Продукты сгорания газа и контроль за процессом горения

  Продукты сгорания природного газа - это диоксид углерода, водяные пары, некоторое количество избыточного кислорода и азот. Избыточный кислород содержится в продуктах сгорания только в тех случаях, когда горение происходит с избытком воздуха, а азот в продуктах сгорания содержится всегда, так как является составной частью воздуха и не принимает участия в горении. Продуктами неполного сгорания газа могут быть оксид углерода, несгоревшие водород и метан, тяжелые углеводороды, сажа.
  Таким образом, чем больше в продуктах сгорания диоксида углерода CO2, тем меньше будет в них оксида углерода CO, т.е. тем полнее будет сгорание. Исходя из этого, введено понятие максимальное содержание CO2 в продуктах сгорания. Это количество CO2, которое можно было бы получить в сухих продуктах сгорания при полном сгорании газа без избытка воздуха.
  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 (CO+H2) в объемных процентах. Если показания стрелки по шкале (CO+H2) 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, т.е. происходит неполное сгорание. На другой шкале стрелка газоанализатора должна показывать максимальное содержание CO2 max в продуктах сгорания. Полное сгорание происходит при максимальном проценте диоксида углерода, когда стрелка указателя шкалы CO+H2 находится на нуле.

Условия воспламенения и горения газов

  Не всякую холодную газовоздушную смесь можно поджечь внешним источником зажигания. Чтобы смесь воспламенилась и продолжала гореть, нужны определенные соотношения объемов сжигаемого газа и подаваемого воздуха. Если газа в газовоздушной смеси мало, а воздуха много, то смесь гореть самостоятельно не может. Горение такой смеси через определенное время прекратится, так как выделяющейся теплоты будет недостаточно для нагрева газовоздушной смеси до температуры воспламенения. Если в смеси недостаточно воздуха, то при воспламенении может сгореть ограниченное количество газа и выделяемой химической теплоты будет недостаточно для поддержания температуры не ниже температуры воспламенения газовоздушной смеси.
  Итак, для процесса горения газовоздушной смеси необходимо, чтобы количество газа и воздуха в газовоздушной смеси было в определенных пределах. Эти пределы называются пределами воспламеняемости или пределами взрываемости. Различают нижний и верхний пределы воспламеняемости. Минимальное содержание газа в газовоздушной смеси, выраженное в объемных процентах, при котором происходит воспламенение, называется нижним пределом воспламеняемости. Максимальное содержание газа в газовоздушной смеси, выше которого смесь не воспламеняется без подвода дополнительной теплоты, называется верхним пределом воспламеняемости.
  Газовоздушная смесь, в которой содержание газа больше верхнего предела воспламеняемости, может гореть при подогреве газовоздушной смеси. Если смесь будет подогреваться, то пределы воспламеняемости расширяются за счет снижения нижнего предела воспламеняемости и повышения верхнего. Если газовоздушную смесь нагреть до температуры ее воспламенения, то она воспламенится и будет гореть при любом соотношении газа и воздуха.
  Если в газовоздушной смеси содержится газ меньше нижнего предела воспламеняемости, то она не будет гореть. Если в газовоздушной смеси недостаточно воздуха, то горение протекает не полностью.
  Значения пределов воспламеняемости зависят также от давления газовоздушной смеси. При повышении давления диапазон между нижнем и верхним пределами воспламеняемости сужается.
  Большое влияние на величины пределов взрываемости оказывают инертные примеси в газах. Увеличение содержания в газе балласта (N2 и CO2) сужает пределы воспламеняемости, а при повышении содержания балласта выше определенных пределов газовоздушная смесь не воспламеняется при любых соотношениях газа и воздуха.
  Воздух, принимающий участие в горении, бывает первичным и вторичным. Первичным называется воздух, поступающий в горелку для смешения в ней с газом; вторичным - воздух, поступающий в зону горения не в смеси с газом, а отдельно.

Сгорание газового топлива

  Горение газообразного топлива представляет собой сочетание следующих физических и химических процессов: смешение горючего газа с воздухом, подогрев смеси, термическое разложение горючих компонентов, воспламенение и химическое соединение горючих элементов с кислородом воздуха, сопровождаемое образованием факела (пламени) с интенсивным тепловыделением.
  Устойчивое горение газовоздушной смеси возможно при непрерывном подводе к фронту горения необходимых количеств горючего газа и воздуха, их тщательном перемешивании и нагреве до температуры воспламенения или самовоспламенения.
  Воспламенение газовоздушной смеси может быть осуществлено:

• нагревом всего объема газовоздушной смеси до температуры самовоспламенения. В этом случае газовоздушная смесь воспламеняется и горит без постороннего источника зажигания. Такой способ применяют в двигателях внутреннего сгорания, где газовоздушную смесь нагревают быстрым сжатием до определенного давления;
• применением посторонних источников зажигания (высоконагретых тел, запальников и т.д.). В этом случае до температуры воспламенения нагревается не вся газовоздушная смесь, а часть ее. Данный способ применяется при сжигании газов в горелках газовых приборов;
• существующим факелом (пламенем) непрерывно в процессе горения.

  Для начала реакции горения газообразного топлива следует затратить определенное количество энергии, необходимой для разрыва молекулярных связей и создания новых.
  Молекулы газа и воздуха находятся в постоянном хаотическом движении, сопровождающемся столкновениями. Кинетическая энергия молекул пропорционально абсолютной температуре газов. Энергия столкновения возрастает с повышением абсолютной температуры. При  температуре воспламенения сила удара такой молекулы о встречную так велика, что связи между атомами не выдерживают, и молекула распадается на атомы. При соединении горючих (углеродов, водород) атомов с кислородом выделяется дополнительная энергия, температура молекул повышается, и процесс горения приобретает цепной характер с все возрастающей скоростью до полного соединения кислорода с горючими компонентами газа.
  Химическая формула сгорания газового топлива с указанием всего механизма реакции, связанного с возникновением и исчезновением большого количества свободных атомов, радикалов и других активных частиц, сложна. Поэтому для упрощения пользуются уравнениями, выражающими начальное и конечное состояния реакции горения газа.
  В практических условиях сжигания газа кислород берется не в чистом виде, а входит в состав воздуха.
  Так как воздух состоит по объему на 79% из азота и на 21% из кислорода, то на каждый объем кислорода требуется 100:21=4,76 объема воздуха или 79:21=3,76 объема азота.
  

Особенности газового топлива

  Природный газ имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами топлива:

• стоимость добычи природного газа значительно ниже, а производительность труда значительно выше, чем при добыче угля и нефти;
• высокая теплота сгорания делает целесообразным транспортирование газа по магистральным газопроводам на значительные расстояния;
• обеспечивается полнота сгорания и облегчаются условия труда обслуживающего персонала;
• отсутствие в природных газах оксида углерода предотвращает возможность отравления при утечках газа, что особенно важно при газоснабжении коммунальных и бытовых потребителей;
• газоснабжение городов и населенных пунктов значительно улучшает состояние их воздушного бассейна;
• обеспечиваются возможность автоматизации процессов горения, достижение высоких КПД, причем наибольшее увеличение КПД достигается в жилищно-коммунальном хозяйстве (в бытовых приборах, отопительных печах и котлах малой производительности);
• природный газ - ценное сырье для химической промышленности;
• высокая жаропроизводительность (более 2000 градусов С) позволяет эффективно применять природный газ в качестве энергетического и технологического топлива.

  Природный газ как промышленное топливо имеет следующие технологические преимущества:

• при сжигании природного газа требуется минимальный избыток воздуха для горения и достигаются высокие температуры в печи;
• природный газ содержит наименьшее количество таких вредных химических примесей, как сероводород;
• при сжигании природного газа можно обеспечить более точную регулировку требуемой температуры, чем при сжигании других видов топлива, что имеет большое значение для процессов, требующих высокой точности температурного режима. Кроме того, это позволяет экономить топливо, так как из-за более широких колебаний регулирования диапазонов температур при сжигании других видов топлива приходится часто вести процесс на верхнем температурном пределе, что влечет за собой перерасход топлива;
• использование природного газа позволяет осуществить сравнительно быстрый разогрев тепловых агрегатов и свести к минимуму тепловые потери при остановке эти агрегатов, что также способствует экономии топлива;
• при использовании природного газа отсутствуют потери от механического недожога;
• при сжигании природного газа горелки можно расположить в любом месте печи, что создает благоприятные возможности для теплоотдачи и необходимый температурный режим;
• форма газового пламени сравнительно легко регулируется и поддается различным видоизменениям, что особенно важно, когда возникает необходимость быстро сосредоточить и развить в определенном пункте высокую степень нагрева;
• использование природного газа позволяет применять в промышленности такие прогрессивные и высокоэкономичные виды тепловой обработки, как нагрев с помощью горелок беспламенного сжигания и радиационных трубок, что дает возможность значительно интенсифицировать процесс нагрева.

  Вместе с тем газовому топливу присущи и отрицательные свойства: природный газ взрыво- и пожароопасен.
  Горение газообразного топлива возможно только при наличии воздуха, в котором содержится кислород. Причем процесс горения (взрыв) происходит при определенных соотношениях газа и воздуха.
  Пределы воспламеняемости для метана составляют 5...15%. Если выделяемая теплота достаточна для нагревания газовоздушной смеси до температуры самовоспламенения, то смесь может гореть или взрываться.
  Резкое возрастание давления и быстрое расширение продуктов горения обусловливает разрушительный эффект взрыва.
  Давление, возникающее при взрыве природного газа в помещениях, достигает 0,8 МПа. При взрывах газовоздушной смеси в трубах с большими диаметром и длиной скорость распространения пламени может превзойти скорость распространения звука и достичь 2000...4000 м/с. В результате быстродвижущегося взрывного воспламенения местное повышение давления составит 8 МПа и выше. Такое взрывное воспламенение называется детонацией.
  Детонация объясняется возникновением и действием ударных волн в воспламеняющейся среде.
  Перемещаясь с большой скоростью, ударная волна резко увеличивает температуру и давление газовоздушной смеси, что вызывает ускорение реакции взрыва и увеличивает разрушительный эффект детонации. Наиболее опасны с точки зрения возможности взрыва газы с наиболее низкими пределами взрываемости.
  При близких величинах нижних пределов взрываемости двух газов наиболее опасен газ, у которого шире область взрываемости и ниже температура самовоспламенения. Природные газы, состоящие в основном из метана, неядовиты. Однако при концентрации метана в воздухе, доходящей до 10% и более, возможно удушье вследствие уменьшения количества кислорода в воздухе.

Комплект Учебно-методических материалов для Оператора котельной

Если вы выбрали для себя профессию “Оператор котельной”, то в процессе обучения вы неизбежно столкнетесь с такой проблемой, как избыток информационных материалов.
http://glprt.ru/affiliate/9113230/evgbra
Чтобы не затеряться в этом море информации, я предлагаю вам структурированный Комплект Учебно - методических материалов по данной профессии, из трех книг: Книга №1. Учебно-методическое пособие «Оператор котельной» - 144 страницы, которое разработано под тематический план обучения. Книга №2. Комплект тестовых заданий (14 тестов по 10 вопросов в каждом) с ответами, для самостоятельного контроля процесса обучения (усвоения) учебного материала. Содержание тестов также увязано с тематическим планом обучения.
http://glprt.ru/affiliate/9113230/evgbra Книга №3. Тарифно-квалификационная характеристика профессии «Оператор котельной». Учебный и тематический план подготовки оператора котельной. Квалификационные билеты, ответы на вопросы билетов вы найдете по ссылке на страницу Учебно-методического пособия. Здесь же приведена шпаргалка «Выучи, вызубри и повторяй как заклинание» - для ответа на возможные дополнительные вопросы квалификационной комиссии. Поможет при дистанционной форме обучения, поможет самостоятельно подготовиться к сдаче квалификационного экзамена, поможет подготовиться к собеседованию с работадателем.
http://glprt.ru/affiliate/9113230/evgbra

Тепловой эффект сжатия и расширения газа

  Из основных законов газового состояния можно сделать вывод, что при сжатии газы нагреваются, а при расширении охлаждаются. Поэтому при сжатии природного газа, например на компрессорных станциях, для транспортирования по магистральным газопроводам приходится охлаждать его в водяных или воздушных теплообменниках.
  После прохождения природного газа через задвижки, фильтры, регулирующие клапаны газорегуляторных пунктов (ГРП) и газорегулирующих станций (ГРС), сужения газопроводов происходит его резкое расширение. Процесс, при котором происходит необратимое превращение работы, затрачиваемой на изменение давления при движении газа, в теплоту, называется дросселированием. При транспортировании газа по магистральным газопроводам дросселирование влечет за собой резкое падение давления и понижение температуры газа. Это процесс называется положительным эффектом Джоуля - Томсона. На ГРП и ГРС это явление может вызвать обмерзание трубопроводов, запорных, регулирующих и сужающих устройств.
  Для характеристики процесса введен коэффициент Джоуля - Томсона. Так, для метана при p=0,52 МПа и t=25 градусов С этот коэффициент равен 0,4 градусов С/МПа, т.е. снижение его давления на 0,1 МПа (1 кгс/см.кв.) вызывает понижение температуры на 0,4 градусов С. Для природного газа во всем диапазоне давлений и температур, которые имеют место при редуцировании газа на ГРС, среднее значение коэффициента Джоуля - Томсона принимают 5,5 градусов С/МПа, т.е. при снижении давления газа на 1 МПа его температура понизится на 5,5 градусов С.
  При дросселировании газа во всех случаях снижается температура и уменьшается относительная влажность.