Какие вещества выделяются при сгорании природного газа. Продукты сгорания газа и контроль процесса горения. Физико-химические свойства природного 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

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

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.

Общие сведения. Другой важный источник внутреннего загрязнения, сильный сенсибилизирующий фактор для человека - природный газ и продукты его сгорания. Газ - многокомпонентная система, состоящая из десятков различных соединений, в том числе и специально добавляемых (табл.

Имеется прямое доказательство того, что использование приборов, в которых происходит сжигание природного газа (газовые плиты и котлы), оказывает неблагоприятный эффект на человеческое здоровье. Кроме того, индивидуумы с повышенной чувствительностью к факторам окружающей среды реагируют неадекватно на компоненты природного газа и продукты его сгорания.

Природный газ в доме - источник множества различных загрязнителей. Сюда относятся соединения, которые непосредственно присутствуют в газе (одоранты, газообразные углеводороды, ядовитые металлоорганические комплексы и радиоактивный газ радон), продукты неполного сгорания (оксид углерода, диоксид азота, аэрозольные органические частицы, полициклические ароматические углеводороды и небольшое количество летучих органических соединений). Все перечисленные компоненты могут воздействовать на организм человека как сами по себе, так и в комбинации друг с другом (эффект синергизма).

Таблица 12.3

Состав газообразного топлива

Одоранты. Одоранты - серосодержащие органические ароматические соединения (меркаптаны, тиоэфиры и тио- ароматические соединения). Добавляются к природному газу с целью его обнаружения при утечках. Хотя эти соединения присутствуют в весьма небольших, подпороговых концентрациях, которые не рассматриваются как ядовитые для большинства индивидуумов, их запах может вызывать тошноту и головные боли у здоровых людей.

Клинический опыт и эпидемиологические данные указывают, что химически чувствительные люди реагируют неадекватно на химические соединения, присутствующие даже в подпороговых концентрациях. Индивидуумы, страдающие астмой, часто идентифицируют запах как промотор (триггер) астматических приступов.

К одорантам относится, к примеру, метантиол. Метанти- ол, известный также как метилмеркаптан (меркаптометан, тиометилалкоголь), - газообразное соединение, которое обычно используется как ароматическая добавка к природному газу. Неприятный запах ощущает большинство людей в концентрации 1 часть на 140 млн, однако это соединение может быть обнаружено при значительно меньших концентрациях высокочувствительными индивидуумами.

Токсикологические исследования на животных показали, что 0,16% метантиола, 3,3% этантиола или 9,6% диметилсульфида способны стимулировать коматозное состояние у 50% крыс, подвергнутых воздействию этих соединений в течение 15 мин.

Другой меркаптан, используемый тоже как ароматическая добавка к природному газу, - меркаптоэтанол C2H6OS) известен также как 2-тиоэтанол, этилмеркаптан. Сильный раздражитель для глаз и кожи, способен оказывать токсический эффект через кожу. Огнеопасен и при нагревании разлагается с образованием высокоядовитых паров SOx.

Меркаптаны, являясь загрязнителями воздуха помещений, содержат серу и способны захватывать элементарную ртуть. В высоких концентрациях меркаптаны могут вызывать нарушение периферического кровообращения и учащение пульса, способны стимулировать потерю сознания, развитие цианоза или даже смерть.

Аэрозоли. Сгорание природного газа приводит к образованию мелких органических частиц (аэрозолей), включая канцерогенные ароматические углеводороды, а также некоторые летучие органические соединения. ДОС - предположительно сенсибилизирующие агенты, которые способны индуцировать совместно с другими компонентами синдром «больного здания», а также множественную химическую чувствительность (МХЧ).

К ДОС относится и формальдегид, образующийся в небольших количествах при сгорании газа. Использование газовых приборов в доме, где проживают чувствительные индивидуумы, увеличивает воздействие к этим раздражителям, впоследствии усиливая признаки болезни и также способствуя дальнейшей сенсибилизации.

Аэрозоли, образованные в процессе сгорания природного газа, могут стать центрами адсорбции для разнообразных химических соединений, присутствующих в воздухе. Таким образом, воздушные загрязнители могут концентрироваться в микрообъемах, реагировать друг с другом, особенно когда металлы выступают в роли катализаторов реакций. Чем меньше по размеру частица, тем выше концентрационная активность такого процесса.

Более того, водяные пары, образующиеся при сгорании природного газа, - транспортное звено для аэрозольных частиц и загрязнителей при их переносе к легочным альвеолам.

При сгорании природного газа образуются и аэрозоли, содержащие полициклические ароматические углеводороды. Они оказывают неблагоприятное воздействие на дыхательную систему и являются известными канцерогенными веществами. Помимо этого, углеводороды способны приводить к хронической интоксикации у восприимчивых людей.

Образование бензола, толуола, этилбензола и ксилола при сжигании природного газа также неблагоприятно для здоровья человека. Бензол, как известно, канцерогенен в дозах, значительно ниже пороговых. Воздействие к бензолу коррелирует с увеличенным риском возникновения рака, особенно лейкемии. Сенсибилизирующие эффекты бензола не известны.

Металлоорганические соединения. Некоторые компоненты природного газа могут содержать высокие концентрации ядовитых тяжелых металлов, включая свинец, медь, ртуть, серебро и мышьяк. По всей вероятности, эти металлы присутствуют в природном газе в форме металлоорганических комплексов типа триметиларсенита (CH3)3As. Связь с органической матрицей этих токсичных металлов делает их растворимыми в липидах. Это ведет к высокому уровню поглощения и тенденции к биоаккумуляции в жировой ткани человека. Высокая токсичность тетраметилплюмбита (СН3)4РЬ и диметилртути (CH3)2Hg предполагает влияние на здоровье человека, так как метилированные составы этих металлов более ядовиты, чем сами металлы. Особую опасность представляют эти соединения во время лактации у женщин, так как в этом случае происходит миграция липидов из жировых депо организма.

Диметилртуть (CH3)2Hg - особенно опасное металлоорганическое соединение из-за его высокой липофильности. Метилртуть может быть инкорпорирована в организм путем ингаляционного поступления, а также через кожу. Всасывание этого соединения в желудочно-кишечном трактате составляет почти 100%. Ртуть обладает выраженным нейро- токсическим эффектом и свойством влиять на репродуктивную функцию человека. Токсикология не располагает данными о безопасных уровнях ртути для живых организмов.

Органические соединения мышьяка также весьма ядовиты, особенно при их метаболическом разрушении (метаболическая активация), заканчивающимся образованием высокоядовитых неорганических форм.

Продукты сгорания природного газа. Диоксид азота способен действовать на легочную систему, что облегчает развитие аллергических реакций к другим веществам, уменьшает функцию легких, восприимчивость к инфекционным заболеваниям легких, потенцирует бронхиальную астму и другие респираторные заболевания. Это особенно выражено у детей.

Имеются доказательства того, что N02, полученный при сжигании природного газа, может индуцировать:

• воспаление легочной системы и уменьшение жизненной функции легких;
• увеличение риска астмоподобных признаков, включая появление хрипов, одышку и приступы заболевания. Это особенно часто проявляется у женщин, приготавливающих еду на газовых плитах, а также у детей;
• уменьшение резистентности к бактериальным заболеваниям легких из-за снижения иммунологических механизмов защиты легких;
• оказание неблагоприятных эффектов в целом на иммунную систему человека и животных;
• воздействие как адъюванта на развитие аллергических реакций к другим компонентам;
• увеличение чувствительности и усиление аллергической ответной реакции на побочные аллергены.

В продуктах сгорания природного газа присутствует довольно высокая концентрация сероводорода (H2S), который загрязняет окружающую среду. Он ядовит в концентрациях ниже, чем 50.ppm, а в концентрации 0,1- 0,2% смертелен даже при непродолжительной экспозиции. Так как организм имеет механизм для детоксикации этого соединения, токсичность сероводорода связана больше с его воздействующей концентрацией, чем с продолжительностью экспозиции.

Хотя сероводород имеет сильный запах, его непрерывное низкоконцентрационное воздействие ведет к утрате чувства запаха. Это делает возможным токсический эффект для людей, которые несознательно могут подвергаться действию опасных уровней этого газа. Незначительные концентрации его в воздухе жилых помещений приводят к раздражению глаз, носоглотки. Умеренные уровни вызывают головную боль, головокружение, а также кашель и затруднение дыхания. Высокие уровни ведут к шоку, конвульсиям, коматозному состоянию, которые заканчиваются смертью. Оставшиеся в живых после острого токсического воздействия сероводорода испытывают неврологические дисфункции типа амнезии, тремора, нарушение равновесия, а иногда и более серьезного повреждения головного мозга.

Острая токсичность относительно высоких концентраций сероводорода хорошо известна, однако, к сожалению, имеется немного информации по хроническому НИЗКОДОЗО- вому воздействию этого компонента.

Радон. Радон (222Rn) также присутствует в природном газе и может быть доставлен по трубопроводам к газовым плитам, которые становятся источниками загрязнения. Так как радон распадается до свинца (период полураспада 210РЬ равен 3,8 дня), это приводит к созданию тонкого слоя радиоактивного свинца (в среднем толщиной 0,01 см), который покрывает внутренние поверхности труб и оборудования. Образование слоя радиоактивного свинца повышает фоновое значение радиоактивности на несколько тысяч распадов в минуту (на площади 100 см2). Удаление его очень сложно и требует замены труб.

Следует учитывать, что простого отключения газового оборудования недостаточно, чтобы снять токсическое воздействие и принести облегчение химически чувствительным пациентам. Газовое оборудование должно быть полностью удалено из помещения, так как даже не работающая газовая плита продолжает выделять ароматические соединения, которые она поглотила за годы использования.

Совокупные эффекты природного газа, влияние ароматических соединений, продуктов сгорания на здоровье человека точно не известны. Предполагается, что воздействие от нескольких соединений может умножаться, при этом реакция от воздействия нескольких загрязнителей может быть больше, чем сумма отдельных эффектов.

Таким образом, характеристиками природного газа, вызывающими беспокойство в отношении здоровья человека и животных, являются:

• огнеопасность и взрывоопасный характер;
• асфиксические свойства;
• загрязнение продуктами сгорания воздушной среды помещений;
• присутствие радиоактивных элементов (радон);
• содержание в продуктах сгорания высокотоксичных соединений;
• присутствие следовых количеств ядовитых металлов;
• содержание токсичных ароматических соединений, добавляемых к природному газу (особенно для людей с множественной химической чувствительностью);
• способность компонентов газа к сенсибилизации.

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.

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,

Природный газ — это самое распространенное топливо на сегодняшний день. Природный газ так и называется природным, потому что он добывается из самых недр Земли.

Процесс горения газа является химической реакцией, при которой происходит взаимодействия природного газа с кислородом, который содержится в воздухе.

В газообразном топливе присутствует горючая часть и негорючая.

Основным горючим компонентом природного газа является метан — CH4. Его содержание в природном газе достигает 98 %. Метан не имеет запаха, не имеет вкуса и является нетоксичным. Предел его воспламеняемости находится от 5 до 15 %. Именно эти качества позволили использовать природный газ, как один из основных видов топлива. Опасно для жизни концентрация метана более 10 %, так может наступить удушье, вследствие нехватки кислорода.

Для обнаружения утечки газа, газ подвергают одоризации, иначе говоря добавляют сильнопахнущее вещество (этилмеркаптан). При этом газ можно обнаружить уже при концентрации 1 %.

Кроме метана в природном газе могут присутствовать горючие газы — пропан, бутан и этан.

Для обеспечения качественного горения газа необходимо в достаточном количестве подвести воздух в зону горения и добиться хорошего перемешивания газа с воздухом. Оптимальным считается соотношение 1: 10. То есть на одну часть газа приходится десять частей воздуха. Кроме этого необходимо создание нужного температурного режима. Чтобы газ воспламенился необходимо его нагреть до температуры его воспламенения и в дальнейшем температура не должна опускаться ниже температуры воспламенения.

Необходимо организовать отвод продуктов сгорания в атмосферу.

Полное горение достигается в том случае, если в продуктах сгорания выходящих в атмосферу отсутствуют горючие вещества. При этом углерод и водород соединяются вместе и образуют углекислый газ и пары воды.

Визуально при полном сгорании пламя светло-голубое или голубовато-фиолетовое.

Полное сгорание газа.

метан + кислород = углекислый газ + вода

СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О

Кроме этих газов в атмесферу с горючими газами выходит азот и оставшийся кислород. N 2 + O 2

Если сгорание газа происходит не полностью, то в атмосферу выбрасываются горючие вещества – угарный газ, водород, сажа.

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.

Для более точного контроля качества сгорания топлива существуют приборы — газоанализаторы, которые измеряют содержание определенных веществ в составе уходящих газов.

Газоанализаторы могут поступать в комплекте с котлами. В случае если их нет, соответствующие измерения проводит пусконаладочная организация при помощи переносных газоанализаторов. Составляется режимная карта в которой прописываются необходимые контрольные параметры. Придерживаясь их можно обеспечить нормальное полное сгорание топлива.

Основными параметрами регулирования горения топлива являются:

• соотношение газа и воздуха подаваемых на горелки.

• коэфициент избытка воздуха.

• разряжение в топке.

• Кэфициент полезного действия котла.

При этом под коэфициентом полезного действия котла подразумевают соотношение полезного тепла к величине всего затраченного тепла.

Состав воздуха