Когато газът се изгори, той се образува. Условия за запалване и изгаряне на газообразно гориво

Продуктите от горенето на природния газ са въглероден диоксид, водна пара, малко излишък от кислород и азот. Продуктите от непълно изгаряне на газ могат да бъдат въглероден оксид, неизгорял водород и метан, тежки въглеводороди, сажди.

Колкото повече въглероден диоксид CO 2 в продуктите на горенето, толкова по-малко въглероден оксид CO ще бъде в тях и толкова по-пълно ще бъде изгарянето. Концепцията за „максимално съдържание на CO 2 в продуктите на горенето” е въведена в практиката. Количеството въглероден диоксид в продуктите от горенето на някои газове е показано в таблицата по-долу.

Количеството въглероден диоксид в продуктите на изгаряне на газ

Използвайки данните в таблицата и знаейки процента на CO 2 в продуктите на горенето, може лесно да се определи качеството на изгаряне на газ и коефициента на излишния въздух a. За да направите това, с помощта на газов анализатор е необходимо да се определи количеството CO 2 в продуктите на изгаряне на газ и да се раздели стойността на CO 2max, взета от таблицата, на получената стойност. Така например, ако продуктите от горене на газ съдържат 10,2% въглероден диоксид в продуктите на горенето, тогава коефициентът на излишния въздух в пещта

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

Най-перфектният начин за контрол на потока въздух в пещта и пълнотата на нейното изгаряне е анализът на продуктите от горенето с помощта на автоматични газови анализатори. Газови анализатори периодично вземат проба от отработени газове и определят съдържанието на въглероден диоксид в тях, както и количеството въглероден оксид и неизгорял водород (CO + H 2) в обемни проценти.

Ако показанията на стрелката на газовия анализатор на скалата (CO 2 + H 2) са равни на нула, това означава, че горенето е завършено и няма въглероден оксид и неизгорял водород в продуктите на горенето. Ако стрелката се отклони от нула надясно, тогава продуктите на горенето съдържат въглероден оксид и неизгорял водород, тоест възниква непълно изгаряне. На другата скала, иглата на газовия анализатор трябва да показва максималното съдържание на CO 2max в продуктите на горенето. Пълно изгаряне настъпва при максимален процент въглероден диоксид, когато стрелката на скалата CO + H 2 е на нула.

Природният газ е най-широко използваното гориво днес. Природният газ се нарича природен газ, защото се добива от самите недра на Земята.

Процесът на изгаряне на газ е химическа реакция, при която природният газ взаимодейства с кислорода, съдържащ се във въздуха.

В газообразното гориво има горима и негорима част.

Основният горим компонент на природния газ е метанът - CH4. Съдържанието му в природния газ достига 98%. Метанът е без мирис, вкус и нетоксичен. Неговата граница на запалимост е от 5 до 15%. Именно тези качества направиха възможно използването на природния газ като един от основните видове гориво. Концентрацията на метан е повече от 10% опасна за живота, така че може да се получи задушаване поради липса на кислород.

За да се открие изтичане на газ, газът се подлага на одоризация, с други думи, добавя се силно миришещо вещество (етил меркаптан). В този случай газът може да бъде открит вече при концентрация от 1%.

В допълнение към метана, в природния газ могат да присъстват горими газове като пропан, бутан и етан.

За да се осигури висококачествено изгаряне на газ, е необходимо да се внесе въздух в зоната на горене в достатъчни количества и да се постигне добро смесване на газа с въздуха. За оптимално се счита съотношението 1: 10. Тоест десет части въздух падат върху една част от газа. Освен това е необходимо да се създаде желания температурен режим. За да може газът да се запали, той трябва да се нагрее до температурата на запалване и в бъдеще температурата не трябва да пада под температурата на запалване.

Необходимо е да се организира отстраняването на продуктите от горенето в атмосферата.

Пълно изгаряне се постига, ако в изпусканите в атмосферата продукти на горенето няма горими вещества. В този случай въглеродът и водородът се комбинират заедно и образуват въглероден диоксид и водна пара.

Визуално, при пълно изгаряне, пламъкът е светлосин или синкаво-виолетов.

В допълнение към тези газове, азотът и останалият кислород влизат в атмосферата с горими газове. N 2 + O 2

Ако изгарянето на газа не е пълно, тогава в атмосферата се отделят горими вещества - въглероден окис, водород, сажди.

Непълното изгаряне на газ се получава поради недостатъчен въздух. В същото време в пламъка визуално се появяват езици сажди.

Опасността от непълно изгаряне на газа е, че въглеродният оксид може да причини отравяне на персонала на котелното помещение. Съдържанието на CO във въздуха 0,01-0,02% може да причини леко отравяне. По-високите концентрации могат да доведат до тежко отравяне и смърт.

Получените сажди се утаяват по стените на котлите, като по този начин влошават предаването на топлина към охлаждащата течност, което намалява ефективността на котелната. Саждите провеждат топлина 200 пъти по-лошо от метана.

Теоретично, 9 m3 въздух са необходими за изгаряне на 1 m3 газ. В реални условия е необходимо повече въздух.

Тоест, необходимо е излишно количество въздух. Тази стойност, обозначена като алфа, показва колко пъти повече въздух се изразходва, отколкото е теоретично необходимо.

Коефициентът алфа зависи от вида на конкретната горелка и обикновено се предписва в паспорта на горелката или в съответствие с препоръките на организацията, която въвежда в експлоатация.

С увеличаване на количеството излишен въздух над препоръчителното се увеличават топлинните загуби. При значително увеличаване на количеството въздух може да се получи отделяне на пламъка, което създава аварийна ситуация. Ако количеството въздух е по-малко от препоръчаното, тогава изгарянето ще бъде непълно, което ще създаде риск от отравяне на персонала на котелното помещение.

За по-точен контрол на качеството на изгаряне на горивото има устройства - газови анализатори, които измерват съдържанието на определени вещества в състава на отработените газове.

Газоанализатори могат да се доставят с котли. Ако те не са налични, съответните измервания се извършват от организацията по въвеждане в експлоатация с помощта на преносими газови анализатори. Съставя се режимна карта, в която се предписват необходимите контролни параметри. Придържайки се към тях, можете да осигурите нормалното пълно изгаряне на горивото.

Основните параметри за контрол на изгарянето на горивото са:

• съотношението газ и въздух, подавани към горелките.

• съотношение на излишния въздух.

• пукнатина в пещта.

• Коефициент на ефективност на котела.

В същото време ефективността на котела означава съотношението на полезната топлина към стойността на общата изразходвана топлина.

Състав на въздуха

Горенето е реакция, при която химическата енергия на горивото се превръща в топлина.

Изгарянето може да бъде пълно или непълно. Пълното изгаряне настъпва с достатъчно кислород. Липсата му причинява непълно изгаряне, при което се отделя по-малко топлина, отколкото при пълно изгаряне, а въглеродният окис (CO), който е токсичен за обслужващия персонал, образува сажди, които се утаяват върху нагревателната повърхност на котела и увеличават топлинните загуби, което води до прекомерен разход на гориво и намаляване на ефективността бойлер, замърсяване на въздуха.

За изгарянето на 1 m 3 метан са необходими 10 m 3 въздух, в който има 2 m 3 кислород. За пълно изгаряне на природен газ въздухът се подава към пещта с лек излишък. Съотношението на действително консумирания обем на въздуха V d към теоретично необходимия V t се нарича коефициент на излишък на въздух a = V d / V t. Този индикатор зависи от конструкцията на газовата горелка и пещта: колкото по-съвършени са те, толкова по-малко а. Необходимо е да се гарантира, че коефициентът на излишък на въздух е не по-малък от 1, тъй като това води до непълно изгаряне на газа. Увеличаването на съотношението на излишния въздух намалява ефективността. котелен агрегат.

Пълнотата на изгаряне на горивото може да се определи с помощта на газов анализатор и визуално - по цвета и характера на пламъка: прозрачен синкав - пълно изгаряне;

червено или жълто - непълно изгаряне.

Скоростта, с която зоната на горене се придвижва в посока, перпендикулярна на самата зона, се нарича скорост на разпространение на пламъка. Скоростта на разпространение на пламъка характеризира скоростта на нагряване на газовъздушната смес до температурата на запалване. Пламъкът на водород, воден газ (3 m/sec) има най-висока скорост на разпространение, пламъкът на природен газ и смес от пропан-бутан има най-ниска. Високата скорост на разпространение на пламъка влияе благоприятно върху пълнотата на изгаряне на газа, а малка, напротив, е една от причините за непълно изгаряне на газ. Скоростта на разпространение на пламъка се увеличава при използване на газо-кислородна смес вместо газ-въздух.

Горенето се контролира чрез увеличаване на подаването на въздух към пещта на котела или чрез намаляване на подаването на газ. Този процес използва първичен (смесва се с газ в горелката - преди горенето) и вторичен (комбинира се с газ или газовъздушна смес в пещта на котела по време на горене) въздух.

При котли, оборудвани с дифузионни горелки (без принудително подаване на въздух), вторичният въздух под действието на вакуум влиза в пещта през вратите на вентилатора.

При котли, оборудвани с инжекционни горелки: първичният въздух влиза в горелката поради инжектиране и се регулира от регулираща шайба, а вторичният въздух влиза в горелката през вратите на вентилатора.

При котли със смесителни горелки първичният и вторичният въздух се подава към горелката от вентилатор и се управлява от въздушни клапи.

Нарушаването на съотношението между скоростта на газовъздушната смес на изхода на горелката и скоростта на разпространение на пламъка води до отделяне или превишаване на пламъка върху горелките.

Ако скоростта на газовъздушната смес на изхода на горелката е по-голяма от скоростта на разпространение на пламъка - отделяне, а ако е по-малко - приплъзване.

Когато пламъкът прекъсне и премине през него, обслужващият персонал трябва да изгаси котела, да проветри пещта и газопроводите и отново да запали котела.

Горивото за котелното е природен газ, доставян от ГРС. Природният газ с налягане 1-2 MPa, чиято температура, дебит и налягане се регистрират от търговските измервателни уреди, влиза в първия етап на редукция. Налягането след първия етап на редукция се контролира от клапан за регулиране на налягането.

След това горивният газ с налягане от около 0,5 MPa навлиза в тръбното пространство на нагревателя, чиято охлаждаща течност е пара 0,3-0,6 MPa. Температурата на горивния газ след нагревателя се променя от управляващ клапан, монтиран на тръбопровода за пара. След нагревателя налягането на горивния газ се намалява чрез втория етап на редукция до 3-80 kPa.След втория етап на редукция газът постъпва в горелките на котлите през стандартните блокове за газово оборудване (SBG). Пред всеки котел се измерват и записват налягане, дебит и температура на газа. Налягането на газа след всеки котел също се записва

5.3.2. Характеристики на горивния процес на природен газ.

Изборът на вида и броя на газовите горелки, тяхното разположение и организацията на горивния процес зависят от характеристиките на топлинните и аеродинамичните условия на работа на промишленото предприятие. Правилното решаване на тези проблеми определя интензивността на технологичния процес и ефективността на инсталацията. Теоретичните предпоставки и опитът показват, че при проектирането на нови газови инсталации основните показатели за тяхната работа по правило могат да бъдат подобрени. Тук обаче трябва да се отбележи, че неправилно избраният метод на изгаряне на газ и неуспешното разположение на горелките намаляват производителността и ефективността на инсталациите.

При проектиране на промишлени газови инсталации задачите за интензифициране на технологичния процес и повишаване на ефективността на използването на гориво трябва да се решават при най-ниски материални разходи и при спазване на редица други условия, като експлоатационна надеждност, безопасност и др.

При изгаряне на природен газ, за ​​разлика от изгарянето на други видове гориво, е възможно да се променят характеристиките на горелката в широк диапазон. Следователно, той може да се използва за почти всяко приложение. Тук трябва само да се помни, че необходимото максимално интензифициране на технологичния процес, повишаване на ефективността, както и задоволяване на други изисквания за инсталацията, не могат да бъдат осигурени само чрез избор на една или друга газова горелка, а ще бъдат постигнати с правилното решение на целия комплекс от въпроси на топлопреминаването и аеродинамиката, от подаването на въздух и газ до отстраняването на отработените продукти от горенето в атмосферата. От особено значение е началният етап на процеса - организацията на изгаряне на газ.

Природният газ е безцветен газ. Много по-лек от въздуха. Наличието на газ във въздуха на закрито, кладенци, ями повече от 20% причинява задушаване, виене на свят, загуба на съзнание и смърт. Според санитарните норми природният газ (метан) принадлежи към 4-ти клас на опасност (вещество с ниска опасност). Ниска токсичност, нетоксичен.

Състав на природния газ:

Метан 98,52%;

Етан 0,46%;

Пропан 0,16%;

Бутан 0,02%;

Азот 0,73%;

Въглероден диоксид 0,07%.

Ако природният газ е преминал всички етапи на пречистване, тогава неговите свойства се различават малко от тези на метана. Метанът е най-простият елемент от серията метанови въглеводороди. Свойства на метана:

Специфична топлина на горене 7980 Kcal/m 3 ;

Втечнява се при t°=-161°С, втвърдява се при t°=-182°С;

Плътността на метана е 0,7169 kg / m 3 (2 пъти по-лек от въздуха);

Температура на запалване t°=645°С;

Температура на горене t°=1500 ÷ 2000°С

Граници на експлозия 5 ÷ 15%.

При взаимодействие с въздуха се образуват силно експлозивни смеси, които могат да експлодират и да причинят разрушаване.

Изгарянето на всяко гориво, включително газ, е реакция на химическата му комбинация с кислород и е придружено от отделяне на топлина. Количеството топлина, получено от пълното изгаряне на 1 m 3 (или 1 kg) газ, се нарича неговата топлина на изгаряне. Прави се разлика между по-ниската калоричност, която не отчита латентната топлина на образуване на водната пара, съдържаща се в продуктите на горенето, и по-високата калоричност, когато се вземе предвид тази топлина. Разликата между по-високата и по-ниската калоричност зависи от количеството водна пара, образувана при изгарянето на горивото, и е приблизително 2500 kJ на 1 kg или 2000 kJ на 1 m 3 водна пара.

Топлината на изгаряне на различните видове горива може да варира значително. Така например дървата за огрев и торфът имат по-ниска калоричност до 12 500, най-добрите битуминозни въглища до 31 000, а маслото е около 40 000 kJ / kg. Природният газ има нетна калоричност от 40-44 MJ/kg.

Общото време на горене  се определя от времето  d на образуване на смес (дифузионни процеси) и времето  до настъпване на химически реакции на горене (кинетични процеси). Като се вземе предвид фактът, че тези етапи от процеса могат да се припокриват, получаваме  d +  k.

При  до  d (горенето, протичащо едновременно с образуването на смес в пещта, се нарича дифузия, тъй като това образуване на смес включва процеси на турбулентна (в крайния етап - молекулярна) дифузия).

При  d  до  до (изгарянето на предварително приготвена смес често се нарича условно кинетичен, се определя от кинетиката на химичните реакции).

Когато  d и  k са сравними, процесът на горене се нарича смесен.

Следващият етап след образуването на сместа е нагряването и запалването на горивото. Когато струя горим газ се смеси със струя въздух и температурата им постепенно се повиши при определена температура, сместа ще се запали. Минималната температура, при която сместа се запалва, се нарича температура на запалване.

Температурата на запалване не е физикохимична константа на веществото, тъй като освен естеството на горимия газ зависи от концентрацията на газа и окислителя, както и от интензивността на топлообмена между газовата смес и заобикаляща среда.

Съществуват горни и долни граници за концентрацията на газ и окислител и извън тези граници при дадена температура смесите не се запалват. С повишаване на температурата на сместа газ-въздух, съгласно закона на Арениус, скоростта на реакцията се увеличава пропорционално на e -E / RT, отделянето на топлина е пропорционално на същата стойност. Ако топлинните загуби на зоната на горене, свързани с топлообмена с околната среда, надвишават отделянето на топлина, тогава запалването и горенето са невъзможни. Обикновено нагряването се извършва едновременно с образуването на смес.

Газовъздушна смес, в която съдържанието на газ е между долната и горната граница на запалимост, е експлозивна. Колкото по-широк е диапазонът от граници на запалимост (наричани още граници на експлозивност), толкова по-експлозивен е газът. Според химическата същност експлозията на смес газ-въздух (газ-кислород) е процес на много бързо (почти мигновено) горене, което води до образуване на високотемпературни продукти на горене и рязко повишаване на тяхното налягане. Изчислено свръхналягане при експлозия на природен газ 0,75, пропан и бутан - 0,86, водород - 0,74, ацетилен - 1,03 MPa. При практически условия температурата на експлозия не достига максималните стойности и получените налягания са по-ниски от посочените, но те са напълно достатъчни, за да разрушат не само облицовката на котли, сгради, но и метални контейнери, ако възникне експлозия в тях.

В резултат на запалване и горене възниква пламък, който е външна проява на интензивните реакции на окислителя на веществото. Движението на пламък през газова смес се нарича разпространение на пламъка. В този случай газовата смес се разделя на две части - изгорял газ, през който пламъкът вече е преминал, и неизгорял газ, който скоро ще влезе в областта на пламъка. Границата между тези две части на горящата газова смес се нарича фронт на пламъка.

Факелът е поток, съдържащ смес от въздух, горящи газове, горивни частици и продукти от горенето, в който се извършва нагряване, запалване и изгаряне на газообразно гориво.

При обикновени температури в пещи (1000-1500 °C), въглеводородите, включително метанът, дори за много кратки периоди от време, в резултат на термично разлагане, дават забележими количества елементарен въглерод. В резултат на появата на елементарен въглерод в пламъка, процесът на горене до известна степен придобива елементи от хетерогенен, тоест възникващ на повърхността на твърди частици. Наличието на катализатори (оксиди на желязо, никел) значително ускорява процеса на разлагане на метан и други въглеводороди.

По този начин, в пещта или работното пространство на пещта, между момента на въвеждане на газ и въздух и получаване на крайните продукти на горенето в резултат на наслагването на процеса на термично разлагане на въглеводороди и верижната реакция на окисление, се получава много сложна картина се наблюдава, характеризиращ се с наличието както на продукти на окисление на CO 2 и H 2 O, така и на CO, H 2 , елементарен въглерод и продукти на непълно окисление (формалдехидът е от особено значение сред последните). Съотношението между тези компоненти ще зависи от условията и продължителността на нагряване на газ преди реакциите на окисление.

По време на изгарянето на горивото протичат химически процеси на окисляване на горимите му компоненти, придружени от интензивно отделяне на топлина и бързо повишаване на температурата на продуктите от горенето.

Правете разлика между хомогенно горене, протичащо в обема, когато горивото и окислителят са в едно и също агрегатно състояние, и хетерогенно горене, протичащо на границата, когато горимото вещество и окислителят са в различни агрегатни състояния.

Изгарянето на газообразно гориво е хомогенен процес. По време на горенето скоростта на директния процес е несъизмеримо по-голяма от скоростта на обратния, така че обратната реакция може да бъде пренебрегната. Припомнете си, че за хомогенна реакция на горене изразът за скоростта на директната реакция ще бъде:

където -време; Т-абсолютна температура; ДА СЕ-универсална газова константа; к- константа на скоростта на реакцията, в зависимост от естеството на реагентите, действието на катализаторите, температурата; к 0 - емпирична константа; Е-енергия на активиране, която характеризира най-малката излишна енергия, която трябва да имат сблъскващите се частици, за да се осъществи реакция.

От изразите (вторият от тях се нарича уравнение на Арениус) следва, че скоростта на реакцията нараства с увеличаване на концентрациите (налягането в системата) и температурата и с намаляване на енергията на активиране. Експерименталните измервания дават много по-малка стойност за енергията на активиране от дадените закономерности на химическата кинетика. Това се обяснява с факта, че процесите на горене на газ се класифицират като верижни реакции и протичат през междинни етапи с непрекъснато образуване на активни центрове (атоми или радикали).

Например при горенето на водород (фиг. 3) с помощта на свободни кислородни атоми и хидроксилни радикали се образуват три активни водородни атома вместо този, който присъства в началото на разглеждания етап на реакцията. Такова утрояване се случва на всеки етап и при верижните реакции броят на активните центрове нараства като лавина. Освен това взаимодействието между нестабилните междинни продукти е много по-бързо, отколкото между молекулите.

Ориз. 3. Схема на верижната реакция на горене на водород

Общата скорост на реакцията на горене на водорода се определя от скоростта на най-бавната реакция (изразена чрез уравнението H + O 2 OH + H 2)  \u003d kC n C o, където C n, C o са концентрациите на атомен водород и молекулен кислород.

Процесите на окисление на въглеводородите, които съставляват органичната част на природните и свързаните газове, са най-сложни. Досега няма ясни идеи за кинетичния механизъм на реакциите, въпреки че може да се каже с увереност, че горенето има верижен характер при наличие на индукционен период и протича с образуването на множество междинни продукти на частично окисление и разлагане.

Приблизителна схема на поетапно изгаряне на метан може да бъде представена чрез набор от следните реакции:

Въпреки че първоначалните и крайните продукти на реакцията на горене са газове, в междинните продукти, освен газове, може да има елементарен въглерод под формата на най-малката суспензия от сажди.

Реакционната скорост на изгаряне на въглероден оксид зависи от концентрациите в реакционната зона на въглероден оксид и водна пара, а скоростта на верижно изгаряне на метан и други въглеводороди зависи от концентрациите на атомарния водород, кислорода и водната пара.

Изгарянето на газово гориво е комбинация от сложни аеродинамични, термични и химични процеси. Процесът на горене на газообразно гориво се състои от няколко етапа: смесване на газ с въздух, нагряване на получената смес до температурата на запалване, запалване и изгаряне.

Изгарянето на природния газ е сложен физико-химичен процес на взаимодействие на неговите горими компоненти с окислител, докато химическата енергия на горивото се превръща в топлина. Изгарянето може да бъде пълно или непълно. Когато газът се смесва с въздух, температурата в пещта е достатъчно висока за горене, горивото и въздухът се подават непрекъснато, извършва се пълно изгаряне на горивото. Непълното изгаряне на горивото възниква, когато тези правила не се спазват, което води до по-малко отделяне на топлина, (CO), водород (H2), метан (CH4) и в резултат на това до отлагане на сажди върху нагревателните повърхности, влошаване на топлопреминаването и увеличаване на загуба на топлина, което от своя страна води до прекомерен разход на гориво и намаляване на ефективността на котела и съответно до замърсяване на въздуха.

Съотношението на излишния въздух зависи от конструкцията на газовата горелка и пещта. Коефициентът на излишък на въздух трябва да бъде най-малко 1, в противен случай това може да доведе до непълно изгаряне на газа. А също и увеличаването на коефициента на излишния въздух намалява ефективността на топлоизползващата инсталация поради големите топлинни загуби с отработените газове.

Пълнотата на изгаряне се определя с помощта на газов анализатор и по цвят и мирис.

Пълно изгаряне на газ. метан + кислород = въглероден диоксид + вода CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O В допълнение към тези газове, азотът и останалият кислород влизат в атмосферата с горими газове. N2 + O2 Ако изгарянето на газа не е пълно, тогава в атмосферата се отделят горими вещества - въглероден окис, водород, сажди.CO + H + C

Непълното изгаряне на газ се получава поради недостатъчен въздух. В същото време в пламъка визуално се появяват езици от сажди.Опасността от непълно изгаряне на газа е, че въглеродният оксид може да причини отравяне на персонала на котелното помещение. Съдържанието на CO във въздуха 0,01-0,02% може да причини леко отравяне. По-високата концентрация може да доведе до тежко отравяне и смърт.Получените сажди се утаяват по стените на котлите, като по този начин нарушават преноса на топлина към охлаждащата течност и намаляват ефективността на котелното помещение. Саждите провеждат топлина 200 пъти по-лошо от метана.Теоретично са необходими 9 m3 въздух за изгаряне на 1 m3 газ. В реални условия е необходимо повече въздух. Тоест, необходимо е излишно количество въздух. Тази стойност, обозначена като алфа, показва колко пъти повече въздух се изразходва от теоретично необходимото.Коефициентът алфа зависи от вида на конкретната горелка и обикновено се предписва в паспорта на горелката или в съответствие с препоръките на организацията по въвеждане в експлоатация. С увеличаване на количеството излишен въздух над препоръчителното се увеличават топлинните загуби. При значително увеличаване на количеството въздух може да се получи отделяне на пламъка, което създава аварийна ситуация. Ако количеството въздух е по-малко от препоръчаното, тогава изгарянето ще бъде непълно, което създава риск от отравяне на персонала на котелното помещение.Непълното изгаряне се определя от: