Природный газ. Процесс горения. Полное и неполное горение газа

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.

• Кэфициент полезного действия котла.

При этом под коэфициентом полезного действия котла подразумевают соотношение полезного тепла к величине всего затраченного тепла.

Состав воздуха

Cтраница 1

Причины неполного сгорания связаны с химическим недожогом и механическим уносом топлива.
 

Одной из причин неполного сгорания в условиях открытых воздушных пламен является образование трудносгораю. Нами проведены экспериментальные исследования конденсированных продуктов, образующихся в открытых воздушных пламенах различного класса горючих.
 

Недостаток тяги может быть также причиной неполного сгорания газа из-за недостатка вторичного воздуха. Образующаяся при неполном сгорании окись углерода сама по себе может быть причиной взрыва газов в дымоходах или борове в случае подсоса в них воздуха.
 

Недостаточная величина разрежения в топке может служить причиной неполного сгорания газа из-за недостатка вторичного воздуха при использовании диффузионных горелок или горелок с частичной инжекцией воздуха. Образующаяся при неполном сгорании окись углерода в смеси с воздухом может быть причиной взрыва газов в дымоходах или борове.
 

Уменьшение разрежения в топке ниже допустимого предела является причиной неполного сгорания газа и образования окиси углерода, которая может взорваться в дымоходах или борове в случае подсоса в них воздуха.
 

Наличие в топливе большого количества смолистых веществ может быть причиной неполного сгорания топлива и образования твердых нагаров, отлагающихся, по преимуществу, на сопле форсунки, распиливающей топливо. Отложение агаров ухудшает рас пылив аиие топлив в камере сгорания и может способствовать снижению или прекращению подачи топлива в цилиндры двигателя.
 

Наличие в топливе большого количества смолистых веществ может быть причиной неполного сгорания топлива и образования твердых нагаров, отлагающихся преимущественно на сопле форсунки, распиливающей топливо, и в выхлопной системе двигателя. Отложения нагаров ухудшают процесс распиливания топлива в камере сгорания и могут способствовать снижению или прекращению подачи топлива в цилиндры двигателя.
 

Потеря 7з возникает при наличии в уходящих газах продуктов неполного сгорания: окиси углерода СО, водорода Н2, метана СН4 и др. Причиной неполного сгорания топлива может быть недостаток воздуха в топке, низкая температура в ней, неудовлетворительное смешение частиц топлива с воздухом, неустойчивость процесса горения, малый объем топки.
 

Предложенное приспособление дает возможность выполнять основную и самую трудную часть сожжения без наблюдения экспериментатора и, что самое главное, препятствует перегреву вещества, исключая таким образом возможность слишком быстрого испарения или разложения, являющихся обычно причиной неполного сгорания или взрыва в трубке для сожжения.
 

Бурлаге и Брезе составили таблицу продуктов неполного сгорания, классифицируя их по различным причинам их образования, свойствам топлив и режиму двигателя, который скорее всего способствует их образованию. Следует помнить, что на эти соотношения сильно влияет конструкция двигателя и что при плохой его конструкции многие из причин неполного сгорания могут встречаться одновременно. Эта таблица (табл. 31) не может быть принята за непогрешимое руководство.
 

Черный нагар может также быть вызван причинами, не связанными с правильностью подбора свечи к двигателю. Такой нагар может образоваться в результате длительной работы двигателя в режиме холостого хода или при малой частоте вращения коленчатого вала. Причиной образования черного нагара может быть также слишком богатая топливная смесь. Иногда причиной неполного сгорания топливной смеси и как следствие этого черного нагара бывает неисправность системы батарейного зажигания.
 

Скорость продвижения зоны горения в направлении, перпендикулярном самой зоне, называется скоростью распространения пламени. Скорость распространения пламени характеризует быстроту нагрева газовоздушной смеси до температуры воспламенения. Наибольшую скорость распространения имеет пламя водорода, водяного газа (3 м / сек), наименьшую — пламя природного газа и П ропа НО-бутановой смеси. Большая скорость распространения пламени благоприятно влияет на полноту горения газа, а малая, наоборот, служит одной из причин неполного сгорания газа. Скорость распространения пламени увеличивается при применении газокислородной смеси вместо газовоздушной.
 

При учете общего объема углекислоты измерительная бюретка должна вместе с тем служить коллектором, и объем ее должен быть достаточным для вмещения всего получившегося при сгорании газа. Чтобы устранить излишний, приток кислорода, пространство, в котором происходит сожжение, должно быть по возможности малым. Поэтому предложенные Kinder oM 2 спирали из медной сетки, которые вставляют в трубку для сожжения для поглощения окислов серы и которые, следовательно, уменьшают мертвое пространство, надо предпочесть промывным склянкам со смесью хромовой и серной кислот. Также и при проведении процесса сожжения нужно. Впуск газа можно начинать лишь тогда, когда введенная навеска настолько прогрелась, что горение железа начинается немедленно. Пока идет сожжение, не надо пускать кислорода больше, чем его расходуется. Правильную меру надо считать соблюденной, когда уровень жидкости в расширении измерительной бюретки падает во время сожжения лишь незначительно. Немедленному началу горения способствует высркгя температура нагрева; быстрое и полное сожжение обеспечивается применением отдающих кислород добавок. При соблюдении этих условий время сожжения значительно сокращается-даже для трудно сгорающих легированных материалов. Что касается применяемых фарфоровых трубок, то трубки с повышенным содержанием глинозема являются менее ломкими; всегда нужно следить за тем, чтобы охлаждение происходило постепенно. Дольше всего держатся трубки, которые все врем я нагреваются, как это, например, имеет место при непрерывном производстве. Против слишком сильного шлакования трубок помогает восстановление шлаков в струе водорода. Восстанавливающийся при этом металл в нагретом состоянии мягок и легко удаляется из трубки. Покрывание лодочек отчасти препятствует доступу кислорода, а это может быть причиною неполного сгорания. Хотя присадки сами по себе тоже мешают шлакообразованию, но зато они сильно разъедающе действуют на фарфор. Газопроницаемости при высоких температурах даже в неглазурованных с обеих сторон трубках не наблюдается; поэтому для сожжения можно пользоваться как глазурованными, так и негла зурованными трубками.
 

Горение – это реакция, при которой происходит преобразование химической энергии топлива в тепло.

Горение бывает полным и неполным. Полное горение происходит при достаточном количестве кислорода. Нехватка его вызывает неполное сгорание, при котором выделяется меньшее количество тепла, чем при полном, и окись углерода (СО), отравляюще действующая на обслуживающий персонал, образовывается сажа, оседающая на поверхности нагрева котла и увеличивающая потери тепла, что приводит к перерасходу топлива и снижению к.п.д. котла, загрязнению атмосферы.

Для сгорания 1 м 3 метана нужно 10 м 3 воздуха, в котором находится 2 м 3 кислорода. Для полного сжигания природного газа воздух подают в топку с небольшим избытком. Отношение действительно израсходованного объёма воздуха V д к теоретически необходимому V т называется коэффициентом избытка воздуха a = V д /V т. Этот показатель зависит от конструкции газовой горелки и топки: чем они совершеннее тем меньше a. Необходимо следить, чтобы коэффициент излишка воздуха не был меньше 1, так как это приводит к неполному сгоранию газа. Увеличение коэффициента избытка воздуха снижает к.п.д. котлоагрегата.

Полноту сгорания топлива можно определить с помощью газоанализатора и визуально – по цвету и характеру пламени: прозрачно-голубоватое – сгорание полное;

красный или жёлтый – сгорание неполное.

Скорость продвижения зоны горения в направлении, перпендикулярном самой зоне, называется скоростью распространения пламени. Скорость распространения пламени характеризует быстроту нагрева газовоздушной смеси до температуры воспламенения. Наибольшую скорость распространения имеет пламя водорода, водяного газа (3 м /сек), наименьшую — пламя природного газа и Пропано-бутановой смеси. Большая скорость распространения пламени благоприятно влияет на полноту горения газа, а малая, наоборот, служит одной из причин неполного сгорания газа. Скорость распространения пламени увеличивается при применении газокислородной смеси вместо газовоздушной.

Горение регулируется увеличением подачи воздуха в топку котла или уменьшением подачи газа. В этом процессе используется первичный (смешивается с газом в горелке – до горения) и вторичный (соединяется с газом или газовоздушной смесью в топке котла в процессе горения) воздух.

В котлах, оборудованных диффузионными горелками (без принудительной подачи воздуха), вторичный воздух под действием разряжения поступает в топку через поддувочные дверцы.

В котлах, оборудованных инжекционными горелками: первичный воздух поступает в горелку за счёт инжекции и регулируется регулировочной шайбой, а вторичный – через поддувочные дверцы.

В котлах со смесительными горелками первичный и вторичный воздух подаётся в горелку вентилятором и регулируется воздушными задвижками.

Нарушение соотношения между скоростью газовоздушной смеси на выходе из горелки и скоростью распространения пламени приводит к отрыву или проскакиванию пламени на горелках.

Если скорость газовоздушной смеси на выходе из горелки больше скорости распространения пламени – отрыв, а если меньше – проскок.

При отрыве и проскоке пламени обслуживающий персонал должен погасить котёл, провентилировать топку и газоходы и снова разжечь котёл.

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.

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.

Подобный дефект связан с неисправностью системы автоматики котла. Отметим, что эксплуатировать котел с отключенной автоматикой (например, если принудительно заклинить пусковую кнопку в нажатом состоянии) категорически запрещено. Это может привести к трагическим последствиям, так как при кратковременном прекращении подачи газа или при погасании пламени сильным потоком воздуха, газ начнет поступать в помещение.
Для понимания причин возникновения подобного дефекта, рассмотрим подробнее работу системы автоматики. На рис. 5 показана упрощенная схема этой системы.
Схема состоит из электромагнита, вентиля, датчика тяги и термопары. Для включения запальника нажимают пусковую кнопку. Шток, связанный с кнопкой, давит на мембрану вентиля, и газ начинает поступать к запальнику. После этого зажигают запальник.
Пламя запальника касается корпуса датчика температуры (термопары). Спустя некоторое время (30…40 с) термопара нагревается и на ее выводах появляется ЭДС, которой достаточно для срабатывания электромагнита. Последний, в свою очередь, фиксирует шток в нижнем (как на рис. 5) положении. Теперь пусковую кнопку можно отпустить.
Датчик тяги состоит из биметаллической пластины и контакта (рис. 6). Датчик расположен в верхней части котла, возле трубы отвода продуктов горения в атмосферу. В случае засора трубы ее температура резко повышается. Биметаллическая пластина нагревается и разрывает цепь подачи напряжения на электромагнит — шток больше не удерживается электромагнитом, вентиль закрывается, и подача газа прекращается.
Расположение элементов устройства автоматики показано на рис. 7. На нем видно, что электромагнит закрыт защитным колпаком. Провода от датчиков расположены внутри тонкостенных трубок К электромагниту трубки крепятся при помощи накидных гаек. Корпусные выводы датчиков подключаются к электромагниту через корпус самих трубок.
А теперь рассмотрим методику поиска указанной выше неисправности.
Проверку начинают с самого «слабого звена» уст­ройства автоматики — датчика тяги. Датчик не защи­щен кожухом, поэтому через 6… 12 месяцев эксплуа­тации «обрастает» толстым слоем пыли Биметалли­ческая пластина (см. рис. 6) быстро окисляется, что приводит к ухудшению контакта.
Шубу из пыли удаляют мягкой кистью. Затем плас­тину оттягивают от контакта и зачищают мелкой на­ждачной бумагой. Не следует забывать, что необхо­димо очистить и сам контакт. Хорошие результаты дает чистка указанных элементов специальным спреем «Контакт». В его состав входят вещества, активно разрушающие оксидную пленку. После чистки на пластину и контакт наносят тонкий слой жидкой смазки.
Следующим шагом проверяют исправность термопары. Она работает в тяжелом тепловом режиме, так как постоянно находится в пламени запальника, естественно, ее срок службы значительно меньше остальных элементов котла.
Основной дефект термопары — прогар (разрушение) ее корпуса. При этом резко возрастает переходное сопротивление в месте сварки (спая). Вследствие этого, ток в цепи Термопара — Электромагнит
— Биметаллическая пластина будет ниже номинального значения, что приводит к тому, что электромагнит уже не сможет фиксировать шток (рис. 5).
Для проверки термопары откручивают накидную гайку (рис. 7), расположенную с левой
стороны электромагнита. Затем включают запальник и вольтметром замеряют постоянное напряжение (термо-ЭДС) на контактах термопары (рис. 8). Нагретая исправная термопара формирует ЭДС около 25…30 мВ. Если же это значение меньше, термопара неисправна. Для ее окончательной проверки отстыковывают трубку от кожуха электромагнита и замеряют сопротивление термопары Сопротивление нагретой термопары составляет менее 1 Ом. Если же сопротивление термопары — сотни Ом и более ее необходимо заменить.

Низкая величина термо-ЭДС, формируемой термо­парой, может быть вызвана следующими причинами:

— засорением форсунки запальника (вследствие этого, температура нагрева термопары может быть ниже номинальной). «Лечат» подобный дефект про­чисткой отверстия запальника любой мягкой прово­локой подходящего диаметра;
— смещением положения термопары (естественно, она тоже может нагреваться недостаточно). Устраня­ют дефект следующим образом — ослабляют винт крепления подводки возле запальника и регулируют положение термопары (рис 10);
— низким давлением газа на входе котла.
Если ЭДС на выводах термопары в норме (при со­хранении признаков неисправности, указанных вы­ше), то проверяют следующие элементы:
— целостность контактов в местах подключения термопары и датчика тяги.
Окислившиеся контакты необходимо зачистить. Накидные гайки закручивают, что называется, «от ру­ки». В этом случае гаечный ключ применять нежела­тельно, так как можно легко порвать подходящие к контактам провода;
— целостность обмотки электромагнита и, при не­обходимости, пропаивают ее выводы.
Работоспособность электромагнита можно прове­рить следующим образом. Отсоединяют
подводку термопары. Нажимают и удерживают пусковую кноп­ку, затем поджигают запальник. От отдельного источ­ника постоянного напряжения на освободившийся контакт электромагнита (от термопары) подают относительно корпуса напряжение около 1 В (при токе до 2 А). Для этого можно использовать и обычную батарейку (1,5 В), главное, чтобы она обеспечила необходимый рабочий ток. Теперь кнопку можно отпустить. Если запальник не погас, электромагнит и датчик тяги исправны;
— датчик тяги. Вначале проверяют усилие прижатия контакта к биметаллической пластине (при указанных признаках неисправности часто оно бывает недостаточным). Для увеличения силы прижима освобождают стопорную гайку и перемещают контакт ближе к пластине, затем гайку затягивают. В этом случае никаких дополнительных регулировок не требуется — на температуру срабатывания датчика сила прижима не влияет. Датчик имеет большой запас по углу отклонения пластины, обеспечивая надежное разрывание электрической цепи в случае аварии.