Горение газа
Горением называют быстро протекающую во времени химическую реакцию соединения горючих компонентов топлива с кислородом воздуха, сопровождающуюся интенсивным выделением теплоты, света и продуктов сгорания.
Для метана реакция горения с воздухом:
CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + Q н
C 3 H 8 + 5O 2 = 3CO 2 + 3H 2 O + Q н
Для СУГ:
C 4 H 10 + 6,5O 2 = 4CO 2 + 5H 2 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
1м 3 кислорода содержится в 4,76м 3 (≈5 м 3 ) воздуха.
Вывод: для сжигания
— 1м 3 метана необходимо 2м 3 кислорода или около 10м 3 воздуха,
— 1м 3 пропана – 5м 3 кислорода или около 25м 3 воздуха,
— 1м 3 бутана – 6,5м 3 кислорода или около 32,5м 3 воздуха,
— 1м 3 СУГ
6м 3 кислорода или около 30м 3 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 (C n H m ) и атомарный углерод или сажа.
Для природного газа CH 4 + O 2 → CO 2 + H 2 O + CO + CH 4 + C
Для СУГ C n H m + O 2 → CO 2 + H 2 O + CO + C n H m + 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≈ 1400 о 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 ≈1200 о С
Коэффициент избытка воздуха a=Lпр./Lтеор. — 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.
Lпр.=a∙Lтеор., 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.
Источник
Методы сжигания газа
В зависимости от способа образования газовоздушной смеси методы сжигания газа подразделяются (рисунок ниже):
Методы сжигания газа
а — диффузионный; б — смешанный; в — кинетический; 1 — внутренний конус; 2 — зона первичного горения; 3 — зона основного горения; 4 — продукты сгорания; 5 — первичный воздух; 6 — вторичный воздух
При диффузионном методе сжигания к фронту горения газ поступает под давлением, а необходимый для горения воздух — из окружающего пространства за счет молекулярной или турбулентной диффузии. Смесеобразование здесь протекает одновременно с процессом горения, поэтому скорость процесса горения в основном определяется скоростью смесеобразования.
Процесс горения начинается после контакта между газом и воздухом и образования газовоздушной смеси необходимого состава. К струе газа диффундирует воздух, а из струи газа в воздух — газ. Таким образом, вблизи струи газа создается газовоздушная смесь, в результате горения которой образуется зона первичного горения газа 2. Горение основной части газа происходит в зоне 3, а в зоне 4 движутся продукты сгорания.
Выделяемые продукты сгорания осложняют взаимную диффузию газа и воздуха, в результате чего горение протекает медленно, с образованием частиц сажи. Этим и объясняется, что диффузионное горение характеризуется значительной длиной и светимостью пламени.
Достоинством диффузионного метода сжигания газа является возможность регулирования процесса горения в широком диапазоне. Процесс смесеобразования легко управляем при применении различных регулировочных элементов. Площадь и длину факела можно регулировать дроблением струи газа на отдельные факелы, изменением диаметра сопла горелки, регулированием давления газа и т. д.
К преимуществам диффузионного метода сжигания относятся: высокая устойчивость пламени при изменении тепловых нагрузок, отсутствие проскока пламени, равномерность температуры по длине пламени.
Недостатками этого метода являются: вероятность термического распада углеводородов, низкая интенсивность горения, вероятность неполного сгорания газа.
При смешанном методе сжигания горелка обеспечивает предварительное смешение газа только с частью воздуха, необходимого для полного сгорания газа, остальной воздух поступает из окружающей среды непосредственно к факелу. В этом случае сначала выгорает лишь часть газа, смешанная с первичным воздухом, а оставшаяся часть газа, разбавленная продуктами сгорания, выгорает после присоединения кислорода вторичного воздуха. В результате факел получается более коротким и менее светящимся, чем при диффузионном горении.
При кинетическом методе сжигания к месту горения подается газовоздушная смесь, полностью подготовленная внутри горелки. Газовоздушная смесь сгорает в коротком факеле. Достоинство этого метода сжигания — малая вероятность химического недожога, небольшая длина пламени, высокая теплопроизводительность горелок. Недостаток — необходимость стабилизации газового пламени.
Источник
Полное и неполное сгорание газа
Горение газа – реакция соединения горючих компонентов газа с кислородом воздуха, сопровождающаяся выделением тепла. Процесс горения зависит от химического состава топлива. Основной компонент природного газа метан, горючими также являются этан, пропан и бутан, которые содержатся в небольших количествах.
Природный газ, добываемый из западносибирских месторождений, практически полностью (до 99 %) состоит из метана СН4. Воздух состоит из кислорода (21%) и азота и незначительного количества других негорючих газов (79%). Упрощенно реакция полного сгорания метана выглядит следующим образом:
СН4 + 2О2 + 7,52 N2 = СО2 + 2Н20 + 7,52 N2
В результате реакции горения при полном сгорании образуется углекислый газ CO2, и пары воды H2O вещества, не оказывающие вредного влияния на окружающую среду и человека. Азот N, в реакции не участвует. Для полного сгорания 1 м³ метана теоретически необходимо 9,52 м³ воздуха. Для практических целей считается, что для полного сгорания 1 м³ природного газа необходимо не менее 10 м³ воздуха. Однако если подавать только теоретически необходимое количество воздуха, то добиться полного сгорания топлива невозможно: трудно так перемешать газ с воздухом, чтобы к каждой его молекуле было подведено необходимое количество молекул кислорода. На практике на горение подается воздуха больше, чем теоретически необходимо. Величина избытка воздуха определяется коэффициентом избытка воздуха а, который показывает отношение количества воздуха, фактически израсходованного на горение, к теоретически необходимому количеству:
α = V факт./V теор.
где V количество воздуха, фактически израсходованного на горение, м³;
V – теоретически необходимое количество воздуха, м³.
Коэффициент избытка воздуха является важнейшим показателем, характеризующим качество сжигания газа горелкой. Чем меньше а, тем меньше теплоты унесут уходящие газы, тем выше коэффициент полезного действия газоиспользующего оборудования. Но сжигание газа с недостаточным избытком воздуха приводит к нехватке воздуха, что может стать причиной неполного сгорания. Для современных горелок с полным предварительным смешением газа с воздухом коэффициент избытка воздуха лежит в пределах 1,05 – 1,1» то есть на горение расходуется воздуха на 5 – 10% больше от теоретически необходимого.
При неполном сгорании в продуктах горения содержится значительное количество окиси углерода СО, а также несгоревший углерод в виде сажи. Если горелка работает совсем плохо, то в продуктах сгорания может содержаться водород и несгоревший метан. Оксид углерода СО (угарный газ) загрязняет воздух в помещении (при использовании оборудования без отвода продуктов сгорания в атмосферу – газовых плит, колонок небольшой тепловой мощности) и оказывает отравляющее действие. Сажа загрязняет поверхности теплообмена, резко уменьшает теплопередачу и снижает коэффициент полезного действия бытового газоиспользующего оборудования. Кроме того, при использовании газовых плит происходит загрязнение посуды сажей, для удаления которой необходимо приложить значительные усилия. У водонагревателей сажа загрязняет теплообменник, в «запущенных» случаях практически до полного прекращения передачи тепла от продуктов сгорания: колонка горит, а вода нагревается на несколько градусов.
Неполное сгорание происходит:
- при недостаточном количестве воздуха, поступающего на горение;
- при плохом перемешивании газа и воздуха;
- при чрезмерном охлаждении пламени до завершения реакции горения.
Качество сжигания газа можно контролировать по цвету пламени. Некачественное сжигание газа характеризуется желтым коптящим пламенем. При полном сжигании газа пламя представляет собой короткий факел голубовато-фиолетового цвета с высокой температурой. Для контроля работы промышленных горелок применяют специальные приборы, анализирующие состав дымовых газов и температуру продуктов сжигания. В настоящее время при наладке отдельных типов бытового газоиспользующего оборудования также возможно регулирование процесса горения по температуре и анализу уходящих газов.
Источник
Горение природного газа
Характеристика метана
§ Нетоксичный (не ядовитый);
§ Без запаха и вкуса.
§ В состав метана входит 75% углерода, 25% водорода.
§ Удельный вес составляет 0,717кг/м 3 (легче воздуха в 2 раза).
§ Температура воспламенения – это минимальная начальная температура, при которой начинается горение. Для метана она равна 645 о .
§ Температура горения – это максимальная температура, которая может быть достигнута при полном сгорании газа, если количество воздуха, необходимого для горения, точно отвечает химическим формулам горения. Для метана она равна 1100-1400 о и зависит от условий сжигания.
§ Теплота сгорания – это количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 м 3 газа и она равна 8500 ккал/м 3 .
§ Скорость распространения пламени равна 0,67 м/сек.
Газовоздушная смесь
В которой газа находится:
— от 5 до 15% взрывается;
— свыше 15% горит при подаче дополнительного воздуха (все это зависит от соотношения объема газа в воздухе и называется пределами взрываемости)
Горючие газы не имеют запаха, для своевременного определения их в воздухе, быстрого и точного обнаружения мест утечки, газ одорируют, т.е. дают запах. Для этого используют ЭТИЛМЕРКОПТАН. Норма одоризации 16 гр на 1000 м 3 . При наличии в воздухе 1% природного газа должен ощущаться его запах.
Газ, используемый в качестве топлива, должен соответствовать требованиям ГОСТа и содержать вредных примесей на 100м 3 не более:
Сероводорода 0,0 2г/м.куб
Аммиака 2 гр.
Синильной кислоты 5 гр.
Смолы и пыли 0,001 г/м.куб
Нафталина 10 гр.
Кислорода 1%.
Использование природного газа имеет ряд преимуществ:
· отсутствие золы и пыли и выноса твердых частиц в атмосферу;
· высокая теплота сгорания;
· удобство транспортировки и сжигания;
· облегчается труд обслуживающего персонала;
· улучшаются санитарно-гигиенические условия в котельных и прилегающих районах;
· широкий диапазон автоматического регулирования.
При использовании природного газа требуются особые меры осторожности, т.к. возможна утечка через неплотности в местах соединения газопровода и арматуры. Наличие в помещении более 20% газа вызывает удушье, скапливание его в закрытом объеме свыше 5% до 15% приводит к взрыву газовоздушной смеси. При неполном сгорании выделяется угарный газ, который даже при небольшой концентрации (0,15%) является отравляющим.
Горение природного газа
Горением называется быстрое химическое соединение горючих частей топлива с кислородом воздуха, происходит при высокой температуре, сопровождается выделением тепла с образованием пламени и продуктов сгорания. Горение бывает полным и неполным.
Полное горение – происходит при достаточном количестве кислорода. Нехватка кислорода вызывает неполное сгорание, при котором выделяется меньшее количество тепла, чем при полном, угарный газ (отравляюще действует на обслуживающий персонал), образуется сажа на поверхности котла и увеличиваются потери тепла, что приводит к перерасходу топлива, снижению КПД котла, загрязнению атмосферы.
Продуктами сгорания природного газа являются – диоксид углерода, водяные пары, некоторое количество избыточного кислорода и азот. Избыточный кислород содержится в продуктах горения только в тех случаях, когда горение происходит с избытком воздуха, а азот в продуктах сгорания содержится всегда, т.к. является составной частью воздуха и не принимает участие в горении.
Продуктами неполного сгорания газа могут быть оксид углерода, несгоревшие водород и метан, тяжелые углеводороды, сажа.
Реакция метана:
Согласно формуле для сгорания 1 м 3 метана необходимо 10 м 3 воздуха, в котором находится 2 м 3 кислорода. Практически для сжигания 1 м 3 метана необходимо больше воздуха с учетом всевозможных потерь, для этого применяется коэффициент К избытка воздуха, который = 1,05-1,1.
Теоретический объем воздуха = 10 м 3
Практический объем воздуха = 10*1,05=10,5 или 10*1,1=11
Полноту сгорания топлива можно определить визуально по цвету и характеру пламени, а так же с помощью газоанализатора.
Прозрачное голубое пламя – полное сгорание газа;
Красное или желтое с дымными полосами – сгорание неполное.
Горение регулируется увеличением подачи воздуха в топку или уменьшением подачи газа. В этом процессе используют первичный и вторичный воздух.
Вторичный воздух – 40-50% (смешивается с газом в топке котла в процессе горения)
Первичный воздух – 50-60% (смешивается с газом в горелке до горения)на горение идет газовоздушная смесь
Горение характеризует скорость распределения пламени – это скорость, с которой элемент фронта пламени распространяется относительно свежей струю газовоздушной смеси.
Скорость горения и распространения пламени зависит от:
· от состава смеси;
· от соотношения газа и воздуха.
Скорость горения определяет одно из основных условий надежной эксплуатации котельной и его характеризует отрыв пламени и проскок.
Отрыв пламени– происходит если скорость газовоздушной смеси на выходе из горелки больше скорости горения.
Причины отрыва: чрезмерное увеличение подачи газа или чрезмерное разряжение в топке (тяга). Отрыв пламени наблюдается при розжиге и при включении горелок. Отрыв пламени приводит к загазованности топки и газоходов котла и к взрыву.
Проскок пламени – происходит если скорость распространения пламени (скорость горения) будет больше скорости истечения газовоздушной смеси из горелки. Проскок сопровождается горением газовоздушной смеси внутри горелки, горелка раскаляется и выходит из строя. Иногда проскок сопровождается хлопком или взрывом внутри горелки. При этом может быть разрушена не только горелка, но и фронтовая стенка котла. Проскок происходит при резком снижении подачи газа.
При отрыве и проскоке пламени обслуживающий персонал должен прекратить подачу топлива, выяснить и устранить причину, провентилировать топку и газоходы в течение 10-15 минут и снова разжечь огонь.
Процесс горения газообразного топлива можно разделить на 4 стадии:
1. Вытекание газа из сопла горелки в горелочное устройство под давлением с увеличенной скоростью.
2. Образование смеси газа с воздухом.
3. Зажигание образовавшейся горючей смеси.
4. Горение горючей смеси.
Газопроводы
Газ к потребителю подается по газопроводам – наружным и внутренним – на газораспределительные станции, размещенные за городом, а с них по газопроводам на газорегуляторные пункты ГРП или газорегуляторный устройства ГРУ промышленных предприятий.
· высокого давления первая А категория свыше 1,2(12 кгс/см2) Мпа на территории тепловых электрических станций к газотурбинным и парогазовым установкам;
· высокого давления первой категории свыше 0,6 Мпа до 1,2 Мпа включительно;
· высокого давления второй категории свыше 0,3 Мпа до 0,6 Мпа;
· среднего давления третьей категории свыше 0,005 Мпа до 0,3 Мпа;
· низкого давления четвертой категории до 0,005Мпа включительно.
· МПа — означает Мега Паскаль
В котельной прокладывают газопроводы только среднего и низкого давления. Участок от распределительного газопровода сети (городской) к помещению вместе с отключающим устройством называют вводом.
Вводным газопроводом считают участок от отключающего устройства на вводе, если он установлен снаружи помещения к внутреннему газопроводу.
На вводе газа в котельную в освещенном и удобном для обслуживания месте, должна находиться задвижка. Перед задвижкой должен быть изолирующий фланец, для защиты от блуждающих токов. На каждом отводе от распределительного газопровода к котлу, предусматривается не менее 2 отключающих устройств, одно из которых устанавливается непосредственно перед горелкой. Помимо арматуры и КИП на газопроводе, перед каждым котлом, обязательно устанавливается автоматическое устройство, обеспечивающее безопасную работу котла. Для предотвращения попадания газов в топку котла, при неисправных отключающих устройствах, необходимы продувочные свечи и газопроводы безопасности с отключающими устройствами, которые при бездействующих котлах должны быть открыты. Газопроводы низкого давления красят в котельных в желтый цвет, а среднего давления в желтый с красными кольцами.
Газовые горелки
Газовые горелки — газогорелочное устройство, предназначенное для подачи к месту горения, в зависимости от технологических требований, подготовленной газовоздушной смеси или разделенного газа и воздуха, а так же для обеспечения устойчивого сжигания газообразного топлива и регулирования процесса горения.
К горелкам предъявляются следующие требования:
· основные типы горелок должны изготавливаться на заводах серийно;
· горелки должны обеспечивать пропуск заданного количества газа и полноту его сжигания;
· обеспечивать минимальное количество вредных выбросов в атмосферу;
· должны работать без шума, отрыва и проскока пламени;
· должны быть просты в обслуживании, удобны для ревизии и ремонта;
· при необходимости могли бы использоваться для резервного топлива;
· образцы вновь создаваемых и действующих горелок подлежат ГОСТ испытанию;
Главной характеристикой горелок является её тепловая мощность, под которой понимают количество теплоты, способное выделяться при полном сгорании топлива, поданного через горелку. Все данные характеристики можно найти в паспорте горелки.
Источник
