Горение газа представляет собой сочетание следующих процессов:
· смешение горючего газа с воздухом,
· подогрев смеси,
· термическое разложение горючих компонентов,
· воспламенение и химическое соединение горючих компонентов с кислородом воздуха, сопровождаемое образованием факела и интенсивным тепловыделением.
Горение метана происходит по реакции:
СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О
Условия, необходимые для сгорания газа:
· обеспечение необходимого соотношения горючего газа и воздуха,
· нагрев до температуры воспламенения.
Если в газовоздушной смеси газа меньше нижнего предела воспламенения, то она не будет гореть.
Если в газовоздушной смеси больше газа чем верхний предел воспламенения, то она будет сгорать не полностью.
Состав продуктов полного сгорания газа:
· СО 2 – углекислый газ
· Н 2 О – водяные пары
* N 2 – азот (он не реагирует с кислородом во время горения)
Состав продуктов неполного сгорания газа:
· СО – угарный газ
· С – сажа.
Для сгорания 1 м 3 природного газа требуется 9.5м 3 воздуха. Практически расход воздуха всегда больше.
Отношение действительного расхода воздуха к теоретически необходимому расходу называется коэффициентом избытка воздуха: α = L/L t .,
Где: L - действительный расход;
L t - теоретически необходимый расход.
Коэффициент избытка воздуха всегда больше единицы. Для природного газа он составляет 1.05 – 1.2.
2. Назначение, устройство и основные характеристики проточных водонагревателей .
Проточные газовые водонагреватели. Предназначены для нагрева воды до определенной температуры при водоразборе.. Проточные водонагреватели делятся по нагрузке тепловой мощности: 33600, 75600, 105000 кДж, по степени автоматизации - на высший и первый классы. К.п.д. водонагревателей 80%, содержание оксида не более 0,05%, температура продуктов сгорания за тягопрерывателем не менее180 0 С. Принцип основан на нагреве воды в период водоразбора.
Основными узлами проточных водонагревателей являются: газогорелочное устройство, теплообменник, система автоматики и газоотвод. Газ низкого давления подается в инжекционную горелку. Продукты сгорания проходят через теплообменник и отводятся в дымоход. Теплота сгорания передается протекающей через теплообменник воде. Для охлаждения огневой камеры служит змеевик, через который циркулирует вода, проходящая через калорифер. Газовые проточные водонагреватели оборудованы газоотводящими устройствами и тягопрерывателями, которые в случае кратковременного нарушения тяги предотвращают погасание пламени газогорелочного устройства. Для присоединения к дымоходу имеется дымоотводящий патрубок.
Газовый проточный водонагреватель –ВПГ. На передней стенке кожуха расположены: ручка управления газовым краном, кнопка включения электромагнитного клапана и смотровое окно для наблюдения за пламенем запальной и основной горелки. Вверху аппарата расположено дымоотводящее устройство, внизу- патрубки для присоединения аппарата к газовой и водяной системе. Газ поступает в электромагнитный клапан, газовый блокировочный кран водогазогорелочного блока осуществляет последовательное включение запальной горелки и подачу газа к основной горелке.
Блокировку поступления газа к основной горелке, при обязательной работе запальника, осуществляет электромагнитный клапан, работающий от термопары. Блокировка подачи газа в основную горелку в зависимости от наличия водоразбора, осуществляется клапаном, имеющим привод через шток от мембраны водяного блок- крана.
Основным условием для горения газа является наличие кислорода (а следовательно, воздуха). Без присутствия воздуха горение газа невозможно. В процессе горения газа происходит химическая реакция соединения кислорода воздуха с углеродом и водородом топлива. Реакция происходит с выделением тепла, света, а также углекислого газа и водяных паров.
В зависимости от количества воздуха, участвующего в процессе горения газа, происходит полное или неполное его сгорание.
При достаточном поступлении воздуха происходит полное сгорание газа, в результате которого продукты его горения содержат негорючие газы: углекислый газ С02, азот N2, водяные пары Н20. Больше всего (по объему) в продуктах горения азота - 69,3-74%.
Для полного сгорания газа также необходимо, чтобы он смешивался с воздухом в определенных (для каждого газа) количествах. Чем выше калорийность газа, тем требуется большее количество воздуха. Так, для сжигания 1 м3 природного газа требуется около 10 м3 воздуха, искусственного - около 5 м3, смешанного - около 8,5 м3.
При недостаточном поступлении воздуха происходит неполное сгорание газа или химический недожог горючих составных частей; в продуктах сгорания появляются горючие газы-окись углерода СО, метан СН4 и водород Н2
При неполном сгорании газа наблюдается длинный, коптящий, светящийся, непрозрачный, желтого цвета факел.
Таким образом, недостаток воздуха приводит к неполному сгоранию газа, а избыток - к чрезмерному охлаждению температуры пламени. Температура воспламенения природного газа 530 °С, коксового - 640 °С, смешанного - 600 °С. Кроме того, при значительном избытке воздуха также происходит неполное сгорание газа. При этом наблюдается конец факела желтоватого цвета, не вполне прозрачный, с расплывчатым голубовато-зеленым ядром; пламя неустойчиво и отрывается от горелки.
Рис. 1. Пламя газа я - без предварительного смешения газа с воздухом; б -с частичным пред. верительным смешением газа с воздухом; в - с предварительным полным смешением газа с воздухом; 1 - внутренняя темная зона; 2 - коптящий светящийся конус; 3 - горящий слой; 4 - продукты сгорания
В первом случае (рис. 1,а) факел имеет большую длину и состоит из трех зон. В атмосферном воздухе горит чистый газ. В первой внутренней темной зоне газ не горит: он не смешан с кислородом воздуха и не нагрет до температуры воспламенения. Во вторую зону воздух поступает в недостаточном количестве: его задерживает горящий слой, и поэтому он не может хорошо смешаться с газом. Об этом свидетельствует ярко светящийся, светло-желтый коптящий цвет пламени. В третью зону воздух поступает в достаточном количестве, кислород которого хорошо смешивается с газом, газ горит голубоватым цветом.
При этом способе газ и воздух подаются в топку раздельно. В топке происходит не только сжигание газовоздушной смеси, но и процесс приготовления смеси. Такой метод сжигания газа широко применяют в промышленных установках.
Во втором случае (рис. 1,6) сжигание газа происходит значительно лучше. В результате частичного предварительного смешивания газа с воздухом в зону горения поступает приготовленная газовоздушная смесь. Пламя становится короче, несветящимся, имеет две зоны - внутреннюю и наружную.
Газовоздушная смесь во внутренней зоне не горит, так как она не нагревалась до температуры воспламенения. В наружной зоне сгорает газовоздушная смесь, при этом в верхней части зоны резко повышается температура.
При частичном смешении газа с воздухом в этом случае полное сгорание газа происходит только при дополнительном подводе воздуха к факелу. В процессе горения газа воздух подводят дважды: первый раз - до поступления в топку (первичный воздух), второй раз - непосредственно в топку (вторичный воздух). Этот метод сжигания газа положен в основу устройства газовых горелок для бытовых приборов и отопительных котельных.
В третьем случае факел значительно укорачивается и газ сгорает полнее, так как газовоздушная смесь была предварительно приготовлена. О полноте сгорания газа свидетельствует короткий прозрачный факел голубого цвета (беспламенное горение), которое применяют в приборах инфракрасного излучения при газовом отоплении.
- Процесс горения газа
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.
Lд. - действительное количество воздуха, подаваемое в топку, его обычно подают с избытком. Соотношение между теоретическим и действительным расходом выражается уравнением:где α - коэффициент избытка воздуха (как правило, больше 1).
Неполное сжигание газа ведет к перерасходу топлива и повышает опасность отравления продуктами неполного сгорания газа, в состав которых входит и оксид углерода (СО).
Продукты сгорания газа и контроль за процессом горения.
Продукты сгорания природного газа - это диоксид углерода (углекислый газ) , 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, так как является составной частью воздуха и не принимает участия в горении.
Продуктами неполного сгорания газа могут быть оксид углерода (угарный газ ), несгоревшие водород и метан, тяжелые углеводороды, сажа.
О процессе горения правильнее всего можно судить по приборам анализа уходящих газов, показывающим содержание в нем углекислого газа и кислорода. Если в топке котла пламя вытянутое и имеет темно-желтую окраску, это говорит недостатке воздуха, а если пламя становится коротким и имеет ослепительно-белую окраску, то о его избытке.
Регулировать работу котлоагрегата можно двумя способам изменением тепловой мощности всех горелок, установленных котле, или отключением их части. Способ регулирования зависит от местных условий и должен быть указан в производственной инструкции. Изменение тепловой мощности горелок допустимо в том случае, если она не выходит за пределы устойчивой работы. Отклонение тепловой мощности за пределы устойчивой работы может привести к отрыву или проскоку пламени.
Регулировать работу отдельных горелок следует в два-приема, медленно и постепенно изменяя расход воздуха и газа.
При уменьшении тепловой мощности сначала уменьшают подачу воздуха , а затем газа; при увеличении тепловой мощности сначала увеличивают подачу газа , а затем воздуха.
При этом следует регулировать разрежение в топке, меняя положение шибера котлом или лопаток направляющего аппарата перед дымососом.
При необходимости повышения тепловой мощности горелок предварительно увеличивают разрежение в топке ; при снижении тепловой мощности сначала регулируют работу горелок, а затем уменьшают разрежение в топке.
Методы сжигания газа.
В зависимости от способа образования ГВС методы сжигания можно разделить на диффузионный, смешанный и кинетический .
При диффузионном методе к фронту горения газ поступает под давлением, а воздух из окружающего пространства за счёт молекулярной или турбулентной диффузии, смесеобразование протекает одновременно с процессом горения, поэтому скорость процесса горения определяется скоростью смесеобразования.
Процесс горения начинается после образования контакта между газом и воздухом и образования ГВС необходимого состава. При этом к струе газа диффундирует воздух, а из струи газа в воздух - газ. Таким образом, вблизи струи газа создаётся ГВС, в результате горения которой образуется зона первичного горения газа(2) . Горение основной части газа происходит в зоне(З), а зоне(4) движутся продукты горения.
Этот метод сжигания в основном применяется в быту (духовки, газовые плиты и т.д.)
При смешанном методе сжигания газа горелка обеспечивает предварительное смешение газа только с частью воздуха, необходимого для полного сгорания газа. Остальной воздух поступает из окружающей среды непосредственно к факелу.
В этом случае сначала выгорает лишь часть газа, смешанная с первичным воздухом (50%-60%), а оставшаяся часть газа, разбавленная продуктами горения, выгорает после присоединения кислорода вторичного воздуха.
Воздух, окружающий пламя горелки называется вторичным .
При кинетическом методе сжигания газа к месту горения подаётся ГВС полностью подготовленная внутри горелки.
Классификация газовых горелок.
Газовой горелкой называют устройство, обеспечивающее устойчивое сжигание газообразного топлива и регулирование процесса горения.
Основные функции газовых горелок:
Подача газа и воздуха к фронту горения;
Смесеобразование;
Стабилизация фронта воспламенения;
Обеспечение требуемой интенсивности процесса горения газа.
По методу сжигания газа все горелки можно разделить на три группы:
Диффузионные - без предварительного смешения газа с воздухом;
Диффузионно-кинетические - с неполным предварительным смешением газа с воздухом;
Кинетические - с полным предварительным смешением газа с воздухом.
По способу подачи воздуха горелки подразделяются на:
Бездутьевые - у которых воздух поступает в топку за счёт разряжения в ней.
Инжекционные - в которых воздух засасывается за счёт энергии струи газа.
Дутьевые - у каторых воздух подаётся в горелку или топку с помощью вентилятора.
По давлению газа, на котором работают горелки:
- низкого давления до 0,05 кгс/см 2 ;
- среднего давления свыше 0,05 до З кгс/см 2 ;
- высокого давления свыше 3 кгс/см 2 .
Общие требования для всех горелок :
Обеспечение полноты сгорания газа;
Устойчивость при изменении тепловой мощности;
Надёжность при эксплуатации;
Компактность;
Удобство при обслуживании.
Горение природного газа представляет собой сложный физико-химический процесс взаимодействия горючих его составляющих с окислителем, при этом происходит преобразование химической энергии топлива в тепло. Горение бывает полным и неполным. При перемешивании газа с воздухом, достаточно высокой для горения температуры в топке, непрерывной подаче топлива и воздуха осуществляется полное сгорание топлива. Неполное сгорание топлива происходит при несоблюдении этих правил, что приводит к меньшему выделению тепла, (СО), водорода (Н2), метана (СН4), и как следствие, к оседанию сажи на поверхностях нагрева, ухудшая теплообмен и увеличивая потери количества тепла, что в свою очередь приводит к перерасходу топлива и снижению КПД котла и соответственно к загрязнению атмосферы.
Коэффициент избытка воздуха зависит от конструкции газовой горелки и топки. Коэффициент излишка воздуха должен быть не менее 1, иначе это может привести к неполному сгоранию газа. А также увеличение коэффициента избытка воздуха снижает КПД теплоиспользующей установки за счет больших потерь теплоты с уходящими газами.
Определяется полнота сгорания с помощью газоанализатора и по цвету и запаху.
Полное сгорание газа. метан + кислород = углекислый газ + вода СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2ОКроме этих газов в атмесферу с горючими газами выходит азот и оставшийся кислород. N2 + O2 Если сгорание газа происходит не полностью, то в атмосферу выбрасываются горючие вещества – угарный газ, водород, сажа.CO + H + C
Неполное сгорание газа происходит вследствие недостаточного количества воздуха. При этом визуально в пламени появляются языки копоти.Опасность неполного сгорания газа состоит в том, что угарный газ может стать причиной отравления персонала котельной. Содержание СО в воздухе 0,01-0,02% может вызвать легкое отравление. Более высокая концентрация может привести к тяжелому отравлению и смерти.Образующаяся сажа оседает на стенках котлов ухудшая тем самым передачу тепла теплоносителю снижает эффективность работы котельной. Сажа проводит тепло хуже метана в 200 раз.Теоретически для сжигания 1м3 газа необходимо 9м3 воздуха. В реальных условиях воздуха требуется больше. То есть необходимо избыточное количество воздуха. Эта величина обозначаемая альфа показывает во сколько раз воздуха расходуется больше, чем необходимо теоретически.Коэффициент альфа зависит от типа конкретной горелки и обычно прописывается в паспорте горелки или в соответствие с рекомендациями организации производимой пусконаладочные работы. С увеличением количества избыточного воздуха выше рекомендуемого, растут потери тепла. При значительном увеличение количества воздуха может произойти отрыв пламени, создав аварийную ситуацию. Если количество воздуха меньше рекомендуемого то горение будет неполным, создавая тем самым угрозу отравления персонала котельной.Неполное горение определяется: ,