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 = V д /V т. Этот показатель зависит от конструкции газовой горелки и топки: чем они совершеннее тем меньше. 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.
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.
Газообразное топливо с каждым годом находит все более широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. В сельскохозяйственном производстве газообразное топливо широко используется для технологических (при отоплении теплиц, парников, сушилок, животноводческих и птицеводческих комплексов) и бытовых целей. В последнее время его все больше стали применять для двигателей внутреннего сгорания.
По сравнению с другими видами газообразное топливо обладает следующими преимуществами:
сгорает в теоретическом количестве воздуха, что обеспечивает высокие тепловой кпд и температуру горения;
при сгорании не образует нежелательных продуктов сухой перегонки и сернистых соединений, копоти и дыма;
сравнительно легко подводится по газопроводам к удаленным объектам потребления и может храниться централизованно;
легко зажигается при любой температуре окружающего воздуха;
требует сравнительно небольших затрат при добыче, а значит, является по сравнению с другими более дешевым видом топлива;
может быть использовано в сжатом или сжиженном виде для двигателей внутреннего сгорания;
обладает высокими противодетонационными свойствами;
при сгорании не образует конденсата, что обеспечивает значительное уменьшение износа деталей двигателя и т.п.
Вместе с тем газообразное топливо имеет также определенные отрицательные свойства, к которым относятся: отравляющее действие, образование взрывчатых смесей при смешении с воздухом, легкое протекание через неплотности соединений и др. Поэтому при работе с газообразным топливом требуется тщательное соблюдение соответствующих правил техники безопасности.
Применение газообразных видов топлива обусловливается их составом и свойствами углеводородной части. Наиболее широко применяются природный или попутный газ нефтяных или газовых месторождений, а также заводские газы нефтеперерабатывающих и других заводов. Основными составляющими компонентами этих газов являются углеводороды с числом углеродных атомов в молекуле от одного до четырех (метан, этан, пропан, бутан и их производные).
Природные газы из газовых месторождений практически полностью состоят из метана (82...98%), с небольшой Применение газообразного топлива для двигателей внутреннего сгорания Непрерывно увеличивающийся парк автомобилей требует все большего количества топлива. Решить важнейшие народнохозяйственные проблемы стабильного обеспечения автомобильных двигателей эффективными энергоносителями и сокращения потребления жидкого топлива нефтяного происхождения возможно за счет использования газообразного топлива - сжиженного нефтяного и природного газов.
Для автомобилей используют только высококалорийные или среднекалорийные газы. При работе на низкокалорийном газе двигатель не развивает необходимой мощности, а также сокращается дальность пробега автомобиля, что экономически невыгодно. Па). Выпускают следующие виды сжатых газов: природный, коксовый механизированный и коксовый обогащенный
Основным горючим компонентом этих газов является метан. Так же как и для жидкого топлива, наличие в газообразном топливе сероводорода нежелательно из-за его коррозионного воздействия на газовую аппаратуру и детали двигателя. Октановое число газов позволяет форсировать автомобильные двигатели по степени сжатия (до 10...12).
В газе для автомобилей крайне нежелательно присутствие циана CN. Соединяясь с водой, он образует синильную кислоту, под действием которой в стенках баллонов образуются мельчайшие трещины. Наличие в газе смолистых веществ и механических примесей приводит к образованию отложений и загрязнений на приборах газовой аппаратуры и на деталях двигателей.
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: ,
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.
К атегория: Газоснабжение
Процесс горения газа
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
