Разработка рациональных методов сжигания газа

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

Естественнонаучный институт Кафедра «Техносферная безопасность»

Курсовая работа по дисциплине:

«Теория горения и взрыва»

Разработка рациональных методов сжигания газа Выполнил: А. П. Строкова Проверил Профессор: В.Д. Катин

2014 г.

Введение

Горение считается первым сложным техническим процессом, освоенным человечеством. В истории прогресса техники процесс горения занимал и продолжает занимать приоритетное место, являясь основой современной теплоэнергетики, многих технологических производств, транспорта и быта[1].

С возникновением научного мышления горение стало объектом наблюдения, изучения и исследования виднейших ученых. Вопросами горения занимались древнегреческие мыслители Гераклит, Эмпедокл и Аристотель, считавшие огонь одним из элементов, образующих Вселенную[2].

При горении приходится иметь дело с химическими реакциями, протекающими одновременно с процессами аэродинамики и диффузии, с теплои массообменом. Эти процессы происходят и в малых, и в больших огневых установках, а многие из открываемых закономерностей действительны в равной степени, как для пламени газовой горелки бытовой плиты, так и для мощных газогорелочных устройств, промышленных печей и котлов, ракетных двигателей. Поэтому исследования в области горения ведутся в настоящее время во многих институтах, лабораториях и на промышленных предприятиях.

Особое значение приобрели в последние десятилетия исследования горения газовоздушных смесей. Горючие газы стали одним из основных и наиболее экономичных видов топлива во многих отраслях народного хозяйства. Поэтому для наиболее рационального их использования необходимо правильно применять законы, управляющие горением.

Исходя из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что проблема горения очень актуальна в наши дни, это связано не только с тем, что процессы горения изучены не достаточно глубоко, но и с тем, что при горении выделяются вредные вещества (NО, S, CO), которые пагубно воздействуют на организм человека. [2]

Целью моей курсовой работы является разработка методов снижения выбросов загрязняющих веществ, при горении различных газов (пропан).

1. Основы теории диффузионного и кинетического горения

1.1 Особенности топочного процесса горения

В общей классификации химических реакций процесс горения может рассматриваться как окислительно-восстановительная реакция, которой присущи дополнительно следующие особенности. [2]

· Чрезвычайно малая длительность времени пребывания газов в топке (0,01−0,1 с) и соответственно малое время на образование смеси, способной реагировать. За короткое время должно осуществиться образование горючей смеси путем перемешивания до молекулярного уровня молей реагентов (воздух и топливо), расстояние между которыми имеет приблизительно такой же порядок, что и масштаб потока (например, для камер сгорания ГТУ 0,15−1,35 м).

· Существование нижнего и верхнего концентрационных пределов, без которых реакция горения не может иметь место (например, 5−15% для метана).

· Существование минимальной температуры, ниже которой горение не может начаться (750°С для метана).

· Высокая температура реакции горения (1350−2000 °С), значительно превышающая температуру, допускаемую для современных металлов и сплавов, в связи с чем возникает проблема тепловой защиты стенок топочной камеры.

· Необходимость существования зоны прямой стабилизации, в которой скорость потока примерно равна нормальной скорости распространения пламени (0,3 м/с для метана). В противном случае пламя будет снесено по потоку вперед или назад.

Конструкция топочного устройства должна обеспечить авторегулируемый коэффициент несмешения. Если бы на всех режимах в топочном устройстве осуществлялось одинаковое и полное смешение топлива с воздухом, то работа его была бы устойчивой при увеличении избытка воздуха только до = 1,35, как это имеет место, например, в инжекционных горелках. В конкретных условиях различных химических производств это приводило бы к частым погасаниям факела. Конструкция топочного устройства, например теплогенератора, должна обеспечить устойчивое горение при больших избытках воздуха в зоне горения.

Реакция горения сопровождается выделением лучистой энергии, которая зависит от механизма горения, состава и состояния промежуточных и конечных продуктов реакции и др., в связи с чем расчет лучистых потоков необходим как для определения температуры стенок, так и для расчета процесса горения.

Топочный процесс из-за сложной аэродинамики, многостадийности и многоканальности химических реакций, высоких температур и быстротечности трудно поддается экспериментальному исследованию.

Конечно, значение для топочного процесса перечисленных особенностей и степень их изученности разные. Самой важной, на наш взгляд, и самой сложной задачей в создании математического описания топочного процесса является объяснение механизма образования горючей смеси и расчет времени горения.

Самой сложной задачей в области конструирования является создание топочного устройства — реактора, который бы оптимальным образом удовлетворял требованиям, предъявляемым к химическим реакторам, и перечисленным особенностям, которые кратко сводятся к обеспечению:

а) возможности осуществления высокотемпературного процесса;

б) полного выгорания;

в) необходимых концентрационных пределов горючего;

г) нагрева горючей смеси до температуры воспламенения;

д) стабилизации фронта горения;

е) авторегулируемого коэффициента несмешения в огневой зоне.

1.2 Определение времени сгорания и среднего времени пребывания продуктов горения в топочном объеме Время макросмешения. Так как нас интересует полное время ф смешения молей всех размеров, то для вычисления ф следует принять наибольший масштаб турбулентности. Такой величиной является масштаб турбулентности Прандтля, который математически определяется как максимальное расстояние между частицами, у которых еще сохраняется корреляция:

Время микросмешения. Корреляционный анализ пульсации в турбулентном потоке показывает, что, начиная с определенного малого расстояния между двумя частицами (точками) и до самого их сближения, коэффициент корреляции R становится равным единице. На этом расстоянии исчезают градиенты скорости, а вместе с ними и турбулентное перемешивание. Все процессы переноса в этих частицах осуществляются в основном по механизму молекулярной диффузии. Тейлор определил этот размер как минимальный масштаб турбулентности, который вычисляется по формуле:

1.3 Определение безразмерного времени горения

Таким образом, перемешивание в топке осуществляется в два этапа: макросмешение турбулентной диффузией и микросмешение молекулярной диффузией. Одновременно с последним процессом протекает горение. Скорость нормального горения принята в качестве масштаба молекулярных процессов. Ею же учитывается и химизм процесса. Обработка опытных данных, о которой сказано ниже, показала, что нормальная скорость является хорошим масштабом для обобщения результатов испытаний. Можно утверждать, что моли минимальных масштабов выгорают с поверхности со скоростью нормального распространения пламени или со скоростью, пропорциональной ей. Суммарное время сгорания складывается из времени макрои микросмешения и определяется по формуле:

1.4 Характеристика диффузионного, кинетического и диффузионно-кинетического способов горения газов

При диффузионном принципе сжигания (б₁ = 0) процессы горения и смешения развиваются параллельно. Так как процессы смешения протекают значительно медленнее процессов горения, то скорость и полнота сгорания определяются скоростью и полнотой смешения газа и воздуха. Смешение газа с воздухом при этом принципе сжигания может протекать либо путем медленной молекулярной диффузии, либо путем турбулентной диффузии, включающей в себя и молекулярную как конечную стадию. Соответственно этому различаются скорости горения и структура диффузионного пламени (рис. 1.1) [2]

Рис 1.1

газ горение воспламенение взрыв На рис. 1.1, а приведена упрощенная схема свободного ламинарного факела, возникающего за счет взаимной молекулярной диффузии газа и воздуха. Внутри конусного ядра 1 находится чистый газ, вытекающий из трубки при ламинарном режиме течения. В зоне 2 образуется смесь, состоящая из газа и продуктов горения, а в зоне 3 — смесь из продуктов сгорания и окружающего воздуха. Граница 4 между зонами 2 и 3 представляет собою гладкий конусный фронт пламени, к которому снаружи диффундируют молекулы воздуха, а изнутри — молекулы газа. Образовавшиеся во фронте пламени продукты горения диффундируют навстречу газу, интенсивно нагревая его в предпламенной зоне, и частично вытесняются в окружающий факел воздух. Нагрев газа раскаленными продуктами, не содержащими кислорода, приводит к частичному термическому распаду углеводородов и образованию сажистых частиц, придающих пламени яркую светимость. Достоинствами такого сжигания являются высокая устойчивость пламени при изменении тепловых нагрузок от нуля до максимально возможных по условиям отрыва величин, сравнительное постоянство температуры по всей высоте (длина пламени), возможность распределения пламени по большим поверхностям любых форм, компактность горелок и простота их изготовления. Характерными особенностями этого способа сжигания являются также значительная высота пламени, низкая интенсивность горения, неизбежность пиролитических процессов при сжигании углеводородных газов, недопустимость омывания пламенем теплообменных поверхностей, необходимость создания значительных топочных объемов, обеспечивающих свободное развитие пламени, и наличие в отходящих газах продуктов незавершенного горения. По этим причинам смешение газа и воздуха за счет молекулярной диффузии применяется только в топках, которые не нуждаются в высоких объемных теплонапряжениях и где может быть обеспечено свободное развитие пламени (например, в топках секционных и некоторых водотрубных котлов). Однако и в этих случаях необходимо дробить газовый поток на тонкие струи и направлять их для интенсификации смешения и горения под углом к потоку воздуха. [2]

Значительная интенсификация горения достигается применением естественной и искусственной турбулизации смешивающихся потоков. На рис. 5.1, б показана упрощенная схема свободного турбулентного факела, построенная на основании химического анализа проб, отбираемых из различных участков горящей струи 2. В отличие от ламинарного факела здесь нет четкого конусного фронта горения: он размыт и в той или иной мере разрушен пульсациями на отдельные частицы. Анализами устанавливается наличие ядра чистого газа 1, зоны сравнительно медленного горения 2 с преобладающим содержанием в ней газа, размытой зоны наиболее интенсивного горения 3 с наиболее высоким содержанием продуктов сгорания и горящей зоны 4 с преобладанием в ней воздуха. При этом четких границ между указанными зонами нет, и они непрерывно смещаются в зависимости от степени турбулизации потока. [2]

Сжигание газа по диффузионному принципу получило широкое распространение в топках промышленных котлов и печей. При этом для интенсификации процесса горения используется как естественная (за счет повышения скоростей), так и искусственная турбулизация воздушного и газового потоков. Последняя наиболее часто решается закруткой воздушного потока направляющими лопатками и выдачей в этот поток под различными углами тонких струй газа. Диффузионное горение может быть переведено в кинетическое или промежуточное, если создать условия, при которых процессы смешения будут несколько опережать процессы горения. В практике это достигается устройством дополнительного участка смешения между турбулентным завихрителем и туннелем или амбразурой. [2]

2. Анализ инновационных разработок в области горения

2.1 Патент на полезную модель

31 990 РФ, МПК7 В 01 °F 3/06. Устройство для сжигания жидкого топлива / В. Д. Катин, И. В. Вольхин (РФ); ДВГУПС (РФ) [3]

— № 2 003 111 684 184; Заявлено 25.04.2003; Опубл. 10.09.2003, Бюл. № 25. — 2 с.: 1 ил.

Полезная модель относится к устройствам для сжигания жидкого топлива, подтоварных вод и обводненных мазутов с последующей утилизацией тепла продуктов сгорания в топливоиспользующих агрегатах.

Решаемая задача заключается в повышении эффективности сжигания жидкого топлива.

Устройство для сжигания жидкого топлива и водомазутных смесей содержит последовательно соединенные трубопровод подачи жидкого топлива, фильтр, насос, диспергатор, форсунку, топку, теплоиспользующий агрегат и дымовую трубу, связанную с агрегатом через дымоход.

Для решения поставленной задачи авторы предлагают участок трубопровода подачи жидкого топлива, примыкающий к теплоиспользующему агрегату проложить в канале дымохода.

Рисунок 2.1 Устройство для сжигания жидкого топлива

2.2 Патент 41 117 РФ, МПК7 F43 D 17/00. Комбинированная горелка С. Н. Дьяченко, В. Д. Катин (РФ); ДВГУПС (РФ). [3]

— № 2 004 110 550/22; Заявлено 07.04.2004; Опубл. 10.10.2004, Бюл. № № 28. — 1 с.: 1 ил.

Полезная модель предназначена для использования в энергетической промышленности.

Решаемая задача заключается в разработке комбинированной горелки с максимальной скоростью теплообмена, обеспечивающей минимальный объем высокотемпературной зоны, что приводит к снижению эмиссии оксидов азота при сохрани высокого КПД.

Комбинированная горелка содержит воздушный коллектор с амбразурой, по оси которого расположен топливопроводящий узел с соплами.

Для решения поставленной задачи авторы предлагают топливопроводящий узел выполнить с возможностью перемещения в диапазоне расположения сопел на высоте 1/3−2/3 высоты амбразуры. Использование полезной модели позволяет снизить эмиссию оксидов азота на 15−25%.

Рисунок 2.2 Комбинированная горелка

2.3 Патент 66 009 РФ, МПК8 F 23 D 14/02. Двухпоточная газовая горелка В. Д. Катин, И. В. Вольхин, М. Н. Кофанов, А. И. Агошков (РФ); ДВГУПС (РФ). [3]

— № 2 007 113 460/22; Заявлено 10.04.2007; Опубл. 27.08.2007, Бюл. № 24. -1 с.: ил.

Полезная модель относится к устройствам для сжигания газов в топках теплонапряженных технологических установок, и может быть использована в нефтехимической, энергетической, металлургической промышленности. Решаемая задача заключается в создании двухпоточной газовой горелки, позволяющей снизить уровень эмиссии оксидов азота в окружающую среду за счет понижения температуры горения в топочном пространстве.

Двухпоточная газовая горелка содержит корпус с патрубком подачи газа, выполненный в виде усеченного конуса, ориентированного меньшим основанием к выходу, патрубок подачи воздуха расположенный тангенциально к корпусу, кольцевой коллектор, цилиндрическое сопло, расположенное внутри корпуса, глушенное со стороны выхода и соединенное с патрубком подачи газа, в стенках которого выполнены отверстия, с расположенными внутри винтовыми каналами, при этом оси отверстий направлены под острым углом к радиальным плоскостям и к образующим сопла в сторону выхода и в направлении вращения воздушного потока в корпусе.

Рисунок 2.3. Двухтопочная газовая горелка

2.4 Патент 2 288 404 РФ, МПК7 F23C 99/00. Способ сжигания топлива

В.Д. Катин, Н. Г. Пайметов, А. И. Старовойт; ДВГУПС (РФ).

— № 2 005 114 853/06; Заявлено 16.05.2005; Опубл. 27.11.2006, Бюл. № 33. — 4 с.: 1 ил.

Изобретение относится к области нефтепереработки и может быть использовано при сжигании газообразного топлива в топках технологических печей двухи многоярусной компоновкой горелочных устройств.

Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении его экологической эффективности за счет снижения концентрации оксидов азота в продуктах сгорания.

Способ сжигания топлива включает подачу в первую зону горения топлива и воздуха с коэффициентом избытка б₁<1, отвод продуктов сгорания во вторую зону горения с одновременной подачей в нее горючего газа и воздуха с коэффициентом избытка б₂>1.

Для решения поставленной задачи авторы предлагают в качестве топлива, подаваемого в первую зону горения использовать пропанбутановый газ.

Использование способа сжигания топлива позволяет снизить общую концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания за счет снижения выхода термальных оксидов азота и отсутствия топливных оксидов азота.

3. Расчеты горения газов Горение — это интенсивные химические окислительные реакции, которые сопровождаются выделением тепла и свечением.

Реакции горения описываются стехиометрическими уравнениями, характеризующими качественно и количественно вступающие в реакцию и образующиеся в результате нее вещества. [4]

Реакция горения любого углеводородного газа может быть выражена следующим общим уравнением:

C_mH_n + (m + n/4) O2 = mCO₂ + H₂O+Q,

где m — число углеродных атомов в молекуле углеводорода; n — число водородных атомов в той же молекуле; Q — тепловой эффект реакции.

В практических условиях сжигания газов кислород для их горения подается с воздухом (как его составная часть). Состав сухого воздуха, без учета незначительных количеств диоксида углерода и инертных газов, принимается следующим:

Следовательно, 1 м³ кислорода содержится в 100/21 = 4,76 м³ воздуха, или на 1 м³ кислорода приходится 79/21 = 3,76 м³ азота.

Реакция горения любого углеводорода в воздухе выражается уравнением:

C_mH_n + (m + n/4)(O₂+3,76N₂)= mCO₂ + H₂O + (m+n/4)•3,76 N₂.

Пропан, C₃H₈ — органическое вещество класса алканов. Содержится в природном газе, образуется прикрекинге нефтепродуктов, при разделении попутного нефтяного газа, «жирного» природного газа, как побочная продукция при различных химических реакциях. Чистый пропан не имеет запаха, однако в технический газ могут добавляться компоненты, обладающие запахом. Как представитель углеводородных газов пожарои взрывоопасен. Малотоксичен, но оказывает вредное воздействие на центральную нервную систему (обладает слабыми наркотическими свойствами). Горит светящимся пламенем. [5]

реакция горения пропана:

C₃H₈ + 5O₂ = 3CO₂ + 4H₂O+Q

1 м³ 5 м³ 3 м³ 4 м³

Хо₂==3,6 кг Следовательно:

Для сжигания 1 килограмма пропана, требуется 3,6 килограмм кислорода.

Реакция горения любого углеводорода в воздухе выражается уравнением:

C_mH_n + (m + n/4) O2 = mCO₂ + H₂O+(m+3,76N₂

Реакция горения пропана в воздухе:

C₃H₈ + 5O₂+5*3,76N₂= 3CO₂ +4H₂O + 5*3,76 N₂

Х_возд==4,565

Следовательно:

Для сжигания 1 килограмма пропана, требуется 4,565 кг воздуха.

4. Расчет температур горения газов В теплотехнической практике различаются следующие температуры горения газов: калориметрическая, теоретическая, действительная и жаропроизводительность.

4.1 Жаропроизводительность Жаропроизводительность определяется как температура продуктов полного сгорания горючих газов в адиабатических условиях с коэффициентом избытка воздуха б = 1,0 при температуре газа и воздуха t = 0 °C.

Для определения теоретической температуры горения применяется следующая формула:

t_ж= или t_ж=,

где Q_н — низшая теплота сгорания газа, ккал/нм3;, — соответственно количества двуокиси углерода, водяного пара и азота, образовавшихся при сгорании 1 мл3 газа, нм3/нм3;, — средние теплоемкости при постоянном давлении СО₂, Н₂О и N₂ в пределах температур от 0 до t_ж °С, ккал/град.

Жаропроизводительность горючих газов определяется методом последовательных приближений, так как теплоемкость газов непостоянна и увеличивается с повышением температуры.

Поэтому для определения жаропроизводительности предварительно задаются ее величиной (для природных газов около 2000 °С), определяют при, а = 1 объемы компонентов продуктов сгорания, устанавливают их средние теплоемкости и подсчитывают жаропроизводительность газа. Если в результате подсчета она окажется ниже или выше принятой, то задаются другой температурой и расчет повторяют.

4.2 Калориметрическая температура горения Калориметрическая температура горения отличается от жаропроизводительности тем, что температура газа и воздуха, а также коэффициент избытка воздуха принимаются при их действительных значениях.

Для определения теоретической температуры горения применяется следующая формула:

t_k = или t_k =

где Q_физ — энтальпия воздуха и газа, отсчитываемая от 0 °C, ккал/нм3 газа; V_B, Cp_B, t_B — соответственно количество, нм3/нм3, средняя теплоемкость, ккал/нм3 град, и температура воздуха, 0 С; - средняя теплоемкость, ккал/нм3 град, и температура газа, 0 °C; - соответственно количество CO₂, H₂O, N₂, O₂, образующихся при сгорании 1 нм3 газа с избытком воздуха, нм3/нм3; - средние теплоемкости при постоянном давлении CO₂, H₂O, N₂ и О₂ — в пределах температур от 0 до t °С, ккал/нм³ град.

Природные и сжиженные углеводородные газы обычно не нагреваются до их сжигания, и их объем сравнительно с объемом воздуха невелик. Поэтому при определении калориметрической температуры горения энтальпию газов (tг) можно не учитывать. При сжигании газов с низкой теплотой сгорания (генераторные, доменные и др.) энтальпия газов, в особенности нагретых до сжигания, оказывает весьма существенное влияние на калориметрическую температуру.

4.3 Теоретическая температура горения Теоретическая температура горения t определяется аналогично калориметрической температуре, но с поправкой на эндотермические реакции диссоциации двуокиси углерода и водяного пара, идущие с увеличением объема:

При высоких температурах процессы диссоциации происходят более глубоко, с образованием атомарного водорода, кислорода и, в особенности, гидроксила. Кроме этого, при сжигании газа с избытком воздуха всегда образуется некоторое количество окиси азота. Все эти реакции эндотермичны и приводят к снижению температуры горения.

Для определения теоретической температуры горения применяется следующая формула [3]:

t_m=

где Q_Н — низшая теплота сгорания газа, ккал/нм³; q_физ — энтальпия газа и воздуха, ккал/нм3; q_дис — суммарные затраты тепла на диссоциацию СO₂ и Н₂О и синтез NO₂, ккал/нм3; - сумма произведений объемов и средних теплоемкостей продуктов сгорания с учетом диссоциации на 1 нм³ газа.

Расчеты, связанные с установлением точных затрат тепла на все процессы диссоциации (включая глубокие) и синтеза NO, весьма сложны и в большинстве случаев не вызываются необходимостью. По этим причинам определение теоретической температуры горения обычно производится по упрощенной методике, базирующейся на том, что энтальпии недиссоциированных и частично диссоциированных газов сравнительно близки между собой. Объясняется это тем, что увеличение объёма газов за счет диссоциации компенсируется повышенной теплоемкостью недиссоциированных газов.

В соответствии с изложенным определение теоретической температуры горения может производиться по следующей упрощенной развернутой формуле [2]:

t_m=

где, а и б — степень диссоциации водяного пара и двуокиси углерода, об. % от исходного количества.

4.4 Действительная температура горения Действительная температура продуктов сгорания ниже теоретической температуры горения и зависит от величины теплопотерь в окружающую среду, степени отдачи тепла из зоны горения излучением, растянутости процесса горения и др. Действительная температура в топках печей и котлов определяется по тепловому балансу или приближенно по теоретической или калориметрической температуре горения (в зависимости от температур в топках) с введением в них экспериментально установленного поправочного коэффициента [2]:

t_Д=t_ф*?

где? — пирометрический коэффициент, укладывающийся в пределы: для качественно выполненных термических и нагревательных печей с теплоизоляцией 0,75−0,85; для герметических печей без теплоизоляции 0,65−0,75; для экранированных топок котлов 0,50−0,65.

Для примера был произведен расчет максимальной температуры горения пропана:

t_ж==2110 ^оС

5. Пределы воспламенения газов Смеси горючего газа с воздухом (или кислородом) могут воспламеняться (взрываться) только в том случае, если содержание газа в смеси находится в известных пределах. В связи с этим различают нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения. Нижний предел соответствует минимальному, а верхний — максимальному количеству газа в смеси, при котором происходит ее воспламенение при зажигании и самопроизвольное (без притока тепла извне) распространение пламени. Вне концентрационных пределов газовоздушные смеси не горят и не взрываются. На рис. 5.1 показаны схемы, иллюстрирующие поведение газовоздушных смесей при их зажигании раскаленной электрической спиралью.

Рис. 5.1 Проведение газовоздушных смесей при их зажигании;

а — содержание газа меньше нижнего предела воспламенения;

б — содержание газа между верхним и нижним пределами;

в — содержание газа превышает верхний предел Схема, а соответствует условию, когда содержание газа в газовоздушной смеси меньше нижнего предела воспламенения.

В этом случае смесь, находящаяся внутри сосуда или вытекающая из него, не горит и не взрывается. Точнее, на спирали может протекать процесс горения, однако на весь объем смеси он не распространяется и при удалении источника зажигания прекращается.

Схема б соответствует условию, когда содержание газа в смеси находится между нижним и верхним концентрационными пределами воспламенения. В этом случае подожженная смесь воспламеняется и горит вне сосуда и внутри него как при наличии, так и при удалении источника зажигания. Более того, внутри сосуда происходит мгновенное распространение горения по всему объему смеси, т. е. ее взрыв.

Схема в соответствует условию, когда содержание газа в смеси превышает верхний концентрационный предел воспламенения. В этом случае смесь, подожженная вне сосуда, горит самопроизвольно (при удалении источника зажигания), а внутри сосуда ее горение происходит только на спирали и на весь объем не распространяется. Существование концентрационных пределов воспламенения вызывается тепловыми потерями при горении. По мере разбавления горючей смеси воздухом, кислородом или газом тепловые потери возрастают, скорость распространения пламени уменьшается, и горение прекращается после удаления источника зажигания.

При наличии в газе небольшого количества инертных примесей значения пределов воспламенения, об. %, могут быть определены приближенно по формуле [3]:

где — нижний или верхний предел воспламенения смеси, содержащей инертные (балластные) примеси, об. %; L^r — нижний или верхний предел воспламенения горючей части смеси, об. %; - содержание балластных примесей (CO₂ и N₂), доли единицы.

В практике достаточно часто приходится определять коэффициент избытка воздуха и на пределах воспламенения, а также давление, возникающее при взрыве газовоздушной смеси.

Определение коэффициента избытка воздуха может производиться по формуле [3]:

где L — нижний или соответственно верхний предел воспламенения газа в газовоздушной смеси, об. %; V_Т — теоретический расход воздуха, нм³/нм³.

Расчет давления при взрыве газов Определить нижний и верхний пределы воспламенения в воздухе природного газа Газлинского месторождения. Состав газа, об. %: СН₄ — 93; С₂Н₆ — 3,1 С₃Н₈ — 0,7; С₄Н₁₀ — 0,6; CО₂ + N₂ — 2,6.

Решение:

Состав горючей части газа без инертных примесей

Нижний предел воспламенения горючей част газа:

Верхний предел воспламенения:

Давление возникающее при взрыве при калориметрической температуре горения 2110? С составит[3]:

Р_вз=1*(1+) *= 9,5 абс. ат.

6. Проблемы устойчивости горения газов и методы их решения

6.1 Горение в ламинарном потоке Примером прибора, в котором с помощью регулировки подачи газа и воздуха можно остановить фронт пламени газовоздушной смеси является любая газовая горелка. Регулируя состав газовоздушной смеси, вытекающей из горелки при ламинарном режиме движения, можно добиться появления устойчивого и резко очерченного конуса горения. Пламя в этом случае распространяется по нормали к поверхности воспламенения в каждой ее точке. При этом на поверхности конусного фронта пламени осуществляется равенство скоростей — проекции скорости потока газовоздушной смеси на нормаль к образующей конуса и нормальной скорости распространения пламени [2]:

щ_н=щ_пот cosц=U_H

Приведенное равенство носит название закона косинуса, или закона Гюи — Михельсона.

Так как при ламинарном движении газовоздушной смеси распределение скоростей подчиняется параболическому закону, то для каждой точки, лежащей на образующей конуса, можно определить нормальную скорость распространения пламени.

Для приближенных расчетов обычно принимают скорость прохождения смеси через фронт пламени постоянной, равной U_н по всей поверхности конуса [2]:

Для равнозначных газовоздушных смесей высота конусных фронтов пламени малых каналов может быть определена с достаточной для практики точностью по высоте фронта пламени одиночного канала по формуле [2]:

где h — высота конусного фронта пламени малого канала; H — высота конусного фронта пламени одиночного канала; п — число малых каналов.

6.2 Горение в турбулентном потоке При переходе ламинарного потока в турбулентный гладкий конусный фронт пламени вследствие вихревого движения и пульсации начинает размываться и терять четкое конусное очертание. При этом наблюдаются два характерных вида горения, соответствующих мелкомасштабной и крупномасштабной турбулентности. При мелкомасштабной турбулентности, не превышающей толщины зоны ламинарного горения, конусный фронт пламени сохраняет свою форму и остается гладким, хотя толщина зоны горения увеличивается. Если же масштаб турбулентности несколько превышает толщину зоны нормального горения, поверхность конусного фронта горения становится неровной и волнистой, имеющей как бы выступы и впадины. Это ведет к увеличению суммарной поверхности фронта горения и, как следствие, к способности одновременного сжигания больших количеств горючей смеси на единицу поперечного сечения потока.

Турбулентную скорость распространения пламени применительно к фронтовой модели горения обычно выражают следующей зависимостью [2]:

где U_т скорость распространения пламени в турбулентном потоке, см/с; щсредне-квадратичная пульсационная скорость, зависящая от средней скорости потока, см/с; В — безразмерный коэффициент.

Эта формула показывает, что при отсутствии пульсации турбулентная скорость горения становится равной нормальной скорости распространения пламени.

В результате приближенного подсчета поверхности турбулентного фронта горения и отработки экспериментальных данных была получена следующая эмпирическая зависимость [2]:

где Re — критерий Рейнольдса.

Расчеты, проведенные по указанной формуле, показывают, что они не всегда согласуются с практическими данными.

6.3 Отрыв и проскок пламени. Устойчивость горения При горении газовоздушных смесей в ламинарном потоке устойчивой частью конусного фронта пламени является только его нижняя периферийная часть, прилегающая к кромке огневого канала горелки. Объясняется это тем, что в этом месте фронт пламени за счет тормозящего действия стенки канала развернут по горизонтали. стабилизация конусного фронта горения обусловливается наличием постоянного источника зажигания в виде кольцевого пояска, без которого остальная часть фронта была бы снесена потоком газовоздушной смеси. При повышении форсировки горелки, т. е. при переходе ламинарного режима движения в турбулентный, ширина зажигающего пояска начинает уменьшаться, пока не станет ничтожно малой. В этом случае устойчивость фронта горения нарушается, и пламя начинает отрываться от кромки горелки. Наоборот, при чрезмерном снижении форсировки горелки скорость распространения пламени в кольцевой пристенной области может превышать скорость потока, и пламя начинает втягиваться внутрь сместителя горелки. Первый случай получил название отрыва пламени, а второй — проскока, или обратного удара пламени.

В практике при отрыве пламени наблюдаются следующие явления:

— срыв пламени с горелки, вызывающий его погасание;

— отрыв от кромки огневого канала, когда пламя достигает нового достаточно устойчивого положения в потоке над горелкой;

— срыв поднятого пламени, ведущий к его погасанию;

— обратный отброс приподнятого факела к кромке огневого канала горелки;

— создание взвешенного пламени при движении струи на некотором расстоянии от горелки.

Пределы устойчивой работы горелок ограничиваются скоростью отрыва и скоростью проскока пламени. Для расширения диапазона устойчивости горения любых горючих газовоздушных смесей скорость потока принимается в несколько раз большей скорости отрыва. Предотвращение отрыва пламени в этих случаях достигается различными искусственными стабилизаторами. Стабилизатор представляет собой оголовок инжекционной горелки, в котором часть горючей смеси (5−10%) проходит через боковые отверстия 1 в канал 2, где возникает спокойное кольцевое пламя, окружающее основной поток.

Рис. 6.1 Схемы стабилизаторов горения в отношении отрыва пламени: а — кольцевой стабилизатор; б — стабилизатор в виде цилиндрического туннеля; в — стабилизатор в виде осесимметричного тела; г — стабилизатор в виде шамотной наброски; 1 — боковые отверстия; 2 — канал.

Стабилизирующее действие этого устройства основано на рециркуляции части раскаленных продуктов горения к корню струи, возникающей за счет создаваемого струёй разрежения. Конструкции стабилизирующих туннелей и их оптимальные размеры могут быть различны в зависимости от типа горелок и способов их установки в топках. В тех случаях, когда установка кольцевых и туннельных стабилизаторов горения нецелесообразна или неудобна, применяются U-образные стабилизаторы, размещаемые в центральной части потока газовоздушной смеси. В качестве простейших стабилизаторов, создающих обратные токи продуктов горения, применяются также стержни, размещаемые поперек потока смеси. В отдельных случаях для стабилизации горения используются шамотные наброски (горки), размещенные в непосредственной близости от кратера горелки.

7. Анализ механизмов образования загрязняющих веществ при горении газов Процесс сажеобразования при сжигании газов тесно связан непосредственно с конструкцией топочно-горелочных устройств, видом и режимом горения топлива. При этом различают три основных метода сжигания топлива: диффузионный (топливо и воздух предварительно не смешиваются и подаются в топку раздельными потоками), кинетический (топливо предварительно перемешивают с необходимым для сгорания количества воздуха) и диффузионно-кинетический, или смешанный метод горения. При диффузионном горении протекают реакции как полного окисления, так и термического разложения углеводородов, приводящие к появлению в пламени сажистых частиц. Раскаляясь в пламени, эти частицы придают ему ярко-желтую окраску. Процесс горения образовавшихся твердых частиц протекает сравнительно медленно, так как они перемещаются со скоростью потока и их контакт с окислителем осуществляется за счет молекулярной диффузии. В результате выгорания сажистых частиц затягивается и может прекратиться полностью при омывании пламенем холодных теплообменных поверхностей.

Данное явление нередко наблюдается в котельной практике, когда при наличии в дымовых газах кислорода на поверхностях нагрева обнаруживается сажа. При этом в продуктах сгорания могут присутствовать не только сажистые частицы, но и канцерогенные углеводороды.

В процессе горения углеводородных топлив при высоких температурах углеводороды разлагаются и образуют формальдегид, ацетилен, которые претерпевают процесс удлинения цепи и в результате реакций циклизации и дегидратации могут превратиться в сильнодействующий бензапирен C₂₀H₁₂. В условиях недостатка окислителя часть этих канцерогенных углеводородов не сгорает и уходит с дымовыми газами (вместе с сажистыми частицами). Концентрация углеводородов в продуктах сгорания зависит от конструкции топочно-горелочных устройств и режима горения. Так, при кинетическом методе сжигания топлива имеет место минимальное содержание канцерогенов или даже их полное отсутствие в дымовых газах[4].

Кроме перечисленных вредных веществ, при сжигании топлива всегда образуются оксиды азота — наиболее токсичные из всех компонентов, содержащихся в продуктах горения. Так как при полном сжигании газообразного топлива, не содержащих сернистых соединений в своем составе, отсутствуют оксиды серы, сажистые частицы, оксид углерода и углеводороды, то основными загрязнителями атмосферы становятся оксиды азота (NO и NO₂), присутствующие в дымовых газах даже при нормальном режиме горения. Токсичность продуктов сгорания газообразного топлива на 92−98% определяется содержанием в них оксидов азота, причем в результате реакций в топочной камере образуется в основном оксид азота NO (более 95%), поэтому при анализе механизмов и условий образования вредных веществ на него обращают пристальное внимание.

Образование NO происходит за счет окисления азота атмосферного воздуха и азота, содержащегося в топливе. Условием окисления азота воздуха является диссоциация молекулы кислорода воздуха под действием высоких температур в топке (1900…2200 К), потом образование оксида азота идет по цепному механизму[4]:

О₂+ М = О + О + М.

Согласно теории Семенова-Зельдовича — Франк-Каменецкого в процессе горения происходит окисление в высокотемпературной зоне по цепному механизму (по реакциям) [4]:

N₂ + O₂2NO.

Определяющей в образовании NO считается данная реакция, скорость которой зависит от концентрации атомарного кислорода и максимальной температуры в зоне горения, вследствие этого теория получила название термической. Поскольку в этом случае NO образуется в результате окисления азота воздуха, NO получил название воздушного.

Концентрация образовавшегося NO не превышает равновесную при максимальной температуре в реакционной зоне. Образование NO зависит от концентрации исходных веществ, температуры и времени установления равновесия.

Термическая теория предполагает экспоненциальную зависимость равновесной концентрации С (NO) от температуры [5]:

где С (О₂), С (N₂) — соответственно концентрации кислорода и азота в зоне реакции, %; R — универсальная газовая постоянная, Дж/(моль•К); Т — максимальная температура в зоне реакции, К.

Таким образом, состав оксидов азота на выходе из дымовой трубы почти не изменяется и только в атмосфере происходит процесс постепенного доокисления NO в NO₂. Анализ основных факторов, влияющих на образование оксидов азота, позволяет наметить основные методы их подавления. Выбросы оксидов азота при сжигании газообразного топлива могут быть значительно сокращены, если понижается максимальная температура горения (вводом в факел инертных дымовых газов или влаги; использованием методов теплоотвода от факела и др.). При сокращении времени пребывания реагирующих компонентов (азота и кислорода) в высокотемпературной зоне, а также при уменьшении концентрации кислорода в реакционной зоне (т. е. при снижении локального избытка воздуха)[4].

8. Разработка рациональных методов сжигания газов В последнее время в нашей стране и за рубежом большое внимание специалистов уделяется методам снижения выбросов загрязняющих веществ, включая оксидов азота (NO_x) непосредственно в топках котлов. Очистка продуктов сгорания от вредных примесей технически сложна и экономически нерентабельна, поскольку относительно малые концентрации вредных веществ извлечь из достаточно больших объемов дымовых газов крайне затруднительно. В то же время изменение топочного процесса в нужном направлении может привести к сокращению выбросов токсичных веществ без дорогостоящих мероприятий по очистке продуктов горения при сжигании газов[4].

При сжигании природного газа, не содержащего связанного азота, для подавления выбросов оксидов азота необходимы методы, ограничивающие образование «воздушных» NO_x, т. е. влияющие на снижение температурного уровня в зоне горения.

Теплотехнические методы снижения вредных выбросов с продуктами сгорания котлоагрегатов, которые охватывают наиболее апробированные в промышленности способы борьбы с NO_x при сжигании газов. Как показали результаты многочисленных исследований, частичная рециркуляция дымовых газов в топочную камеру является одним из эффективных методов подавления выбросов NO_x. В этом случае дымовые газы на выходе из котла забираются и подаются в топку либо через шлицы под горелками, либо через кольцевой канал вокруг горелок, либо путем подмешивания газов в воздух перед газовыми горелками[4].

Последний способ ввода рециркулирующих газов обеспечивает наибольшее снижение температуры в зоне горения. Рециркуляция дымовых газов наряду с уменьшением температурного уровня в топке приводит к снижению концентрации кислорода, т. е. к растягиванию зоны горения и более эффективному охлаждению этой зоны топочными экранами. Подмешивая до 20−25% продуктов сгорания в воздух, удается снизить содержание NO_x на 30−35%[4].

Подача влаги (воды или пара) в ядро факела также приводит к снижению выбросов оксида азота. Этот способ предусматривает впрыск влаги в количестве 3−5% от расхода топлива, что по аналогии с вводом рециркулирующих газов уменьшает максимальную температуру в зоне горения. По сравнению с обычным сжиганием газа данный метод позволяет на 10% подавить образование NO_x. Кроме того, впрыск влаги в топку эффективен не только для подавления оксидов азота, но и для уменьшения образования оксида углерода и углеводородов вследствие увеличения их скорости выгорания за счет повышения концентраций радикалов Н* и ОН* в реакционной зоне.

Радикальным способом подавления образования оксидов азота является организация многоступенчатого сжигания газа. В отличие от традиционного (одноступенчатого) сжигания топливо сжигают в несколько ступеней, подводя на каждой ступени только часть воздуха, необходимого для горения. В котельной практике иногда применяется двухступенчатое сжигание топлива, а в некоторых случаях — трехи многоступенчатое (если позволяет объем пространства в топочной камере, необходимого для завершения выгорания топлива). Зарубежный и отечественный опыт эксплуатации котлов свидетельствует о возможности в 1,5−2,0 раза уменьшить концентрацию NO_x в продуктах сгорания при организации двухступенчатого сжигания (по сравнению с обычным сжиганием топлива)[4].

Сущность данного метода заключается в том, что в первичную зону горения подается воздуха меньше, чем необходимо теоретически, т. е. б₁<1 (б₁=0,85…0,95), а во вторичную зону с некоторым избытком: б₂ >1 (б₂= 1,3…1,35). В результате в первичной зоне происходят снижение максимальной температуры в ядре факела и уменьшение содержания кислорода, что способствует подавлению образования оксидов азота. Из-за разбавления продуктами сгорания последующее горение протекает при более низкой температуре, вследствие чего во вторичной зоне горения оксиды азота фактически не образуются. Конструктивно метод двухступенчатого сжигания топлива можно осуществить в котельных агрегатах с двухъярусным расположением газовых горелок на высоте топочной камеры. При этом практически не требуется существенной реконструкции котла, связанной с дополнительными затратами. В приведена зависимость для определения экологической эффективности процесса двухступенчатого сжигания

газов[4]:

В выражении показатель «m» принимается равным = 3. В последние годы за рубежом разработаны горелочные устройства котлов для трехстадийного сжигания топлива, которые представляются весьма перспективными.

Перечисленные выше теплотехнические способы при комплексном их использовании могут существенно снизить образование оксидов азота и их выбросы в целом[4].

Экологическая эффективность теплотехнических способов уменьшения образования оксидов азота в топках котлов при сжигании газа

Выбор приоритетных методов сжигания газов с сокращением выбросов NO_x из котлоагрегатов должен определяться в каждом конкретном случае не только технико-экономическими соображениями, но и конструктивными особенностями котельных агрегатов. Есть способы эффективно подавляющие образование NO_x в котлах с большим топочным объемом, которые в то же время неприемлемы для котлоагрегатов с малыми топками. Так например, для котлов с небольшими по объему топочными камерами практически недопустим метод рециркуляции дымовых газов, поскольку наряду с подавлением оксидов азота резко возрастают выбросы оксида углерода и углеводородов. В подобных котлах целесообразно применение методов интенсивного охлаждения факела путем дополнительного экранирования топки, рассредоточения фронта горения, т. е. использования в котлоагрегатах большого числа маломощных газовых горелок взамен одной горелки высокой теплопроизводительности, а также путем секционирования топки двухсветными экранами. Сущность последнего метода заключается в интенсификации теплообмена в топках котлов, что уменьшает время протекания реакции окисления азота в зоне горения за счет увеличения скорости охлаждения продуктов горения[4].

В работе показано что применительно к котлоагрегатам и печам секционирование топок двухсветными экранами позволяет на 20−30% сократить выход оксидов азота. Реальные возможности практического использования на предприятиях железнодорожного транспорта указанных теплотехнических способов следует рассматривать комплексно, т. е. с учетом протекания в топках котлов взаимосвязанных процессов горения, теплообмена и образования не только оксидов азота, но и сопутствующих загрязняющих веществ в дымовых газах. Чаще всего на практике при эксплуатации котлоагрегатов для подавления образования NO_x используют метод снижения избытка воздуха в топке. Однако в этом случае появляется опасность загрязнения атмосферного воздуха оксидом углерода и углеводородами. Поэтому данный способ можно рекомендовать для котельных агрегатов при условии хорошего смесеобразования и в сочетании с мероприятиями эффективного дожигания продуктов неполного сгорания[4].

Заключение

В данной работе мы провели глубокое исследование современных инновационных методов сжигания газов. Переход на газ необходим. Природный газ при сжигании не образует твердые частицы, что является его отличительной особенностью. Многие промышленные и коммунальные предприятия ежегодно переходят на газовое топливо.

При нахождении сероводорода в местонахождении природного газа, его удаляют, с целью исключения возможности возникновения оксидов серы.

Постоянно модернизируются технологические процессы и транспортные средства, все с той же целью сокращения выбросов вредных веществ в окружающую среду и улучшения очистки уходящих газов от вредных примесей. В целом эта тенденция необходима для решения сложных вопросов, в частности, экологической безопасности, а также, с точки зрения экономии, газ более выгоден в использовании, нежели уголь или нефтепродукты, такие как нефть, мазут, бензин, дизель.

1) Горение http://ru.wikipedia.org/wiki/%C3%EE%F0%E5%ED%E8%E5

2) Катин В. Д. Теория горения и взрыва (часть 2)

3) Катин В. Д. Теория горения и взрыва (часть 1)

4) Катин, В. Д. Защита окружающей среды при эксплуатации печных и котельных установок