Что образуется при сгорании природного газа. Горение природного газа

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

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.

Александр Павлович Константинов

Главный инспектор по контролю безопасности ядерно и радиационно опасных объектов. Кандидат технических наук, доцент, профессор Российской академии естествознания.

Кухня с газовой плитой часто бывает главным источником загрязнения воздуха всей квартиры. И, что очень важно, это касается большинства жителей России. Ведь в России 90% городских и свыше 80% сельских жителей пользуются газовыми плитами Хата, З. И. Здоровье человека в современной экологической обстановке. - М. : ФАИР-ПРЕСС, 2001. - 208 с. .

В последние годы появились публикации серьёзных исследователей о высокой опасности газовых плит для здоровья. Медики знают, что в домах, где установлены газовые плиты, жители болеют чаще и дольше, чем в домах с электроплитами. Причём речь идёт о множестве разных болезней, а не только о заболеваниях дыхательных путей. Особенно заметно снижение уровня здоровья у женщин, детей, а также у пожилых и хронически больных людей, которые больше времени проводят дома.

Профессор В. Благов не зря назвал применение газовых плит «широкомасштабной химической войной против собственного народа».

Почему использование бытового газа вредит здоровью

Попытаемся ответить на этот вопрос. Есть несколько факторов, которые в сумме делают применение газовых плит опасным для здоровья.

Первая группа факторов

Эта группа факторов обусловлена самой химией процесса горения природного газа. Даже если бы бытовой газ сгорал полностью до воды и углекислого газа, это приводило бы к ухудшению состава воздуха в квартире, особенно на кухне. Ведь при этом из воздуха выжигается кислород, одновременно повышается концентрация углекислого газа. Но это не главная беда. В конце концов, тоже самое происходит с воздухом, которым дышит человек.

Гораздо хуже, что в большинстве случаев сгорание газа происходит не полностью, не на все 100%. Из-за неполного сгорания природного газа образуются гораздо более токсичные продукты. Например, оксид углерода (угарный газ), концентрация которого может многократно, в 20–25 раз превышать допустимую норму. А ведь это ведёт к головным болям, аллергии, недомоганиям, ослаблению иммунитета Яковлева, М. А. А у нас в квартире газ. - Деловой экологический журнал. - 2004. - № 1(4). - С. 55. .

Помимо угарного газа в воздух выделяются сернистый газ, оксиды азота, формальдегид, а также бензпирен - сильный канцероген. В городах бензпирен попадает в атмосферный воздух от выбросов металлургических предприятий, тепловых электростанций (особенно угольных) и автомобилей (особенно старых). Но концентрация бензпирена даже в загазованном атмосферном воздухе не идёт в сравнение с его концентрацией в квартире. На рисунке показано, насколько больше мы получаем бензпирена, находясь на кухне.

Сравним первые два столбца. На кухне мы получаем вредных веществ в 13,5 раз больше, чем на улице! Для наглядности оценим поступление бензпирена в наш организм не в микрограммах, а в более понятном эквиваленте - числе выкуриваемых ежедневно сигарет. Так вот, если курильщик выкуривает в день одну пачку (20 сигарет), то на кухне человек получает в день эквивалент от двух до пяти сигарет. То есть хозяйка, имеющая газовую плиту, как бы немного «курит».

Вторая группа факторов

Эта группа связана с условиями эксплуатации газовых плит. Любой водитель знает, что нельзя находиться в гараже одновременно с автомобилем, у которого включён двигатель. Но ведь на кухне мы имеем как раз такой случай: сжигание углеводородного топлива в закрытом помещении! У нас отсутствует то устройство, которое есть у каждого автомобиля, - выхлопная труба. По всем правилам гигиены каждая газовая плита должна быть снабжена зонтом вытяжной вентиляции.

Особенно плохо обстоят дела в случае, если мы имеем маленькую кухню в малогабаритной квартире. Мизерная площадь, минимальная высота потолков, плохая вентиляция и весь день работающая газовая плита. А ведь при низких потолках продукты сгорания газа скапливаются в верхнем слое воздуха толщиной до 70–80 сантиметров Бойко, А. Ф. Здоровье на 5+. - М. : Российская газета, 2002. - 365 с. .

Часто труд домохозяйки у газовой плиты сравнивают с вредными условиями труда на производстве. Это не совсем правильно. Расчёты показывают, что если кухня маленькая, при этом отсутствует хорошая вентиляция, то мы имеем дело с особо вредными условиями труда. Типа металлурга, обслуживающего коксохимические батареи.

Как уменьшить вред от газовой плиты

Как же нам быть, если всё настолько плохо? Может быть, действительно стоит избавиться от газовой плиты и установить электрическую или индукционную? Хорошо, если есть такая возможность. А если нет? На этот случай имеется несколько простых правил. Достаточно их соблюдать, и вы сможете уменьшить вред здоровью от газовой плиты в десятки раз. Перечислим эти правила (большая их часть - рекомендации профессора Ю. Д. Губернского) Ильницкий, А. Пахнет газом. - Будь здоров!. - 2001. - № 5. - С. 68–70. .

1. Необходимо установить над плитой вытяжной зонт с воздухоочистителем. Это самый действенный приём. Но даже если по каким-то причинам вы не можете этого сделать, то остальные семь правил в сумме тоже позволят значительно уменьшить загазованность воздуха.
2. Следите за полнотой сгорания газа. Если вдруг цвет газа стал не таким, каким должен быть по инструкции, немедленно вызывайте газовиков для регулирования разладившейся горелки.
3. Не загромождайте плиту лишней посудой. Посуда должна стоять только на работающих горелках. В этом случае будет обеспечиваться свободный доступ воздуха к горелкам и более полное сгорание газа.
4. Одновременно в работе лучше использовать не более двух горелок или духовку и одну горелку. Даже если у вашей плиты четыре горелки, одновременно лучше включать максимум две.
5. Максимальное время непрерывной работы газовой плиты - два часа. После этого необходимо сделать перерыв и хорошенько проветрить кухню.
6. Во время работы газовой плиты двери на кухню должны быть закрыты, а форточка открыта. Это обеспечит удаление продуктов сгорания через улицу, а не через жилые комнаты.
7. После окончания работы газовой плиты целесообразно проветрить не только кухню, но и всю квартиру. Желательно сквозное проветривание.
8. Никогда не используйте газовую плиту для обогрева и сушки белья. Вы же не станете для этой цели разжигать костёр посреди кухни, верно?

Горением называют быстро протекающую во времени химическую реак-цию соединения горючих компонентов топлива с кислородом воздуха, сопровож-дающуюся интенсивным выделением теплоты, света и продуктов сгорания.

Для метана реакция горения с воздухом:

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2 O + Q н

C3 H8 + 5O2 = 3CO2 + 3H2 O + Q н

Для СУГ :

C4 H10 + 6,5O2 = 4CO2 + 5H2 O + Q н

Продуктами полного сгорания газов являются водяные пары (H 2 O ), диоксид углерода (CO 2 ) или углекислый газ.

При полном сгорании газов цвет пламени, как правило, голубовато-фиолетовый.

Объемный состав сухого воздуха принимается: O 2 ≈ 21%, N 2 ≈ 79%, из этого след., что

1м3 кислорода содержится в 4,76м3 (≈ 5 м3 ) воздуха.

Вывод: для сжигания

- 1м3 метана необходимо 2м3 кислорода или около 10м3 воздуха,

- 1м3 пропана - 5м3 кислорода или около 25м3 воздуха,

- 1м3 бутана - 6,5м3 кислорода или около 32,5м3 воздуха,

- 1м3 СУГ ~ 6м3 кислорода или около 30м3 воздуха.

Практически при сжигании газа водяные пары, как правило, не конденсируются, а удаляются вместе с другими продуктами сгорания. Поэтому технические расчеты ведут по низшей теплоте сгорания Q н.

Условия, необходимые для горения:

1. наличие топлива (газа);

2. наличие окислителя (кислорода воздуха);

3. наличие источника температуры воспламенения.

Неполное сгорание газов.

Причиной неполного сгорания газа является недостаточное количество воздуха.

Продуктами неполного сгорания газов являются оксид углерода или угарный газ (CO ), несгоревшие горючие углеводороды (Cn Hm ) и атомарный углерод или сажа.

Для природного газа CH 4 + O 2 → CO 2 + H 2 O + CO + CH 4 + C

Для СУГ Cn Hm + O2 → CO2 + H2 O + CO + Cn Hm + C

Наиболее опасным является появление угарного газа, который действует на организм человека отравляюще. Образование сажи придает пламени желтую окраску.

Неполное сгорание газа опасно для здоровья человека (при содержании 1% СО в воздухе 2-3 вздоха для человека достаточно, чтобы отравиться со смертельным исходом).

Неполное сгорание неэкономично (сажа препятствует процессу передачи тепла, при неполном сгорании газа мы недополучаем тепло, ради которого сжигаем газ).

Для контроля полноты сгорания обращают внимание на цвет пламени, которое при полном сгорании должно быть голубым, а при неполном сгорании - желтовато-соломенным. Наиболее совершенный способ контроля полноты сгорания - анализ продуктов сгорания с помощью газоанализаторов.

Способы сжигания газа.

Понятие о первичном и вторичном воздухе.

Существуют 3 способа сжигания газа:

1) диффузионный,

2) кинетический,

3) смешанный.

Диффузионный способ или способ без предварительного смешения газа с воздухом.

Из горелки в зону горения поступает только газ. Воздух, необходимый для горения, смешивается с газом в зоне горения. Этот воздух называется вторичным.

Пламя вытянутое, желтого цвета.

a = 1,3÷1,5 t ≈ (900÷1000) о С

Кинетический способ - способ с полным предварительным смешением газа с воздухом.

В горелку подается газ и подается воздух дутьевым устройством. Воздух, необходимый для горения и который подается в горелку для предварительного смешения с газом, называется первичным.

Пламя короткое, зеленовато-синеватого цвета.

a = 1,01÷1,05 t ≈ 1400о С

Смешанный способ - способ с частичным предварительным смешиванием газа с воздухом.

Газ инжектирует первичный воздух в горелку. В зону горения из горелки поступает газовоздушная смесь с недостаточным для полного сгорания количеством воздуха. Остальной воздух - вторичный.

Пламя средних размеров, зеленовато-голубоко цвета.

a =1,1 ¸ 1,2 t ≈1200о С

Коэффициент избытка воздуха a = L пр./ L теор. - это отношение количества воздуха, необходимого для горения на практике к количеству воздуха, необходимого для горения и теоретически посчитанного.

Всегда должен быть a >1, в противном случае будет недожог.

L пр.= a ∙ L теор., т.е. коэффициент избытка воздуха показывает во сколько раз количество воздуха, необходимого для горения на практике больше количества воздуха, необходимого для горения и посчитанного теоретически.

где α - коэффициент избытка воздуха (как правило, больше 1).

Неполное сжигание газа ведет к перерасходу топлива и повышает опасность отравления продуктами неполного сгорания газа, в состав которых входит и оксид углерода (СО).

Продукты сгорания газа и контроль за процессом горения.

Продукты сгорания природного газа - это диоксид углеро­да (углекислый газ) , 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, так как яв­ляется составной частью воздуха и не принимает участия в горе­нии.

Продуктами неполного сгорания газа могут быть оксид уг­лерода (угарный газ ), несгоревшие водород и метан, тяжелые углеводороды, сажа.

О процессе горения правильнее всего можно судить по приборам анализа уходящих газов, показывающим содержание в нем углекислого газа и кислорода. Если в топке котла пламя вытянутое и имеет темно-желтую окраску, это говорит недостатке воздуха, а если пламя становится коротким и имеет ослепительно-белую окраску, то о его избытке.

Регулировать работу котлоагрегата можно двумя способам изменением тепловой мощности всех горелок, установленных котле, или отключением их части. Способ регулирования зависит от местных условий и должен быть указан в производственной инструкции. Изменение тепловой мощности горелок допустимо в том случае, если она не выходит за пределы устойчивой работы. Отклонение тепловой мощности за пределы устойчивой работы может привести к отрыву или проскоку пламени.

Регулировать работу отдельных горелок следует в два-приема, медленно и постепенно изменяя расход воздуха и газа.

При уменьшении тепловой мощности сначала уменьшают подачу воздуха , а затем газа; при увеличении тепловой мощности сначала увеличивают подачу газа , а затем воздуха.

При этом следует регулировать разрежение в топке, меняя положение шибера котлом или лопаток направляющего аппарата перед дымососом.

При необходимости повышения тепловой мощности горелок пред­варительно увеличивают разрежение в топке ; при снижении тепловой мощности сначала регулируют работу горелок, а затем уменьшают разрежение в топке.

Методы сжигания газа.

В зависимости от способа образования ГВС методы сжигания можно разделить на диффузионный, смешанный и кинетический .

При диффузионном методе к фронту горения газ поступает под давлением, а воздух из окружающего пространства за счёт молекулярной или турбулентной диффузии, смесеобразование протекает одновременно с процессом горения, поэтому скорость процесса горения определяется скоростью смесеобразования.

Процесс горения начинается после образования контакта между газом и воздухом и образования ГВС необходимого состава. При этом к струе газа диффундирует воздух, а из струи газа в воздух - газ. Таким образом, вблизи струи газа создаётся ГВС, в результате горения которой образуется зона первичного горения газа(2) . Горение основной части газа происходит в зоне(З), а зоне(4) движутся продукты горения.

Этот метод сжигания в основном применяется в быту (духовки, газовые плиты и т.д.)

При смешанном методе сжигания газа горелка обеспечивает предварительное смешение газа только с частью воздуха, необходимого для полного сгорания газа. Остальной воздух поступает из окружающей среды непосредственно к факелу.

В этом случае сначала выгорает лишь часть газа, смешанная с первичным воздухом (50%-60%), а оставшаяся часть газа, разбавленная продуктами горения, выгорает после присоединения кислорода вторичного воздуха.

Воздух, окружающий пламя горелки называется вторичным .

При кинетическом методе сжигания газа к месту горения подаётся ГВС полностью подготовленная внутри горелки.

Классификация газовых горелок.

Газовой горелкой называют устройство, обеспечивающее устойчивое сжигание газообразного топлива и регулирование процесса горения.

Основные функции газовых горелок:

Подача газа и воздуха к фронту горения;

Смесеобразование;

Стабилизация фронта воспламенения;

Обеспечение требуемой интенсивности процесса горения газа.

По методу сжигания газа все горелки можно разделить на три группы:

Диффузионные - без предварительного смешения газа с воздухом;

Диффузионно-кинетические - с неполным предварительным смешением газа с воздухом;

Кинетические - с полным предварительным смешением газа с воздухом.

По способу подачи воздуха горелки подразделяются на:

Бездутьевые - у которых воздух поступает в топку за счёт разряжения в ней.

Инжекционные - в которых воздух засасывается за счёт энергии струи газа.

Дутьевые - у каторых воздух подаётся в горелку или топку с помощью вентилятора.

По давлению газа, на котором работают горелки:

- низкого давления до 0,05 кгс/см 2 ;

- среднего давления свыше 0,05 до З кгс/см 2 ;

- высокого давления свыше 3 кгс/см 2 .

Общие требования для всех горелок :

Обеспечение полноты сгорания газа;

Устойчивость при изменении тепловой мощности;

Надёжность при эксплуатации;

Компактность;

Удобство при обслуживании.

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,