Газогорелочные устройства котлов

Горение газового топлива

При горении газового топлива его горючие составляющие вступают в химическое взаимодействие с кислородом. В результате реакции образуются продукты горения: при горении углерода — углекислый газ СО?, водорода — водяные пары Н^О. При сжигании топлива в топках в большинстве случаев кислород для горения поступает из воздуха.

Азот, содержащийся в воздухе, в горении не участвует и, нагреваясь, уносит значительное количество теплоты. Так как в воздухе содержится по объему около 21 % кислорода, 79 % азота и очень небольшое количество других газов, то теоретически необходимый для сжигания газа объем воздуха больше требующегося для реакции горения объема кислорода в 100/21= 4,76 раза, и на каждый использованный кубический метр кислорода приходится 79 / 21= 3,76 м³ азота.

Объемные соотношения реакций горения газов могут быть выражены следующим образом.

Водород

Н₂+ 0,5О₂+ 0,5 х 3,761Ч₂ = Н₂0 + 1,88М₂ (7.1)

• 1 0,5 1,88 1 1,88
• 3,38 м³ 2,88 м³

Как видно, 1 молекула (или 1 м³) водорода, вступая в реакцию с кислородом, образует при полном сгорании 1 молекулу (или 1 м³) водяных паров. Количество азота до реакции и в продуктах горения осталось неизменным — 1,88 м³. Общий же объем продуктов горения (2,88 м³) стал несколько меньше суммы объемов газов, участвовавших в реакции (3,38 м³). Если в топку поступает недостаточное количество воздуха или не будет обеспечено хорошее перемешивание его с газом, то часть водорода не сгорит, а уйдет с отходящими газами.

Оксид углерода

СО + 0,5О₂ + 0,5 х 3,761М₂ = С0₂ + 1,88М₂ (7.2)

• 1 0,5 1,88 1 1,88
• 3,38 м³ 2,88 м³

Соотношение объемов реагирующих веществ и продуктов горения здесь такое же, как и при сгорании водорода. При неполном сгорании оксид углерода обнаруживается в продуктах горения.

Метан

СН₄ + 20₂ + 2 х 3,761Ч₂ = С0₂ +2Н₂0 + 7,52>1₂ (7.3)

• 1 2 7,52 1 2 7,52
• 10,52 м³ 10,52 м³

Из уравнения следует, что при полном сгорании 1 м³ метана образуется 1 м³ углекислого газа и 2 м³ водяных паров. Общий объем продуктов горения равен сумме объемов реагировавших газов (10,52 м³). При неполном сгорании метана реакции протекают иначе.

1. Часть метана сгорает, образуя водяные пары и оксид углерода вместо углекислого газа по реакции

СН₄ +1,50₂ + 1,5 х 3,761Ч₂ = 2Н₂0 + СО + 5,641Ч₂, т.е. 1 м³ метана, соединяясь с кислородом, образует 2 м³ водяных паров и 1 м³ оксида углерода.

2. Часть метана сгорает, образуя водяные пары и частицы твердого углерода (сажу ) по реакции

СН₄ + 0₂ + 3,761М₂ = 2Н₂0 + С + 3,761М₂. (7.4)

3. Часть метана не сгорит совсем и уйдет вместе с отходящими газами.

Все три случая неполного сгорания метана могут происходить в одно и то же время.

Тяжелые углеводороды горят так же, как и метан, только для их сгорания требуется больше кислорода. Например, для паров сжиженных газов реакции записываются так.

Пропан

С₃Н₈ + 50₂ + 5 х 3,76 ГМ₂ = ЗС0₂ + 4Н₂0 + 18,8М₂ (7.5)

• 1 5 18,8 3 4 18,8
• 24,8 м³ 25,8 м³

Бутан

С₄Н₁₀ + 6,50₂ + 6,5 х 3,76 ТМ₂ = 4С0₂ +5Н₂0 + 24,441Ч₂ (7.6)

I 6,5_24,44 4 5 24,44

31,94 м³ 33,44 м³

Особенностью этих реакций является некоторое превышение объема продуктов горения по сравнению с суммой объемов реагирующих веществ. Опасность появления в продуктах горения горючих компонентов более высока, чем при сжигании водорода и метана.

Реакция полного сгорания любого углеводородного газа в воздухе может быть записана в виде уравнения:

С,„Н,_; + (т + п/4)(0? + 3,761Ч₂) — /иС0₂ +(/я/2)Н₂0 +

+ (го + «/4)3,76N₂, (7.7)

где тип — число атомов соответственно углерода и водорода в

молекуле газа.

Очевидно, что при неполном сгорании выделение теплоты уменьшается. Кроме того, при образовании в процессе горения сажи и оседания ее на поверхностях нагрева уменьшается теплоотдача к ним от горячих продуктов горения, а потери теплоты с уходящими газами возрастают.

Практически в продуктах горения может быть кислород, который не успел вступить в реакцию с горючими составляющими или был подан в топку в избыточном количестве. Кроме перечисленных продуктов полного и неполного сгорания, в составе отходящих газов может быть (при наличии в газе сероводорода) незначительное количество сернистого газа $0₂.

Количество воздуха, необходимое для горения газов. Зная состав горючих газов и реакции горения, можно подсчитать теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 м³газа.

Смесь газа с теоретически необходимым для полного сгорания воздухом называют стехиометрической смесью. Для сложных газов теоретический объем кислорода К_о ⁰, м³/м³, требующегося для полного сгорания, определяют по формуле

У_0у° = 0,01(0,5СО + 0,5Н₂ + 2СН₄ + 3,5С₂Н₆ + 5С₃Н₈ +

+ 6,5С₄Н₁₀ + 8С₅Н₁₂ +ЗС₂Н ₄ + 4,5С₃Н ₆ + 1,5Н₂8 - 0₂), (7.8)

а объем воздуха, м³/м³,

V» = 4,76 У_о0.

Приближенно теоретический расход воздуха К_в°, м³/м³, для сжигания природных газов можно определить по значению низшей теплоты сгорания газа (2_нр

К_в°-(1,12: 1000)?_нр. (7.9)

Однако если в топку подавать только теоретически необходимое количество воздуха, то добиться полного сгорания топлива невозможно. Объясняется это тем, что трудно так перемешать топливо с воздухом, чтобы к каждой молекуле горючих было подведено необходимое количество молекул воздуха. Поэтому на практике приходится подавать воздуха больше, чем теоретически необходимо, т.е. работать с избытком воздуха. При этом часть воздуха проходит через топку, не реагируя с топливом.

Размер избытка или недостатка воздуха определяется коэффициентом избытка воздуха ос, который показывает отношение действительного количества воздуха, расходуемого на горение, к теоретически необходимому. Например, если говорят, что топка работает при а = 1,5, это значит, что в топку поступает воздуха в 1,5 раза больше теоретически необходимого. Действительный расход воздуха У_к, м³/с , для сжигания газа в количестве У_г, м³/с, составляет

У_в=(хУ_в°У_г. (7.9)

Необходимость сжигать топливо полностью при ос, близком к 1,0, вызывается стремлением обеспечить наиболее экономичную и эффективную работу агрегата. Чем меньше а, тем меньше теплоты унесут отходящие газы. Но увеличение а снижает температуру в топке, отчего газ горит менее активно и сгорание может стать неполным. Добиваясь сжигания газа с наименьшим а, нельзя его сокращать настолько, чтобы сгорание стало неполным, так как даже небольшая неполнота сгорания приводит к очень значительным потерям теплоты.

Из изложенного следует, что от организации подачи воздуха зависят качественные показатели работы котельных агрегатов.