Характеристика продуктов сгорания выбрасываемых котельными в атмосферу. Продукты сгорания газа и контроль процесса горения

Продуктами сгорания природного газа являются диоксид углерода, водяные пары, некоторое количество избыточного кислорода и азот. Продуктами неполного сгорания газа могут быть оксид углерода, несгоревшие водород и метан, тяжелые углеводороды, сажа.

Чем больше в продуктах сгорания диоксида углерода СO 2 , тем меньше будет в них оксида углерода СО и тем полнее будет сгорание. В практику введено понятие «максимальное содержание СO 2 в продуктах сгорания». Количество диоксида углерода в продуктах сгорания некоторых газов приведено в таблице ниже.

Количество диоксида углерода в продуктах сгорания газа

Пользуясь данными таблицы и зная процентное содержание СO 2 в продуктах сгорания, можно легко определить качество сгорания газа и коэффициент избытка воздуха а. Для этого с помощыр газоанализатора следует определить количество СO 2 в продуктах сгорания газа и на полученную величину разделить значение СO 2max , взятое из таблицы. Так, например, если при сжигании газа в продуктах его сгорания содержится 10,2 % диоксида углерода, то коэффициент избытка воздуха в топке

α = CO 2max /CO 2 анализа = 11,8/10,2 = 1,15 .

Наиболее совершенный способ контроля поступления воздуха в топку и полноты его сгорания - анализ продуктов сгорания с помощью автоматических газоанализаторов. Газоанализаторы периодически отбирают пробу отходящих газов и определяют содержание в них диоксида углерода, а также сумму оксида углерода и несгоревшего водорода (СО + Н 2) в объемных процентах.

Если показания стрелки газоанализатора по шкале (СO 2 + Н 2) равны нулю, это значит, что горение полное, и в продуктах сгорания нет оксида углерода и несгоревшего водорода. Если стрелка отклонилась от нуля вправо, то в продуктах сгорания имеются оксид углерода и несгоревший водород, то есть происходит неполное сгорание. На другой шкале стрелка газоанализатора должна показывать максимальное содержание СO 2mах в продуктах сгорания. Полное сгорание происходит при максимальном проценте диоксида углерода, когда стрелка указателя шкалы СО + Н 2 находится на нуле.

Горение газообразного топлива представляет собой сочетание следующих физических и химических процессов: смешение горючего газа с воздухом, подогрев смеси, термическое разложение горючих компонентов, воспламенение и химическое соединение горючих элементов с кислородом воздуха.

Устойчивое горение газовоздушной смеси возможно при непрерывном подводе к фронту горения необходимых количеств горючего газа и воздуха, их тщательном перемешивании и нагреве до температуры воспламенения или самовоспламенения (табл. 5).

Воспламенение газовоздушной смеси может быть осуществлено:

• нагревом всего объема газовоздушной смеси до температуры самовоспламенения. Такой способ применяют в двигателях внутреннего сгорания, где газовоздушную смесь нагревают быстрым сжатием до определенного давления;
• применением посторонних источников зажигания (запальников и т. д.). В этом случае до температуры воспламенения нагревается не вся газовоздушная смесь, а ее часть. Данный способ применяется при сжигании газов в горелках газовых приборов;
• существующим факелом непрерывно в процессе горения.

Для начала реакции горения газообразного топлива следует затратить определенное количество энергии, необходимой для разрыва молекулярных связей и создания новых.

Химическая формула сгорания газового топлива с указанием всего механизма реакции, связанного с возникновением и исчезновением большого количества свободных атомов, радикалов и других активных частиц, сложна. Поэтому для упрощения пользуются уравнениями, выражающими начальное и конечное состояния реакций горения газа.

Если углеводородные газы обозначить С m Н n , то уравнение химической реакции горения этих газов в кислороде примет вид

C m H n + (m + n/4)O 2 = mCO 2 + (n/2)H 2 O ,

где m - количество атомов углерода в углеводородном газе; n - количество атомов водорода в газе; (m + n/4) - количество кислорода, необходимое для полного сгорания газа.

В соответствии с формулой выводятся уравнения горения газов:

• метана СН 4 + 2O 2 = СO 2 + 2Н 2 O
• этана С 2 Н 6 + 3,5O 2 = 2СO 2 + ЗН 2 O
• бутана С 4 Н 10 + 6,5O 2 = 4СO 2 + 5Н 2 0
• пропана C 3 H 8 + 5O 3 = ЗСO 2 + 4Н 2 O.

В практических условиях сжигания газа кислород берется не в чистом виде, а входит в состав воздуха. Так как воздух состоит по объему на 79 % из азота и на 21 % из кислорода, то на каждый объем кислорода требуется 100: 21 = 4,76 объема воздуха или 79: 21 = = 3,76 объема азота. Тогда реакцию горения метана в воздухе можно записать следующим образом:

СН 4 + 2O 2 + 2*3,76N 2 = CO 2 + 2H 2 O + 7,52N 2 .

Из уравнения видно, что для сжигания 1 м 3 метана требуется 1 м 3 кислорода и 7,52 м 3 азота или 2 + 7,52 = 9,52 м 3 воздуха.

В результате сгорания 1 м 3 метана получается 1 м 3 диоксида углерода, 2 м 3 водяных паров и 7,52 м 3 азота. В таблице ниже приведены эти данные для наиболее распространенных горючих газов.

Для процесса горения газовоздушной смеси необходимо, чтобы количество газа и воздуха в газовоздушной смеси было в определенных пределах. Эти пределы называются пределами воспламеняемости или пределами взрываемости. Различают нижний и верхний пределы воспламеняемости. Минимальное содержание газа в газовоздушной смеси, выраженное в объемных процентах, при котором происходит воспламенение, называется нижним пределом воспламеняемости. Максимальное содержание газа в газовоздушной смеси, выше которого смесь не воспламеняется без подвода дополнительной теплоты, называется верхним пределом воспламеняемости.

Количество кислорода и воздуха при сжигании некоторых газов

	Для сжигания 1 м 3 газа требуется, м 3		При сжигании 1 м 3 газа выделяется, м 3				Теплота сгорания Он,кДж/м 3
	кислорода		диоксида углерода
Оксид углерода

Если в газовоздушной смеси содержится газа меньше нижнего предела воспламеняемости, то она не будет гореть. Если в газовоздушной смеси недостаточно воздуха, то горение протекает не полностью.

Большое влияние на величины пределов взрываемости оказывают инертные примеси в газах. Увеличение содержания в газе балласта (N 2 и СO 2) сужает пределы воспламеняемости, а при повышении содержания балласта выше определенных пределов газовоздушная смесь не воспламеняется при любых соотношениях газа и воздуха (таблица ниже).

Количество объемов инертного газа на 1 объем горючего газа, при котором газовоздушная смесь перестает быть взрывоопасной

Наименьшее количество воздуха, необходимое для полного сжигания газа, называется теоретическим расходом воздуха и обозначается Lt, то есть если низшая теплота сгорания газового топлива 33520 кДж/м 3 , то теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 м 3 газа

L T = (33 520/4190)/1,1 = 8,8 м 3 .

Однако действительный расход воздуха всегда превышает теоретический. Объясняется это тем, что очень трудно достигнуть полного сгорания газа при теоретических расходах воздуха. Поэтому любая газовая установка для сжигания газа работает с некоторым избытком воздуха.

Итак, практический расход воздуха

L n = αL T ,

где L n - практический расход воздуха; α - коэффициент избытка воздуха; L T - теоретический расход воздуха.

Коэффициент избытка воздуха всегда больше единицы. Для природного газа он составляет α = 1,05 - 1,2. Коэффициент α показывает, во сколько раз действительный расход воздуха превышает теоретический, принимаемый за единицу. Если α = 1, то газовоздушная смесь называется стехиометрической .

При α = 1,2 сжигание газа производится с избытком воздуха на 20 %. Как правило, сжигание газов должно проходить с минимальным значением а, так как с уменьшением избытка воздуха снижаются потери теплоты с уходящими газами. Воздух, принимающий участие в горении, бывает первичным и вторичным. Первичным называется воздух, поступающий в горелку для смешения в ней с газом; вторичным — воздух, поступающий в зону горения не в смеси с газом, а отдельно.

Антропотоксины;

Продукты деструкции полимерных материалов;

Вещества, поступающие в помещение с загрязненным атмосферным воздухом;

Химические вещества, выделяющиеся из полимерных материалов даже в небольших количествах, могут вызвать существенные нарушения в состоянии живого организма, например, в случае аллергического воздействия полимерных материалов.

Интенсивность выделения летучих веществ зависит от условий эксплуатации полимерных материалов - температуры, влажности, кратности воздухообмена, времени эксплуатации.

Установлена прямая зависимость уровня химического за­грязнения воздушной среды от общей насыщенности помещений полимерными материалами.

Более чувствителен к воздействию летучих компонентов из полимерных материалов растущий организм. Установлена также повышенная чувствительность больных к воздействию химических веществ, выделяющихся из пластиков, по сравне­нию со здоровыми. Исследования показали, что в помещениях с большой насыщенностью полимерами подверженность насе­ления аллергическим, простудным заболеваниям, неврастении, вегетодистонии, гипертонии оказалась выше, чем в помеще­ниях, где полимерные материалы использовались в меньшем количестве.

Для обеспечения безопасности применения полимерных материалов принято, что концентрации выделяющихся из по­лимеров летучих веществ в жилых и общественных зданиях не должны превышать их ПДК, установленные для атмосферного воздуха, а суммарный показатель отношений обнаруженных концентраций нескольких веществ к их ПДК должен быть не выше единицы. С целью предупредительного санитарного надзора за полимерными материалами и изделиями из них предложено лимитировать выделение ими вредных веществ в окружающую среду или на стадии изготовления, или вскоре после их выпуска заводами-изготовителями. В настоящее время обоснованы допустимые уровни около 100 химических веществ, выделяющихся из полимерных материалов.

В современном строительстве все отчетливее проявляется тенденция к химизации технологических процессов и использо­ванию в качестве смесей различных веществ, в первую очередь бетона и железобетона. С гигиенической точки зрения важно учитывать неблагоприятное влияние химических добавок в стро­ительные материалы из-за выделения токсических веществ.

Не менее мощным внутренним источником загрязнения среды помещений служат и продукты жизнедеятельности человека - антропотоксины. Установлено, что в процессе жиз­недеятельности человек выделяет примерно 400 химических соединений.

Исследования показали, что воздушная среда невентилируемых помещений ухудшается пропорционально числу лиц и времени их пребывания в помещении. Химический анализ воз­духа помещений позволил идентифицировать в них ряд токси­ческих веществ, распределение которых по классам опасности представляется следующим образом: диметиламин, сероводород, двуокись азота, окись этилена, бензол (второй класс опасности - высокоопасные вещества); уксусная кислота, фенол, метилсти-рол, толуол, метанол, винилацетат (третий класс опасности - малоопасные вещества). Пятая часть выявленных антропотоксинов относится к высокоопасным веществам. При этом обнаруже­но, что в невентилируемом помещении концентрации диметиламина и сероводорода превышали ПДК для атмосферного воздуха. Превышали ПДК или находились на их уровне и концентрации таких веществ, как двуокись и окись углерода, аммиак. Осталь­ные вещества, хотя и составляли десятые и меньшие доли ПДК, вместе взятые свидетельствовали о неблагополучии воздушной среды, поскольку даже двух-четырехчасовое пребывание в этих условиях отрицательно сказывалось на умственной работоспо­собности исследуемых.

Изучение воздушной среды газифицированных помеще­ний показало, что при часовом горении газа в воздухе помещений концентрация веществ составляла (мг/м 3): окиси углерода - в среднем 15, формальдегида - 0,037, окиси азота - 0,62, дву­окиси азота - 0,44, бензола - 0,07. Температура воздуха в помещении во время горения газа повышалась на 3-6 °С, влаж­ность увеличивалась на 10-15%. Причем высокие концентрации химических соединений наблюдались не только в кухне, но и в жилых помещениях квартиры. После выключения газовых приборов содержание в воздухе окиси углерода и других хими­ческих веществ снижалось, но к исходным величинам иногда не возвращалось и через 1,5-2,5 ч.

Изучение действия продуктов горения бытового газа на внешнее дыхание человека выявило увеличение нагрузки на систему дыхания и изменение функционального состояния цен­тральной нервной системы.

Одним из самых распространенных источников загрязнения воздушной среды закрытых помещений является курение. При спектрометрическом анализе воздуха, загрязненного табачным дымом, обнаружено 186 химических соединений. В недостаточно проветриваемых помещениях загрязнение воздушной среды продуктами курения может достигать 60-90%.

При изучении воздействия компонентов табачного дыма на некурящих (пассивное курение) у испытуемых наблюдалось раздражение слизистых оболочек глаз, увеличение содержания в крови карбоксигемоглобина, учащение пульса, повышение уровня артериального давления. Таким образом, основные источники загрязнения воздушной среды помещения условно можно разделить на четыре группы:

Значимость внутренних источников загрязнения в различ­ных типах зданий неодинакова. В административных зданиях уровень суммарного загрязнения наиболее тесно коррелиру­ет с насыщенностью помещений полимерными материалами (R = 0,75), в крытых спортивных сооружениях уровень химичес­кого загрязнения наиболее хорошо коррелирует с численностью людей в них (R = 0,75). Для жилых зданий теснота корреляцион­ной связи уровня химического загрязнения как с насыщенностью помещений полимерными материалами, так и с количеством людей в помещении приблизительно одинаковая.

Химическое загрязнение воздушной среды жилых и об­щественных зданий при определенных условиях (плохой вен­тиляции, чрезмерной насыщенности помещений полимерными материалами, большом скоплении людей и др.) может достигать уровня, оказывающего негативное влияние на общее состояние организма человека.

В последние годы, по данным ВОЗ, значительно возросло число сообщений о так называемом синдроме больных зданий. Описанные симптомы ухудшения здоровья людей, проживаю­щих или работающих в таких зданиях, отличаются большим раз­нообразием, однако имеют и ряд общих черт, а именно: головные боли, умственное переутомление, повышенная частота воздуш­но-капельных инфекций и простудных заболеваний, раздраже­ние слизистых оболочек глаз, носа, глотки, ощущение сухости слизистых оболочек и кожи, тошнота, головокружение.

Первая кате­гория - временно "больные" здания - включает недавно пос­троенные или недавно реконструированные здания, в которых интенсивность проявления указанных симптомов с течением времени ослабевает и в большинстве случаев примерно через полгода они исчезают совсем. Уменьшение остроты проявления симптомов, возможно, связано с закономерностями эмиссии ле­тучих компонентов, содержащихся в стройматериалах, красках и т. д.

В зданиях второй категории - постоянно "больных" опи­санные симптомы наблюдаются в течение многих лет, и даже широкомасштабные оздоровительные мероприятия могут не дать эффекта. Объяснение такой ситуации, как правило, найти трудно, несмотря на тщательное изучение состава воздуха, работы вентиляционной системы и особенностей конструкции здания.

Следует отметить, что не всегда удается обнаружить пря­мую зависимость между состоянием воздушной среды помеще­ния и состоянием здоровья населения.

Однако обеспечение оптимальной воздушной среды жилых и общественных зданий - важная гигиеническая и инженерно-техническая проблема. Ведущим звеном в решении этой пробле­мы является воздухообмен помещений, который обеспечивает требуемые параметры воздушной среды. При проектировании систем кондиционирования воздуха в жилых и общественных зданиях необходимая норма воздухоподачи рассчитывается в объеме, достаточном для ассимиляции тепло- и влаговыделений человека, выдыхаемой углекислоты, а в помещениях, предна­значенных для курения, учитывается и необходимость удаления табачного дыма.

Помимо регламентации количества приточного воздуха и его химического состава известное значение для обеспечения воздушного комфорта в закрытом помещении имеет электри­ческая характеристика воздушной среды. Последняя определя­ется ионным режимом помещений, т. е. уровнем положительной и отрицательной аэроионизации. Негативное воздействие на организм оказывает как недостаточная, так и избыточная ио­низация воздуха.

Проживание в местностях с содержанием отрицательных аэроионов порядка 1000-2000 в 1 мл воздуха благоприятно влия­ет на состояние здоровья населения.

Присутствие людей в помещениях вызывает снижение содержания легких аэроионов. При этом ионизация воздуха изменяется тем интенсивнее, чем больше в помещении людей и чем меньше его площадь.

Уменьшение числа легких ионов связывают с потерей воз­духом освежающих свойств, с его меньшей физиологической и химической активностью, что неблагоприятно действует на организм человека и вызывает жалобы на духоту и "нехватку кислорода". Поэтому особый интерес представляют процессы деионизации и искусственной ионизации воздуха в помещении, которые, естественно, должны иметь гигиеническую регламен­тацию.

Необходимо подчеркнуть, что искусственная ионизация воздуха помещений без достаточного воздухоснабжения в ус­ловиях высокой влажности и запыленности воздуха ведет к неизбежному возрастанию числа тяжелых ионов. Кроме того, в случае ионизации запыленного воздуха процент задержки пыли в дыхательных путях резко возрастает (пыль, несущая электри­ческие заряды, задерживается в дыхательных путях человека в гораздо большем количестве, чем нейтральная).

Следовательно, искусственная ионизация воздуха не яв­ляется универсальной панацеей для оздоровления воздуха закрытых помещений. Без улучшения всех гигиенических па­раметров воздушной среды искусственная ионизация не только не улучшает условий обитания человека, но, напротив, может оказать негативный эффект.

Оптимальными суммарными концентрациями легких ионов являются уровни порядка 3 х 10, а минимально необходимыми 5 х 10 в 1 см 3 . Эти рекомендации легли в основу действующих в Российской Федерации санитарно-гигиенических норм допу­стимых уровней ионизации воздуха производственных и обще­ственных помещений (табл. 6.1).

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.

Горение – это реакция, при которой происходит преобразование химической энергии топлива в тепло.

Горение бывает полным и неполным. Полное горение происходит при достаточном количестве кислорода. Нехватка его вызывает неполное сгорание, при котором выделяется меньшее количество тепла, чем при полном, и окись углерода (СО), отравляюще действующая на обслуживающий персонал, образовывается сажа, оседающая на поверхности нагрева котла и увеличивающая потери тепла, что приводит к перерасходу топлива и снижению к.п.д. котла, загрязнению атмосферы.

Для сгорания 1 м 3 метана нужно 10 м 3 воздуха, в котором находится 2 м 3 кислорода. Для полного сжигания природного газа воздух подают в топку с небольшим избытком. Отношение действительно израсходованного объёма воздуха V д к теоретически необходимому V т называется коэффициентом избытка воздуха a = V д /V т. Этот показатель зависит от конструкции газовой горелки и топки: чем они совершеннее тем меньше a. Необходимо следить, чтобы коэффициент излишка воздуха не был меньше 1, так как это приводит к неполному сгоранию газа. Увеличение коэффициента избытка воздуха снижает к.п.д. котлоагрегата.

Полноту сгорания топлива можно определить с помощью газоанализатора и визуально – по цвету и характеру пламени: прозрачно-голубоватое – сгорание полное;

красный или жёлтый – сгорание неполное.

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 Пропано-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.

Горение регулируется увеличением подачи воздуха в топку котла или уменьшением подачи газа. В этом процессе используется первичный (смешивается с газом в горелке – до горения) и вторичный (соединяется с газом или газовоздушной смесью в топке котла в процессе горения) воздух.

В котлах, оборудованных диффузионными горелками (без принудительной подачи воздуха), вторичный воздух под действием разряжения поступает в топку через поддувочные дверцы.

В котлах, оборудованных инжекционными горелками: первичный воздух поступает в горелку за счёт инжекции и регулируется регулировочной шайбой, а вторичный – через поддувочные дверцы.

В котлах со смесительными горелками первичный и вторичный воздух подаётся в горелку вентилятором и регулируется воздушными задвижками.

Нарушение соотношения между скоростью газовоздушной смеси на выходе из горелки и скоростью распространения пламени приводит к отрыву или проскакиванию пламени на горелках.

Если скорость газовоздушной смеси на выходе из горелки больше скорости распространения пламени – отрыв, а если меньше – проскок.

При отрыве и проскоке пламени обслуживающий персонал должен погасить котёл, провентилировать топку и газоходы и снова разжечь котёл.