Природный газ и продукты его сгорания. Горение метана

Характеристика метана

§ Бесцветный;

§ Нетоксичный (не ядовитый);

§ Без запаха и вкуса.

§ В состав метана входит 75% углерода, 25% водорода.

§ Удельный вес составляет 0,717кг/м 3 (легче воздуха в 2 раза).

§ Температура воспламенения – это минимальная начальная температура, при которой начинается горение. Для метана она равна 645 о.

§ Температура горения – это максимальная температура, которая может быть достигнута при полном сгорании газа, если количество воздуха, необходимого для горения, точно отвечает химическим формулам горения. Для метана она равна 1100-1400 о и зависит от условий сжигания.

§ Теплота сгорания – это количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 м 3 газа и она равна 8500 ккал/м 3 .

§ Скорость распространения пламени равна 0,67 м/сек.

Газовоздушная смесь

В которой газа находится:

До 5% не горит;

От 5 до 15% взрывается;

Свыше 15% горит при подаче дополнительного воздуха (все это зависит от соотношения объема газа в воздухе и называется пределами взрываемости )

Горючие газы не имеют запаха, для своевременного определения их в воздухе, быстрого и точного обнаружения мест утечки, газ одорируют, т.е. дают запах. Для этого используют ЭТИЛМЕРКОПТАН. Норма одоризации 16 гр на 1000 м 3 . При наличии в воздухе 1% природного газа должен ощущаться его запах.

Газ, используемый в качестве топлива, должен соответствовать требованиям ГОСТа и содержать вредных примесей на 100м 3 не более:

Сероводорода 0,0 2 г/м.куб

Аммиака 2 гр.

Синильной кислоты 5 гр.

Смолы и пыли 0,001 г/м.куб

Нафталина 10 гр.

Кислорода 1%.

Использование природного газа имеет ряд преимуществ:

· отсутствие золы и пыли и выноса твердых частиц в атмосферу;

· высокая теплота сгорания;

· удобство транспортировки и сжигания;

· облегчается труд обслуживающего персонала;

· улучшаются санитарно-гигиенические условия в котельных и прилегающих районах;

· широкий диапазон автоматического регулирования.

При использовании природного газа требуются особые меры осторожности, т.к. возможна утечка через неплотности в местах соединения газопровода и арматуры. Наличие в помещении более 20% газа вызывает удушье, скапливание его в закрытом объеме свыше 5% до 15% приводит к взрыву газовоздушной смеси. При неполном сгорании выделяется угарный газ, который даже при небольшой концентрации (0,15%) является отравляющим.

Горение природного газа

Горением называется быстрое химическое соединение горючих частей топлива с кислородом воздуха, происходит при высокой температуре, сопровождается выделением тепла с образованием пламени и продуктов сгорания. Горение бывает полным и неполным.

Полное горение – происходит при достаточном количестве кислорода. Нехватка кислорода вызывает неполное сгорание , при котором выделяется меньшее количество тепла, чем при полном, угарный газ (отравляюще действует на обслуживающий персонал), образуется сажа на поверхности котла и увеличиваются потери тепла, что приводит к перерасходу топлива, снижению КПД котла, загрязнению атмосферы.

Продуктами сгорания природного газа являются – диоксид углерода, водяные пары, некоторое количество избыточного кислорода и азот. Избыточный кислород содержится в продуктах горения только в тех случаях, когда горение происходит с избытком воздуха, а азот в продуктах сгорания содержится всегда, т.к. является составной частью воздуха и не принимает участие в горении.

Продуктами неполного сгорания газа могут быть оксид углерода, несгоревшие водород и метан, тяжелые углеводороды, сажа.

Реакция метана:

СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О

Согласно формуле для сгорания 1 м 3 метана необходимо 10 м 3 воздуха, в котором находится 2 м 3 кислорода. Практически для сжигания 1 м 3 метана необходимо больше воздуха с учетом всевозможных потерь, для этого применяется коэффициент К избытка воздуха, который = 1,05-1,1.

Теоретический объем воздуха = 10 м 3

Практический объем воздуха = 10*1,05=10,5 или 10*1,1=11

Полноту сгорания топлива можно определить визуально по цвету и характеру пламени, а так же с помощью газоанализатора.

Прозрачное голубое пламя – полное сгорание газа;

Красное или желтое с дымными полосами – сгорание неполное.

Горение регулируется увеличением подачи воздуха в топку или уменьшением подачи газа. В этом процессе используют первичный и вторичный воздух.

Вторичный воздух – 40-50% (смешивается с газом в топке котла в процессе горения)

Первичный воздух – 50-60% (смешивается с газом в горелке до горения)на горение идет газовоздушная смесь

Горение характеризует скорость распределения пламени – это скорость, с которой элемент фронта пламени распространяется относительно свежей струю газовоздушной смеси.

Скорость горения и распространения пламени зависит от:

· от состава смеси;

· от температуры;

· от давления;

· от соотношения газа и воздуха.

Скорость горения определяет одно из основных условий надежной эксплуатации котельной и его характеризует отрыв пламени и проскок.

Отрыв пламени – происходит если скорость газовоздушной смеси на выходе из горелки больше скорости горения.

Причины отрыва : чрезмерное увеличение подачи газа или чрезмерное разряжение в топке (тяга). Отрыв пламени наблюдается при розжиге и при включении горелок. Отрыв пламени приводит к загазованности топки и газоходов котла и к взрыву.

Проскок пламени – происходит если скорость распространения пламени (скорость горения) будет больше скорости истечения газовоздушной смеси из горелки. Проскок сопровождается горением газовоздушной смеси внутри горелки, горелка раскаляется и выходит из строя. Иногда проскок сопровождается хлопком или взрывом внутри горелки. При этом может быть разрушена не только горелка, но и фронтовая стенка котла. Проскок происходит при резком снижении подачи газа.

При отрыве и проскоке пламени обслуживающий персонал должен прекратить подачу топлива, выяснить и устранить причину, провентилировать топку и газоходы в течение 10-15 минут и снова разжечь огонь.

Процесс горения газообразного топлива можно разделить на 4 стадии:

1. Вытекание газа из сопла горелки в горелочное устройство под давлением с увеличенной скоростью.

2. Образование смеси газа с воздухом.

3. Зажигание образовавшейся горючей смеси.

4. Горение горючей смеси.

Газопроводы

Газ к потребителю подается по газопроводам – наружным и внутренним – на газораспределительные станции, размещенные за городом, а с них по газопроводам на газорегуляторные пункты ГРП или газорегуляторный устройства ГРУ промышленных предприятий.

Газопроводы бывают:

· высокого давления первой категории свыше 0,6 Мпа до 1,2 Мпа включительно;

· высокого давления второй категории свыше 0,3 Мпа до 0,6 Мпа;

· среднего давления третьей категории свыше 0,005 Мпа до 0,3 Мпа;

· низкого давления четвертой категории до 0,005Мпа включительно.

· МПа - означает Мега Паскаль

В котельной прокладывают газопроводы только среднего и низкого давления. Участок от распределительного газопровода сети (городской) к помещению вместе с отключающим устройством называют вводом.

Вводным газопроводом считают участок от отключающего устройства на вводе, если он установлен снаружи помещения к внутреннему газопроводу.

На вводе газа в котельную в освещенном и удобном для обслуживания месте, должна находиться задвижка. Перед задвижкой должен быть изолирующий фланец, для защиты от блуждающих токов. На каждом отводе от распределительного газопровода к котлу, предусматривается не менее 2 отключающих устройств, одно из которых устанавливается непосредственно перед горелкой. Помимо арматуры и КИП на газопроводе, перед каждым котлом, обязательно устанавливается автоматическое устройство, обеспечивающее безопасную работу котла. Для предотвращения попадания газов в топку котла, при неисправных отключающих устройствах, необходимы продувочные свечи и газопроводы безопасности с отключающими устройствами, которые при бездействующих котлах должны быть открыты. Газопроводы низкого давления красят в котельных в желтый цвет, а среднего давления в желтый с красными кольцами.

Газовые горелки

Газовые горелки - газогорелочное устройство, предназначенное для подачи к месту горения, в зависимости от технологических требований, подготовленной газовоздушной смеси или разделенного газа и воздуха, а так же для обеспечения устойчивого сжигания газообразного топлива и регулирования процесса горения.

К горелкам предъявляются следующие требования:

· основные типы горелок должны изготавливаться на заводах серийно;

· горелки должны обеспечивать пропуск заданного количества газа и полноту его сжигания;

· обеспечивать минимальное количество вредных выбросов в атмосферу;

· должны работать без шума, отрыва и проскока пламени;

· должны быть просты в обслуживании, удобны для ревизии и ремонта;

· при необходимости могли бы использоваться для резервного топлива;

· образцы вновь создаваемых и действующих горелок подлежат ГОСТ испытанию;

Главной характеристикой горелок является её тепловая мощность , под которой понимают количество теплоты, способное выделяться при полном сгорании топлива, поданного через горелку. Все данные характеристики можно найти в паспорте горелки.

Горение природного газа представляет собой сложный физико-химический процесс взаимодействия горючих его составляющих с окислителем, при этом происходит преобразование химической энергии топлива в тепло. Горение бывает полным и неполным. При перемешивании газа с воздухом, достаточно высокой для горения температуры в топке, непрерывной подаче топлива и воздуха осуществляется полное сгорание топлива. Неполное сгорание топлива происходит при несоблюдении этих правил, что приводит к меньшему выделению тепла, (СО), водорода (Н2), метана (СН4), и как следствие, к оседанию сажи на поверхностях нагрева, ухудшая теплообмен и увеличивая потери количества тепла, что в свою очередь приводит к перерасходу топлива и снижению КПД котла и соответственно к загрязнению атмосферы.

Коэффициент избытка воздуха зависит от конструкции газовой горелки и топки. Коэффициент излишка воздуха должен быть не менее 1, иначе это может привести к неполному сгоранию газа. А также увеличение коэффициента избытка воздуха снижает КПД теплоиспользующей установки за счет больших потерь теплоты с уходящими газами.

Определяется полнота сгорания с помощью газоанализатора и по цвету и запаху.

Полное сгорание газа. метан + кислород = углекислый газ + вода СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2ОКроме этих газов в атмесферу с горючими газами выходит азот и оставшийся кислород. N2 + O2 Если сгорание газа происходит не полностью, то в атмосферу выбрасываются горючие вещества – угарный газ, водород, сажа.CO + H + C

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.Неполное горение определяется: ,

Горение газа представляет собой сочетание следующих процессов:

· смешение горючего газа с воздухом,

· подогрев смеси,

· термическое разложение горючих компонентов,

· воспламенение и химическое соединение горючих компонентов с кислородом воздуха, сопровождаемое образованием факела и интенсивным тепловыделением.

Горение метана происходит по реакции:

СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О

Условия, необходимые для сгорания газа:

· обеспечение необходимого соотношения горючего газа и воздуха,

· нагрев до температуры воспламенения.

Если в газовоздушной смеси газа меньше нижнего предела воспламенения, то она не будет гореть.

Если в газовоздушной смеси больше газа чем верхний предел воспламенения, то она будет сгорать не полностью.

Состав продуктов полного сгорания газа:

· СО 2 – углекислый газ

· Н 2 О – водяные пары

* N 2 – азот (он не реагирует с кислородом во время горения)

Состав продуктов неполного сгорания газа:

· СО – угарный газ

· С – сажа.

Для сгорания 1 м 3 природного газа требуется 9.5м 3 воздуха. Практически расход воздуха всегда больше.

Отношение действительного расхода воздуха к теоретически необходимому расходу называется коэффициентом избытка воздуха: α = L/L t .,

Где: L - действительный расход;

L t - теоретически необходимый расход.

Коэффициент избытка воздуха всегда больше единицы. Для природного газа он составляет 1.05 – 1.2.

2. Назначение, устройство и основные характеристики проточных водонагревателей .

Проточные газовые водонагреватели. Предназначены для нагрева воды до определенной температуры при водоразборе.. Проточные водонагреватели делятся по нагрузке тепловой мощности: 33600, 75600, 105000 кДж, по степени автоматизации - на высший и первый классы. К.п.д. водонагревателей 80%, содержание оксида не более 0,05%, температура продуктов сгорания за тягопрерывателем не менее180 0 С. Принцип основан на нагреве воды в период водоразбора.

Основными узлами проточных водонагревателей являются: газогорелочное устройство, теплообменник, система автоматики и газоотвод. Газ низкого давления подается в инжекционную горелку. Продукты сгорания проходят через теплообменник и отводятся в дымоход. Теплота сгорания передается протекающей через теплообменник воде. Для охлаждения огневой камеры служит змеевик, через который циркулирует вода, проходящая через калорифер. Газовые проточные водонагреватели оборудованы газоотводящими устройствами и тягопрерывателями, которые в случае кратковременного нарушения тяги предотвращают погасание пламени газогорелочного устройства. Для присоединения к дымоходу имеется дымоотводящий патрубок.

Газовый проточный водонагреватель –ВПГ. На передней стенке кожуха расположены: ручка управления газовым краном, кнопка включения электромагнитного клапана и смотровое окно для наблюдения за пламенем запальной и основной горелки. Вверху аппарата расположено дымоотводящее устройство, внизу- патрубки для присоединения аппарата к газовой и водяной системе. Газ поступает в электромагнитный клапан, газовый блокировочный кран водогазогорелочного блока осуществляет последовательное включение запальной горелки и подачу газа к основной горелке.

Блокировку поступления газа к основной горелке, при обязательной работе запальника, осуществляет электромагнитный клапан, работающий от термопары. Блокировка подачи газа в основную горелку в зависимости от наличия водоразбора, осуществляется клапаном, имеющим привод через шток от мембраны водяного блок- крана.

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 = V д /V т. Этот показатель зависит от конструкции газовой горелки и топки: чем они совершеннее тем меньше. 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.

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.

Газообразное топливо с каждым годом находит все более широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. В сельскохозяйственном производстве газообразное топливо широко используется для технологических (при отоплении теплиц, парников, сушилок, животноводческих и птицеводческих комплексов) и бытовых целей. В последнее время его все больше стали применять для двигателей внутреннего сгорания.

По сравнению с другими видами газообразное топливо обладает следующими преимуществами:

сгорает в теоретическом количестве воздуха, что обеспечивает высокие тепловой кпд и температуру горения;

при сгорании не образует нежелательных продуктов сухой перегонки и сернистых соединений, копоти и дыма;

сравнительно легко подводится по газопроводам к удаленным объектам потребления и может храниться централизованно;

легко зажигается при любой температуре окружающего воздуха;

требует сравнительно небольших затрат при добыче, а значит, является по сравнению с другими более дешевым видом топлива;

может быть использовано в сжатом или сжиженном виде для двигателей внутреннего сгорания;

обладает высокими противодетонационными свойствами;

при сгорании не образует конденсата, что обеспечивает значительное уменьшение износа деталей двигателя и т.п.

Вместе с тем газообразное топливо имеет также определенные отрицательные свойства, к которым относятся: отравляющее действие, образование взрывчатых смесей при смешении с воздухом, легкое протекание через неплотности соединений и др. Поэтому при работе с газообразным топливом требуется тщательное соблюдение соответствующих правил техники безопасности.

Применение газообразных видов топлива обусловливается их составом и свойствами углеводородной части. Наиболее широко применяются природный или попутный газ нефтяных или газовых месторождений, а также заводские газы нефтеперерабатывающих и других заводов. Основными составляющими компонентами этих газов являются углеводороды с числом углеродных атомов в молекуле от одного до четырех (метан, этан, пропан, бутан и их производные).

Природные газы из газовых месторождений практически полностью состоят из метана (82...98%), с небольшой Применение газообразного топлива для двигателей внутреннего сгорания Непрерывно увеличивающийся парк автомобилей требует все большего количества топлива. Решить важнейшие народнохозяйственные проблемы стабильного обеспечения автомобильных двигателей эффективными энергоносителями и сокращения потребления жидкого топлива нефтяного происхождения возможно за счет использования газообразного топлива - сжиженного нефтяного и природного газов.

Для автомобилей используют только высококалорийные или среднекалорийные газы. При работе на низкокалорийном газе двигатель не развивает необходимой мощности, а также сокращается дальность пробега автомобиля, что экономически невыгодно. Па). Выпускают следующие виды сжатых газов: природный, коксовый механизированный и коксовый обогащенный

Основным горючим компонентом этих газов является метан. Так же как и для жидкого топлива, наличие в газообразном топливе сероводорода нежелательно из-за его коррозионного воздействия на газовую аппаратуру и детали двигателя. Октановое число газов позволяет форсировать автомобильные двигатели по степени сжатия (до 10...12).

В газе для автомобилей крайне нежелательно присутствие циана CN. Соединяясь с водой, он образует синильную кислоту, под действием которой в стенках баллонов образуются мельчайшие трещины. Наличие в газе смолистых веществ и механических примесей приводит к образованию отложений и загрязнений на приборах газовой аппаратуры и на деталях двигателей.

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.

• разряжение в топке.

• Кэфициент полезного действия котла.

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

Состав воздуха