Горение природного газа

1. ГОРЕНИЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА

1.1. Процесс горения и условия для полного сгорания топлива
Горение — это сложный физико-химический процесс взаимодейс- твия горючих компонентов топлива с окислителем, сопровождающийся интенсивным тепловыделением и резким повышением температуры.
Для полного сгорания топлива необходимы определенные условия — это непрерывный подвод топлива в зону горения; непрерывный подвод воздуха в достаточном для горения количестве; хорошее переме- шивание топлива с воздухом; высокая температура в топке; достаточное для сгорания время пребывания топливовоздушной смеси в топке.
В отличие от твердых и жидких топ лив, которые не могут гореть без предварительного подогрева до температуры воспламенения, газовое топливо может гореть без подогрева, если оно перемешано с воздухом в концентрационных пределах воспламенения. Такую газовоздушную смесь можно воспламенить искрой, раскаленным телом, пламенем.
Расход воздуха на сжигание. Коэффициент избытка воздуха Рассмотрим реакцию горения метана как основного компонента, находящегося в составе природного газа:
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О
Из этой формулы горения следует, что для сгорания одной молекулы метана в реакции горения необходимы две молекулы кислорода, т.е. для полного сгорания 1 м3 метана теоретически требуется 2 м3 кислорода.
В качестве окислителя при сжигании топлива в котельных агрегатах используется не технический кислород, а атмосферный воздух, который представляет собой смесь кислорода — 21%, азота — 78%, диоксида углерода (углекислый газ), инертных газов и др. — 1%. Для технических расчетов обычно принимают условный состав воздуха, в котором только два компонента: кислород — 21% и азот — 79%.
Так как в воздухе содержится 21% О2, для горения метана воздуха потребуется в 100/21 = 4,76 раза больше, чем чистого кислорода. Та- ким образом, для сжигания 1 м3 метана (природного газа) необходимы
2 м3 кислорода или 2·4,76 = 9,52 м3 воздуха. Это количество воздуха, называемое теоретическим расходом воздуха (в.), необходимым для полного сжигания 1 м3 природного газа (п. г.), обозначается V о ,
м3 в./м3 п. г.
В реальных условиях количество подаваемого воздуха несколько больше, чем это требуется по расчету. Отношение действительного расхода воздуха V д, подаваемого на сжигание топлива, к его теорети- ческому значению V о называют коэффициентом избытка воздуха:

Требуемый для полного сгорания топлива коэффициент избытка воздуха в общем случае зависит от вида сжигаемого топлива, его со- става, типа горелок, способа подачи воздуха, конструкции топочного устройства и т.д. Обычно для сжигания природного газа принимают
 = 1,05–1,15.

2.3. Продукты полного и неполного сгорания топлива
При полном сгорании природного газа с теоретически необходи- мым количеством воздуха, т.е. при а = 1, состав продуктов сгорания, выраженный в объемных процентах, об.%:
СО2 + Н2О + N2 = 100
Азот в продукты сгорания поступает из топлива и воздуха, ис- пользуемого для сжигания топлива. При полном сгорании топлива в условиях избытка воздуха (при ос>1) в продуктах сгорания будет при- сутствовать также кислород, т.е. их состав будет следующим, об.%:
СО2 + Н2 + N2 + О2 = 100
В условиях сжигания природного газа при недостатке воздуха или плохом перемешивании часть топлива будет реагировать с окислителем по реакции неполного горения:
СН4 + 1,5О2 = СО + 2Н2О

Таким образом, при неполном сгорании метана в продуктах сгора- ния появляется монооксид углерода СО (угарный газ).
Если и далее уменьшать подачу окислителя, то помимо СО в продуктах сгорания будет присутствовать водород и даже углерод в виде сажи:
CH4 + O2 = CO + H2 + H2O СН4 + 0,5О2 = С + Н2 + Н20
Таким образом, полный состав продуктов сгорания при сжигании топлива с недостатком кислорода воздуха ( < 1) будет следующим, об.%:
СО2 + Н2О + N2 + СО + Н2 + СН4 = 100

2.4. Экономичность процесса сжигания топлива
Коэффициент избытка воздуха является важнейшей характерис- тикой эффективности ведения процесса сжигания топлива.
При недостатке воздуха, т.е. когда  < 1, образуются продукты неполного горения топлива, которые приводят к появлению потерь теплоты от химической неполноты сгорания qх.н. Это влияет на загрязнение окружающей среды за счет выбросов вредных веществ — угарного газа и сажи, загрязняющей поверхности нагрева, ухудшающей теплообмен. В итоге это приводит к снижению КПД агрегата и увеличению расхода топлива. При подсосе воздуха по дымовому тракту существует угроза образования взрывоопасной концентрации горючих газов, т.е. может произойти взрыв газа в газоходах.
По мере увеличения  потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива снижаются и могут стать равными нулю. Однако при существенном увеличении коэффициента избытка воздуха а по- тери вновь начнут возрастать из-за снижения температуры в топке и замедления скорости реакции горения топлива.
Коэффициент избытка воздуха существенным образом влияет и на потери теплоты qх.г с уходящими газами. С ростом а эти потери непрерывно возрастают из-за увеличения объема уходящих газов.
Графическое определение оптимального коэффициента избытка воздуха в топке котла

имеет минимальную величину при определенном . Это значение и принимается в качестве оптимальной величины опт при сжигании топлива.
Следует заметить, что опт зависит от вида горелок и нагрузки котельного агрегата. При проведении пусконаладочных работ наладочная организация устанавливает экспериментально опт для нескольких режимов работы котла, которые с другими показателями составляют режимную карту, используемую операторами при эксплуатации котельного агрегата.

2.5. Концентрационные границы воспламенения газа
Не всякая смесь горючего газа с воздухом способна к воспламенению с распространением пламени. Любую горючую смесь, как бы она ни была разбавлена, можно воспламенить, применив достаточно мощный источник зажигания, но к распространению пламени способна не всякая смесь. Слишком бедные смеси (с большим избытком окислителя) и слишком богатые смеси (с большим избытком горючего) не способны к распространению пламени и, следовательно, не воспламеняются и не взрываются.
Увеличение количества окислителя или топлива сверх теоретического приводит к снижению температуры горения и уменьшению скорости распространения пламени. При чрезмерном избытке топлива или окислителя тепловыделение реакций горения не может компенси- ровать отвод теплоты в окружающую среду и воспламенение становится невозможным.

Газообразные топлива имеют верхнюю и нижнюю концентраци- онные границы воспламенения. Предельная концентрация горючего в бедной смеси, ниже которой смесь становится неспособной к воспламенению, называется нижней концентрационной границей воспламенения. Предельная концентрация горючего в богатой смеси, выше которой смесь перестает воспламеняться, называется верхней концентрационной границей воспламенения. Приведем концентрационные границы воспламенения некоторых горючих газов, об.%: Н2 — 4…74,2; СО — 12,5…74; СН4 — 5…15.

2.6. Взрыв газа. Основные причины взрыва
Взрыв газа — мгновенное сгорание газовоздушной смеси в замкну- том объеме, сопровождающееся резким повышением температуры и увеличением давления.
Взрывоопасная концентрация природного газа находится в преде- лах 5…15 об.%. Наиболее частыми причинами образования взрывоопасной концентрации газовоздушной смеси являются: недостаточная вентиляция топки; подача газа в горелку до внесения факела запальника или до образования факела; отрыв пламени переносного запального устройства при включении горелок; попытка розжига соседней горелки от работающей без применения запального факела; повторное включение горелок после отрыва запального или основного факела без предварительной вентиляции топки и газоходов; недостаточная продувка газопроводов перед пуском котла в работу; ошибки оператора в определении положения запорных устройств перед горелками.
Во время эксплуатации котла причинами погасания факела, зага- зованности топки и взрыва от раскаленных поверхностей обмуровки могут быть: кратковременное прекращение подачи газа; отрыв пламени горелки в результате резкого возрастания разрежения в топке; погаса- ние пламени в случае неисправности регулятора давления; засорение газовыходных отверстий горелки; остановка дымососа или вентилятора; неправильные действия персонала при регулировании тепловой мощности горелок.
Даже незначительные утечки газов в плоховентилируемом помещении могут приводить к образованию взрывоопасной смеси.

2.7. Экологические аспекты сжигания газа

При сжигании природного газа образуются продукты горения, ко- торые являются вредными для здоровья человека веществами. К ним относятся монооксид углерода (угарный газ) СО; оксиды азота NО и NО2 (их обозначают NОх); полициклические ароматические углево- дороды (ПАУ) — группа веществ, наиболее токсичным из которых является бензапирен С20Н12; сажа.
При правильном режиме сжигания газа можно практически избежать выбросов угарного газа СО. Выбросы оксидов азота NОх увеличиваются с повышением температуры продуктов сгорания в топке, зависят от коэффициента избытка воздуха, типа горел очных устройств, способа сжигания газа. Температура газов в топке повышается при увеличении расхода топлива, использовании для сжигания горячего воздуха.
Образование ПАУ является результатом неполного сгорания топлива из-за плохого смешения топлива с воздухом, а также из-за торможения реакций окисления углеводородов у холодных стенок топочных устройств.