Повне та неповне горіння газу. Характеристика продуктів згоряння котелями, що викидаються в атмосферу Горіння газу

Природний газ- це найпоширеніше паливо на сьогоднішній день. Природний газ так і називається природним, тому що він видобувається з надр Землі.

Процес горіння газу є хімічною реакцією, за якої відбувається взаємодія природного газу з киснем, що міститься у повітрі.

У газоподібному паливі є горюча частина і негорюча.

Основним пальним компонентом газу є метан - CH4. Його вміст у природному газі досягає 98%. Метан не має запаху, не має смаку та є нетоксичним. Межа його займистості знаходиться від 5 до 15%. Саме ці якості дозволили використовувати природний газ як один із основних видів палива. Небезпечно для життя концентрація метану більше 10%, так може настати ядуху, внаслідок нестачі кисню.

Для виявлення витоку газу, газ піддають одоризації, інакше кажучи додають сильно пахнучу речовину (етилмеркаптан). При цьому газ можна виявити вже за концентрації 1 %.

Крім метану в природному газі можуть бути горючі гази - пропан, бутан і етан.

Для забезпечення якісного горіння газу необхідно в достатній кількості підвести повітря в зону горіння і досягти хорошого перемішування газу з повітрям. Оптимальним вважається співвідношення 1:10. Тобто одну частину газу припадає десять частин повітря. Крім цього необхідно створення потрібного температурного режиму. Щоб газ спалахнув необхідно його нагріти до температури його займання і надалі температура не повинна опускатися нижче за температуру займання.

Необхідно організувати відведення продуктів згоряння в атмосферу.

Повне горіннядосягається в тому випадку, якщо в продуктах згоряння, що виходять в атмосферу, відсутні горючі речовини. При цьому вуглець і водень з'єднуються разом і утворюють вуглекислий газта пари води.

Візуально при повному згорянні полум'я світло-блакитне або блакитно-фіолетове.

Крім цих газів в атмесферу з горючими газами виходить азот і кисень, що залишився. N 2 + O 2

Якщо згоряння газу відбувається в повному обсязі, то 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 не повного згоряннягазу полягає в тому, що чадний газ може стати причиною отруєння персоналу котельні. Зміст ЗІ повітря 0,01-0,02% може викликати легке отруєння. Вища концентрація може призвести до тяжкого отруєння та смерті.

Сажа, що утворюється, осідає на стінках котлів, що погіршує, тим самим передачу тепла теплоносія знижує ефективність роботи котельні. Сажа проводить тепло гірше за метан у 200 разів.

Теоретично для спалювання 1м3 газу необхідно 9м3 повітря. У реальних умовах повітря потрібно більше.

Тобто необхідна надмірна кількість повітря. Ця величина альфа, що позначається, показує у скільки разів повітря витрачається більше, ніж необхідно теоретично.

Коефіцієнт альфа залежить від типу конкретного пальника і зазвичай прописується в паспорті пальника або у відповідність до рекомендацій організації пусконалагоджувальної роботи.

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.

Для більш точного контролю якості згоряння палива існують прилади - газоаналізатори, які вимірюють вміст певних речовин у складі газів.

Газоаналізатори можуть надходити в комплекті з казанами. Якщо їх немає, відповідні вимірювання проводить пусконалагоджувальна організація за допомогою переносних газоаналізаторів. Складається режимна карта, в якій прописуються необхідні контрольні параметри. Дотримуючись їх, можна забезпечити нормальне повне згоряння палива.

Основними параметрами регулювання горіння палива є:

• співвідношення газу і повітря, що подаються на пальники.

• коефіцієнт надлишку повітря.

• розрядження у топці.

• Коефіцієнт корисної діїказана.

При цьому під коефіцієнтом корисної дії котла мають на увазі співвідношення корисного тепла до величини всього витраченого тепла.

Склад повітря

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 згоряння відбувається при максимальному відсотку діоксиду вуглецю, коли стрілка покажчика шкали СО + Н2 знаходиться на нулі.

Одоризація

Горючі гази не маю запаху. Для своєчасного визначення наявності їх у повітрі, швидкого та точного виявлення місць витоку газ – одарують (дають запах). Для одоризації використовують етилмеркаптан (З 2 Н 5 SН). Норма одоризації 16 гр етилмеркаптану на 1000 м 3 газу, 8 гр етилмеркаптанової сірки на 1000 м³. Одоризація проводиться на газорозподільних станціях (ГРС). За наявності повітря 1% природного газу повинен відчуватися його запах.

20% газу в приміщенні викликає задуху

5-15% вибух

0,15% чадного газу СО- отруєння; 0,5% СО = 30 хв. дихати летальний кінець; 1% чадного газу летальний кінець.

Метан та інші вуглеводневі гази не отруйні, але вдихання їх викликає запаморочення, а значний вміст у повітрі призводить до задухи через нестачу кисню.

Згоряння палива повне та неповне:

Для згоряння 1м³ газу потрібно 10м³ повітря.

Горіння природного газу – це реакція, коли відбувається перетворення хімічної енергії палива в тепло.

Горіння буває повним та неповним. Повне горіння відбувається за достатньої кількості кисню.

При повному згорянні газу утворюється СО 2 (вуглекислий газ), Н 2

(Вода). У разі неповного згоряння газу втрата теплоти. Недолік кисню Про 2 окислювачі.

Продукти неповного горінняСО - чадний газ, що отруює дії, З вуглець, сажа.

Неповне згоряння – це незадовільна суміш газу з повітрям, надмірне охолодження полум'я до завершення реакції горіння.

Реакція горіння основних компонентів газу:

1:10 метан СН 4 + 20 2 = СО 2 + 2Н 2 О = двоокис вуглецю + вода

неповне згоряння газу СН 4 + 1,5О 2 =2Н 2 О + СО - чадний газ

Переваги та недоліки природного газу перед іншими видами палива.

Переваги:

Вартість видобутку газу значно нижча, ніж вугілля та нафти;

Висока теплота згоряння;

Забезпечено повноту згоряння та полегшення умов обслуговуючого персоналу;

Відсутність у природних газах окису вуглецю та сірководню попереджає отруєння при витоках газу;

При спалюванні газу необхідний мінімальний залишок повітря печі і при цьому відсутні витрати в результаті механічного спалювання;

При спалюванні газового паливазабезпечується точніше регулювання температури;

При спалюванні газу пальника можна розмістити в доступному місці печі, що дає можливість кращої тепловіддачі та необхідності температурного режиму;

Можливість зміни форми полум'я для нагрівання у певному місці.

Недоліки:

Вибух та пожежонебезпечний;

Процес спалювання газу можливий лише за витіснення кисню;

Ефект вибуху при самозайманні;

Можливість детонації суміші газу та повітря.

Горіння газоподібного палива є поєднанням наступних фізичних і хімічних процесів: змішання пального газу з повітрям, підігрів суміші, термічне розкладання горючих компонентів, займання і хімічне з'єднання горючих елементів з киснем повітря.

Стійке горіння газоповітряної суміші можливе при безперервному підведенні до фронту горіння необхідних кількостей пального газу та повітря, їх ретельному перемішуванні та нагріванні до температури займання або самозаймання (табл. 5).

Запалення газоповітряної суміші може бути здійснено:

• нагріванням всього обсягу газоповітряної суміші до температури самозаймання. Такий спосіб застосовують у двигунах внутрішнього згоряння, де газоповітряну суміш нагрівають швидким стисненням до певного тиску;
• застосуванням сторонніх джерел запалювання (запальників тощо). В цьому випадку до температури займання нагрівається не вся газоповітряна суміш, а її частина. Цей спосібзастосовується при спалюванні газів у пальниках газових приладів;
• існуючим смолоскипом безперервно в процесі горіння.

Для початку реакції горіння газоподібного палива слід витратити певну кількість енергії, необхідної для розриву молекулярних зв'язків та створення нових.

Хімічна формула згоряння газового палива із зазначенням всього механізму реакції, пов'язаного з виникненням та зникненням великої кількостівільні атоми, радикали та інші активні частинки складні. Тому для спрощення користуються рівняннями, що виражають початковий та кінцевий стан реакцій горіння газу.

Якщо вуглеводневі гази позначити З m Н n , то рівняння хімічної реакціїгоріння цих газів у кисні набуде вигляду

C m H n + (m + n/4)O 2 = mCO 2 + (n/2)H 2 O ,

де m - кількість атомів вуглецю у вуглеводневому газі; n – кількість атомів водню в газі; (m + n/4) - кількість кисню, необхідне повного згоряння газу.

Відповідно до формули виводяться рівняння горіння газів:

• метану СН 4 + 2O 2 = СO 2 + 2Н 2 O
• етану З 2 Н 6 + 3,5O 2 = 2СO 2 + ДН 2 O
• бутану С 4 Н 10 + 6,5O 2 = 4СO 2 + 5Н 2 0
• пропану C 3 H 8 + 5O 3 = ЗСO 2 + 4Н2O.

У практичних умовспалювання газу кисень береться не в чистому вигляді, А входить до складу повітря. Оскільки повітря складається за обсягом на 79 % з азоту і 21 % з кисню, то кожен обсяг кисню потрібно 100: 21 = 4,76 обсягу повітря чи 79: 21 = = 3,76 обсягу азоту. Тоді реакцію горіння метану у повітрі можна записати так:

СН 4 + 2O 2 + 2*3,76N 2 = CO 2 + 2H 2 O + 7,52N 2 .

З рівняння видно, що спалювання 1 м 3 метану потрібно 1 м 3 кисню і 7,52 м 3 азоту чи 2 + 7,52 = 9,52 м 3 повітря.

В результаті згоряння 1 м 3 метану виходить 1 м 3 діоксиду вуглецю, 2 м 3 водяної пари і 7,52 м 3 азоту. У таблиці нижче наведені ці дані найбільш поширених горючих газів.

Для процесу горіння газоповітряної суміші необхідно, щоб кількість газу і повітря газоповітряної суміші було в певних межах. Ці межі називаються межами займистості або межами вибуховості. Розрізняють нижню і верхню межі займистості. Мінімальний вміст газу в газоповітряній суміші, виражене в об'ємних відсотках, при якому відбувається займання, називається нижньою межею займистості. Максимальний вміст газу в газоповітряній суміші, вище якого суміш не займається без підведення додаткової теплоти, називається верхньою межею займистості.

Кількість кисню та повітря при спалюванні деяких газів

Якщо в газоповітряній суміші міститься газу менше нижньої межі займистості, то вона не горітиме. Якщо газоповітряної суміші недостатньо повітря, то горіння протікає в повному обсязі.

Великий вплив на величини меж вибуховості надають інертні домішки у газах. Збільшення вмісту в газі баласту (N 2 і С 2 ) звужує межі займистості, а при підвищенні вмісту баласту вище за певні межі газоповітряна суміш не займається при будь-яких співвідношеннях газу і повітря (таблиця нижче).

Кількість обсягів інертного газу на 1 обсяг пального газу, при якому газоповітряна суміш перестає бути вибухонебезпечною

Найменша кількість повітря, необхідна для повного спалюваннягазу називається теоретичною витратою повітря і позначається Lt, тобто якщо нижча теплота згоряння газового палива 33520 кДж/м 3 теоретично необхідна кількість повітря для спалювання 1 м 3 газу

L T= (33520/4190) / 1,1 = 8,8 м 3 .

Однак дійсна витрата повітря завжди перевищує теоретичну. Пояснюється це тим, що дуже важко досягти повного згоряння газу за теоретичних витрат повітря. Тому будь-яка газова установкадля спалювання газу працює з деяким надлишком повітря.

Отже, практична витрата повітря

L n = αL T,

де L n- практична витрата повітря; α - Коефіцієнт надлишку повітря; L T- Теоретична витрата повітря.

Коефіцієнт надлишку повітря завжди більше одиниці. Для природного газу він складає α = 1,05 – 1,2. Коефіцієнт α показує, скільки разів дійсна витрата повітря перевищує теоретичний, який приймається за одиницю. Якщо α = 1, то газоповітряна суміш називається стехіометричної.

При α = 1,2 спалювання газу проводиться з надлишком повітря на 20%. Як правило, спалювання газів повинно проходити з мінімальним значенням а, так як зі зменшенням надлишку повітря знижуються втрати теплоти з газами, що йдуть. Повітря, що бере участь у горінні, буває первинним та вторинним. Первиннимназивається повітря, що надходить у пальник для змішування в ньому з газом; вторинним- Повітря, що надходить в зону горіння не в суміші з газом, а окремо.

Зміст розділу

При спалюванні органічних палив у топках котлів утворюються різні продукти згоряння, такі як оксиди вуглецю СО х = СО + СО 2 водяні пари Н 2 О, оксиди сірки SO x = SO 2 + SО 3 оксиди азоту NO x = NO + NО 2 , поліциклічні ароматичні вуглеводні (ПАУ), фтористі сполуки, сполуки ванадію V 2 O 5 , тверді частинки та ін. (Див. табл. 7.1.1). При неповному згорянні палива в топках гази можуть також містити вуглеводні СН 4 , С 2 Н 4 та ін. Всі продукти неповного згоряння є шкідливими, проте при сучасної технікиспалювання палива їх освіту можна звести до мінімуму [1].

Таблиця 7.1.1. Питомі викиди при факельному спалюванні органічного палива в енергетичних котлах [ 3 ]

Умовні позначення: А р, S ​​p – відповідно вміст золи та сірки на робочу масу палива, %.

Критерієм санітарної оцінки середовища є гранично допустима концентрація (ГДК) шкідливої ​​речовини в атмосферному повітрі на рівні землі. Під ГДК слід розуміти таку концентрацію різних речовинта хімічних сполук, яка при щоденному впливі протягом тривалого часу на організм людини не викликає будь-яких патологічних змінчи захворювань.

Гранично допустимі концентрації (ГДК) шкідливих речовинв атмосферному повітрі населених місць наведено у табл. 7.1.2 [4]. Максимально-разова концентрація шкідливих речовин визначається за пробами, відібраними протягом 20 хв, середньодобова – за добу.

Таблиця 7.1.2. Гранично допустимі концентрації шкідливих речовин у атмосферному повітрі населених місць

Розрахунки ведуться по кожній шкідливій речовині окремо, щоб концентрація кожного з них не перевищувала значень, наведених у табл. 7.1.2. Для котелень ці умови посилені запровадженням додаткових вимогпро необхідність підсумовування впливу оксидів сірки та азоту, що визначається виразом

У той же час, внаслідок локальних недоліків повітря або несприятливих теплових і аеродинамічних умов, у топках і камерах згоряння утворюються продукти неповного згоряння, що складаються в основному з монооксиду вуглецю СО (чадного газу), водню Н 2 і різних вуглеводнів, які характеризують втрати тепла котлоагрегаті від хімічної неповноти згоряння (хімічний недопал).

Крім цього, у процесі спалювання виходить цілий ряд хімічних сполук, що утворюються внаслідок окислення різних складових палива та азоту повітря N 2 . Найбільш істотну їх частину становлять оксиди азоту NO x і сірки SO x.

Оксиди азоту утворюються з допомогою окислення як молекулярного азоту повітря, і азоту, що міститься в паливі. Експериментальні дослідження показали, що основна частка котлів, що утворилися в топках, х, а саме 96÷100%, припадає на монооксид (оксид) азоту NO. Діоксид NO 2 і геміоксид N 2 O азоту утворюються в значно менших кількостях, і їхня частка приблизно становить: для NO 2 - до 4%, а для N 2 O - соті частки відсотка від загального викиду NO x . При типових умовах факельного спалювання палив у котлах концентрації діоксиду азоту NO 2 як правило, зневажливо малі в порівнянні з вмістом NO і зазвичай становлять від 0÷7 ррmдо 20÷30 ррm. У той же час швидке перемішування гарячих та холодних областей у турбулентному полум'ї може призвести до появи відносно великих концентрацій діоксиду азоту у холодних зонах потоку. Крім цього, часткова емісія NO 2 відбувається у верхній частині топки та в горизонтальному газоході (при T> 900÷1000 К) і за певних умов може досягати помітних розмірів.

Геміоксид азоту N 2 O, що утворюється при спалюванні палив, є, мабуть, короткочасною проміжною речовиною. N 2 O практично відсутня у продуктах згоряння за казанами.

Сірка, що міститься в паливі, є джерелом утворення оксидів сірки SO x: сірчистого SO 2 (діоксид сірки) і сірчаного SO 3 (триоксид сірки) ангідридів. Сумарний масовий викид SO x залежить тільки від вмісту сірки у паливі S p , а їх концентрація у димових газах – ще й від коефіцієнта витрати повітря α. Як правило, частка SO 2 становить 97÷99%, а частка SO 3 – 1÷3% сумарного виходу SO x . Фактичний вміст SO 2 у газах, що виходять з котлів, коливається від 0,08 до 0,6 %, а концентрація SO 3 – від 0,0001 до 0,008 %.

Серед шкідливих компонентів димових газівособливе місце посідає велика групаполіциклічних ароматичних вуглеводнів (ПАУ) Багато ПАУ мають високу канцерогенну та (або) мутагенну активність, активізують фотохімічні змоги в містах, що потребує суворого контролю та обмеження їх емісії. У той самий час деякі ПАУ, наприклад, фенантрен, флуорантен, пирен та інших, фізіологічно майже інертні і є канцерогенно-опасными.

ПАУ утворюються внаслідок неповного згоряння будь-яких вуглеводневих палив. Останнє має місце через гальмування реакцій окиснення вуглеводнів палива холодними стінками топкових пристроїв, а також може бути викликане незадовільним змішуванням палива та повітря. Це призводить до утворення в топках (камерах згоряння) локальних окислювальних зон зниженою температуроюабо зон із надлишком палива.

Внаслідок великої кількості різних ПАУ в димових газах та труднощі вимірювання їх концентрацій прийнято рівень канцерогенної забрудненості продуктів згоряння та атмосферного повітряоцінювати за концентрацією найбільш сильного та стабільного канцерогену – бенз(а)пірена (Б(а)П) C 20 H 12 .

Зважаючи на високу токсичність, слід особливо відзначити такі продукти спалювання мазуту, як оксиди ванадію. Ванадій міститься в мінеральній частині мазуту та при його спалюванні утворює оксиди ванадію VO, VO 2 . Однак при утворенні відкладень на конвективних поверхнях оксиди ванадію представлені переважно у вигляді V 2 O 5 . Пентаоксид ванадію V 2 O 5 є найбільш токсичною формою оксидів ванадію, тому облік викидів виробляється в перерахунку на V 2 O 5 .

Таблиця 7.1.3. Орієнтовна концентрація шкідливих речовин у продуктах згоряння при факельному спалюванні органічних палив в енергетичних котлах

При спалюванні мазуту і твердого палива у викидах також містяться тверді частинки, що складаються з летючої золи, сажистих частинок, ПАВ і незгорілого в результаті механічного недопалу палива.

Діапазони концентрацій шкідливих речовин у димових газах при спалюванні різних типів палив наведено у табл. 7.1.3.