Взгляд снаружи
Диапазон концентрации кислорода в воздухе, пригодный для жизни. Диапазон содержания кислорода в воздухе ( p_{text{O}_2}), при котором возможна жизнедеятельность человека в течение длительного времени, ограничен значениями
90–100 мм рт. ст. < ( p_{text{O}_2}) < 400–450 мм рт. ст.
Нижняя граница соответствует началу кислородного голодания, верхняя — началу кислородного отравления. В процентном отношении наступление кислородного голодания у здорового человека наступает уже при содержании O2 в воздухе ( p_{text{O}_2}) / pатм менее 14% (при pатм = 760 мм рт. ст.).
Эти данные соответствуют диапазону жизнедеятельности человека на уровне моря. По мере подъема в горы давление снижается, что наглядно отражают кривые атмосферного давления и парциального давления кислорода (рис. 1).
Видно, что начиная с высот 4,5–5 км давление кислорода становится ниже допустимой нижней границы давления в 90 мм рт. ст. При этом давление воздуха в альвеолах составляет 105–110 мм рт. ст., что также близко к нижней границе. По мере уменьшения давления кислорода до уровня 100 мм рт. ст. замедляются обменные процессы в организме, дыхание и сердцебиение учащаются, ухудшаются зрение и работа мозга…
Оценка времени развития кислородной недостаточности при нахождении в замкнутом объеме. В качестве примера рассмотрим несколько ситуаций с людьми, находящимися в замкнутом объеме: один человек, застрявший в лифте объемом V = 2 м3; два человека в комнате с V = 30 м3; сто человек, застрявшие в остановившемся вагоне метро с V = 250 м3.
В каждом случае найдем, за какое время Δt в замкнутом объеме V в процессе спокойного дыхания людей концентрация кислорода снижается от первоначального уровня 21% до начала кислородной недостаточности, т.е. до 14%. Подчеркнем — спокойного, поскольку при панике это время сильно снижается.
Спокойному дыханию соответствует потребление кислорода на уровне 0,25 литра в минуту. Поскольку 1 литр O2 соответствует 5 ккал энергии, то 0,25 л/мин сообщает организму за сутки 0,25 × 5 × 60 × 24 ккал = 1800 ккал энергии. Так как плотность человеческого организма около 1000 кг/м3, тело массой 70 кг занимает объем 0,07 м3, или 70 литров. Добавив одежду, получим оценку объема, вытесняемого из замкнутого помещения, в 100 литров, или 0,1 кубометра на человека.
Лифт. Свободный объем, занятый воздухом, составляет 1,9 м3. В этом объеме содержится 1,9 × 0,21 м3 = 0,4 м3 = 400 л кислорода. Признаки кислородной недостаточности развиваются, когда полезный объем кислорода уменьшится до 1,9 × 0,14 м3 = 0,27 м3 = 270 л.
Комната. Свободный объем около 30 м3. Начальный объем кислорода 6,3 м3. Минимально допустимый объем кислорода 4,2 м3. Потребление кислорода 0,5 л/мин. Время ( Δt_{text{O}_2}) = 2100 / 0,5 мин = 4200 мин, т.е. почти трое суток (!).
Вагон метро. Свободный объем около 240 м3. Начальный объем кислорода 50 м3. Минимально допустимый объем кислорода 34 м3. Потребление кислорода около 25 л/мин . Время ( Δt_{text{O}_2}) = 16000/25 мин = 640 мин, т.е. около 10 часов.
Во всех указанных случаях (если нет паники) время развития кислородной недостаточности очень велико. Однако, такой вывод находится в противоречии с житейским опытом: в метро и застрявшем лифте бывает душно и даже после сна в комнате с закрытой форточкой наутро ощущается духота.
По всей видимости, имеет место другой, более мощный механизм развития неблагоприятных ощущений в процессе дыхания при нахождении в замкнутом объеме, не связанный с потерей кислорода из воздуха. Оказывается, таким механизмом является накопление углекислого газа.
Концентрация углекислого газа в воздухе, пригодная для жизни. Диапазон допустимого содержания CO2 в воздухе составляет
( 0 < C_{text{CO}_2} = frac{p_{text{CO}_2}}{p_{атм}} < text{0,1%}. )
Отметим, что обычное содержание углекислого газа в воздухе ( C_{text{CO}_2} ) = 0,04%.
Величину принятого ограничения сверху на содержание углекислого газа (( C_{text{CO}_{2:text{max}}} ) = 0,1%) обсудим чуть позже, а сначала проведем оценки для замкнутых объемов лифта, комнаты, вагона метро и школьного класса применительно ко времени накопления концентрации углекислого газа до верхней границы. Примем, что взрослый человек обычно выдыхает углекислого газа в атмосферу ( q_{text{CO}_2}) = 0,25 л/мин.
Лифт. Свободный объем, занятый воздухом, равен 1,9 м3. Изменение уровня содержания CO2 в воздухе от 0,04% до 0,1% займет
( Δt_{text{CO}_2} = frac{(C_{text{CO}_{2:text{max}}}:-:C_{text{CO}_2}):·:V}{q_{text{CO}_2}} = frac{(1:·:10^{-3}:-:4:·:10^{-4}):·:text{1,9}:·:10^3 }{text{0,25}}:text{мин} = 5:text{мин}. )
Комната. Свободный объем около 30 м3. Изменение уровня содержания CO2 в воздухе от 0,04% до 0,1% займет ( Δt_{text{CO}_2} ) = 6 · 10−4 · 30 · 103 / (2 · 0,25) мин = 36 мин.
Вагон метро. Свободный объем около 240 м3. Изменение уровня содержания CO2 в воздухе от 0,04% до 0,1% займет ( Δt_{text{CO}_2} ) = 6 · 10−4 · 240 · 103 / (100 · 0,3) мин ≈ 6 мин.
Школьный класс. Приведем также оценки для школьного класса объемом около 200 м3, в котором находится 25 учеников. При уровне выдоха CO2 одним школьником 0,12 л/м (половина от взрослого) получим ( Δt_{text{CO}_2} ) = 6 · 10−4 · 200 · 103 / (25 · 0,12) мин ≈ 40 мин.
Это уже ближе к житейским ощущениям и оправдывает присутствие вентиляции на потолке лифтов, необходимость проветривания комнат в домах, в школьных классах после каждого урока, а также наличие системы вентиляции в метро.
Таким образом, именно накопление углекислого газа в замкнутых помещениях в первую очередь действует угнетающе на человека. В чем это проявляется?
В литературе отмечается два типа воздействия: кратковременное (часы) и длительное (регулярно, более нескольких часов в день). Симптомы при кратковременном воздействии при уровне вдыхаемого углекислого газа выше 0,1% — это усталость, головная боль, ухудшение концентрации внимания, плохой сон…
При длительном воздействии при уровне CO2 выше 0,1% появляются проблемы с дыхательной системой (сухой кашель, риниты…), снижение иммунитета, ухудшение работы сердечно-сосудистой системы… При уровне выше 0,2% еще больше ухудшается концентрация внимания, растет количество совершаемых ошибок и т.д. по нарастающей.
Еще одна проблема помещений без вентиляции — возможность расслоения воздуха на фракции. Поскольку углекислый газ в полтора раза тяжелее воздуха, он может опуститься ближе к полу и его концентрация там увеличится. Но процесс этот медленный, и любое движение воздуха перемешивает фракции.
Наконец, использование растений, казалось бы, должно помочь — ведь они выделяют кислород и поглощают углекислый газ. Однако, это происходит только днем, а вечером и ночью (когда свежий воздух особенно нужен) растения выделяют углекислый газ, усугубляя проблему с его накоплением.
Накопление угарного газа в замкнутом помещении. Казалось бы, откуда взяться угарному газу (СО) в замкнутом помещении, если нет рядом дровяной печки или камина с неидеальной вытяжкой? Но в литературе приводятся следующие данные: наряду с углекислым газом человек выдыхает также и угарный газ — в количестве примерно 1,6 мл/ч (при нормальных условиях); предельно допустимая для человека концентрация угарного газа составляет 1 мг/м3.
Этих данных достаточно, чтобы снова провести оценки времени накопления предельной концентрации угарного газа для людей в лифте, комнате, вагоне метро и школьном классе. Для этого перейдем от объема к массе образовывающегося угарного газа, воспользовавшись известным соотношением: один моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л.
В таблице 2 приведены значения времени накопления CO2 и СО до опасной концентрации, а также времени развития кислородной недостаточности в лифте, комнате, вагоне метро и школьном классе. Для детей принята половинная величина выдыхаемого СО и CO2.
Таблица 2. Сопоставление времени снижения концентрации O2, накопления СО и CO2
Видно, что накопление углекислого газа примерно на порядок опаснее накопления угарного газа и еще на порядок опаснее снижения концентрации кислорода.
Мощность систем вентиляции. Как оценить мощность систем вентиляции qвент, необходимую для поддержания нормального состава воздуха? Если отвлечься от переходных процессов установления и выравнивания потоков воздуха, то конечный результат выглядит очень просто:
( q_{text{вент}} = frac{q_{text{CO}_2}}{(C_{text{CO}_{2:text{max}}}:-:C_{text{CO}_2})}. )
Так, если ( q_{text{CO}_2} ) = 0,25 литра в минуту (в этом случае человек выдыхает 15 литров CO2 в час), то при ( C_{text{CO}_{2:text{max}}} ) = 1 · 10−3 и ( C_{text{CO}_{2}} ) = 4 · 10−4 получим требуемую мощность вентиляции в 420 литров воздуха в минуту или 25 м3 в час.
Если же выдыхается 20 литров CO2 в час, то мощность вентиляции увеличивается до 33 м3 воздуха в час. А если принять для максимально допустимого значения концентрации CO2 в воздухе несколько меньшее значение 0,8 · 10−3, то мощность вырастет уже до 38 м3 воздуха в час (при 15 л CO2 в час) и 50 м3 воздуха в час (при 20 л CO2 в час).
Много это или мало? Как обеспечить такой приток свежего воздуха? Например, если приоткрыть дверь, то через каждый квадратный сантиметр щели при перепаде давлений по обе стороны двери Δp = 10 Па проходит в час один кубометр воздуха. Это означает, что при указанном Δp через сантиметровую щель в двери высотой два метра проходит 200 м3 воздуха за час.
Отметим, что принятый уровень перепада давлений 10 Па довольно мал (это 10−4 от атмосферного) и вполне может быть достигнут. Еще более мощный эффект вентиляции оказывает проветривание при открытии окон и дверей в течение хотя бы нескольких минут.
В качестве примера рассмотрим ситуацию с кислородом и углекислым газом при спасении детей в пещере Таиланда, частично затопленной водой. В 2022 году весь мир следил за спасением футбольной команды из 12 школьников и их тренера, ушедших на экскурсию в пещеру Кхао Луанг и застрявших в ней на 18 дней (23 июня — 10 июля) из-за дождей, затопивших вход в пещеру.
Они укрылись в воздушном кармане, полностью перекрытом водой и удаленном от выхода из пещеры на 5 километров. Задача заключалась в высвобождении ослабевших детей и тренера из пещеры. Ситуация осложнялась наличием узкой щели — на рисунке 2 она обозначена как «опасная точка», через которую предстояло выбираться.
В этой ситуации оказались важны все отмеченные выше особенности поведения кислорода и углекислого газа в замкнутом объеме. Для борьбы с постепенным уменьшением количества кислорода в пещере была организована доставка кислорода с помощью специального трубопровода.
Было решено, что накопление углекислого газа в пещере представляет существенно большую опасность, чем нехватка кислорода. Закачкой кислорода по трубопроводу в верхнюю часть пещеры вытесняли углекислый газ. Учитывалось также расслоение воздуха на фракции — CO2 скапливался в нижней части пещеры. Вот почему дети и тренер скрылись в верхней ее части.
Поиски ребят и подготовительные работы заняли почти две недели. За это время известный изобретатель и организатор исследований Илон Маск (космические корабли, электрокары) успел из запчастей к ракете изготовить миниатюрную подводную лодку на одного человека и доставить ее в Таиланд. Но из-за узкой щели от ее использования отказались.
Ситуация с каждым днем становилась все более сложной. Необходимо было постоянное присутствие людей, занятых на откачке воды из пещеры (иначе пещера полностью заполнилась бы водой) и установке труб для подачи кислорода. Более десятка аквалангистов доставляли в пещеру воду, еду и кислородные баллоны.
Там постоянно присутствовали врачи и те, кто готовили спасательную операцию. При дыхании этих взрослых спасателей состав воздуха ухудшался еще стремительнее. Наступил момент, когда из-за накопления углекислого газа дальше ждать было нельзя. Множество кислородных баллонов было расставлено по всему маршруту из пещеры к выходу (каждый баллон рассчитан на работу только в течение часа).
Тысяча спасателей снаружи, включая сто дайверов, начали операцию. В первый день 13 дайверов спасли четырех подростков. Во второй день 18 дайверов (и 70 аквалангистов сопровождения) спасли еще четверых. Наконец, в третий день были спасены оставшиеся четверо детей и их тренер, а также 4 человека, остававшиеся в пещере. Молодцы!
Влияние концентрации кислорода на процесс сжигания газообразного топлива
100
Труды БГТУ, 2022, серия 2, № 2, с. 100-105
УДК 66.02
В. Н. Павлечко, В. С. Францкевич
Белорусский государственный технологический университет
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА НА ПРОЦЕСС СЖИГАНИЯ
ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА
Приведены результаты расчета процесса горения природного газа с различными количествами добавляемого технического кислорода взамен атмосферного воздуха. Для снижения трудоемкости расчетов использована специально разработанная программа. Расчет выполнен для сжигания 1 нм3 природного газа и для 150 нм3/ч применительно к условиям одной из стекловаренных печей ОАО «Полоцк-Стекловолокно». Добавление каждых 5% кислорода от его количества, необходимого для горения газа, повышает температуру в печи на 41-58оС, снижает расход воздуха на 0,55 нм3/нм3 газа, природного газа на 1,18-1,39%, выбросов оксидов азота на 6%. Экономия 1 нм3 газа достигается при использовании 7 нм3 кислорода.
Ключевые слова: сжигание природного газа, добавление технического кислорода.
V. N. Pavlechko, V. S. Frantskevich
Belarusian State Technological University
INFLUENCE OF OXYGEN CONCENTRATION ON THE PROCESS OF COMBUSTION GAS FUEL
The results of calculating the combustion process of natural gas with various amounts of added oxygen in place of atmospheric air are given. To reduce the complexity of calculations, a specially developed program was used. The calculation was carried out for the combustion of 1 nm3 of natural gas and for 150 nm3/h in relation to the conditions of one of the glass furnaces OJSC Polotsk-Steklovolokno. The addition of every 5% of oxygen from its amount necessary for burning gas raises the temperature in the furnace by 41-58°C, reduces air consumption by 0.55 nm3/nm3 of gas, natural gas by 1.18-1.39%, emissions of nitrogen oxides on 6%. Saving 1 nm3 of gas is achieved when 7 nm3 oxygen is used.
Key words: burning of natural gas, addition of technical oxygen.
Введение. Используемый в промышленности в качестве окислителя воздух содержит большое количество азота, который в процессах горения не используется, а является бесполезным балластом, так как для его нагрева необходимо расходовать некоторое количество тепловой энергии, а для его транспортировки по трубопроводам требуется расходовать заметное количество электрической энергии. Балласт, выводимый в атмосферу с дымовыми газами, содержит существенное количество тепла и вызывает тепловое загрязнение окружающей среды. При высокой температуре топки азот частично окисляется с образованием оксидов, которые также загрязняют воздух. Частичное или полное замещение азота необходимым и достаточным количеством кислорода позволяет соответствующим образом уменьшить его расход и отмеченное выше его негативное влияние на процесс горения топлива. Кроме того, при использовании кислорода достигается более высокая температура в топке, появляется возможность использования низкокалорийного топлива и снижения его расхода [1, 2]. В то же время внедрение кислородного дутья сдерживается его высокой стоимо-
стью, необходимостью использования специальных горелок, перенастройки системы управления и автоматизации процесса горения, кроме того, отсутствием отечественного опыта.
Основная часть. По заданию крупнейшего в Республике Беларусь производителя продуктов разделения воздуха ОАО «Крион» проведена работа по определению возможности использования дополнительного количества кислорода в процессе горения газообразного топлива. Целью работы являлось определение влияния концентрации кислорода на процесс сжигания газообразного топлива. Расчет процесса горения необходимо было представить в виде специальной программы. Необходимость разработки программы была обусловлена большим объемом и трудоемкостью вычислительных операций. Программа разработана на основе электронных таблиц Excel. Апробация программы проводилась на примере расчета процесса горения природного газа в одной из стекловаренных печей ОАО «Полоцк-Стекловолокно».
В программе использована общепринятая методика расчета процесса горения топлива [3-5], на основании которой определены температура
В. Н. Павлечко, В. С. Францкевич
101
и теплоемкость продуктов горения, их состав и количество.
Как известно, взаимодействие кислорода и компонентов природного газа при полном сгорании топлива осуществляется в соответствии с формулами:
СН4 2О2 = СО2 2Н2О;
2С2Н2 7О2 = 4 СО2 = 6Н2О;
СэН8 5О2 = ЗСО2 4Н2О;
2С4Н10 1ЗО2 = 8СО2 1ОН2О;
С5Н10 8О2 = 5СО2 6Н2О.
Стехиометрический расход кислорода для окисления 1 кг метана
Оо, = °сн4
где M02, Мсн4
МО 64
—= 1 — = 4 кг/кг, (1) Мсн 16
молекулярная масса кислорода и метана соответственно, кг/кмоль.
Объемный расход кислорода для окисления 1 нмЗ метана
Ь02 = ОО2
РСН4 л 0,7143 2 3,3 (2)
— = 4-= 2 нм /нм , (2)
Ро 1,4286
где рСН4, Ро — плотность соответственно метана
и кислорода при нормальных условиях, кг/м3.
Объемный расход воздуха для окисления 1 нм3 метана
Ьвозд
Ьо
°2-= — 100 = 9,524 нм3/нм3, (3) 21
где X 0 — объемное содержание кислорода в
воздухе, % (об.).
С учетом горения других компонентов природного газа помимо метана стехиометриче-ские удельные расходы кислорода и воздуха
будут несколько меньше (1,9677 нм3/нм3 кислорода и 9,37 нм3/нм3 воздуха).
В расчете принята средняя температура воздуха, подаваемого на горение, 1в = 600°С и кислорода О = 600°С с учетом того, что газовая смесь, состоящая из воздуха и добавляемого кислорода, проходит через рекуператор, в котором частично утилизируется тепло отходящих дымовых газов.
Первоначально расчет выполнен для 1 м3 природного газа, состав и характеристика которого приведены в табл. 1, параметры воздуха, используемого для горения, — в табл. 2. Параметры кислорода, используемого для горения, приняты в соответствии с ГОСТ 6331-78 (табл. 3). Необходимые для расчета технологические параметры одной из стекловаренных печи ОАО «Полоцк-Стекловолокно» приведены в табл. 4.
Выход дымовых газов (диоксида углерода, водяного пара, азота и остаточного кислорода) принят пропорциональным расходу топлива. При высокой температуре печи азот атмосферного воздуха частично окисляется с образованием оксидов. Образование диоксидов зависит от множества факторов, которые при выполнении работы не учитывались, но логически следует, что с уменьшением азота, вводимого в топку, выход его оксидов должен снижаться.
Приход тепла в печь определен по формуле
о,=V (вр вв в во,),
(4)
где Уг — расход природного газа, нм /с; вр -низшая теплота сгорания природного газа, кДж/кг; 0в — физическое тепло, вносимое в топку воздухом, кДж/кг; 0г — физическое тепло, вносимое в топку природным газом, кДж/кг; во2 — физическое тепло, вносимое в топку добавляемым техническим кислородом, кДж/кг.
Таблица 1
Состав и характеристика природного газа
Наименование показателя Размерность Величина
Метан (СН4) % (об.) 95,6
Этан (С2Н6) % (об.) 0,7
Пропан (С3Н8) % (об.) 0,4
Бутан (С4Н10) % (об.) 0,2
Пентан (С5Н12) % (об.) 0,2
Диоксид углерода (С02) % (об.) 0,1
Азот (N2) % (об.) 2,8
Плотность природного газа, рг кг/нм3 0,7312
Температура природного газа, /г °С 0
Удельная теплоемкость природного газа, сг кДж/(нм3-град) 1,55
Теплота сгорания природного газа, в|р кДж/нм3 33 948
Таблица 2
Параметры воздуха для горения
Наименование показателя Размерность Величина
Плотность воздуха, рв кг/нм3 1,293
Удельная теплоемкость воздуха, св кДж/(нм3-град) 1,350
Температура воздуха, 4 °С 600
Влагосодержание воздуха, х кг/кг 0,01
Коэффициент избытка воздуха, а — 1,1455
Содержание кислорода в воздухе, х02 % (об.) 21
Содержание азота в воздухе, х^ % (об.) 79
Параметры кислорода, используемого для горения Таблица 3
Наименование показателя Размерность Величина
Содержание кислорода, х’02 % (об.) 99,7
Содержание диоксида углерода, Х’С02 % (об.) 0,2
Плотность чистого кислорода, р02 кг/нм3 1,4286
Удельная теплоемкость кислорода, с0 02 кДж/(нм3-град) 1,300
Температура кислорода, 10 °2 °С 600
Таблица 4
Некоторые технологические параметры стекловаренной печи
Наименование параметра Размерность Величина
Низшая теплота сгорания топлива, О кДж/нм3 33 948
Расход природного газа, Уг нм3/ч 150
Расход воздуха, Ь’а нм3/ч 1650
Температура воздуха, 4 °С 500—700
Температура газового пространства, 4 °С 1550
При расчете реальной температуры топки значение пирометрического коэффициента принято равным 0,8. Удельные теплоемкости компонентов дымовых газов приняты из справочников при рабочей температуре топки.
В результате расчета установлено, что при добавлении кислорода снижается расход воздуха и, соответственно, расход азота. Суммарный приход кислорода не изменяется, так как добавочный кислород полностью компенсирует снижение прихода кислорода вследствие уменьшения количества воздуха, подаваемого на горение. Следовательно, при добавлении кислорода снижаются затраты тепла на нагрев балластного азота от температуры 600°С после рекуператора до температуры газового пространства печи (1550°С), уменьшается количество тепла, вносимого воздухом в печь, но повышается тепло, вносимое добавляемым кислородом, нагретым до температуры 600°С в рекуператоре. Расчет некоторых параметров печи
выполнен исходя из одинакового количества тепла, которое должно быть внесено в печь с учетом потерь тепла.
Результаты расчета разработанной программой процесса горения 1 нм3 природного газа приведены в табл. 5, в одной из стекловаренных печей — в табл. 6.
Анализ результатов показал, что каждые 5% добавляемого кислорода (0,0989 нм3/нм3), используемого взамен воздуха для горения природного газа, позволяют повысить рабочую температуру процесса горения на 41-58°С (меньшие цифры соответствуют меньшим добавкам кислорода), а также снижают расход воздуха на 0,55 нм3/нм3 газа. Количество тепла, вносимого в топку, определено без учета снижения потерь тепла на нагрев азота до температуры топки. Замещение воздуха на 20% кислородом приводит к снижению объемов дымовых газов на 18% и в первом приближении к пропорциональному уменьшению выбросов оксидов азота.
Результаты расчета процесса сгорания 1 нм природного газа
Таблица 5
Наименование показателя Размерность Величина
Расход технического кислорода, Уо? нм3/нм3 0,0000 0,0989 0,1978 0,2966 0,3955 0,4944 0,5933 0,6922 1,9776
Удельный расход чистого кислорода от расхода воздуха, у = Уо/ / Ь0/теор об. доли 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 1,00
Расход чистого кислорода, У02 нм3/нм3 0,0000 0,0984 0,1968 0,2952 0,3935 0,4919 0,5903 0,6887 1,9677
Снижение расхода влажного воздуха, ДЬвозд нм3/нм3 0,0000 0,2436 0,4872 0,7309 0,9745 1,2181 1,4617 1,7053 4,8724
Теоретический расход сухого воздуха, Ь0 нм3/нм3 9,4510 8,9784 8,5059 8,0333 7,5608 7,0882 6,6157 6,1431 0,0000
Теоретический расход влажного воздуха, Ьа нм3/нм3 9,6022 9,1221 8,6420 8,1619 7,6818 7,2022 6,7215 6,2414 0,0000
Действительный расход сухого воздуха, Ь0′ нм3/нм3 10,8261 10,2848 9,7435 9,2022 8,6609 8,1196 7,5783 7,0370 0,0000
Действительный расход влажного воздуха, Ьа’ нм3/нм3 10,9993 10,4493 9,8994 9,3494 8,7995 8,2495 7,6995 7,1496 0,0000
Расход избыточного количества сухого воздуха, (а — 1) Ь0′ нм3/нм3 1,5752 1,4964 1,4177 1,3389 1,2602 1,1814 1,1026 1,0239 0,0000
Расход избыточного количества влажного воздуха, (а — 1) Ьа’ нм3/нм3 1,6004 1,5204 1,4404 1,3603 1,2803 1,2003 1,1203 1,0403 0,0000
Выход диоксида углерода, УС02 нм3/нм3 1,0010 1,0012 1,0014 1,0016 1,0018 1,0020 1,0022 1,0024 1,0049
Выход водяного пара, УН?о нм3/нм3 1,9727 1,9726 1,9726 1,9725 1,9724 1,9723 1,9722 1,9721 1,9710
Выход азота, У^ нм3/нм3 8,5806 8,1530 7,7254 7,2977 6,8701 6,4425 6,0148 5,5872 0,0280
Выход кислорода, У02 нм3/нм3 0,2888 0,2743 0,2599 0,2455 0,2310 0,2166 0,2021 0,1877 0,0000
Суммарный выход дымовых газов, Удг нм3/нм3 11,8431 11,4012 10,9592 10,5172 10,0753 9,6333 9,1914 8,7494 3,0039
Влагосодержание дымовых газов, хдг кг/кг сух. газа 0,1208 0,1262 0,1320 0,1384 0,1454 0,1532 0,1619 0,1716 0,7838
Задаваемая удельная теплоемкость дымовых газов, сдг кДж/(нм3-°С) 1,6123 1,6231 1,6348 1,6476 1,6614 1,6765 1,6931 1,7113 2,4283
Пирометрический коэффициент, Г| — 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80
Приход тепла, 0т кДж/нм3 34323 34032 33740 33449 33158 32866 32575 32283 28496
Рабочая температура печи, 4 °С 1798 1839 1883 1930 1981 2035 2093 2156 3906
Удельная теплоемкость дымовых газов при 1„, сдт, кДж/(нм3-°С) 1,6123 1,6231 1,6348 1,6476 1,6614 1,6765 1,6931 1,7113 2,4283
Н. П
№
03 >
п
■С
7ч
В.
С.
Ф
■а
№ I
с
7ч
П
03
Таблица 6
Результаты расчета некоторых параметров стекловаренной печи
Наименование показателя Размерность Величина
Расход газа, Уг нм3/ч 150,00 147,92 145,89 143,92 142,00 140,13 138,31 136,54 117,0
Расход добавляемого кислорода, У02 об. доли 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 1,00
Расход добавляемого кислорода, У0? нм3/ч 0,000 14,626 28,851 42,691 56,163 69,280 82,056 94,507 231,4
Расход воздуха, Ув нм3/ч 1650 1546 1444 1346 1250 1156 1065 976 0
Температура газового пространства, ^ оС 1550 1550 1550 1550 1550 1550 1550 1550 1550
Выход дымовых газов, Удг нм3/ч 1776 1686 1599 1514 1431 1350 1271 1195 352
Удельная теплоемкость дымовых газов при ^ сдг, кДж/(нм3-°С) 1,5827 1,5883 1,5944 1,6010 1,6082 1,6160 1,6246 1,6341 2,010
Приход тепла, впр кВт 1430,1 1398,3 1367,3 1337,2 1307,9 1279,3 1251,5 1224,4 926,3
Расход тепла на нагрев азота воздуха до температуры печи, 0^ кВт 505,1 473,2 442,3 412,1 382,8 354,3 326,5 299,4 1,3
Экономия тепла на нагрев азота, Д0^ кВт 0,0 31,8 62,8 92,9 122,3 150,8 178,6 205,7 503,8
Расход тепла на нагрев и плавление шихты, 0ш кВт 286 286 286 286 286 286 286 286 286
Расход тепла с дымовыми газами, 0дг кВт 1144 1112 1081 1051 1022 993 965 938 640
Снижение расхода газа, ДУг нм3/ч 0,00 2,08 4,11 6,08 8,00 9,87 11,69 13,46 32,97
Снижение расхода газа, ДУг % 0,00 1,39 2,74 4,05 5,33 6,58 7,79 8,97 21,98
р л £
№ У
Сери
5
Л 2
№ 2 2
О
—А
8
О
(-о
Графическая иллюстрация зависимости температуры процесса горения от количества добавляемого кислорода приведена на рис. 1.
/р,°С 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000
нм3/ч
А ч п )
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40
у, об. доли
Рис. 1. Зависимость температуры процесса горения газа от расхода добавочного кислорода
Апробация программы при расчете процесса горения в одной из стекловаренных печей ОАО «Полоцк-Стекловолокно» (табл. 6) показала, что каждые 5% добавляемого кислорода (12,45—14,62 нм3/ч) снижают расход природного газа на 1,77—2,08 нм3/ч (рис. 2) и расход воздуха на 88,7—104,3 нм3/ч (рис. 3) (большие величины соответствуют меньшим добавкам кислорода). Экономия тепла на нагреве азота составляет 63 кВтч на каждые 10% введенного кислорода. Выход дымовых газов снижается на 80—90 нм3/ч при добавлении каждых 5% кислорода.
ДГг, нм3/ч
100
Г С>2- НМ3/ч
Рис. 3. Зависимость расхода воздуха от расхода добавочного кислорода
Разработанная программа проста в использовании и позволяет значительно снизить трудоемкость и продолжительность вычислений.
Заключение. Таким образом, разработанная программа при своей простоте использования позволяет определять основные параметры продуктов горения природного газа при различных долях введения технического кислорода и сравнивать полученные значения с горением только при использовании атмосферного воздуха.
Результаты апробации программы показали, что добавление каждых 5% кислорода (0,0989 нм3/нм3) в топку для горения природного газа позволяет снизить расход воздуха на 0,55 нм3/нм3 газа и повысить рабочую температуру процесса горения на 41—58°С.
Добавление каждых 5% кислорода в одну из стекловаренных печей ОАО «Полоцк-Стекловолокно» позволяет снизить расход воздуха в среднем
3
и природного газа на нм3 кислорода нм3 природного
100
нм3/ч
на 100 нм /ч 2 нм3/ч. Причем добавление 7 приводит к экономии всего 1 газа, что на первый взгляд представляется экономически нецелесообразным.
Но с учетом снижения выбросов оксидов азота и взвешенных твердых частиц в атмосферу, а также уменьшения затрат на транспортировку дымовых газов и рекуперацию тепла данное техническое решение может оказаться оправданным.
Литература
1. Лешина В. А., Пулина И. А. Эффективные способы сжигания топлива в производстве стекла // Труды Владимирского государственного университета. 2022. Вып. 10. С. 97-99.
2. Передовые технологии сжигания топлива. URL: http://www.techgaz.ru/page/232.html (дата обращения: 01.01.2022).
3. Левченко П. В. Расчеты печей и сушил силикатной промышленности. М.: АльянС, 2007. 366 с.
Рис. 2. Зависимость снижения расхода газа от расхода добавочного кислорода
В. H. Павлечко, В. С. Францкевич
105
4. Новый справочник химика и технолога. Процессы и аппараты химических технологий / под общ. ред. Г. М. Островского. СПб.: НПО «Профессионал», 2006. Ч. II. 916 с.
5. Исламов М. Ш. Печи химической промышленности. Л.: Химия, 1975. 432 с.
References
1. Leshina V. A., Pulina I. A. Effective methods of burning fuel in the production of glass. Trudy Vladimirskogo gosudarstvennogo universiteta [Proceedings of Vladimir State University], 2022, issue 10, pp. 97-99 (In Russian).
2. Peredovyye tekhnologii szhiganiya topliva [Advanced combustion technologies]. Available at: http://www.techgaz.ru/page/232.html (accessed 01.01.2022).
3. Levchenko P. V. Raschety pechey i sushil silikatnoy promyshlennosti [Calculations of furnaces and dried silicate industry]. Moscow, Al’yanS Publ., 2007. 366 p.
4. Ostrovskiy G. M. Novyy spravochnik khimika i tekhnologa. Protsessy i apparaty khimicheskikh tekhnologiy [A new directory of chemist and technologist. Processes and apparatus of chemical technologies. Part II]. St. Petersburg, NPO «Professional» Publ., 2006. 916 p.
5. Islamov M. Sh. Pechi khimicheskoy promyshlennosti [The furnaces of the chemical industry]. Leningrad, Khimiya Publ., 1975. 432 p.
Информация об авторах
Павлечко Владимир Никифорович — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры машин и аппаратов химических и силикатных производств. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: pavlechko@tut.by
Францкевич Виталий Станиславович — кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой машин и аппаратов химических и силикатных производств. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: fvs2@tut.by
Information about the authors
Pavlechko Uladimir Nikiforovich — PhD (Engineering), Associate Professor, Assistant Professor, the Department of Machines and Apparatus for Chemical and Silicate Production. Belarusian State Technological University (13a, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: pavlechko@tut.by
Frantskevich Vitaliy Stanislavovich — PhD (Engineering), Associate Professor, Head of the Department of Machines and Apparatus for Chemical and Silicate Production. Belarusian State Technological University (13a, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: fvs2@tut.by
Поступила 18.04.2022
Краткие сведения о кислороде, пропан-бутане и ацетилене — газресурс
Кислород — это газ без вкуса, запаха и цвета, не горючий, но активно поддерживает горение, немного тяжелее воздуха. При нормальном атмосферном давлении (760 мм ртутного столба) при температуре 0° С масса 1 м куб. кислорода равна 1.43 кг, а при нормальном атмосферном давлении и температуре 20° С, масса 1 м куб. кислорода равна 1.33 кг, масса 1 м куб воздуха равна 1.29 кг.
Кислород — это газ без вкуса, запаха и цвета, не горючий, но активно поддерживает горение, немного тяжелее воздуха. При нормальном атмосферном давлении (760 мм ртутного столба) при температуре 0° С масса 1 м куб. кислорода равна 1.43 кг, а при нормальном атмосферном давлении и температуре 20° С, масса 1 м куб. кислорода равна 1.33 кг, масса 1 м куб воздуха равна 1.29 кг.
В промышленности кислород получают из атмосферного воздуха методом глубокого охлаждения и ректификации.
Технический кислород для газопламенных работ получают в специальных установках из атмосферного воздуха в жидком состоянии. Жидкий кислород — это легко подвижная, голубоватая жидкость. Температура кипения (начало испарения) жидкого кислорода минус 183° С.
При нормальных условиях и температуре минус 183° С. легко испаряется, превращаясь в газообразное состояние. При повышении температуры интенсивность испарении увеличивается. Из 1 литра жидкого кислорода, образуется около 860 литров газообразного.
Кислород обладает большой химической активностью. Реакция соединения его с маслами, жирами, угольной пылью, ворсинками ткани и т.д., приводит их к мгновенному окислению, самовоспламенению и взрыву при обычных температурах.
Кислород в смеси с горючими газами и парами горючих жидкостей образует в широких пределах взрывчатые смеси.
«Кислород газообразный технический» согласно ГОСТ 5583- 78 выпускается для сварки и резки трех сортов: 1-й — чистотой не менее 99,7%, 2-й — не менее 99,5%, 3-й — не менее 99,2% по объёму. Чем меньше в кислороде газовых примесей, тем выше скорость реза, чище кромки и меньше расход кислорода. На предприятие поставляется в газообразном состоянии, в стальных кислородных баллонах «голубого» цвета ёмкостью 40 дм. куб. и давлением 150 кгс/см2. Сжатый кислород хранят и транспортируют в баллонах по ГОСТ 949-73.
Пропан — технический, бесцветный газ с резким запахом, состоящий из пропана С3Н8 или из пропана и пропилена С3Н6, суммарное содержание которых должно быть не менее 93%. Получают пропан при переработке нефтепродуктов. Пропанобутановая смесь – это смесь газов главным образом технического пропана и бутана. Эти газы относятся к группе тяжёлых углеводородов. Сырьём для их получения являются природные нефтяные газы, отходящие газы нефтеперерабатывающих заводов. Эти газы в чистом виде или в виде смесей при нормальной температуре и на большом повышении давления могут быть переведены из газообразного состояния в жидкое состояние.Хранится и транспортируется пропанобутановая смесь в жидком состоянии, а используется в газообразном.
Газообразная пропанобутановая смесь — это горючий газ без вкуса, запаха и цвета, тяжелее воздуха в 2 раза, поэтому при утечке газа он не рассеивается в атмосфере, а опускается вниз и заполняет углубления пола или местности.
При содержании газа пропан-бутана в воздухе или кислороде до нижнего предела взрываемости и внесении открытого огня происходит горение газа вокруг источника открытого огня.
При содержании газа пропан-бутана в воздухе или кислороде свыше нижнего предела взрываемости и внесении открытого огня или искры происходит пожар, т.е. интенсивное горение газа.
Газообразная пропанобутановая смесь при атмосферном давлении не обладает токсичным (отравляющим) воздействием на организм человека, так как мало растворяется в крови. Но, попадая в воздух, смешивается с ним, вытесняет и уменьшает содержание кислорода в воздухе. Человек, находящийся, а такой атмосфере испытывает кислородное голодание, а при значительных концентрациях газа в воздухе может погибнуть от удушья.
Предельно допустимая концентрация пропан-бутана в воздухе рабочей зоны должна быть не более 300 мг/м3(в пересчёте на углерод).При попадании жидкого пропан-бутана на кожные покровы тела, нормальная температура которого 36,6 град. С, происходит быстрое его испарение и интенсивный отбор тепла с поверхности тела, затем наступает обморожение.
По ГОСТ 20448-80 промышленность выпускает пропанобутановую смесь 3 марок:
- пропан технический, с содержанием пропана более 93%, бутана — менее 3 процентов;
- бутан технический, с содержанием бутана менее 93%, пропана не более 4 процентов;
- пропанобутановая смесь, 2-х типов: зимняя и летняя.
На предприятия для газопламенной обработки металлов поставляется пропанобутановая смесь в стальных баллонах зимняя и летняя.
Зимняя пропанобутановая смесь содержит 15% пропана, 25% бутана и прочих компонентов.
Летняя пропанобутановая смесь содержит 60% бутана, 40% пропана и прочих компонентов.
Для сжигания I куб. м газообразной пропано-бутановой смеси требуется 25-27 куб. м воздуха или 3,58 — 3,63 кг кислорода.
Температура воспламенения с воздухом:
- пропана — 510 град. С;
- бутана — 540 град. С
Температура воспламенения пропанобутановой смеси:
- с воздухом 490-510 град. С;
- с кислородом — 465-480 град. С.
Температура пламени пропанобутановой смеси с кислородом зависит от её состава и равна 2200-2680 град. С. При окислительном пламени (избыток кислорода) температура повышается.
Теплотворная способность пропанобутановой смеси равна 93000 Дж/м куб. (22000 ккал/м куб.).
Скорость горения пропанобутановой смеси:
- при обычном горении 0,8 – 1,5 м/сек.;
- при дистанционном (со взрывом) 1,5 — 3,5 км/сек.
Пределы взрывоопасности пропан-бутана при нормальном давлении составляют:
- нижний – 1,5%;
- верхний – 9,5%.нижний – 2%;
- верхний – 46%.
Пропанобутановые смеси в жидком виде разрушают резину, поэтому необходимо тщательно следить за резиновыми изделиями, применяемыми в газопламенной аппаратуре, и в случае необходимости производить их своевременную замену.
Наибольшая опасность разрушения резины существует зимой, вследствие большей вероятности попадания жидкой фазы пропанобутановой смеси в рукава.
Ацетилен — это горючий газ, без цвета, вкуса, с резким специфическим чесночным запахом, он легче воздуха. Его плотность по отношению к воздуху 0,9.
При нормальном атмосферном давлении (760 мм ртутного столба) и температуре плюс 20 град. С 1 м куб. имеет массу 1,09 кг, воздух 1,20 кг.
При нормальном атмосферном давлении и температуре от — 82,4 градуса до — 84 градусов С ацетилен переходит из газообразного в жидкое состояние, а при температуре минус 85 град. С затвердевает.
Ацетилен — единственный широко применяемый в промышленности газ, горение и взрыв которого возможны в отсутствии кислорода или других окислителей.
При газопламенной обработке металлов ацетилен используют либо в газообразном состоянии, получая его в передвижных или стационарных ацетиленовых генераторах, либо растворённым в ацетиленовых баллонах. Растворенный ацетилен по ГОСТ 5457-75 представляет собой раствор газообразного ацетилена в ацетоне, распределённый в пористом наполнителе под давлением до 1,9 МПА (19 кгс/см2). В качестве пористых наполнителей используются насыпные – берёзовый активированный уголь (БАЦ) и литые пористые массы.
Основным сырьём для получения ацетилена является карбид кальция. Это твёрдое вещество тёмно-серого или коричневатого цвета. Ацетилен получается в результате разложения (гидролиза) кусков, карбида кальция водой. Выход ацетилена на 1 кг карбида кальция составляет 250 дм куб. Для разложения 1 кг карбида кальция требуется от 5 до 20 дм куб. воды. Карбид кальция транспортируется в герметически закрытых барабанах. Масса карбида в одном барабане от 50 до 130 кг.
При нормальном атмосферном давлении ацетилен с воздухом и кислородом образуют взрывоопасные смеси. Пределы взрывоопасности ацетилена с воздухом:
- нижний – 2,2%;
- верхний – 81%.
Пределы взрывоопасности ацетилена с кислородом:
- нижний – 2,3%;
- верхний – 93%.
Наиболее взрывоопасные концентрации ацетилена с воздухом и кислородом составляют:
- нижний – 7%;
- верхний – 13%.