IX. Горение газообразного топлива

Сгорание газообразного топлива. Реакции горения газа. Пределы взрываемости.

Горение – сочетание следующих физич. и химических процессов: смешивание горючего газа с воздухом; подогрев смеси; термическое разложение горючих компонентов; воспламенение и химическое соединение горючих элементов с кислородом воздуха, которое сопровождается образованием факелов(пламени) с интенсивным тепловыделением. Устойчивое горение газовоздушной смеси возможно при непрерывном подводе к факелу горения газа и воздуха, которые должны находиться в определенных пропорциях от общего объема смеси друг относительно друга.

Для начала реакции горения газообразного топлива следует затратить определенное количество энергии, которая необходима для разрыва межмолекулярных связей и создание новых. Энергия столкновения возрастает с повышением абсолютной температуры. При температуре воспламенения сила удара молекулы о встречную так велика, что связи между атомами в молекуле не выдерживают, молекулы распадаются на атомы. При соединении горючих углеродов (углерод, водород) с кислородом выделяется дополнительная энергия и процесс горения приобретает цепной характер. Если углеводородные газы С_mH_n, то уравнение химической реакции горения этих газов примет вид:

С_mH_n+(m+n/4)O₂=mCO₂+(n/2)H₂O

Условия воспламенения и горения газов.

Не всякую среду можно поджечь от источника зажигания. Чтобы смесь воспламенялась и продолжала гореть, необходимы определенные соотношения сжиженного газа и воздуха. Если газа в газовоздушной смеси мало, а воздуха много, то смесь самостоятельно гореть не может. Если в смеси недостаточно воздуха, то при воспламенении сгорает ограниченное количество газа.

Эти пределы называют пределами воспламеняемости или пределами взрываемости. Различают верхний и нижний пределы воспламеняемости.

Нижний предел взрываемости - это максимальное содержание газа в газовоздушной смеси, при котором происходит процесс воспламенения.. Соотношение выражается в долях или объемных процентах.

Верхний предел взрываемости – максимальное содержание газа в газовоздушной смеси, выше которого смесь не воспламеняется без подвода дополнительной теплоты.

Стехиометрические соотношения. Коэффициент избытка воздуха.

α=L_п/L_т

L_т – теоретическое количество воздуха; L_п – практическое кол-во воздуха, подаваемое в топку.

α – коэффициент избытка воздуха

Lп=α*Lт

α>1

Необходимое количество в-ха для сжигания газа находится в прямой зависимости от теплоты их сгорания и составляет примерно 1,1 м³ в-ха на каждые 4190 кДж энергии.

Наименьшее количество в-ха, необходимое для полного сжигания газа, называется теоретическим расходом воздуха. Однако действительный расход в-ха превышает теоретический. Объясняется это тем, что очень трудно достигнуть полного сгорания газа при теоретических расходах воздуха, поэтому любая установка, работающая на газовом топливе, при сжигании использует некоторый избыток в-ха.

Для природного газа α=1,05…1,2. Если α=1, то газовоздушную смесь называют стехиометрической. Воздух, который принимает участие в горении, бывает первичным и вторичным.

Первичный воздух – воздух, поступающий непосредственно в полость горелки. Вторичный воздух берется из окружающей среды.

Продукты сгорания газа и контроль за процессом горения. Понятие условного топлива, топливный эквивалент. Три условия качественного сжигания газа.

Топливный эквивалент, условное топливо.

Экономические расчеты при сравнении показателей топливоиспользующих устройств (печи, котлы) друг с другом (в зависимости от сжигаемого топлива) и планирование необходимо вести на единой базе. Поэтому было введено понятие условного топлива. Теплота сгорания условного топлива Q_усл=29,35 МДж, что соответствует хорошему малозольному углю.

Топливный эквивалент – это затраты топлива на производство единицы продукции.

Продукты сгорания газа и контроль за процессом.

Продукты сгорания природного газа – CO₂, H₂O (пары), некоторое количество избыточного кислорода и азот. Таким образом чем больше в продуктах сгорания CO₂ и паров воды, тем более качественным считается процесс горения, в связи с чем КПД теплогенерирующего агрегата приобретает максимальное значение, т.к. основные потери теплоты приходятся на уходящие газы.

На выходе дымовых газов производится замеры количества окиси углерода (CO) и двуокиси азота (N₂O) специальными приборами. Исходя из полученных данных определяется процентное содержание CO₂ в продуктах сгорания, т.е. качество топлива, исходя из чего определяется коэффициент избытка воздуха α.

Три условия качественного сжигания газа.

1. Чтобы смесь воспламенилась и продолжала гореть необходимо определенные соотношения объемов сжигаемого газа и подаваемого воздуха. Следовательно, для горения газо-воздушной смеси необходимо, чтобы количество газа и воздуха в смеси было в определенных пределах.

2. Хорошее перемешивание первичного и вторичного воздуха с газом, которое происходит в плоскости горелки и вне ее.

3. Стабилизация газового пламени необходима для устойчивого горения газо-воздушной смеси, т.е. необходимо обеспечить определенное соотношение между скоростью распространения пламени и скоростью поступления газо-воздушной смеси к месту ее горения.

Стабилизация газового пламени, устройства для стабилизации.

При большой скорости движения газо-воздушной смеси наблюдается количественное отделение пламени от горелки и ее погасание – отрыв пламени.

При уменьшении подачи и скорости газо-воздушной смеси стабильность горения нарушается и пламя начинает втягиваться в горелку, за счет создания в ней давления разрежения – проскок пламени.

При проскоке пламени внутрь горелки возможно неполное сгорание газа с образованием СО, а при отрыве пламени газо-воздушная смесь поступает в окружающую среду, заполняя помещение. Стабилизация пламени происходит при помощи специальных устройств.

Необходимые условия и конструкционные особенности этих устройств:

1) поддержание скорости выхода газа в безопасных пределах;

2) поддержание температуры горения не ниже температуры воспламенения газо-воздушной смеси.

Рисуются схемы устройств: а)огнеупорный тоннель; б)дырчатая горелочная насадка; в)рассекающий стабилизатор; г)плоская стабилизирующая решетка; д) горка из огнеупорного кирпича.

Проскок пламени уменьшается, если сузить выходное отверстие. Увеличенная при этом скорость не позволяет пройти проскоку. Пламя не распространяется через узкие щели, т.к. в них газо-воздушная смесь быстро охлаждается. Если выходное отверстие выполнено в виде мелкой решетки, то вероятность проскока пламени в таком устройстве можно уменьшить, если охладить выходное отверстие носика горелки. Скорость распространения пламени в этом месте уменьшается, и температура смеси становиться меньше температуры воспламенения.

Отрыв пламени от горелки предотвращают, например, установкой у устья горелки (у сопла на выходе) запальник для постоянного розжига газо-воздушной смеси.

Наибольшее распространение получили стабилизаторы горения с помощью огнеупорных тоннелей: газо-воздушная смесь поступает из сопла горелки в цилиндрический тоннель (топку), диаметр которого в 2-3 раза больше диаметра сопла горелки. При резком расширении тоннеля вокруг корневой части факела создается разрежение, что вызывает обратное движение части факела или раскаленных продуктов сгорания. За счет этого температура корневой части факела повышается, обеспечивая устойчивое разжигание, и дальнейщий процесс горения.

Методы сжигания газа. Состав и объем продуктов сгорания.

В зависимости от способа образования газо-воздушной смеси методы разделяют:

1 – диффузионный;

2 – смешанный;

3 – кинетический.

Приводят схемы методов:

При диффузионном а методе газ к фронту горения поступает под давлением, а необзодимый воздух для горелки из окружающего пространства за счет молекулярной или турбулентной диффузии. Смесеобразование протекает одновременно с процессом горения и определяется, в основном, скоростью смесеобразования. Процесс горения начинается после контакта между газом и воздухом, при чем количество подаваемого газа и воздуха должны соответствовать определенным пропорциям для постоянного поддержания процесса горения. В струе газа диффундирует воздух, а из струи газа в воздух – газ. Т.о. вблизи струи газа создается газо-воздушная смесь (внутренний конус 1(на рис.)), в результате горения которого образуется зона первичного горения 2. Горение основной части происходит в зоне 3 – зона основного горения, в зоне 4 показано движение продуктов сгорания газа.

Преимущества:

· высокая устойчивость пламени при изменении тепловых нагрузок, отсутствие проскока пламени;

· равномерность температуры по длине пламени.

Недостатки:

· вероятность термического распада углеводородов;

· потребность в больших топочных объемах

· низкая интенсивность горения

· вероятность неполного сгорания газа

При смешанном б методе сжигания горелка обеспечивает предварительное смешение газа только с частью воздуха, необходимого для процесса сгорания газа, а остальная часть воздуха забирается из окружающей среды; в этом случае сгорает сначала часть газа смешанная с первичным воздухом (зона 1,2), а остальная часть газа разбавленная продуктами сгорания сгорает после присоединения кислорода из вторичного воздуха. В результате факел получается более коротким и менее светящимся, чем при диффузионном методе.

При кинетическом в методе сжигания к месту горения подается уже готовая газо-воздушная смесь, первичный воздух в количестве 100% поступает в полость горелки (вторичный воздух отсутствует), длина пламени самая короткая, зона первичного горения отсутствует (зона 2), факел короткий.

Преимущества:

· малая вероятность хим. недожога

· высокая теплопроизводительность горелки

Недостатки:

· необходимость стабилизации газового пламени

Дата добавления: 2014-01-04