синее?
Ответ
Возбуждённые атомы и радикалы углерода и водорода излучают сине-голубой свет.

Вопрос
Почему пламя соломенное?
Ответ
В процессе горения, при недостатке кислорода, 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, при достатке кислорода, эти частицы сгорают, поэтому нет дыма.
Здесь важно понимать основное отличие. Сине-голубой свет излучают единичные атомы и молекулы в результате реакции окисления, а соломенный цвет дает группа частиц разогретых предыдущей реакцией.

Вопрос
Какое пламя имеет более высокую температуру?
Ответ
Не совсем корректно в таком виде ставить вопрос. Но если вопрос задан именно так, то ответ сине-голубое.

Вопрос
Значит, в наших печах пламя должно быть синим?
Ответ
Нет, пламя должно быть соломенным без дыма.

Вопрос
Налицо противоречие?
Ответ
Никакого противоречия нет. И об этом далее подробнее.

 

Рекомендую одним глазом глянуть общеобразовательное объяснение о механизмах горения И. А. Леенсон «Химия и жизнь» №2, 2011. http://elt-preview.host3.elementy.r...blioteka/431296/khimiya_plameni?context=42845

Фронт пламени
Фронтом пламени называется тонкий слой, ограниченный поверхностью воспламенения ( плоской или криволинейной), отделяющий уже сгоревшие газы от холодной, еще не воспламенившейся горючей смеси.
Фронтом пламени принято называть его поверхность, отделяющую зону горения от свежей смеси.
Фронтом пламени называется тонкий слой газа, в котором протекает реакция горения.
Фронт пламени — Слой, в котором в данный момент происходит цепная реакция горения. [ГОСТ 17356 89]

Основные типы пламен
При горении горючее и окислитель (обычно воздух) смешиваются и сгорают. В зависимости от того, смешиваются ли они перед тем как сгореть либо перемешивание и горение происходят одновременно, пламена подразделяют на пламена предварительно перемешанной и предварительно не перемешанной смесей, соответственно. В свою очередь, пламена, относящиеся к каждой из этих категорий, подразделяются на турбулентное и ламинарное пламя в зависимости от типа потока.

 

Пламя смеси называют стехиометрическим, если горючее (углеводород) и окислитель (кислород — O2) расходуют друг друга полностью, образуя двуокись углерода (СО2)
и воду (Н2О). Если существует избыток горючего, говорят, что смесь богатая, а в случае избытка окислителя говорят, что смесь бедная.


Рассмотрим простейшие примеры:
1) 2Н2 + O2 → 2Н2О — стехиометрическая смесь,
2) ЗН2 + О2 → 2H2O + Н2 — богатая смесь (Н2 в избытке),
3) СН4 + ЗО2 → 2Н2О + СО2 + О2 — бедная смесь (О2 в избытке).

Экзотермические реакции — это реакции, происходящие с выделением теплоты. Эндотермические реакции — это реакции, происходящие с поглощением теплоты.
Тепловой эффект химической реакции - это количество выделенной или поглощенной теплоты в результате химической реакции.

 

При выяснении температуры пламени существуют сложные расчеты, которые подтверждаются не менее сложными измерениями. Но для общего понимания не обязательно глубоко во все вдаваться.

Ну во первых, закон сохранения энергии никто не отменял. И чем больше мы разложим молекулу углеводорода на простые устойчивые соединения, тем больше получим выделенного тепла.
Глядя на примеры реакций видим. При недостатке топлива греем воздух, при избытке – все топливо не сгорает.
Как показывалось выше, соломенное пламя это свечение разогретых частичек сажи, а сажеобразование это эндотермические реакции.
При смешении струи топлива с воздухом химическая реакция (если она вообще идет) протекает в тонкой зоне (во фронте пламени), которая становиться видимой благодаря голубому свечению. Вне фронта пламени реакция практически отсутствует. Это объясняется тем, что выделяющееся при горении тепло приводит к повышению температуры и ускорению реакции. Фронт пламени, располагается в зоне стехиометрической смеси, поскольку, в этой зоне температура максимальна.

 

Как так, что при горении стехиометрической смеси тепла выделилось больше, а печь холодная. (Должен признать свое заблуждение. Я считал, что у синего пламени можно забрать тепло. Оказалось, что не так все просто. Опытного подтверждения, кроме как в топках циклонного и вихревого типа нигде не нашел.)
Здесь нужно посмотреть, куда это тепло делось. А пошло оно на излучение и на изменение энтальпии (тут же забыли это страшное слово) системы. Говоря проще: у вас было одна капля масла и один литр воздуха. Сжигаем эту каплю и получаем сине-голубое свечение и 10л сгоревших газов. Т.е. энергия ушла на излучение и на кинетику единичных атомов и молекул.

 

И что же нам с этих 10л газов? Численные значения коэффициентов теплоотдачи (для конвекции газ-поверхность трубы) мизерны. Т.е. поступательное движение вы почувствуете, а вращательное и колебательное - обычным градусником не измеришь.

Теперь по излучению.
В несветящихся пламенах наблюдаются два типа излучения:
1) электронная эмиссия радикалов в ультрафиолетовой и видимой областях,
2) молекулярная эмиссия воды и двуокиси углерода в инфракрасной области спектра.

Электронная эмиссия составляет очень небольшую долю общей лучистой энергии освобождающейся в процессе горения, и ее влиянием на лучистый теплообмен можно пренебречь.
В светящихся пламенах, помимо указанных типов излучения, испускается излучение от нагретых твердых частиц, присутствующих в таких пламенах. Значительная доля этого излучения, являющегося излучением абсолютно черного тела, находится в ближней инфракрасной области. Лучистая энергия зоны горения резко возрастает при превращении несветящегося пламени в светящееся. В экспериментах, добавление небольших количеств топлива с большой склонностью к дымообразованию, нaпример бензола или вязкого нефтепродукта, увеличивало излучательную способность пламени от 0,15 до 0,40 (обратите внимание – почти в 4 раза). Вообще излучательная способность или лучистая энергия пламени, возрастает в несколько раз, если пламя становится светящимся, из-за наличия твердых продуктов сгорания.

Затраты на сажеобразование.
В разных источниках данные расходятся от 0,01% до 10 % (возьмем середину). Давайте, зададим себе вопрос, готовы ли мы пожертвовать 5% топлива, что бы наша печь стала в 4 раза теплее? Думаю, ответ очевиден.

Используемая литература
1 Леенсон И. А. «Химия и жизнь» №2, 2011.
2 ВАРНАЦ Ю. «ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ, МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЭКСПЕРИМЕНТЫ, ОБРАЗОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ»
3 Двойнишников В.А. «Конструкция и расчет котлов и котельных установок».
4 КАНТОРОВИЧ Б.В. «ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ И ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА»
5 Сполдинг Д.Б. «ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ»
6 Талантов А.В. «ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ»
7 Хитрин Л.Н. (ред.) - Основы горения углеводородных топлив - 1960

 

Вопрос
У меня печь горит синим пламенем. Значит смесь стехиометрическая. Почему из трубы чувствуется запах испаренного масла, ацетона и т.п.?
Ответ
Пламя в нашей печи относится к типу пламен предварительно не перемешанной смеси.
Т.е. воздух и горючее подаются к месту сгорания раздельно. Здесь стехиометрическая только тонкая плоскость места диффузии воздуха и топлива. Значит, имеется возможность, парам масла подниматься вверх между огненных струй, и смешиваясь с отработанными газами выходить в дымоход.

Пока так

 

Мои аплодисменты проделанной работе.

В том месте, где идёт процесс горения (то есть напротив струй).

Потому, что-

непрореагировавшими. То есть не все пары сгорели напротив отверстий дожигателя. По правильному, верхние отверстия как бы не должны гореть. Ибо там гореть нечему. Если и вверху полноценные синие струи, то факт перерасхода топлива есть.

 

Не только напротив, но и по всей поверхности струи.

Вот она тонкость наших печей. Имеется возможность непрореагировавшим парам масла подниматься выше, охлаждаться и ... в трубу. Т.е. если верхние ряды не горят, это не значит, что там нет паров масла. Ещё может быть низкая концентрация (сильно разбавлены отработанными газами) или недостаточно энергии активации (холодно).

 

Есть такой факт. По цвету пламени пряможёгового горения легко судить о бедности или богатости состава горючих газов. А в нашей печи (с раздельными зонами испарения и сгорания парОв) это выражается в высоте пламени (точнее высоте горящих рядов).

При несколько бОльшей подаче масла (или несколько мЕньшей подаче ВВ), у несгоревших парОв -

Значит там уже нет ни одной молекулы СН.

Ближе к верхним отверстиям, состав атмосферы газов насыщается продуктами сгорания. Но тем не менее, покуда там есть несгоревшие углеводороды, струи из дожигателя будут гореть.

Какой холодно, там вся жара.

Предлагаю тут не писать о печи, а только о температуре факела.
У керосинового резака, или ацетиленовой горелки, есть две крутилки регулировки подводимого газа. Я не газосварщик, просто наблюдатель. При оптимальном соотношении компонентов газов (общую длинну факела не рассматриваем), из сопла сперва выходит яркосинее пламя, потом оно сменяется на голубовато оранжевый ореол. Самая горячая температура, кмк, сразу за синим цветом.

 

Не будем спешить и в течении 5 мин. пытаться разобраться в вопросах на которые у людей ушло 100 лет.
Давайте по порядку. Например возникшую дискуссию разобъем на несколько вопросов.

1 стехиометрическая зона ( область где смесь близка к стехиометрической)
2 вверху нет горения когда нет ни одной молекулы СН
3 вверху печи самое горячее место

Например так, согласны?

 

То же не являюсь сварщиком. Здесь мне надо сутки для более близкого знакомства с процессом.

 

Уже писал когда то, но здесь повторюсь.
Допустим, мы имеем дожигатель с четырьмя рядами отверстий. При правильно расчитанной конструкции, и при установившемся горении, картина горения будет выглядеть так-
1) Первый ряд- от него горения не будет. Потому, что ниже его 100% пар от масла. Чтобы насыщенный пар начал гореть, к нему нужно подмешать 80-85% воздуха. Ибо ТВС самоё мощное горит при 10% топлива, и 90% воздуха. Пределы загораемости ТВС от 5 до 15%.
2) Второй ряд. В конце струи (ближе к стенке корпуса) факел будет гореть синим цветом.
3) Третий ряд. Вся длинна струи будет гореть синим цветом.
4) Четвёртый ряд. Поскольку около него горючих газов почти нет, то те оставшиеся молекулы СН, которые так и не встретились с молекулой кислорода, будут гореть слабо голубой трубочкой, да и то, на маленьком расстоянии от дожигателя. Потому как гореть там практически нечему, а СО2 там полным полно.

Если прибавить подачу масла, то картина будет такая-
Первый ряд не горит.
Второй ряд горит, но в конце струи.
Третий и четвёртый ряд горят полным синим цветом.
В выхлопе ощущается запах недогоревших парОв.

Если масла меньше, чем в первом случае, то-
Первый ряд горит полноценным синим факелом.
Второй так же.
Третий горит еле голубым, но на маленьком расстоянии от дожигателя.
Четвёртый не горит вообще, а только зря остужает горячие дымовые газы.

Все опыты описаны при одинаковой подаче воздуха.

 

Не совсем так. Это желаемый (интуитивно легко объяснимый) процесс. Как бы было просто, если бы было так.


Наше пламя относиться к пламени предварительно не перемешанной смеси. Т.е воздух и топливо подаются к месту горения раздельно.

На величину процентов не заостряйте внимания.

Фронт пламени и зона стехиометрической смеси это тонкая поверхность (красная линия) образующаяся в результате диффузии воздуха в топливо и наоборот.

В случае пламен предварительно не перемешанной смеси горючее и окислитель диффундируют к фронту пламени благодаря градиентам концентраций, поддерживаемым химическими реакциями. Фронт пламени не может распространяться в сторону горючего без окислителя или в сторону окислителя без горючего. В результате фронт пламени локализован на границе раздела горючее-окислитель. Физика, лежащая
в основе этого явления, очень проста. Горючее и окислитель диффундируют в зону пламени, в которой химические реакции преобразуют их в продукты реакции, что сопровождается выделением энергии. Продукты реакции диффундируют, а энергия рассеивается из зоны реакции как в горючее, так и в окислитель.

Наличие или отсутствие горения нижних рядов определяется только скоростью истечения воздуха из сопла.

При малых скоростях пламена короткие. Если скорость увеличить, пламена удлиняются, переходят из ламинарных в турбулентные. Далее возможен отрыв. (Важно: если у вас печь работает с шумом, одна из причин - отрыв пламени от сопла!)

На верхних рядах к топливу добавляются отработанные газы. Здесь в процесс вмешиваются концентрационные пределы воспламенения смеси. Т.е. концентрация топлива столь низка, что температуры для воспламенения (энергии активации) недостаточно и возникновения цепных реакций не происходит. Вот и появление непрореагировавших молекул СН в выхлопе.

 

Вы немножко ошибаетесь

Это визуальное наблюдение при настройке и эксплуатации моей печи. Книжек не читаю, голова не болит. Глаза видят, руки немного видоизменяют, и глаза видят несколько другой результат.

Горение горелки (если из неё выходит смесь паров топлива и окислителя) в среде окружающего воздуха не равняйте с вашими рисунками. Состав окружающей пламя атмосферы, совершенно различный.

 

Хотелось бы, но здесь я не ошибаюсь. Это не мои выводы, но я с ними согласен. Я просто пытаюсь перевести научное изложение на доступный язык.

Очень хороший рецепт. Последнее время часто им пользуюсь

По поводу шума. Это я, как бы обобщал информацию для всех. Отверстие в дожигателе то же считается соплом.

 

Немного ошибся. Выделенные слова читать как-

с горением в среде маспяных парОв и выхлопных газов.

Простое дутьё воздуха у нас беззвучное. Не верите? Включите подачу воздуха в холодную печь, когда она отдыхает.
Тот звук, о котором Вы говорите, это звук трепыхающего пламени, которое как рыба лосось, возвращается против течения. У меня такое бывает, когда подачу масла уменьшить или закрыть, через полминутки общее пламя опускается вниз, и из отверстий завихрителей начинает вспыхивать большие струи, с характерным звуком.

 

Дяденьки,какие вы умные,прям взахлеб читаю.А можете пожевать немного тему влияния температуры подаваемого в печь воздуха и скорости струи из сопла(в смысле необходимый объем воздуха для стехиометрической смеси можно подать через одно отверстие 1 мм откусив горлышко у кислородного баллона и герметично прижав его к отверстию,а можно в отверстие 1м2 слоном пукнуть).