Условия полного сгорания природного газа. Продукты сгорания бытового газа и бытовой деятельности

Cтраница 1

Причины неполного сгорания связаны с химическим недожогом и механическим уносом топлива.

Одной из причин неполного сгорания в условиях открытых воздушных пламен является образование трудносгораю. Нами проведены экспериментальные исследования конденсированных продуктов, образующихся в открытых воздушных пламенах различного класса горючих.

Недостаток тяги может быть также причиной неполного сгорания газа из-за недостатка вторичного воздуха. Образующаяся при неполном сгорании окись углерода сама по себе может быть причиной взрыва газов в дымоходах или борове в случае подсоса в них воздуха.

Схема естественной тяги.

Недостаточная величина разрежения в топке может служить причиной неполного сгорания газа из-за недостатка вторичного воздуха при использовании диффузионных горелок или горелок с частичной инжекцией воздуха. Образующаяся при неполном сгорании окись углерода в смеси с воздухом может быть причиной взрыва газов в дымоходах или борове.

Уменьшение разрежения в топке ниже допустимого предела является причиной неполного сгорания газа и образования окиси углерода, которая может взорваться в дымоходах или борове в случае подсоса в них воздуха.

Наличие в топливе большого количества смолистых веществ может быть причиной неполного сгорания топлива и образования твердых нагаров, отлагающихся, по преимуществу, на сопле форсунки, распиливающей топливо. Отложение агаров ухудшает рас пылив аиие топлив в камере сгорания и может способствовать снижению или прекращению подачи топлива в цилиндры двигателя.

Наличие в топливе большого количества смолистых веществ может быть причиной неполного сгорания топлива и образования твердых нагаров, отлагающихся преимущественно на сопле форсунки, распиливающей топливо, и в выхлопной системе двигателя. Отложения нагаров ухудшают процесс распиливания топлива в камере сгорания и могут способствовать снижению или прекращению подачи топлива в цилиндры двигателя.

Потеря 7з возникает при наличии в уходящих газах продуктов неполного сгорания: окиси углерода СО, водорода Н2, метана СН4 и др. Причиной неполного сгорания топлива может быть недостаток воздуха в топке, низкая температура в ней, неудовлетворительное смешение частиц топлива с воздухом, неустойчивость процесса горения, малый объем топки.

Предложенное приспособление дает возможность выполнять основную и самую трудную часть сожжения без наблюдения экспериментатора и, что самое главное, препятствует перегреву вещества, исключая таким образом возможность слишком быстрого испарения или разложения, являющихся обычно причиной неполного сгорания или взрыва в трубке для сожжения.

Бурлаге и Брезе составили таблицу продуктов неполного сгорания, классифицируя их по различным причинам их образования, свойствам топлив и режиму двигателя, который скорее всего способствует их образованию. Следует помнить, что на эти соотношения сильно влияет конструкция двигателя и что при плохой его конструкции многие из причин неполного сгорания могут встречаться одновременно. Эта таблица (табл. 31) не может быть принята за непогрешимое руководство.

Черный нагар может также быть вызван причинами, не связанными с правильностью подбора свечи к двигателю. Такой нагар может образоваться в результате длительной работы двигателя в режиме холостого хода или при малой частоте вращения коленчатого вала. Причиной образования черного нагара может быть также слишком богатая топливная смесь. Иногда причиной неполного сгорания топливной смеси и как следствие этого черного нагара бывает неисправность системы батарейного зажигания.

Скорость продвижения зоны горения в направлении, перпендикулярном самой зоне, называется скоростью распространения пламени. Скорость распространения пламени характеризует быстроту нагрева газовоздушной смеси до температуры воспламенения. Наибольшую скорость распространения имеет пламя водорода, водяного газа (3 м / сек), наименьшую - пламя природного газа и П ропа НО-бутановой смеси. Большая скорость распространения пламени благоприятно влияет на полноту горения газа, а малая, наоборот, служит одной из причин неполного сгорания газа. Скорость распространения пламени увеличивается при применении газокислородной смеси вместо газовоздушной.

При учете общего объема углекислоты измерительная бюретка должна вместе с тем служить коллектором, и объем ее должен быть достаточным для вмещения всего получившегося при сгорании газа. Чтобы устранить излишний, приток кислорода, пространство, в котором происходит сожжение, должно быть по возможности малым. Поэтому предложенные Kinder oM 2 спирали из медной сетки, которые вставляют в трубку для сожжения для поглощения окислов серы и которые, следовательно, уменьшают мертвое пространство, надо предпочесть промывным склянкам со смесью хромовой и серной кислот. Также и при проведении процесса сожжения нужно. Впуск газа можно начинать лишь тогда, когда введенная навеска настолько прогрелась, что горение железа начинается немедленно. Пока идет сожжение, не надо пускать кислорода больше, чем его расходуется. Правильную меру надо считать соблюденной, когда уровень жидкости в расширении измерительной бюретки падает во время сожжения лишь незначительно. Немедленному началу горения способствует высркгя температура нагрева; быстрое и полное сожжение обеспечивается применением отдающих кислород добавок. При соблюдении этих условий время сожжения значительно сокращается-даже для трудно сгорающих легированных материалов. Что касается применяемых фарфоровых трубок, то трубки с повышенным содержанием глинозема являются менее ломкими; всегда нужно следить за тем, чтобы охлаждение происходило постепенно. Дольше всего держатся трубки, которые все врем я нагреваются, как это, например, имеет место при непрерывном производстве. Против слишком сильного шлакования трубок помогает восстановление шлаков в струе водорода. Восстанавливающийся при этом металл в нагретом состоянии мягок и легко удаляется из трубки. Покрывание лодочек отчасти препятствует доступу кислорода, а это может быть причиною неполного сгорания. Хотя присадки сами по себе тоже мешают шлакообразованию, но зато они сильно разъедающе действуют на фарфор. Газопроницаемости при высоких температурах даже в неглазурованных с обеих сторон трубках не наблюдается; поэтому для сожжения можно пользоваться как глазурованными, так и негла зурованными трубками.

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.

Горение газообразного топлива представляет собой сочетание следующих физических и химических процессов: смешение горючего газа с воздухом, подогрев смеси, термическое разложение горючих компонентов, воспламенение и химическое соединение горючих элементов с кислородом воздуха.

Устойчивое горение газовоздушной смеси возможно при непрерывном подводе к фронту горения необходимых количеств горючего газа и воздуха, их тщательном перемешивании и нагреве до температуры воспламенения или самовоспламенения (табл. 5).

Воспламенение газовоздушной смеси может быть осуществлено:

нагревом всего объема газовоздушной смеси до температуры самовоспламенения. Такой способ применяют в двигателях внутреннего сгорания, где газовоздушную смесь нагревают быстрым сжатием до определенного давления;
применением посторонних источников зажигания (запальников и т. д.). В этом случае до температуры воспламенения нагревается не вся газовоздушная смесь, а ее часть. Данный способ применяется при сжигании газов в горелках газовых приборов;
существующим факелом непрерывно в процессе горения.

Для начала реакции горения газообразного топлива следует затратить определенное количество энергии, необходимой для разрыва молекулярных связей и создания новых.

Химическая формула сгорания газового топлива с указанием всего механизма реакции, связанного с возникновением и исчезновением большого количества свободных атомов, радикалов и других активных частиц, сложна. Поэтому для упрощения пользуются уравнениями, выражающими начальное и конечное состояния реакций горения газа.

Если углеводородные газы обозначить С m Н n , то уравнение химической реакции горения этих газов в кислороде примет вид

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

где m - количество атомов углерода в углеводородном газе; n - количество атомов водорода в газе; (m + n/4) - количество кислорода, необходимое для полного сгорания газа.

В соответствии с формулой выводятся уравнения горения газов:

метана СН 4 + 2O 2 = СO 2 + 2Н 2 O
этана С 2 Н 6 + 3,5O 2 = 2СO 2 + ЗН 2 O
бутана С 4 Н 10 + 6,5O 2 = 4СO 2 + 5Н 2 0
пропана C 3 H 8 + 5O 3 = ЗСO 2 + 4Н 2 O.

В практических условиях сжигания газа кислород берется не в чистом виде, а входит в состав воздуха. Так как воздух состоит по объему на 79 % из азота и на 21 % из кислорода, то на каждый объем кислорода требуется 100: 21 = 4,76 объема воздуха или 79: 21 = = 3,76 объема азота. Тогда реакцию горения метана в воздухе можно записать следующим образом:

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

Из уравнения видно, что для сжигания 1 м 3 метана требуется 1 м 3 кислорода и 7,52 м 3 азота или 2 + 7,52 = 9,52 м 3 воздуха.

В результате сгорания 1 м 3 метана получается 1 м 3 диоксида углерода, 2 м 3 водяных паров и 7,52 м 3 азота. В таблице ниже приведены эти данные для наиболее распространенных горючих газов.

Для процесса горения газовоздушной смеси необходимо, чтобы количество газа и воздуха в газовоздушной смеси было в определенных пределах. Эти пределы называются пределами воспламеняемости или пределами взрываемости. Различают нижний и верхний пределы воспламеняемости. Минимальное содержание газа в газовоздушной смеси, выраженное в объемных процентах, при котором происходит воспламенение, называется нижним пределом воспламеняемости. Максимальное содержание газа в газовоздушной смеси, выше которого смесь не воспламеняется без подвода дополнительной теплоты, называется верхним пределом воспламеняемости.

Количество кислорода и воздуха при сжигании некоторых газов

	Для сжигания 1 м 3 газа требуется, м 3	При сжигании 1 м 3 газа выделяется, м 3	Теплота сгорания Он,кДж/м 3
	кислорода	диоксида углерода	Теплота сгорания Он,кДж/м 3

Оксид углерода

Если в газовоздушной смеси содержится газа меньше нижнего предела воспламеняемости, то она не будет гореть. Если в газовоздушной смеси недостаточно воздуха, то горение протекает не полностью.

Большое влияние на величины пределов взрываемости оказывают инертные примеси в газах. Увеличение содержания в газе балласта (N 2 и СO 2) сужает пределы воспламеняемости, а при повышении содержания балласта выше определенных пределов газовоздушная смесь не воспламеняется при любых соотношениях газа и воздуха (таблица ниже).

Количество объемов инертного газа на 1 объем горючего газа, при котором газовоздушная смесь перестает быть взрывоопасной

Наименьшее количество воздуха, необходимое для полного сжигания газа, называется теоретическим расходом воздуха и обозначается Lt, то есть если низшая теплота сгорания газового топлива 33520 кДж/м 3 , то теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 м 3 газа

L T = (33 520/4190)/1,1 = 8,8 м 3 .

Однако действительный расход воздуха всегда превышает теоретический. Объясняется это тем, что очень трудно достигнуть полного сгорания газа при теоретических расходах воздуха. Поэтому любая газовая установка для сжигания газа работает с некоторым избытком воздуха.

Итак, практический расход воздуха

L n = αL T ,

где L n - практический расход воздуха; α - коэффициент избытка воздуха; L T - теоретический расход воздуха.

Коэффициент избытка воздуха всегда больше единицы. Для природного газа он составляет α = 1,05 - 1,2. Коэффициент α показывает, во сколько раз действительный расход воздуха превышает теоретический, принимаемый за единицу. Если α = 1, то газовоздушная смесь называется стехиометрической .

При α = 1,2 сжигание газа производится с избытком воздуха на 20 %. Как правило, сжигание газов должно проходить с минимальным значением а, так как с уменьшением избытка воздуха снижаются потери теплоты с уходящими газами. Воздух, принимающий участие в горении, бывает первичным и вторичным. Первичным называется воздух, поступающий в горелку для смешения в ней с газом; вторичным — воздух, поступающий в зону горения не в смеси с газом, а отдельно.

Метан представляет собой газообразное химическое соединение с химической формулой CH4. Это самый простой представитель алканов. Другие названия этой группы органических соединений: предельные, насыщенные или парафиновые углеводороды. Они характеризуются наличием простой связи между атомами углерода в молекуле, а все остальные валентности каждого углеродного атома насыщены атомами водорода. Для алканов наиболее важной реакцией является горение. Они горят с образованием газообразной двуокиси углерода и паров воды. В результате выделяется огромное количество химической энергии, которая превращается в тепловую или электрическую. Метан является горючим веществом и основным компонентом природного газа, что и делает его привлекательным топливом. В основе широкого использования природного ископаемого лежит реакция горения метана. Поскольку он в нормальных условиях является газом, то его трудно транспортировать на далекие расстояния от источника, поэтому часто его предварительно сжижают.

Процесс горения заключается в реакции между метаном и кислородом, то есть в окислении простейшего алкана. В результате образуется вода и много энергии. Горение метана может быть описано уравнением: CH4 [газ] + 2O2 [газ] → CO2 [газ] + 2H2O [пар] + 891 кДж. То есть одна молекула метана при взаимодействии с двумя молекулами кислорода образует молекулу и две молекулы воды. При этом выделяется равная 891 кДж. Природный газ является самым чистым для сжигания ископаемым, так как уголь, нефть и другие виды топлива более сложные по составу. Поэтому при сгорании они выделяют в воздух различные вредные химические вещества. Поскольку природный газ в основном состоит из метана (примерно на 95%), то при его сжигании практически не образуются побочные продукты или их получается намного меньше, чем в случае с другими видами ископаемого топлива.

Теплотворная способность метана (55,7 кДж/г) выше, чем его гомологов, например, этана (51,9 кДж/г), пропана (50,35 кДж/г), бутана (49,50 кДж/г) или других видов топлива (древесина, уголь, керосин). Горение метана дает больше энергии. Для обеспечения в течение года работы лампочки накаливания мощностью 100 Вт необходимо сжечь 260 кг древесины, или 120 кг угля, или 73,3 кг керосина, или всего 58 кг метана, что соответствует 78,8 м³ природного газа.

Простейший алкан является важным ресурсом для получения электроэнергии. Происходит это за счет сжигания его в качестве топлива котла, вырабатывающего пар, который приводит в движение паровую турбину. Также горение метана используется для получения горячих дымовых газов, энергия которых обеспечивает работу (сжигание осуществляется до турбины или в самой турбине). Во многих городах метан подается по трубам в дома для внутреннего отопления и приготовления пищи. По сравнению с другими видами углеводородного топлива сжигание природного газа характеризуется меньшим выделением углекислого газа и большим количеством полученного тепла.

Горение метана используется для достижения высоких температур в печах различных химических производств, например, крупнотоннажных этиленовых установок. Природный газ в смеси с воздухом подается в горелки печей пиролиза. В процессе сгорания образуются дымовые газы с высокой температурой (700—900 °С). Они нагревают трубы (находятся внутри печи), в которые подается смесь сырья с (для снижения образования кокса в трубах печей). Под действием высоких температур происходит множество химических реакций, в результате которых получают целевые компоненты (этилен и пропилен) и побочные продукты (смола пиролизная тяжелая, водородная и метановая фракции, этан, пропан, углеводороды С4, С5, пироконденсат; каждый из них имеет свое применение, например, пироконденсат используют для получения бензола или компонентов автомобильного бензина).

Горение метана является сложным физико-химическим явлением на основе экзотермической окислительно-восстановительной реакции, характеризующейся высокой скоростью течения и выделением огромного количества тепла, а также теплообменными и массообмеными процессами. Поэтому расчетное определение температуры горения смеси представляет собой сложную задачу, так как кроме состава горючей смеси сильно влияют ее давление и начальная температура. С их увеличением наблюдается рост температуры горения, а теплообменные и массообменые процессы способствуют ее снижению. Температура горения метана при проектировании процессов и аппаратов химических производств определяется расчетным методом, а на действующих установках (например, в печах пиролиза) ее измеряют с помощью термопар.

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: ,