При сжигании природного газа какие вещества образуются. Горение газа

Содержание раздела

При сжигании органических топлив в топках котлов образуются различные продукты сгорания, такие как ок­сиды углерода СО х = СО + СО 2 , водяные пары Н 2 О, оксиды серы SO x = SO 2 + SО 3 , оксиды азота NO x = NO + NО 2 , полициклические арома­тические углеводороды (ПАУ), фтористые соединения, соединения ванадия V 2 O 5 , твердые частицы и др. (см. табл. 7.1.1). При неполном сгорании топлива в топках уходящие газы могут также содержать углеводороды СН 4 , С 2 Н 4 и др. Все продукты неполного сгорания являются вредными, однако при современной технике сжигания топлива их образование можно свести к минимуму [ 1 ].

Таблица 7.1.1. Удельные выбросы при факельном сжигании органических топлив в энергетических котлах [ 3 ]

Условные обозначения: А р, S p – соответственно содержание золы и серы на рабочую массу топлива, %.

Критерием санитарной оценки среды является предельно допустимая концентрация (ПДК) вредного вещества в атмосферном воздухе на уровне земли. Под ПДК следует понимать такую концентрацию различных веществ и химических соединений, которая при ежедневном воздействии в течение длительного времени на организм человека не вызывает каких-либо патологических изменений или заболеваний.

Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест приведены в табл. 7.1.2 [ 4 ]. Максимально-разовая концентрация вредных веществ определяется по пробам, отобранным в течение 20 мин, среднесуточная - за сутки.

Таблица 7.1.2. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест

Расчеты ведутся по каждому вредному веществу в отдельности, с тем чтобы концентрация каждого из них не превышала значений, приведенных в табл. 7.1.2. Для котельных эти условия ужесточены введением дополнительных требований о необходимости суммирования воздействия оксидов серы и азота, которое определяется выражением

В то же время, вследствие локальных недостатков воздуха или неблаго­приятных тепловых и аэродинамических условий, в топках и камерах сго­рания образуются продукты неполного сгорания, состоящие в основном из монооксида углерода СО (угарного газа), водорода Н 2 и различных углево­дородов, которые характеризуют потери тепла в котлоагрегате от химиче­ской неполноты сгорания (химический недожог).

Кроме этого, в процессе сжигания получается целый ряд химических соединений, образующихся вследствие окисления различных составляю­щих топлива и азота воздуха N 2 . Наиболее существенную их часть состав­ляют оксиды азота NO x и серы SO x .

Оксиды азота образуются за счет окисления как молекулярного азота воздуха, так и азота, содержащегося в топливе. Экспериментальные иссле­дования показали, что основная доля образовавшихся в топках котлов NO х, а именно 96÷100%, приходится на монооксид (оксид) азота NO. Ди­оксид NO 2 и гемиоксид N 2 O азота образуются в значительно меньших ко­личествах, и их доля приблизительно составляет: для NO 2 – до 4%, а для N 2 O – сотые доли процента от общего выброса NO x . При типичных усло­виях факельного сжигания топлив в котлах концентрации диоксида азота NO 2 , как правило, пренебрежительно малы по сравнению с содержанием NO и обычно составляют от 0÷7 ррm до 20÷30 ррm . В то же время быстрое перемешивание горячих и холодных областей в турбулентном пламени может привести к появлению относительно больших концентраций диок­сида азота в холодных зонах потока. Кроме этого, частичная эмиссия NO 2 происходит в верхней части топки и в горизонтальном газоходе (при T > 900÷1000 К) и при определенных условиях также может достигать за­метных размеров.

Гемиоксид азота N 2 O, образующийся при сжигании топлив, является, по всей видимости, кратковременным промежуточным веществом. N 2 O практически отсутствует в продуктах сгорания за котлами.

Содержащаяся в топливе сера является источником образования окси­дов серы SO x: сернистого SO 2 (диоксид серы) и серного SO 3 (триоксид серы) ангидридов. Суммарный массовый выброс SO x зависит только от содержания серы в топливе S p , а их концентрация в дымовых газах – еще и от коэффициента расхода воздуха α. Как правило, доля SO 2 составляет 97÷99%, а доля SO 3 – 1÷3% от суммарного выхода SO x . Фактическое со­держание SO 2 в уходящих из котлов газах колеблется от 0,08 до 0,6 %, а концентрация SO 3 – от 0,0001 до 0,008 %.

Среди вредных компонентов дымовых газов особое место занимает большая группа полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Многие ПАУ обладают высокой канцерогенной и (или) мутагенной актив­ностью, активизируют фотохимические смоги в городах, что требует строгого контроля и ограничения их эмиссии. В то же время некоторые ПАУ, например, фенантрен, флуорантен, пирен и ряд других, физиологи­чески почти инертны и не являются канцерогенно-опасными.

ПАУ образуются в результате неполного сгорания любых углеводо­родных топлив. Последнее имеет место из-за торможения реакций окисления углеводородов топлива холодными стенками топочных устройств, а также может быть вызвано неудовлетворительным смешением топлива и воздуха. Это приводит к образованию в топках (камерах сгорания) ло­кальных окислительных зон с пониженной температурой или зон с избыт­ком топлива.

Вследствие большого количества разных ПАУ в дымовых газах и трудности измерения их концентраций принято уровень канцерогенной загрязненности продуктов сгорания и атмосферного воздуха оценивать по концентрации наиболее сильного и стабильного канцерогена – бенз(а)пирена (Б(а)П) C 20 H 12 .

Ввиду высокой токсичности, следует особо отметить такие продукты сжигания мазута, как оксиды ванадия. Ванадий содержится в минеральной части мазута и при его сжигании образует оксиды ванадия VO, VO 2 . Одна­ко при образовании отложений на конвективных поверхностях оксиды ва­надия представлены в основном в виде V 2 O 5 . Пентаоксид ванадия V 2 O 5 яв­ляется наиболее токсичной формой оксидов ванадия, поэтому учет их вы­бросов производится в пересчете на V 2 O 5 .

Таблица 7.1.3. Примерная концентрация вредных веществ в продуктах сгорания при факельном сжигании органических топлив в энергетических котлах

При сжигании мазута и твердого топлива в выбросах также содержатся твердые частицы, состоящие из летучей золы, сажистых частиц, ПАУ и несгоревшего в результате механического недожога топлива.

Диапазоны концентраций вредных веществ в дымовых газах при сжи­гании различных типов топлив приведены в табл. 7.1.3.

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

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

Количество диоксида углерода в продуктах сгорания газа

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

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

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

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

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.

Горение газа представляет собой сочетание следующих процессов:

· смешение горючего газа с воздухом,

· подогрев смеси,

· термическое разложение горючих компонентов,

· воспламенение и химическое соединение горючих компонентов с кислородом воздуха, сопровождаемое образованием факела и интенсивным тепловыделением.

Горение метана происходит по реакции:

СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О

Условия, необходимые для сгорания газа:

· обеспечение необходимого соотношения горючего газа и воздуха,

· нагрев до температуры воспламенения.

Если в газовоздушной смеси газа меньше нижнего предела воспламенения, то она не будет гореть.

Если в газовоздушной смеси больше газа чем верхний предел воспламенения, то она будет сгорать не полностью.

Состав продуктов полного сгорания газа:

· СО 2 – углекислый газ

· Н 2 О – водяные пары

* N 2 – азот (он не реагирует с кислородом во время горения)

Состав продуктов неполного сгорания газа:

· СО – угарный газ

· С – сажа.

Для сгорания 1 м 3 природного газа требуется 9.5м 3 воздуха. Практически расход воздуха всегда больше.

Отношение действительного расхода воздуха к теоретически необходимому расходу называется коэффициентом избытка воздуха: α = L/L t .,

Где: L - действительный расход;

L t - теоретически необходимый расход.

Коэффициент избытка воздуха всегда больше единицы. Для природного газа он составляет 1.05 – 1.2.

2. Назначение, устройство и основные характеристики проточных водонагревателей .

Проточные газовые водонагреватели. Предназначены для нагрева воды до определенной температуры при водоразборе.. Проточные водонагреватели делятся по нагрузке тепловой мощности: 33600, 75600, 105000 кДж, по степени автоматизации - на высший и первый классы. К.п.д. водонагревателей 80%, содержание оксида не более 0,05%, температура продуктов сгорания за тягопрерывателем не менее180 0 С. Принцип основан на нагреве воды в период водоразбора.

Основными узлами проточных водонагревателей являются: газогорелочное устройство, теплообменник, система автоматики и газоотвод. Газ низкого давления подается в инжекционную горелку. Продукты сгорания проходят через теплообменник и отводятся в дымоход. Теплота сгорания передается протекающей через теплообменник воде. Для охлаждения огневой камеры служит змеевик, через который циркулирует вода, проходящая через калорифер. Газовые проточные водонагреватели оборудованы газоотводящими устройствами и тягопрерывателями, которые в случае кратковременного нарушения тяги предотвращают погасание пламени газогорелочного устройства. Для присоединения к дымоходу имеется дымоотводящий патрубок.

Газовый проточный водонагреватель –ВПГ. На передней стенке кожуха расположены: ручка управления газовым краном, кнопка включения электромагнитного клапана и смотровое окно для наблюдения за пламенем запальной и основной горелки. Вверху аппарата расположено дымоотводящее устройство, внизу- патрубки для присоединения аппарата к газовой и водяной системе. Газ поступает в электромагнитный клапан, газовый блокировочный кран водогазогорелочного блока осуществляет последовательное включение запальной горелки и подачу газа к основной горелке.

Блокировку поступления газа к основной горелке, при обязательной работе запальника, осуществляет электромагнитный клапан, работающий от термопары. Блокировка подачи газа в основную горелку в зависимости от наличия водоразбора, осуществляется клапаном, имеющим привод через шток от мембраны водяного блок- крана.

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