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Gas natural. Proceso de combustión. Sustancias tóxicas en combustibles y gases de combustión.

El gas natural es el combustible más utilizado en la actualidad. El gas natural se llama gas natural porque se extrae de las profundidades de la Tierra.

La combustión de gas es una reacción química en la que el gas natural interactúa con el oxígeno del aire.

El combustible gaseoso contiene una parte combustible e incombustible.

El principal componente combustible del gas natural es el metano - CH4. Su contenido en gas natural alcanza el 98%. El metano es inodoro, insípido y no tóxico. Su límite de inflamabilidad es del 5 al 15%. Son estas cualidades las que hicieron posible utilizar el gas natural como uno de los principales tipos de combustible. La concentración de metano superior al 10% es potencialmente mortal, por lo que puede producirse asfixia debido a la falta de oxígeno.

Para detectar una fuga de gas, el gas se odoriza, es decir, se agrega una sustancia de olor fuerte (etilmercaptano). En este caso, el gas ya se puede detectar a una concentración del 1%.

Además del metano, el gas natural puede contener gases inflamables: propano, butano y etano.

Para asegurar una combustión de gas de alta calidad, es necesario suministrar suficiente aire a la zona de combustión y lograr una buena mezcla de gas con aire. La proporción óptima es 1: 10. Es decir, una parte del gas representa diez partes de aire. Además, es necesario crear el régimen de temperatura deseado. Para que el gas se encienda, es necesario calentarlo hasta su temperatura de ignición y, en el futuro, la temperatura no debe caer por debajo de la temperatura de ignición.

Es necesario organizar la eliminación de los productos de combustión a la atmósfera.

La combustión completa se logra si no hay sustancias combustibles en los productos de combustión emitidos a la atmósfera. En este caso, el carbono y el hidrógeno se combinan y forman dióxido de carbono y vapor de agua.

Visualmente, con combustión completa, la llama es de color azul claro o violeta azulado.

Completa combustión de gas.

metano + oxígeno = dióxido de carbono + agua

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O

Además de estos gases, el nitrógeno y el oxígeno restante se liberan a la atmósfera con gases combustibles. N 2 + O 2

Si la combustión del gas no ocurre por completo, entonces se emiten sustancias inflamables a la atmósfera: monóxido de carbono, hidrógeno, hollín.

La combustión incompleta de gas ocurre debido a la falta de aire. Al mismo tiempo, aparecen lenguas de hollín en la llama.

El peligro de una combustión incompleta del gas es que el monóxido de carbono puede envenenar al personal de la sala de calderas. El contenido de CO en el aire de 0.01-0.02% puede causar una intoxicación leve. Una concentración más alta puede provocar intoxicaciones graves y la muerte.

El hollín resultante se deposita en las paredes de las calderas, lo que perjudica la transferencia de calor al refrigerante y reduce la eficiencia de la sala de calderas. El hollín conduce el calor 200 veces peor que el metano.

En teoría, 1 m3 de gas requiere 9 m3 de aire para quemarse. En condiciones reales, se requiere más aire.

Es decir, se necesita una cantidad excesiva de aire. Este valor, designado alfa, muestra cuántas veces más aire se consume de lo teóricamente necesario.

El coeficiente alfa depende del tipo de quemador específico y generalmente se prescribe en el pasaporte del quemador o de acuerdo con las recomendaciones de la organización del trabajo de puesta en marcha realizado.

A medida que la cantidad de aire en exceso aumenta por encima de la cantidad recomendada, aumenta la pérdida de calor. Con un aumento significativo en la cantidad de aire, puede ocurrir la separación de la llama, creando una emergencia. Si la cantidad de aire es menor que la recomendada, la combustión será incompleta, creando así una amenaza de envenenamiento para el personal de la sala de calderas.

Para un control más preciso de la calidad de la combustión del combustible, existen dispositivos: analizadores de gases que miden el contenido de ciertas sustancias en la composición de los gases de combustión.

Los analizadores de gas se pueden suministrar con calderas. Si no están allí, la organización encargada de la puesta en servicio lleva a cabo las mediciones adecuadas mediante analizadores de gas portátiles. Se elabora un mapa de régimen en el que se prescriben los parámetros de control necesarios. Al adherirse a ellos, puede garantizar una combustión completa normal del combustible.

Los principales parámetros para regular la combustión de combustible son:

  • la relación de gas y aire suministrados a los quemadores.
  • relación de exceso de aire.
  • descarga en la cámara de combustión.
  • Eficiencia de la caldera.

En este caso, el coeficiente de eficiencia de la caldera significa la relación entre el calor útil y la cantidad de todo el calor consumido.

Composición del aire

Nombre del gas Elemento químico Contenido en el aire
Nitrógeno N2 78 %
Oxígeno O2 21 %
Argón Arkansas 1 %
Dióxido de carbono CO2 0.03 %
Helio Él menos del 0,001%
Hidrógeno H2 menos del 0,001%
Neón Nordeste menos del 0,001%
Metano CH4 menos del 0,001%
Criptón Kr menos del 0,001%
Xenón Xe menos del 0,001%

Si se conoce la composición elemental de la masa de trabajo del combustible, es posible determinar teóricamente la cantidad de aire requerida para la combustión del combustible y la cantidad de gases de combustión formados.

La cantidad de aire necesaria para la combustión se calcula en metros cúbicos en condiciones normales (0 ° C y 760 mm Hg): para 1 kg de combustible sólido o líquido y para 1 m 3 de combustible gaseoso.

Volumen de aire seco teórico. Para la combustión completa de 1 kg de combustible sólido y líquido, el volumen de aire teóricamente requerido, m 3 / kg, se calcula dividiendo la masa de oxígeno consumido por la densidad del oxígeno en condiciones normales ρ N

Sobre 2 = 1.429 kg / m3 y por 0.21, ya que el aire contiene 21% de oxígeno

Para la combustión completa de 1 m 3 de combustible gaseoso seco, el volumen de aire requerido, m3 / m3,

En las fórmulas anteriores, el contenido de elementos combustibles se expresa como porcentaje en peso, y la composición de gases combustibles CO, H 2, CH 4, etc., se expresa como porcentaje en volumen; СmНn - hidrocarburos que forman parte del gas, por ejemplo, metano СН 4 (metro= 1, n = 4), etano C 2 H 6 (metro= 2, n = 6), etc. Estos números forman el coeficiente (m + n / 4)

Ejemplo 5. Determine la cantidad teórica de aire necesaria para la combustión de 1 kg de combustible de la siguiente composición: C p = 52,1%; H p = 3,8%;

S R 4 = 2,9%; norte R= 1,1%; O R= 9,1%

Sustituyendo estas cantidades en la fórmula (27), obtenemos V ° B =

0,0889 (52,1 + 0,375 2,9) + 0,265 3,8 - - 0.0333 9.1 = 5.03 m3 / kg.

Ejemplo 6. Determine la cantidad teórica de aire necesaria para la combustión de 1 m3 de gas seco de la siguiente composición:

CH4 = 76,7%; C _ {2} H _ {6} = 4,5%; C _ {3} H _ {8} = 1,7%; C _ {4} H _ {10} = 0,8%; C5H12 = 0,6%; H2 = 1%; CO2 = 0,2%; PARA, = 14,5%.

Sustituyendo valores numéricos en la fórmula (29), obtenemos

El volumen teórico de gases de combustión. Con la combustión completa del combustible, los gases de combustión que salen del horno contienen: dióxido de carbono CO 2, vapores de H 2 O (formados durante la combustión del hidrógeno del combustible), dióxido de azufre SO 2, nitrógeno N 2 - gas neutro que ingresó al horno con oxígeno atmosférico, nitrógeno de la composición del combustible Н 2, así como oxígeno del exceso de aire О 2. En caso de combustión incompleta del combustible, se añaden monóxido de carbono CO, hidrógeno H 2 y metano CH 4 a los elementos indicados. Para facilitar los cálculos, los productos de combustión se dividen en gases secos y vapor de agua.

Los productos de combustión gaseosos consisten en gases triatómicos CO 2 y SO 2, cuya suma generalmente se indica con el símbolo RO 2, y gases diatómicos: oxígeno O 2 y nitrógeno N 2.

Entonces la igualdad tendrá la forma:

con combustión completa

R0 2 + 0 2 + N 2 = 100%, (31)

con combustión incompleta

R0 2 + 0 2 + N 2 + CO = 100%;

El volumen de los gases triatómicos secos se calcula dividiendo las masas de los gases CO 2 y SO 2 por su densidad en condiciones normales.

Pso 2 = 1,94 y Pso 2 = 2,86 kg / m3 son las densidades de dióxido de carbono y dióxido de azufre en condiciones normales.

1. Descripción de la tecnología (método) propuesta para incrementar la eficiencia energética, su novedad y conocimiento de la misma.

Al quemar combustible en calderas, el porcentaje de "exceso de aire" puede ser del 3 al 70% (excluida la succión) del volumen de aire, cuyo oxígeno participa en la reacción química de oxidación (combustión) del combustible.

El "exceso de aire" que participa en el proceso de combustión del combustible es aquella parte del aire atmosférico, cuyo oxígeno no participa en la reacción química de oxidación (combustión) del combustible, pero es necesario para crear la tasa de flujo requerida de la mezcla aire-combustible del quemador de la caldera. "Exceso de aire" es un valor variable y para la misma caldera es inversamente proporcional a la cantidad de combustible quemado, o cuanto menos combustible se quema, menos oxígeno se requiere para su oxidación (combustión), pero más "exceso de aire" es necesario para crear la velocidad requerida en la salida de la mezcla de aire y combustible del quemador de la caldera. El porcentaje de "exceso de aire" en el flujo de aire total utilizado para la combustión completa del combustible se determina por el porcentaje de oxígeno en los gases de escape.

Si reduce el porcentaje de "exceso de aire", entonces aparecerá monóxido de carbono "CO" (gas venenoso) en los gases de combustión, lo que indica que el combustible está subquemado; su pérdida, y el uso de "exceso de aire" conduce a la pérdida de energía térmica para su calentamiento, lo que aumenta el consumo de combustible quemado y aumenta las emisiones de gases de efecto invernadero "СО 2" a la atmósfera.

El aire atmosférico consta de un 79% de nitrógeno (N 2 es un gas inerte sin color, sabor y olor), que realiza la función principal de crear el régimen de velocidad requerido para la salida de la mezcla de combustible y aire del dispositivo quemador de la central eléctrica. para una combustión completa y estable de combustible y 21% de oxígeno (O 2), que es un oxidante de combustible. Los gases de combustión en el modo nominal de combustión de gas natural en las unidades de caldera consisten en 71% de nitrógeno (N 2), 18% de agua (Н 2 О), 9% de dióxido de carbono (СО 2) y 2% de oxígeno (О 2). El porcentaje de oxígeno en los gases de combustión igual al 2% (a la salida del horno) indica el 10% del exceso de aire atmosférico en el flujo de aire total involucrado en la creación del modo de velocidad requerido para la salida de la mezcla de aire y combustible de el dispositivo de quemador de la unidad de caldera para combustible de oxidación completa (combustión).

En el proceso de combustión completa de combustible en calderas, es necesario utilizar gases de combustión, reemplazando el "exceso de aire" con ellos, lo que evitará la formación de NOx (hasta 90.0%) y reducirá las emisiones de "gases de efecto invernadero" (СО 2), así como el consumo de combustible quemado (hasta 1,5%).

La invención se refiere a la ingeniería de energía térmica, en particular a centrales eléctricas para quemar varios tipos de combustible y métodos de utilización de gases de combustión para quemar combustible en centrales eléctricas.

La central de combustión contiene un horno (1) con quemadores (2) y un conducto de humos convectivo (3) conectado a través de un extractor de humos (4) y una chimenea (5) a la chimenea (6); un conducto de aire exterior (9) conectado a la chimenea (5) a través de una línea de derivación de gases de combustión (11) y un conducto de mezcla de aire exterior / gases de combustión (14), que está conectado a un soplador (13); un acelerador (10) instalado en el conducto de aire (9) y una válvula (12) montada en la tubería de derivación de gases de combustión (11), y el acelerador (10) y la válvula (12) están equipados con actuadores; un calentador de aire (8) ubicado en el conducto de gas convectivo (3), conectado al ventilador de soplado (13) y conectado a los quemadores (2) a través del conducto de aire (15) de la mezcla calentada de aire exterior y gases de combustión; un sensor de muestreo de gases de combustión (16) instalado en la entrada del conducto de gas convectivo (3) y conectado a un analizador de gases (17) para determinar el contenido de oxígeno y monóxido de carbono en los gases de combustión; unidad de control electrónico (18), que está conectada al analizador de gases (17) y a los actuadores del acelerador (10) y la válvula (12). El método de utilización de los gases de combustión para la combustión de combustible en una central eléctrica incluye la selección de una parte de los gases de combustión con una presión estática superior a la atmosférica desde la chimenea (5) y su suministro a través de la tubería de derivación de gases de combustión (11) hacia el conducto de aire exterior (9) con una presión estática del aire exterior menor que la atmosférica; Regulación del suministro de aire exterior y gases de combustión mediante los actuadores del acelerador (10) y la válvula (12), controlados por la centralita electrónica (18), de manera que el porcentaje de oxígeno en el aire exterior se reduce a un nivel en el que a la entrada de la chimenea convectiva (3) el contenido de oxígeno en los gases de combustión era inferior al 1% en ausencia de monóxido de carbono; posterior mezcla de gases de combustión con aire exterior en el conducto (14) y soplador (13) para obtener una mezcla homogénea de aire exterior y gases de combustión; calentar la mezcla resultante en el calentador de aire (8) debido a la utilización del calor de los gases de combustión; suministro de la mezcla calentada a los quemadores (2) a través del conducto de aire (15).

2. El resultado de aumentar la eficiencia energética con la adopción masiva.
Ahorro de combustible quemado en salas de calderas, en CHPP o SDPP hasta en un 1,5%

3. ¿Es necesario realizar más investigaciones para ampliar la lista de objetos para la implementación de esta tecnología?
Existe porque La tecnología propuesta también se puede aplicar a motores de combustión interna y plantas de turbinas de gas.

4. Razones por las que la tecnología de eficiencia energética propuesta no se aplica a gran escala.
La razón principal es la novedad de la tecnología propuesta y la inercia psicológica de los especialistas en el campo de la ingeniería de energía térmica. Es necesario mediar la tecnología propuesta en los Ministerios de Energía y Medio Ambiente, empresas de energía generadoras de electricidad y calor.

5. Medidas existentes de estímulo, coacción, incentivos para la implementación de la tecnología propuesta (método) y la necesidad de su mejora.
Introducción de requisitos ambientales nuevos y más estrictos para las emisiones de NOx de las unidades de caldera

6. La presencia de restricciones técnicas y de otro tipo sobre el uso de tecnología (método) en varios objetos.
Ampliar el efecto de la cláusula 4.3.25 "NORMAS PARA EL FUNCIONAMIENTO TÉCNICO DE LAS CENTRALES Y REDES DE LA FEDERACIÓN DE RUSA ORDEN DEL MINISTERIO DE ENERGÍA DE LA FEDERACIÓN DE RUSIA DEL 19 DE JUNIO DE 2003 Nº 229" para las calderas que queman cualquier tipo de combustible. En la siguiente edición: "... En las calderas de vapor que queman cualquier combustible, en el rango de control de cargas, su combustión debe llevarse a cabo, por regla general, con coeficientes de exceso de aire en la salida del horno inferiores a 1.03 ... ".

7. La necesidad de I + D y pruebas adicionales; temas y metas del trabajo.
La necesidad de I + D es obtener información visual (película educativa) para familiarizar a los empleados de las empresas de calefacción y energía con la tecnología propuesta.

8. Disponibilidad de decretos, reglas, instructivos, normas, requisitos, medidas prohibitivas y demás documentos que regulen el uso de esta tecnología (método) y sean obligatorios para su ejecución; la necesidad de modificarlos o la necesidad de cambiar los principios mismos de la formación de estos documentos; la presencia de documentos normativos preexistentes, reglamentos y la necesidad de su restauración.
Ampliar las acciones del "REGLAMENTO TÉCNICO DE OPERACIÓN DE CENTRALES Y REDES DE LA FEDERACIÓN DE RUSIA ORDEN DEL MINISTERIO DE ENERGÍA DE LA FEDERACIÓN DE RUSIA DEL 19 DE JUNIO DE 2003 No. 229"

p. 4.3.25 para calderas que queman cualquier tipo de combustible. En la próxima edición: "... En calderas de vapor que queman combustible, en el rango de control de cargas, su combustión debe llevarse a cabo, por regla general, con coeficientes de aire en exceso en la salida del horno inferiores a 1.03 ...».

pág. 4.3.28. “... El encendido de la caldera de gasóleo sulfuroso se debe realizar con un sistema de calentamiento de aire preconectado (calentadores de aire, sistema de recirculación de aire caliente). La temperatura del aire frente al calentador de aire durante el período inicial de encendido en la caldera de aceite debe ser, por regla general, de al menos 90 ° C. El encendido de la caldera con cualquier otro tipo de combustible debe realizarse con el sistema de recirculación de aire encendido.»

9. La necesidad de desarrollar leyes y regulaciones nuevas o cambiar las existentes.
No requerido

10. Disponibilidad de proyectos piloto implementados, análisis de su efectividad real, deficiencias identificadas y propuestas de mejora de la tecnología, teniendo en cuenta la experiencia acumulada.
La prueba de la tecnología propuesta se llevó a cabo en una caldera de gas montada en la pared con tiro forzado y salida de gases de combustión (productos de combustión de gas natural) a la fachada del edificio con una potencia nominal de 24,0 kW, pero bajo una carga de 8,0 kW . Los gases de combustión se suministraron a la caldera mediante un conducto instalado a una distancia de 0,5 m de la descarga de la antorcha de la chimenea coaxial de la caldera. La caja contenía los conductos de salida de humos, que a su vez reemplazaban el “exceso de aire” necesario para la combustión completa del gas natural, y las emisiones se monitoreaban con un analizador de gases instalado en la salida del conducto de gases de la caldera (en un lugar habitual). Como resultado del experimento, fue posible reducir las emisiones de NOx en un 86,0% y reducir las emisiones de "gases de efecto invernadero" CO2 en un 1,3%.

11. Posibilidad de influir en otros procesos durante la introducción masiva de esta tecnología (cambios en la situación ambiental, posible impacto en la salud humana, aumento de la confiabilidad del suministro eléctrico, cambio de horarios diarios o estacionales de carga de equipos eléctricos, cambio de indicadores económicos de generación de energía y transmisión, etc.).
Mejora de la situación ambiental que afecta a la salud humana y reducción de los costos de combustible para la generación de calor.

12. La necesidad de capacitación especial de personal calificado para el funcionamiento de la tecnología introducida y el desarrollo de la producción.
Será suficiente la capacitación del personal operativo existente de las unidades de caldera con la tecnología propuesta.

13. Formas de ejecución propuestas:
Financiamiento comercial (con recuperación de costos), ya que la tecnología propuesta se amortiza en un máximo de dos años.

Información proporcionada por: Y. Panfil, PO Box 2150, Chisinau, Moldova, MD 2051, correo electrónico: [correo electrónico protegido]


Para agregue una descripción de la tecnología de ahorro de energía al Catálogo, rellene el cuestionario y envíelo a marcado "al catálogo".

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La composición de los gases de combustión se calcula basándose en las reacciones de combustión de los componentes del combustible.

La composición de los gases de combustión se determina mediante dispositivos especiales denominados analizadores de gases. Estos son los principales dispositivos que determinan el grado de perfección y eficiencia del proceso de combustión, en función del contenido de dióxido de carbono en los gases de escape, cuyo valor óptimo depende del tipo de combustible, el tipo y la calidad del dispositivo de combustión. .

La composición de los gases de combustión en estado estacionario cambia de la siguiente manera: el contenido de H2S y S02 disminuye constantemente, 32, CO2 y CO - cambian de manera insignificante / En la combustión capa por capa de óxidos, las capas superiores del catalizador son regenerado antes que los inferiores. Se observa una disminución gradual de la temperatura en la reacción joven y aparece oxígeno en los gases de combustión a la salida del reactor.


La composición de los gases de combustión se controla mediante muestras.

La composición de los gases de combustión está determinada no solo por el contenido de vapor de agua, sino también por el contenido de otros componentes.

La composición de los gases de combustión varía a lo largo del soplete. No es posible tener en cuenta este cambio al calcular la transferencia de calor por radiación. Por lo tanto, los cálculos prácticos de la transferencia de calor por radiación se basan en la composición de los gases de combustión al final de la cámara. Esta simplificación se justifica en cierta medida por la consideración de que el proceso de combustión generalmente se desarrolla de manera intensiva en la parte inicial, no muy grande de la cámara, y por lo tanto la mayor parte de la cámara está ocupada por gases cuya composición se acerca a su composición al final. de la cámara. Al final casi siempre contiene muy pocos productos de combustión incompleta.

La composición de los gases de combustión se calcula basándose en las reacciones de combustión de los componentes del combustible.

La composición de los gases de combustión durante la combustión completa de gas de diferentes campos difiere ligeramente.

La composición de los gases de combustión incluye: 2 61 kg de СО2; 0 45 kg H2O; 7 34 kg de N2 y 3 81 kg de aire por 1 kg de carbón. A 870 C, el volumen de gases de combustión por 1 kg de carbón es de 45 m3, ya 16 C es igual a 11 3 m3; la densidad de la mezcla de gases de combustión es igual a 0 318 kg / l3, que es 1 03 veces mayor que la densidad del aire a la misma temperatura.

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