3.2. Обоснование требований к сау

Сжигание газа.

Состав газа и воздуха:

Различные виды газового топлива представляют собой механические смеси газов, как горючих, так и негорючих. Горючая часть состоит из следующих газов: водород Н₂, метан СН₄, тяжелые углеводороды C_mH_n (ряд горючих газов: этан, пропан, бутан и т. д.), представляющие собой химические соединения углерода и водорода. В негорючую часть газового топлива входят следующие газы: двуокись углерода (углекислый газ) СО₂, азот N₂, кислород О₂. Негорючую часть газовых топлив принято называть балластом.

Газ:

Рис.1.2.2. Состав газа

Воздух:

Рис.1.2.3. Состав воздуха

Газ и воздух представляют собой смесь нескольких химических веществ. Горючими составляющими газа являются: углеводородные соединения, водород и угарный газ. Эти составные части сгорают при участии кислорода воздуха.

При горении газового топлива его горючие составляющие вступают в химическое взаимодействие с кислородом. В результате реакции образуются продукты горения: при горении углерода – углекислый газ СО₂, водорода – водяные пары Н₂О. Формулы реакций горючих газов с кислородом приведены ниже.

2Н₂ + О₂ = Н₂О + Q (1)

2СО + О₂ = 2СО₂ + Q (2)

CH₄ + 2O₂ = СО₂ + 2Н₂О (3)

При сжигании топлива в топках в большинстве случаев кислород для горения поступает из воздуха.

Азот, содержащийся в воздухе, в горении не участвует и, нагреваясь, уносит значительное количество теплоты. Так как в воздухе содержится по объему около 21% кислорода, а азота 79% и очень небольшое количество других газов, то теоретически необходимый для сжигания газа объем воздуха больше требующегося для реакции горения объема кислорода в 100/21= 4,76 раза, а на каждый использованный кубический метр кислорода приходится 79/21=3,76. Реакция полного сгорания любого углеводородного газа в воздухе может быть записана в виде уравнения

C_mH_n + (m + n/4)*(O₂ + 3.76N₂)=mCO₂ + (m/2)*H₂O + (m + n/4)*3.76 N₂, (4)

где m и n – число атомов соответственно углерода и водорода в молекуле газа. Очевидно, что при неполном сгорании выделение теплоты уменьшается. Кроме того, при образовании в процессе горения сажи и оседании ее на поверхностях нагрева уменьшается теплоотдача к ним от горячих продуктов горения, а потери теплоты с уходящими газами возрастают.

Полное сгорание газа

Рис.1.2.4. Сгорание газа

Рис. 1.2.5. Сгорание газа

При сгорании смеси газа и воздуха горючие составные части газа реагируют с кислородом воздуха. Полное сгорание характеризуется тем, что в реакции участвует такое количество

кислорода, которое необходимо теоретически.

Сгорание газа при недостатке воздуха:

Рис.1.2.6. Сгорание газа при недостатке воздуха

При недостатке воздуха углерод сгорает не полностью. В этом случае в результате реакции выделяется угарный газ.

Помимо выделения угарного газа (при использовании сжиженного газа) может образовываться также сажа. Таким образом, при недостатке воздуха могут быть следующие отрицательные стороны сгорания:

1. Взрывоопасность.

2.Ядовитый угарный газ.

3.Снижение КПД.

Сгорание газа при избытке воздуха:

Влияние внешних факторов на сгорание газа

Рис.1.2.7. Сгорание газа при избытке воздуха

Из-за внешних воздействий, таких, например, как температура и давление воздуха, давление в камере сгорания и т.п., количество поступаемого воздуха, а, соответственно, и содержание кислорода, не всегда постоянно. Вследствие этого может возникнуть недостаток воздуха и образование вредных веществ.

Превышение необходимого количества воздуха:

Рис.1.2.8. Превышение необходимого количества воздуха

Для того, чтобы избежать этого, горелку настраивают на большее количество поступающего воздуха. В этом случае сгорание происходит при избытке воздуха. Однако сгорание при избытке воздуха характеризуется дополнительной потерей тепла.

Избыток воздуха:

Сгорание при избытке воздуха 50%:

Рис.1.2.9. Сгорание при избытке воздуха 50%

Сгорание при избытке воздуха 15%:

Рис.1.2.10. Сгорание при избытке воздуха 15%

Для того, чтобы сгорание не проходило при недостатке воздуха, необходим его избыток. Но этот избыток воздуха должен быть минимальным, чтобы потери тепла были наименьшими.

Таким образом с уменьшением избытка воздуха:

1. Увеличивается в процентном отношении содержание углекислого газа в дымовых газах.

2. Уменьшается в процентном отношении содержание несгоревших остатков кислорода в дымовых газах.

3. Увеличивается КПД благодаря уменьшению потерь тепла.

Правильное ведение топочного процесса определяет экономичность сжигания топлива, а следовательно, и основные топочные потери: с химической неполнотой сгорания топлива и потери с уходящими газами. Уравнения для определения потерь теплоты приведены выше в тепловом балансе котла.

Экономичность работы котла определяется тремя основными факторами, зависящими от эксплуатации: во-первых, ведением топочного процесса с минимальными потерями тепла за счет химической неполнотой сгорания топлива, а также поддержанием минимальных присосов холодного воздуха в топку котла, что снижает потери тепла с уходящими газами; во-вторых, величиной расхода электроэнергии на собственные нужды; в-третьих, поддержание наружных и внутренних поверхностей нагрева относительно чистыми. О чистоте поверхностей нагрева в процессе работы судят по температуре дымовых газов и тепловосприятию поверхностей нагрева, которое сказывается на изменении температуры рабочего тела, воздуха. Вторичным признаком служит газовое сопротивление. Отклонение этих показателей от режимных параметров при соответствующих нагрузках требует оперативного воздействия. Изменение режимов работы котла производится в соответствии с режимной картой.

Технический КПД сгорания:

Высокое содержание углекислого газа или небольшое остаточное содержание кислорода в дымовых газах означает низкие потери тепла или, другими словами, высокий КПД.

Рассматриваемый здесь КПД является техническим КПД горения. Необходимо увеличивать КПД, соответствующим образом, установив количество поступаемого для сгорания воздуха. Величина КПД устанавливается путем измерения содержания углекислого газа или остаточного

содержания кислорода в дымовых газах.

• Теплота сгорания газа, потребность воздуха и максимальное значение СО₂

Рис.1.2.11. Содержание СО₂ в дымовых газах

Существуют различные виды газа, отличающиеся своими свойствами. Наиболее важными свойствами являются: теплота сгорания, максимальное значение СО₂ и потребность в воздухе для горения. Под теплотой сгорания понимают количество энергии ,выделяемое при полном сгорании 1 м³ газа (относительно нормальных условий). Иными словами это можно назвать выигрышем в энергии. Таким образом, по характеру протекания процесса сгорания газы различаются по:

• теплоте сгорания;

• максимальному значению СО₂;

• потребности в воздухе

Взаимосвязь СО и сгорания топлива:

На графиках зависимости СО от СО₂ видно, что при незначительном избытке воздуха (при высоком содержании СО₂) содержание СО значительно возрастает, и наоборот, при значительном избытке воздуха (малое содержание СО₂) содержание СО увеличивается незначительно.