Горіння природного газу. Природний газ
де - коефіцієнт надлишку повітря (як правило, більше 1).
Неповне спалювання газу веде до перевитрати палива та підвищує небезпеку отруєння продуктами неповного згоряння газу, до складу яких входить і оксид вуглецю (СО).
Продукти згоряння газу та контроль за процесом горіння.
Продукти згоряння природного газу – це діоксид вуглецю ( вуглекислий газ) , водяні пари, кілька надлишкового кисню і азоту. Надлишковий кисень міститься в продуктах горіння тільки в тих випадках, коли горіння відбувається з надлишком повітря, а азот у продуктах згоряння міститься завжди, оскільки є складовоюповітря та не бере участі в горінні.
Продуктами неповного згоряння газу можуть бути оксид вуглецю ( чадний газ ), незгорілі водень і метан, важкі вуглеводні, сажа.
Про процес горіння найправильніше можна судити з приладів аналізу газів, що показують вміст у ньому вуглекислого газу і кисню. Якщо в топці котла полум'я витягнуте і має темно-жовте забарвлення, це говорить про нестачу повітря, а якщо полум'я стає коротким і має сліпучо-біле забарвлення, то про його надлишок.
Регулювати роботу котлоагрегату можна двома способами зміною теплової потужності всіх пальників, встановлених котлі, або відключенням їх частини. Спосіб регулювання залежить від місцевих умов і має бути зазначений у виробничої інструкції. Зміна теплової потужності пальників допустима в тому випадку, якщо вона не виходить за межі сталої роботи. Відхилення теплової потужності за межі стійкої роботи може призвести до відриву або проскоку полум'я.
Регулювати роботу окремих пальників слід у два-прийоми, повільно та поступово змінюючи витрату повітря та газу.
При зменшенні теплової потужності спочатку зменшують подачу повітря, а потім газу; при збільшенні теплової потужності спочатку збільшують подачу газу, а потім повітря.
При цьому слід регулювати розрідження в топці, змінюючи положення шиберу котлом або лопаток направляючого апарата перед димососом.
При необхідності підвищення теплової потужності пальників попередньо збільшують розрідження в топці; при зниженні теплової потужності спочатку регулюють роботу пальників, а потім зменшують розрідження в топці.
Методи спалювання газу.
Залежно від способу освіти ГВПметоди спалювання можна розділити на дифузійний, змішаний та кінетичний.
При дифузійному метод до фронту горіння газ надходить під тиском, а повітря з навколишнього простору за рахунок молекулярної або турбулентної дифузії, сумішоутворення протікає одночасно з процесом горіння, тому швидкість процесу горіння визначається швидкістю сумішоутворення.
Процес горіння починається після утворення контакту між газом і повітрям та утворення ГВП необхідного складу. При цьому до струменя газу дифундує повітря, а зі струменя газу повітря - газ. Таким чином, поблизу струменя газу створюється ГВП, внаслідок горіння якого утворюється зона первинного горіння газу (2) . Горіння основної частини газу відбувається у зоні (З),а зоні (4) рухаються продукти горіння.
Цей метод спалювання в основному застосовується в побуті. газові плитиі т.д.)
При змішаному методі спалювання газу пальник забезпечує попереднє змішування газу лише з частиною повітря, необхідного для згоряння газу. Решта повітря надходить з довкіллябезпосередньо до смолоскипу.
У цьому випадку спочатку вигоряє лише частина газу, змішана з первинним повітрям (50%-60%), а частина газу, що залишилася, розведена продуктами горіння, вигоряє після приєднання кисню вторинного повітря.
Повітря, що оточує полум'я пальника називається вторинним .
При кінетичному методі спалювання газу до місця горіння подається ГВП, повністю підготовлена всередині пальника.
Класифікація газових пальників .
Газовим пальником називають пристрій, що забезпечує стійке спалювання газоподібного палива та регулювання процесу горіння.
Основні функції газових пальників:
Подача газу та повітря до фронту горіння;
Сумішоутворення;
Стабілізація фронту займання;
Забезпечує необхідну інтенсивність процесу горіння газу.
За методом спалювання газу всі пальники можна поділити на три групи:
Дифузійні – без попереднього змішування газу з повітрям;
Дифузійно-кінетичні – з неповним попереднім змішуванням газу з повітрям;
Кінетичні – з повним попереднім змішуванням газу з повітрям.
За способом подачі повітря пальники поділяються на:
Бездуття - у яких повітря надходить у топку за рахунок розрядження в ній.
Інжекційні - у яких повітря засмоктується рахунок енергії струменя газу.
Дутьові - у яких повітря подається в пальник або топку за допомогою вентилятора.
За тиском газу, на якому працюють пальники:
- низького тискудо 0,05 кгс/см 2;
- Середнього тиску понад 0,05 до З кгс/см 2 ;
- високого тискупонад 3 кгс/см 2 .
Загальні вимоги для всіх пальників:
Забезпечення повноти згоряння газу;
Стійкість за зміни теплової потужності;
надійність при експлуатації;
Компактність;
Зручність під час обслуговування.
Склад та властивості природного газу. Природний газ (Газ пальний природний; ГДП) - Газоподібна суміш, що складається з метану і більш важких вуглеводнів, азоту, діоксиду вуглецю, водяної пари, сірковмісних сполук, інертних газів. . Метан є основним компонентом ГГП.ГГП зазвичай містить слідові кількості інших компонентів (рис.1).
1. Горючі компоненти включають вуглеводні:
а) метан (СН 4) - основний компонент газу, до 98% за обсягом (інші компоненти присутні у невеликих кількостях або відсутні). Без кольору, запаху та смаку, нетоксичний, вибухонебезпечний, легший за повітря;
б) важкі (граничні) вуглеводні [етан (С 2 Н 6), пропан (С з Н 8), бутан (С 4 Н 10) та ін.] - без кольору, запаху та смаку, нетоксичні, вибухонебезпечні, важчі за повітря.
2. Негорючі компоненти (баласт) :
а) азот (N 2) - складова частинаповітря, без кольору, запаху та смаку; інертний газ, тому що не взаємодіє з киснем;
б) кисень (Про 2) - складова частина повітря; без кольору, запаху та смаку; окислювачем.
в) вуглекислий газ (діоксид вуглецю 2) - без кольору зі злегка кислуватим присмаком. При вмісті в повітрі більше 10% токсичний, важчий за повітря;
Повітря . Сухе атмосферне повітря, це багатокомпонентна газова суміш, що складається з (об. %): азоту N 2 - 78 %, кисню О 2 - 21 %, інертних газів (аргон, неон, криптон та ін.) - 0,94 % та вуглекислого газу – 0,03 %.
 Рис.2. Склад повітря. |
Повітря також містить водяну пару і випадкові домішки - аміак, сірчистий газ, пил, мікроорганізми та ін. Мал. 2). Гази, які входять до складу повітря, розподілені в ньому рівномірно і кожен із них зберігає свої властивості в суміші.
3. Шкідливі компоненти :
а) сірководень (Н 2 S) - без кольору, із запахом тухлих яєць, токсичний, горить, важчий за повітря.
б) ціаністоводнева (синільна) кислота (HCN) - безбарвна легка рідина, в газі має газоподібний стан. Отруйна, викликає корозію металу.
4. Механічні домішки (Зміст залежить від умов транспортування газу):
а) смоли та пил - перемішуючись можуть утворити закупорки у газопроводах;
б) вода - при низьких температурах замерзає, утворюючи крижані пробки, що призводить до обмерзання пристроїв, що редукують.
ГДПпо токсикологічній характеристицівідносяться до речовин ΙV-го класу небезпеки за ГОСТ 12.1.007. Це газоподібні малотоксичні пожежонебезпечні продукти.
густина: густина атмосферного повітряза нормальних умов - 1,29 кг/м 3, а метану - 0,72 кг/м3, отже метан легший за повітря.
Вимоги ГОСТ 5542-2014 щодо показників ГГП:
1) масова концентрація сірководню- не більше 0,02 г/м3;
2) масова концентрація меркаптанової сірки- не більше 0,036 г/м3;
3) молярна частка кисню- не більше 0,050%;
4) допустимий вміст механічних домішок- не більше 0,001 г/м3;
5) молярна частка діоксиду вуглецюу природному газі, не більше 2,5%.
6) Нижча теплота згоряння ГДПза стандартних умов згоряння за ГОСТ 5542-14 - 7600 ккал/м 3 ;
8) інтенсивність запаху газу для комунально-побутового призначення при об'ємній частці 1% у повітрі – не менше 3 балів, а для газу промислового призначення цей показник встановлюють за погодженням із споживачем.
Одиниця комерційного витрати ГДП - 1 м3 газу при тиску 760 мм рт. ст. та температурі 20 про С;
Температура самозаймання- Найменша температура нагрітої поверхні, яка в заданих умовах займає горючі речовини у вигляді газо- або пароповітряної суміші. Для метану становить 537 °С. Температура горіння (максимальна температура в зоні горіння): метану – 2043 °С.
Питома теплотазгоряння метану:нижча - Q H = 8500 ккал/м 3 , вища - Qв - 9500 ккал/м 3 . Для порівняння видів палива введено поняття умовного палива (у.т.) , у РФ за його одиницюприймалася теплота згоряння 1 кг кам'яного вугілля, рівна 29,3 МДж або 7000 ккал/кг.
Умови вимірювання витрати газу бувають:
· нормальні умови(н. у): стандартні фізичні умови, із якими зазвичай співвідносять властивості речовин. Нормальні умови визначені IUPAC (Міжнародним союзом практичної та прикладної хімії) таким чином: Атмосферний тиск 101325 Па = 760 мм рт. ст..Температура повітря 273,15 K = 0° C .Щільність метану при н.у.- 0,72 кг/м3,
· стандартні умови(с. у) обсягу при взаємних ( комерційних) розрахунках із споживачами - ГОСТ 2939-63: температура 20 ° С, тиск 760 мм рт.ст. (101325 Н/м), вологість дорівнює нулю. (За ГОСТ 8.615-2013нормальні умови називаються як "стандартні умови"). Щільність метану при с.у.- 0,717 кг/м3.
Швидкість розповсюдження полум'я (швидкість горіння)- Швидкість переміщення фронту полум'я щодо свіжого струменя горючої суміші в даному напрямку. Орієнтовна швидкість поширення полум'я: пропан – 0,83 м/с, бутан – 0,82 м/с, метан – 0,67 м/с, водень – 4,83 м/с. від складу, температури, тиску суміші, співвідношення газу та повітря в суміші, діаметра фронту полум'я, характеру руху суміші (ламінарне або турбулентне) та визначає стійкість горіння.
До недоліків (Небезпечним властивостям) ГДП відносяться: вибуховість (займистість); інтенсивне горіння; швидке поширення у просторі; неможливість визначення знаходження; задушлива дія, при нестачі кисню для дихання .
Вибух (займистість) . Розрізняють:
а) нижня межа займистості ( НГЗ) – найменший вміст газу у повітрі, при якому газ займається (метан – 4,4%) . При меншому вмісті газу в повітрі займання не буде через брак газу; (Рис. 3)
б) верхня межа займистості ( ВПВ) - Найбільший вміст газу в повітрі, при якому відбувається процес займання ( метан – 17%) . При більшому вмісті газу в повітрі займання не буде через нестачу повітря. (Рис. 3)
У ФНП НГЗі ВПВназивають нижньою і верхньою концентраційною межею поширення полум'я ( НКПРПі ВКПРП) .
При підвищення тиску газу діапазон віщ верхньою та нижньою межами тиску газу – зменшується (рис. 4).
Для вибуху газу (метану) крім вмісту його в повітрі в межах займистості необхідний стороннє джерело енергії (іскра, полум'я тощо) . При вибуху газу у закритому обсязі (приміщення, топка, резервуар тощо), руйнувань більше, ніж під час вибуху на відкритому повітрі (Мал. 5).
Гранично допустимі концентрації ( ГДК) шкідливих речовинГГП у повітрі робочої зонивстановлені у ГОСТ 12.1.005.
Максимальна разова ГДКу повітрі робочої зони (У перерахунку на вуглець) становить 300 мг/м 3.
Небезпечна концентрація ГДП (об'ємна частка газу повітря)- Це концентрація, рівна 20% нижньої межі займистості газу.
Токсичність - Здатність отруювати організм людини. Вуглеводневі гази не мають сильної токсикологічної дії на організм людини, але їх вдихання викликає у людини запаморочення, а значний їх вміст у повітрі. При зниженні кисню до 16% і менше, може привести до задухою.
При спалювання газу з нестачею кисню, Т. е. з недопалом, у продуктах згоряння утворюється окис вуглецю (СО), або чадний газ, який є високотоксичним газом.
Одоризація газу - додавання в газ речовини, що сильно пахне (одоранта) для надання запаху ГДП перед постачанням споживачам до міських мереж. При використання для оздоровлення етилмеркаптану (З 2 Н 5 SН - за ступенем впливу на організм відноситься до ΙΙ-го класу токсикологічної небезпеки за ГОСТ 12.1.007-76 ), його додають 16 г на 1000м3 . Інтенсивність запаху обдарованого ГГП при об'ємній його частці 1% у повітрі має бути не менше 3 балів за ГОСТ 22387.5.
Чи не обдарований газ може поставлятися на промислові підприємства, т.к. інтенсивність запаху природного газу для промислових підприємств, що споживають газ від магістральних газопроводів, встановлюється за погодженням із споживачем.
Горіння газів.Топка котла (печі), у якій газоподібне (рідке) паливо спалюється у смолоскипі відповідає поняттю «камерна топка стаціонарного котла».
Горіння вуглеводневих газів – хімічна сполука горючих компонентів газу (вуглецю С та водню Н) з киснем повітря Про 2 (окислення) з виділенням тепла та світла: СН 4 +2О 2 = СО 2 +2Н 2 О .
При повному згорянні вуглецю утворюється вуглекислий газ (СО 2), а вода роду - водяна пара (Н 2 О) .
Теоретичнодля спалювання 1 м 3 метану необхідно 2 м 3 кисню, які містяться у 9,52 м 3 повітря (рис. 6). Якщо повітря на горіння подається недостатньо , то для частини молекул горючих компонентів не вистачатиме молекул кисню і у продуктах згоряння крім вуглекислого газу (СО 2), азоту (N 2) та водяної пари (Н 2 О) з'являться продукти неповного згоряння газу :
-чадний газ (СО), який при попаданні в приміщення може спричинити отруєння обслуговуючого персоналу;
- сажа (С) , яка, спираючись на поверхні нагрівання погіршує теплообмін;
- незгорілі метан і водень , які можуть накопичуватися в топках та газоходах (димоходах), утворюючи вибухонебезпечну суміш.При нестачі повітря відбувається неповне згоряння палива або, як кажуть, процес горіння відбувається з недопалом. Недопал може відбуватися також за погане перемішування газу з повітрям та низькою температурою в зоні горіння.
Для повного згоряння газу необхідно: наявність у місці горіння повітря в достатньої кількості тагарне змішання його з газом; висока температурау зоні горіння.
Для забезпечення повного згоряння газу повітря подається більшою, ніж потрібно теоретично, кількості, тобто з надлишком, при цьому не все повітря візьме участь у горінні. Частина тепла піде на нагрівання цього зайвого повітря та буде викинута в атмосферу разом із димовим газом.
Повнота згоряння визначається візуально (має бути блакитно - синювате полум'я з фіолетовими кінцями) або за аналізом складу димових газів.
Теоретичний (стехіометричний) об'єм повітря для горіння - Це кількість повітря, необхідне для повного спалювання одиниці об'єму ( 1 м 3 сухого газу або маси палива, що обчислюється по хімічного складупалива ).
Дійсний (фактичний, необхідний)об'єм повітря для горіння – це кількість повітря, яка дійсно витрачена для спалювання одиниці об'єму або маси палива.
Коефіцієнт надлишку повітря для горіння α - це відношення фактичного обсягу повітря для горіння до теоретичного: α = V ф / V т >1,
де: V ф - фактичний обсяг повітря, що подається, м 3 ;
V т - Теоретичний обсяг повітря, м 3 .
Коефіцієнт надлишку показує у скільки разів дійсна витрата повітря на горіння газу перевищує теоретичну залежить від конструкції газового пальника і топки: чим вони досконаліші, тим коефіцієнт α менше. При коефіцієнті надлишку повітря для казанів менше 1 призводить до неповного згоряння газу. Збільшення коефіцієнта надлишку повітря знижує к.п.д. газовикористовуючої установки. Для низки печей, де відбувається плавлення металу, щоб уникнути кисневої корозії – α < 1 і за топкою встановлюють камеру догоряння горючих компонентів, що не згоріли.
Для регулювання тяги застосовуються напрямні апарати, шибери, поворотні заслінки та електромеханічні муфти.
Переваги газоподібного палива в порівнянні з твердим та рідким– низька вартість, полегшення праці персоналу, низька кількість шкідливих домішок у продуктах згоряння, покращення умов охорони природи, відсутність необхідності в автомобільному та залізничному транспорті, гарне перемішування з повітрям (менше α), повна автоматизація, високий ккд.
Методи спалювання газу.Повітря, що йде на горіння, може бути:
1) первинний, Подається всередину пальника, де перемішується з газом (на горіння йде газоповітряна суміш).
2) вториннийнадходить безпосередньо в зону горіння.
Розрізняють такі методи спалювання газу:
1. Дифузійний метод- газ та повітря на горіння подаються роздільно та перемішуються в зоні горіння, тобто. все повітря є вторинним. Полум'я довге, потрібен великий топковий простір. (Мал. 7а).
2. Кінетичний метод - все повітря перемішується із газом усередині пальника, тобто. все повітря є первинним. Полум'я коротке, потрібен невеликий топковий простір (Мал. 7в).
3. Змішаний метод - частина повітря подається всередину пальника, де поєднується з газом (це первинне повітря), а частина повітря подається в зону горіння (вторинний). Полум'я коротшеніж при дифузійному методі (рис. 7б).
Видалення продуктів згоряння.Розрідження в топці і видалення продуктів згоряння виробляються силою тяги, що долає опору димового тракту і виникає за рахунок різниці тисків рівних висоті стовпів зовнішнього холодного повітря і легшого гарячого димового газу. При цьому відбувається рух димових газів з топки в трубу, а на їх місце в топку надходить холодне повітря (рис. 8).
Сила тяги залежить від: температури повітря та димових газів, висоти, діаметра та товщини стінки димової труби, барометричного (атмосферного) тиску, стану газоходів (димоходів), присосів повітря, розрідження в топці .
Природнасила тяги - створюється висотою димової труби, і штучнаяка - димососом при недостатній природній тязі. Сила тяги регулюється шиберами, направляючими апаратами димососів та іншими пристроями.
Коефіцієнт надлишку повітря (α ) залежить від конструкції газового пальника та топки: чим вони досконаліші, тим коефіцієнт менший і показує: у скільки разів дійсна витрата повітря на горіння газу перевищує теоретичний.
Наддув – видалення продуктів згоряння палива за рахунок роботи дутьових вентиляторів .Під час роботи «під наддувом» необхідна міцна щільна камера згоряння (топка), здатна витримати надлишковий тиск, що створюється вентилятором.
Газопальникові пристрої.Газові горілки- забезпечують подачу необхідної кількості газу та повітря, їх перемішування та регулювання процесу горіння, а обладнані тунелем, повітророзподільним пристроєм і т.д., називається газопальниковим пристроєм.
Вимоги до пальників:
1) пальники повинні відповідати вимогам відповідного технічного регламенту(мати сертифікат або декларацію відповідності) або пройти експертизу промислової безпеки;
2) забезпечувати повноту спалювання газу при всіх робочих режимах з мінімальним надлишком повітря (крім деяких пальників) газовий печей) та мінімальним викидом шкідливих речовин;
3) мати можливість застосування автоматики регулювання та безпеки, а також вимірювання параметрів газу та повітря перед пальником;
4) повинні мати просту конструкцію, бути доступними для ремонту та ревізії;
5) стійко працювати в межах робочого регулювання, при необхідності мати стабілізатори для запобігання відриву та проскоку полум'я;
Параметри газових пальників(Рис. 9). Відповідно до ГОСТ 17356-89 (Пальники газові, рідкопаливні та комбіновані. Терміни та визначення. Змін. N 1) :Межа стійкості роботи пальника , за якого ще не виникаютьзгасання, зрив, відрив, проскок полум'я та неприпустимі вібрації.
Примітка. Існують верхній та нижній межі сталої роботи.
1) Теплова потужність пальника N г. - Кількість теплоти, що утворюється в результаті спалювання палива, що підводиться до пальника в одиницю часу, N = V . Q ккал/год, де V - годинна витрата газу, м3/год; Q н. - Теплота згоряння газу, ккал/м 3 .
2) Межі стійкості роботи пальника , за якого ще не виникають згасання, зрив, відрив, проскок полум'я та неприпустимі вібрації . Примітка. Існують верхній - N в.п . та нижній -N н.п межі сталої роботи.
3) мінімальна потужність N хв. - теплова потужність пальника, що становить 1,1 потужності, що відповідає нижньому краю її стійкої роботи, тобто. потужність нижчої межі збільшена на 10%, N хв. =1,1N н.п.
4) верхня межа стійкої роботи пальника N п.п. – найбільша стійка потужність, робота без відриву та проскоку полум'я.
5) максимальна потужність пальника N мак – теплова потужність пальника, що становить 0,9 потужності, що відповідає верхньому межі її сталої роботи, тобто. потужність верхньої межі, зменшена на 10%, N макс. = 0,9 N в.
6) номінальна потужність N ном – максимальна теплова потужність пальника, коли експлуатаційні показники відповідають встановленим нормам, тобто. найбільша потужність, з якою пальник працює довгий часз високим к.п.д.
7) діапазон робочого регулювання (теплової потужності пальника) – регламентований діапазон, де може змінюватися теплова потужність пальника під час експлуатації, тобто. значення потужностей від N хв до N ном. .
8) коефіцієнт робочого регулювання Крр. – ставлення номінальної теплової потужності пальника до її мінімальної робочої теплової потужності, тобто. показує, у скільки разів номінальна потужність перевищує мінімальну: К рр. = N ном./N хв
Режим карти.Відповідно до «Правил користування газом…», затверджених ПП РФ від 17.05.2002 № 317(змін. 19.06.2017) , після закінчення будівельно-монтажних робіт на побудованому, реконструйованому або модернізованому газовикористовувальному обладнанні та обладнанні, що переводиться на газ з інших видів палива, проводяться пусконалагоджувальні та режимно-налагоджувальні роботи. Пуск газу на побудоване, реконструйоване або модернізоване газовикористовувальне обладнання та обладнання, що переводиться на газ з інших видів палива, для проведення пусконалагоджувальних робіт (комплексного випробування) та приймання обладнання в експлуатацію провадиться на підставі акта про готовність мереж газоспоживання та газовикористовуючого обладнання об'єкта капітального будівництвадо підключення (технологічного приєднання). Правилами встановлено, що:
· газовикористовувальне обладнання - котли, виробничі печі, технологічні лінії, утилізатори та інші установки, які використовують газ як паливо з метою вироблення теплової енергії для централізованого опалення, гарячого водопостачання, в технологічних процесах різних виробництв, а також інші прилади, апарати, агрегати, технологічне обладнаннята установки, що використовують газ як сировину;
· пуско-налагоджувальні роботи- комплекс робіт, що включає підготовку до пуску та пуск газовикористовуючого обладнанняз комунікаціями та арматурою, доведення навантаження газовикористовуючого обладнання до погодженого з організацією - власником обладнання рівня, а також налагодження топкового режиму газовикористовуючого обладнаннябез оптимізації коефіцієнта корисної дії;
· режимно-налагоджувальні роботи- комплекс робіт, що включає налагодження газовикористовуючого обладнання з метою досягнення проектного (паспортного) коефіцієнта корисної дії в діапазоні робочих навантажень, налагодження коштів автоматичного регулюванняпроцесів спалювання палива, теплоутилізуючих установок та допоміжного обладнання, В тому числі обладнання водопідготовки для котелень.
Згідно з ГОСТ Р 54961-2012 (Системи газорозподільні. Мережі газоспоживання) рекомендується:Режими роботигазовикористовуючого обладнання на підприємствах та в котельнях повинні відповідати режимним картам , затвердженим технічним керівником підприємства та п розробляються не рідше одного разу на три роки з коригуванням (при необхідності) режимних карт .
Позапланове режимне налагодження газовикористовуючого обладнання повинно проводитись у таких випадках: після капітального ремонтугазовикористовувального обладнання або внесення конструктивних змін, що впливають на ефективність використання газу, а також при систематичних відхиленнях контрольованих параметрів роботи газовикористовуючого обладнання від режимних карток.
Класифікація газових пальниківВідповідно до ГОСТ газові пальники класифікуються,: способу подачі компонента; ступеня підготовки горючої суміші; швидкості закінчення продуктів згоряння; характеру потоку суміші; номінальному тиску газу; ступеня автоматизації; можливості регулювання коефіцієнта надлишку повітря та характеристик факела; локалізації зони горіння; можливості використання тепла продуктів згоряння
У камерної топки газовикористовуючої установкигазоподібне паливо спалюється у факелі.
За способом подачі повітря пальники можуть бути:
1) Атмосферні пальники –повітря надходить у зону горіння безпосередньо з атмосфери:
а. Дифузійні – це найпростіший за конструкцією пальник, що являє собою, як правило, трубу з насвердленими в один або два ряди отворами. Газ надходить у зону горіння з труби через отвори, а повітря – за рахунокдифузії та енергії струменя газу (Мал. 10 ), все повітря - вторинне .
Переваги пальника : простота конструкції, надійність роботи ( неможливий проскок полум'я ), безшумність роботи, хороше регулювання.
Недоліки: мала потужність, неекономічна, високе (довге) полум'я, необхідні стабілізатори горіння для запобігання згасання полум'я пальника при відриві .
б. Інжекційні - повітря інжектується, тобто. підсмоктується усередину пальника за рахунок енергії струменя газу, що виходить із сопла. . Струмінь газу створює в зоні сопла розрідження, куди через зазор між повітряною шайбою і корпусом пальника підсмоктується повітря. Усередині пальника газ і повітря перемішуються, і газоповітряна суміш надходить у зону горіння, а решта повітря необхідне для горіння газу (вторинний), надходить у зону горіння за рахунок дифузії (мал. 11, 12, 13 ).
Залежно від кількості інжектованого повітря розрізняють інжекційні пальники: з неповним та повним попереднім змішуванням газу та повітря.
У пальники середнього та високого тиску газупідсмоктується весь необхідне повітря, тобто. все повітря первинне, відбувається повне попереднє змішання газу з повітрям. У зону горіння надходить повністю готова газоповітряна суміш і потреби у вторинному повітрі відсутня.
У пальники низького тискупідсмоктується частина повітря, необхідного для горіння (відбувається неповна інжекція повітря, це повітря первинне), а решта повітря (вторинний) надходить безпосередньо в зону горіння.
Співвідношення "газ - повітря" у зазначених пальниках регулюється положенням повітряної шайби щодо корпусу пальника. Пальники бувають однофакельні та багатофакельні з центральною та периферійною подачею газу (БІГ та БІГм) що складається з набору трубок - змішувачів 1 діаметром 48х3, об'єднаних загальним газовим колектором 2 (рис. 13 ).
Переваги пальників: простота конструкції та регулювання потужності.
Недоліки пальників: високий рівеньшуму, можливість проскоку полум'я, невеликий діапазон робочого регулювання.
2) Пальники з примусовою подачею повітря - це пальники, у яких повітря на горіння надходить від вентилятора. Газ із газопроводу надходить у внутрішню камеру пальника (рис. 14 ).
Повітря, що нагнітається вентилятором, подається в повітряну камеру 2 , проходить через завихрювач повітря 4 , закручується і перемішується в змішувачі 5 з газом, що надходить у зону горіння з газового каналу 1 через газовипускні отвори 3 .Спалювання відбувається в керамічному тунелі 7 .
 Мал. 14. Пальник із примусовою подачею повітря: 1 – газовий канал; 2 – повітряний канал; 3 – газовипускні отвори; 4 – завихрювач; 5 – змішувач; 6 – керамічний тунель (стабілізатор горіння). |  Мал. 15. Комбінований однопоточний пальник: 1 - вхід газу; 2 – вхід мазуту; 3 – вхід пари газовипускних отворів; 4 – вхід первинного повітря; 5 – вхід вторинного повітря змішувач; 6 – паромазутна форсунка; 7 – монтажна плита; 8 – завихрювач первинного повітря; 9 - завихрювач вторинного повітря; 10 – керамічний тунель (стабілізатор горіння); 11 – газовий канал; 12 – канал вторинного повітря. |
Переваги пальників: велика теплова потужність, широкий діапазон робочого регулювання, можливість регулювання коефіцієнта надлишку повітря, можливість попереднього підігріву газу та повітря.
Недоліки пальників: достатня складність конструкції; можливий відрив і проскок полум'я у зв'язку з чим виникає необхідність застосування стабілізаторів горіння (керамічний тунель).
Пальники, призначені для спалювання кількох видів палива (газоподібного, рідкого, твердого), називаються комбінованими (Мал. 15 ). Вони може бути однопоточні і двухпоточные, тобто. з одним або декількома підведеннями газу до пальника.
3) Блоковий пальник - це автоматичний пальник з примусовою подачею повітря (Мал. 16 ), скомпонована з вентилятором у єдиний блок. Пальник укомплектований системою автоматичного регулювання.
Управління процесом спалювання палива в блочних пальниках здійснюється електронним пристроєм, який називається менеджером горіння.
У пальників на рідкому паливі цей блок входить паливний насос або паливний насос і підігрівач палива.
Блок управління (менеджер горіння) керує та контролює роботу пальника, отримуючи команди від термостата (регулятора температури), електрода контролю полум'я та датчиків тиску газу та повітря.
Витрата газу регулюється дисковим затвором, розташованим поза корпусом пальника.
Підпірна шайба відповідає за змішування газу з повітрям у конічній частині полум'яної труби і використовується для регулювання повітря, що підводиться (регулювання з боку напору). Інша можливість зміни кількості повітря, що підводиться, полягає в зміні положення повітряного дискового затвора в корпусі регулятора повітря (регулювання з боку всмоктування).
Регулювання співвідношень газ – повітря (керування газовим та повітряним дисковими затворами) може бути:
· Пов'язаним, від одного виконавчого механізму:
· частотним регулюваннямвитрати повітря, шляхом зміни частоти обертання електродвигуна вентилятора із застосуванням інвертора, що складається з частотного перетворювачата імпульсного датчика.
Розпалювання пальника здійснюється автоматично приладом запалювання за допомогою електрода запалювання. Наявність полум'я контролюється електродом контролю полум'я.
Робоча послідовність включення пальника:
· Запит на вироблення тепла (від термостата);
· Вмикання електродвигуна вентилятора та попередня вентиляція топки;
· Включення електронного запалювання;
· Відкриття електромагнітного клапана, подача газу та розпалювання пальника;
· Сигнал датчика контролю полум'я про наявність полум'я.
Аварії (інциденти) на пальниках. Відрив полум'я - переміщення кореневої зони факела від вихідних отворів пальника за напрямом течії палива чи горючої суміші. Відбувається тоді, коли швидкість газоповітряної суміші або газу стає більшою за швидкість поширення полум'я. Полум'я відходить від пальника, стає нестійким і може згаснути. Через згаслий пальник продовжує йти газ і в топці може утворитися вибухонебезпечна суміш.
Відрив відбувається при: підвищенні тиску газу вище за допустиме, різке збільшення подачі первинного повітря, збільшення розрідження в топці. Для захисту від відриву застосовують стабілізатори горіння (Мал. 17): цегляні гірки та стовпчики; керамічні тунелі різних типіві цегляні щілини; поганообтічні тіла, які при роботі пальника розжарюються (при згасанні полум'я свіжий струмінь загориться від стабілізатора), а також спеціальні пілотні пальники.
Проскок полум'я - переміщення зони факелу назустріч горючій суміші, при якому відбувається проникнення полум'я всередину пальника . Це явище буває тільки в пальниках з попереднім змішуванням газу та повітря і відбувається, коли швидкість газоповітряної суміші стає меншою за швидкість поширення полум'я. Полум'я проскакує усередину пальника, де продовжує горіти, викликаючи деформацію пальника від перегріву.
Проскок відбувається при: зниженні тиску газу перед пальником нижче допустимого; розпалювання пальника при подачі первинного повітря; великої подачі газу за низького тиску повітря. При проскоку може статися невелика бавовна, внаслідок якої полум'я згасне, при цьому через непрацюючий пальник може продовжувати надходити газ і відбутися утворення вибухонебезпечної суміші в топці та газоходах установки, що використовує газо. Для захисту від проскоку застосовують пластинчасті або сітчасті стабілізаторичерез вузькі щілини і невеликі отвори проскоку полум'я не буває..
Дії персоналу при аварії на пальниках
При аварії на пальнику (відрив, проскок або згасання полум'я) при розпалюванні або в процесі регулювання необхідно: негайно припинити подачу газу на цей пальник (пальники) і запальний пристрій; провентилювати топку та газоходи не менше 10 хвилин; з'ясувати причину несправностей; доповісти відповідальній особі; після усунення причин неполадок та перевірки герметичності затвора запірної арматури перед пальником, за вказівкою відповідальної особиза інструкцією зробити повторне розпалювання.
Зміна навантаження пальника.
Існують пальники з у різний спосібзміни теплової потужності:
Пальник з багатоступеневим регулюванням теплової потужності– це пальник, при роботі якого регулятор витрати палива може встановлюватись у кількох положеннях між максимальним та мінімальним робочими положеннями.
Пальник з триступеневим регулюванням теплової потужності- це пальник, під час роботи якого регулятор витрати палива може встановлюватися в положеннях « максимальна витрата- мінімальна витрата - закрито.
Пальник з двоступінчастим регулюванням теплової потужності- Пальник, що працює в положеннях «відкрито – закрито».
Пальник з плавним регулюванням- це пальник, при роботі якого регулятор витрати палива може встановлюватись у будь-якому положенні між максимальним та мінімальним робочими положеннями.
Регулювати теплову потужність установки можна кількістю пальників, що працюють., якщо це передбачено заводом-виробником та режимною карткою.
Зміна теплової потужності вручну, щоб уникнути відриву полум'я, проводиться:
При збільшенні: спочатку збільшувати подачу газу, та був повітря.
При зменшенні: спочатку знижувати подачу повітря, та був газу;
Для запобігання аваріям на пальниках зміну їх потужності необхідно проводити плавно (у кілька прийомів) згідно з режимною картою.
Продуктами згоряння газу є діоксид вуглецю, водяні пари, кілька надлишкового кисню і азот. Продуктами неповного згоряння газу можуть бути оксид вуглецю, незгорілі водень і метан, важкі вуглеводні, сажа.
Чим більше в продуктах згоряння діоксиду вуглецю СО 2 тим менше буде в них оксиду вуглецю СО і тим повніше буде згоряння. У практику введено поняття «максимальний вміст СО 2 у продуктах згоряння». Кількість діоксиду вуглецю в продуктах згоряння деяких газів наведено нижче.
Кількість діоксиду вуглецю в продуктах згоряння газу
Користуючись даними таблиці та знаючи відсотковий вміст СО 2 у продуктах згоряння, можна легко визначити якість згоряння газу та коефіцієнт надлишку повітря а. Для цього з допомогою газоаналізатора слід визначити кількість СО 2 в продуктах згоряння газу і на отриману величину розділити значення СО 2max , взяте з таблиці. Так, наприклад, якщо при спалюванні газу в продуктах його згоряння міститься 10,2% діоксиду вуглецю, то коефіцієнт надлишку повітря в топці
α = CO 2max /CO 2 аналізу = 11,8/10,2 = 1,15.
Найбільш досконалий спосіб контролю надходження повітря в топку та повноти його згоряння – аналіз продуктів згоряння за допомогою автоматичних газоаналізаторів. Газоаналізатори періодично відбирають пробу газів, що відходять і визначають вміст в них діоксиду вуглецю, а також суму оксиду вуглецю і незгорілого водню (СО + Н 2) в об'ємних відсотках.
Якщо показання стрілки газоаналізатора за шкалою (С 2 + Н 2) дорівнюють нулю, це означає, що горіння повне, і в продуктах згоряння немає оксиду вуглецю і водню, що не згорів. Якщо стрілка відхилилася від нуля вправо, то продукти згоряння є оксид вуглецю і незгорілий водень, тобто відбувається неповне згоряння. На іншій шкалі стрілка газоаналізатора повинна показувати максимальний вміст СО 2mах у продуктах згоряння. Повне згоряннявідбувається при максимальному відсотку діоксиду вуглецю, коли стрілка покажчика шкали СО + Н2 знаходиться на нулі.
Горінням називають швидко протікає в часі хімічну реакцію з'єднання горючих компонентів палива з киснем повітря, що супроводжується інтенсивним виділенням теплоти, світла і продуктів згоряння.
Для метану реакція горіння з повітрям:
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2 O + Qн
C3 H8 + 5O2 = 3CO2 + 3H2 O + Qн
Для СУГ:
C4 H10 + 6,5O2 = 4CO2 + 5H2 O + Qн
Продуктами повного згоряння газів є водяні пари (H2 O), диоксид вуглецю (CO2 ) або вуглекислий газ.
При повному згорянні газів колір полум'я, як правило, блакитно-фіолетовий.
Об'ємний склад сухого повітря приймається:O2 ≈ 21%, N2 ≈ 79%, з цього слід.
1м3 кисню міститься в 4,76 м3 (≈ 5 м3) повітря.
Висновок: для спалювання
- 1м3 метану необхідно 2м3 кисню або близько 10м3 повітря,
- 1м3 пропану - 5м3 кисню або близько 25м3 повітря,
- 1м3 бутану - 6,5м3 кисню або близько 32,5м3 повітря,
- 1м3 ЗВГ ~ 6м3 кисню або близько 30м3 повітря.
Практично при спалюванні газу водяні пари зазвичай не конденсуються, а видаляються разом з іншими продуктами згоряння. Тому технічні розрахункиведуть за нижчою теплотою згоряння Qн.
Умови, необхідні для горіння:
1. наявність палива (газу);
2. наявність окислювача (кисню повітря);
3. наявність джерела температури займання.
Неповне згоряння газів.
Причиною неповного згоряння газу є недостатня кількість повітря.
Продуктами неповного згоряння газів є оксид вуглецю або чадний газ (CO), незгорілі горючі вуглеводні (Cn Hm) та атомарний вуглець або сажа.
Для природного газуCH4 + O2 → CO2 + H2 O + CO+ CH4 + C
Для СУГCn Hm + O2 → CO2 + H2 O + CO + Cn Hm + C
Найбільш небезпечною є поява чадного газу, який діє на організм людини отруйно. Утворення сажі надає полум'ю жовтого забарвлення.
Неповне згоряння газу небезпечне для здоров'я людини (при вмісті 1% СО у повітрі 2-3 зітхання для людини достатньо, щоб отруїтися зі смертельним наслідком).
Неповне згоряння неекономічно (сажа перешкоджає процесу передачі тепла, при неповному згорянні газу ми недоотримуємо тепло, заради якого спалюємо газ).
Для контролю повноти згоряння звертають увагу на колір полум'я, яке при повному згорянні має бути блакитним, а при неповному згорянні – жовтувато-солом'яним. Найбільш досконалий спосіб контролю повноти згоряння – аналіз продуктів згоряння за допомогою газоаналізаторів.
Способи спалювання газу.
Поняття про первинне та вторинне повітря.
Існують 3 способи спалювання газу:
1) дифузійний,
2) кінетичний,
3) змішаний.
Дифузійний спосіб або без попереднього змішування газу з повітрям.
З пальника до зони горіння надходить лише газ. Повітря, необхідне горіння, змішується з газом у зоні горіння. Це повітря називається вторинним.
Полум'я витягнуте, жовтого кольору.
a= 1,3÷1,5t≈ (900÷1000) про С
Кінетичний спосіб - спосіб з повним попереднім змішуванням газу з повітрям.
У пальник подається газ та подається повітря дуттьовим пристроєм. Повітря, необхідне для горіння і яке подається в пальник для попереднього змішування з газом, називається первинним.
Полум'я коротке, зеленувато-синюватого кольору.
a= 1,01÷1,05t≈ 1400о С
Змішаний спосіб - спосіб із частковим попереднім змішуванням газу з повітрям.
Газ інжектує первинне повітря у пальник. У зону горіння з пальника надходить газоповітряна суміш із недостатньою для повного згоряння кількістю повітря. Решта повітря - вторинне.
Полум'я середніх розмірів, зеленувато-блакитного кольору.
a=1,1 ¸ 1,2 t≈1200о С
Коефіцієнт надлишку повітряa= Lпр./Lтеор. - це відношення кількості повітря, необхідного для горіння практично до кількості повітря, необхідного для горіння та теоретично порахованого.
Завжди має бутиa>1, інакше буде недопал.
Lпр.=a∙ Lтеор., тобто. коефіцієнт надлишку повітря показує у скільки разів кількість повітря, необхідного для горіння практично більше кількості повітря, необхідного для горіння і порахованого теоретично.
Горіння природного газу є складним фізико-хімічним процесом взаємодії горючих його складових з окислювачем, при цьому відбувається перетворення хімічної енергії палива в тепло. Горіння буває повним та неповним. При перемішуванні газу з повітрям, достатньо високою для горіння температури в топці, безперервної подачі палива та повітря здійснюється повне згоряння палива. Неповне згоряння палива відбувається при недотриманні цих правил, що призводить до меншого виділення тепла, (СО), водню (Н2), метану (СН4), і як наслідок, до осідання сажі на поверхнях нагріву, погіршуючи теплообмін та збільшуючи втрати кількості тепла, що у свою чергу призводить до перевитрати палива та зниження ККД котла та відповідно до забруднення атмосфери.
Коефіцієнт надлишку повітря залежить від конструкції газового пальника та топки. Коефіцієнт надлишку повітря повинен бути не менше 1, інакше це може призвести до неповного згоряння газу. А також збільшення коефіцієнта надлишку повітря знижує ККД тепловикористовуючої установки за рахунок великих втрат теплоти з газами.
Визначається повнота згоряння за допомогою газоаналізатора та за кольором та запахом.
Повне згоряння газу. метан + кисень = вуглекислий газ + вода СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2 Крім цих газів в атмесферу з горючими газами виходить азот і кисень, що залишився. N2 + O2 Якщо згоряння газу відбувається не повністю, то в атмосферу викидаються горючі речовини – чадний газ, водень, сажа.
Неповне згоряння газу відбувається через недостатню кількість повітря. При цьому візуально в полум'ї з'являються мови кіптяви. Небезпека неповного згоряння газу полягає в тому, що чадний газ може спричинити отруєння персоналу котельні. Зміст СО повітря 0,01-0,02% може викликати легке отруєння. Більш висока концентрація може призвести до важкого отруєння і смерті. Сажа, що утворюється, осідає на стінках котлів, погіршивши, тим самим передачу тепла теплоносія знижує ефективність роботи котельні. Сажа проводить тепло гірше метану в 200 разів. Теоретично для спалювання 1м3 газу необхідно 9м3 повітря. У реальних умовах повітря потрібно більше. Тобто необхідна надмірна кількість повітря. Ця величина позначається альфа показує у скільки разів повітря витрачається більше, ніж необхідно теоретично. Зі збільшенням кількості надлишкового повітря вище за рекомендоване, зростають втрати тепла. При значному збільшенні кількості повітря може статися відрив полум'я, створивши аварійну ситуацію. Якщо кількість повітря менша за рекомендоване, то горіння буде неповним, створюючи тим самим загрозу отруєння персоналу котельні. Неповне горіння визначається: ,