Спалювання горючих газів

При горінні горючих газів відбувається хімічна реакція горючих компонентів газу з киснем, виділяється тепло. Саме тепловий ефект є кінцевим корисним результатом усієї діяльності, спрямованої на отримання та постачання газового палива.

Для горіння становлять стехіометричні рівняння, що описують кількість вступили в реакцію і речовин з урахуванням умови, що окислювача рівно стільки, скільки необхідно для повного окислення пального газу. Цікавий факт: значення кисню для процесу горіння як окислювача встановив французький учений А.А. Лавуазьє, один із засновників сучасної хімії.

Спалювання вуглеводневих газів

Процес горіння залежить від хімічного складу палива. Рівняння повного згоряння будь-якого вуглеводню виглядає так:

СmHn + (m + n/4) O2 = mCO2 + (n/2) H2O, (1)

де m, n - Число атомів вуглецю і водню в молекулі.

Кінцевими продуктами повного згоряння вуглеводнів є вуглекислий газ та вода.

Спалювання вуглеводневих газів у середовищі чистого кисню проводиться не часто, наприклад, при ацетиленовому зварюванні. Зазвичай при горінні газового палива використовується повітря, що складається з кисню (майже 21%) та азоту (понад 78%). Незначна кількість інших негорючих газів і парів води, що містяться в повітрі, у подальшому розрахунку приплюсуємо до азоту, отримавши вміст усіх компонентів (крім кисню) у 79 %. Отже, на 1 м3 кисню у повітрі припадає 3,76 м3 азоту (79/21 ≈ 3,76).

Основним пальним компонентом газу є метан. Реакція повного згоряння метану:

СН4 + 2О2 + 2 х 3,76 N2 = СО2 + 2Н2О + 7,52 N2. (2)

В результаті утворюється 1 м3 вуглекислого газу та 2 м3 пари води. Можна сказати, що азот у реакції не бере участі. При високих температурах можливе утворення високотоксичних оксидів азоту NOх, але цього намагаються не допускати, змінюючи режими горіння газу та вдосконалюючи конструкцію пальників.

Для повного згоряння 1 м3 метану теоретично необхідно 2+2 х 3,76 = 9,52 м3 повітря. Однак якщо подавати тільки теоретично необхідну кількість повітря, то досягти повного згоряння палива неможливо: не можна так ідеально перемішати горючий газ з повітрям, щоб до кожної його молекули було підведено необхідну кількість молекул кисню. Для спрощених розрахунків вважається, що для повного згоряння 1 м3 природного газу необхідно не менше 10 м3 повітря.

Набагато більша кількість повітря, майже 24 м3, необхідна для спалювання 1 м3 пропану:

С3Н8 + 5О2 + 23,8 N2 = 3СО2 + 4Н2О + 23,8 N2. (3)

А для 1 м3 бутану потрібно майже 31 м3 повітря. Реакція повного згоряння бутану виглядає так:

С4Н10 + 6,5О2 + 30,94 N2 = 4СО2 + 5Н2О + 30,94 N2. (4)

Коефіцієнт надлишку повітря

Насправді на горіння подається повітря більше, ніж теоретично необхідно. Виняток становлять технологічні процеси термообробки у захисній атмосфері. Зокрема, їх застосовують у металургії зменшення освіти окалини при нагріванні стали.

Коефіцієнт надлишку повітря α показує відношення кількості повітря, фактично витраченого на горіння, до теоретично необхідної кількості:

де Vфакт - кількість повітря, фактично витраченого на горіння м3;

Vтеор - теоретично необхідна кількість повітря, м3.

У реальних умовах на окислення пального газу піде тільки теоретично необхідний об'єм повітря, який визначається за стехіометричними рівняннями.

Коефіцієнт надлишку повітря – найважливіший показник, що визначає якість спалювання газу. Він визначається способом спалювання та конструкцією топки та пальника. , Тим менше тепла вони віднесуть в атмосферу. збільшується коефіцієнт корисної дії газовикористовуючого обладнання.

У сучасних пальників з повним попереднім змішуванням газу з повітрям коефіцієнт α лежить в межах 1,05 ÷ 1,1, тобто на горіння витрачається повітря на 5–10 % більше, ніж теоретично необхідно. 05 ÷ 1,1. У твердого палива він більший: при факельному спалюванні - 1,15 ÷ 1,2, при шаровому - 1,3 ÷ 1,4.

Неповне згоряння

Якість спалювання газового палива можна оцінити візуально: за кольором і формою полум'я.

При неповному згорянні полум'я жовте коптить з довгими факелами. У продуктах горіння міститься значна кількість оксиду вуглецю, а також незгорілий вуглець у вигляді сажі.Оксид вуглецю – токсичний газ. При використанні газових плит, а також у разі порушення тяги під час роботи обладнання з відведенням продуктів згоряння на вулицю він викликає отруєння.

Сажа покриває поверхні теплообміну, різко зменшується передача тепла, отже, і коефіцієнт корисної дії обладнання, що використовує газо. Теплопровідність - здатність речовин передавати тепло від нагрітої частини до холоднішої. Для теплообмінників застосовуються матеріали, що мають високу теплопровідність. Найкращі показники у міді – 394 Вт/м*К. Сталь поступається міді у рази, її теплопровідність знаходиться в межах 40-90 Вт/м*К. У сажі вона становить лише 0,1 Вт/м*К, тобто майже 4000 разів менше, ніж в міді. У сталевого котла шар сажі завтовшки один міліметр зменшує тепловий потік через стінку теплообмінника майже в 2 рази. У проточних водонагрівачів сажа в «запущених» випадках викликає практично повне припинення передачі тепла: колонка горить, а вода нагрівається лише на кілька градусів. Якщо коптять пальники газової плити, доводиться докладати значних зусиль, щоб відчистити посуд.

Причини неповного згоряння:

• недостатня кількість повітря, що надходить на горіння;
• погане перемішування газу та повітря;
• значне охолодження полум'я до завершення реакції горіння.

Для усунення перших двох причин газові пальники конструюють таким чином, щоб забезпечити необхідний приплив повітря та якісне утворення газоповітряної суміші. Під час пуску та налагодження добиваються режимів роботи, що забезпечують повне згоряння. Надмірне охолодження полум'я відбувається тоді, коли полум'я омиває поверхні теплообміну. В результаті температура реагує суміші знижується, і процес горіння не відбувається повністю. Тут також багато що вирішується при конструюванні. Пальник для газовикористовуючого обладнання підбирається таким чином, щоб довжина смолоскипа відповідала розмірам топки, і процес горіння завершувався своєчасно.