Продукти згоряння газу та контроль процесу горіння. Природний газ

Горіння газу – реакція з'єднання горючих компонентів газу з киснем повітря, що супроводжується виділенням тепла. Процес горіння залежить від хімічного складупалива. Основний компонент природного газуметан, пальним також є етан, пропан і бутан, які містяться в невеликих кількостях.

Природний газ, що видобувається із західносибірських родовищ, майже повністю (до 99 %) складається з метану СН4. Повітря складається з кисню (21%) та азоту та незначної кількості інших негорючих газів (79%). Спрощено реакція повного згоряння метану виглядає наступним чином:

СН4 + 2О2 + 7,52 N2 = СО2 + 2Н20 + 7,52 N2

В результаті реакції горіння при повному згорянні утворюється вуглекислий газ CO2 і пари води H2O речовини, що не надають шкідливого впливу на навколишнє середовищета людини. Азот N, у реакції не бере участі. Для повного згоряння 1 м³ метану теоретично необхідно 9,52 м³ повітря. Для практичних цілей вважається, що для повного згоряння 1 м природного газу необхідно не менше 10 м повітря. Однак якщо подавати лише теоретично необхідну кількість повітря, то досягти повного згоряння палива неможливо: важко так перемішати газ із повітрям, щоб до кожної його молекули було підведено необхідну кількість молекул кисню. Насправді на горіння подається повітря більше, ніж теоретично необхідно. Величина надлишку повітря визначається коефіцієнтом надлишку повітря, який показує відношення кількості повітря, фактично витраченого на горіння, до теоретично необхідної кількості:

α = V факт./V теор.

де V кількість повітря, фактично витраченого на горіння, м3;
V - теоретично необхідна кількість повітря, м3.

Коефіцієнт надлишку повітря є найважливішим показникомхарактеризує якість спалювання газу пальником. Чим менше а, тим менше теплоти віднесуть гази, тим вище коефіцієнт корисної дії газовикористовуючого обладнання. Але спалювання газу з недостатнім надлишком повітря призводить до нестачі повітря, що може стати причиною неповного згоряння. Для сучасних пальників з повним попереднім змішуванням газу з повітрям коефіцієнт надлишку повітря лежить у межах 1,05 - 1,1», тобто на горіння витрачається повітря на 5 - 10% більше від теоретично необхідного.

При неповному згорянні в продуктах горіння міститься значна кількість окису вуглецю, а також незгорілий вуглець у вигляді сажі. Якщо пальник працює дуже погано, то в продуктах згоряння може бути водень і незгорілий метан. Оксид вуглецю СО (чадний газ) забруднює повітря в приміщенні (при використанні обладнання без відведення продуктів згоряння в атмосферу) газових плит, колонок невеликої теплової потужності) і надає отруйну дію. Сажа забруднює поверхні теплообміну, різко зменшує теплопередачу та знижує коефіцієнт корисної дії побутового газовикористовуючого обладнання. Крім того, при використанні газових плит відбувається забруднення посуду сажею, для видалення якого необхідно докласти значних зусиль. У водонагрівачів сажа забруднює теплообмінник, у «запущених» випадках практично до припинення передачі тепла від продуктів згоряння: колонка горить, а вода нагрівається на кілька градусів.

Неповне згоряння відбувається:

• при недостатній кількості повітря, що надходить на горіння;
• при поганому перемішуванні газу та повітря;
• при надмірному охолодженні полум'я до завершення реакції горіння.

Якість спалювання газу можна контролювати за кольором полум'я. Неякісне спалювання газу характеризується жовтим полум'ям, що коптить. При повному спалюванні газу полум'я є коротким факелом блакитно-фіолетового кольору з високою температурою. Для контролю роботи промислових пальників застосовують спеціальні прилади, що аналізують склад димових газівта температуру продуктів спалювання. В даний час при налагодженні окремих типів побутового газовикористовуючого обладнання також можливе регулювання процесу горіння за температурою та аналізом газів.

Voted Thanks!

Можливо Вам буде цікаво:

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 паливаіз 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 СО 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.

Антропотоксини;

продукти деструкції полімерних матеріалів;

Речовини, що надходять у приміщення із забрудненим атмосферним повітрям;

Хімічні речовини, що виділяються з полімерних матеріалів навіть у невеликих кількостях, можуть спричинити суттєві порушення у стані живого організму, наприклад, у разі алергічного впливу полімерних матеріалів.

Інтенсивність виділення летких речовин залежить від умов експлуатації полімерних матеріалів – температури, вологості, кратності повітрообміну, часу експлуатації.

Встановлено пряму залежність рівня хімічного забруднення повітряного середовища від загальної насиченості приміщень полімерними матеріалами.

Більш чутливий до впливу летких компонентів з полімерних матеріалів організм, що росте. Встановлено також підвищену чутливість хворих до дії хімічних речовин, що виділяються із пластиків, порівняно зі здоровими. Дослідження показали, що в приміщеннях з великою насиченістю полімерами схильність населення до алергічних, простудних захворювань, неврастенії, вегетодистонії, гіпертонії виявилася вищою, ніж у приміщеннях, де полімерні матеріали використовувалися в меншій кількості.

Для забезпечення безпеки застосування полімерних матеріалів прийнято, що концентрації летючих речовин, що виділяються з полімерів, в житлових і громадських будівляхне повинні перевищувати їх ГДК, встановлені для атмосферного повітря, а сумарний показник відносин виявлених концентрацій кількох речовин до їх ГДК має бути не вищим за одиницю. З метою запобіжного санітарного нагляду за полімерними матеріалами та виробами з них запропоновано лімітувати виділення ними шкідливих речовину навколишнє середовище або на стадії виготовлення, або незабаром після їхнього випуску заводами-виробниками. В даний час обґрунтовано допустимі рівні близько 100 хімічних речовин, що виділяються з полімерних матеріалів.

У сучасне будівництвовсе виразніше проявляється тенденція до хімізації технологічних процесів та використання як суміші різних речовин, в першу чергу бетону та залізобетону. З гігієнічної точки зору важливо враховувати несприятливий вплив хімічних добавок на будівельні матеріали через виділення токсичних речовин.

Не менш потужним внутрішнім джерелом забруднення середовища приміщень є і продукти життєдіяльності людини -антропотоксини. Встановлено, що у процесі життєдіяльності людина виділяє приблизно 400 хімічних сполук.

Дослідження показали, що повітряне середовище приміщень, що не вентилюються, погіршується пропорційно числу осіб і часу їх перебування в приміщенні. Хімічний аналізповітря приміщень дозволив ідентифікувати в них ряд токсичних речовин, розподіл яких за класами небезпеки представляється таким чином: диметиламін, сірководень, двоокис азоту, окис етилену, бензол (другий клас небезпеки – високонебезпечні речовини); оцтова кислота, фенол, метилстирол, толуол, метанол, вінілацетат (третій клас небезпеки - малонебезпечні речовини). П'ята частина виявлених антропотоксинів відноситься до високонебезпечних речовин. При цьому виявлено, що в приміщенні, що не вентилюється, концентрації диметиламіну і сірководню перевищували ГДК для атмосферного повітря. Перевищували ГДК або перебували на їх рівні та концентрації таких речовин, як двоокис та окис вуглецю, аміак. Інші речовини, хоч і становили десяті та менші частки ГДК, разом узяті свідчили про неблагополуччя повітряного середовища, оскільки навіть дво-чотиригодинне перебування в цих умовах негативно позначалося на розумовій працездатності досліджуваних.

Вивчення повітряного середовища газифікованих приміщень показало, що при годинному горінні газу в повітрі приміщень концентрація речовин становила (мг/м 3): окису вуглецю - в середньому 15, формальдегіду - 0,037, окису азоту - 0,62 двоокису азоту - 0,44 бензолу – 0,07. Температура повітря у приміщенні під час горіння газу підвищувалася на 3-6 ° С, вологість збільшувалася на 10-15%. Причому високі концентрації хімічних сполук спостерігалися у кухні, а й у житлових приміщеннях квартири. Після вимкнення газових приладів вміст у повітрі окису вуглецю та інших хімічних речовин знижувався, але до вихідних величин іноді не повертався і через 1,5-2,5 год.

Вивчення дії продуктів горіння побутового газуна зовнішнє дихання людини виявило збільшення навантаження на систему дихання та зміну функціонального стану центральної нервової системи.

Одним із найпоширеніших джерел забруднення повітряного середовища закритих приміщень є куріння.При спектрометричному аналізі повітря, забрудненого тютюновим димом, виявлено 186 хімічних сполук. У приміщеннях, що недостатньо провітрюються, забруднення повітряного середовища продуктами куріння може досягати 60-90%.

При вивченні впливу компонентів тютюнового диму на некурців (пасивне куріння) у піддослідних спостерігалося подразнення слизових оболонок очей, збільшення вмісту в крові карбоксигемоглобіну, почастішання пульсу, підвищення рівня артеріального тиску. Таким чином, основні джерела забрудненняповітряного середовища приміщення умовно можна поділити на чотири групи:

Значимість внутрішніх джерел забруднення у різних типах будинків неоднакова. У адміністративних будівляхрівень сумарного забруднення найбільш тісно корелює з насиченістю приміщень полімерними матеріалами (R = 0,75), у критих спортивних спорудах рівень хімічного забруднення найбільше добре корелює з чисельністю людей у ​​них (R = 0,75). Для житлових будинків тіснота кореляційного зв'язку рівня хімічного забруднення як із насиченістю приміщень полімерними матеріалами, так і з кількістю людей у ​​приміщенні приблизно однакова.

Хімічне забруднення повітряного середовища житлових та громадських будівель за певних умов (поганої вентиляції, надмірної насиченості приміщень полімерними матеріалами, великому скупченнілюдей та ін.) може досягати рівня, що надає негативний впливна загальний станорганізм людини.

У Останніми роками, За даними ВООЗ, значно зросла кількість повідомлень про так званий синдром хворих будівель. Описані симптоми погіршення здоров'я людей, які проживають або працюють у таких будинках, відрізняються великою різноманітністю, проте мають і ряд загальних рис, а саме: головний біль, розумова перевтома, підвищена частота повітряно-краплинних інфекцій та простудних захворювань, подразнення слизових оболонок очей, носа, глотки, відчуття сухості слизових оболонок та шкіри, нудота, запаморочення.

Перша категорія - тимчасово "хворі" будівлі- включає нещодавно збудовані чи нещодавно реконструйовані будівлі, в яких інтенсивність прояву зазначених симптомів з часом слабшає і в більшості випадків приблизно через півроку вони зникають зовсім. Зменшення гостроти прояву симптомів, можливо, пов'язане із закономірностями емісії летких компонентів, що містяться в будматеріалах, фарбах тощо.

У будинках другої категорії - постійно "хворих"описані симптоми спостерігаються протягом багатьох років, і навіть широкомасштабні оздоровчі заходи можуть не дати ефекту. Пояснення такої ситуації, як правило, знайти важко, незважаючи на ретельне вивчення складу повітря, роботи вентиляційної системита особливостей конструкції будівлі.

Слід зазначити, що не вдається виявити пряму залежність між станом повітряного середовища приміщення та станом здоров'я населення.

Однак забезпечення оптимального повітряного середовища житлових та громадських будівель – важлива гігієнічна та інженерно-технічна проблема. Провідною ланкою у вирішенні цієї проблеми є повітрообмін приміщень, що забезпечує необхідні параметри повітряного середовища. При проектуванні систем кондиціонування повітря в житлових і громадських будинках необхідна норма подачі повітря розраховується в обсязі, достатньому для асиміляції тепло- і вологовиділень людини, вуглекислоти, що видихається, а в приміщеннях, призначених для куріння, враховується і необхідність видалення тютюнового диму.

Крім регламентації кількості припливного повітрята його хімічного складу відоме значення для забезпечення повітряного комфорту у закритому приміщенні має електрична характеристика повітряного середовища. Остання визначається іонним режимом приміщень, тобто рівнем позитивної та негативної аероіонізації. Негативний впливна організм надає як недостатня, і надмірна іонізація повітря.

Проживання у місцевостях із вмістом негативних аероіонів близько 1000-2000 на 1 мл повітря сприятливо впливає стан здоров'я населення.

Присутність людей у ​​приміщеннях спричиняє зниження вмісту легких аероіонів. При цьому іонізація повітря змінюється тим інтенсивніше, чим більше в приміщенні людей і менше його площа.

Зменшення кількості легких іонів пов'язують із втратою повітрям освіжаючих властивостей, з його меншою фізіологічною та хімічною активністю, що несприятливо діє на організм людини та викликає скарги на задуху та "нестачу кисню". Тому особливий інтерес становлять процеси деіонізації та штучної іонізації повітря у приміщенні, які, природно, повинні мати гігієнічну регламентацію.

Необхідно наголосити, що штучна іонізація повітря приміщень без достатнього повітропостачання в умовах високої вологостіта запиленості повітря веде до неминучого зростання числа важких іонів. Крім того, у разі іонізації запиленого повітря відсоток затримки пилу в дихальних шляхах різко зростає (пил, що несе електричні заряди, затримується в дихальних шляхах людини в набагато більшій кількості, ніж нейтральна).

Отже штучна іонізація повітря не є універсальною панацеєю для оздоровлення повітря закритих приміщень. Без покращення всіх гігієнічних параметрів повітряного середовища штучна іонізація не тільки не покращує умов проживання людини, але, навпаки, може мати негативний ефект.

Оптимальними сумарними концентраціями легких іонів є рівні близько 3 х 10 а мінімально необхідними 5 х 10 в 1 см 3 . Ці рекомендації лягли в основу діючих у Російської Федераціїсанітарно-гігієнічних норм допустимих рівнів іонізації повітря виробничих та громадських приміщень (табл. 6.1).

СН 4+ 2 × Про 2+7,52 × N 2 = СО 2 +2× Н 2 Про+7,5× N 2 +8500 Ккал

Повітря:

,звідси висновок:

на 1 м 3 Про 2 припадає 3,76 м 3N 2

При спалюванні 1 м 3 газу необхідно витратити 9,52 м 3 повітря (т.к. 2+7,52). При повному згорянні газу виділяється:

· Вуглекислий газ 2 ;

· пари води;

· Азот (баласт повітря);

· Виділяється теплота.

При згоранні 1 м 3 газу виділяється 2 м 3 води. Якщо температура відпрацьованих газів у димарі менше 120 О С і труба висока неутеплена, то ці пари води конденсуються вздовж стінок димової труби в її нижню частинузвідки через отвір надходять у дренажну ємність або лінію.

Щоб виключити утворення конденсату в димарі, необхідно утеплювати трубу або зменшити висоту димаря, попередньо прорахувавши тягу в трубі (тобто зменшувати висоту труби небезпечно).

Продукти згоряння газу.

· Вуглекислий газ;

· Вода пари.

Продукти неповного згоряння газу.

· Чадний газСО;

· Водень Н 2;

· Вуглець С.

У реальних умовах для спалювання газу подача повітря дещо більша, ніж розраховано за формулою. Відношення дійсного обсягу повітря, поданого на горіння до теоретично розрахованого обсягу, називається коефіцієнтом надлишку повітря (a). Він повинен бути більше, ніж 1,05…1,2:

Надмірно великий надлишок повітря знижує К.П.Д. казана.

По місту:

175 кг умовного палива витрачається на вироблення 1 Гкал тепла.

За промислами:

162 кг умовного палива витрачається на вироблення 1 Гкал тепла.

Надлишок повітря визначається аналізом димових газів приладом.

Коефіцієнтaпо довжині топкового простору неоднаковий. На початку топки біля пальника, а при виході димових газів димову трубувін більший за розрахунковий за рахунок підсмоктування повітря через негерметичну обмуровку (обшивку) котла.

Дана інформаціявідноситься до котлів, що працюють під розрядженням, коли тиск у топці менше атмосферного.

Котли, що працюють під надлишковим тискомгазів у топці котла називаються котлами, що працюють під наддувом. У таких котлах обмурівка має бути дуже герметичною, щоб запобігти попаданню димових газів у котельню та отруєнню людей.