Основи спалювання газу
НАУКОВО-ІНФОРМАЦІЙНИЙ ЦЕНТР Харківського державного ТЕХНОЛОГІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ РОСЛИННИХ ПОЛИМЕРОВ
Присвячується пам'яті вчителя і соратника професора Тюльпанова Р.С.
В даному навчальному посібнику розглянуті механізми і закономірності процесів горіння газоподібного палива, конструкції пальників
В роботі використовувалися навчальні посібники з даного курсу, підготовлені попередниками проф. Тюльпанова Р.С. і Алаев Г.П.
НАУКОВО-ІНФОРМАЦІЙНИЙ ЦЕНТР Харківського державного ТЕХНОЛОГІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ РОСЛИННИХ ПОЛИМЕРОВ
Протягом останніх десятиліть відзначені бурхливим зростанням темпів видобутку і споживання природного газу. Україна, де середньорічна видобуток в ХХI столітті становить від 500 до 700 млрд. Нм 3. за цим показником займає 1 місце в світі (18% усього світового видобутку, приблизно 35% світових запасів).
Всього через ТЕБУкаіни проходить близько 1,7 млрд. Тонн умовного палива на рік (приблизно 12 тонн на душу населення).
На частку природного газу припадає приблизно 42% прибуткової частини ТЕБУкаіни. Основні родовища зосереджені в важкодоступних, малонаселених районах з суворим кліматом - Ямало-Ненецький національний округ, північ Сибіру, шельф Північного Льодовитого океану. Найбільші родовище - Уренгойське (10200 млрд. М 3. відкрито в 1966 р), Ямбургское (5242 млрд. М 3 - 1969 г.), Бованенковское (4385 млрд. М 3 - 1971 г.). Приблизно половина газу витрачається всередині країни, друга половина йде на експорт. Світові ціни на газ безперервно ростуть.
НАУКОВО-ІНФОРМАЦІЙНИЙ ЦЕНТР Харківського державного ТЕХНОЛОГІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ РОСЛИННИХ ПОЛИМЕРОВ
Настільки значна частина природного газу в паливно-енергетичному балансі країни пояснюється його високими енергетичними якостями, термостабильностью і екологічністю (відносної чистотою продуктів згоряння). Тому перспективи застосування газового палива поширюються не тільки на велику енергетику і комунально-побутовий сектор, а й на транспорт (автомобільний, авіаційний) і такі галузі як чорна і кольорова металургія, хімічна промисловість, сільське господарство та ін.
Заміна твердого та рідкого палива на газоподібне дозволяє підвищити ефективність процесів теплообміну, створювати більш економічні і високопродуктивні тепловикористовуючі установки.
Економічність спалювання газу вимагає вдосконалення існуючих та розробки нових конструкцій пальників.
Мета даного навчального посібника - ознайомити студентовтеплоенергетіков з основами спалювання газу і розрахунком газових пальників.
НАУКОВО-ІНФОРМАЦІЙНИЙ ЦЕНТР Харківського державного ТЕХНОЛОГІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ РОСЛИННИХ ПОЛИМЕРОВ
Склад газоподібного палива
Теплота згоряння більшості природних газів знаходиться в порівняно вузькому діапазоні Q i d = 33,5-37,7 МДж / м 3 (8000-9000 ккал / м 3). (Для порівняння: теплота згоряння метану Q i d = 8555 ккал / м 3). У негорючий баласт газоподібного палива можуть входити азот N 2. двоокис вуглецю CO 2 і кисень O 2. Щільність природних газів близька до щільності основного компонента - метану і змінюється, як правило, у вузьких межах ρ г = 0,7 0,8 кг / м 3.
Властивості окремих компонентів
Метан СН4 є найбільш легким з вуглеводнів, що не має ні кольору, ні запаху. При повному згорянні метану, згідно реакції СН 4 + О 2 = СО 2 + Н 2 О утворюються двоокис вуглецю і водяна пара. як уже
було відзначено, метан є основним компонентом будь-якого природного газу, атакож міститься і в більшості штучних газів.
Важкі вуглеводні - це збірна назва всіх вуглеводнів з числом атомів вуглецю в молекулі не менше двох. Хімічна формула важких вуглеводнів в загальному вигляді записується C m H n. розрізняють
НАУКОВО-ІНФОРМАЦІЙНИЙ ЦЕНТР Харківського державного ТЕХНОЛОГІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ РОСЛИННИХ ПОЛИМЕРОВ
граничні вуглеводні, у яких молекула повністю насичена атомами водню, і ненасичені вуглеводні, у яких число атомів водню в молекулі менше, ніж у граничних вуглеводнів при одному і тому ж кількості атомів вуглецю.
До граничним важким вуглеводнів відносяться вуглеводні, які характеризуються загальною формулою С n Н 2n + 2. і утворюють, таким чином, разом з метаном єдиний гомологічний ряд (парафінові вуглеводні, або алкани).
Етан З 2 Н 6 - газ, по щільності близький до повітря; при звичайних умовах він може розглядатися як ідеальний газ.
Пропан СЗН 8 - це вже важкий газ, щільність якого дорівнює щільності двоокису вуглецю. При звичайних умовах він досить близький до початку конденсації: при нормальному тиску пропан переходить в рідкий стан при температурі мінус 44 ° С, а при температурі +20 ° С для цього необхідний тиск 0,85 МПа.
Бутан З 4 Н 10 - газ, який має два ізомери (різновиди з однаковою хімічною формулою і, отже, з однаковим молекулярною вагою), що відрізняються розташуванням атомів в молекулі: н-бутан і з-бутан.
Етан, пропан і бутан зазвичай входять до складу тих же газоподібних палив, що і метан, але в значно меншій кількості. У зв'язку з цим парціальні тиску цих газів, особливо пропану і бутану, дуже малі, внаслідок чого в складі палива вони можуть розглядатися як ідеальні гази.
До ненасичених важким вуглеводнів, які можуть входити до складу газоподібного палива, відносяться етилен З 2 Н 4 і його найближчі гомологи - пропілен З 3 Н 6 і бутилен З 4 Н 8 (бутилен має три ізомери: бутилен-1, бутилен-2 і з -бутілен). Загальна формула вуглеводнів етилену гомологічного ряду (олефінових вуглеводнів, або алкенів) З n Н 2n. За своїми фізичними властивостями вони близькі до відповідних
НАУКОВО-ІНФОРМАЦІЙНИЙ ЦЕНТР Харківського державного ТЕХНОЛОГІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ РОСЛИННИХ ПОЛИМЕРОВ
предельнимуглеводородам. Вони входять в досить великій кількості в гази, одержувані при переробці нафтопромислових газів і нафти.
Крім ненасичених вуглеводнів ряду етилену, в деяких газоподібних паливах (наприклад, в коксовому газі) міститься бензол З 6 Н 6 - найпростіший вуглеводень ароматичного ряду.
При повному згорянні будь-якого з важких вуглеводнів утворюються двоокис вуглецю і водяна пара.
Баласт газоподібного палива, як уже було зазначено, складається з діоксиду вуглецю, азоту і кисню.
Види газоподібного палива і природа його освіти
Газоподібне паливо можна розділити на дві групи: природні гази. видобуваються з надр землі, і штучні гази. або спеціально одержувані при переробці твердого або рідкого палива, або представляють собою побічний продукт деяких технологічних процесів.
Відповідно до загальноприйнятої теорії, природні гази. так само як і нафта, утворилися із залишків рослинних і тваринних організмів, які осідають на морському дні, а потім піддавалися тисячолітнього впливу різних фізичних, біохімічних і геологічних процесів.
Гази, одержувані з нафтогазових родовищ при видобутку нафти,
називають нафтопромислові або попутними.
НАУКОВО-ІНФОРМАЦІЙНИЙ ЦЕНТР Харківського державного ТЕХНОЛОГІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ РОСЛИННИХ ПОЛИМЕРОВ
Серед штучних газів слід, в першу чергу, виділити нефтезаводского (нафтові) гази, що утворюються як побічний продукт цілого ряду процесів переробки нафти (температурна перегонка, крекінг, піроліз, деструктивна гідрогенізація), а також коксовий і генераторний газ.
Коксовий газ є побічним продуктом високотемпературного коксування кам'яного вугілля. Сутність процесу полягає в нагріванні попередньо подрібненого вугілля без доступу повітря до температури 9501100 ° С в спеціальних коксувального печах. При цьому паливо розкладається, і з нього виділяються газоподібні горючі речовини і смоли. Твердий залишок спікається і являє собою металургійний кокс (практично, чистий атомарний вуглець).
Генераторний газ являє собою продукт безостаточного газифікації різних твердих палив в спеціальних установках, які називаються газогенераторами.
В останні десятиліття все більше застосування (наприклад, в побуті) знаходять зріджені гази (як правило, суміш пропану і бутану), які зберігаються і транспортуються в рідкому стані (звідси і назва) в балонах або резервуарах під тиском близько 1 МПа. Над рівнем рідини в балоні знаходиться суміш насичених парів цих компонентів, яка представляє собою висококалорійне рідке паливо. У міру виходу суміші з балона рідка фаза випаровується і, таким чином, може бути використана практично до кінця.
Механізм горіння газу
Механізм горіння газу протікає по-різному в залежності від теплофізичних властивостей окремих компонентів. Теплотривкі компоненти, до яких відносяться, наприклад СО, Н 2. зберігають свою молекулярну структуру при високотемпературному нагріванні без доступу повітря. Теплонеустойчівие компоненти, наприклад, більшість граничних
НАУКОВО-ІНФОРМАЦІЙНИЙ ЦЕНТР Харківського державного ТЕХНОЛОГІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ РОСЛИННИХ ПОЛИМЕРОВ
вуглеводнів метанового ряду, при нагріванні без доступу повітря розкладаються з утворенням більш легких з'єднань і атомів вуглецю. Температура початку термічної дисоціації вуглеводнів зменшується зі збільшенням їх молекулярної маси. Наприклад, термічний розклад метану СН 4 починається при температурі 600 ÷ 800ºС, етану С 2 Н 6 - при 485 ˚С, пропану З 3 Н 8 - при 400 ˚С.
При погіршеному процесі змішування горіння твердих частинок сажі протікає повільно, затягується. Факел виходить довгим, розтягнутим. Деяка кількість сажі неминуче потрапляє в зони з нестачею кисню і не згорає, що призводить до втрат теплоти з механічним недожогом. Крім того, на поверхнях нагріву утворюється жирний наліт сажі, що знижує інтенсивність теплообміну.
Класичний закон діючих мас і закон Аррениуса встановлюють залежність швидкості хімічної реакції від концентрації реагуючих речовин і температури.
НАУКОВО-ІНФОРМАЦІЙНИЙ ЦЕНТР Харківського державного ТЕХНОЛОГІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ РОСЛИННИХ ПОЛИМЕРОВ
Відповідно до закону діючих мас, в закритій гомогенної системі при постійній температурі швидкість хімічної реакції в кожен момент часу пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин:
W = k C А a C В b.
де k - константа швидкості реакції, що характеризує число ефективних зіткнень молекул, що призводять до реакції; a, b - порядок реакції за окремими компонентами.
Константа швидкості реакції відповідно до закону Арреніуса є функцією температури:
де k o - імовірнісний фактор - коефіцієнт пропорційності, що характеризує повне число зіткнень всіх молекул (активних і неактивних) в одиниці об'єму реагує суміші; Е - енергія активації; R - газова постійна.
Множник exp (-Е / RT) відображає частку загального числа зіткнень, які виникають між «активними» молекулами і призводять до реакції.
Однак ці уявлення відображають лише чисто молекулярний механізм протікання реакції, що підкоряється стехиометрическим співвідношенням вихідних і кінцевих продуктів.
У ряді випадків горіння газоподібних речовин не підкоряється цим законам. Наприклад, реальні швидкості горіння часто значно вище, ніж це випливає з сформованих уявлень, а енергія активації відповідних реакції багато нижче.
Результуючі реакції горіння дають уявлення тільки про кінцевих результатах згоряння окремих складових, які не відображаючи фактичного ходу процесу горіння. Насправді механізм горіння газу більш складний і характеризується наявністю низки проміжних хімічних перетворень, які в цілому є