Количество воздуха для сжигания природного газа

1. Особенности природных газов

Для качественного обслуживания газового оборудования и выполнения газоопасных работ необходимо знать особенности природных газов, методы их сжигания и эффективного использования.

Природный газ имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами топлива:

• стоимость добычи природного газа значительно ниже, а производительность труда значительно выше, чем при добыче угля и нефти;
• высокая теплота сгорания делает целесообразным транспортирование газа по магистральным газопроводам на значительные расстояния;
• обеспечивается полнота сгорания, и облегчаются условия труда обслуживающего персонала;
• отсутствие в природных газах оксида углерода предотвращает возможность отравления при утечках газа, что особенно важно при газоснабжении коммунальных и бытовых потребителей;
• газоснабжение городов, населенных пунктов и предприятий значительно улучшает состояние их воздушного бассейна;
• обеспечиваются возможность автоматизации процессов горения, достижение высоких КПД;
• природный газ – ценное сырье для химической промышленности;
• высокая жаропроизводительность (более 2000 °С) позволяет эффективно применять природный газ в качестве энергетического и технологического топлива.

https://www.youtube.com/watch?v=upload

Природный газ как промышленное топливо имеет следующие технологические преимущества:

• при сжигании природного газа требуется минимальный избыток воздуха, и достигаются высокие температуры в печах;
• природный газ содержит наименьшее количество таких вредных химических примесей, как сероводород;
• при сжигании газа можно обеспечить более точную регулировку требуемой температуры, чем при сжигании других видов топлива. Это позволяет экономить топливо, так как из-за более широких колебаний регулирования диапазонов температур;
• при сжигании других видов топлива приходится часто вести процесс на верхнем температурном пределе, что влечет за собой перерасход топлива;
• использование природного газа позволяет осуществить сравнительно быстрый разогрев тепловых агрегатов и свести к минимуму тепловые потери при остановке этих агрегатов, что также способствует экономии топлива;
• при использовании природного газа отсутствуют потери от механического недожога;
• форма газового пламени сравнительно легко регулируется и поддается различным видоизменениям, что особенно важно, когда возникает необходимость быстро сосредоточить и развить в определенном пункте высокую степень нагрева;
• использование природного газа позволяет применять в промышленности такие прогрессивные и высокоэкономичные виды тепловой обработки, как нагрев с помощью горелок беспламенного сжигания и радиационных трубок, что дает возможность значительно интенсифицировать процесс нагрева.

Вместе с тем газовому топливу присущи и недостатки – отрицательные свойства: природный газ взрыво- и пожароопасен.

Горение газообразного топлива возможно только при наличии воздуха, в котором содержится кислород. Причем процесс горения (взрыва) происходит при определенных соотношениях газа и воздуха. Как показано в табл. 1, пределы воспламеняемости метана составляют 5–15 %. Если выделяемая теплота достаточна для нагревания газовоздушной смеси до температуры самовоспламенения, то смесь может гореть или взрываться.

Таблица 1. Температура самовоспламенения и пределы воспламеняемости наиболее распространенных горючих газов

Газ	Температура воспламенения, °С	Предел воспламеняемости при содержании газа в смеси с воздухом, %		Газ	Температура воспламенения, °С	Предел воспламеняемости при содержании газа в смеси с воздухом, %
		нижний	верхний			нижний	верхний
Метан	650	5	15	Пропан	500	2,37	9,5
Ацетилен	305	2,5	80	Этан	510	3,2	12,45
Бутан	429	1,86	8,4	Водород	510	4	74

Резкое возрастание давления и быстрое расширение продуктов горения обусловливает разрушительный эффект от взрыва газовоздушной смеси.

Давление, возникающее при взрыве природного газа в помещениях, достигает 0,8 МПа. При взрывах газовоздушной смеси в трубах с большими диаметром и длиной скорость распространения пламени может превзойти скорость распространения звука и достичь 2000–4000 м/с. В результате быстродвижущегося взрывного воспламенения местное повышение давления составит 8 МПа и выше. Такое взрывное воспламенение называется детонацией.

Детонация объясняется возникновением и действием ударных волн в воспламеняющейся среде. Перемещаясь с большой скоростью, ударная волна резко увеличивает температуру и давление газовоздушной смеси, что вызывает ускорение реакции взрыва и увеличивает разрушительный эффект детонации. Наиболее опасны с точки зрения возможности взрыва газы с наиболее низкими пределами взрываемости.

При близких величинах нижних пределов взрываемости двух газов наиболее опасен газ, у которого шире область взрываемости и ниже температура самовоспламенения. Концентрация (объемная доля газа в воздухе), равная 20 % нижнего предела воспламеняемости, считается опасной.

Количество объемов инертного газа на 1 объем горючего газа, при котором газовоздушная смесь перестает быть взрывоопасной

Горение газообразного топлива представляет собой сочетание следующих физических и химических процессов: смешение горючего газа с воздухом, подогрев смеси, термическое разложение горючих компонентов, воспламенение и химическое соединение горючих элементов с кислородом воздуха.

Устойчивое горение газовоздушной смеси возможно при непрерывном подводе к фронту горения необходимых количеств горючего газа и воздуха, их тщательном перемешивании и нагреве до температуры воспламенения или самовоспламенения (табл. 5).

Воспламенение газовоздушной смеси может быть осуществлено:

• нагревом всего объема газовоздушной смеси до температуры самовоспламенения. Такой способ применяют в двигателях внутреннего сгорания, где газовоздушную смесь нагревают быстрым сжатием до определенного давления;
• применением посторонних источников зажигания (запальников и т. д.). В этом случае до температуры воспламенения нагревается не вся газовоздушная смесь, а ее часть. Данный способ применяется при сжигании газов в горелках газовых приборов;
• существующим факелом непрерывно в процессе горения.

Для начала реакции горения газообразного топлива следует затратить определенное количество энергии, необходимой для разрыва молекулярных связей и создания новых.

Химическая формула сгорания газового топлива с указанием всего механизма реакции, связанного с возникновением и исчезновением большого количества свободных атомов, радикалов и других активных частиц, сложна. Поэтому для упрощения пользуются уравнениями, выражающими начальное и конечное состояния реакций горения газа.

Если углеводородные газы обозначить СmНn, то уравнение химической реакции горения этих газов в кислороде примет вид

СmНn (m n/4) О2 = mСО2 (n/2) Н2О, (1)

где m – количество атомов углерода в углеводородном газе; n – количество атомов водорода в газе; (m n/4) – количество кислорода, необходимое для полного сгорания газа.

В соответствии с формулой выводятся уравнения горения газов: метана СН4 2О2 = СО2 2Н2О

этана С2Н6 3,5О2 = 2СО2 3Н2О бутана С4Н10 6,5О2= 4СО2 5Н2О пропана С3Н8 5О2 = ЗСО2 4Н2О.

СН4 2О2 2·3,76N2 = СО2 2Н2О 7,52N2.

Из уравнения видно, что для сжигания 1 м3 метана требуется 2 м3 кислорода и 7,52 м3 азота или 2 7,52 = 9,52 м3 воздуха.

В результате сгорания 1 м3 метана получается 1 м3 диоксида углерода, 2 м3 водяных паров и 7,52 м3 азота. В табл. 2 приведены эти данные для наиболее распространенных горючих газов.

https://www.youtube.com/watch?v=ytcopyrighten-GB

Для процесса горения газовоздушной смеси необходимо, чтобы количество газа и воздуха в газовоздушной смеси было в определенных пределах. Эти пределы называются пределами воспламеняемости или пределами взрываемости. Различают нижний и верхний пределы воспламеняемости.

Минимальное содержание газа в газовоздушной смеси, выраженное в объемных процентах, при котором происходит воспламенение, называется нижним пределом воспламеняемости. Максимальное содержание газа в газовоздушной смеси, выше которого смесь не воспламеняется без подвода дополнительной теплоты, называется верхним пределом воспламеняемости.

Таблица 2. Количество кислорода и воздуха при сжигании некоторых газов

Газы	Для сжигания 1 м3 газа требуется, м3		При сжигании 1 м3 газа выделяется, м3				Теплота сгорания QH, кДж/м3
	кислорода	воздуха	диоксида углерода	водяных паров	азота	всего
Водород	0,5	2,38	–	1	1,88	2,88	10 806
Оксид углерода	0,5	2,38	1	–	1,88	2,88	12 637
Метан	2	9,52	1	2	7,52	10,52	35 825
Этан	3,5	16,66	2	3	13,16	18,16	63 797
Пропан	5	23,8	3	4	18,8	15,8	91 310
Бутан	6,5	30,94	4	5	24,44	34,44	118 740

Если в газовоздушной смеси содержится газа меньше нижнего предела воспламеняемости, то она не будет гореть. Если в газовоздушной смеси недостаточно воздуха, то горение протекает не полностью.

Большое влияние на величины пределов взрываемости оказывают инертные примеси в газах. Увеличение содержания в газе балласта (N2 и СО2) сужает пределы воспламеняемости, а при повышении содержания балласта выше определенных пределов газовоздушная смесь не воспламеняется при любых соотношениях газа и воздуха (табл. 3).

Наименьшее количество воздуха, необходимое для полного сжигания газа, называется теоретическим расходом воздуха и обозначается LT, то есть если низшая теплота сгорания газового топлива 33520 кДж/м3, то теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 м3 газа

LT= (33520/4190)/1,1 = 8,8 м3. (2)

Однако действительный расход воздуха всегда превышает теоретический. Объясняется это тем, что очень трудно достигнуть полного сгорания газа при теоретических расходах воздуха. Поэтому любая газовая установка для сжигания газа работает с некоторым избытком воздуха.

Итак, практический расход воздуха

Ln= αLT, (12)

где Ln– практический расход воздуха; α – коэффициент избытка воздуха; LT– теоретический расход воздуха.

https://www.youtube.com/watch?v=ytcreatorsen-GB

Коэффициент избытка воздуха всегда больше единицы. Для природного газа он составляет α = 1,05 – 1,2. Коэффициент α показывает, во сколько раз действительный расход воздуха превышает теоретический, принимаемый за единицу. Если α = 1, то газовоздушная смесь называется стехиометрической.

Таблица 3. Количество объемов инертного газа на 1 объем горючего газа, при котором газовоздушная смесь перестает быть взрывоопасной

Горючие газы	Инертные газы		Горючие газы	Инертные газы
	диоксид углерода	азот		диоксид углерода	азот
Оксид углерода	2,2	4,1	Метан	3,3	6
Водород	10,3	16,5	Этан	7,3	12,8

При α = 1,2 сжигание газа производится с избытком воздуха на 20 %. Как правило, сжигание газов должно проходить с минимальным значением α, так как с уменьшением избытка воздуха снижаются потери теплоты с уходящими газами. Воздух, принимающий участие в горении, бывает первичным и вторичным. Первичным называется воздух, поступающий в горелку для смешения в ней с газом; вторичным – воздух, поступающий в зону горения не в смеси с газом, а отдельно.

Продуктами сгорания природного газа являются диоксид углерода, водяные пары, некоторое количество избыточного кислорода и азот. Продуктами неполного сгорания газа могут быть оксид углерода, несгоревшие водород и метан, тяжелые углеводороды, сажа.

Чем больше в продуктах сгорания диоксида углерода СО2, тем меньше будет в них оксида углерода СО и тем полнее будет сгорание. В практику введено понятие «максимальное содержание СО2 в продуктах сгорания». Количество диоксида углерода в продуктах сгорания некоторых газов приведено в табл. 4.

Пользуясь данными табл. 7 и зная процентное содержание СО2 в продуктах сгорания, можно легко определить качество сгорания газа и коэффициент избытка воздуха α. Для этого с помощью газоанализатора следует определить количество СО2 в продуктах сгорания газа и на полученную величину разделить значение СО2max, взятое из табл. 4. Так, например, если при сжигании газа в продуктах его сгорания содержится 10,2 % диоксида углерода, то коэффициент избытка воздуха в топке

α = СО2mах/СО2 анализа = 11,8/10,2 = 1,15.

Наиболее совершенный способ контроля поступления воздуха в топку и полноты его сгорания – анализ продуктов сгорания с помощью автоматических газоанализаторов. Газоанализаторы периодически отбирают пробу отходящих газов и определяют содержание в них диоксида углерода, а также сумму оксида углерода и несгоревшего водорода (СО Н2) в объемных процентах.

Таблица 4. Количество диоксида углерода в продуктах сгорания газа

Газ	Максимальное содержание СО2max в продуктах сгорания, %	Газ	Максимальное содержание СО2max в продуктах сгорания, %
Сланцевый	16	Природный (саратовский)	11,7
Нефтяной	13,6	Природный (дашавский)	11,8
Коксовый	10,2	Других месторождений	11,6–12

Если показания стрелки газоанализатора по шкале (СО2 Н2) равны нулю, это значит, что горение полное, и в продуктах сгорания нет оксида углерода и несгоревшего водорода. Если стрелка отклонилась от нуля вправо, то в продуктах сгорания имеются оксид углерода и несгоревший водород, то есть происходит неполное сгорание.

Эффективность использования газового топлива во многом зависит от его состава. Так, для высокотемпературных процессов целесообразно использовать газ с малым содержанием балласта и высокой жаропроизводительностью. В этом случае обеспечивается повышение производительности газовых установок и благодаря уменьшению продолжительности процесса сгорания газа и снижению потерь топлива в окружающую среду снижается удельный расход топлива на единицу выпускаемой продукции.

Во многих технологических процессах, связанных с процессами сушки воздухом, применяется промежуточный теплоноситель – водяной пар. Получение водяного пара требует дополнительных источников теплоты, а между тем для сушки с успехом можно применять продукты сгорания газа: тогда отпадает необходимость специальных котельных установок и калориферов для нагрева воздуха паром.

https://www.youtube.com/watch?v=ytdeven-GB

Известно, что при сжигании одного кубического метра газа выделяется два кубических метра водяного пара, уходящего с продуктами сгорания. Если теплоту конденсации этих водяных паров использовать для нагрева питательной воды, можно повысить КПД котельных установок.

Другой резерв повышения эффективности использования топлива – сжигание газа в горелочных устройствах при больших тепловых напряжениях, что позволяет получать большее количество энергии в малом объеме.

Многие технологические процессы протекают при высокой температуре уходящих газов. Эффективность использования газа в этом случае повышается, если использовать теплоту уходящих газов для производства пара, нагрева воды или воздуха. Каждая калория, вносимая в печь с подогретым воздухом, экономит более одной калории теплоты сжигаемого газа.

Наиболее прогрессивен метод ступенчатого использования теплоты продуктов сгорания, основанный на сочетании работы низкотемпературных, среднетемпературных и высокотемпературных установок.

Количество объемов инертного газа на 1 объем горючего газа, при котором газовоздушная смесь перестает быть взрывоопасной

Большое влияние на величины пределов взрываемости оказывают инертные примеси в газах. Увеличение содержания в газе балласта (N2 и СO2) сужает пределы воспламеняемости, а при повышении содержания балласта выше определенных пределов газовоздушная смесь не воспламеняется при любых соотношениях газа и воздуха (таблица ниже).

LT= (33 520/4190)/1,1 = 8,8 м3.

Ln = αLT ,

где Ln – практический расход воздуха; α – коэффициент избытка воздуха; LT – теоретический расход воздуха.

Коэффициент избытка воздуха всегда больше единицы. Для природного газа он составляет α = 1,05 – 1,2. Коэффициент α показывает, во сколько раз действительный расход воздуха превышает теоретический, принимаемый за единицу. Если α = 1, то газовоздушная смесь называется стехиометрической.

При α = 1,2 сжигание газа производится с избытком воздуха на 20 %. Как правило, сжигание газов должно проходить с минимальным значением а, так как с уменьшением избытка воздуха снижаются потери теплоты с уходящими газами. Воздух, принимающий участие в горении, бывает первичным и вторичным. Первичным называется воздух, поступающий в горелку для смешения в ней с газом; вторичным — воздух, поступающий в зону горения не в смеси с газом, а отдельно.

4. Методы сжигания газа

В зависимости от способа образования газовоздушной смеси методы сжигания газа подразделяются (рис. 1) на:

• диффузионные;
• смешанные;
• кинетические.

При диффузионном методе сжигания к фронту горения газ поступает под давлением, а необходимый для горения воздух – из окружающего пространства за счет молекулярной или турбулентной диффузии. Смесеобразование здесь протекает одновременно с процессом горения, поэтому скорость процесса горения в основном определяется скоростью смесеобразования.

Рис. 1. Методы сжигания газа: а – диффузионный; б – смешанный; в – кинетический; 1 – внутренний конус; 2 – зона первичного горения; 3 – зона основного горения; 4 – продукты сгорания; 5 – первичный воздух; 6 – вторичный воздух

Процесс горения начинается после контакта между газом и воздухом и образования газовоздушной смеси необходимого состава. К струе газа (рис. 1, а) диффундирует воздух, а из струи газа в воздух – газ. Таким образом, вблизи струи газа создается газовоздушная смесь, в результате горения которой образуется зона первичного горения газа 2. Горение основной части газа происходит в зоне 3, а в зоне 4 движутся продукты сгорания.

Выделяемые продукты сгорания осложняют взаимную диффузию газа и воздуха, в результате чего горение протекает медленно, с образованием частиц сажи. Этим и объясняется, что диффузионное горение характеризуется значительной длиной и светимостью пламени.

https://www.youtube.com/watch?v=https:accounts.google.comServiceLogin

Достоинством диффузионного метода сжигания газа является возможность регулирования процесса горения в широком диапазоне. Процесс смесеобразования легко управляем при применении различных регулировочных элементов. Площадь и длину факела можно регулировать дроблением струи газа на отдельные факелы, изменением диаметра сопла горелки, регулированием давления газа и т. д.

К преимуществам диффузионного метода сжигания относятся:

• высокая устойчивость пламени при изменении тепловых нагрузок,
• отсутствие проскока пламени,
• равномерность температуры по длине пламени.

Недостатками этого метода являются:

• вероятность термического распада углеводородов,
• низкая интенсивность горения,
• вероятность неполного сгорания газа.

При смешанном методе сжигания (рис. 1, б) горелка обеспечивает предварительное смешение газа только с частью воздуха, необходимого для полного сгорания газа, остальной воздух поступает из окружающей среды непосредственно к факелу. В этом случае сначала выгорает лишь часть газа, смешанная с первичным воздухом, а оставшаяся часть газа, разбавленная продуктами сгорания, выгорает после присоединения кислорода вторичного воздуха. В результате факел получается более коротким и менее светящимся, чем при диффузионном горении.

При кинетическом методе сжигания (рис. 1, в) к месту горения подается газовоздушная смесь, полностью подготовленная внутри горелки. Газовоздушная смесь сгорает в коротком факеле.

Достоинство этого метода сжигания – малая вероятность химического недожога, небольшая длина пламени, высокая теплопроизводительность горелок.

Недостаток – необходимость стабилизации газового пламени.

Количество объемов инертного газа на 1 объем горючего газа, при котором газовоздушная смесь перестает быть взрывоопасной

Защита воздушного бассейна от загрязнений – одна из важнейших проблем современности. Промышленность и транспорт приводят к загрязнению атмосферы газом, дымом, диоксидом углерода, парами хлора, пылью металлургических и других промышленных предприятий. Выхлопные газы автомобилей выделяют в атмосферу свинец и оксид углерода. Так, в одном литре этилированного бензина содержится 200–500 мг свинца.

Перевод в крупных городах автомобилей на сжиженный газ во многом способствует очищению воздушного бассейна.

https://www.youtube.com/watch?v=ytadvertiseen-GB

Другой источник загрязнения воздушного бассейна – все возрастающие темпы потребления различного топлива. С ростом его потребления увеличивается количество выбрасываемых в атмосферу токсичных и канцерогенных веществ. Известно, что при сжигании топлива образуются вредные для здоровья человека вещества: сажа, зола, оксид углерода, оксиды азота и др.

Токсичным веществом является оксид азота NO, один из наиболее опасных загрязнителей воздушного бассейна. Оксид азота образуется в пламени, в зоне высоких температур, путем соединения азота с кислородом. При температурах 1500–1800 °С наблюдается наибольшая концентрация NO. Выбрасываемые в атмосферу горячие газы охлаждаются, и оксид азота превращается в диоксид азота NO2.

При сжигании твердого и жидкого топлива могут образоваться канцерогенные вещества, которые способствуют возникновению раковых заболеваний. Особенно опасна тонкая пыль, адсорбирующая химические вещества воздуха и переносящая их в легкие человека.

Сажа, образующаяся в процессе горения и несущая мельчайшие частицы угля, может быть носителем ароматических веществ, вызывающих различные тяжелые заболевания. В связи с этим перед человечеством стоит важнейшая проблема борьбы с загрязнением воздушного бассейна.

Одно из наиболее эффективных средств борьбы – замена твердого и жидкого топлива природным газом. С каждым годом тысячи промышленных и коммунальных предприятий переводят на газовое топливо.

С целью сокращения выбросов вредных веществ в окружающую среду и улучшения очистки отходящих газов от вредных примесей повсеместно совершенствуют технологические процессы и транспортные средства, увеличивают выпуск высокоэффективных газопылеулавливающих аппаратов, водоочистного оборудования, а также приборов и автоматических станций контроля состояния окружающей среды.

Охрана окружающей среды должна стать одной из важнейших задач любого предприятия. Отечественная и зарубежная практика охраны окружающей среды показывает, что основным направлением этой деятельности является не только контроль, но и предотвращение нанесения вреда и загрязнения природы в процессе производственной деятельности.

В должностную инструкцию ответственного за газовое хозяйство предприятия (или другого ответственного лица) должны включаться материалы по природоохранительной деятельности, в том числе:

• мониторинг и регулирование выбросов продуктов сгорания газа;
• соблюдение установленных нормативов воздействия на окружающую среду, лимитов использования газа, нормативов качества окружающей среды в зоне влияния предприятия;
• повышение эффективности использования газового топлива;
• предупреждение экологических аварий и аварийных ситуаций;
• экологическая информация и профессиональное обучение персонала.

Эти и другие мероприятия должны отражаться в отчете предприятия об охране атмосферного воздуха (форма № 2-ти воздух).

где m – количество атомов углерода в углеводородном газе; n – количество атомов водорода в газе; (m n/4) – количество кислорода, необходимое для полного сгорания газа.

В соответствии с формулой выводятся уравнения горения газов:

• метана СН₄  2O₂ = СO₂  2Н₂O
• этана С₂Н₆  3,5O₂ = 2СO₂  ЗН₂O
• бутана С₄Н₁₀  6,5O₂= 4СO₂  5Н₂
• пропана C₃H₈  5O₃ = ЗСO₂  4Н₂O.

СН4  2O2  2*3,76N2 = CO2  2H2O 7,52N2 .

Из уравнения видно, что для сжигания 1 м3 метана требуется 1 м3 кислорода и 7,52 м3 азота или 2 7,52 = 9,52 м3 воздуха.

В результате сгорания 1 м3 метана получается 1 м3 диоксида углерода, 2 м3 водяных паров и 7,52 м3 азота. В таблице ниже приведены эти данные для наиболее распространенных горючих газов.

Для процесса горения газовоздушной смеси необходимо, чтобы количество газа и воздуха в газовоздушной смеси было в определенных пределах. Эти пределы называются пределами воспламеняемости или пределами взрываемости. Различают нижний и верхний пределы воспламеняемости. Минимальное содержание газа в газовоздушной смеси, выраженное в объемных процентах, при котором происходит воспламенение, называется нижним пределом воспламеняемости.

https://www.youtube.com/watch?v=ytpolicyandsafetyen-GB

Ln = αLT ,