Горение газа представляет собой сочетание следующих процессов:
· смешение горючего газа с воздухом,
· подогрев смеси,
· термическое разложение горючих компонентов,
· воспламенение и химическое соединение горючих компонентов с кислородом воздуха, сопровождаемое образованием факела и интенсивным тепловыделением.
Горение метана происходит по реакции:
СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О
Условия, необходимые для сгорания газа:
· обеспечение необходимого соотношения горючего газа и воздуха,
· нагрев до температуры воспламенения.
Если в газовоздушной смеси газа меньше нижнего предела воспламенения, то она не будет гореть.
Если в газовоздушной смеси больше газа чем верхний предел воспламенения, то она будет сгорать не полностью.
Состав продуктов полного сгорания газа:
· СО 2 – углекислый газ
· Н 2 О – водяные пары
* N 2 – азот (он не реагирует с кислородом во время горения)
Состав продуктов неполного сгорания газа:
· СО – угарный газ
· С – сажа.
Для сгорания 1 м 3 природного газа требуется 9.5м 3 воздуха. Практически расход воздуха всегда больше.
Отношение действительного расхода воздуха к теоретически необходимому расходу называется коэффициентом избытка воздуха: α = L/L t .,
Где: L - действительный расход;
L t - теоретически необходимый расход.
Коэффициент избытка воздуха всегда больше единицы. Для природного газа он составляет 1.05 – 1.2.
2. Назначение, устройство и основные характеристики проточных водонагревателей .
Проточные газовые водонагреватели. Предназначены для нагрева воды до определенной температуры при водоразборе.. Проточные водонагреватели делятся по нагрузке тепловой мощности: 33600, 75600, 105000 кДж, по степени автоматизации - на высший и первый классы. К.п.д. водонагревателей 80%, содержание оксида не более 0,05%, температура продуктов сгорания за тягопрерывателем не менее180 0 С. Принцип основан на нагреве воды в период водоразбора.
Основными узлами проточных водонагревателей являются: газогорелочное устройство, теплообменник, система автоматики и газоотвод. Газ низкого давления подается в инжекционную горелку. Продукты сгорания проходят через теплообменник и отводятся в дымоход. Теплота сгорания передается протекающей через теплообменник воде. Для охлаждения огневой камеры служит змеевик, через который циркулирует вода, проходящая через калорифер. Газовые проточные водонагреватели оборудованы газоотводящими устройствами и тягопрерывателями, которые в случае кратковременного нарушения тяги предотвращают погасание пламени газогорелочного устройства. Для присоединения к дымоходу имеется дымоотводящий патрубок.
Газовый проточный водонагреватель –ВПГ. На передней стенке кожуха расположены: ручка управления газовым краном, кнопка включения электромагнитного клапана и смотровое окно для наблюдения за пламенем запальной и основной горелки. Вверху аппарата расположено дымоотводящее устройство, внизу- патрубки для присоединения аппарата к газовой и водяной системе. Газ поступает в электромагнитный клапан, газовый блокировочный кран водогазогорелочного блока осуществляет последовательное включение запальной горелки и подачу газа к основной горелке.
Блокировку поступления газа к основной горелке, при обязательной работе запальника, осуществляет электромагнитный клапан, работающий от термопары. Блокировка подачи газа в основную горелку в зависимости от наличия водоразбора, осуществляется клапаном, имеющим привод через шток от мембраны водяного блок- крана.
Александр Павлович Константинов
Главный инспектор по контролю безопасности ядерно и радиационно опасных объектов. Кандидат технических наук, доцент, профессор Российской академии естествознания.
Кухня с газовой плитой часто бывает главным источником загрязнения воздуха всей квартиры. И, что очень важно, это касается большинства жителей России. Ведь в России 90% городских и свыше 80% сельских жителей пользуются газовыми плитами Хата, З. И. Здоровье человека в современной экологической обстановке. - М. : ФАИР-ПРЕСС, 2001. - 208 с. .
В последние годы появились публикации серьёзных исследователей о высокой опасности газовых плит для здоровья. Медики знают, что в домах, где установлены газовые плиты, жители болеют чаще и дольше, чем в домах с электроплитами. Причём речь идёт о множестве разных болезней, а не только о заболеваниях дыхательных путей. Особенно заметно снижение уровня здоровья у женщин, детей, а также у пожилых и хронически больных людей, которые больше времени проводят дома.
Профессор В. Благов не зря назвал применение газовых плит «широкомасштабной химической войной против собственного народа».
Почему использование бытового газа вредит здоровью
Попытаемся ответить на этот вопрос. Есть несколько факторов, которые в сумме делают применение газовых плит опасным для здоровья.
Первая группа факторов
Эта группа факторов обусловлена самой химией процесса горения природного газа. Даже если бы бытовой газ сгорал полностью до воды и углекислого газа, это приводило бы к ухудшению состава воздуха в квартире, особенно на кухне. Ведь при этом из воздуха выжигается кислород, одновременно повышается концентрация углекислого газа. Но это не главная беда. В конце концов, тоже самое происходит с воздухом, которым дышит человек.
Гораздо хуже, что в большинстве случаев сгорание газа происходит не полностью, не на все 100%. Из-за неполного сгорания природного газа образуются гораздо более токсичные продукты. Например, оксид углерода (угарный газ), концентрация которого может многократно, в 20–25 раз превышать допустимую норму. А ведь это ведёт к головным болям, аллергии, недомоганиям, ослаблению иммунитета Яковлева, М. А. А у нас в квартире газ. - Деловой экологический журнал. - 2004. - № 1(4). - С. 55. .
Помимо угарного газа в воздух выделяются сернистый газ, оксиды азота, формальдегид, а также бензпирен - сильный канцероген. В городах бензпирен попадает в атмосферный воздух от выбросов металлургических предприятий, тепловых электростанций (особенно угольных) и автомобилей (особенно старых). Но концентрация бензпирена даже в загазованном атмосферном воздухе не идёт в сравнение с его концентрацией в квартире. На рисунке показано, насколько больше мы получаем бензпирена, находясь на кухне.
Поступление бензпирена в организм человека, мкг/сут
Сравним первые два столбца. На кухне мы получаем вредных веществ в 13,5 раз больше, чем на улице! Для наглядности оценим поступление бензпирена в наш организм не в микрограммах, а в более понятном эквиваленте - числе выкуриваемых ежедневно сигарет. Так вот, если курильщик выкуривает в день одну пачку (20 сигарет), то на кухне человек получает в день эквивалент от двух до пяти сигарет. То есть хозяйка, имеющая газовую плиту, как бы немного «курит».
Вторая группа факторов
Эта группа связана с условиями эксплуатации газовых плит. Любой водитель знает, что нельзя находиться в гараже одновременно с автомобилем, у которого включён двигатель. Но ведь на кухне мы имеем как раз такой случай: сжигание углеводородного топлива в закрытом помещении! У нас отсутствует то устройство, которое есть у каждого автомобиля, - выхлопная труба. По всем правилам гигиены каждая газовая плита должна быть снабжена зонтом вытяжной вентиляции.
Особенно плохо обстоят дела в случае, если мы имеем маленькую кухню в малогабаритной квартире. Мизерная площадь, минимальная высота потолков, плохая вентиляция и весь день работающая газовая плита. А ведь при низких потолках продукты сгорания газа скапливаются в верхнем слое воздуха толщиной до 70–80 сантиметров Бойко, А. Ф. Здоровье на 5+. - М. : Российская газета, 2002. - 365 с. .
Часто труд домохозяйки у газовой плиты сравнивают с вредными условиями труда на производстве. Это не совсем правильно. Расчёты показывают, что если кухня маленькая, при этом отсутствует хорошая вентиляция, то мы имеем дело с особо вредными условиями труда. Типа металлурга, обслуживающего коксохимические батареи.
Как уменьшить вред от газовой плиты
Как же нам быть, если всё настолько плохо? Может быть, действительно стоит избавиться от газовой плиты и установить электрическую или индукционную? Хорошо, если есть такая возможность. А если нет? На этот случай имеется несколько простых правил. Достаточно их соблюдать, и вы сможете уменьшить вред здоровью от газовой плиты в десятки раз. Перечислим эти правила (большая их часть - рекомендации профессора Ю. Д. Губернского) Ильницкий, А. Пахнет газом. - Будь здоров!. - 2001. - № 5. - С. 68–70. .
- Необходимо установить над плитой вытяжной зонт с воздухоочистителем. Это самый действенный приём. Но даже если по каким-то причинам вы не можете этого сделать, то остальные семь правил в сумме тоже позволят значительно уменьшить загазованность воздуха.
- Следите за полнотой сгорания газа. Если вдруг цвет газа стал не таким, каким должен быть по инструкции, немедленно вызывайте газовиков для регулирования разладившейся горелки.
- Не загромождайте плиту лишней посудой. Посуда должна стоять только на работающих горелках. В этом случае будет обеспечиваться свободный доступ воздуха к горелкам и более полное сгорание газа.
- Одновременно в работе лучше использовать не более двух горелок или духовку и одну горелку. Даже если у вашей плиты четыре горелки, одновременно лучше включать максимум две.
- Максимальное время непрерывной работы газовой плиты - два часа. После этого необходимо сделать перерыв и хорошенько проветрить кухню.
- Во время работы газовой плиты двери на кухню должны быть закрыты, а форточка открыта. Это обеспечит удаление продуктов сгорания через улицу, а не через жилые комнаты.
- После окончания работы газовой плиты целесообразно проветрить не только кухню, но и всю квартиру. Желательно сквозное проветривание.
- Никогда не используйте газовую плиту для обогрева и сушки белья. Вы же не станете для этой цели разжигать костёр посреди кухни, верно?
СН 4 +2 × О 2 +7,52 × N 2 = СО 2 +2 × Н 2 О+7,5 × N 2 +8500 Ккал
Воздух:
,отсюда вывод:
на 1 м 3 О 2 приходится 3,76 м 3 N 2
При сжигании 1 м 3 газа необходимо затратить 9,52 м 3 воздуха, (т.к. 2+7,52). При полном сгорании газа выделяется:
· Углекислый газ СО 2 ;
· Пары воды;
· Азот (балласт воздуха);
· Выделяется теплота.
При сгораниии 1 м 3 газа выделяется 2 м 3 воды. Если температура отходящих дымовых газов в дымовой трубе меньше 120 О С и труба высокая неутеплённая, то эти пары воды конденсируются вдоль стенок дымовой трубы в её нижнюю часть, откуда через отверстие поступают в дренажную ёмкость или линию.
Чтобы исключить образование конденсата в дымовой трубе, необходимо утеплять трубу или уменьшить высоту дымовой трубы, предварительно просчитав тягу в трубе (т.е. уменьшать высоту трубы опасно).
Продукты полного сгорания газа.
· Углекислый газ;
· Пары воды.
Продукты неполного сгорания газа.
· Угарный газ СО;
· Водород Н 2 ;
· Углерод С.
В реальных условиях для сжигания газа подача воздуха несколько больше, чем рассчитано по формуле. Отношение действительного объёма воздуха, поданного на горение к теоретически рассчитанному объёму, называется коэффициентом избытка воздуха (a ). Он не должен быть более, чем 1,05…1,2:
Чрезмерно большой избыток воздуха снижает К.П.Д. котла.
По городу:
175 кг условного топлива тратится на выработку 1 Гкал тепла.
По промыслам:
162 кг условного топлива тратится на выработку 1 Гкал тепла.
Избыток воздуха определяется анализом дымовых газов прибором.
Коэффициент a по длине топочного пространства неодинаков. В начале топки у горелки , а при выходе дымовых газов в дымовую трубу он больше рассчётного за счёт подсосов воздуха через негерметичную обмуровку (обшивку) котла.
Данная информация относится к котлам, работающим под разряжением, когда давление в топке меньше атмосферного.
Котлы, работающие под избыточным давлением газов в топке котла, называются котлами, работающими под наддувом. В таких котлах обмуровка должна быть очень герметична, чтобы предотвратить попадание дымовых газов в котельную и отравление людей.
Состав и свойства природного газа. Природный газ (газ горючий природный; ГГП ) - Газообразная смесь, состоящая из метана и более тяжёлых углеводородов, азота, диоксида углерода, водяных паров, серосодержащих соединений, инертных газов. Метан является основным компонентом ГГП. ГГП обычно также содержит следовые количества других компонентов (рис.1).
1. Горючие компоненты включают углеводороды :
а) метан (СН 4) - основной компонент природного газа, до 98% по объему (остальные компоненты присутствуют в небольших количествах или отсутствуют). Без цвета, запаха и вкуса, нетоксичен, взрывоопасен, легче воздуха;
б) тяжелые (предельные) углеводороды [этан (С 2 Н 6), пропан (С з Н 8), бутан (С 4 Н 10) и др.] - без цвета, запаха и вкуса, нетоксичны, взрывоопасны, тяжелее воздуха.
2. Негорючие компоненты (балласт) :
а) азот (N 2) - составная часть воздуха, без цвета, запаха и вкуса; инертный газ, т. к. не взаимодействует с кислородом;
б) кислород (О 2) - составная часть воздуха; без цвета, запаха и вкуса; окислителем.
в) углекислый газ (диоксид углерода СО 2) - без цвета со слегка кисловатым привкусом. При содержании в воздухе более 10% токсичен, тяжелее воздуха;
Воздух . Сухой атмосферный воздух, это многокомпонентная газовая смесь состоящая из (об. %): азота N 2 - 78 %, кислорода О 2 - 21 %, инертных газов (аргон, неон, криптон и пр.) - 0,94 % и углекислого газа – 0,03 %.
Рис.2. Состав воздуха.
|
Воздух так же содержит водяной пар и случайные примеси – аммиак, сернистый газ, пыль, микроорганизмы и пр. (рис. 2 ). Газы, которые входят в состав воздуха, распределены в нем равномерно и каждый из них сохраняет свои свойства в смеси.
3. Вредные компоненты :
а) сероводород (Н 2 S) - без цвета, с запахом тухлых яиц, токсичен, горит, тяжелее воздуха.
б) цианистоводородная (синильная) кислота (HCN) - бесцветная легкая жидкость, в газе имеет газообразное состояние. Ядовита, вызывает коррозию металла.
4. Механические примеси (содержание зависит от условий транспортирования газа):
а) смолы и пыль - перемешиваясь могут образовать закупорки в газопроводах;
б) вода - при низких температурах замерзает, образуя ледяные пробки, что приводит к обмерзанию редуцирующих устройств.
ГГП по токсикологической характеристике относятся к веществам ΙV-го класса опасности по ГОСТ 12.1.007. Это газообразные малотоксичные пожаровзрывоопасные продукты.
Плотность : плотность атмосферного воздуха при нормальных условиях - 1,29 кг/м 3 , а метана - 0,72 кг/ м 3 , следовательно метан легче воздуха.
Требования ГОСТ 5542-2014 к показателям ГГП:
1) массовая концентрация сероводорода - не более 0,02 г/м 3 ;
2) массовая концентрация меркаптановой серы - не более 0,036 г/м 3 ;
3) молярная доля кислорода - не более 0,050% ;
4) допустимое содержание механических примесей - не более 0,001 г/м 3 ;
5) молярная доля диоксида углерода в природном газе, не более 2,5 %.
6) Низшая теплота сгорания ГГП при стандартных условиях сгорания по ГОСТ 5542-14 - 7600 ккал/м 3 ;
8) интенсивность запаха газа для коммунально-бытового назначения при объемной доле 1% в воздухе – не менее 3 баллов , а для газа промышленного назначения этот показатель устанавливают по согласованию с потребителем .
Единица комерческогорасхода ГГП - 1 м 3 газа при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 20 о С ;
Температура самовоспламенения – наименьшая температура нагретой поверхности, которая в заданных условиях воспламеняет горючие вещества в виде газо- или паровоздушной смеси. Для метана составляет 537 °С. Температура горения (максимальная температура в зоне горения): метана - 2043 °С.
Удельная теплота сгорания метана: низшая - Q H = 8500 ккал/м 3 , высшая - Qв - 9500 ккал/м 3 . Для целей сравнения видов топлива введено понятие условного топлива (у.т.) , в РФ за его единицу принималась теплота сгорания 1 кг каменного угля, равная 29,3 МДж или 7000 ккал/кг.
Условия измерения расхода газа бывают :
· нормальные условия (н. у ): стандартные физические условия, с которыми обычно соотносят свойства веществ. Нормальные условия определены IUPAC (Международным союзом практической и прикладной химии) следующим образом: Атмосферное давление 101325 Па = 760 мм рт. ст ..Температура воздуха 273,15 K = 0° C . Плотность метана при н.у. - 0,72 кг/ м 3 ,
· стандартные условия (с. у ) объема при взаимных (коммерческих ) расчетах с потребителями - ГОСТ 2939-63 : температура 20°С, давление 760 мм рт.ст. (101325 Н/м), влажность равна нулю. (По ГОСТ 8.615-2013 нормальные условия именуются как "стандартные условия"). Плотность метана при с.у. - 0,717 кг/м 3 .
Скорость распространения пламени (скорость горения) – скорость перемещения фронта пламени относительно свежей струи горючей смеси в данном направлении . Ориентировочная скорость распространения пламени: пропан - 0,83 м/с, бутан - 0,82 м/с, метан - 0,67 м/с, водород - 4,83 м/с., зависит от состава, температуры, давления смеси, соотношения газа и воздуха в смеси, диаметра фронта пламени, характера движения смеси (ламинарное или турбулентное) и определяет устойчивость горения .
К недостаткам (опасным свойствам)ГГП относятся: взрываемость (воспламеняемость); интенсивное горение; быстрое распространение в пространстве; невозможность определения нахождения; удушающие действие, при недостатке кислорода для дыхания .
Взрываемость (воспламеняемость) . Различают :
а) нижний предел воспламеняемости (НПВ ) – наименьшее содержание газа в воздухе, при котором газ воспламеняется (метан – 4,4%) . При меньшем содержании газа в воздухе воспламенения не будет из-за недостатка газа; (рис. 3)
б) верхний предел воспламеняемости (ВПВ ) – наибольшее содержание газа в воздухе, при котором происходит процесс воспламенения (метан – 17% ) . При большем содержании газа в воздухе воспламенения не будет из-за недостатка воздуха. (рис. 3)
В ФНП НПВ и ВПВ называют нижними и верхним концентрационными пределоми распространения пламени (НКПРП и ВКПРП ) .
При повышении давления газа диапазон вежду верхним и нижним пределами давления газа – уменьшается (рис. 4).
Для взрыва газа (метана ) кроме содержания его в воздухе в пределах воспламеняемости необходим сторонний источник энергии (искра, пламя и т. д.) . При взрыве газа в закрытом объеме (помещение, топка, резервуар и т. д.) , разрушений больше, чем при взрыве на открытом воздухе (рис. 5 ).
Предельно допустимые концентрации (ПДК ) вредных веществ ГГП в воздухе рабочей зоны установлены в ГОСТ 12.1.005.
Максимальная разовая ПДК в воздухе рабочей зоны (в пересчете на углерод) составляет 300 мг/м 3 .
Опасная концентрация ГГП (объемная доля газа в воздухе) – это концентрация, равная 20% нижнего предела воспламеняемости газа.
Токсичность - способность отравлять организм человека. Углеводородные газы не оказывают сильного токсикологического действия на организм человека, но их вдыхание вызывает у человека головокружение, а значительное их содержание во вдыхаемом воздухе. При снижении кислорода до 16 % и менее, может привести к удушью .
При сжигании газа с недостатком кислорода , т. е. с недожогом, в продуктах сгорания образуется окись углерода (СО) , или угарный газ, который является высокотоксичным газом.
Одоризация газа - добавление в газ сильно пахнущего вещества (одоранта) для придания запаха ГГП перед поставкой потребителям в городские сети. При использовании для одоризвции этилмеркаптана (С 2 Н 5 SН - по степени воздействия на организм относится ко ΙΙ-му классу токсикологической опасности по ГОСТ 12.1.007-76 ), его добавляют 16 г на 1000м 3 . Интенсивность запаха одорированного ГГП при объемной его доле 1% в воздухе, должна быть не менее 3 баллов по ГОСТ 22387.5.
Не одорированный газ может поставляться на промышленные предприятия, т.к. интенсивность запаха природного газа для промышленных предприятий, потребляющих газ от магистральных газопроводов, устанавливается по согласованию с потребителем.
Горение газов. Топка котла (печи), в которой газообразное (жидкое) топливо сжигается в факеле соответствует понятию «камерная топка стационарного котла».
Горение углеводородных газов – химическое соединение горючих компонентов газа (углерода С и водорода Н) с кислородом воздуха О 2 (окисление) с выделением тепла и света: СН 4 +2О 2 =СО 2 +2Н 2 О .
При полном сгорании углерода образуется углекислый газ (СО 2) , а водо рода - водяной пар (Н 2 О) .
Теоретически для сжигания 1 м 3 метана необходимо 2 м 3 кислорода, которые содержатся в 9,52 м 3 воздуха (рис. 6). Если воздуха на горение подается недостаточно , то для части молекул горючих компонентов не будет хватать молекул кислорода и в продуктах сгорания кроме углекислого газа (СО 2), азота (N 2) и водяных паров (Н 2 О) появятся продукты неполного сгорания газа :
- угарный газ (СО) , который при попадании в помещение может вызвать отравление обслуживающего персонала;
- сажа (С) , которая, осаждаясь на поверхностях нагрева ухудшает теплообмен ;
- несгоревшие метан и водород , которые могут скапливаться в топках и газоходах (дымоходах), образуя взрывоопасную смесь. При нехватке воздуха происходит неполное сгорание топлива или, как говорят, процесс горения происходит с недожогом . Недожог может происходить также при плохом перемешивании газа с воздухом и низкой температуре в зоне горения .
Для полного сгорания газа необходимо: наличие в месте горения воздуха в достаточном количестве и хорошее смешение его с газом; высокая температуру в зоне горения.
Для обеспечения полного сгорания газа воздух подается в большем, чем требуется теоретически, количестве, т. е. с избытком, при этом не весь воздух примет участие в горении. Часть тепла уйдет на нагрев этого лишнего воздуха и будет выброшена в атмосферу вместе с дымовым газом.
Полнота сгорания определяется визуально (должно быть голубовато – синеватое пламя с фиолетовыми концами) или по анализу состава дымовых газов.
Теоретический (стехиометрический) объём воздуха для горения – это количество воздуха, необходимое для полного сжигания единицы объёма (1 м 3 сухого газа или массы топлива, вычисляемое по химическому составу топлива ).
Действительный (фактический, необходимый) объём воздуха для горения – это количество воздуха, действительно израсходованное для сжигания единицы объёма или массы топлива.
Коэффициент избытка воздуха для горения α - это отношение фактического объёма воздуха для горения к теоретическому: α = V ф / V т >1,
где: V ф - фактический объем подаваемого воздуха, м 3 ;
V т – теоретический объем воздуха, м 3 .
Коэффициент избытка показывает во сколько раз действительный расход воздуха на горение газа превышает теоретический изависит от конструкции газовой горелки и топки: чем они совершеннее, тем коэффициент α меньше. При коэффициенте избытка воздуха для котлов меньше 1 приводит к неполному сгоранию газа. Увеличение коэффициента избытка воздуха снижает к.п.д. газоиспользующей установки. Для ряда печей, где происходит плавка металла, во избежании кислородной коррозии – α < 1 и за топкой устанавливают камеру догорания не сгоревших горючих компонентов.
Для регулирования тяги применяются направляющие аппараты, шибера, поворотные заслонки и электромеханические муфты.
Преимущества газообразного топлива по сравнению с твёрдым и жидким – низкая стоимость, облегчение труда персонала, низкое количество вредных примесей в продуктах сгорания, улучшение условий охраны природы, отсутствие необходимости в автомобильном и ж/д транспорте, хорошее перемешивание с воздухом (меньше α), полная автоматизация, высокий кпд.
Методы сжигания газа. Воздух, идущий на горение, может быть:
1) первичный , подается вовнутрь горелки, где перемешивается с газом (на горение идет газовоздушная смесь).
2) вторичный , поступает непосредственно в зону горения.
Различают следующие методы сжигания газа:
1. Диффузионный метод - газ и воздух на горение подаются раздельно и перемешиваются в зоне горения, т.е. весь воздух является вторичным. Пламя длинное, требуется большое топочное пространство. (рис. 7а).
2. Кинетический метод - весь воздух перемешивается с газом внутри горелки, т.е. весь воздух является первичным. Пламя короткое, требуется небольшое топочное пространство (рис. 7в).
3. Смешанный метод - часть воздуха подается вовнутрь горелки, где смешивается с газом (это первичный воздух), а часть воздуха подается в зону горения (вторичный). Пламя короче , чем при диффузионном методе (рис. 7б).
Удаление продуктов сгорания. Разрежение в топке и удаление продуктов сгорания производятся силой тяги, преодолевающей сопротивления дымового тракта и возникающей за счет разности давлений равных по высоте столбов наружного холодного воздуха и более легкого горячего дымового газа. При этом происходит движение дымовых газов из топки в трубу, а на их место в топку поступает холодный воздух (рис. 8).
Сила тяги зависит от: температуры воздуха и дымовых газов, высоты, диаметра и толщины стенки дымовой трубы, барометрического (атмосферного) давления, состояния газоходов (дымоходов), присосов воздуха, разрежения в топке .
Естественная сила тяги - создается высотой дымовой трубы, и искусственная , которая - дымососом при недостаточной естественной тяге. Сила тяги регулируется шиберами, направляющими аппаратами дымососов и другими устройствами.
Коэффициент избытка воздуха (α ) зависит от конструкции газовой горелки и топки: чем они совершеннее, тем коэффициент меньше и показывает: во сколько раз действительный расход воздуха на горение газа превышает теоретический.
Наддув – удаление продуктов сгорания топлива за счет работы дутьевых вентиляторов .При работе «под наддувом» необходима прочная плотная камера сгорания (топка), способная выдержать создаваемое вентилятором избыточное давление.
Газогорелочные устройства. Газовые горелки - обеспечивают подачу необходимого количества газа и воздуха, их перемешивание и регулирование процесса горения, а оборудованные тоннелем, воздухораспределительным устройством и т.д., называется газогорелочным устройством.
Требования к горелкам :
1) горелки должны отвечать требованиям соответствующего технического регламента (иметь сертификат или декларацию соответствия) или пройти экспертизу промышленной безопасности;
2) обеспечивать полноту сжигания газа при всех рабочих режимах с минимальным избытком воздуха (кроме некоторых горелок газовый печей) и минимальным выбросом вредных веществ;
3) иметь возможность применения автоматики регулирования и безопасности, а также измерения параметров газа и воздуха перед горелкой;
4) должны иметь простую конструкцию, быть доступными для ремонта и ревизии;
5) устойчиво работать в пределах рабочего регулирования, при необходимости иметь стабилизаторы для предотвращения отрыва и проскока пламени;
Параметры газовых горелок (рис. 9). Согласно ГОСТ 17356-89 (Горелки газовые, жидкотопливные и комбинированные. Термины и определения. Изм. N 1) :Предел устойчивости работы горелки , при котором еще не возникают погасание, срыв, отрыв, проскок пламени и недопустимые вибрации.
Примечание. Существуют верхний и нижний пределы устойчивой работы.
1) Тепловая мощность горелки N г . – количество теплоты, образующееся в результате сжигания топлива, подводимого к горелке в единицу времени, N г =V . Q ккал/ч , где V - часовой расход газа, м 3 /ч; Q н. - теплота сгорания газа, ккал/м 3 .
2) Пределы устойчивости работы горелки , при котором еще не возникают погасание, срыв, отрыв, проскок пламени и недопустимые вибрации . Примечание. Существуют верхний - N в.п . и нижний -N н.п пределы устойчивой работы.
3) минимальная мощность N мин. - тепловая мощность горелки, составляющая 1,1 мощности, соответствующей нижнему пределу её устойчивой работы, т.е. мощность низшего предела увеличенная на 10%, N мин. =1,1N н.п.
4) верхний предел устойчивой работы горелки N в.п. – наибольшая устойчивая мощность, работа без отрыва и проскока пламени .
5) максимальная мощность горелки N мак – тепловая мощность горелки, составляющая 0,9 мощности, соответствующей верхнему пределу ее устойчивой работы, т.е. мощность верхнего предела, уменьшенная на 10 %, N макс. = 0,9 N в.п.
6) номинальная мощность N ном – наибольшая тепловая мощность горелки, когда эксплуатационные показатели соответствуют установленным нормам, т.е. наибольшая мощность, с которой горелка работает длительное время с высоким к.п.д.
7) диапазон рабочего регулирования (тепловой мощности горелки) – регламентированный диапазон, в котором может изменяться тепловая мощность горелки во время эксплуатации, т.е. значения мощностей от N мин до N ном. .
8) коэффициент рабочего регулирования К рр. – отношение номинальной тепловой мощности горелки к её минимальной рабочей тепловой мощности, т.е. показывает, во сколько раз номинальная мощность превышает минимальную : K рр. = N ном./ N мин
Режимная карта. Согласно «Правил пользования газом…», утверждённых ПП РФ от 17.05.2002 № 317 (изм. 19.06.2017) , по окончании строительно-монтажных работ на построенном, реконструированном или модернизируемом газоиспользующем оборудовании и оборудовании, переводимом на газ с других видов топлива, проводятся пусконаладочные и режимно-наладочные работы. Пуск газа на построенное, реконструированное или модернизированное газоиспользующее оборудование и оборудование, переводимое на газ с других видов топлива, для проведения пусконаладочных работ (комплексного опробования) и приемки оборудования в эксплуатацию производится на основании акта о готовности сетей газопотребления и газоиспользующего оборудования объекта капитального строительства к подключению (технологическому присоединению). Правилами установлено, что:
· газоиспользующее оборудование - котлы, производственные печи, технологические линии, утилизаторы и другие установки, использующие газ в качестве топлива в целях выработки тепловой энергии для централизованного отопления, горячего водоснабжения, в технологических процессах различных производств, а также другие приборы, аппараты, агрегаты, технологическое оборудование и установки, использующие газ в качестве сырья;
· пусконаладочные работы - комплекс работ, включающий подготовку к пуску и пуск газоиспользующего оборудования с коммуникациями и арматурой, доведение нагрузки газоиспользующего оборудования до согласованного с организацией - владельцем оборудования уровня , а также наладку топочного режима газоиспользующего оборудования без оптимизации коэффициента полезного действия;
· режимно-наладочные работы - комплекс работ, включающий наладку газоиспользующего оборудования в целях достижения проектного (паспортного) коэффициента полезного действия в диапазоне рабочих нагрузок, наладку средств автоматического регулирования процессов сжигания топлива, теплоутилизирующих установок и вспомогательного оборудования, в том числе оборудования водоподготовки для котельных.
Согласно ГОСТ Р 54961-2012 (Системы газораспределительные. Сети газопотребления) рекомендуется: Режимы работы газоиспользующего оборудования на предприятиях и в котельных должны соответствоватьрежимным картам , утвержденным техническим руководителем предприятия и производятся не реже одного раза в три года с корректировкой (при необходимости) режимных карт .
Внеплановая режимная наладка газоиспользующего оборудования должна производиться в следующих случаях: после капитального ремонта газоиспользующего оборудования или внесения конструктивных изменений, влияющих на эффективность использования газа, а также при систематических отклонениях контролируемых параметров работы газоиспользующего оборудования от режимных карт.
Классификация газовых горелок Согласно ГОСТ газовые горелки классифицируются, по : способу подачи компонента; степени подготовки горючей смеси; скорости истечения продуктов сгорания; характеру потока смеси; номинальному давлению газа; степени автоматизации; возможности регулирования коэффициента избытка воздуха и характеристик факела; локализации зоны горения; возможности использования тепла продуктов сгорания.
В камерной топке газоиспользующей установки газообразное топливо сжигается в факеле .
По способу подачи воздуха горелки могут быть :
1) Атмосферные горелки – воздух поступает в зону горения непосредственно из атмосферы:
а. Диффузионные – это самая простая по конструкции горелка, представляющая собой, как правило, трубу с насверленными в один или два ряда отверстиями. Газ поступает в зону горения из трубы через отверстия, а воздух - за счет диффузии и энергии струи газа (рис. 10 ), весь воздух - вторичный .
Достоинства горелки : простота конструкции, надежность работы (невозможен проскок пламени ), бесшумность работы, хорошее регулирование.
Недостатки : малая мощность, неэкономична, высокое (длинное) пламя,необходимыстабилизаторы горения для предотвращения погасания пламени горелки при отрыве .
б. Инжекционные - воздух инжектируется, т.е. подсасывается во внутрь горелки за счет энергии струи газа, выходящей из сопла . Струя газа создает в зоне сопла разрежение, куда через зазор между воздушной шайбой и корпусом горелки подсасывается воздух. Внутри горелки газ и воздух перемешиваются, и газовоздушная смесь поступает в зону горения, а остальной воздух необходимый для горения газа (вторичный), поступает в зону горения за счет диффузии (рис. 11, 12, 13 ).
В зависимости от количества инжектируемого воздуха различают инжекционные горелки: с неполным и полным предварительным смешением газа и воздуха .
В горелки среднего и высокого давления газа подсасывается весь необходимый воздух, т.е. весь воздух первичный, происходит полное предварительное смешение газа с воздухом. В зону горения поступает полностью готовая газовоздушная смесь и необходимость во вторичном воздухе отсутствует.
В горелки низкого давления подсасывается часть воздуха, необходимого для горения (происходит неполная инжекция воздуха, данный воздух первичный), а остальной воздух (вторичный) поступает непосредственно в зону горения.
Соотношение «газ – воздух» в указанных горелках регулируется положением воздушной шайбы относительно корпуса горелки. Горелки бывают однофакельные и многофакельные с центральной и периферийной подачей газа (БИГ и БИГм) состоящим из набора трубок - смесителей 1 диаметром 48х3, объединенных общим газовым коллектором 2 (рис. 13 ).
Достоинства горелок: простота конструкции и регулирования мощности.
Недостатки горелок: высокий уровень шума, возможность проскока пламени, небольшой диапазон рабочего регулирования.
2) Горелки с принудительной подачей воздуха - это горелки, в которых воздух на горение поступает от вентилятора. Газ из газопровода поступает во внутреннюю камеругорелки (рис. 14 ).
Воздух, нагнетаемый вентилятором, подается в воздушную камеру 2 , проходит через завихритель воздуха 4 , закручивается и перемешивается в смесителе 5 с газом, который поступает в зону горения из газового канала 1 через газовыпускные отверстия 3 .Сжигание происходит в керамическом тоннеле 7 .
Рис. 14. Горелка с принудительной подачей воздуха: 1 – газовый канал; 2 – воздушный канал; 3 – газовыпускные отверстия; 4 – завихритель; 5 – смеситель; 6 – керамический туннель (стабилизатор горения).
| 
Рис. 15. Комбинированная однопоточная горелка:1 – вход газа; 2 – вход мазута; 3 – вход пара газовыпускные отверстия; 4 – вход первичного воздуха; 5 – вход вторичного воздуха смеситель; 6 – паромазутная форсунка; 7 – монтажная плита; 8 - завихритель первичного воздуха; 9 - завихритель вторичного воздуха; 10 - керамический туннель (стабилизатор горения); 11 – газовый канал; 12 - канал вторичного воздуха.
|
Достоинства горелок : большая тепловая мощность, широкий диапазон рабочего регулирования, возможность регулирования коэффициента избытка воздуха, возможность предварительного подогрева газа и воздуха.
Недостатки горелок : достаточная сложность конструкции; возможен отрыв и проскок пламени, в связи, с чем возникает необходимость применения стабилизаторов горения (керамический туннель).
Горелки, предназначенные для сжигания нескольких видов топлива (газообразного, жидкого, твердого), называются комбинированными (рис. 15 ). Они могут быть однопоточные и двухпоточные, т.е. с одним или несколькими подводами газа к горелке.
3) Блочная горелка – это автоматическая горелка с принудительной подочейвоздеха (рис. 16 ), скомпонованная с вентилятором в единый блок . Горелка укомплектована системой автоматического регулирования.
Управление процессом сжигания топлива в блочных горелках осуществляется электронным устройством, которое называется менеджером горения.
У горелок на жидком топливе в этот блок входит топливный насос или топливный насос и подогреватель топлива.
Блок управления (менеджер горения) управляет и контролирует работу горелки, получая команды от термостата (регулятора температуры), электрода контроля пламени и датчиков давления газа и воздуха.
Расход газа регулируется дисковым затвором, расположенным вне корпуса горелки.
Подпорная шайба отвечает за смешивание газа с воздухом в конической части пламенной трубы и используется для регулировки подводимого воздуха (регулировка со стороны напора). Другая возможность изменения количества подводимого воздуха заключается в изменении положения воздушного дискового затвора в корпусе регулятора воздуха (регулировка со стороны всасывания).
Регулирование соотношений газ – воздух (управление газовым и воздушным дисковыми затворами) может быть:
· связанным, от одного исполнительного механизма:
· частотным регулированием расхода воздуха, путём изменения частоты вращения электродвигателя вентилятора с применением инвертора, который состоит из частотного преобразователя и импульсного датчика.
Розжиг горелки производится автоматически прибором зажигания с помощью электрода зажигания. Наличие пламени контролируется электродом контроля пламени.
Рабочая последовательность включения горелки:
· запрос на выработку тепла (от термостата);
· включение электродвигателя вентилятора и предварительная вентиляция топки;
· включение электронного зажигания;
· открытие электромагнитного клапана, подача газа и розжиг горелки;
· сигнал датчика контроля пламени о наличии пламени.
Аварии (инциденты) на горелках. Отрыв пламени - перемещение корневой зоны факела от выходных отверстий горелки по направлению течения топлива или горючей смеси . Происходит тогда, когда скорость газовоздушной смеси или газа становится больше скорости распространения пламени. Пламя отходит от горелки, становится неустойчивым и может погаснуть. Через погасшую горелку продолжает идти газ и в топке может образоваться взрывоопасная смеси.
Отрыв происходит при: повышении давления газа выше допустимого, резком увеличении подачи первичного воздуха, увеличении разрежения в топке. Для защиты от отрыва применяют стабилизаторы горения (рис. 17 ): кирпичные горки и столбики; керамические туннели различных типов и кирпичные щели; плохообтекаемые тела, которые при работе горелки накаляются (при погасании пламени свежая струя загорится от стабилизатора), а также специальные пилотные горелки.
Проскок пламени - перемещение зоны факела навстречу горючей смеси, при котором происходит проникновение пламени внутрь горелки . Это явление бывает только в горелках с предварительным смешением газа и воздуха и происходит, когда скорость газовоздушной смеси становится меньше скорости распространения пламени. Пламя проскакивает во внутрь горелки, где продолжает гореть, вызывая деформацию горелки от перегрева.
Проскок происходит при: снижении давления газа перед горелкой ниже допустимого; розжиге горелки при подаче первичного воздуха; большой подаче газа при низком давлении воздуха. При проскоке может произойти небольшой хлопок, в результате которого пламя погаснет, при этом через неработающую горелку может продолжать поступать газ и произойти образование взрывоопасной смеси в топке и газоходах газоиспользующей установки. Для защиты от проскока применяют пластинчатые или сетчатые стабилизаторы , т. к. через узкие щели и небольшие отверстия проскока пламени не бывает .
Действия персонала при аварии на горелках
При аварии на горелке (отрыв, проскок или погасание пламени) при розжиге или в процессе регулирования, необходимо: немедленно прекратить подачу газа на эту горелку (горелки) и запальное устройство; провентилировать топку и газоходы не менее 10 минут; выяснить причину неполадок; доложить ответственному лицу; после устранения причин неполадок и проверки герметичности затвора запорной арматуры перед горелкой, по указанию ответственного лица по инструкции произвести повторный розжиг.
Изменение нагрузки горелки.
Существуют горелки с различными способами изменения тепловой мощности:
Горелка с многоступенчатым регулированием тепловой мощности – это горелка, при работе которой регулятор расхода топлива может устанавливаться в нескольких положениях между максимальным и минимальным рабочими положениями.
Горелка с трехступенчатым регулированием тепловой мощности - это горелка, при работе которой регулятор расхода топлива может устанавливаться в положениях «максимальный расход» - «минимальный расход» - «закрыто».
Горелка с двухступенчатым регулированием тепловой мощности - горелка, работающая в положениях «открыто - закрыто».
Горелка с плавным регулированием - это горелка, при работе которой регулятор расхода топлива может устанавливаться в любом положении между максимальным и минимальным рабочими положениями.
Регулировать тепловую мощность установки можно количеством работающих горелок , если это предусмотрено заводом-изготовителем и режимной картой.
Изменение тепловой мощности вручную , во избежание отрыва пламени, производится:
При увеличении: вначале увеличивать подачу газа, а затем воздуха.
При уменьшении: вначале снижать подачу воздуха, а затем газа;
Для предотвращения аварий на горелках изменение их мощности необходимо производить плавно (в несколько приемов) согласно режимной карте.
Основным условием для горения газа является наличие кислорода (а следовательно, воздуха). Без присутствия воздуха горение газа невозможно. В процессе горения газа происходит химическая реакция соединения кислорода воздуха с углеродом и водородом топлива. Реакция происходит с выделением тепла, света, а также углекислого газа и водяных паров.
В зависимости от количества воздуха, участвующего в процессе горения газа, происходит полное или неполное его сгорание.
При достаточном поступлении воздуха происходит полное сгорание газа, в результате которого продукты его горения содержат негорючие газы: углекислый газ С02, азот N2, водяные пары Н20. Больше всего (по объему) в продуктах горения азота - 69,3-74%.
Для полного сгорания газа также необходимо, чтобы он смешивался с воздухом в определенных (для каждого газа) количествах. Чем выше калорийность газа, тем требуется большее количество воздуха. Так, для сжигания 1 м3 природного газа требуется около 10 м3 воздуха, искусственного - около 5 м3, смешанного - около 8,5 м3.
При недостаточном поступлении воздуха происходит неполное сгорание газа или химический недожог горючих составных частей; в продуктах сгорания появляются горючие газы-окись углерода СО, метан СН4 и водород Н2
При неполном сгорании газа наблюдается длинный, коптящий, светящийся, непрозрачный, желтого цвета факел.
Таким образом, недостаток воздуха приводит к неполному сгоранию газа, а избыток - к чрезмерному охлаждению температуры пламени. Температура воспламенения природного газа 530 °С, коксового - 640 °С, смешанного - 600 °С. Кроме того, при значительном избытке воздуха также происходит неполное сгорание газа. При этом наблюдается конец факела желтоватого цвета, не вполне прозрачный, с расплывчатым голубовато-зеленым ядром; пламя неустойчиво и отрывается от горелки.
Рис. 1. Пламя газа я - без предварительного смешения газа с воздухом; б -с частичным пред. верительным смешением газа с воздухом; в - с предварительным полным смешением газа с воздухом; 1 - внутренняя темная зона; 2 - коптящий светящийся конус; 3 - горящий слой; 4 - продукты сгорания
В первом случае (рис. 1,а) факел имеет большую длину и состоит из трех зон. В атмосферном воздухе горит чистый газ. В первой внутренней темной зоне газ не горит: он не смешан с кислородом воздуха и не нагрет до температуры воспламенения. Во вторую зону воздух поступает в недостаточном количестве: его задерживает горящий слой, и поэтому он не может хорошо смешаться с газом. Об этом свидетельствует ярко светящийся, светло-желтый коптящий цвет пламени. В третью зону воздух поступает в достаточном количестве, кислород которого хорошо смешивается с газом, газ горит голубоватым цветом.
При этом способе газ и воздух подаются в топку раздельно. В топке происходит не только сжигание газовоздушной смеси, но и процесс приготовления смеси. Такой метод сжигания газа широко применяют в промышленных установках.
Во втором случае (рис. 1,6) сжигание газа происходит значительно лучше. В результате частичного предварительного смешивания газа с воздухом в зону горения поступает приготовленная газовоздушная смесь. Пламя становится короче, несветящимся, имеет две зоны - внутреннюю и наружную.
Газовоздушная смесь во внутренней зоне не горит, так как она не нагревалась до температуры воспламенения. В наружной зоне сгорает газовоздушная смесь, при этом в верхней части зоны резко повышается температура.
При частичном смешении газа с воздухом в этом случае полное сгорание газа происходит только при дополнительном подводе воздуха к факелу. В процессе горения газа воздух подводят дважды: первый раз - до поступления в топку (первичный воздух), второй раз - непосредственно в топку (вторичный воздух). Этот метод сжигания газа положен в основу устройства газовых горелок для бытовых приборов и отопительных котельных.
В третьем случае факел значительно укорачивается и газ сгорает полнее, так как газовоздушная смесь была предварительно приготовлена. О полноте сгорания газа свидетельствует короткий прозрачный факел голубого цвета (беспламенное горение), которое применяют в приборах инфракрасного излучения при газовом отоплении.
- Процесс горения газа
