Газоснабжение

Розбавлення горючих газів  баластними домішками (N₂, СО₂ і т.д.) погіршує умови їх спалахування та звужує його концентраційні границі. Наприклад, якщо границі спалахування оксиду вуглецю у кисні становлять 15,5 ¸ 94%, то у повітрі, яке фактичне являє собою суміш кисню і азоту, цей діапазон складає 12,5 ¸ 74,2%. 

Детонація – це прогресуючий, лавиноподібний вибух суміші газу. Тиск при вибуху до 1 МПа концентрується у граничному шарі, що розділює ударну хвилю та суміш  газу, яка не вступила у реакцію  горіння. Цей тиск різко підвищує температуру наступних шарів  свіжого газу та розширює межі їх вибуховості. Розповсюдження хвилі по газопроводу  при детонації може призвести  до зростання тиску у фронті її руху до 3,5 МПа, а швидкості руху до 3000 м/с, тобто майже на порядок  вище звукової. Ця хвиля легко руйнує на своєму шляху різні перепони.

Спалювання палива у промислових  агрегатах характеризується стаціонарним положенням факелу. Стаціонарність положення  фронту горіння є наслідком балансу  кількості свіжої суміші, що надходить  до нього у одиницю часу, та швидкості  її вигоряння у зоні реакцій. Цей  процес визначається або нормальною швидкістю поширення полум^/я при ламінарному режимі руху суміші, або турбулентною швидкістю поширення полум^/я у турбулентному потоці. Ці швидкості є обмеженими і становлять від декількох сантиметрів до декількох метрів на секунду. Наприклад, для повітряних сумішей водню нормальна швидкість поширення полум^/я складає 1,6 ¸ 1,8 м/с; для СО – 0,28 ¸ 0,3 м/с; для метану – 0,28 ¸ 0,37 м/с.

Границі спалахування окремих горючих  компонентів промислового газового палива наведені у табл. 2.

Таблиця 2.

Межі спалахування газів  у суміші з повітрям.

 

Газ		H2	CO	CH4	H2S	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С2Н2
Межа спалахування, % об.	Нижня	4,1	12,5	5,3	4,3	3,2	2,4	1,9	2,5
	Верхня	74,2	74,2	14,0	45,5	12,5	9,5	8,4	80

 

Для технічних газів, що складаються  із суміші різних горючих компонентів  і не утримують баластних домішок, границі спалахування визначають за правилом Ле-Шательє:

, %;           , %;

l_H(Н2), l_H(СО), l_H(СН4) , ..... та l_В(Н2), l_В(СО) , l_В(СН4) ,...... – нижня та верхня межі спалахування окремих горючих компонентів газу в суміші з повітрям, %, які наведені в табл. 1;

Н₂ , СО, СН₄ , .... – вміст горючих компонентів у газі, % об.

Для визначення границь спалахування технічних газів, що вміщують інертні  домішки, при використанні правила  Ле-Шательє треба враховувати  експериментальні дані щодо залежності границь спалахування від вмісту баластних компонентів у газі. На рис. 2, 3 представлені графіки, що показують  зміну границь спалахування повітряних сумішей деяких горючих газів  при додаванні до них азоту, диоксиду вуглецю та водяної пари.

У разі використання забаластованого  газового палива групують горючі компоненти з інертними по парах і для  кожної пари знаходять з рис. 2, 3 границі спалахування. Потім за правилом Ле-Шателье визначають границі спалахування складного газу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Можна також визначати границі  спалахування забаластованих газів  за допомогою формул:

,%;          ,%,

де б – частка баластних домішок  в газі:

б =

;

l_H, l_В – межі спалахування суміші горючих компонентів газу, які розраховують за формулою Ле – Шательє.

Для спалення газового палива застосовують пальники з повним попереднім змішуванням газу та повітря (це процес кінетичного горіння), з частковим  їх змішуванням у пальнику та зі змішуванням палива та повітря у  процесі горіння ( це процес дифузійного  горіння).

Повне змішування здійснюється у інжекційних  пальниках (рис. 4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

З газового сопла пальника витікає газ з великою швидкістю  та інжектує повітря для горіння  безпосередньо з атмосфери. Повітря  надходить через вхідну камеру до камери змішування, де змішуються газ  з повітрям та вирівнюються їх швидкості. У дифузорі швидкісний напір перевтілюється у статичний тиск для подолання  опору тракту газоповітряної суміші. Конфузом забезпечує потрібну швидкість  вильоту суміші та попередження проскакування  полум’я у середину пальника. Суміш  газу з повітрям з конфузору надходить  на спалювання.

Прикладом дифузійного пальника може бути пальник типу “труба у  трубі” (рис. 5). Змішування газу та повітря  тут здійснюється повністю за межами пальника, тобто у процесі горіння. Пальники з неповним попереднім змішуванням  займають проміжне положення між  кінетичними та дифузійними (рис. 6). Ці пальники мають змішувач, куди надходить  газ та повітря, що є необхідним для  горіння. Але з-за недостатньої довжини  змішувача змішування закінчується лише у камері спалювання у процесі  горіння.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема 3. Пірогенні викиди шкідливих речовин.

 

Види та структура  викидів при спалюванні палива. Порівняльна  екологічна характеристика видів промислового палива. Утворення оксидів сірки та їх вплив на довкілля. Механізм утворення оксидів азоту; “паливні” і “повітряні” оксиди азоту. Рівновага концентрація NO та час її досягнення; фактори, що впливають концентрацію NO_х у продуктах згоряння. Вплив пірогенних викидів оксидів азоту на довкілля.

 

При спалюванні палива уся його маса перетворюється у відходи, причому  продукти горіння у декілька разів  перевищують масу палива, що використовується, за рахунок включення до них азоту  та кисню повітря. Наприклад, при  спаленні вугілля це перевищення  складає біля 4 разів, при спаленні газу – біля 5 разів. Від спалення палива у атмосферу викидається  біля 200 млн тон оксидів вуглецю, більш, ніж 50 млн тон різних вуглеводнів, 250 млн тон дрібнодисперсних аерозолів, оксиди сірки, азоту і т.д. Це у  значному ступіні порушує встановлені  у біосфері колові процеси. Наприклад, Значні викиди СО₂ призвело до того, що вміст його у атмосфері за останні 100 років зріс на 10%. Збиток кисню з атмосфери протікає з швидкістю 1% на рік і його кількість поки що відновлюється екваторіальною рослинністю та тайгою.

Як вже зазначалося, газове паливо є самим чистим з точки зору негативного впливу на довкілля ; викиди шкідливих речовин при його спалюванні у 3 ¸ 4 рази менше, ніж при спаленні рідкого палива, і у 6 ¸ 8 разів менше, ніж при використанні твердого палива. Тому газопостачання дозволяє у значному ступіні знизити екологічне навантаження, зокрема, за рахунок різкого зниження викидів у атмосферу з продуктами згоряння пилу, сірчаних газів, оксидів азоту. Це у цілому призводить до оздоровлення повітряного басейну та покращує санітарно-гігієнічні умови життя населення.

Від спалювання палива у атмосферу  кожен рік викидається біля 190 млн т оксидів сірки, у основному  сірчаного газу SO₂. При горінні сірка, що містить паливо, практично повністю переходить у SO₂ та виноситься у атмосферу, де окислюється до SO₃. При розчині у волозі повітря утворюються сірчана та сірчиста кислоти, їх солі. Кінцеві продукти реакцій за участю SO₂ випадають у вигляді кислотних опадів на поверхню літосфери (43%), гідросфери (32%), поглинаються рослинами суши (12%) та гідросфери (13%). Ареали кислотних опадів – це індустріальні держави Європи, Північної Америки, Азії, причому за рахунок переносу повітряними потоками вони можуть випадати навіть на відстані 1000–1500км від місць емісії оксидів.

Відбувається деградація лісів, руйнується хлорофіл рослин, погіршується фотосинтез, що призводить до зниження врожайності  сільськогосподарських культур, у  тому числі злакових. Особливо чутливими  до кислотних опадів є хвойні та деякі фруктові рослини.

Підвищення кислотності грунту підсилює вимивання з нього катіонів кальцію, калію, магнію; руйнуються карбонатні породи та органіка грунтів. Закислення водойм призводить до збіднення їх фауни, до загибелі цінних порід риб. Техногенна кислота негативно впливає  на здоров^/я людей, викликає подразнення очей, шкіри, дихальних шляхів, їх захворювання.

Прискорюється корозія обладнання, руйнація будинків, споруд, пам^/яток історії та культури, особливо з вапняку та мармуру. Встановлено, наприклад, що у промислових районах швидкість корозії сталі приблизно у 20 разів, а алюмінію у 100 разів більше, ніж у сільській місцевості.

Використання сірчаного  палива ускладнює проведення технологічних  процесів та збільшує витрати на отримання  продукції. Наприклад, у мартенівському процесі сірка з газової фази переходить у розплав металу і  для її видалення необхідно збільшувати  час доводки металу. Це знижує продуктивність агрегату; потрібна додаткова витрата  флюсів для видалення сірки з  ванни; зростають питомі витрати  палива на виплавку сталі. Опалення нагрівальних печей недостатньо очищеним коксовим газом зі значним вмістом сірчаних сполук, таких як сірководень Н₂S, сірковуглець СS₂, призводить до зростання угару металу.

Оксиди азоту займають основне  місце серед забруднювачів повітряного  басейну пірогенного походження. Їх кількість складає біля 20 млн  т на рік, причому 90% з них –  це NO. У середньому від переробки руди до випуску готового прокату у розрахунку на 1 т продукції викидається біля 90 кг оксидів азоту.

Оксиди азоту спричиняють токсичну та подразнюючу дію на організм. На виході з димової труби кількість  NO₂ відносно невелика і складає біля 10% від усіх оксидів азоту. Однак при русі димового факелу у атмосфері у результаті реакцій кількість NO₂ у продуктах згоряння зростає до 60 ¸ 70%. Це підсилює негативний вплив димових газів на природу та живі організми, оскільки діоксид азоту є значно токсичнішим, ніж оксид. Слід враховувати також, що викиди промислових підприємств здійснюються звичайно на висоту від 100 до 300 та більше метрів, і це сприяє їх потраплянню у верхні шари атмосфери.

Ланцюговий механізм утворення  оксиду азоту NO має вигляд:

О₂ + М ® О + О + М – зародження ланцюгу;       (1)

О + N₂ ® NO + N;                                                    (2)

N + О₂ ® NO + O;      ланцюг                                  (3)

                         ................

О + О ® О₂ + М – обрив ланцюгу;                         (4)

де М – активна молекула.

Сумарна реакція  утворення NO є ендотермічною:

N₂ + O₂ = 2NO – 180,6 кДж.

За механізмом (2) окислюється азот повітря та утворюються “повітряні”  оксиди азоту при температурах більше, ніж 1500⁰С. При 800 ¸ 1300⁰С утворюються “паливні” оксиди азоту за реакцією (3). Тут окислюються сполуки азоту, які присутні у паливі, наприклад, аміак.

Рівновага концентрація оксиду азоту  за формулою Я.Б. Зельдовича та Д.А. Франк-Каменецького дорівнює:

[NO] = 4,6

,

де [O₂]; [N₂] – концентрація  O₂ та N₂ у зоні горіння;

Т – абсолютна температура у  зоні реакції;

R – газова стала паливно – повітряної суміші.

Тобто, концентрація оксиду азоту зростає зі зростанням концентрації O₂ та N₂ у зоні реакції, а також температури у ній.

Час досягнення рівновагої концентрації NO:

,

де h - відношення густини середовища у зоні реакції до густини вихідної суміші.

З останньої формули видно, що з  підвищенням температури значення t_[NO] різко знижується. Так, при Т = 1600К t_[NO] складає 910 с, а при Т = 2100К t_[NO] = 0,27 с.

Для рівновагого складу продуктів  згоряння природного газу та газів, що є близькими до його складу, за різної ентальпії вихідної суміші або збагаченні киснем повітря при температурах у зоні горіння Т = 1900 ¸ 3020К вихід [NO] становить:   

[NO] = 4,3

.

При спалюванні стехіометричної  метано – повітряної суміші при  температурах Т = 1500 ¸ 2700 К кількість кисню у продуктах згоряння можна визначити за формулою:

[O₂] = 4,6*10³

.

Цю ж формулу можна  використовувати для наближеного  визначення [O₂] у продуктах спалювання природного газу зі стехіометричною кількістю повітря.

Експериментальними дослідженнями  встановлено:

1.З підвищенням коефіцієнту  витрати повітря до 1,2 вихід оксидів  азоту зростає, а потім зменшується;

2.Зменшення n з 1,2 до 1,05 знижує вихід NO_Х на 35 ¸ 45%;

3.При дифузійному спаленні палива  n незначно впливає на вихід NO_Х;

4.Форсована робота пальників  з навантаженням, що на 10 ¸ 25% перевищує номінальне, призводить до зростання виходу NO_Х приблизно на 30%;

5.Фактичні концентрації NO_Х у димових газах, що відходять з камери спалювання, більше ніж на порядок є нижчими, ніж їх рівновага концентрація.

Фактичну концентрацію NO_Х у продуктах згоряння можна визначити за формулою:

[NO_Х] = 0,147D_е^0,8 q_T^0,5 n^3,0, г/м³,

де D_е – еквівалентний діаметр камери горіння, м; для камери горіння прямокутного перерізу:

D_е = 4F/П;

F – площа перерізу камери горіння;