Газоснабжение

Потрібний тиск у споживача підтримується  дроселюванням тиску газу у мережі газопроводів. Потрібна теплота згоряння підтримується шляхом змішування у  визначеній пропорції газів з  різною теплотою згоряння (наприклад, доменного та коксового, доменного  та природного і т.д.).

 

Тема 2. Основи спалювання газового палива.

 

Процеси горіння. Теоретична і дійсна витрата повітря, коефіцієнт його витрати. Кількість і склад  продуктів горіння. Вища і нижча  теплота спалювання палива; її визначення; умовне паливо. Температура горіння; її види. Методи і пристрої спалювання газового палива; організація кінетичного  і дифузійного горіння.

 

Процес взаємодії палива з окислювачем, що супроводжується виділенням теплоти, називають горінням. Окислювачем  звичайно слугує кисень повітря. Для  інтенсифікації деяких технологічних  процесів використовують також технічний  кисень та збагачене киснем повітря.

Якщо хімічні реакції проходять  між речовинами у одній фазі, то їх називають гомогенними, а якщо реагуючі речовини знаходяться у  різних фазах – гетерогенними. Наприклад, горіння газового палива з повітрям – гомогенний процес, а твердого палива з повітрям – гетерогенний процес.

Для здійснення процесу горіння  до палива повинно бути підведена  достатня кількість окислювача. Повне  згоряння – це процес, у результаті якого продукти згоряння не утримують  горючих компонентів.

При неповному горінні (це явище  хімічного недопалу) у продуктах  згоряння утримуються відновлювальні гази Н₂ та СО, що здатні окислюватися з виділенням теплоти. Це стає причиною втрат теплоти у результаті хімічного недопалу. У цьому випадку продуктивність агрегату падає, а витрати палива на одиницю продукції зростають.

Найменша кількість повітря, що є необхідною для повного згоряння палива, називається теоретичною. Теоретична витрата повітря визначається зі стехіометричних співвідношень.

Стехіометричними називають рівняння реакцій, у яких відношення кількості  вихідних речовин суворо відповідає умові отримання кінцевих продуктів. Для вуглеводнів стехіометричне рівняння окислення має вигляд:

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

де m і n – число атомів вуглецю та водню у молекулі.

Наприклад, для метану та пропану  маємо:

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O;

C₃H₈ + 5O₂ = 3CO₂ + 4H₂O.

Для СО, Н₂ та Н₂S стехіометричні рівняння окислення мають вигляд:

СО + 0,5О₂ = СО₂;           Н₂ + 0,5О₂ = Н₂О;       Н₂S + 1,5О₂ = Н₂О + SО₂.

З урахуванням стехіометричних  співвідношень витрата кисню  для спалювання 1 м³ у нормальних умовах промислового газового палива, що являє собою суміш різних горючих компонентів, дорівнює:

L_K = 0,01 [0,5(СО + Н₂) + 1,5Н₂S + S(m + n/4)C_mH_n – O₂], м³/м³,

де СО, Н₂, Н₂S, C_mH_n, О₂ – вміст компонентів у газовому паливі, % об.

У технічних розрахунках  приймають, що вміст кисню у повітрі  становить 21% об., а вміст азоту 79% об. Тому теоретичну витрату повітря  на спалювання 1 м³ газового палива (у н. у.) визначають за формулою:

L₀ =

[0,5(СО + Н₂) + 1,5Н₂S + S(m + n/4)C_mH_n – O₂] »

0,0476[0,5(СО + Н₂) + 1,5Н₂S + S(m + n/4)C_mH_n – O₂]  , м³/м³.

З урахуванням наявності у повітрі  деякої кількості водяної пари це теоретичне значення треба помножити  на поправний множник (1 + 0,00124d_B), де d_B – вміст вологи у повітрі, г/м³; при відсутності фактичних даних наближено можна прийняти d_B = 10 г/м³.

У разі збагачення повітря  киснем до концентрації К, % об. отримане за цією формулою значення L₀ треба помножити на поправний множник 21/К.

На практиці для повного  згоряння палива у межах технологічного або  енергетичного агрегату та запобігання  недопалу палива треба подавати декілька більшу, ніж теоретична, кількість  повітря. Величина, що показує відношення дійсної витрати повітря на горіння  до теоретичної, називається коефіцієнтом витрати повітря. Його значення залежить від виду палива та типу пристрою для  спалювання. Наприклад, для газових  пальників без попереднього змішування ця величина становить n = 1,1 ¸ 1,15; для пальників з попереднім змішуванням газу та повітря  n = 1,01 ¸ 1,05.

При значному надлишку повітря зростає об^/єм продуктів згоряння, знижується температура горіння, що, як і недопал палива, також негативно відбивається на показниках теплової роботи агрегату.

Дійсна витрата повітря  для спалювання 1 м³ газу в н. у.:

L_д = nL₀.

Кількість компонентів продуктів  повного горіння газового палива визначають за формулами:

V_CO2 = 0,01(CO + CO₂ + SmC_mH_n), м³/м³;

V_H2O = 0,01[H₂ + H₂S + H₂O + S(n/2)C_mH_n + 0,124L_дd_B], м³/м³;

V_SO2 = 0,01H₂S, м³/м³;

V_N2 = 0,01(N₂ + 79L_д) , м³/м³;

V_O2 = 0,21(n – 1)L₀, м³/м³,

Загальна кількість продуктів  згоряння 1 м³ газового палива:

V_д = V_CO2 + V_H2O + V_SO2 + V_N2 + V_O2 , м³/м³.

Склад продуктів згоряння:

СО₂^д = 100V_CO2/V_д,% об.; Н₂О^д = 100V_H2O/V_д,% об.;

SO₂^д = 100V_SO2/V_д,% об.;

N₂^д = 100 V_N2/ V_д, % об.; О₂^д = 100V_O2/ V_д, % об.

Перевірку правильності розрахунку спалювання палива можна здійснити  на основі складання матеріального  балансу зони горіння. Прибуткові статті балансу – це маса палива М_П та повітря М_ПОВ, а витратна – це маса продуктів згоряння М_Д:

М_П = r_П; М_ПОВ = L_д r_ПОВ; М_Д = V_Д r_Д,

де  r_П, r_ПОВ, r_Д – густина палива, повітря та димових газів, яку визначають як результат ділення суми молекулярних мас компонентів з урахуванням їх вмісту на об^/єм, що займає 1 кіломоль тої чи іншої газової суміші. Наприклад, густина палива за нормальних умов:

r_П = (m_СОСО + m_СО2 СО₂ + m_СН4 СН₄ + m_С2Н6 С₂Н₆ +  m_С3Н8 С₃Н₈ +  m_С4Н10С₄Н₁₀ +  m_С2Н4 С₂Н₄ +  m_С3Н6 С₃Н₆ +  m_С4Н8 С₄Н₈ +  m_Н2 Н₂ +  m_Н2S Н₂S + m_N2N₂ +m_O2O₂ +  m_Н2O Н₂O)/(22,4*100), кг/м³,

де (m_СО, m_СО2, ......, m_Н2O – мольні маси компонентів газового палива, кг/кіло моль;

СО, СО₂ , ...., Н₂O – вміст цих компонентів у паливі, % об.

Вважається, що розрахунок виконаний  вірно, якщо дотримується співвідношення:

.

Теплота згоряння палива – це кількість  теплоти, що виділяється при повному  згорянні одиниці палива. Розрізняють  вищу та нижчу теплоту згоряння Q_В^P та Q_H^P. Вища теплота згоряння показує, яка кількість теплоти виділяється при повному згорянні одиниці палива (для газового палива 1 м³ ) у нормальних умовах з урахуванням теплоти конденсації водяної пари у продуктах горіння. Нижча теплота згоряння не враховує конденсації водяної пари. Оскільки продукти згоряння звичайно відходять з агрегату при температурі більш високій, ніж температура конденсації водяної пари, і тепло конденсації її у робочому об^/ємі агрегату не використовується. Тому інженерні розрахунки виконуються звичайно з урахуванням нижчої теплоти згоряння.

Теплоту згоряння визначають експериментальним  або розрахунковим шляхом. При  експериментальному методі безпосередньо  визначають кількість теплоти, що виділяється  у калориметрі при спалюванні визначеної кількості палива. Найбільш часто з цією метою використовують проточні калориметри.

Розрахунковий метод заснований на підсумовуванні теплот згоряння окремих  складових палива, тобто виходить із складу палива та теплових ефектів  реакцій горіння окремих компонентів:

Q_H^P = 0,127СО + 0,108Н₂ + 0,234Н₂S + 0,358СН₄ + 0,636С₂Н₆ + 0,913С₃Н₈ + 1,185С₄Н₁₀ + 0,595С₂Н₄ + 0,877С₃Н₆ + 1,156С₄Н₈ , МДж/м³.

Для порівняння енергетичної цінності різних видів палива використовують поняття умовного палива. Це паливо, теплота згоряння якого становить 29300 кДж/кг.

Температура горіння –  це температура, яку набувають продукти згоряння у результаті передачі ним  теплоти, що виділяється при горінні. Стандартна калориметрична температура  горіння визначається за умов повного  згоряння палива і використання усієї  виділеної при горінні теплоти  тільки на підвищення температури продуктів  згоряння у адіабатних умовах, тобто  без тепловіддавання у довкілля:

,

де V_д⁰ – об^/єм продуктів згоряння одиниці палива зі стехіометричною кількістю повітря L₀;

- середня об^/ємна ізобарна теплоємність продуктів згоряння у інтервалі температур від 0 до t_K⁰, ⁰C; її розраховують за формулою:

= 0,01( СО₂^д + Н₂О^д + N₂^д + O₂^д + SO₂^д), кДж/(м³ * ⁰С);

, , , , - середня об^/ємна ізобарна теплоємність окремих компонентів продуктів згоряння у інтервалі температур від 0 до t_K⁰, яку визначають з довідкових таблиць.

Калориметрична температура  горіння враховує також фізичне  тепло повітря та палива , що вони уносять у зону горіння:

,

де Q_H – втрати тепла від недопалу палива;

V_д – об^/єм продуктів згоряння одиниці палива з дійсною кількістю повітря L_д;

- середня об^/ємна ізобарна теплоємність димових газів у інтервалі температур від 0 до t_K, ⁰C, що визначається за формулою, аналогічною з наведеною вище.

Q_Ф – фізичне тепло повітря та палива:

Q_Ф = і_пов L_д + і_п, кДж/м³;

і_пов, і_п  - ентальпія повітря та палива, кДж/м³. Значення і_пов знаходять за температурою повітря з відповідних таблиць, а і_п визначають у залежності від складу та температури палива за формулою:

і_П = 0,01(і_СОСО + і_СО2СО₂ + і_СН4СН₄ + ...........+ і_Н2ОН₂О);

і_СО, і_СО2, і_СН4, ..........., і_Н2О – ентальпія окремих компонентів газового палива при визначеній температурі, кДж/м³, що також визначають за довідковими даними;

СО, СО₂ ,СН₄ ,..........., Н₂О  - вміст компонентів у паливі, % об.

Спалювання палива у агрегаті супроводжується віддачею теплоти  до матеріалу, що нагрівається, до футерівки, до елементів, які охолоджуються, тобто  здійснюється не в адіабатних умовах. Тому дійсна температура горіння  завжди є нижчою за калориметричну:

t_д = h_пірt_д,

де h_пір – пірометричний коефіцієнт, що залежить від конструкції агрегату, типа пристроїв для спалення, характеру тепловіддачі і у середньому складає 0,65 ¸ 0,75.

Теоретичну температуру  горіння визначають з урахуванням  процесів дисоціації молекул, які протікають при утворенні продуктів згоряння. Для більшості агрегатів температури  у робочому об^/ємі не досягають величин, коли можуть суттєво розвиватися процеси дисоціації СО₂ та Н₂О. Тому теоретичну температуру звичайно приймають рівною калориметричній.

Здійснення реакцій горіння  можливо лише при створенні умов для спалахування суміші газового палива та окислювача.

Спалахування може бути самочинним або вимушеним. Самочинне спалахування або самоспалахування – це самочинне  прискорення хімічних реакцій окислення  палива, що протікають повільно на початку  і практично миттєво на завершальної стадії. Для самочинного спалахування треба увесь об^/єм суміші газу та окислювача поступово довести до визначеної температури (температури спалахування) і ця суміш спалахує без зовнішнього високотемпературного джерела (іскри, факелу і т.д.).

Вимушене спалахування обумовлене внесенням у суміш високотемпературного джерела для її запалювання. У  цьому випадку не треба нагрівати  всю суміш до певної температури, достатньо лише запалити її у одній  точці. Подальшій процес горіння  суміші здійснюється поступово з  визначеною швидкістю розповсюдження полум^/я.

Спалахування суміші є можливим, якщо вміст газу у повітрі знаходиться  у визначених межах. При незначному вмісті газу кількості теплоти, що виділяється  при горінні, недостатньо для  доведення сусідніх об^/ємів до температури спалахування. Таке ж явище відбувається і при занадто великому вмісті газу унаслідок нестачі кисню для його горіння. У обох випадках розповсюдження полум^/я припиняється і такі концентрації газу у суміші з повітрям відповідають нижній та верхній границі спалахування або вибуховості.

Границі спалахування суміші газу з  повітрям розширюються з підвищенням  температури. Наприклад, для суміші водню з повітрям при зростанні її початкової температури від 20⁰С до 400⁰С нижня межа спалахування знижується на 2 ¸ 2,5%, а верхня зростає на 9 ¸ 10%.

Вплив підвищення тиску носить більш  складний характер. Підвищення тиску  вище атмосферного для деяких сумішей (наприклад, водню з повітрям) звужує границі спалахування, а для інших (наприклад, суміші метану з повітрям) розширює їх. При тиску нижче атмосферного верхня та нижня границі зближуються, тобто концентраційні межі спалахування звужуються.