Газ горение

1. 3.Газы используемые как топливо, • газогорелочные устройства, • рациональное сжигание газа • 3.1 Газы используемые как топливо, рациональное сжигание газа

2. Газовое топливо по своему происхождению бывает природным и искусственным. К искусственнымотносятся газы, вырабатываемые на газовых заводах в процессе термической обработки твердых и жидких топлив, а также выделяющиеся в качестве вторичных продуктов некоторых производств. К природным относятся газы, добываемые из недр земли. Различают три типа природных газов: - газы, добываемые из чисто газовых месторожденийбез признаков нефти («сухие» или «тощие»). Характеризуются постоянством химического состава с высоким содержанием метана и незначительным количеством тяжелых углеводородов; - попутныыйнефтяной газ, выделяемый из добываемой нефти, в которой он бывает растворен в количестве от 10 до 50 % от массы добываемой нефти. Выделение газа из нефти и его улавливание производится при снижении давления выходящей из скважины нефти в специальных металлических резервуарах - сепараторах или траппах. Попутные газы не отличаются постоянным составом и кроме метана содержат значительное количество других углеводородов (более 20%); - газ газоконденсатных месторождениий– это смесь «сухого» газа с парами конденсата тяжелых углеводородов (до 60%). На газовых и нефтяных промыслах в специальных установках из природных газов газоконденсатных и нефтяных месторождений извлекают тяжелые углеводороды и получают товарные продукты: «сухой» природный газ; сжиженные углеводородные газы (протан, бутан); газовый бензин (пентан и гексан) и стабильную нефть.

3. ТребованияГОСТ 5542-14 к природному газу Для обеспечения наибольшей безопасности при пользовании газовым топливом, а также бесперебойной работы газовых сетей, сооружений и устройств газовое топливо, подаваемое в городские сети, должно удовлетворять требованиям ГОСТ 5542-14«Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения Технические условия». 6 ИЗДАНИЕ (сентябрь 2019 г.) с Поправкой (ИУС 3-2016). 1.Число Воббедолжно быть в пределах 9850 ¸ 13000 ккал/м3. 2. Допустимое отклонение числа Воббе от номинального значения - 5%. WQнхарактеризует тепловую мощность горелки при постоянном давлении. Равенство чисел Воббе WQн = Qн1 / Örотн1 = Qн2 / Örотн2 = const для двух газов указывает на их взаимозаменяемость, т.е. возможность использовать одну горелку без внесения в нее конструктивных изменений. Расширенное число Воббе Qн1Öp1Qн2 Öp2 WQн= -------------- = -------------- = const Örотн1 Örотн2 3. Масса меркаптановой серы в 1м3, не более 0,036 г/м3, 4. Масса сероводорода в 1 м3 не более 0,02 г/м3. 5. Масса механических примесей в 1м3 не более 0,001 г/м3. 6. Объемная доля кислорода не более 1%. 7. Интенсивность запаха при объемной доле 1% газов в воздухе не менее 3 баллов 8.Низшая теплота сгорания Qн не менее 7600 ккал/м3.

4. Состав природного газа Природный газ, как и любое топливо, представляет собой смесь горючих и негорючих (балластных) газов. В городские газовые сети подается газ, не содержащий водяных паров и механических примесей. Масса механических примесей в 1м3 газа должна быть не более 0,001 г/м3. К горючей частиотносится: метан СН4 (82…98 об.%) и тяжелые углеводороды (этан, пропан, бутан, пентан, гексан и т.д. – углеводороды метанового ряда CnH2n+2) – 1¸ 8 об.%. В некоторых видах природных газов содержится горючая, но вредная примесь – сероводород H2S. Масса сероводорода в 1м3 газа должна быть не более 0,02 г/м3, масса меркаптановой серы в 1м3 газа должна быть не более 0,036 г/м3. Негорючимиявляются - азот N2 (1¸ 8 об.%.), углекислый газ СО2- менее 1% и кислород O2(объемная доля кислорода газа должна быть не более 1%) – это балласт. Классификация горючих газов по европейским нормам Din EN 437. Состав: Городской газ S– углеводороды 29% (СН4 28%); СО 12,7 %; Н2 28%; N2 28%; О2 0.8%; СО2 2%; Природный газ NL- углеводороды85% (СН4 82%); N2 14%; СО2 1%; Природный газ NN(«Р» с 1996 г. – под индексом «Е») - углеводороды97,6% (СН4 93,0%); N2 1%; СО2 1%; число Воббе 12-116,1 кВтч/м3 Российский газ имеет число ВоббеWQH = 11,5-15,1 кВтч/м3 (9850-13000 кКал/м3), что соответствует европейскому газу группы «Н». Теплота сгорания : природный газ L – 8,83 кВтч/м3; природный газ Н 10,35 кВтч/м3 Потребность в воздухе: природный газ L -8,45 м3/м3;природный газ Н -9,91 м3/м3 Макс. количество СО2 в дымовых газах: газ L – 11,65 %об.; газ Н – 11,92 % об. (Импортные горелки выпускаются для использования в них газа соответствующего требованиям рабочего листа DV GW G260, нельзя применять газы содержащие серу и сернистую воду)

5. Физико-химические свойства природного газа • Так как, содержание метана в природном газе достигает 98%, он практически полностью определяет его свойства. • 1.Это газ без цвета, вкуса и запаха, почти в два раза легче воздуха, плотность при нормальных условиях составляет ρ = 0,68 ¸ 0,78 кг/м3 (~0,73) и зависит от состава газа. • 2.Удельная теплота сгорания низшая Qн: • по ГОСТ 5542-87 должна быть не менее не менее 7600 ккал/м3; • Qндля метана ~ 8550 ккал/м3 (35880 кДж/ м3); • Понятие об условном топливе При определении нормативных и фактических расходов топлива пользуются понятием условного топлива, теплота сгорания которого принята Qн =7000 ккал/кг, что соответствует теплоте сгорания хорошего малозольного сухого угля. •  3. Температура воспламенения tвосп=560 ¸ 640оС. • tвосп - температура газовоздушной смеси (ГВС), при которой начинается самопроизвольный процесс горения за счет выделения теплоты горящими частицами газа без дополнительного подвода тепла извне. • 4. Природный газ при сгорании в топках котлов создает tгор= 1200 ¸ 1600оС. • 5. Природный газ не токсичен, при вдыхании вызывает головокружение, а при концентрации в воздухе более 10% приводит к удушью из-за недостатка кислорода. • 6. Газовоздушные смеси являются взрыво- и пожароопасными. • Пределы воспламеняемости или взрываемости природного газа 5 ¸ 15%. • Нижний концентрационный предел распространения пламени (нижний предел воспламеняемости)– минимальное содержание газа в ГВС, при котором происходит воспламенение. • Верхний концентрационный предел распространения пламени (верхний предел воспламеняемости) – максимальное содержание газа в ГВС, выше которого смесь не воспламеняется без подвода дополнительного тепла.

6. Взрыв - мгновенное сгорание газовоздушной смеси в замкну­том объеме, сопровождающееся резким увеличением температу­ры и давления. Давление взрыва – 8 ¸10 кгс/см2. условия образования взрыва концентрация газа в воздухе от 5до 15%, источник воспламенения, замкнутое пространство. Если в воздухе газа будет больше 15%, то при внесении факела взрыва не произойдет, только в отдельных местах будет горение (т.е. содержание О2 в ГВС будет недостаточно для горения). Если газа в воздухе будет меньше 5%, то через некоторое время горение прекратится (т.е. выделившейся теплоты будет недостаточно для нагревания соседних слоев до tвосп). Даже незначительные утечки газов в плохо вентилируемом помещении могут создавать взрывоопасные смеси. Утечки газа наиболее вероятны в местах соединения труб, подсоединения га­зовой арматуры и приборов. В этом случае использование откры­того огня, электроприборов, при эксплуатации которых возможно искрообразование и т.п., могут быть причиной взрыва газа в по­мещениях. ОДОРИЗАЦИЯ – придание газу специфического запаха с целью своевременного определения утечки газа. Наиболее часто в качестве одоранта применяют этилмеркаптан (С2Н5SН) или метилмеркаптан. Содержание его должны быть таким, чтобы запах ощущался при наличии 1% газов в воздухе с интенсивностью не менее 3 баллов.

7. Основные физико-химические свойства сжиженных углеводородных газов Основными компонентами сжиженных газов, получаемых из природных газов нефтяных и газоконденсатных месторождений, является смесь пропана С3H6и бутана С4H10. 1. В нормальном состоянии углеводороды не обладают запахом, для обнаружения газа при утечках СУГ одорируют. Интенсивно­сти запаха при объемной доле 0,5 % газов в воздухе должна быть не менее 3 баллов. 2. В замкнутом объеме СУГ существует в виде жидкости, находящейся в состоянии фазового равновесия со своим насыщенным паром. 3.В газообразном состоянии СУГ значительно тяжелее воздуха; их относи­тельная (по воздуху) плотность находится в пределах 1,5—2,1. Поэтому при утечке газ будет опускаться вниз. Плот­ность жидкой фазы СУГ по отношению к воде составляет 0,52—0,64 г/см3, т. е. они почти в 2 раза легче воды. 4. теплота сгорания СУГ выше, чем у природного газа, примерно в 3 раза. Пропан - Qн = 22 260 кКал/м3; бутан - Qн = 29 510 кКал/м3 5. СУГ пожаро - и взрывоопасны. Образуют с воздухом взрывоопасные смеси при концент­рации паров пропана от 2,3 % до 9,5 %, нормального бутана от 1,8 % до 9,1 об. % при давлении 0,1 МПа и температуре (15-20) оС.  условия образования взрыва: концентрация газа в воздухе от 1,8 до 10 %, источник воспламенения, температура самовоспламенения пропана в воздухе составляет 470 °С, нор­мального бутана - 405 °С. замкнутое пространство. Если отсутствует одно из этих условий – взрыва не произойдет.

8. Сжигание газов ПРОЦЕСС ГОРЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА состоит из нескольких последовательных стадий: 1. смешение газа с воздухом в определенной пропорции (образование горючей смеси); 2. нагревание ее до температуры воспламенения; 3. воспламенение, которое может произойти самопроизвольно при повышении температуры до определенного значения (самовоспламенение), или за счет постороннего источника с высокой температурой (зажженный факел, раскаленное тело или электрическая искра реакцию горения метана, как основной состав­ляющей природного газа: ), или существующим факелом непрерывно в процессе горения; 4.термическое разложение газа на горючие элементы (углерод и водород); горение. ГОРЕНИЕ ГАЗА– процесс химического соединения его горючих элементов с кислородом воздуха, сопровождающийся образованием факела и выделением значительного количества теплоты. В результате образуются газообразные продукты сгорания Реакция горения метана: CH4 + 2[O2+3,76N2] = CO2 + 2 H2O + 7,52N2 +↑Qн 1м3 2(1+3,76) м3 1 м3 2 м3 7,52 м3   воздух Vo СН4 = 9,52 м3– теоретическое количество воздуха для сжигания 1нм3 CH4. Из этого выражения видим, что на одну молекулу метана в реакции горения необходимы две молекулы кислорода или для полного сгорания одного объема метана необходи­мы два объема кислорода. Так как в воздухе содержится только 21 % кислорода, то воз­духа потребуется в 100/21=4,76 раза больше. Следовательно, чтобы газ сгорел полностью к нему необходимо своевременно подавать нужное количество воздуха (на каждый нм3CH4 требуется приблизительно 10 нм3 воздуха).

9. В реальных условиях для полного сгорания топлива приходится подавать большее количество воздуха, чем теоретически необходимо, по причине несовершенства конструкций горелок (недостаточно тщательное смешение газа с воздухом), вследствие чего часть воздуха не участвует в горении и удаляется из топки вместе с продуктами сгорания. Отношение действительного количества воздуха, расходуемого на горение топлива, к теоретически необходимому для полного сгорания называется коэффициентом избытка воздуха, α =Vдейст. / Vо α горелки указывается в паспорте на ГГУ; α =1,05 -1,15. Значение α не должно быть меньше 1, так как это приводит к неполному сгоранию из-за недостатка воздуха. Следует заметить, что α зависит от вида топлива, способа его сжигания, типа газогорелочного устройства (ГГУ) и на­грузки. При проведении пуско-наладочных работ наладочная организация устанавливает эксперимен­тально α oпт для нескольких режимов работы котла, которые совместно с другими показателями составляют режимную карту, которую использует персонал. • Полное и неполное сгорание • По качеству горение может быть полным и неполным. • При полном сгорании – вся химическая энергия топлива преобразуется в теплоту, в продуктах сгорания присутствуют газы, не способные к дальнейшему окислению с выделением теплоты. • При неполном сгорании часть химической энергии топлива остается в продуктах сгорания и выбрасывается через дымовую трубу в атмосферу.

10. СОСТАВ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ • При полном сгорании газа с теоретически необходимым ко­личеством воздуха состав продуктов: СО2 ;N; Н2О ; • При неполном сгорании топлива, которое может быть по причине недостатка или избытка воздуха или плохого перемешивания ГВС, кроме продуктов полного сгорания в уходящих газах могут присутствовать: • - при недостатке воздуха - сажа (несгоревший углерод), оксид углерода (угарный газ), водород; • при большом избытке воздуха – несгоревшие метан и тяжелые углеводороды, кислород • ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПОЛНОТУ СГОРАНИЯ • Хорошее (желательно предварительное) перемешивание газа с воздухом. • Количество воздуха должно соответствовать α горелки. • В зоне горения должна быть достаточно высокая температура. • Необходимые объемы топки. • Своевременный отвод продуктов сгорания, т.е. поддержание в топке необходимого разрежения. • Подогрев воздуха, подаваемого на сжигание. • Поддержание в исправном состоянии ГГУ. • Стремятся сжигать газ при min α и без химического недожога, т.е. при максимальном содержании CO2, минимальном содержании O2 и полным отсутствием CO,H2 и CH4.

11. СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛНОТЫ СГОРАНИЯ ГАЗА I. Визуально по внешним признакам: цвету и форме пламени, степени прозрачности дыма. При полном сгорании – пламя золотисто-соломенного цвета (цвет пламени обуславливается типом ГГУ), ровное, устойчивое, несветящееся, топка заполнена раскаленными, прозрачными газами. Дым – в теплое время года – почти невидимый, в холодное и переходное – светло-серого цвета. При химическом недожоге (мало воздуха) – пламя удлиняется, теряет прозрачность, появляются темно-красные полосы и коптящие языки. Дым темный. При большом избытке воздуха – пламя, не изменяя своей прозрачности, становится коротким, приобретает синеватый оттенок, горелка гудит. Цвет дыма такой же, как при полном сгорании. По температуре продуктовсгорания (уходящих газов): При большом количестве воздуха температура выше чем в режимной карте, при недостатке – отличается от режимной карты. III. С помощью газоанализаторов(по составу продуктов сгорания). Чем больше в продуктах сгорания СО2, тем меньше в них СО (угарного газа), т.е. тем полнее сгорание. Введено понятие максимальное содержание СО2 в продуктах сгорания. Это количество СО2, которое можно было бы получить в сухих продуктах сгорания при полном сгорании газа без избытка воздуха. Зная количество СО2 в продуктах сгорания, можно легко определить качество сгорания газа и величину α. Для этого газоанализатором в дымоходе берется анализ продуктов сгорания, лучше если газоанализатор автоматический.

12. Устойчивость горения • Горение может быть устойчивое (стабильное) и неустойчивое. • При устойчивом сгорании факел занимает неизменное определенное положение относительно выходного отверстия горелки (устья горелки), при этом устанавливается динамическое равновесие между скоростью распространения пламени и скоростью выхода ГВС к месту горения. • ПРОСКОК ПЛАМЕНИ – нарушение устойчивой работы горелки, при котором пламя втягивается внутрь горелки (горит внутри нее или гаснет), при этом скорость выхода ГВС становится меньше скорости распространения пламени. • Причины проскока: • неправильно отрегулирован процесс горения – мало давление газа, воздуха или разрежение; • засорилось сопло горелки (для инжекционных ГГУ); • перегрелась горелка; • резко уменьшилась нагрузка на горелку. • Опасность проскока пламени • пламя, проскочив вовнутрь горелки, может погаснуть, если автоматика безопасности не отключит подачу газа, выход газа в топку может привести к взрыву ГВС; • при частичном проскоке, горение внутри горелки приведет к ее деформации и выходу из строя, а также к химическому недожогу с выделением CO (взрывоопасен, токсичен) и сажи (имеет низкий коэффициент теплопроводности, пожароопасна), поэтому отложения сажи на поверхностях нагрева могут сопровождаться авариями, связанными с разрывом труб и загоранием отложений сажи в газоходах).

13. ОТРЫВ ПЛАМЕНИ– это такое явление, при котором пламя полностью отрывается от устья горелки (при частичном отрыве – горит на удалении), при этом скорость выхода ГВС становится значительно больше скорости распространения пламени. • Причины отрыва – велико давление газа, воздуха, разрежение; • холодная топка. • Опасность отрыва пламени • может произойти взрыв по причине загазованности топки; • перерасход топлива по причине неполного сгорания. • Действия персонала при отрыве и проскоке пламени - горелки остановить аварийно, выяснить и устранить причину. Только после этого и после тщательной вентиляции токи можно приступить к повторному розжигу. • УСЛОВИЯ УСТОЙЧИВОЙ РАБОТЫ ГОРЕЛОК • Каждое газогорелочное устройство (ГГУ) должно иметь комплекс специальных устройств, обеспечивающих их устойчивую работу во всем диапазоне регулирования. • На устойчивость горения влияет: • наличие источника высокой температуры, непрерывно поджигающей поток ГВС; • форма выходного отверстия горелки, наличие устройств для охлаждения его и защиты от нагрева излучаемым теплом; • степень крутки воздуха или смеси и др. факторы. • Устойчивость горения во избежание проскока может обеспечиваться: • скорость выхода ГВС принимают в 30-50 раз больше скорости распространения пламени (для вихревых горелок); • ГВС выдают через круглые отверстия или щели критических размеров, стенки которых интенсивно охлаждаются потоком ГВС, для метана критический диаметр отверстия равен 3 мм, щели – около 1,2 мм (для прямоструйных горелок). • Устойчивость горения в отношении отрыва достигается устройством специальных стабилизаторов, которые могут быть встроены непосредственно в горелку (тела плохо обтекаемой формы, кольцевые стабилизаторы), примыкать к ней (керамические туннели, стационарные запальники) или располагаться в топке на некотором удалении от горелки (керамические горки, решетки, рассекатели стенки).