Полное сгорание природного газа экономичность и безопасность. Горение 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.
Одоризация
Горючие газы не имею запаха. Для своевременного определения наличия их в воздухе, быстрого и точного обнаружения мест утечки газ - одорируют (дают запах). Для одоризации используют этилмеркаптан (С 2 Н 5 SН). Норма одоризации 16 гр этилмеркаптана на 1000 м 3 газа, 8 гр этилмеркаптановой серы на 1000 м³. Одоризация проводится на газораспределительных станциях (ГРС). При наличии в воздухе 1% природного газа должен ощущаться его запах.
20 % газа в помещении вызывает удушье
5-15 % взрыв
0,15 % угарного газа СО - отравление; 0,5 % СО = 30 мин. дышать летальный исход; 1% угарного газа летальный исход.
Метан и другие углеводородные газы не ядовиты, но вдыхание их вызывает головокружение, а значительное содержание в воздухе приводит к удушью из-за недостатка кислорода.
Сгорание топлива полное и неполное:
Для сгорания 1м³ газа нужно 10м³ воздуха.
Горение природного газа – это реакция, при которой происходит преобразование химической энергии топлива в тепло.
Горение бывает полным и неполным. Полное горение происходит при достаточном количестве кислорода.
При полном сгорании газа образуется СО 2 (углекислый газ), Н 2 О
(вода). При неполном сгорании газа потеря теплоты. Недостаток кислорода О 2 окислителя.
Продукты неполного горения СО - угарный газ, отравляющего действия, С углерод, сажа.
Неполное сгорание – это неудовлетворительное смешение газа с воздухом, чрезмерное охлаждение пламени до завершения реакции горения.
Реакция горения основных компонентов природного газа:
1:10 метан СН 4 + 20 2 =СО 2 + 2Н 2 О = двуокись углерода +вода
неполное сгорание газа СН 4 + 1,5О 2 =2Н 2 О + СО - угарный газ
Преимущества и недостатки природного газа перед другими видами топлива.
Преимущества:
Стоимость добычи газа значительно ниже, чем угля и нефти;
Высокая теплота сгорания;
Обеспечена полнота сгорания и облегчение условий обслуживающего персонала;
Отсутствие в природных газах окиси углерода и сероводорода предупреждает отравление при утечках газа;
При сжигании газа необходим минимальный остаток воздуха в печи и при этом отсутствуют затраты в результате механического досжигания;
При сжигании газового топлива обеспечивается более точное регулирование температуры;
При сжигании газа горелки можно разместить в доступном месте печи, что дает возможность лучшей теплоотдачи и необходимости температурного режима;
Возможность изменения формы пламени для нагрева в определенном месте.
Недостатки:
Взрыво и пожароопасный;
Процесс сжигания газа возможен только при вытеснении кислорода;
Эффект взрыва при самовозгорании;
Возможность детонации смеси газа и воздуха.
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.
Природный газ — это самое распространенное топливо на сегодняшний день. Природный газ так и называется природным, потому что он добывается из самых недр Земли.
Процесс горения газа является химической реакцией, при которой происходит взаимодействия природного газа с кислородом, который содержится в воздухе.
В газообразном топливе присутствует горючая часть и негорючая.
Основным горючим компонентом природного газа является метан — CH4. Его содержание в природном газе достигает 98 %. Метан не имеет запаха, не имеет вкуса и является нетоксичным. Предел его воспламеняемости находится от 5 до 15 %. Именно эти качества позволили использовать природный газ, как один из основных видов топлива. Опасно для жизни концентрация метана более 10 %, так может наступить удушье, вследствие нехватки кислорода.
Для обнаружения утечки газа, газ подвергают одоризации, иначе говоря добавляют сильнопахнущее вещество (этилмеркаптан). При этом газ можно обнаружить уже при концентрации 1 %.
Кроме метана в природном газе могут присутствовать горючие газы — пропан, бутан и этан.
Для обеспечения качественного горения газа необходимо в достаточном количестве подвести воздух в зону горения и добиться хорошего перемешивания газа с воздухом. Оптимальным считается соотношение 1: 10. То есть на одну часть газа приходится десять частей воздуха. Кроме этого необходимо создание нужного температурного режима. Чтобы газ воспламенился необходимо его нагреть до температуры его воспламенения и в дальнейшем температура не должна опускаться ниже температуры воспламенения.
Необходимо организовать отвод продуктов сгорания в атмосферу.
Полное горение достигается в том случае, если в продуктах сгорания выходящих в атмосферу отсутствуют горючие вещества. При этом углерод и водород соединяются вместе и образуют углекислый газ и пары воды.
Визуально при полном сгорании пламя светло-голубое или голубовато-фиолетовое.
Полное сгорание газа.
метан + кислород = углекислый газ + вода
СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О
Кроме этих газов в атмесферу с горючими газами выходит азот и оставшийся кислород. N 2 + O 2
Если сгорание газа происходит не полностью, то в атмосферу выбрасываются горючие вещества – угарный газ, водород, сажа.
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.
Для более точного контроля качества сгорания топлива существуют приборы — газоанализаторы, которые измеряют содержание определенных веществ в составе уходящих газов.
Газоанализаторы могут поступать в комплекте с котлами. В случае если их нет, соответствующие измерения проводит пусконаладочная организация при помощи переносных газоанализаторов. Составляется режимная карта в которой прописываются необходимые контрольные параметры. Придерживаясь их можно обеспечить нормальное полное сгорание топлива.
Основными параметрами регулирования горения топлива являются:
- соотношение газа и воздуха подаваемых на горелки.
- коэфициент избытка воздуха.
- разряжение в топке.
- Кэфициент полезного действия котла.
При этом под коэфициентом полезного действия котла подразумевают соотношение полезного тепла к величине всего затраченного тепла.
Состав воздуха
| Название газа | Химический элемент | Содержание в воздухе |
| Азот | N2 | 78 % |
| Кислород | O2 | 21 % |
| Аргон | Ar | 1 % |
| Углекислый газ | CO2 | 0.03 % |
| Гелий | He | менее 0,001 % |
| Водород | H2 | менее 0,001 % |
| Неон | Ne | менее 0,001 % |
| Метан | CH4 | менее 0,001 % |
| Криптон | Kr | менее 0,001 % |
| Ксенон | Xe | менее 0,001 % |
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.
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,
