При горении горючих газов происходит химическая реакция горючих компонентов газа с кислородом, при этом выделяется тепло. Именно тепловой эффект является конечным полезным результатом всей деятельности, направленной на получение и поставку газового топлива.
Для горения составляют стехиометрические уравнения, описывающие количество вступивших в реакцию и получившихся веществ с учетом условия, что окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного окисления горючего газа. Интересный факт: значение кислорода для процесса горения как окислителя установил французский ученый А. Лавуазье, один из основателей современной химии.
Сжигание углеводородных газов
Процесс горения зависит от химического состава топлива. Уравнение полного сгорания любого углеводорода выглядит следующим образом:
СmHn + (m + n/4) O2 = mCO2 + (n/2) H2O, (1)
где m, n — число атомов углерода и водорода в молекуле.
Конечными продуктами полного сгорания углеводородов являются углекислый газ и вода.
Сжигание углеводородных газов в среде чистого кислорода производится не часто, например, при ацетиленовой сварке. Обычно при горении газового топлива используется воздух, который состоит из кислорода (почти 21 %) и азота (более 78 %). Незначительное количество других негорючих газов и паров воды, содержащихся в воздухе, в дальнейшем расчете приплюсуем к азоту, получив содержание всех компонентов (кроме кислорода) в 79 %. Следовательно, на 1 м3 кислорода в воздухе приходится 3,76 м3 азота (79/21 ≈ 3,76).
Основным горючим компонентом природного газа является метан. Реакция полного сгорания метана:
СН4 + 2О2 + 2 х 3,76 N2 = СО2 + 2Н2О + 7,52 N2. (2)
В результате образуется 1 м3 углекислого газа и 2 м3 паров воды. Можно сказать, что азот в реакции не участвует. При высоких температурах возможно образование высокотоксичных окислов азота NOх, но этого стараются не допускать, изменяя режимы горения газа и совершенствуя конструкцию горелок.
Для полного сгорания 1 м3 метана теоретически необходимо 2 + 2 х 3,76 = 9,52 м3 воздуха. Однако если подавать только теоретически необходимое количество воздуха, то добиться полного сгорания топлива невозможно: нельзя так идеально перемешать горючий газ с воздухом, чтобы к каждой его молекуле было подведено необходимое количество молекул кислорода. Для упрощенных прикидочных расчетов считается, что для полного сгорания 1 м3 природного газа необходимо не менее 10 м3 воздуха.
Гораздо большее количество воздуха, почти 24 м3, необходимо для сжигания 1 м3 пропана:
С3Н8 + 5О2 + 23,8 N2 = 3СО2 + 4Н2О + 23,8 N2. (3)
А для 1 м3 бутана требуется почти 31 м3 воздуха. Реакция полного сгорания бутана выглядит следующим образом:
С4Н10 + 6,5О2 + 30,94 N2 = 4СО2 + 5Н2О + 30,94 N2. (4)
Коэффициент избытка воздуха
На практике на горение подается воздуха больше, чем теоретически необходимо. Исключение составляют технологические процессы термообработки в защитной атмосфере. В частности, их применяют в металлургии для уменьшения образования окалины при нагреве стали.
Коэффициент избытка воздуха α показывает отношение количества воздуха, фактически израсходованного на горение, к теоретически необходимому количеству:
α = Vфакт/Vтеор, (5)
где Vфакт — количество воздуха, фактически израсходованного на горение¸м3;
Vтеор — теоретически необходимое количество воздуха, м3.
В реальных условиях на окисление горючего газа пойдет только теоретически необходимый объем воздуха, определяемый по стехиометрическим уравнениям. Избыточный воздух, и азот, и кислород войдут в состав дымовых газов.
Коэффициент избытка воздуха — важнейший показатель, определяющий качество сжигания газа. Он определяется способом сжигания и конструкцией топки и горелки. Главный фактор при выборе коэффициента избытка воздуха — обеспечение наименьших потерь с дымовыми газами и химическим недожогом. Чем меньше коэффициент α, тем меньше объем продуктов сгорания, тем меньше тепла они унесут в атмосферу. Соответственно, увеличивается коэффициент полезного действия газоиспользующего оборудования. Но значительное уменьшение подачи воздуха грозит его недостатком, и, как следствие, химическим недожогом, иначе именуемым неполным сгоранием.
У современных горелок с полным предварительным смешением газа с воздухом коэффициент α лежит в пределах 1,05 ÷ 1,1, то есть на горение расходуется воздуха на 5–10 % больше, чем теоретически необходимо. Для мазута оптимальный коэффициент избытка воздуха также составляет 1,05 ÷ 1,1. У твердого топлива он больше: при факельном сжигании — 1,15 ÷ 1,2, при слоевом — 1,3 ÷ 1,4.
Качество сжигания газового топлива можно оценить визуально: по цвету и форме пламени. При полном сгорании газа пламя горелки плиты состоит из коротких факелов голубовато-фиолетового цвета.
При неполном сгорании пламя желтое коптящее с длинными факелами . В продуктах горения содержится значительное количество оксида углерода СО, а также несгоревший углерод в виде сажи. Если горит совсем плохо, в дымовых газах присутствуют водород и несгоревший метан. Оксид углерода — токсичный газ. При использовании газовых плит, а также в случае нарушения тяги при работе оборудования с отводом продуктов сгорания на улицу он вызывает отравление.
Сажа покрывает поверхности теплообмена, резко уменьшается передача тепла, а значит, и коэффициент полезного действия газоиспользующего оборудования. Теплопроводность — способность веществ передавать тепло от нагретой части к более холодной. Для теплообменников применяются материалы, обладающие высокой теплопроводностью. Наилучшие показатели у меди — 394 Вт/м*К. Сталь уступает меди в разы, ее теплопроводность находится в пределах 40–90 Вт/м*К. У сажи она составляет всего 0,1 Вт/м*К, то есть почти в 4000 раз меньше, чем у меди. У стального котла слой сажи толщиной в 1 миллиметр уменьшает тепловой поток через стенку теплообменника почти в 2 раза. У проточных водонагревателей сажа в «запущенных» случаях вызывает практически полное прекращение передачи тепла: колонка горит, а вода нагревается всего на несколько градусов. Если коптят горелки газовой плиты, то приходится прилагать значительные усилия, чтобы отчистить посуду.
Причины неполного сгорания:
- недостаточное количество воздуха, поступающего на горение;
- плохое перемешивание газа и воздуха;
- значительное охлаждение пламени до завершения реакции горения.
Для устранения первых двух причин газовые горелки конструируют таким образом, чтобы обеспечить необходимый приток воздуха и качественное образование газовоздушной смеси. При пуске и наладке добиваются режимов работы, обеспечивающих полное сгорание. Чрезмерное охлаждение пламени происходит тогда, когда пламя омывает поверхности теплообмена. В результате температура реагирующей смеси понижается, и процесс горения не происходит полностью. Здесь также многое решается при конструировании. Горелка для газоиспользующего оборудования подбирается таким образом, чтобы длина факела соответствовала размерам топки, и процесс горения завершался своевременно.
О том, какими бывают газовые горелки, как их классифицируют, а также об основных технических характеристиках читайте здесь.
