Продукты сжигания природного газа. Природный газ. Процесс горения

Физико-химические свойства природного газа

Природный газ не имеет цвета, запаха и вкуса, нетоксичен.

Плотность газов при t = 0°С, Р = 760 мм рт. ст.: метана - 0,72 кг/м 3 , воздуха -1,29 кг/м 3 .

Температура самовоспламенения метана 545 – 650°С. Это означает, что любая смесь природного газа с воздухом, нагретая до этой температуры, воспламеняется без источника зажигания и будет гореть.

Температура горения метана 2100°С в топках 1800°С.

Теплота сгорания метан: Q н = 8500 ккал/м 3 , Q в = 9500 ккал/м 3 .

Взрываемость. Различают:

– нижний предел взрываемости - это наименьшее содержание газа в воздухе, при котором происходит взрыв, он составляет для метана – 5%.

При меньшем содержании газа в воздухе взрыва не будет из-за недостатка газа. При внесении стороннего источника энергии – хлопки.

– верхний предел взрываемости - это наибольшее содержание газа в воздухе, при котором происходит взрыв, он составляет для метана – 15%.

При большем содержании газа в воздухе взрыва не будет из-за недостатка воздуха. При внесении стороннего источника энергии – загорание, пожар.

Для взрыва газа кроме содержания его в воздухе в пределах его взрываемости необходим сторонний источник энергии (искра, пламя и т. д.).

При взрыве газа в закрытом объеме (помещение, топка, резервуар и т. д.) разрушений больше, чем на открытом воздухе.

При сжигании газа с недожогом, т. е. с недостатком кислорода, в продуктах сгорания образуется окись углерода (СО), или угарный газ, который является высокотоксичным газом.

Скорость распространения пламени – это скорость перемещения фронта пламени относительно свежей струи смеси.

Ориентировочная скорость распространения пламени метан - 0,67 м/с. Она зависит от состава, температуры, давления смеси, соотношения газа и воздуха в смеси, диаметра фронта пламени, характера движения смеси (ламинарное или турбулентное) и определяет устойчивость горения.

Одоризация газа – это добавление в газ сильно пахнущего вещества (одоранта) для придания газу запаха перед поставкой потребителям.

Требования, предъявляемые к одорантам:

– резкий специфический запах;

– не должны препятствовать горению;

– не должны растворяться в воде;

– должны быть безвредны для человека и оборудования.

В качестве одоранта используется этилмеркаптан (С 2 Н 5 SH), его добавляют в метан – 16 г на 1000 м 3 , зимой норма удваивается.

Человек должен ощущать запах одоранта в воздухе при содержании газа в воздухе 20% от нижнего предела взрываемости для метана – 1% по объему.

Это химический процесс соединения горючих компонентов (водорода и углерода) с кислородом, содержащимся в воздухе. Происходит с выделением тепла и света.

При сгорании углерода образуется углекислый газ (С0 2), а водорода водяной пар (Н 2 0).

Этапы горения: подача газа и воздуха, образование газовоздушной смеси, зажигание смеси, её горение, удаление продуктов сгорания.

Теоретически, когда сгорает весь газ и все необходимое количество воздуха принимает участие в горении, реакция горения 1 м 3 газа:

CН 4 + 20 2 = СО 2 + 2Н 2 О + 8500 ккал/м 3 .

Для сжигания 1 м 3 метана необходимо 9,52 м 3 воздуха,.

Практически не весь воздух, подаваемый на горение, будет принимать участие в горении.

Поэтому в продуктах сгорания кроме углекислого газа (С0 2) и водяных паров (Н 2 0) появятся:

– окись углерода, или угарный газ (СО), при попадании в помещение может вызвать отравление обслуживающего персонала;

– атомарный углерод, или сажа (С), осаждаясь в газоходах и топках, ухудшает тягу, а на поверхностях нагрева - теплообмен.

– несгоревший газ и водород - скапливаясь в топках и газоходах, образуют взрывоопасную смесь.

При нехватке воздуха происходит неполное сгорание топлива – процесс горения происходит с недожогом. Недожог происходит также при плохом перемешивании газа с воздухом и низкой температуре в зоне горения.

Для полного сгорания газа воздух на горение подается в достаточном количестве, воздух и газ должны быть хорошо перемешаны, и в зоне горения необходима высокая температура.

Для полного сгорания газа воздух подается в большем количестве, чем требуется теоретически, т. е. с избытком, не весь воздух примет участие в горении. Часть тепла уйдет на нагрев этого лишнего воздуха и будет выброшена в атмосферу.

Коэффициент избытка воздуха α – число, показывающее во сколько раз действительный расход на горение больше, чем его требуется теоретически:

α = V д / V т

где V д - действительный расход воздух, м 3 ;

V т - теоретически необходимый воздух, м 3 .

α = 1,05 – 1,2.

Методы сжигания газа

Воздух, идущий на горение, может быть:

– первичный – подается внутрь горелки, перемешивается с газом, и на горение идет газовоздушная смесь;

– вторичный – поступает в зону горения.

Методы сжигания газа:

1. Диффузионный метод – газ и воздух на горение подаются раздельно и перемешиваются в зоне горения, весь воздух является вторичным. Пламя длинное, требуется большое топочное пространство.

2. Смешанный метод – часть воздуха подается внутрь горелки, смешивается с газом (первичный воздух), часть воздуха подается в зону горения (вторичный). Пламя короче, чем при диффузионном методе.

3. Кинетический метод – весь воздух перемешивается с газом внутри горелки, т. е. весь воздух является первичным. Пламя короткое, требуется небольшое топочное пространство.

Газогорелочные устройства

Газовые горелки - это устройства, обеспечивающие подачу газа и воздуха к фронту горения, образование газовоздушной смеси, стабилизацию фронта горения, обеспечение требуемой интенсивности процесса горения.

Горелка, оборудованная дополнительным устройством (тоннель, воздухораспределительное устройство и т. д.), называется газогорелочным устройством.

Требования к горелкам:

1) должны быть заводского изготовления и пройти государственные испытания;

2) должны обеспечивать полноту сжигания газа при всех рабочих режимах с минимальным избытком воздуха и минимальным выбросом вредных веществ в атмосферу;

3) иметь возможность применения автоматики регулирования и безопасности, а также измерения параметров газа и воздуха перед горелкой;

4) должны иметь простую конструкцию, быть доступными для ремонта и ревизии;

5) должны устойчиво работать в пределах рабочего регулирования, при необходимости иметь стабилизаторы для предотвращения отрыва и проскока пламени;

6) у работающих горелок уровень шума должен быть не выше 85 дБ, а температура поверхности не более 45°С.

Параметры газовых горелок

1) тепловая мощность горелки N г – количество тепла, выделяемое при сгорании газа за 1 ч;

2)низший предел устойчивой работы горелки N н. .п. . – наименьшая мощность, при которой горелка работает устойчиво без отрыва и проскока пламени;

3) минимальная мощность N мин – мощность низшего предела, увеличенная на 10%;

4) верхний предел устойчивой работы горелки N в. .п. . - наибольшая мощность, при которой горелка работает устойчиво без отрыва и проскока пламени;

5) максимальная мощность N макс – мощность верхнего предела, уменьшенная на 10%;

6) номинальная мощность N ном – наибольшая мощность, с которой горелка работает длительное время с наивысшим к.п.д.;

7) диапазон рабочего регулирования – значения мощностей от N мин до N ном;

8) коэффициент рабочего регулирования – отношение номи­нальной мощности к минимальной.

Классификация газовых горелок:

1) по способу подачи воздуха на горение:

– бездутьевые – воздух поступает в топку за счёт разрежения в ней;

– инжекционные – воздух засасывается в горелку за счёт энергии струи газа;

– дутьевые – воздух подается в горелку или в топку с помощью вентилятора;

2) по степени подготовки горючей смеси:

– без предварительного смешения газа с воздухом;

– с полным предварительным смешением;

– с неполным или частичным предварительным смешением;

3) по скорости истечения продуктов горения (низкая – до 20 м/с, средняя – 20-70 м/с, высокая – более 70 м/с);

4) по давлению газа перед горелками:

– низкому до 0,005 МПа (до 500 мм вод. ст.);

– среднему от 0,005 МПа до 0,3 МПа (от 500 мм вод. ст. до 3 кгс/см 2);

– высокому более 0,3 МПа (более 3 кгс/см 2);

5) по степени автоматизации управления горелками – с ручным управлением, полуавтоматические, автоматические.

По способу подачи воздуха горелки могут быть:

1) Диффузионные. Весь воздух поступает к факелу из окружающего пространства. Газ подаётся в горелку без первичного воздуха и, выходя из коллектора, смешивается с воздухом за его пределами.

Самая простая по конструкции горелка, обычно труба с насверленными в один или два ряда отверстиями.

Разновидность – подовая горелка. Состоит из газового коллектора, изготовленного из стальной трубы, заглушенной с одного торца. В трубе в два ряда просверлены отверстия. Коллектор устанавливается в щели, из огнеупорного кирпича, опирающегося на колосниковую решетку. Газ через отверстия в коллекторе выходит в щель. Воздух поступает в ту же щель через колосниковую решетку за счёт разрежения в топке или с помощью вентилятора. В процессе работы огнеупорная футеровки щели разогревается, обеспечивая стабилизацию пламени на всех режимах работы.

Достоинства горелки: простота конструкции, надежность работы (невозможен проскок пламени), бесшумность, хорошее регулирование.

Недостатки: малая мощность, неэкономична, высокое пламя.

2) Инжекционные горелки:

а) низкого давления или атмосферная (относятся к горелкам с частичным предварительным смешением). Струя газа выходит из сопла с большой скоростью и за счёт своей энергии захватывает в конфузор воздух, увлекая его внутрь горелки. Смешение газа с воздухом происходит в смесителе, состоящем из горловины, диффузора и огневого насадка. Разрежение, создаваемое инжектором, возрастает с увеличением давления газа, при этом изменяется количество подсасываемого первичного воздуха. Количество первичного воздуха можно изменять при помощи регулировочной шайбы. Изменяя расстояние между шайбой и конфузором, регулируют подачу воздуха.

Для обеспечения полного сгорания топлива часть воздуха поступает за счёт разрежения в топке (вторичный воздух). Регулирование его расхода производится путём изменения разрежения.

Обладают свойством саморегулирования: с увеличением нагрузки возрастает давление газа, который инжектирует в горелку увеличенное количество воздуха. При снижении нагрузки количество воздуха уменьшается.

Горелки ограниченно применяются на оборудовании большой производительности (более 100 кВт). Связано с тем, что коллектор горелки располагается непосредственно в топке. При работе нагревается до высоких температур и быстро выходит из строя. Имеют высокий коэффициент избытка воздуха, что приводит к неэкономичному сжиганию газа.

б) Среднего давления. При повышении давления газа обеспечивается инжекция всего воздуха, необходимого для полного сгорания газа. Весь воздух является первичным. Работают при давлении газа от 0,005 МПа до 0,3 МПа. Относятся к горелкам полного предварительного смешения газа с воздухом. В результате хорошего перемешивания газа и воздуха работают с малым коэффициентом избытка воздуха (1,05-1,1). Горелка Казанцева. Состоит из регулятора первичного воздуха, сопла, смесителя, насадка и пластинчатого стабилизатора. Выходя из сопла, газ имеет достаточно энергии для того, чтобы инжектировать весь воздух необходимый для горения. В смесителе происходит полное перемешивание газа с воздухом. Регулятор первичного воздуха одновременно глушит шум, который возникает из-за высокой скорости газовоздушной смеси. Достоинства:

– простота конструкции;

– устойчивая работа при изменении нагрузки;

– отсутствие подачи воздуха под давлением (нет вентилятора, электродвигателя, воздухопроводов);

– возможность саморегулирования (поддержания постоянного соотношения газ-воздух).

Недостатки:

– большие габариты горелок по длине, особенно горелок увеличенной производительности;

– высокий уровень шума.

3) Горелки с принудительной подачей воздуха. Образование газовоздушной смеси начинается в горелке и завершается в топке. Воздух подаётся с помощью вентилятора. Подача газа и воздуха осуществляется по отдельным трубам. Работают на газе низкого и среднего давления. Для лучшего перемешивания поток газа направляют через отверстия под углом к потоку воздуха.

Для улучшения смешения потоку воздуха сообщают вращательное движение, используя завихрители с постоянным или регулируемым углом установки лопаток.

Горелка газовая вихревая (ГГВ) – газ из распределительного коллектора выходит через отверстия, просверленные в один ряд, и под углом 90 0 поступает в закрученный с помощью лопаточного завихрителя поток воздуха. Лопатки приварены под углом 45 0 к наружной поверхности газового коллектора. Внутри газового коллектора расположена труба для наблюдения за процессом горения. При работе на мазуте в неё устанавливают паромеханическую форсунку.

Горелки, предназначенные для сжигания нескольких видов топлива, называются комбинированными.

Достоинства горелок: большая тепловая мощность, широкий диапазон рабочего регулирования, возможность регулирования коэффициента избытка воздуха, возможность предварительного подогрева газа и воздуха.

Недостатки горелок: достаточная сложность конструкции; возможены отрыв и проскок пламени, в связи с чем возникает необходимость применения стабилизаторов горения (керамический туннель, пилотный факел и т. д.).

Аварии на горелках

Количество воздуха в газовоздушной смеси важнейший фактор, влияющий на скорость распространения пламени. В смесях, в которых содержание газа превышает верхний предел его воспламенения, пламя вообще не распространяется. С увеличением количества воздуха в смеси скорость распространения пламени увеличивается, достигая наибольшей величины при содержании воздуха около 90 % его теоретического количества, необходимого для полного сгорания газа. При увеличении расхода воздуха на горелку создается смесь, более бедная газом, способная гореть быстрее и вызвать проскок пламени внутрь горелки. Поэтому, если требуется увеличить нагрузку, сначала увеличивают подачу газа, а затем воздуха. В случае необходимости уменьшения нагрузки поступают наоборот – сначала уменьшают подачу воздуха, а затем газа. В момент пуска горелок воздух не должен в них поступать и зажигание газа проводится в диффузионном режиме за счет воздуха, поступающего в топку, с последующим переходом к подаче воздуха на горелку

1.Отрыв пламени - перемещение зоны факела от выходных отверстий горелки по направлению горения топлива. Происходит, когда скорость газовоздушной смеси становится больше скорости распространения пламени. Пламя становится неустойчивым и может погаснуть. Через погасшую горелку продолжает идти газ, что приводит к образованию взрывоопасной смеси в топке.

Отрыв происходит при: повышении давления газа выше допустимого, резком увеличении подачи первичного воздуха, увеличении разряжения в топке, работа горелки в запредельных режимах относительно указанных в паспорте.

2. Проскок пламени - перемещение зоны факела навстречу горючей смеси. Бывает только в горелках с предварительным смешением газа и воздуха. Происходит тогда, когда скорость газовоздушной смеси ста­новится меньше скорости распространения пламени. Пламя проскакивает внутрь горелки, где продолжает гореть, вызывая деформацию горелки от перегрева. При проскоке возможен небольшой хлопок, пламя погаснет, через неработающую горелку произойдет загазовывание топки и газоходов.

Проскок происходит при: снижении давления газа перед горелкой ниже допустимого; розжиге горелки при подаче первичного воздуха; большой подаче газа при низком давлении воздуха, уменьшение производительности горелок предварительным смешением газа и воздуха ниже значений, указанных в паспорте. Не возможен при диффузионном методе сжигания газа.

Действия персонала при аварии на горелке:

– выключить горелку,

– провентилировать топку,

– выяснить причину аварии,

– сделать запись в журнале,

Топливом для котельной является природный газ, поступающий с ГРС. Природный газ с давлением 1-2 МПа, температура, расход и давление которого регистрируются приборами коммерческого учета, поступает на первую ступень редуцирования. Давление после первой ступени редуцирования регулируется клапаном регулятора давления.

Далее топливный газ с давлением около 0,5 МПа поступает в трубное пространство подогревателя, теплоносителем которого является пар 0,3-0,6 МП. Температура топливного газа после подогревателя изменяется регулировочным клапаном, установленным на трубопроводе пара. После подогревателя давление топливного газа снижается второй ступенью редуцирования до 3-80 кПа.После второй ступени редуцирования газ поступает на горелки котлов через стандартные блоки газооборудования (СБГ). Перед СБГ каждого котла измеряется и регистрируется давление, расход, температура газа. Давление газа после СБГ каждого котла также регистрируется

5.3.2. Особенности процесса горения природного газа.

Выбор типа и количества газовых горелок, их размещение и организация процесса сгорания зависят от особенностей теплового и аэродинамического режима работы промышленной установки. Правильное решение этих задач определяет интенсивность технологического процесса и экономичность установки. Теоретические предпосылки и опыт работы свидетельствуют, что при проектировании новых газовых установок основные показатели их работы, как правило, могут быть улучшены. Однако здесь следует отметить, что неправильно выбранный способ сжигания газа и неудачное расположение горелок снижают производительность и к. п. д. установок.

При проектировании промышленных газовых установок задачи интенсификации технологического процесса и повышения эффективности использования топлива должны решаться с наименьшими материальными затратами и с соблюдением ряда других условий, таких как надежность работы, безопасность и т. д.

При сжигании природного газа в отличие от сжигания других видов топлива можно в широких пределах изменять характеристики факела. Поэтому он может быть использован практически для установок любого назначения. Здесь следует лишь помнить, что требуемая максимальная интенсификация технологического процесса, повышение к. п. д., а также удовлетворение других требований, предъявляемых к установке, не могут быть обеспечены только выбором той или иной газовой горелки, а будут достигнуты при правильном решении всего комплекса вопросов теплообмена и аэродинамики, начиная от подачи воздуха и газа и кончая удалением отработанных продуктов горения в атмосферу. Особое значение имеет начальная стадия процесса - организация сжигания газа.

Природный газ – это газ без цвета. Значительно легче воздуха. Присутствие газа в воздухе помещений, колодцах, шурфах более 20% вызывает удушье, головокружение, потерю сознания и смерть. По санитарным нормам природный газ (метан) относится к 4 классу опасности (вещество малоопасное). Малотоксичен, ядом не является.

Состав природного газа:

Метан 98,52%;

Этан 0,46%;

Пропан 0,16%;

Бутан 0,02%;

Азот 0,73%;

Углекислый газ 0,07%.

Если природный газ прошел все степени очистки, то его свойства мало отличаются от свойств метана. Метан – простейший элемент из ряда метановых углеводородов. Свойства метана:

Удельная теплота сгорания 7980 Ккал/м 3 ;

Сжижается при t°=-161°С, затвердевает при t°=-182°С;

Плотность метана – 0,7169 кг/м 3 (легче воздуха в 2 раза);

Температура воспламенения t°=645°С;

Температура горения t°=1500 ÷ 2000°С

Пределы взрываемости 5 ÷ 15%.

При взаимодействии с воздухом образуются высоко взрывоопасные смеси, способные взрываться, производить разрушения.

Горение любого топлива, в том числе и газового, является реакцией химического соединения его с кислородом и сопровождается выделением теплоты. Количество теплоты, получаемое при полном сгорании 1 м 3 (или 1 кг) газа, называется его теплотой сгорания. Различают теплоту сгорания низшую, в которой не учитывается скрытая теплота образования водяных паров, содержащихся в продуктах горения, и высшую, когда эта теплота учитывается. Разница между высшей и низшей теплотой сгорания зависит от количества водяных паров, образующихся при сгорании топлива, и составляет примерно 2500 кДж на 1 кг или 2000 кДж на 1 м 3 водяных паров.

Теплота сгорания различных видов топлив может значительно различаться. Так, например, дрова и торф имеют низшую теплоту сгорания до 12500, лучшие каменные угли-до 31000, а нефть около 40000 кДж/кг. Природный газ имеет низшую теплоту сгорания 40-44 МДж/кг.

Полное время сгорания  определяется временем  д смесеобразования (диффузионных процессов) и временем  к протекания химических реакций горения (кинетических процессов). С учетом того, что может происходить наложение этих стадий процесса, получаем  д + к.

При  к  д (горение протекающее одновременно со смесеобразованием в топке называется диффузионным , так как это смесеобразование включает процессы турбулентной (в заключительной стадии - молекулярной) диффузии).

При  д  к  к (горение заранее подготовленной смеси нередко условно называют кинетическим , оно определяется кинетикой химических реакций).

Когда  д и к соизмеримы, процесс горения называют смешанным.

Следующий этап за смесеобразованием - нагрев и воспламенение топлива. При смешивании струи горючего газа со струёй воздуха и постепенном повышении их температуры при некоторой температуре произойдет воспламенение смеси. Минимальную температуру, при которой смесь воспламеняется, называют температурой воспламенения.

Температура воспламенения не является физико-химической константой вещества, так как кроме природы горючего газа зависит от концентрации газа и окислителя, а также от интенсивности теплообмена между газовой смесью и окружающей средой.

Существуют верхний и нижний пределы концентрации газа и окислителя и вне этих пределов при данной температуре смеси не воспламеняются. При повышении температуры газо-воздушной смеси согласно закону Аррениуса происходит увеличение скорости реакции пропорционально е -Е/ RT , этой же величине пропорционально тепловыделение. Если тепло потери зоны горения, связанные с теплообменом с окружающей средой, превышают тепловыделение, то воспламенение и горение невозможны. Обычно разогрев протекает одновременно со смесеобразованием.

Газо-воздушная смесь, в которой содержание газа находится между нижним и верхним пределами воспламенения, является взрывоопасной. Чем шире диапазон пределов воспламенения (называемых также пределами взрываемости), тем более взрывоопасен газ. По химической сущности взрыв газо-воздушной (газокислородной) смеси - процесс очень быстрого (практически мгновенного) горения, приводящий к образованию продуктов горения, имеющих высокую температуру, и резкому возрастанию их давления. Расчетное избыточное давление при взрыве природного газа 0,75, пропана и бутана - 0,86, водорода-0,74, ацетилена-1,03 МПа. В практических условиях температура взрыва, не достигает максимальных значений и возникающие давления ниже указанных, однако они вполне достаточны для разрушения не только обмуровки котлов, зданий, но и металлических емкостей, если в них произойдет взрыв.

В результате воспламенения и горения возникает пламя, которое является внешним проявлением интенсивных реакций окислителя вещества. Движение пламени по газовой смеси называется распространением пламени. При этом газовая смесь делится на две части- сгоревший газ, через который пламя уже прошло, и несгоревший газ, который вскоре войдет в область пламени. Граница между этими двумя частями горящей газовой смеси называется фронтом пламени.

Факелом называют поток, содержащий смесь воздуха, горящих газов, частиц топлива и продукты сгорания, в котором происходит разогрев, воспламенение и горение газообразного топлива.

При обычных температурах в топках (1000-1500 °С) углеводороды, включая метан, даже в очень малые промежутки времени в результате термического разложения дают заметные количества элементарного углерода. В результате появления в факеле элементарного углерода процесс горения в известной степени приобретает элементы гетерогенного, т. е. протекающего на поверхности твердых частиц. Наличие катализаторов (окислов железа, никеля) значительно ускоряет процесс разложения метана и других углеводородов.

Таким образом, в топке или рабочем пространстве печи между моментом ввода газа и воздуха и получением конечных продуктов горения в результате наложения процесса термического распада углеводородов и цепной реакции окисления наблюдается весьма сложная картина, характеризующаяся наличием как продуктов окисления СО 2 и Н 2 О, так и СО, Н 2 , элементарного углерода и продуктов неполного окисления (из последних особо важное значение имеет формальдегид). Соотношение между указанными компонентами будет зависеть от условий и длительности нагревания газа, предшествующего реакциям окисления.

При горении топлива происходят химические процессы окисления его горючих составляющих, сопровождающиеся интенсивным тепловыделением и быстрым подъемом температуры продуктов сгорания.

Различают гомогенное горение, протекающее в объеме, когда топливо и окислитель находятся в одинаковом агрегатном состоянии, и гетерогенное горение, происходящее на поверхности раздела фаз, когда горючее вещество и окислитель находятся в различных агрегатных состояниях.

Горение газообразного топлива является процессом гомогенным. При горении скорость прямого процесса несоизмеримо больше скорости обратного, поэтому обратной реакцией можно пренебречь. Напомним, что для гомогенной реакции горения выражение скорости прямой реакции будет иметь вид:

где -время; Т- абсолютная температура; К- универсальная газовая постоянная; k - константа скорости реакции, зависящая от природы реагирующих веществ, действия катализаторов, температуры; k 0 - эмпирическая константа; Е- энергия активации, характеризующая наименьшую избыточную энергию, которой должны обладать сталкивающиеся частицы, чтобы произошла реакция.

Из выражений (второе из них называют уравнением Аррениуса) следует, что скорость реакции возрастает с увеличением концентраций (давления в системе) и температуры и с уменьшением энергии активации. Экспериментальные измерения дают для энергии активации значительно меньшую величину, чем приведенные закономерности химической кинетики. Это объясняется тем, что процессы горения газов относятся к цепным реакциям и протекают через промежуточные стадии с непрерывным образованием активных центров (атомов или радикалов).

Например, при горении водорода (рис. 3) с помощью свободных атомов кислорода и радикалов гидроксила образуются три активных атома водорода вместо одного, имевшегося в начале рассматриваемого этапа реакции. Такое утроение происходит на каждом этапе, и в цепных реакциях лавинообразно нарастает количество активных центров. Кроме того, взаимодействие между неустойчивыми промежуточными продуктами идет гораздо быстрее, чем между молекулами.

Рис. 3. Схема цепной реакции горения водорода

Суммарная скорость реакции горения водорода определяется скоростью наиболее медленной реакции (выражаемой уравнением Н+О 2 ОН+Н 2) =kC н С о, где С н, С о - концентрации атомарного водорода и молекулярного кислорода.

Процессы окисления углеводородов, составляющих органическую часть природных и попутных газов, являются наиболее сложными. До сего времени отсутствуют четкие представления о кинетическом механизме протекания реакций, хотя можно с уверенностью сказать, что горение имеет цепной характер при наличии периода индукции и протекает с образованием многочисленных промежуточных продуктов частичного окисления и раз­ложения.

Приближенная схема стадийного горения метана может быть представлена набором следующих реакций:

Хотя начальные и конечные продукты реакции горения – газы, в промежуточных продуктах помимо газов может быть элементарный углерод в виде мельчайшей сажистой взвеси.

Скорость реакции горения окиси углерода зависит от концентраций в зоне реакции окиси углерода и водяных паров, а скорость цепного горения метана и других углеводородов - от концентраций атомарного водорода, кислорода и водяных паров.

Горение газового топлива представляет собой совокупность сложных аэродинамических, тепловых и химических процессов. Процесс горения газообразного топлива состоит из нескольких стадий: смешение газа с воздухом, нагрев полученной смеси до температуры воспламенения, зажигание и горение.

Характеристика метана

§ Бесцветный;

§ Нетоксичный (не ядовитый);

§ Без запаха и вкуса.

§ В состав метана входит 75% углерода, 25% водорода.

§ Удельный вес составляет 0,717кг/м 3 (легче воздуха в 2 раза).

§ Температура воспламенения – это минимальная начальная температура, при которой начинается горение. Для метана она равна 645 о.

§ Температура горения – это максимальная температура, которая может быть достигнута при полном сгорании газа, если количество воздуха, необходимого для горения, точно отвечает химическим формулам горения. Для метана она равна 1100-1400 о и зависит от условий сжигания.

§ Теплота сгорания – это количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 м 3 газа и она равна 8500 ккал/м 3 .

§ Скорость распространения пламени равна 0,67 м/сек.

Газовоздушная смесь

В которой газа находится:

До 5% не горит;

От 5 до 15% взрывается;

Свыше 15% горит при подаче дополнительного воздуха (все это зависит от соотношения объема газа в воздухе и называется пределами взрываемости )

Горючие газы не имеют запаха, для своевременного определения их в воздухе, быстрого и точного обнаружения мест утечки, газ одорируют, т.е. дают запах. Для этого используют ЭТИЛМЕРКОПТАН. Норма одоризации 16 гр на 1000 м 3 . При наличии в воздухе 1% природного газа должен ощущаться его запах.

Газ, используемый в качестве топлива, должен соответствовать требованиям ГОСТа и содержать вредных примесей на 100м 3 не более:

Сероводорода 0,0 2 г/м.куб

Аммиака 2 гр.

Синильной кислоты 5 гр.

Смолы и пыли 0,001 г/м.куб

Нафталина 10 гр.

Кислорода 1%.

Использование природного газа имеет ряд преимуществ:

· отсутствие золы и пыли и выноса твердых частиц в атмосферу;

· высокая теплота сгорания;

· удобство транспортировки и сжигания;

· облегчается труд обслуживающего персонала;

· улучшаются санитарно-гигиенические условия в котельных и прилегающих районах;

· широкий диапазон автоматического регулирования.

При использовании природного газа требуются особые меры осторожности, т.к. возможна утечка через неплотности в местах соединения газопровода и арматуры. Наличие в помещении более 20% газа вызывает удушье, скапливание его в закрытом объеме свыше 5% до 15% приводит к взрыву газовоздушной смеси. При неполном сгорании выделяется угарный газ, который даже при небольшой концентрации (0,15%) является отравляющим.

Горение природного газа

Горением называется быстрое химическое соединение горючих частей топлива с кислородом воздуха, происходит при высокой температуре, сопровождается выделением тепла с образованием пламени и продуктов сгорания. Горение бывает полным и неполным.

Полное горение – происходит при достаточном количестве кислорода. Нехватка кислорода вызывает неполное сгорание , при котором выделяется меньшее количество тепла, чем при полном, угарный газ (отравляюще действует на обслуживающий персонал), образуется сажа на поверхности котла и увеличиваются потери тепла, что приводит к перерасходу топлива, снижению КПД котла, загрязнению атмосферы.

Продуктами сгорания природного газа являются – диоксид углерода, водяные пары, некоторое количество избыточного кислорода и азот. Избыточный кислород содержится в продуктах горения только в тех случаях, когда горение происходит с избытком воздуха, а азот в продуктах сгорания содержится всегда, т.к. является составной частью воздуха и не принимает участие в горении.

Продуктами неполного сгорания газа могут быть оксид углерода, несгоревшие водород и метан, тяжелые углеводороды, сажа.

Реакция метана:

СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О

Согласно формуле для сгорания 1 м 3 метана необходимо 10 м 3 воздуха, в котором находится 2 м 3 кислорода. Практически для сжигания 1 м 3 метана необходимо больше воздуха с учетом всевозможных потерь, для этого применяется коэффициент К избытка воздуха, который = 1,05-1,1.

Теоретический объем воздуха = 10 м 3

Практический объем воздуха = 10*1,05=10,5 или 10*1,1=11

Полноту сгорания топлива можно определить визуально по цвету и характеру пламени, а так же с помощью газоанализатора.

Прозрачное голубое пламя – полное сгорание газа;

Красное или желтое с дымными полосами – сгорание неполное.

Горение регулируется увеличением подачи воздуха в топку или уменьшением подачи газа. В этом процессе используют первичный и вторичный воздух.

Вторичный воздух – 40-50% (смешивается с газом в топке котла в процессе горения)

Первичный воздух – 50-60% (смешивается с газом в горелке до горения)на горение идет газовоздушная смесь

Горение характеризует скорость распределения пламени – это скорость, с которой элемент фронта пламени распространяется относительно свежей струю газовоздушной смеси.

Скорость горения и распространения пламени зависит от:

· от состава смеси;

· от температуры;

· от давления;

· от соотношения газа и воздуха.

Скорость горения определяет одно из основных условий надежной эксплуатации котельной и его характеризует отрыв пламени и проскок.

Отрыв пламени – происходит если скорость газовоздушной смеси на выходе из горелки больше скорости горения.

Причины отрыва : чрезмерное увеличение подачи газа или чрезмерное разряжение в топке (тяга). Отрыв пламени наблюдается при розжиге и при включении горелок. Отрыв пламени приводит к загазованности топки и газоходов котла и к взрыву.

Проскок пламени – происходит если скорость распространения пламени (скорость горения) будет больше скорости истечения газовоздушной смеси из горелки. Проскок сопровождается горением газовоздушной смеси внутри горелки, горелка раскаляется и выходит из строя. Иногда проскок сопровождается хлопком или взрывом внутри горелки. При этом может быть разрушена не только горелка, но и фронтовая стенка котла. Проскок происходит при резком снижении подачи газа.

При отрыве и проскоке пламени обслуживающий персонал должен прекратить подачу топлива, выяснить и устранить причину, провентилировать топку и газоходы в течение 10-15 минут и снова разжечь огонь.

Процесс горения газообразного топлива можно разделить на 4 стадии:

1. Вытекание газа из сопла горелки в горелочное устройство под давлением с увеличенной скоростью.

2. Образование смеси газа с воздухом.

3. Зажигание образовавшейся горючей смеси.

4. Горение горючей смеси.

Газопроводы

Газ к потребителю подается по газопроводам – наружным и внутренним – на газораспределительные станции, размещенные за городом, а с них по газопроводам на газорегуляторные пункты ГРП или газорегуляторный устройства ГРУ промышленных предприятий.

Газопроводы бывают:

· высокого давления первой категории свыше 0,6 Мпа до 1,2 Мпа включительно;

· высокого давления второй категории свыше 0,3 Мпа до 0,6 Мпа;

· среднего давления третьей категории свыше 0,005 Мпа до 0,3 Мпа;

· низкого давления четвертой категории до 0,005Мпа включительно.

· МПа - означает Мега Паскаль

В котельной прокладывают газопроводы только среднего и низкого давления. Участок от распределительного газопровода сети (городской) к помещению вместе с отключающим устройством называют вводом.

Вводным газопроводом считают участок от отключающего устройства на вводе, если он установлен снаружи помещения к внутреннему газопроводу.

На вводе газа в котельную в освещенном и удобном для обслуживания месте, должна находиться задвижка. Перед задвижкой должен быть изолирующий фланец, для защиты от блуждающих токов. На каждом отводе от распределительного газопровода к котлу, предусматривается не менее 2 отключающих устройств, одно из которых устанавливается непосредственно перед горелкой. Помимо арматуры и КИП на газопроводе, перед каждым котлом, обязательно устанавливается автоматическое устройство, обеспечивающее безопасную работу котла. Для предотвращения попадания газов в топку котла, при неисправных отключающих устройствах, необходимы продувочные свечи и газопроводы безопасности с отключающими устройствами, которые при бездействующих котлах должны быть открыты. Газопроводы низкого давления красят в котельных в желтый цвет, а среднего давления в желтый с красными кольцами.

Газовые горелки

Газовые горелки - газогорелочное устройство, предназначенное для подачи к месту горения, в зависимости от технологических требований, подготовленной газовоздушной смеси или разделенного газа и воздуха, а так же для обеспечения устойчивого сжигания газообразного топлива и регулирования процесса горения.

К горелкам предъявляются следующие требования:

· основные типы горелок должны изготавливаться на заводах серийно;

· горелки должны обеспечивать пропуск заданного количества газа и полноту его сжигания;

· обеспечивать минимальное количество вредных выбросов в атмосферу;

· должны работать без шума, отрыва и проскока пламени;

· должны быть просты в обслуживании, удобны для ревизии и ремонта;

· при необходимости могли бы использоваться для резервного топлива;

· образцы вновь создаваемых и действующих горелок подлежат ГОСТ испытанию;

Главной характеристикой горелок является её тепловая мощность , под которой понимают количество теплоты, способное выделяться при полном сгорании топлива, поданного через горелку. Все данные характеристики можно найти в паспорте горелки.

Единицы измерения газообразных компонентов продуктов сгорания →

Содержание раздела

При сжигании органических топлив в топках котлов образуются различные продукты сгорания, такие как ок­сиды углерода СО х = СО + СО 2 , водяные пары Н 2 О, оксиды серы SO x = SO 2 + SО 3 , оксиды азота NO x = NO + NО 2 , полициклические арома­тические углеводороды (ПАУ), фтористые соединения, соединения ванадия V 2 O 5 , твердые частицы и др. (см. табл. 7.1.1). При неполном сгорании топлива в топках уходящие газы могут также содержать углеводороды СН 4 , С 2 Н 4 и др. Все продукты неполного сгорания являются вредными, однако при современной технике сжигания топлива их образование можно свести к минимуму [ 1 ].

Таблица 7.1.1. Удельные выбросы при факельном сжигании органических топлив в энергетических котлах [ 3 ]

Условные обозначения: А р, S p – соответственно содержание золы и серы на рабочую массу топлива, %.

Критерием санитарной оценки среды является предельно допустимая концентрация (ПДК) вредного вещества в атмосферном воздухе на уровне земли. Под ПДК следует понимать такую концентрацию различных веществ и химических соединений, которая при ежедневном воздействии в течение длительного времени на организм человека не вызывает каких-либо патологических изменений или заболеваний.

Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест приведены в табл. 7.1.2 [ 4 ]. Максимально-разовая концентрация вредных веществ определяется по пробам, отобранным в течение 20 мин, среднесуточная - за сутки.

Таблица 7.1.2. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест

Загрязняющее вещество	Предельно допустимая концентрация, мг/ м 3
Максимально-разовая	Среднесуточная
Пыль нетоксичная	0,5	0,15
Диоксид серы	0,5	0,05
Оксид углерода	3,0	1,0
Монооксид углерода	3,0	1,0
Диоксид азота	0,085	0,04
Оксид азота	0,6	0,06
Сажа (копоть)	0,15	0,05
Сероводород	0,008	0,008
Бенз(а)пирен	-	0,1 мкг/100 м 3
Пентаксид ванадия	-	0,002
Фтористые соединения (по фтору)	0,02	0,005
Хлор	0,1	0,03

Расчеты ведутся по каждому вредному веществу в отдельности, с тем чтобы концентрация каждого из них не превышала значений, приведенных в табл. 7.1.2. Для котельных эти условия ужесточены введением дополнительных требований о необходимости суммирования воздействия оксидов серы и азота, которое определяется выражением

В то же время, вследствие локальных недостатков воздуха или неблаго­приятных тепловых и аэродинамических условий, в топках и камерах сго­рания образуются продукты неполного сгорания, состоящие в основном из монооксида углерода СО (угарного газа), водорода Н 2 и различных углево­дородов, которые характеризуют потери тепла в котлоагрегате от химиче­ской неполноты сгорания (химический недожог).

Кроме этого, в процессе сжигания получается целый ряд химических соединений, образующихся вследствие окисления различных составляю­щих топлива и азота воздуха N 2 . Наиболее существенную их часть состав­ляют оксиды азота NO x и серы SO x .

Оксиды азота образуются за счет окисления как молекулярного азота воздуха, так и азота, содержащегося в топливе. Экспериментальные иссле­дования показали, что основная доля образовавшихся в топках котлов NO х, а именно 96÷100%, приходится на монооксид (оксид) азота NO. Ди­оксид NO 2 и гемиоксид N 2 O азота образуются в значительно меньших ко­личествах, и их доля приблизительно составляет: для NO 2 – до 4%, а для N 2 O – сотые доли процента от общего выброса NO x . При типичных усло­виях факельного сжигания топлив в котлах концентрации диоксида азота NO 2 , как правило, пренебрежительно малы по сравнению с содержанием NO и обычно составляют от 0÷7 ррm до 20÷30 ррm . В то же время быстрое перемешивание горячих и холодных областей в турбулентном пламени может привести к появлению относительно больших концентраций диок­сида азота в холодных зонах потока. Кроме этого, частичная эмиссия NO 2 происходит в верхней части топки и в горизонтальном газоходе (при T > 900÷1000 К) и при определенных условиях также может достигать за­метных размеров.

Гемиоксид азота N 2 O, образующийся при сжигании топлив, является, по всей видимости, кратковременным промежуточным веществом. N 2 O практически отсутствует в продуктах сгорания за котлами.

Содержащаяся в топливе сера является источником образования окси­дов серы SO x: сернистого SO 2 (диоксид серы) и серного SO 3 (триоксид серы) ангидридов. Суммарный массовый выброс SO x зависит только от содержания серы в топливе S p , а их концентрация в дымовых газах – еще и от коэффициента расхода воздуха α. Как правило, доля SO 2 составляет 97÷99%, а доля SO 3 – 1÷3% от суммарного выхода SO x . Фактическое со­держание SO 2 в уходящих из котлов газах колеблется от 0,08 до 0,6 %, а концентрация SO 3 – от 0,0001 до 0,008 %.

Среди вредных компонентов дымовых газов особое место занимает большая группа полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Многие ПАУ обладают высокой канцерогенной и (или) мутагенной актив­ностью, активизируют фотохимические смоги в городах, что требует строгого контроля и ограничения их эмиссии. В то же время некоторые ПАУ, например, фенантрен, флуорантен, пирен и ряд других, физиологи­чески почти инертны и не являются канцерогенно-опасными.

ПАУ образуются в результате неполного сгорания любых углеводо­родных топлив. Последнее имеет место из-за торможения реакций окисления углеводородов топлива холодными стенками топочных устройств, а также может быть вызвано неудовлетворительным смешением топлива и воздуха. Это приводит к образованию в топках (камерах сгорания) ло­кальных окислительных зон с пониженной температурой или зон с избыт­ком топлива.

Вследствие большого количества разных ПАУ в дымовых газах и трудности измерения их концентраций принято уровень канцерогенной загрязненности продуктов сгорания и атмосферного воздуха оценивать по концентрации наиболее сильного и стабильного канцерогена – бенз(а)пирена (Б(а)П) C 20 H 12 .

Ввиду высокой токсичности, следует особо отметить такие продукты сжигания мазута, как оксиды ванадия. Ванадий содержится в минеральной части мазута и при его сжигании образует оксиды ванадия VO, VO 2 . Одна­ко при образовании отложений на конвективных поверхностях оксиды ва­надия представлены в основном в виде V 2 O 5 . Пентаоксид ванадия V 2 O 5 яв­ляется наиболее токсичной формой оксидов ванадия, поэтому учет их вы­бросов производится в пересчете на V 2 O 5 .

Таблица 7.1.3. Примерная концентрация вредных веществ в продуктах сгорания при факельном сжигании органических топлив в энергетических котлах

Выбросы =	Концентрация, мг/м 3
	Природный газ	Мазут	Уголь
Оксиды азота NO x (в пересчете на NO 2)	200÷ 1200	300÷ 1000	350 ÷1500
Сернистый ангидрид SO 2	-	2000÷6000	1000÷5000
Серный ангидрид SO 3	-	4÷250	2 ÷100
Угарный газ СО	10÷125	10÷150	15÷150
Бенз(а)пирен С 20 Н 12	(0,1÷1, 0)·10 -3	(0,2÷4,0)· 10 -3	(0,3÷14)· 10 -3
Твердые частицы	-	<100	150÷300

При сжигании мазута и твердого топлива в выбросах также содержатся твердые частицы, состоящие из летучей золы, сажистых частиц, ПАУ и несгоревшего в результате механического недожога топлива.

Диапазоны концентраций вредных веществ в дымовых газах при сжи­гании различных типов топлив приведены в табл. 7.1.3.

Cтраница 1

Причины неполного сгорания связаны с химическим недожогом и механическим уносом топлива.  

Одной из причин неполного сгорания в условиях открытых воздушных пламен является образование трудносгораю. Нами проведены экспериментальные исследования конденсированных продуктов, образующихся в открытых воздушных пламенах различного класса горючих.  

Недостаток тяги может быть также причиной неполного сгорания газа из-за недостатка вторичного воздуха. Образующаяся при неполном сгорании окись углерода сама по себе может быть причиной взрыва газов в дымоходах или борове в случае подсоса в них воздуха.  

Схема естественной тяги.

Недостаточная величина разрежения в топке может служить причиной неполного сгорания газа из-за недостатка вторичного воздуха при использовании диффузионных горелок или горелок с частичной инжекцией воздуха. Образующаяся при неполном сгорании окись углерода в смеси с воздухом может быть причиной взрыва газов в дымоходах или борове.  

Уменьшение разрежения в топке ниже допустимого предела является причиной неполного сгорания газа и образования окиси углерода, которая может взорваться в дымоходах или борове в случае подсоса в них воздуха.  

Наличие в топливе большого количества смолистых веществ может быть причиной неполного сгорания топлива и образования твердых нагаров, отлагающихся, по преимуществу, на сопле форсунки, распиливающей топливо. Отложение агаров ухудшает рас пылив аиие топлив в камере сгорания и может способствовать снижению или прекращению подачи топлива в цилиндры двигателя.  

Наличие в топливе большого количества смолистых веществ может быть причиной неполного сгорания топлива и образования твердых нагаров, отлагающихся преимущественно на сопле форсунки, распиливающей топливо, и в выхлопной системе двигателя. Отложения нагаров ухудшают процесс распиливания топлива в камере сгорания и могут способствовать снижению или прекращению подачи топлива в цилиндры двигателя.  

Потеря 7з возникает при наличии в уходящих газах продуктов неполного сгорания: окиси углерода СО, водорода Н2, метана СН4 и др. Причиной неполного сгорания топлива может быть недостаток воздуха в топке, низкая температура в ней, неудовлетворительное смешение частиц топлива с воздухом, неустойчивость процесса горения, малый объем топки.  

Предложенное приспособление дает возможность выполнять основную и самую трудную часть сожжения без наблюдения экспериментатора и, что самое главное, препятствует перегреву вещества, исключая таким образом возможность слишком быстрого испарения или разложения, являющихся обычно причиной неполного сгорания или взрыва в трубке для сожжения.  

Бурлаге и Брезе составили таблицу продуктов неполного сгорания, классифицируя их по различным причинам их образования, свойствам топлив и режиму двигателя, который скорее всего способствует их образованию. Следует помнить, что на эти соотношения сильно влияет конструкция двигателя и что при плохой его конструкции многие из причин неполного сгорания могут встречаться одновременно. Эта таблица (табл. 31) не может быть принята за непогрешимое руководство.  

Черный нагар может также быть вызван причинами, не связанными с правильностью подбора свечи к двигателю. Такой нагар может образоваться в результате длительной работы двигателя в режиме холостого хода или при малой частоте вращения коленчатого вала. Причиной образования черного нагара может быть также слишком богатая топливная смесь. Иногда причиной неполного сгорания топливной смеси и как следствие этого черного нагара бывает неисправность системы батарейного зажигания.  

Скорость продвижения зоны горения в направлении, перпендикулярном самой зоне, называется скоростью распространения пламени. Скорость распространения пламени характеризует быстроту нагрева газовоздушной смеси до температуры воспламенения. Наибольшую скорость распространения имеет пламя водорода, водяного газа (3 м / сек), наименьшую - пламя природного газа и П ропа НО-бутановой смеси. Большая скорость распространения пламени благоприятно влияет на полноту горения газа, а малая, наоборот, служит одной из причин неполного сгорания газа. Скорость распространения пламени увеличивается при применении газокислородной смеси вместо газовоздушной.  

При учете общего объема углекислоты измерительная бюретка должна вместе с тем служить коллектором, и объем ее должен быть достаточным для вмещения всего получившегося при сгорании газа. Чтобы устранить излишний, приток кислорода, пространство, в котором происходит сожжение, должно быть по возможности малым. Поэтому предложенные Kinder oM 2 спирали из медной сетки, которые вставляют в трубку для сожжения для поглощения окислов серы и которые, следовательно, уменьшают мертвое пространство, надо предпочесть промывным склянкам со смесью хромовой и серной кислот. Также и при проведении процесса сожжения нужно. Впуск газа можно начинать лишь тогда, когда введенная навеска настолько прогрелась, что горение железа начинается немедленно. Пока идет сожжение, не надо пускать кислорода больше, чем его расходуется. Правильную меру надо считать соблюденной, когда уровень жидкости в расширении измерительной бюретки падает во время сожжения лишь незначительно. Немедленному началу горения способствует высркгя температура нагрева; быстрое и полное сожжение обеспечивается применением отдающих кислород добавок. При соблюдении этих условий время сожжения значительно сокращается-даже для трудно сгорающих легированных материалов. Что касается применяемых фарфоровых трубок, то трубки с повышенным содержанием глинозема являются менее ломкими; всегда нужно следить за тем, чтобы охлаждение происходило постепенно. Дольше всего держатся трубки, которые все врем я нагреваются, как это, например, имеет место при непрерывном производстве. Против слишком сильного шлакования трубок помогает восстановление шлаков в струе водорода. Восстанавливающийся при этом металл в нагретом состоянии мягок и легко удаляется из трубки. Покрывание лодочек отчасти препятствует доступу кислорода, а это может быть причиною неполного сгорания. Хотя присадки сами по себе тоже мешают шлакообразованию, но зато они сильно разъедающе действуют на фарфор. Газопроницаемости при высоких температурах даже в неглазурованных с обеих сторон трубках не наблюдается; поэтому для сожжения можно пользоваться как глазурованными, так и негла зурованными трубками.