Горение газа. Условия воспламенения и сгорания газового топлива Реакция горения природного газа формула
Расположение элементов устройства автоматики показано на рис. 7. На нем видно, что электромагнит закрыт защитным колпаком. Провода от датчиков расположены внутри тонкостенных трубок К электромагниту трубки крепятся при помощи накидных гаек. Корпусные выводы датчиков подключаются к электромагниту через корпус самих трубок.
А теперь рассмотрим методику поиска указанной выше неисправности.
Проверку начинают с самого «слабого звена» устройства автоматики - датчика тяги. Датчик не защищен кожухом, поэтому через 6... 12 месяцев эксплуатации «обрастает» толстым слоем пыли Биметаллическая пластина (см. рис. 6) быстро окисляется, что приводит к ухудшению контакта.
Шубу из пыли удаляют мягкой кистью. Затем пластину оттягивают от контакта и зачищают мелкой наждачной бумагой. Не следует забывать, что необходимо очистить и сам контакт. Хорошие результаты дает чистка указанных элементов специальным спреем «Контакт». В его состав входят вещества, активно разрушающие оксидную пленку. После чистки на пластину и контакт наносят тонкий слой жидкой смазки.
Следующим шагом проверяют исправность термопары. Она работает в тяжелом тепловом режиме, так как постоянно находится в пламени запальника, естественно, ее срок службы значительно меньше остальных элементов котла.
Основной дефект термопары - прогар (разрушение) ее корпуса. При этом резко возрастает переходное сопротивление в месте сварки (спая). Вследствие этого, ток в цепи Термопара - Электромагнит
- Биметаллическая пластина будет ниже номинального значения, что приводит к тому, что электромагнит уже не сможет фиксировать шток (рис. 5).
Для проверки термопары откручивают накидную гайку (рис. 7), расположенную с левой
стороны электромагнита. Затем включают запальник и вольтметром замеряют постоянное напряжение (термо-ЭДС) на контактах термопары (рис. 8). Нагретая исправная термопара формирует ЭДС около 25...30 мВ. Если же это значение меньше, термопара неисправна. Для ее окончательной проверки отстыковывают трубку от кожуха электромагнита и замеряют сопротивление термопары Сопротивление нагретой термопары составляет менее 1 Ом. Если же сопротивление термопары - сотни Ом и более ее необходимо заменить.
Низкая величина термо-ЭДС, формируемой термопарой, может быть вызвана следующими причинами:
- засорением форсунки запальника (вследствие этого, температура нагрева термопары может быть ниже номинальной). «Лечат» подобный дефект прочисткой отверстия запальника любой мягкой проволокой подходящего диаметра;
- смещением положения термопары (естественно, она тоже может нагреваться недостаточно). Устраняют дефект следующим образом - ослабляют винт крепления подводки возле запальника и регулируют положение термопары (рис 10);
- низким давлением газа на входе котла.
Если ЭДС на выводах термопары в норме (при сохранении признаков неисправности, указанных выше), то проверяют следующие элементы:
- целостность контактов в местах подключения термопары и датчика тяги.
Окислившиеся контакты необходимо зачистить. Накидные гайки закручивают, что называется, «от руки». В этом случае гаечный ключ применять нежелательно, так как можно легко порвать подходящие к контактам провода;
- целостность обмотки электромагнита и, при необходимости, пропаивают ее выводы.
Работоспособность электромагнита можно проверить следующим образом. Отсоединяют
подводку термопары. Нажимают и удерживают пусковую кнопку, затем поджигают запальник. От отдельного источника постоянного напряжения на освободившийся контакт электромагнита (от термопары) подают относительно корпуса напряжение около 1 В (при токе до 2 А). Для этого можно использовать и обычную батарейку (1,5 В), главное, чтобы она обеспечила необходимый рабочий ток. Теперь кнопку можно отпустить. Если запальник не погас, электромагнит и датчик тяги исправны;
- датчик тяги. Вначале проверяют усилие прижатия контакта к биметаллической пластине (при указанных признаках неисправности часто оно бывает недостаточным). Для увеличения силы прижима освобождают стопорную гайку и перемещают контакт ближе к пластине, затем гайку затягивают. В этом случае никаких дополнительных регулировок не требуется - на температуру срабатывания датчика сила прижима не влияет. Датчик имеет большой запас по углу отклонения пластины, обеспечивая надежное разрывание электрической цепи в случае аварии.
Одоризация
Горючие газы не имею запаха. Для своевременного определения наличия их в воздухе, быстрого и точного обнаружения мест утечки газ - одорируют (дают запах). Для одоризации используют этилмеркаптан (С 2 Н 5 SН). Норма одоризации 16 гр этилмеркаптана на 1000 м 3 газа, 8 гр этилмеркаптановой серы на 1000 м³. Одоризация проводится на газораспределительных станциях (ГРС). При наличии в воздухе 1% природного газа должен ощущаться его запах.
20 % газа в помещении вызывает удушье
5-15 % взрыв
0,15 % угарного газа СО - отравление; 0,5 % СО = 30 мин. дышать летальный исход; 1% угарного газа летальный исход.
Метан и другие углеводородные газы не ядовиты, но вдыхание их вызывает головокружение, а значительное содержание в воздухе приводит к удушью из-за недостатка кислорода.
Сгорание топлива полное и неполное:
Для сгорания 1м³ газа нужно 10м³ воздуха.
Горение природного газа – это реакция, при которой происходит преобразование химической энергии топлива в тепло.
Горение бывает полным и неполным. Полное горение происходит при достаточном количестве кислорода.
При полном сгорании газа образуется СО 2 (углекислый газ), Н 2 О
(вода). При неполном сгорании газа потеря теплоты. Недостаток кислорода О 2 окислителя.
Продукты неполного горения СО - угарный газ, отравляющего действия, С углерод, сажа.
Неполное сгорание – это неудовлетворительное смешение газа с воздухом, чрезмерное охлаждение пламени до завершения реакции горения.
Реакция горения основных компонентов природного газа:
1:10 метан СН 4 + 20 2 =СО 2 + 2Н 2 О = двуокись углерода +вода
неполное сгорание газа СН 4 + 1,5О 2 =2Н 2 О + СО - угарный газ
Преимущества и недостатки природного газа перед другими видами топлива.
Преимущества:
Стоимость добычи газа значительно ниже, чем угля и нефти;
Высокая теплота сгорания;
Обеспечена полнота сгорания и облегчение условий обслуживающего персонала;
Отсутствие в природных газах окиси углерода и сероводорода предупреждает отравление при утечках газа;
При сжигании газа необходим минимальный остаток воздуха в печи и при этом отсутствуют затраты в результате механического досжигания;
При сжигании газового топлива обеспечивается более точное регулирование температуры;
При сжигании газа горелки можно разместить в доступном месте печи, что дает возможность лучшей теплоотдачи и необходимости температурного режима;
Возможность изменения формы пламени для нагрева в определенном месте.
Недостатки:
Взрыво и пожароопасный;
Процесс сжигания газа возможен только при вытеснении кислорода;
Эффект взрыва при самовозгорании;
Возможность детонации смеси газа и воздуха.
Продуктами сгорания природного газа являются диоксид углерода, водяные пары, некоторое количество избыточного кислорода и азот. Продуктами неполного сгорания газа могут быть оксид углерода, несгоревшие водород и метан, тяжелые углеводороды, сажа.
Чем больше в продуктах сгорания диоксида углерода СO 2 , тем меньше будет в них оксида углерода СО и тем полнее будет сгорание. В практику введено понятие «максимальное содержание СO 2 в продуктах сгорания». Количество диоксида углерода в продуктах сгорания некоторых газов приведено в таблице ниже.
Количество диоксида углерода в продуктах сгорания газа
Пользуясь данными таблицы и зная процентное содержание СO 2 в продуктах сгорания, можно легко определить качество сгорания газа и коэффициент избытка воздуха а. Для этого с помощыр газоанализатора следует определить количество СO 2 в продуктах сгорания газа и на полученную величину разделить значение СO 2max , взятое из таблицы. Так, например, если при сжигании газа в продуктах его сгорания содержится 10,2 % диоксида углерода, то коэффициент избытка воздуха в топке
α = CO 2max /CO 2 анализа = 11,8/10,2 = 1,15 .
Наиболее совершенный способ контроля поступления воздуха в топку и полноты его сгорания - анализ продуктов сгорания с помощью автоматических газоанализаторов. Газоанализаторы периодически отбирают пробу отходящих газов и определяют содержание в них диоксида углерода, а также сумму оксида углерода и несгоревшего водорода (СО + Н 2) в объемных процентах.
Если показания стрелки газоанализатора по шкале (СO 2 + Н 2) равны нулю, это значит, что горение полное, и в продуктах сгорания нет оксида углерода и несгоревшего водорода. Если стрелка отклонилась от нуля вправо, то в продуктах сгорания имеются оксид углерода и несгоревший водород, то есть происходит неполное сгорание. На другой шкале стрелка газоанализатора должна показывать максимальное содержание СO 2mах в продуктах сгорания. Полное сгорание происходит при максимальном проценте диоксида углерода, когда стрелка указателя шкалы СО + Н 2 находится на нуле.
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.
Горением называют быстро протекающую во времени химическую реак-цию соединения горючих компонентов топлива с кислородом воздуха, сопровож-дающуюся интенсивным выделением теплоты, света и продуктов сгорания.
Для метана реакция горения с воздухом:
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2 O + Q н
C3 H8 + 5O2 = 3CO2 + 3H2 O + Q н
Для СУГ :
C4 H10 + 6,5O2 = 4CO2 + 5H2 O + Q н
Продуктами полного сгорания газов являются водяные пары (H 2 O ), диоксид углерода (CO 2 ) или углекислый газ.
При полном сгорании газов цвет пламени, как правило, голубовато-фиолетовый.
Объемный состав сухого воздуха принимается: O 2 ≈ 21%, N 2 ≈ 79%, из этого след., что
1м3 кислорода содержится в 4,76м3 (≈ 5 м3 ) воздуха.
Вывод: для сжигания
- 1м3 метана необходимо 2м3 кислорода или около 10м3 воздуха,
- 1м3 пропана - 5м3 кислорода или около 25м3 воздуха,
- 1м3 бутана - 6,5м3 кислорода или около 32,5м3 воздуха,
- 1м3 СУГ ~ 6м3 кислорода или около 30м3 воздуха.
Практически при сжигании газа водяные пары, как правило, не конденсируются, а удаляются вместе с другими продуктами сгорания. Поэтому технические расчеты ведут по низшей теплоте сгорания Q н.
Условия, необходимые для горения:
1. наличие топлива (газа);
2. наличие окислителя (кислорода воздуха);
3. наличие источника температуры воспламенения.
Неполное сгорание газов.
Причиной неполного сгорания газа является недостаточное количество воздуха.
Продуктами неполного сгорания газов являются оксид углерода или угарный газ (CO ), несгоревшие горючие углеводороды (Cn Hm ) и атомарный углерод или сажа.
Для природного газа CH 4 + O 2 → CO 2 + H 2 O + CO + CH 4 + C
Для СУГ Cn Hm + O2 → CO2 + H2 O + CO + Cn Hm + C
Наиболее опасным является появление угарного газа, который действует на организм человека отравляюще. Образование сажи придает пламени желтую окраску.
Неполное сгорание газа опасно для здоровья человека (при содержании 1% СО в воздухе 2-3 вздоха для человека достаточно, чтобы отравиться со смертельным исходом).
Неполное сгорание неэкономично (сажа препятствует процессу передачи тепла, при неполном сгорании газа мы недополучаем тепло, ради которого сжигаем газ).
Для контроля полноты сгорания обращают внимание на цвет пламени, которое при полном сгорании должно быть голубым, а при неполном сгорании - желтовато-соломенным. Наиболее совершенный способ контроля полноты сгорания - анализ продуктов сгорания с помощью газоанализаторов.
Способы сжигания газа.
Понятие о первичном и вторичном воздухе.
Существуют 3 способа сжигания газа:
1) диффузионный,
2) кинетический,
3) смешанный.
Диффузионный способ или способ без предварительного смешения газа с воздухом.
Из горелки в зону горения поступает только газ. Воздух, необходимый для горения, смешивается с газом в зоне горения. Этот воздух называется вторичным.
Пламя вытянутое, желтого цвета.
a = 1,3÷1,5 t ≈ (900÷1000) о С
Кинетический способ - способ с полным предварительным смешением газа с воздухом.
В горелку подается газ и подается воздух дутьевым устройством. Воздух, необходимый для горения и который подается в горелку для предварительного смешения с газом, называется первичным.
Пламя короткое, зеленовато-синеватого цвета.
a = 1,01÷1,05 t ≈ 1400о С
Смешанный способ - способ с частичным предварительным смешиванием газа с воздухом.
Газ инжектирует первичный воздух в горелку. В зону горения из горелки поступает газовоздушная смесь с недостаточным для полного сгорания количеством воздуха. Остальной воздух - вторичный.
Пламя средних размеров, зеленовато-голубоко цвета.
a =1,1 ¸ 1,2 t ≈1200о С
Коэффициент избытка воздуха a = L пр./ L теор. - это отношение количества воздуха, необходимого для горения на практике к количеству воздуха, необходимого для горения и теоретически посчитанного.
Всегда должен быть a >1, в противном случае будет недожог.
L пр.= a ∙ L теор., т.е. коэффициент избытка воздуха показывает во сколько раз количество воздуха, необходимого для горения на практике больше количества воздуха, необходимого для горения и посчитанного теоретически.