Вредные вещества при сгорании газа. Полное и неполное сгорание газа

Основным условием для горения газа является наличие кислорода (а следовательно, воздуха). Без присутствия воздуха горение газа невозможно. В процессе горения газа происходит химическая реакция соединения кислорода воздуха с углеродом и водородом топлива. Реакция происходит с выделением тепла, света, а также углекислого газа и водяных паров.

В зависимости от количества воздуха, участвующего в процессе горения газа, происходит полное или неполное его сгорание.

При достаточном поступлении воздуха происходит полное сгорание газа, в результате которого продукты его горения содержат негорючие газы: углекислый газ С02, азот N2, водяные пары Н20. Больше всего (по объему) в продуктах горения азота - 69,3-74%.

Для полного сгорания газа также необходимо, чтобы он смешивался с воздухом в определенных (для каждого газа) количествах. Чем выше калорийность газа, тем требуется большее количество воздуха. Так, для сжигания 1 м3 природного газа требуется около 10 м3 воздуха, искусственного - около 5 м3, смешанного - около 8,5 м3.

При недостаточном поступлении воздуха происходит неполное сгорание газа или химический недожог горючих составных частей; в продуктах сгорания появляются горючие газы-окись углерода СО, метан СН4 и водород Н2

При неполном сгорании газа наблюдается длинный, коптящий, светящийся, непрозрачный, желтого цвета факел.

Таким образом, недостаток воздуха приводит к неполному сгоранию газа, а избыток - к чрезмерному охлаждению температуры пламени. Температура воспламенения природного газа 530 °С, коксового - 640 °С, смешанного - 600 °С. Кроме того, при значительном избытке воздуха также происходит неполное сгорание газа. При этом наблюдается конец факела желтоватого цвета, не вполне прозрачный, с расплывчатым голубовато-зеленым ядром; пламя неустойчиво и отрывается от горелки.

Рис. 1. Пламя газа я - без предварительного смешения газа с воздухом; б -с частичным пред. верительным смешением газа с воздухом; в - с предварительным полным смешением газа с воздухом; 1 - внутренняя темная зона; 2 - коптящий светящийся конус; 3 - горящий слой; 4 - продукты сгорания

В первом случае (рис. 1,а) факел имеет большую длину и состоит из трех зон. В атмосферном воздухе горит чистый газ. В первой внутренней темной зоне газ не горит: он не смешан с кислородом воздуха и не нагрет до температуры воспламенения. Во вторую зону воздух поступает в недостаточном количестве: его задерживает горящий слой, и поэтому он не может хорошо смешаться с газом. Об этом свидетельствует ярко светящийся, светло-желтый коптящий цвет пламени. В третью зону воздух поступает в достаточном количестве, кислород которого хорошо смешивается с газом, газ горит голубоватым цветом.

При этом способе газ и воздух подаются в топку раздельно. В топке происходит не только сжигание газовоздушной смеси, но и процесс приготовления смеси. Такой метод сжигания газа широко применяют в промышленных установках.

Во втором случае (рис. 1,6) сжигание газа происходит значительно лучше. В результате частичного предварительного смешивания газа с воздухом в зону горения поступает приготовленная газовоздушная смесь. Пламя становится короче, несветящимся, имеет две зоны - внутреннюю и наружную.

Газовоздушная смесь во внутренней зоне не горит, так как она не нагревалась до температуры воспламенения. В наружной зоне сгорает газовоздушная смесь, при этом в верхней части зоны резко повышается температура.

При частичном смешении газа с воздухом в этом случае полное сгорание газа происходит только при дополнительном подводе воздуха к факелу. В процессе горения газа воздух подводят дважды: первый раз - до поступления в топку (первичный воздух), второй раз - непосредственно в топку (вторичный воздух). Этот метод сжигания газа положен в основу устройства газовых горелок для бытовых приборов и отопительных котельных.

В третьем случае факел значительно укорачивается и газ сгорает полнее, так как газовоздушная смесь была предварительно приготовлена. О полноте сгорания газа свидетельствует короткий прозрачный факел голубого цвета (беспламенное горение), которое применяют в приборах инфракрасного излучения при газовом отоплении.

Горение газа — реакция соединения горючих компонентов газа с кислородом воздуха, сопровождающаяся выделением тепла. Процесс горения зависит от химического состава топлива. Основной компонент природного газа метан, горючими также являются этан, пропан и бутан, которые содержатся в небольших количествах.

Природный газ, добываемый из западносибирских месторождений, практически полностью (до 99 %) состоит из метана СН4. Воздух состоит из кислорода (21%) и азота и незначительного количества других негорючих газов (79%). Упрощенно реакция полного сгорания метана выглядит следующим образом:

СН4 + 2О2 + 7,52 N2 = СО2 + 2Н20 + 7,52 N2

В результате реакции горения при полном сгорании образуется углекислый газ CO2, и пары воды H2O вещества, не оказывающие вредного влияния на окружающую среду и человека. Азот N, в реакции не участвует. Для полного сгорания 1 м³ метана теоретически необходимо 9,52 м³ воздуха. Для практических целей считается, что для полного сгорания 1 м³ природного газа необходимо не менее 10 м³ воздуха. Однако если подавать только теоретически необходимое количество воздуха, то добиться полного сгорания топлива невозможно: трудно так перемешать газ с воздухом, чтобы к каждой его молекуле было подведено необходимое количество молекул кислорода. На практике на горение подается воздуха больше, чем теоретически необходимо. Величина избытка воздуха определяется коэффициентом избытка воздуха а, который показывает отношение количества воздуха, фактически израсходованного на горение, к теоретически необходимому количеству:

α = V факт./V теор.

где V количество воздуха, фактически израсходованного на горение, м³;
V — теоретически необходимое количество воздуха, м³.

Коэффициент избытка воздуха является важнейшим показателем, характеризующим качество сжигания газа горелкой. Чем меньше а, тем меньше теплоты унесут уходящие газы, тем выше коэффициент полезного действия газоиспользующего оборудования. Но сжигание газа с недостаточным избытком воздуха приводит к нехватке воздуха, что может стать причиной неполного сгорания. Для современных горелок с полным предварительным смешением газа с воздухом коэффициент избытка воздуха лежит в пределах 1,05 — 1,1» то есть на горение расходуется воздуха на 5 — 10% больше от теоретически необходимого.

При неполном сгорании в продуктах горения содержится значительное количество окиси углерода СО, а также несгоревший углерод в виде сажи. Если горелка работает совсем плохо, то в продуктах сгорания может содержаться водород и несгоревший метан. Оксид углерода СО (угарный газ) загрязняет воздух в помещении (при использовании оборудования без отвода продуктов сгорания в атмосферу — газовых плит, колонок небольшой тепловой мощности) и оказывает отравляющее действие. Сажа загрязняет поверхности теплообмена, резко уменьшает теплопередачу и снижает коэффициент полезного действия бытового газоиспользующего оборудования. Кроме того, при использовании газовых плит происходит загрязнение посуды сажей, для удаления которой необходимо приложить значительные усилия. У водонагревателей сажа загрязняет теплообменник, в «запущенных» случаях практически до полного прекращения передачи тепла от продуктов сгорания: колонка горит, а вода нагревается на несколько градусов.

Неполное сгорание происходит:

• при недостаточном количестве воздуха, поступающего на горение;
• при плохом перемешивании газа и воздуха;
• при чрезмерном охлаждении пламени до завершения реакции горения.

Качество сжигания газа можно контролировать по цвету пламени. Некачественное сжигание газа характеризуется желтым коптящим пламенем. При полном сжигании газа пламя представляет собой короткий факел голубовато-фиолетового цвета с высокой температурой. Для контроля работы промышленных горелок применяют специальные приборы, анализирующие состав дымовых газов и температуру продуктов сжигания. В настоящее время при наладке отдельных типов бытового газоиспользующего оборудования также возможно регулирование процесса горения по температуре и анализу уходящих газов.

Voted Thanks!

Возможно Вам будет интересно:

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.

Горение природного газа представляет собой сложный физико-химический процесс взаимодействия горючих его составляющих с окислителем, при этом происходит преобразование химической энергии топлива в тепло. Горение бывает полным и неполным. При перемешивании газа с воздухом, достаточно высокой для горения температуры в топке, непрерывной подаче топлива и воздуха осуществляется полное сгорание топлива. Неполное сгорание топлива происходит при несоблюдении этих правил, что приводит к меньшему выделению тепла, (СО), водорода (Н2), метана (СН4), и как следствие, к оседанию сажи на поверхностях нагрева, ухудшая теплообмен и увеличивая потери количества тепла, что в свою очередь приводит к перерасходу топлива и снижению КПД котла и соответственно к загрязнению атмосферы.

Коэффициент избытка воздуха зависит от конструкции газовой горелки и топки. Коэффициент излишка воздуха должен быть не менее 1, иначе это может привести к неполному сгоранию газа. А также увеличение коэффициента избытка воздуха снижает КПД теплоиспользующей установки за счет больших потерь теплоты с уходящими газами.

Определяется полнота сгорания с помощью газоанализатора и по цвету и запаху.

Полное сгорание газа. метан + кислород = углекислый газ + вода СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2ОКроме этих газов в атмесферу с горючими газами выходит азот и оставшийся кислород. N2 + O2 Если сгорание газа происходит не полностью, то в атмосферу выбрасываются горючие вещества – угарный газ, водород, сажа.CO + H + C

Неполное сгорание газа происходит вследствие недостаточного количества воздуха. При этом визуально в пламени появляются языки копоти.Опасность неполного сгорания газа состоит в том, что угарный газ может стать причиной отравления персонала котельной. Содержание СО в воздухе 0,01-0,02% может вызвать легкое отравление. Более высокая концентрация может привести к тяжелому отравлению и смерти.Образующаяся сажа оседает на стенках котлов ухудшая тем самым передачу тепла теплоносителю снижает эффективность работы котельной. Сажа проводит тепло хуже метана в 200 раз.Теоретически для сжигания 1м3 газа необходимо 9м3 воздуха. В реальных условиях воздуха требуется больше. То есть необходимо избыточное количество воздуха. Эта величина обозначаемая альфа показывает во сколько раз воздуха расходуется больше, чем необходимо теоретически.Коэффициент альфа зависит от типа конкретной горелки и обычно прописывается в паспорте горелки или в соответствие с рекомендациями организации производимой пусконаладочные работы. С увеличением количества избыточного воздуха выше рекомендуемого, растут потери тепла. При значительном увеличение количества воздуха может произойти отрыв пламени, создав аварийную ситуацию. Если количество воздуха меньше рекомендуемого то горение будет неполным, создавая тем самым угрозу отравления персонала котельной.Неполное горение определяется: ,

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

Воздух:

,отсюда вывод:

на 1 м 3 О 2 приходится 3,76 м 3 N 2

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

· Углекислый газ СО 2 ;

· Пары воды;

· Азот (балласт воздуха);

· Выделяется теплота.

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

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

Продукты полного сгорания газа.

· Углекислый газ;

· Пары воды.

Продукты неполного сгорания газа.

· Угарный газ СО;

· Водород Н 2 ;

· Углерод С.

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

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

По городу:

175 кг условного топлива тратится на выработку 1 Гкал тепла.

По промыслам:

162 кг условного топлива тратится на выработку 1 Гкал тепла.

Избыток воздуха определяется анализом дымовых газов прибором.

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

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

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