Горение газа. Условия воспламенения и сгорания газового топлива
А. С.Иссерлин
В основе процесса горения лежат химические реакции соединения топлива с окислителем. Для протекания процесса горения газа должны быть созданы специальные условия. Во-первых, необходимо к горючему газу подвести в достаточном количестве окислитель (чаще всего воздух) и перемешать их. Во-вторых, газовоздушная смесь должна иметь концентрационные пределы воспламеняемости и должен быть создан источник воспламенения. В-третьих, необходимо создать условия для развития процесса горения, т. е. определенный температурный уровень.
Смесеобразование (равномерное смешение газа с воздухом) - одна из основных стадий всего процесса горения. От процесса смесеобразования во многом зависят и все дальнейшие стадии, через которые проходит топливо при превращении химической энергии в тепловую. Поскольку в зоне горения всегда устанавливается высокий температурный уровень, время, затрачиваемое на химические реакции горения, всегда значительно меньше времени, необходимого для процесса смесеобразования.
Сжигание газового топлива, как и любого другого, в воздушном потоке в соответствии с современными воззрениями возможно на основе кинетического и диффузионного принципов.
Полное время сгорания газа, определяющее скорость сгорания,
ТП ТС~1"~Х1
Где тс - время смесеобразования, необходимое для смешения газа с окислителем; тх - время протекания химических реакций.
Если тс<Стх, то практически тп«т*. В этом случае процесс протекает в кинетической области. Если же, наоборот, Тс^-Тх, то Тп»тс и, следовательно, процесс протекает в диффузионной области.
При протекании процесса горения в кинетической области скорость горения зависит от свойств данной горючей смеси, температуры в реакционном объеме и концентрации реагентов в зоне горения, т. е. регулируется законами химической кинетики. В то же время скорость процесса в кинетической области не зависит от гидродинамических факторов, т. е. от скорости потока, геометрических размеров реакционной камеры и т. д.
Наоборот, в диффузионной области скорость процесса определяется гидродинамическими факторами и не зависит от кинетических. В этой области перестают играть определяющую роль свойства горючей смеси и температурный фактор. Сравнительно про стыми гидродинамическими средствами можно влиять на интенсивность смешения, что приведет к изменению характеристик диффузионного факела.
При кинетическом принципе в горелке предварительно создается однородная газовоздушная смесь, которая и подается в топочную камеру. Поэтому горение такой смеси протекает при постоянном значении всех основных характеристик (теплонапряжение, избыток воздуха и т. д.). Чисто кинетическое горение возникает лишь при соблюдении условия А^1,0. При а<1 кинетическое горение протекает лишь на первой стадии, т. е. до тех пор, пока не израсходован весь кислород смеси. Остаток горючих компонентов, разбавленных продуктами сгорания, может быть сожжен только при условии подвода дополнительного окислителя (воздуха).
Диффузионный принцип сжигания подразумевает создание таких условий для возникновения процесса, при которых смесь сгорает немедленно при самом ее возникновении, т. е. при соприкосновении топлива и окислителя в соответствующих количественных соотношениях. Процесс диффузионного горения регулируется изменением интенсивности смесеобразования путем варьирования конструктивных и режимных параметров горелки. В результате в зависимости от технологических требований можно добиться укорочения зоны смешения или ее удлинения.
В практике часто применяется сжигание газа, сочетающее в себе оба упомянутых принципа. В этом случае часть воздуха предварительно смешивается с газом в горелке, а остальная часть, необходимая для полного сгорания, подается непосредственно в зону горения. Изменяя это соотношение, можно воздействовать на длину газового факела. В большинстве горелок газ подается под тем или иным углом к потоку воздуха.
Изучению процесса смесеобразования посвящено много работ. Это позволяет сформулировать некоторые общие закономерности.
Для прямоточных газовых горелок смешение тем лучше, чем большую часть поперечного сечения горелки охватывают газовые струи, т. е. чем больше дальнобойность газовых струй. В горелках с сильно закрученными потоками не следует стремиться к большой дальнобойности газовых струй.
Увеличение крутки потока воздуха приводит к перераспределению газа и воздуха по сечению горелки, повышению интенсивности перемешивания газа с воздухом и увеличению центральной зоны обратных токов в горелке.
Характер влияния крутки воздушного потока на процесс смесеобразования различен в зависимости от остальных определяющих параметров. Так, при подаче газа в периферийные зоны горелки (независимо от ее типа) увеличение крутки потока приводит к заметному улучшению смесеобразования. Наоборот, при подаче газа в центральную зону горелки рост крутки не приводит, как правило, к улучшению процесса,«решения.
Совокупность явлений, которую мы называем горением, может протекать только в определенной последовательности, от одной стадии к другой. Г. Ф. Кнорре дает следующие схемы установившегося процесса горения газового и жидкого топлива с фиксированным очагом, которые он называет поточными (рис. 1). Простейшая поточная схема возникает при сжигании газового топлива, состоящего из простых молекул (например, водород), не требующих предварительного сложного пирогенного разложения (рис. 1, А). Когда же сжигается газовое или жидкое углеводородное топливо, А 6
Поточный процесс горения осложняется: возникает еще одна промежуточная стадия - пирогенное разложение. Для жидкого топлива этой стадии предшествует стадия испарения (рис. 1,6). Для осуществления поточной схемы необходим достаточный температурный уровень в очаге горения, к которому непрерывными потоками подводятся топливо и окислитель. Продукты сгорания после завершения реакций также непрерывно отводятся от очага горения.
Известно, что газовоздушные смеси воспламеняются только в том случае, когда содержание газа в воздухе находится в определенных (для каждого газа) пределах. При незначительных содержаниях газа количество тепла, выделившегося при горении, недостаточно для доведения соседних слоев смеси до температуры воспламенения. То же наблюдается и при слишком большом содержании газа в газовоздушной смеси. Недостаток кислорода воздуха, идущего на горение, приводит к понижению температурного уровня, в результате чего соседние слои смеси не нагреваются до
Температуры воспламенения. Этим двум случаям соответствуют нижний и верхний пределы воспламеняемости (табл. 1). Поэтому кроме перемешивания газа с воздухом в определенных пропорция должны быть созданы начальные условия для воспламенения смеси.
|
Таблица / Пределы воспламеняемости и температуры воспламенения различных газов в воздухе
|
Окисление горючих газов возможно при низких температурах, но тогда оно протекает чрезвычайно медленно из-за, незначительной скорости реакций. При повышении температуры скорость реакции окисления возрастает до наступления самовоспламенения (вместо медленного окисления начинается процесс самопроизвольного горения). Значит, нагретая до температуры воспламенения горючая смесь обладает такой энергией, которая не только компенсирует потери тепла в окружающую среду, но обеспечивает нагрев и подготовку газовоздушной смеси, поступающей к зону горения, к воспламенению.
Температура воспламенения газа зависит от ряда факторов, в том числе от содержания горючего газа в газовоздушной смеси, давления, способа нагрева смеси и т. д., и поэтому не является точной величиной. В табл. 1 приведены значения температур воспламенения некоторых горючих газов в воздухе.
В практике встречаются два способа воспламенения горючих смесей: самовоспламенение и зажигание.
При Самовоспламенении весь объем горючей газовоздушной смеси постепенно доводится до температуры воспламенения, после чего смесь воспламеняется уже без внешнего теплового воздействия.
В технике широко применяется второй способ, именуемый Зажиганием. При этом способе не требуется нагревать всю газовоздушную смесь до температуры воспламенения, достаточно зажечь холодную смесь в одной точке объема каким-нибудь высокотемпературным источником (искра, накаленное тело, дежурное пламя и т. д.). В результате воспламенение передается на весь объем смеси самопроизвольно путем распространения пламени, происходящего не мгновенно, а с определенной пространственной скоростью. Эта скорость называется Скоростью распространения пламени в газовоздушной смеси и является важнейшей характеристикой, определяющей условия протекания и стабилизации горения. Устойчивость работы горелок, как будет показано ниже, связана со скоростью распространения пламени.
Таким образом, процесс горения газового топлива состоит из смешения газа с воздухом, нагрева полученной смеси до температуры воспламенения, зажигания ее и протекания реакций горения, сопровождающихся выделением тепла. Причем смешение газа с воздухом и нагрев смеси занимают большую часть времени в процессе горения, так как реакции горения протекают практически мгновенно.
В зависимости от технологического процесса (получение пара и горячей воды в котельном агрегате, нагрев изделий в печной установке и т. д.) возникает необходимость влиять на процесс горения, изменяя его конечные характеристики. Это достигается различными конструктивными приемами, которые изложены в гл. III.
Показательно сопоставление полей температур в объеме факела при сжигании газа с различными коэффициентами избытка воздуха. Пример такого сопоставления дан на рис. 2 для горелки с диаметром выходного насадка 35 мм в виде зависимости
|
|
Где И - текущее значение температуры в факеле, °С; £тах - максимальная температура в факеле (замеренная), °С; Х - расстояние от точки замера до начала факела, м; У - расстояние от точки замера до оси факела, м; Й - диаметр насадка горелки, м.
На рис. 2 приведены графики распределения температур для трех коэффициентов избытка воздуха. Причем координате Х/й =О соответствует выходное сечение насадка горелки, а координате У/й =0 - ось факела.
Как видно из рисунка, распределение температур в свободном факеле неравномерно. При малых избытках первичного воздуха, например а=0,5, наличие внутреннего ядра в факеле сильно искажает температурное поле и оно выравнивается только на расстоянии х/с/ =10, тогда как при а=0,75 выравнивание наступает уже при Х/й =2,5, а при а=1,0 еще раньше - при Х/й=1,0.
Наивысшие температуры в открытых факелах наблюдаются в начальных сечениях на расстоянии от оси факела У/й = 0,5, а затем по центру факела. Причем с увеличением коэффициента избытка воздуха максимум температур смещается к устью горелки. Так, наивысшая температура при а=0,75 измерена на расстоянии Х/й =2,5, а при а =1,0 - на расстоянии Х/й=1,0.
При совместном рассмотрении распределения температур и концентраций С02 в факеле наблюдается совпадение максимумов
Температур и содержаний С02. Следовательно, максимальному температурному уровню в факеле соответствует и максимальная величина степени выгорания горючих.
Потери части тепла, выделившегося в результате сгорания газа, неизбежны. Однако они могут быть снижены до минимума при правильном ведении топочного процесса. Рассмотрим, из каких же. составляющих складываются эти потери.
При сжигании газового топлива имеют место следующие потери тепла: с уходящими газами, от химической неполноты сгорания и в окружающую среду. На основании определения отдельных потерь тепла по обратному балансу может быть подсчитан к. п. д (коэффициент полезного действия) агрегата, °/о:
Где <72 - потери тепла с уходящими газами, %; - потери тепла
От химической неполноты сгорания, %; Q5 - потери тепла в окружающую среду, %.
Потери тепла с уходящими газами - физическое тепло продуктов сгорания, покидающих агрегат, - являются основными. Полностью устранить их невозможно, однако необходимо стремиться к уменьшению. Потери тепла с уходящими газами зависят от температуры газов и их количества. Чем ниже температура уходящих газов, тем меньше тепла будет теряться, поэтому следует стремиться к снижению в разумных пределах температуры уходящих газов. Влияние температуры уходящих газов на потери тепла видно из табл. 2.
Таблица 2
|
Потери тепла с уходящими газами при сжигании природного газа, %
|
Потерю тепла с уходящими газами выражают обычно в процентах от всего располагаемого тепла, т. е. от теплоты сгорания топлива. Например, если потеря тепла составляет 700 ккал/м3 при сжигании природного газа, то
700-100 ___ „ 24°/
Количество покидающих агрегат газов зависит от коэффици - ента избытка воздуха, с которым работает горелка, и присосов
Воздуха через неплотности в агрегате. Чем больше коэффициент избытка воздуха на выходе из горелки и присосы воздуха в агрегат, тем выше потери тепла с уходящими газами. Из табл. 2 видно, что изменение общего коэффициента избытка воздуха в продуктах сгорания с аа= 1,2-5-1,6 увеличивает потерю тепла с уходящими газами с 10,5 до 13,2% (при неизменной температуре уходящих газов 240° С).
Таким образом, для снижения потерь тепла с уходящими газами необходимо вести процесс горения с наименьшим допустимым коэффициентом избытка воздуха, обеспечивать наибольшую плотность агрегата и добиваться снижения температуры уходящих газов.
Потери тепла от химической неполноты сгорания газа возникают при недостатке воздуха, плохом смешении в газовой горелке, при резком снижении температурного уровня в зоне горения. В результате горение газа протекает неполно и с продуктами сгорания уходят горючие компоненты (например, водород, окись углерода и др.). Это приводит к недоиспользованию химической энергии топлива и снижению экономичности работы агрегата. Даже небольшое содержание горючих компонентов в продуктах сгорания приводит к существенным потерям тепла от химической неполноты сгорания. Предположим, что в продуктах сгорания содержалось 0,7% водорода и 0,5% окиси углерода. В агрегате сжигался природный газ с коэффициентом избытка воздуха за установкой а» = = 1,5. Потери тепла от химической неполноты сгорания составили ~450 ккал/м3 или
А___ 450-100 поо/
Таким образом, из рассмотренного примера видно, что горючие компоненты в продуктах сгорания должны полностью‘отсутствовать или составлять минимальную величину.
Потери тепла в окружающую среду связаны с тем, что стенки агрегата имеют более высокую температуру, чем окружающий его воздух. Величина этих потерь зависит в основном от разности температур между наружными стенками агрегата и окружающим воздухом, величины поверхности стен, теплопроводности материала кладки и ее толщины. Потери в окружающую среду подсчитываются теоретически или принимаются из норм теплового расчета в зависимости от конструкции и производительности агрегата.
Если просуммируем все тепловые потери, которые имеют место при сжигании газа в агрегате, и вычтем их из 100, то получим к. п. д. агрегата. Например, воспользуемся цифрами, приведенными выше, приняв <75 равным 3,60%, тогда к. п. д. агрегата
Т]= 100-(8,24+5,28+3,60)=82,88%*
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
| 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 % |
В зависимости от способа образования газовоздушной смеси методы сжигания газа подразделяются (рисунок ниже):
- на диффузионные;
- смешанные;
- кинетические.
Методы сжигания газа
а - диффузионный; б - смешанный; в - кинетический; 1 - внутренний конус; 2 - зона первичного горения; 3 - зона основного горения; 4 - продукты сгорания; 5 - первичный воздух; 6 - вторичный воздух
При диффузионном методе сжигания к фронту горения газ поступает под давлением, а необходимый для горения воздух — из окружающего пространства за счет молекулярной или турбулентной диффузии. Смесеобразование здесь протекает одновременно с процессом горения, поэтому скорость процесса горения в основном определяется скоростью смесеобразования.
Процесс горения начинается после контакта между газом и воздухом и образования газовоздушной смеси необходимого состава. К струе газа диффундирует воздух, а из струи газа в воздух - газ. Таким образом, вблизи струи газа создается газовоздушная смесь, в результате горения которой образуется зона первичного горения газа 2. Горение основной части газа происходит в зоне 3, а в зоне 4 движутся продукты сгорания.
Выделяемые продукты сгорания осложняют взаимную диффузию газа и воздуха, в результате чего горение протекает медленно, с образованием частиц сажи. Этим и объясняется, что диффузионное горение характеризуется значительной длиной и светимостью пламени.
Достоинством диффузионного метода сжигания газа является возможность регулирования процесса горения в широком диапазоне. Процесс смесеобразования легко управляем при применении различных регулировочных элементов. Площадь и длину факела можно регулировать дроблением струи газа на отдельные факелы, изменением диаметра сопла горелки, регулированием давления газа и т. д.
К преимуществам диффузионного метода сжигания относятся: высокая устойчивость пламени при изменении тепловых нагрузок, отсутствие проскока пламени, равномерность температуры по длине пламени.
Недостатками этого метода являются: вероятность термического распада углеводородов, низкая интенсивность горения, вероятность неполного сгорания газа.
При смешанном методе сжигания 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, а оставшаяся часть газа, разбавленная продуктами сгорания, выгорает после присоединения кислорода вторичного воздуха. В результате факел получается более коротким и менее светящимся, чем при диффузионном горении.
При кинетическом методе сжигания к месту горения подается газовоздушная смесь, полностью подготовленная внутри горелки. Газовоздушная смесь сгорает в коротком факеле. Достоинство этого метода сжигания - малая вероятность химического недожога, небольшая длина пламени, высокая теплопроизводительность горелок. Недостаток - необходимость стабилизации газового пламени.
