Характеристика продуктов сгорания выбрасываемых котельными в атмосферу. Полное и неполное горение газа Полное и неполное сгорание газа
Содержание раздела
При сжигании органических топлив в топках котлов образуются различные продукты сгорания, такие как оксиды углерода СО х = СО + СО 2 , водяные пары Н 2 О, оксиды серы SO x = SO 2 + SО 3 , оксиды азота NO x = NO + NО 2 , полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), фтористые соединения, соединения ванадия V 2 O 5 , твердые частицы и др. (см. табл. 7.1.1). При неполном сгорании топлива в топках уходящие газы могут также содержать углеводороды СН 4 , С 2 Н 4 и др. Все продукты неполного сгорания являются вредными, однако при современной технике сжигания топлива их образование можно свести к минимуму [ 1 ].
Таблица 7.1.1. Удельные выбросы при факельном сжигании органических топлив в энергетических котлах [ 3 ]
Условные обозначения: А р, S p – соответственно содержание золы и серы на рабочую массу топлива, %.
Критерием санитарной оценки среды является предельно допустимая концентрация (ПДК) вредного вещества в атмосферном воздухе на уровне земли. Под ПДК следует понимать такую концентрацию различных веществ и химических соединений, которая при ежедневном воздействии в течение длительного времени на организм человека не вызывает каких-либо патологических изменений или заболеваний.
Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест приведены в табл. 7.1.2 [ 4 ]. Максимально-разовая концентрация вредных веществ определяется по пробам, отобранным в течение 20 мин, среднесуточная - за сутки.
Таблица 7.1.2. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест
| Загрязняющее вещество | Предельно допустимая концентрация, мг/ м 3 | |
| Максимально-разовая | Среднесуточная | |
| Пыль нетоксичная | 0,5 | 0,15 |
| Диоксид серы | 0,5 | 0,05 |
| Оксид углерода | 3,0 | 1,0 |
| Монооксид углерода | 3,0 | 1,0 |
| Диоксид азота | 0,085 | 0,04 |
| Оксид азота | 0,6 | 0,06 |
| Сажа (копоть) | 0,15 | 0,05 |
| Сероводород | 0,008 | 0,008 |
| Бенз(а)пирен | - | 0,1 мкг/100 м 3 |
| Пентаксид ванадия | - | 0,002 |
| Фтористые соединения (по фтору) | 0,02 | 0,005 |
| Хлор | 0,1 | 0,03 |
Расчеты ведутся по каждому вредному веществу в отдельности, с тем чтобы концентрация каждого из них не превышала значений, приведенных в табл. 7.1.2. Для котельных эти условия ужесточены введением дополнительных требований о необходимости суммирования воздействия оксидов серы и азота, которое определяется выражением
В то же время, вследствие локальных недостатков воздуха или неблагоприятных тепловых и аэродинамических условий, в топках и камерах сгорания образуются продукты неполного сгорания, состоящие в основном из монооксида углерода СО (угарного газа), водорода Н 2 и различных углеводородов, которые характеризуют потери тепла в котлоагрегате от химической неполноты сгорания (химический недожог).
Кроме этого, в процессе сжигания получается целый ряд химических соединений, образующихся вследствие окисления различных составляющих топлива и азота воздуха N 2 . Наиболее существенную их часть составляют оксиды азота NO x и серы SO x .
Оксиды азота образуются за счет окисления как молекулярного азота воздуха, так и азота, содержащегося в топливе. Экспериментальные исследования показали, что основная доля образовавшихся в топках котлов NO х, а именно 96÷100%, приходится на монооксид (оксид) азота NO. Диоксид NO 2 и гемиоксид N 2 O азота образуются в значительно меньших количествах, и их доля приблизительно составляет: для NO 2 – до 4%, а для N 2 O – сотые доли процента от общего выброса NO x . При типичных условиях факельного сжигания топлив в котлах концентрации диоксида азота NO 2 , как правило, пренебрежительно малы по сравнению с содержанием NO и обычно составляют от 0÷7 ррm до 20÷30 ррm . В то же время быстрое перемешивание горячих и холодных областей в турбулентном пламени может привести к появлению относительно больших концентраций диоксида азота в холодных зонах потока. Кроме этого, частичная эмиссия NO 2 происходит в верхней части топки и в горизонтальном газоходе (при T > 900÷1000 К) и при определенных условиях также может достигать заметных размеров.
Гемиоксид азота N 2 O, образующийся при сжигании топлив, является, по всей видимости, кратковременным промежуточным веществом. N 2 O практически отсутствует в продуктах сгорания за котлами.
Содержащаяся в топливе сера является источником образования оксидов серы SO x: сернистого SO 2 (диоксид серы) и серного SO 3 (триоксид серы) ангидридов. Суммарный массовый выброс SO x зависит только от содержания серы в топливе S p , а их концентрация в дымовых газах – еще и от коэффициента расхода воздуха α. Как правило, доля SO 2 составляет 97÷99%, а доля SO 3 – 1÷3% от суммарного выхода SO x . Фактическое содержание SO 2 в уходящих из котлов газах колеблется от 0,08 до 0,6 %, а концентрация SO 3 – от 0,0001 до 0,008 %.
Среди вредных компонентов дымовых газов особое место занимает большая группа полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Многие ПАУ обладают высокой канцерогенной и (или) мутагенной активностью, активизируют фотохимические смоги в городах, что требует строгого контроля и ограничения их эмиссии. В то же время некоторые ПАУ, например, фенантрен, флуорантен, пирен и ряд других, физиологически почти инертны и не являются канцерогенно-опасными.
ПАУ образуются в результате неполного сгорания любых углеводородных топлив. Последнее имеет место из-за торможения реакций окисления углеводородов топлива холодными стенками топочных устройств, а также может быть вызвано неудовлетворительным смешением топлива и воздуха. Это приводит к образованию в топках (камерах сгорания) локальных окислительных зон с пониженной температурой или зон с избытком топлива.
Вследствие большого количества разных ПАУ в дымовых газах и трудности измерения их концентраций принято уровень канцерогенной загрязненности продуктов сгорания и атмосферного воздуха оценивать по концентрации наиболее сильного и стабильного канцерогена – бенз(а)пирена (Б(а)П) C 20 H 12 .
Ввиду высокой токсичности, следует особо отметить такие продукты сжигания мазута, как оксиды ванадия. Ванадий содержится в минеральной части мазута и при его сжигании образует оксиды ванадия VO, VO 2 . Однако при образовании отложений на конвективных поверхностях оксиды ванадия представлены в основном в виде V 2 O 5 . Пентаоксид ванадия V 2 O 5 является наиболее токсичной формой оксидов ванадия, поэтому учет их выбросов производится в пересчете на V 2 O 5 .
Таблица 7.1.3. Примерная концентрация вредных веществ в продуктах сгорания при факельном сжигании органических топлив в энергетических котлах
| Выбросы = | Концентрация, мг/м 3 | ||
| Природный газ | Мазут | Уголь | |
| Оксиды азота NO x (в пересчете на NO 2) | 200÷ 1200 | 300÷ 1000 | 350 ÷1500 |
| Сернистый ангидрид SO 2 | - | 2000÷6000 | 1000÷5000 |
| Серный ангидрид SO 3 | - | 4÷250 | 2 ÷100 |
| Угарный газ СО | 10÷125 | 10÷150 | 15÷150 |
| Бенз(а)пирен С 20 Н 12 | (0,1÷1, 0)·10 -3 | (0,2÷4,0)· 10 -3 | (0,3÷14)· 10 -3 |
| Твердые частицы | - | <100 | 150÷300 |
При сжигании мазута и твердого топлива в выбросах также содержатся твердые частицы, состоящие из летучей золы, сажистых частиц, ПАУ и несгоревшего в результате механического недожога топлива.
Диапазоны концентраций вредных веществ в дымовых газах при сжигании различных типов топлив приведены в табл. 7.1.3.
Антропотоксины;
Продукты деструкции полимерных материалов;
Вещества, поступающие в помещение с загрязненным атмосферным воздухом;
Химические вещества, выделяющиеся из полимерных материалов даже в небольших количествах, могут вызвать существенные нарушения в состоянии живого организма, например, в случае аллергического воздействия полимерных материалов.
Интенсивность выделения летучих веществ зависит от условий эксплуатации полимерных материалов - температуры, влажности, кратности воздухообмена, времени эксплуатации.
Установлена прямая зависимость уровня химического загрязнения воздушной среды от общей насыщенности помещений полимерными материалами.
Более чувствителен к воздействию летучих компонентов из полимерных материалов растущий организм. Установлена также повышенная чувствительность больных к воздействию химических веществ, выделяющихся из пластиков, по сравнению со здоровыми. Исследования показали, что в помещениях с большой насыщенностью полимерами подверженность населения аллергическим, простудным заболеваниям, неврастении, вегетодистонии, гипертонии оказалась выше, чем в помещениях, где полимерные материалы использовались в меньшем количестве.
Для обеспечения безопасности применения полимерных материалов принято, что концентрации выделяющихся из полимеров летучих веществ в жилых и общественных зданиях не должны превышать их ПДК, установленные для атмосферного воздуха, а суммарный показатель отношений обнаруженных концентраций нескольких веществ к их ПДК должен быть не выше единицы. С целью предупредительного санитарного надзора за полимерными материалами и изделиями из них предложено лимитировать выделение ими вредных веществ в окружающую среду или на стадии изготовления, или вскоре после их выпуска заводами-изготовителями. В настоящее время обоснованы допустимые уровни около 100 химических веществ, выделяющихся из полимерных материалов.
В современном строительстве все отчетливее проявляется тенденция к химизации технологических процессов и использованию в качестве смесей различных веществ, в первую очередь бетона и железобетона. С гигиенической точки зрения важно учитывать неблагоприятное влияние химических добавок в строительные материалы из-за выделения токсических веществ.
Не менее мощным внутренним источником загрязнения среды помещений служат и продукты жизнедеятельности человека - антропотоксины. Установлено, что в процессе жизнедеятельности человек выделяет примерно 400 химических соединений.
Исследования показали, что воздушная среда невентилируемых помещений ухудшается пропорционально числу лиц и времени их пребывания в помещении. Химический анализ воздуха помещений позволил идентифицировать в них ряд токсических веществ, распределение которых по классам опасности представляется следующим образом: диметиламин, сероводород, двуокись азота, окись этилена, бензол (второй класс опасности - высокоопасные вещества); уксусная кислота, фенол, метилсти-рол, толуол, метанол, винилацетат (третий класс опасности - малоопасные вещества). Пятая часть выявленных антропотоксинов относится к высокоопасным веществам. При этом обнаружено, что в невентилируемом помещении концентрации диметиламина и сероводорода превышали ПДК для атмосферного воздуха. Превышали ПДК или находились на их уровне и концентрации таких веществ, как двуокись и окись углерода, аммиак. Остальные вещества, хотя и составляли десятые и меньшие доли ПДК, вместе взятые свидетельствовали о неблагополучии воздушной среды, поскольку даже двух-четырехчасовое пребывание в этих условиях отрицательно сказывалось на умственной работоспособности исследуемых.
Изучение воздушной среды газифицированных помещений показало, что при часовом горении газа в воздухе помещений концентрация веществ составляла (мг/м 3): окиси углерода - в среднем 15, формальдегида - 0,037, окиси азота - 0,62, двуокиси азота - 0,44, бензола - 0,07. Температура воздуха в помещении во время горения газа повышалась на 3-6 °С, влажность увеличивалась на 10-15%. Причем высокие концентрации химических соединений наблюдались не только в кухне, но и в жилых помещениях квартиры. После выключения газовых приборов содержание в воздухе окиси углерода и других химических веществ снижалось, но к исходным величинам иногда не возвращалось и через 1,5-2,5 ч.
Изучение действия продуктов горения бытового газа на внешнее дыхание человека выявило увеличение нагрузки на систему дыхания и изменение функционального состояния центральной нервной системы.
Одним из самых распространенных источников загрязнения воздушной среды закрытых помещений является курение. При спектрометрическом анализе воздуха, загрязненного табачным дымом, обнаружено 186 химических соединений. В недостаточно проветриваемых помещениях загрязнение воздушной среды продуктами курения может достигать 60-90%.
При изучении воздействия компонентов табачного дыма на некурящих (пассивное курение) у испытуемых наблюдалось раздражение слизистых оболочек глаз, увеличение содержания в крови карбоксигемоглобина, учащение пульса, повышение уровня артериального давления. Таким образом, основные источники загрязнения воздушной среды помещения условно можно разделить на четыре группы:
Значимость внутренних источников загрязнения в различных типах зданий неодинакова. В административных зданиях уровень суммарного загрязнения наиболее тесно коррелирует с насыщенностью помещений полимерными материалами (R = 0,75), в крытых спортивных сооружениях уровень химического загрязнения наиболее хорошо коррелирует с численностью людей в них (R = 0,75). Для жилых зданий теснота корреляционной связи уровня химического загрязнения как с насыщенностью помещений полимерными материалами, так и с количеством людей в помещении приблизительно одинаковая.
Химическое загрязнение воздушной среды жилых и общественных зданий при определенных условиях (плохой вентиляции, чрезмерной насыщенности помещений полимерными материалами, большом скоплении людей и др.) может достигать уровня, оказывающего негативное влияние на общее состояние организма человека.
В последние годы, по данным ВОЗ, значительно возросло число сообщений о так называемом синдроме больных зданий. Описанные симптомы ухудшения здоровья людей, проживающих или работающих в таких зданиях, отличаются большим разнообразием, однако имеют и ряд общих черт, а именно: головные боли, умственное переутомление, повышенная частота воздушно-капельных инфекций и простудных заболеваний, раздражение слизистых оболочек глаз, носа, глотки, ощущение сухости слизистых оболочек и кожи, тошнота, головокружение.
Первая категория - временно "больные" здания - включает недавно построенные или недавно реконструированные здания, в которых интенсивность проявления указанных симптомов с течением времени ослабевает и в большинстве случаев примерно через полгода они исчезают совсем. Уменьшение остроты проявления симптомов, возможно, связано с закономерностями эмиссии летучих компонентов, содержащихся в стройматериалах, красках и т. д.
В зданиях второй категории - постоянно "больных" описанные симптомы наблюдаются в течение многих лет, и даже широкомасштабные оздоровительные мероприятия могут не дать эффекта. Объяснение такой ситуации, как правило, найти трудно, несмотря на тщательное изучение состава воздуха, работы вентиляционной системы и особенностей конструкции здания.
Следует отметить, что не всегда удается обнаружить прямую зависимость между состоянием воздушной среды помещения и состоянием здоровья населения.
Однако обеспечение оптимальной воздушной среды жилых и общественных зданий - важная гигиеническая и инженерно-техническая проблема. Ведущим звеном в решении этой проблемы является воздухообмен помещений, который обеспечивает требуемые параметры воздушной среды. При проектировании систем кондиционирования воздуха в жилых и общественных зданиях необходимая норма воздухоподачи рассчитывается в объеме, достаточном для ассимиляции тепло- и влаговыделений человека, выдыхаемой углекислоты, а в помещениях, предназначенных для курения, учитывается и необходимость удаления табачного дыма.
Помимо регламентации количества приточного воздуха и его химического состава известное значение для обеспечения воздушного комфорта в закрытом помещении имеет электрическая характеристика воздушной среды. Последняя определяется ионным режимом помещений, т. е. уровнем положительной и отрицательной аэроионизации. Негативное воздействие на организм оказывает как недостаточная, так и избыточная ионизация воздуха.
Проживание в местностях с содержанием отрицательных аэроионов порядка 1000-2000 в 1 мл воздуха благоприятно влияет на состояние здоровья населения.
Присутствие людей в помещениях вызывает снижение содержания легких аэроионов. При этом ионизация воздуха изменяется тем интенсивнее, чем больше в помещении людей и чем меньше его площадь.
Уменьшение числа легких ионов связывают с потерей воздухом освежающих свойств, с его меньшей физиологической и химической активностью, что неблагоприятно действует на организм человека и вызывает жалобы на духоту и "нехватку кислорода". Поэтому особый интерес представляют процессы деионизации и искусственной ионизации воздуха в помещении, которые, естественно, должны иметь гигиеническую регламентацию.
Необходимо подчеркнуть, что искусственная ионизация воздуха помещений без достаточного воздухоснабжения в условиях высокой влажности и запыленности воздуха ведет к неизбежному возрастанию числа тяжелых ионов. Кроме того, в случае ионизации запыленного воздуха процент задержки пыли в дыхательных путях резко возрастает (пыль, несущая электрические заряды, задерживается в дыхательных путях человека в гораздо большем количестве, чем нейтральная).
Следовательно, искусственная ионизация воздуха не является универсальной панацеей для оздоровления воздуха закрытых помещений. Без улучшения всех гигиенических параметров воздушной среды искусственная ионизация не только не улучшает условий обитания человека, но, напротив, может оказать негативный эффект.
Оптимальными суммарными концентрациями легких ионов являются уровни порядка 3 х 10, а минимально необходимыми 5 х 10 в 1 см 3 . Эти рекомендации легли в основу действующих в Российской Федерации санитарно-гигиенических норм допустимых уровней ионизации воздуха производственных и общественных помещений (табл. 6.1).
Состав и свойства природного газа. Природный газ (газ горючий природный; ГГП ) - Газообразная смесь, состоящая из метана и более тяжёлых углеводородов, азота, диоксида углерода, водяных паров, серосодержащих соединений, инертных газов. Метан является основным компонентом ГГП. ГГП обычно также содержит следовые количества других компонентов (рис.1).
1. Горючие компоненты включают углеводороды :
а) метан (СН 4) - основной компонент природного газа, до 98% по объему (остальные компоненты присутствуют в небольших количествах или отсутствуют). Без цвета, запаха и вкуса, нетоксичен, взрывоопасен, легче воздуха;
б) тяжелые (предельные) углеводороды [этан (С 2 Н 6), пропан (С з Н 8), бутан (С 4 Н 10) и др.] - без цвета, запаха и вкуса, нетоксичны, взрывоопасны, тяжелее воздуха.
2. Негорючие компоненты (балласт) :
а) азот (N 2) - составная часть воздуха, без цвета, запаха и вкуса; инертный газ, т. к. не взаимодействует с кислородом;
б) кислород (О 2) - составная часть воздуха; без цвета, запаха и вкуса; окислителем.
в) углекислый газ (диоксид углерода СО 2) - без цвета со слегка кисловатым привкусом. При содержании в воздухе более 10% токсичен, тяжелее воздуха;
Воздух . Сухой атмосферный воздух, это многокомпонентная газовая смесь состоящая из (об. %): азота N 2 - 78 %, кислорода О 2 - 21 %, инертных газов (аргон, неон, криптон и пр.) - 0,94 % и углекислого газа – 0,03 %.
Рис.2. Состав воздуха.
|
Воздух так же содержит водяной пар и случайные примеси – аммиак, сернистый газ, пыль, микроорганизмы и пр. (рис. 2 ). Газы, которые входят в состав воздуха, распределены в нем равномерно и каждый из них сохраняет свои свойства в смеси.
3. Вредные компоненты :
а) сероводород (Н 2 S) - без цвета, с запахом тухлых яиц, токсичен, горит, тяжелее воздуха.
б) цианистоводородная (синильная) кислота (HCN) - бесцветная легкая жидкость, в газе имеет газообразное состояние. Ядовита, вызывает коррозию металла.
4. Механические примеси (содержание зависит от условий транспортирования газа):
а) смолы и пыль - перемешиваясь могут образовать закупорки в газопроводах;
б) вода - при низких температурах замерзает, образуя ледяные пробки, что приводит к обмерзанию редуцирующих устройств.
ГГП по токсикологической характеристике относятся к веществам ΙV-го класса опасности по ГОСТ 12.1.007. Это газообразные малотоксичные пожаровзрывоопасные продукты.
Плотность : плотность атмосферного воздуха при нормальных условиях - 1,29 кг/м 3 , а метана - 0,72 кг/ м 3 , следовательно метан легче воздуха.
Требования ГОСТ 5542-2014 к показателям ГГП:
1) массовая концентрация сероводорода - не более 0,02 г/м 3 ;
2) массовая концентрация меркаптановой серы - не более 0,036 г/м 3 ;
3) молярная доля кислорода - не более 0,050% ;
4) допустимое содержание механических примесей - не более 0,001 г/м 3 ;
5) молярная доля диоксида углерода в природном газе, не более 2,5 %.
6) Низшая теплота сгорания ГГП при стандартных условиях сгорания по ГОСТ 5542-14 - 7600 ккал/м 3 ;
8) интенсивность запаха газа для коммунально-бытового назначения при объемной доле 1% в воздухе – не менее 3 баллов , а для газа промышленного назначения этот показатель устанавливают по согласованию с потребителем .
Единица комерческогорасхода ГГП - 1 м 3 газа при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 20 о С ;
Температура самовоспламенения – наименьшая температура нагретой поверхности, которая в заданных условиях воспламеняет горючие вещества в виде газо- или паровоздушной смеси. Для метана составляет 537 °С. Температура горения (максимальная температура в зоне горения): метана - 2043 °С.
Удельная теплота сгорания метана: низшая - Q H = 8500 ккал/м 3 , высшая - Qв - 9500 ккал/м 3 . Для целей сравнения видов топлива введено понятие условного топлива (у.т.) , в РФ за его единицу принималась теплота сгорания 1 кг каменного угля, равная 29,3 МДж или 7000 ккал/кг.
Условия измерения расхода газа бывают :
· нормальные условия (н. у ): стандартные физические условия, с которыми обычно соотносят свойства веществ. Нормальные условия определены IUPAC (Международным союзом практической и прикладной химии) следующим образом: Атмосферное давление 101325 Па = 760 мм рт. ст ..Температура воздуха 273,15 K = 0° C . Плотность метана при н.у. - 0,72 кг/ м 3 ,
· стандартные условия (с. у ) объема при взаимных (коммерческих ) расчетах с потребителями - ГОСТ 2939-63 : температура 20°С, давление 760 мм рт.ст. (101325 Н/м), влажность равна нулю. (По ГОСТ 8.615-2013 нормальные условия именуются как "стандартные условия"). Плотность метана при с.у. - 0,717 кг/м 3 .
Скорость распространения пламени (скорость горения) – скорость перемещения фронта пламени относительно свежей струи горючей смеси в данном направлении . Ориентировочная скорость распространения пламени: пропан - 0,83 м/с, бутан - 0,82 м/с, метан - 0,67 м/с, водород - 4,83 м/с., зависит от состава, температуры, давления смеси, соотношения газа и воздуха в смеси, диаметра фронта пламени, характера движения смеси (ламинарное или турбулентное) и определяет устойчивость горения .
К недостаткам (опасным свойствам)ГГП относятся: взрываемость (воспламеняемость); интенсивное горение; быстрое распространение в пространстве; невозможность определения нахождения; удушающие действие, при недостатке кислорода для дыхания .
Взрываемость (воспламеняемость) . Различают :
а) нижний предел воспламеняемости (НПВ ) – наименьшее содержание газа в воздухе, при котором газ воспламеняется (метан – 4,4%) . При меньшем содержании газа в воздухе воспламенения не будет из-за недостатка газа; (рис. 3)
б) верхний предел воспламеняемости (ВПВ ) – наибольшее содержание газа в воздухе, при котором происходит процесс воспламенения (метан – 17% ) . При большем содержании газа в воздухе воспламенения не будет из-за недостатка воздуха. (рис. 3)
В ФНП НПВ и ВПВ называют нижними и верхним концентрационными пределоми распространения пламени (НКПРП и ВКПРП ) .
При повышении давления газа диапазон вежду верхним и нижним пределами давления газа – уменьшается (рис. 4).
Для взрыва газа (метана ) кроме содержания его в воздухе в пределах воспламеняемости необходим сторонний источник энергии (искра, пламя и т. д.) . При взрыве газа в закрытом объеме (помещение, топка, резервуар и т. д.) , разрушений больше, чем при взрыве на открытом воздухе (рис. 5 ).
Предельно допустимые концентрации (ПДК ) вредных веществ ГГП в воздухе рабочей зоны установлены в ГОСТ 12.1.005.
Максимальная разовая ПДК в воздухе рабочей зоны (в пересчете на углерод) составляет 300 мг/м 3 .
Опасная концентрация ГГП (объемная доля газа в воздухе) – это концентрация, равная 20% нижнего предела воспламеняемости газа.
Токсичность - способность отравлять организм человека. Углеводородные газы не оказывают сильного токсикологического действия на организм человека, но их вдыхание вызывает у человека головокружение, а значительное их содержание во вдыхаемом воздухе. При снижении кислорода до 16 % и менее, может привести к удушью .
При сжигании газа с недостатком кислорода , т. е. с недожогом, в продуктах сгорания образуется окись углерода (СО) , или угарный газ, который является высокотоксичным газом.
Одоризация газа - добавление в газ сильно пахнущего вещества (одоранта) для придания запаха ГГП перед поставкой потребителям в городские сети. При использовании для одоризвции этилмеркаптана (С 2 Н 5 SН - по степени воздействия на организм относится ко ΙΙ-му классу токсикологической опасности по ГОСТ 12.1.007-76 ), его добавляют 16 г на 1000м 3 . Интенсивность запаха одорированного ГГП при объемной его доле 1% в воздухе, должна быть не менее 3 баллов по ГОСТ 22387.5.
Не одорированный газ может поставляться на промышленные предприятия, т.к. интенсивность запаха природного газа для промышленных предприятий, потребляющих газ от магистральных газопроводов, устанавливается по согласованию с потребителем.
Горение газов. Топка котла (печи), в которой газообразное (жидкое) топливо сжигается в факеле соответствует понятию «камерная топка стационарного котла».
Горение углеводородных газов – химическое соединение горючих компонентов газа (углерода С и водорода Н) с кислородом воздуха О 2 (окисление) с выделением тепла и света: СН 4 +2О 2 =СО 2 +2Н 2 О .
При полном сгорании углерода образуется углекислый газ (СО 2) , а водо рода - водяной пар (Н 2 О) .
Теоретически для сжигания 1 м 3 метана необходимо 2 м 3 кислорода, которые содержатся в 9,52 м 3 воздуха (рис. 6). Если воздуха на горение подается недостаточно , то для части молекул горючих компонентов не будет хватать молекул кислорода и в продуктах сгорания кроме углекислого газа (СО 2), азота (N 2) и водяных паров (Н 2 О) появятся продукты неполного сгорания газа :
- угарный газ (СО) , который при попадании в помещение может вызвать отравление обслуживающего персонала;
- сажа (С) , которая, осаждаясь на поверхностях нагрева ухудшает теплообмен ;
- несгоревшие метан и водород , которые могут скапливаться в топках и газоходах (дымоходах), образуя взрывоопасную смесь. При нехватке воздуха происходит неполное сгорание топлива или, как говорят, процесс горения происходит с недожогом . Недожог может происходить также при плохом перемешивании газа с воздухом и низкой температуре в зоне горения .
Для полного сгорания газа необходимо: наличие в месте горения воздуха в достаточном количестве и хорошее смешение его с газом; высокая температуру в зоне горения.
Для обеспечения полного сгорания газа воздух подается в большем, чем требуется теоретически, количестве, т. е. с избытком, при этом не весь воздух примет участие в горении. Часть тепла уйдет на нагрев этого лишнего воздуха и будет выброшена в атмосферу вместе с дымовым газом.
Полнота сгорания определяется визуально (должно быть голубовато – синеватое пламя с фиолетовыми концами) или по анализу состава дымовых газов.
Теоретический (стехиометрический) объём воздуха для горения – это количество воздуха, необходимое для полного сжигания единицы объёма (1 м 3 сухого газа или массы топлива, вычисляемое по химическому составу топлива ).
Действительный (фактический, необходимый) объём воздуха для горения – это количество воздуха, действительно израсходованное для сжигания единицы объёма или массы топлива.
Коэффициент избытка воздуха для горения α - это отношение фактического объёма воздуха для горения к теоретическому: α = V ф / V т >1,
где: V ф - фактический объем подаваемого воздуха, м 3 ;
V т – теоретический объем воздуха, м 3 .
Коэффициент избытка показывает во сколько раз действительный расход воздуха на горение газа превышает теоретический изависит от конструкции газовой горелки и топки: чем они совершеннее, тем коэффициент α меньше. При коэффициенте избытка воздуха для котлов меньше 1 приводит к неполному сгоранию газа. Увеличение коэффициента избытка воздуха снижает к.п.д. газоиспользующей установки. Для ряда печей, где происходит плавка металла, во избежании кислородной коррозии – α < 1 и за топкой устанавливают камеру догорания не сгоревших горючих компонентов.
Для регулирования тяги применяются направляющие аппараты, шибера, поворотные заслонки и электромеханические муфты.
Преимущества газообразного топлива по сравнению с твёрдым и жидким – низкая стоимость, облегчение труда персонала, низкое количество вредных примесей в продуктах сгорания, улучшение условий охраны природы, отсутствие необходимости в автомобильном и ж/д транспорте, хорошее перемешивание с воздухом (меньше α), полная автоматизация, высокий кпд.
Методы сжигания газа. Воздух, идущий на горение, может быть:
1) первичный , подается вовнутрь горелки, где перемешивается с газом (на горение идет газовоздушная смесь).
2) вторичный , поступает непосредственно в зону горения.
Различают следующие методы сжигания газа:
1. Диффузионный метод - газ и воздух на горение подаются раздельно и перемешиваются в зоне горения, т.е. весь воздух является вторичным. Пламя длинное, требуется большое топочное пространство. (рис. 7а).
2. Кинетический метод - весь воздух перемешивается с газом внутри горелки, т.е. весь воздух является первичным. Пламя короткое, требуется небольшое топочное пространство (рис. 7в).
3. Смешанный метод - часть воздуха подается вовнутрь горелки, где смешивается с газом (это первичный воздух), а часть воздуха подается в зону горения (вторичный). Пламя короче , чем при диффузионном методе (рис. 7б).
Удаление продуктов сгорания. Разрежение в топке и удаление продуктов сгорания производятся силой тяги, преодолевающей сопротивления дымового тракта и возникающей за счет разности давлений равных по высоте столбов наружного холодного воздуха и более легкого горячего дымового газа. При этом происходит движение дымовых газов из топки в трубу, а на их место в топку поступает холодный воздух (рис. 8).
Сила тяги зависит от: температуры воздуха и дымовых газов, высоты, диаметра и толщины стенки дымовой трубы, барометрического (атмосферного) давления, состояния газоходов (дымоходов), присосов воздуха, разрежения в топке .
Естественная сила тяги - создается высотой дымовой трубы, и искусственная , которая - дымососом при недостаточной естественной тяге. Сила тяги регулируется шиберами, направляющими аппаратами дымососов и другими устройствами.
Коэффициент избытка воздуха (α ) зависит от конструкции газовой горелки и топки: чем они совершеннее, тем коэффициент меньше и показывает: во сколько раз действительный расход воздуха на горение газа превышает теоретический.
Наддув – удаление продуктов сгорания топлива за счет работы дутьевых вентиляторов .При работе «под наддувом» необходима прочная плотная камера сгорания (топка), способная выдержать создаваемое вентилятором избыточное давление.
Газогорелочные устройства. Газовые горелки - обеспечивают подачу необходимого количества газа и воздуха, их перемешивание и регулирование процесса горения, а оборудованные тоннелем, воздухораспределительным устройством и т.д., называется газогорелочным устройством.
Требования к горелкам :
1) горелки должны отвечать требованиям соответствующего технического регламента (иметь сертификат или декларацию соответствия) или пройти экспертизу промышленной безопасности;
2) обеспечивать полноту сжигания газа при всех рабочих режимах с минимальным избытком воздуха (кроме некоторых горелок газовый печей) и минимальным выбросом вредных веществ;
3) иметь возможность применения автоматики регулирования и безопасности, а также измерения параметров газа и воздуха перед горелкой;
4) должны иметь простую конструкцию, быть доступными для ремонта и ревизии;
5) устойчиво работать в пределах рабочего регулирования, при необходимости иметь стабилизаторы для предотвращения отрыва и проскока пламени;
Параметры газовых горелок (рис. 9). Согласно ГОСТ 17356-89 (Горелки газовые, жидкотопливные и комбинированные. Термины и определения. Изм. N 1) :Предел устойчивости работы горелки , при котором еще не возникают погасание, срыв, отрыв, проскок пламени и недопустимые вибрации.
Примечание. Существуют верхний и нижний пределы устойчивой работы.
1) Тепловая мощность горелки N г . – количество теплоты, образующееся в результате сжигания топлива, подводимого к горелке в единицу времени, N г =V . Q ккал/ч , где V - часовой расход газа, м 3 /ч; Q н. - теплота сгорания газа, ккал/м 3 .
2) Пределы устойчивости работы горелки , при котором еще не возникают погасание, срыв, отрыв, проскок пламени и недопустимые вибрации . Примечание. Существуют верхний - N в.п . и нижний -N н.п пределы устойчивой работы.
3) минимальная мощность N мин. - тепловая мощность горелки, составляющая 1,1 мощности, соответствующей нижнему пределу её устойчивой работы, т.е. мощность низшего предела увеличенная на 10%, N мин. =1,1N н.п.
4) верхний предел устойчивой работы горелки N в.п. – наибольшая устойчивая мощность, работа без отрыва и проскока пламени .
5) максимальная мощность горелки N мак – тепловая мощность горелки, составляющая 0,9 мощности, соответствующей верхнему пределу ее устойчивой работы, т.е. мощность верхнего предела, уменьшенная на 10 %, N макс. = 0,9 N в.п.
6) номинальная мощность N ном – наибольшая тепловая мощность горелки, когда эксплуатационные показатели соответствуют установленным нормам, т.е. наибольшая мощность, с которой горелка работает длительное время с высоким к.п.д.
7) диапазон рабочего регулирования (тепловой мощности горелки) – регламентированный диапазон, в котором может изменяться тепловая мощность горелки во время эксплуатации, т.е. значения мощностей от N мин до N ном. .
8) коэффициент рабочего регулирования К рр. – отношение номинальной тепловой мощности горелки к её минимальной рабочей тепловой мощности, т.е. показывает, во сколько раз номинальная мощность превышает минимальную : K рр. = N ном./ N мин
Режимная карта. Согласно «Правил пользования газом…», утверждённых ПП РФ от 17.05.2002 № 317 (изм. 19.06.2017) , по окончании строительно-монтажных работ на построенном, реконструированном или модернизируемом газоиспользующем оборудовании и оборудовании, переводимом на газ с других видов топлива, проводятся пусконаладочные и режимно-наладочные работы. Пуск газа на построенное, реконструированное или модернизированное газоиспользующее оборудование и оборудование, переводимое на газ с других видов топлива, для проведения пусконаладочных работ (комплексного опробования) и приемки оборудования в эксплуатацию производится на основании акта о готовности сетей газопотребления и газоиспользующего оборудования объекта капитального строительства к подключению (технологическому присоединению). Правилами установлено, что:
· газоиспользующее оборудование - котлы, производственные печи, технологические линии, утилизаторы и другие установки, использующие газ в качестве топлива в целях выработки тепловой энергии для централизованного отопления, горячего водоснабжения, в технологических процессах различных производств, а также другие приборы, аппараты, агрегаты, технологическое оборудование и установки, использующие газ в качестве сырья;
· пусконаладочные работы - комплекс работ, включающий подготовку к пуску и пуск газоиспользующего оборудования с коммуникациями и арматурой, доведение нагрузки газоиспользующего оборудования до согласованного с организацией - владельцем оборудования уровня , а также наладку топочного режима газоиспользующего оборудования без оптимизации коэффициента полезного действия;
· режимно-наладочные работы - комплекс работ, включающий наладку газоиспользующего оборудования в целях достижения проектного (паспортного) коэффициента полезного действия в диапазоне рабочих нагрузок, наладку средств автоматического регулирования процессов сжигания топлива, теплоутилизирующих установок и вспомогательного оборудования, в том числе оборудования водоподготовки для котельных.
Согласно ГОСТ Р 54961-2012 (Системы газораспределительные. Сети газопотребления) рекомендуется: Режимы работы газоиспользующего оборудования на предприятиях и в котельных должны соответствоватьрежимным картам , утвержденным техническим руководителем предприятия и производятся не реже одного раза в три года с корректировкой (при необходимости) режимных карт .
Внеплановая режимная наладка газоиспользующего оборудования должна производиться в следующих случаях: после капитального ремонта газоиспользующего оборудования или внесения конструктивных изменений, влияющих на эффективность использования газа, а также при систематических отклонениях контролируемых параметров работы газоиспользующего оборудования от режимных карт.
Классификация газовых горелок Согласно ГОСТ газовые горелки классифицируются, по : способу подачи компонента; степени подготовки горючей смеси; скорости истечения продуктов сгорания; характеру потока смеси; номинальному давлению газа; степени автоматизации; возможности регулирования коэффициента избытка воздуха и характеристик факела; локализации зоны горения; возможности использования тепла продуктов сгорания.
В камерной топке газоиспользующей установки газообразное топливо сжигается в факеле .
По способу подачи воздуха горелки могут быть :
1) Атмосферные горелки – воздух поступает в зону горения непосредственно из атмосферы:
а. Диффузионные – это самая простая по конструкции горелка, представляющая собой, как правило, трубу с насверленными в один или два ряда отверстиями. Газ поступает в зону горения из трубы через отверстия, а воздух - за счет диффузии и энергии струи газа (рис. 10 ), весь воздух - вторичный .
Достоинства горелки : простота конструкции, надежность работы (невозможен проскок пламени ), бесшумность работы, хорошее регулирование.
Недостатки : малая мощность, неэкономична, высокое (длинное) пламя,необходимыстабилизаторы горения для предотвращения погасания пламени горелки при отрыве .
б. Инжекционные - воздух инжектируется, т.е. подсасывается во внутрь горелки за счет энергии струи газа, выходящей из сопла . Струя газа создает в зоне сопла разрежение, куда через зазор между воздушной шайбой и корпусом горелки подсасывается воздух. Внутри горелки газ и воздух перемешиваются, и газовоздушная смесь поступает в зону горения, а остальной воздух необходимый для горения газа (вторичный), поступает в зону горения за счет диффузии (рис. 11, 12, 13 ).
В зависимости от количества инжектируемого воздуха различают инжекционные горелки: с неполным и полным предварительным смешением газа и воздуха .
В горелки среднего и высокого давления газа подсасывается весь необходимый воздух, т.е. весь воздух первичный, происходит полное предварительное смешение газа с воздухом. В зону горения поступает полностью готовая газовоздушная смесь и необходимость во вторичном воздухе отсутствует.
В горелки низкого давления подсасывается часть воздуха, необходимого для горения (происходит неполная инжекция воздуха, данный воздух первичный), а остальной воздух (вторичный) поступает непосредственно в зону горения.
Соотношение «газ – воздух» в указанных горелках регулируется положением воздушной шайбы относительно корпуса горелки. Горелки бывают однофакельные и многофакельные с центральной и периферийной подачей газа (БИГ и БИГм) состоящим из набора трубок - смесителей 1 диаметром 48х3, объединенных общим газовым коллектором 2 (рис. 13 ).
Достоинства горелок: простота конструкции и регулирования мощности.
Недостатки горелок: высокий уровень шума, возможность проскока пламени, небольшой диапазон рабочего регулирования.
2) Горелки с принудительной подачей воздуха - это горелки, в которых воздух на горение поступает от вентилятора. Газ из газопровода поступает во внутреннюю камеругорелки (рис. 14 ).
Воздух, нагнетаемый вентилятором, подается в воздушную камеру 2 , проходит через завихритель воздуха 4 , закручивается и перемешивается в смесителе 5 с газом, который поступает в зону горения из газового канала 1 через газовыпускные отверстия 3 .Сжигание происходит в керамическом тоннеле 7 .
Рис. 14. Горелка с принудительной подачей воздуха: 1 – газовый канал; 2 – воздушный канал; 3 – газовыпускные отверстия; 4 – завихритель; 5 – смеситель; 6 – керамический туннель (стабилизатор горения).
| 
Рис. 15. Комбинированная однопоточная горелка:1 – вход газа; 2 – вход мазута; 3 – вход пара газовыпускные отверстия; 4 – вход первичного воздуха; 5 – вход вторичного воздуха смеситель; 6 – паромазутная форсунка; 7 – монтажная плита; 8 - завихритель первичного воздуха; 9 - завихритель вторичного воздуха; 10 - керамический туннель (стабилизатор горения); 11 – газовый канал; 12 - канал вторичного воздуха.
|
Достоинства горелок : большая тепловая мощность, широкий диапазон рабочего регулирования, возможность регулирования коэффициента избытка воздуха, возможность предварительного подогрева газа и воздуха.
Недостатки горелок : достаточная сложность конструкции; возможен отрыв и проскок пламени, в связи, с чем возникает необходимость применения стабилизаторов горения (керамический туннель).
Горелки, предназначенные для сжигания нескольких видов топлива (газообразного, жидкого, твердого), называются комбинированными (рис. 15 ). Они могут быть однопоточные и двухпоточные, т.е. с одним или несколькими подводами газа к горелке.
3) Блочная горелка – это автоматическая горелка с принудительной подочейвоздеха (рис. 16 ), скомпонованная с вентилятором в единый блок . Горелка укомплектована системой автоматического регулирования.
Управление процессом сжигания топлива в блочных горелках осуществляется электронным устройством, которое называется менеджером горения.
У горелок на жидком топливе в этот блок входит топливный насос или топливный насос и подогреватель топлива.
Блок управления (менеджер горения) управляет и контролирует работу горелки, получая команды от термостата (регулятора температуры), электрода контроля пламени и датчиков давления газа и воздуха.
Расход газа регулируется дисковым затвором, расположенным вне корпуса горелки.
Подпорная шайба отвечает за смешивание газа с воздухом в конической части пламенной трубы и используется для регулировки подводимого воздуха (регулировка со стороны напора). Другая возможность изменения количества подводимого воздуха заключается в изменении положения воздушного дискового затвора в корпусе регулятора воздуха (регулировка со стороны всасывания).
Регулирование соотношений газ – воздух (управление газовым и воздушным дисковыми затворами) может быть:
· связанным, от одного исполнительного механизма:
· частотным регулированием расхода воздуха, путём изменения частоты вращения электродвигателя вентилятора с применением инвертора, который состоит из частотного преобразователя и импульсного датчика.
Розжиг горелки производится автоматически прибором зажигания с помощью электрода зажигания. Наличие пламени контролируется электродом контроля пламени.
Рабочая последовательность включения горелки:
· запрос на выработку тепла (от термостата);
· включение электродвигателя вентилятора и предварительная вентиляция топки;
· включение электронного зажигания;
· открытие электромагнитного клапана, подача газа и розжиг горелки;
· сигнал датчика контроля пламени о наличии пламени.
Аварии (инциденты) на горелках. Отрыв пламени - перемещение корневой зоны факела от выходных отверстий горелки по направлению течения топлива или горючей смеси . Происходит тогда, когда скорость газовоздушной смеси или газа становится больше скорости распространения пламени. Пламя отходит от горелки, становится неустойчивым и может погаснуть. Через погасшую горелку продолжает идти газ и в топке может образоваться взрывоопасная смеси.
Отрыв происходит при: повышении давления газа выше допустимого, резком увеличении подачи первичного воздуха, увеличении разрежения в топке. Для защиты от отрыва применяют стабилизаторы горения (рис. 17 ): кирпичные горки и столбики; керамические туннели различных типов и кирпичные щели; плохообтекаемые тела, которые при работе горелки накаляются (при погасании пламени свежая струя загорится от стабилизатора), а также специальные пилотные горелки.
Проскок пламени - перемещение зоны факела навстречу горючей смеси, при котором происходит проникновение пламени внутрь горелки . Это явление бывает только в горелках с предварительным смешением газа и воздуха и происходит, когда скорость газовоздушной смеси становится меньше скорости распространения пламени. Пламя проскакивает во внутрь горелки, где продолжает гореть, вызывая деформацию горелки от перегрева.
Проскок происходит при: снижении давления газа перед горелкой ниже допустимого; розжиге горелки при подаче первичного воздуха; большой подаче газа при низком давлении воздуха. При проскоке может произойти небольшой хлопок, в результате которого пламя погаснет, при этом через неработающую горелку может продолжать поступать газ и произойти образование взрывоопасной смеси в топке и газоходах газоиспользующей установки. Для защиты от проскока применяют пластинчатые или сетчатые стабилизаторы , т. к. через узкие щели и небольшие отверстия проскока пламени не бывает .
Действия персонала при аварии на горелках
При аварии на горелке (отрыв, проскок или погасание пламени) при розжиге или в процессе регулирования, необходимо: немедленно прекратить подачу газа на эту горелку (горелки) и запальное устройство; провентилировать топку и газоходы не менее 10 минут; выяснить причину неполадок; доложить ответственному лицу; после устранения причин неполадок и проверки герметичности затвора запорной арматуры перед горелкой, по указанию ответственного лица по инструкции произвести повторный розжиг.
Изменение нагрузки горелки.
Существуют горелки с различными способами изменения тепловой мощности:
Горелка с многоступенчатым регулированием тепловой мощности – это горелка, при работе которой регулятор расхода топлива может устанавливаться в нескольких положениях между максимальным и минимальным рабочими положениями.
Горелка с трехступенчатым регулированием тепловой мощности - это горелка, при работе которой регулятор расхода топлива может устанавливаться в положениях «максимальный расход» - «минимальный расход» - «закрыто».
Горелка с двухступенчатым регулированием тепловой мощности - горелка, работающая в положениях «открыто - закрыто».
Горелка с плавным регулированием - это горелка, при работе которой регулятор расхода топлива может устанавливаться в любом положении между максимальным и минимальным рабочими положениями.
Регулировать тепловую мощность установки можно количеством работающих горелок , если это предусмотрено заводом-изготовителем и режимной картой.
Изменение тепловой мощности вручную , во избежание отрыва пламени, производится:
При увеличении: вначале увеличивать подачу газа, а затем воздуха.
При уменьшении: вначале снижать подачу воздуха, а затем газа;
Для предотвращения аварий на горелках изменение их мощности необходимо производить плавно (в несколько приемов) согласно режимной карте.
Горение природного газа представляет собой сложный физико-химический процесс взаимодействия горючих его составляющих с окислителем, при этом происходит преобразование химической энергии топлива в тепло. Горение бывает полным и неполным. При перемешивании газа с воздухом, достаточно высокой для горения температуры в топке, непрерывной подаче топлива и воздуха осуществляется полное сгорание топлива. Неполное сгорание топлива происходит при несоблюдении этих правил, что приводит к меньшему выделению тепла, (СО), водорода (Н2), метана (СН4), и как следствие, к оседанию сажи на поверхностях нагрева, ухудшая теплообмен и увеличивая потери количества тепла, что в свою очередь приводит к перерасходу топлива и снижению КПД котла и соответственно к загрязнению атмосферы.
Коэффициент избытка воздуха зависит от конструкции газовой горелки и топки. Коэффициент излишка воздуха должен быть не менее 1, иначе это может привести к неполному сгоранию газа. А также увеличение коэффициента избытка воздуха снижает КПД теплоиспользующей установки за счет больших потерь теплоты с уходящими газами.
Определяется полнота сгорания с помощью газоанализатора и по цвету и запаху.
Полное сгорание газа. метан + кислород = углекислый газ + вода СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2ОКроме этих газов в атмесферу с горючими газами выходит азот и оставшийся кислород. N2 + O2 Если сгорание газа происходит не полностью, то в атмосферу выбрасываются горючие вещества – угарный газ, водород, сажа.CO + H + C
Неполное сгорание газа происходит вследствие недостаточного количества воздуха. При этом визуально в пламени появляются языки копоти.Опасность неполного сгорания газа состоит в том, что угарный газ может стать причиной отравления персонала котельной. Содержание СО в воздухе 0,01-0,02% может вызвать легкое отравление. Более высокая концентрация может привести к тяжелому отравлению и смерти.Образующаяся сажа оседает на стенках котлов ухудшая тем самым передачу тепла теплоносителю снижает эффективность работы котельной. Сажа проводит тепло хуже метана в 200 раз.Теоретически для сжигания 1м3 газа необходимо 9м3 воздуха. В реальных условиях воздуха требуется больше. То есть необходимо избыточное количество воздуха. Эта величина обозначаемая альфа показывает во сколько раз воздуха расходуется больше, чем необходимо теоретически.Коэффициент альфа зависит от типа конкретной горелки и обычно прописывается в паспорте горелки или в соответствие с рекомендациями организации производимой пусконаладочные работы. С увеличением количества избыточного воздуха выше рекомендуемого, растут потери тепла. При значительном увеличение количества воздуха может произойти отрыв пламени, создав аварийную ситуацию. Если количество воздуха меньше рекомендуемого то горение будет неполным, создавая тем самым угрозу отравления персонала котельной.Неполное горение определяется: ,
Физико-химические свойства природного газа
Природный газ не имеет цвета, запаха и вкуса, нетоксичен.
Плотность газов при t = 0°С, Р = 760 мм рт. ст.: метана - 0,72 кг/м 3 , воздуха -1,29 кг/м 3 .
Температура самовоспламенения метана 545 – 650°С. Это означает, что любая смесь природного газа с воздухом, нагретая до этой температуры, воспламеняется без источника зажигания и будет гореть.
Температура горения метана 2100°С в топках 1800°С.
Теплота сгорания метан: Q н = 8500 ккал/м 3 , Q в = 9500 ккал/м 3 .
Взрываемость. Различают:
– нижний предел взрываемости - это наименьшее содержание газа в воздухе, при котором происходит взрыв, он составляет для метана – 5%.
При меньшем содержании газа в воздухе взрыва не будет из-за недостатка газа. При внесении стороннего источника энергии – хлопки.
– верхний предел взрываемости - это наибольшее содержание газа в воздухе, при котором происходит взрыв, он составляет для метана – 15%.
При большем содержании газа в воздухе взрыва не будет из-за недостатка воздуха. При внесении стороннего источника энергии – загорание, пожар.
Для взрыва газа кроме содержания его в воздухе в пределах его взрываемости необходим сторонний источник энергии (искра, пламя и т. д.).
При взрыве газа в закрытом объеме (помещение, топка, резервуар и т. д.) разрушений больше, чем на открытом воздухе.
При сжигании газа с недожогом, т. е. с недостатком кислорода, в продуктах сгорания образуется окись углерода (СО), или угарный газ, который является высокотоксичным газом.
Скорость распространения пламени – это скорость перемещения фронта пламени относительно свежей струи смеси.
Ориентировочная скорость распространения пламени метан - 0,67 м/с. Она зависит от состава, температуры, давления смеси, соотношения газа и воздуха в смеси, диаметра фронта пламени, характера движения смеси (ламинарное или турбулентное) и определяет устойчивость горения.
Одоризация газа – это добавление в газ сильно пахнущего вещества (одоранта) для придания газу запаха перед поставкой потребителям.
Требования, предъявляемые к одорантам:
– резкий специфический запах;
– не должны препятствовать горению;
– не должны растворяться в воде;
– должны быть безвредны для человека и оборудования.
В качестве одоранта используется этилмеркаптан (С 2 Н 5 SH), его добавляют в метан – 16 г на 1000 м 3 , зимой норма удваивается.
Человек должен ощущать запах одоранта в воздухе при содержании газа в воздухе 20% от нижнего предела взрываемости для метана – 1% по объему.
Это химический процесс соединения горючих компонентов (водорода и углерода) с кислородом, содержащимся в воздухе. Происходит с выделением тепла и света.
При сгорании углерода образуется углекислый газ (С0 2), а водорода водяной пар (Н 2 0).
Этапы горения: подача газа и воздуха, образование газовоздушной смеси, зажигание смеси, её горение, удаление продуктов сгорания.
Теоретически, когда сгорает весь газ и все необходимое количество воздуха принимает участие в горении, реакция горения 1 м 3 газа:
CН 4 + 20 2 = СО 2 + 2Н 2 О + 8500 ккал/м 3 .
Для сжигания 1 м 3 метана необходимо 9,52 м 3 воздуха,.
Практически не весь воздух, подаваемый на горение, будет принимать участие в горении.
Поэтому в продуктах сгорания кроме углекислого газа (С0 2) и водяных паров (Н 2 0) появятся:
– окись углерода, или угарный газ (СО), при попадании в помещение может вызвать отравление обслуживающего персонала;
– атомарный углерод, или сажа (С), осаждаясь в газоходах и топках, ухудшает тягу, а на поверхностях нагрева - теплообмен.
– несгоревший газ и водород - скапливаясь в топках и газоходах, образуют взрывоопасную смесь.
При нехватке воздуха происходит неполное сгорание топлива – процесс горения происходит с недожогом. Недожог происходит также при плохом перемешивании газа с воздухом и низкой температуре в зоне горения.
Для полного сгорания газа воздух на горение подается в достаточном количестве, воздух и газ должны быть хорошо перемешаны, и в зоне горения необходима высокая температура.
Для полного сгорания газа воздух подается в большем количестве, чем требуется теоретически, т. е. с избытком, не весь воздух примет участие в горении. Часть тепла уйдет на нагрев этого лишнего воздуха и будет выброшена в атмосферу.
Коэффициент избытка воздуха α – число, показывающее во сколько раз действительный расход на горение больше, чем его требуется теоретически:
α = V д / V т
где V д - действительный расход воздух, м 3 ;
V т - теоретически необходимый воздух, м 3 .
α = 1,05 – 1,2.
Методы сжигания газа
Воздух, идущий на горение, может быть:
– первичный – подается внутрь горелки, перемешивается с газом, и на горение идет газовоздушная смесь;
– вторичный – поступает в зону горения.
Методы сжигания газа:
1. Диффузионный метод – газ и воздух на горение подаются раздельно и перемешиваются в зоне горения, весь воздух является вторичным. Пламя длинное, требуется большое топочное пространство.
2. Смешанный метод – часть воздуха подается внутрь горелки, смешивается с газом (первичный воздух), часть воздуха подается в зону горения (вторичный). Пламя короче, чем при диффузионном методе.
3. Кинетический метод – весь воздух перемешивается с газом внутри горелки, т. е. весь воздух является первичным. Пламя короткое, требуется небольшое топочное пространство.
Газогорелочные устройства
Газовые горелки - это устройства, обеспечивающие подачу газа и воздуха к фронту горения, образование газовоздушной смеси, стабилизацию фронта горения, обеспечение требуемой интенсивности процесса горения.
Горелка, оборудованная дополнительным устройством (тоннель, воздухораспределительное устройство и т. д.), называется газогорелочным устройством.
Требования к горелкам:
1) должны быть заводского изготовления и пройти государственные испытания;
2) должны обеспечивать полноту сжигания газа при всех рабочих режимах с минимальным избытком воздуха и минимальным выбросом вредных веществ в атмосферу;
3) иметь возможность применения автоматики регулирования и безопасности, а также измерения параметров газа и воздуха перед горелкой;
4) должны иметь простую конструкцию, быть доступными для ремонта и ревизии;
5) должны устойчиво работать в пределах рабочего регулирования, при необходимости иметь стабилизаторы для предотвращения отрыва и проскока пламени;
6) у работающих горелок уровень шума должен быть не выше 85 дБ, а температура поверхности не более 45°С.
Параметры газовых горелок
1) тепловая мощность горелки N г – количество тепла, выделяемое при сгорании газа за 1 ч;
2)низший предел устойчивой работы горелки N н. .п. . – наименьшая мощность, при которой горелка работает устойчиво без отрыва и проскока пламени;
3) минимальная мощность N мин – мощность низшего предела, увеличенная на 10%;
4) верхний предел устойчивой работы горелки N в. .п. . - наибольшая мощность, при которой горелка работает устойчиво без отрыва и проскока пламени;
5) максимальная мощность N макс – мощность верхнего предела, уменьшенная на 10%;
6) номинальная мощность N ном – наибольшая мощность, с которой горелка работает длительное время с наивысшим к.п.д.;
7) диапазон рабочего регулирования – значения мощностей от N мин до N ном;
8) коэффициент рабочего регулирования – отношение номинальной мощности к минимальной.
Классификация газовых горелок:
1) по способу подачи воздуха на горение:
– бездутьевые – воздух поступает в топку за счёт разрежения в ней;
– инжекционные – воздух засасывается в горелку за счёт энергии струи газа;
– дутьевые – воздух подается в горелку или в топку с помощью вентилятора;
2) по степени подготовки горючей смеси:
– без предварительного смешения газа с воздухом;
– с полным предварительным смешением;
– с неполным или частичным предварительным смешением;
3) по скорости истечения продуктов горения (низкая – до 20 м/с, средняя – 20-70 м/с, высокая – более 70 м/с);
4) по давлению газа перед горелками:
– низкому до 0,005 МПа (до 500 мм вод. ст.);
– среднему от 0,005 МПа до 0,3 МПа (от 500 мм вод. ст. до 3 кгс/см 2);
– высокому более 0,3 МПа (более 3 кгс/см 2);
5) по степени автоматизации управления горелками – с ручным управлением, полуавтоматические, автоматические.
По способу подачи воздуха горелки могут быть:
1) Диффузионные. Весь воздух поступает к факелу из окружающего пространства. Газ подаётся в горелку без первичного воздуха и, выходя из коллектора, смешивается с воздухом за его пределами.
Самая простая по конструкции горелка, обычно труба с насверленными в один или два ряда отверстиями.
Разновидность – подовая горелка. Состоит из газового коллектора, изготовленного из стальной трубы, заглушенной с одного торца. В трубе в два ряда просверлены отверстия. Коллектор устанавливается в щели, из огнеупорного кирпича, опирающегося на колосниковую решетку. Газ через отверстия в коллекторе выходит в щель. Воздух поступает в ту же щель через колосниковую решетку за счёт разрежения в топке или с помощью вентилятора. В процессе работы огнеупорная футеровки щели разогревается, обеспечивая стабилизацию пламени на всех режимах работы.
Достоинства горелки: простота конструкции, надежность работы (невозможен проскок пламени), бесшумность, хорошее регулирование.
Недостатки: малая мощность, неэкономична, высокое пламя.
2) Инжекционные горелки:
а) низкого давления или атмосферная (относятся к горелкам с частичным предварительным смешением). Струя газа выходит из сопла с большой скоростью и за счёт своей энергии захватывает в конфузор воздух, увлекая его внутрь горелки. Смешение газа с воздухом происходит в смесителе, состоящем из горловины, диффузора и огневого насадка. Разрежение, создаваемое инжектором, возрастает с увеличением давления газа, при этом изменяется количество подсасываемого первичного воздуха. Количество первичного воздуха можно изменять при помощи регулировочной шайбы. Изменяя расстояние между шайбой и конфузором, регулируют подачу воздуха.
Для обеспечения полного сгорания топлива часть воздуха поступает за счёт разрежения в топке (вторичный воздух). Регулирование его расхода производится путём изменения разрежения.
Обладают свойством саморегулирования: с увеличением нагрузки возрастает давление газа, который инжектирует в горелку увеличенное количество воздуха. При снижении нагрузки количество воздуха уменьшается.
Горелки ограниченно применяются на оборудовании большой производительности (более 100 кВт). Связано с тем, что коллектор горелки располагается непосредственно в топке. При работе нагревается до высоких температур и быстро выходит из строя. Имеют высокий коэффициент избытка воздуха, что приводит к неэкономичному сжиганию газа.
б) Среднего давления. При повышении давления газа обеспечивается инжекция всего воздуха, необходимого для полного сгорания газа. Весь воздух является первичным. Работают при давлении газа от 0,005 МПа до 0,3 МПа. Относятся к горелкам полного предварительного смешения газа с воздухом. В результате хорошего перемешивания газа и воздуха работают с малым коэффициентом избытка воздуха (1,05-1,1). Горелка Казанцева. Состоит из регулятора первичного воздуха, сопла, смесителя, насадка и пластинчатого стабилизатора. Выходя из сопла, газ имеет достаточно энергии для того, чтобы инжектировать весь воздух необходимый для горения. В смесителе происходит полное перемешивание газа с воздухом. Регулятор первичного воздуха одновременно глушит шум, который возникает из-за высокой скорости газовоздушной смеси. Достоинства:
– простота конструкции;
– устойчивая работа при изменении нагрузки;
– отсутствие подачи воздуха под давлением (нет вентилятора, электродвигателя, воздухопроводов);
– возможность саморегулирования (поддержания постоянного соотношения газ-воздух).
Недостатки:
– большие габариты горелок по длине, особенно горелок увеличенной производительности;
– высокий уровень шума.
3) Горелки с принудительной подачей воздуха. Образование газовоздушной смеси начинается в горелке и завершается в топке. Воздух подаётся с помощью вентилятора. Подача газа и воздуха осуществляется по отдельным трубам. Работают на газе низкого и среднего давления. Для лучшего перемешивания поток газа направляют через отверстия под углом к потоку воздуха.
Для улучшения смешения потоку воздуха сообщают вращательное движение, используя завихрители с постоянным или регулируемым углом установки лопаток.
Горелка газовая вихревая (ГГВ) – газ из распределительного коллектора выходит через отверстия, просверленные в один ряд, и под углом 90 0 поступает в закрученный с помощью лопаточного завихрителя поток воздуха. Лопатки приварены под углом 45 0 к наружной поверхности газового коллектора. Внутри газового коллектора расположена труба для наблюдения за процессом горения. При работе на мазуте в неё устанавливают паромеханическую форсунку.
Горелки, предназначенные для сжигания нескольких видов топлива, называются комбинированными.
Достоинства горелок: большая тепловая мощность, широкий диапазон рабочего регулирования, возможность регулирования коэффициента избытка воздуха, возможность предварительного подогрева газа и воздуха.
Недостатки горелок: достаточная сложность конструкции; возможены отрыв и проскок пламени, в связи с чем возникает необходимость применения стабилизаторов горения (керамический туннель, пилотный факел и т. д.).
Аварии на горелках
Количество воздуха в газовоздушной смеси важнейший фактор, влияющий на скорость распространения пламени. В смесях, в которых содержание газа превышает верхний предел его воспламенения, пламя вообще не распространяется. С увеличением количества воздуха в смеси скорость распространения пламени увеличивается, достигая наибольшей величины при содержании воздуха около 90 % его теоретического количества, необходимого для полного сгорания газа. При увеличении расхода воздуха на горелку создается смесь, более бедная газом, способная гореть быстрее и вызвать проскок пламени внутрь горелки. Поэтому, если требуется увеличить нагрузку, сначала увеличивают подачу газа, а затем воздуха. В случае необходимости уменьшения нагрузки поступают наоборот – сначала уменьшают подачу воздуха, а затем газа. В момент пуска горелок воздух не должен в них поступать и зажигание газа проводится в диффузионном режиме за счет воздуха, поступающего в топку, с последующим переходом к подаче воздуха на горелку
1.Отрыв пламени - перемещение зоны факела от выходных отверстий горелки по направлению горения топлива. Происходит, когда скорость газовоздушной смеси становится больше скорости распространения пламени. Пламя становится неустойчивым и может погаснуть. Через погасшую горелку продолжает идти газ, что приводит к образованию взрывоопасной смеси в топке.
Отрыв происходит при: повышении давления газа выше допустимого, резком увеличении подачи первичного воздуха, увеличении разряжения в топке, работа горелки в запредельных режимах относительно указанных в паспорте.
2. Проскок пламени - перемещение зоны факела навстречу горючей смеси. Бывает только в горелках с предварительным смешением газа и воздуха. Происходит тогда, когда скорость газовоздушной смеси становится меньше скорости распространения пламени. Пламя проскакивает внутрь горелки, где продолжает гореть, вызывая деформацию горелки от перегрева. При проскоке возможен небольшой хлопок, пламя погаснет, через неработающую горелку произойдет загазовывание топки и газоходов.
Проскок происходит при: снижении давления газа перед горелкой ниже допустимого; розжиге горелки при подаче первичного воздуха; большой подаче газа при низком давлении воздуха, уменьшение производительности горелок предварительным смешением газа и воздуха ниже значений, указанных в паспорте. Не возможен при диффузионном методе сжигания газа.
Действия персонала при аварии на горелке:
– выключить горелку,
– провентилировать топку,
– выяснить причину аварии,
– сделать запись в журнале,