Процесс горения газа. Природный газ. Процесс горения Что образуется при неполном сгорании природного газа

Характеристика метана

§ Бесцветный;

§ 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:

До 5% не горит;

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 2 г/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:

СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О

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 температуры;

· от давления;

· 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.

Газопроводы бывают:

· 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.

Горение - это реакция, при которой происходит преобразование химической энергии топлива в тепло.

Горение бывает полным и неполным. Полное горение происходит при достаточном количестве кислорода. Нехватка его вызывает неполное сгорание, при котором выделяется меньшее количество тепла, чем при полном, и окись углерода (СО), отравляюще действующая на обслуживающий персонал, образовывается сажа, оседающая на поверхности нагрева котла и увеличивающая потери тепла, что приводит к перерасходу топлива и снижению к. п. д. котла, загрязнению атмосферы.

Для сгорания 1 м 3 метана нужно 10 м 3 воздуха, в котором находится 2 м 3 кислорода. Для полного сжигания природного газа воздух подают в топку с небольшим избытком. Отношение действительно израсходованного объёма воздуха V д к теоретически необходимому V т называется коэффициентом избытка воздуха = V д /V т. Этот показатель зависит от конструкции газовой горелки и топки: чем они совершеннее тем меньше. Необходимо следить, чтобы коэффициент излишка воздуха не был меньше 1, так как это приводит к неполному сгоранию газа. Увеличение коэффициента избытка воздуха снижает к. п. д. котлоагрегата.

Полноту сгорания топлива можно определить с помощью газоанализатора и визуально - по цвету и характеру пламени:

прозрачно-голубоватое - сгорание полное;

красный или жёлтый - сгорание неполное.

Горение регулируется увеличением подачи воздуха в топку котла или уменьшением подачи газа. В этом процессе используется первичный (смешивается с газом в горелке - до горения) и вторичный (соединяется с газом или газовоздушной смесью в топке котла в процессе горения) воздух.

В котлах, оборудованных диффузионными горелками (без принудительной подачи воздуха), вторичный воздух под действием разряжения поступает в топку через поддувочные дверцы.

В котлах, оборудованных инжекционными горелками: первичный воздух поступает в горелку за счёт инжекции и регулируется регулировочной шайбой, а вторичный - через поддувочные дверцы.

В котлах со смесительными горелками первичный и вторичный воздух подаётся в горелку вентилятором и регулируется воздушными задвижками.

Нарушение соотношения между скоростью газовоздушной смеси на выходе из горелки и скоростью распространения пламени приводит к отрыву или проскакиванию пламени на горелках.

Если скорость газовоздушной смеси на выходе из горелки больше скорости распространения пламени - отрыв, а если меньше - проскок.

При отрыве и проскоке пламени обслуживающий персонал должен погасить котёл, провентилировать топку и газоходы и снова разжечь котёл.

Газообразное топливо с каждым годом находит все более широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. В сельскохозяйственном производстве газообразное топливо широко используется для технологических (при отоплении теплиц, парников, сушилок, животноводческих и птицеводческих комплексов) и бытовых целей. В последнее время его все больше стали применять для двигателей внутреннего сгорания.

По сравнению с другими видами газообразное топливо обладает следующими преимуществами:

сгорает в теоретическом количестве воздуха, что обеспечивает высокие тепловой кпд и температуру горения;

при сгорании не образует нежелательных продуктов сухой перегонки и сернистых соединений, копоти и дыма;

сравнительно легко подводится по газопроводам к удаленным объектам потребления и может храниться централизованно;

легко зажигается при любой температуре окружающего воздуха;

требует сравнительно небольших затрат при добыче, а значит, является по сравнению с другими более дешевым видом топлива;

может быть использовано в сжатом или сжиженном виде для двигателей внутреннего сгорания;

обладает высокими противодетонационными свойствами;

при сгорании не образует конденсата, что обеспечивает значительное уменьшение износа деталей двигателя и т.п.

Вместе с тем газообразное топливо имеет также определенные отрицательные свойства, к которым относятся: отравляющее действие, образование взрывчатых смесей при смешении с воздухом, легкое протекание через неплотности соединений и др. Поэтому при работе с газообразным топливом требуется тщательное соблюдение соответствующих правил техники безопасности.

Применение газообразных видов топлива обусловливается их составом и свойствами углеводородной части. Наиболее широко применяются природный или попутный газ нефтяных или газовых месторождений, а также заводские газы нефтеперерабатывающих и других заводов. Основными составляющими компонентами этих газов являются углеводороды с числом углеродных атомов в молекуле от одного до четырех (метан, этан, пропан, бутан и их производные).

Природные газы из газовых месторождений практически полностью состоят из метана (82...98%), с небольшой Применение газообразного топлива для двигателей внутреннего сгорания Непрерывно увеличивающийся парк автомобилей требует все большего количества топлива. Решить важнейшие народнохозяйственные проблемы стабильного обеспечения автомобильных двигателей эффективными энергоносителями и сокращения потребления жидкого топлива нефтяного происхождения возможно за счет использования газообразного топлива - сжиженного нефтяного и природного газов.

Для автомобилей используют только высококалорийные или среднекалорийные газы. При работе на низкокалорийном газе двигатель не развивает необходимой мощности, а также сокращается дальность пробега автомобиля, что экономически невыгодно. Па). Выпускают следующие виды сжатых газов: природный, коксовый механизированный и коксовый обогащенный

Основным горючим компонентом этих газов является метан. Так же как и для жидкого топлива, наличие в газообразном топливе сероводорода нежелательно из-за его коррозионного воздействия на газовую аппаратуру и детали двигателя. Октановое число газов позволяет форсировать автомобильные двигатели по степени сжатия (до 10...12).

В газе для автомобилей крайне нежелательно присутствие циана CN. Соединяясь с водой, он образует синильную кислоту, под действием которой в стенках баллонов образуются мельчайшие трещины. Наличие в газе смолистых веществ и механических примесей приводит к образованию отложений и загрязнений на приборах газовой аппаратуры и на деталях двигателей.

Подобный дефект связан с неисправностью системы автоматики котла. Отметим, что эксплуатировать котел с отключенной автоматикой (например, если принудительно заклинить пусковую кнопку в нажатом состоянии) категорически запрещено. Это может привести к трагическим последствиям, так как при кратковременном прекращении подачи газа или при погасании пламени сильным потоком воздуха, газ начнет поступать в помещение. Для понимания причин возникновения подобного дефекта, рассмотрим подробнее работу системы автоматики. На рис. 5 показана упрощенная схема этой системы. Схема состоит из электромагнита, вентиля, датчика тяги и термопары. Для включения запальника нажимают пусковую кнопку. Шток, связанный с кнопкой, давит на мембрану вентиля, и газ начинает поступать к запальнику. После этого зажигают запальник. Пламя запальника касается корпуса датчика температуры (термопары). Спустя некоторое время (30...40 с) термопара нагревается и на ее выводах появляется ЭДС, которой достаточно для срабатывания электромагнита. Последний, в свою очередь, фиксирует шток в нижнем (как на рис. 5) положении. Теперь пусковую кнопку можно отпустить. Датчик тяги состоит из биметаллической пластины и контакта (рис. 6). Датчик расположен в верхней части котла, возле трубы отвода продуктов горения в атмосферу. В случае засора трубы ее температура резко повышается. Биметаллическая пластина нагревается и разрывает цепь подачи напряжения на электромагнит - шток больше не удерживается электромагнитом, вентиль закрывается, и подача газа прекращается. Расположение элементов устройства автоматики показано на рис. 7. На нем видно, что электромагнит закрыт защитным колпаком. Провода от датчиков расположены внутри тонкостенных трубок К электромагниту трубки крепятся при помощи накидных гаек. Корпусные выводы датчиков подключаются к электромагниту через корпус самих трубок. А теперь рассмотрим методику поиска указанной выше неисправности. Проверку начинают с самого «слабого звена» уст­ройства автоматики - датчика тяги. Датчик не защи­щен кожухом, поэтому через 6... 12 месяцев эксплуа­тации «обрастает» толстым слоем пыли Биметалли­ческая пластина (см. рис. 6) быстро окисляется, что приводит к ухудшению контакта. Шубу из пыли удаляют мягкой кистью. Затем плас­тину оттягивают от контакта и зачищают мелкой на­ждачной бумагой. Не следует забывать, что необхо­димо очистить и сам контакт. Хорошие результаты дает чистка указанных элементов специальным спреем «Контакт». В его состав входят вещества, активно разрушающие оксидную пленку. После чистки на пластину и контакт наносят тонкий слой жидкой смазки. Следующим шагом проверяют исправность термопары. Она работает в тяжелом тепловом режиме, так как постоянно находится в пламени запальника, естественно, ее срок службы значительно меньше остальных элементов котла. Основной дефект термопары - прогар (разрушение) ее корпуса. При этом резко возрастает переходное сопротивление в месте сварки (спая). Вследствие этого, ток в цепи Термопара - Электромагнит - Биметаллическая пластина будет ниже номинального значения, что приводит к тому, что электромагнит уже не сможет фиксировать шток (рис. 5). Для проверки термопары откручивают накидную гайку (рис. 7), расположенную с левой стороны электромагнита. Затем включают запальник и вольтметром замеряют постоянное напряжение (термо-ЭДС) на контактах термопары (рис. 8). Нагретая исправная термопара формирует ЭДС около 25...30 мВ. Если же это значение меньше, термопара неисправна. Для ее окончательной проверки отстыковывают трубку от кожуха электромагнита и замеряют сопротивление термопары Сопротивление нагретой термопары составляет менее 1 Ом. Если же сопротивление термопары - сотни Ом и более ее необходимо заменить. Низкая величина термо-ЭДС, формируемой термо­парой, может быть вызвана следующими причинами: - засорением форсунки запальника (вследствие этого, температура нагрева термопары может быть ниже номинальной). «Лечат» подобный дефект про­чисткой отверстия запальника любой мягкой прово­локой подходящего диаметра; - смещением положения термопары (естественно, она тоже может нагреваться недостаточно). Устраня­ют дефект следующим образом - ослабляют винт крепления подводки возле запальника и регулируют положение термопары (рис 10); - низким давлением газа на входе котла. Если ЭДС на выводах термопары в норме (при со­хранении признаков неисправности, указанных вы­ше), то проверяют следующие элементы: - целостность контактов в местах подключения термопары и датчика тяги. Окислившиеся контакты необходимо зачистить. Накидные гайки закручивают, что называется, «от ру­ки». В этом случае гаечный ключ применять нежела­тельно, так как можно легко порвать подходящие к контактам провода; - целостность обмотки электромагнита и, при не­обходимости, пропаивают ее выводы. Работоспособность электромагнита можно прове­рить следующим образом. Отсоединяют подводку термопары. Нажимают и удерживают пусковую кноп­ку, затем поджигают запальник. От отдельного источ­ника постоянного напряжения на освободившийся контакт электромагнита (от термопары) подают относительно корпуса напряжение около 1 В (при токе до 2 А). Для этого можно использовать и обычную батарейку (1,5 В), главное, чтобы она обеспечила необходимый рабочий ток. Теперь кнопку можно отпустить. Если запальник не погас, электромагнит и датчик тяги исправны; - датчик тяги. Вначале проверяют усилие прижатия контакта к биметаллической пластине (при указанных признаках неисправности часто оно бывает недостаточным). Для увеличения силы прижима освобождают стопорную гайку и перемещают контакт ближе к пластине, затем гайку затягивают. В этом случае никаких дополнительных регулировок не требуется - на температуру срабатывания датчика сила прижима не влияет. Датчик имеет большой запас по углу отклонения пластины, обеспечивая надежное разрывание электрической цепи в случае аварии.

Продуктами сгорания природного газа являются диоксид углерода, водяные пары, некоторое количество избыточного кислорода и азот. Продуктами неполного сгорания газа могут быть оксид углерода, несгоревшие водород и метан, тяжелые углеводороды, сажа.

Чем больше в продуктах сгорания диоксида углерода СO 2 , тем меньше будет в них оксида углерода СО и тем полнее будет сгорание. В практику введено понятие «максимальное содержание СO 2 в продуктах сгорания». Количество диоксида углерода в продуктах сгорания некоторых газов приведено в таблице ниже.

Количество диоксида углерода в продуктах сгорания газа

Пользуясь данными таблицы и зная процентное содержание СO 2 в продуктах сгорания, можно легко определить качество сгорания газа и коэффициент избытка воздуха а. Для этого с помощыр газоанализатора следует определить количество СO 2 в продуктах сгорания газа и на полученную величину разделить значение СO 2max , взятое из таблицы. Так, например, если при сжигании газа в продуктах его сгорания содержится 10,2 % диоксида углерода, то коэффициент избытка воздуха в топке

α = CO 2max /CO 2 анализа = 11,8/10,2 = 1,15 .

Наиболее совершенный способ контроля поступления воздуха в топку и полноты его сгорания - анализ продуктов сгорания с помощью автоматических газоанализаторов. Газоанализаторы периодически отбирают пробу отходящих газов и определяют содержание в них диоксида углерода, а также сумму оксида углерода и несгоревшего водорода (СО + Н 2) в объемных процентах.

Если показания стрелки газоанализатора по шкале (СO 2 + Н 2) равны нулю, это значит, что горение полное, и в продуктах сгорания нет оксида углерода и несгоревшего водорода. Если стрелка отклонилась от нуля вправо, то в продуктах сгорания имеются оксид углерода и несгоревший водород, то есть происходит неполное сгорание. На другой шкале стрелка газоанализатора должна показывать максимальное содержание СO 2mах в продуктах сгорания. Полное сгорание происходит при максимальном проценте диоксида углерода, когда стрелка указателя шкалы СО + Н 2 находится на нуле.

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

Воздух:

,отсюда вывод:

на 1 м 3 О 2 приходится 3,76 м 3 N 2

При сжигании 1 м 3 газа необходимо затратить 9,52 м 3 воздуха, (т.к. 2+7,52). При полном сгорании газа выделяется:

· Углекислый газ СО 2 ;

· Пары воды;

· Азот (балласт воздуха);

· Выделяется теплота.

При сгораниии 1 м 3 газа выделяется 2 м 3 воды. Если температура отходящих дымовых газов в дымовой трубе меньше 120 О С и труба высокая неутеплённая, то эти пары воды конденсируются вдоль стенок дымовой трубы в её нижнюю часть, откуда через отверстие поступают в дренажную ёмкость или линию.

Чтобы исключить образование конденсата в дымовой трубе, необходимо утеплять трубу или уменьшить высоту дымовой трубы, предварительно просчитав тягу в трубе (т.е. уменьшать высоту трубы опасно).

Продукты полного сгорания газа.

· Углекислый газ;

· Пары воды.

Продукты неполного сгорания газа.

· Угарный газ СО;

· Водород Н 2 ;

· Углерод С.

В реальных условиях для сжигания газа подача воздуха несколько больше, чем рассчитано по формуле. Отношение действительного объёма воздуха, поданного на горение к теоретически рассчитанному объёму, называется коэффициентом избытка воздуха (a ). Он не должен быть более, чем 1,05…1,2:

Чрезмерно большой избыток воздуха снижает К.П.Д. котла.

По городу:

175 кг условного топлива тратится на выработку 1 Гкал тепла.

По промыслам:

162 кг условного топлива тратится на выработку 1 Гкал тепла.

Избыток воздуха определяется анализом дымовых газов прибором.

Коэффициент a по длине топочного пространства неодинаков. В начале топки у горелки , а при выходе дымовых газов в дымовую трубу он больше рассчётного за счёт подсосов воздуха через негерметичную обмуровку (обшивку) котла.

Данная информация относится к котлам, работающим под разряжением, когда давление в топке меньше атмосферного.

Котлы, работающие под избыточным давлением газов в топке котла, называются котлами, работающими под наддувом. В таких котлах обмуровка должна быть очень герметична, чтобы предотвратить попадание дымовых газов в котельную и отравление людей.