Природные газы. Методы сжигания газов и эффективного использования

1. Особенности природных газов

Для качественного обслуживания газового оборудования и выполнения газоопасных работ необходимо знать особенности природных газов, методы их сжигания и эффективного использования.

Природный газ имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами топлива:

• стоимость добычи природного газа значительно ниже, а производительность труда значительно выше, чем при добыче угля и нефти;
• высокая теплота сгорания делает целесообразным транспортирование газа по магистральным газопроводам на значительные расстояния;
• обеспечивается полнота сгорания, и облегчаются условия труда обслуживающего персонала;
• отсутствие в природных газах оксида углерода предотвращает возможность отравления при утечках газа, что особенно важно при газоснабжении коммунальных и бытовых потребителей;
• газоснабжение городов, населенных пунктов и предприятий значительно улучшает состояние их воздушного бассейна;
• обеспечиваются возможность автоматизации процессов горения, достижение высоких КПД;
• природный газ – ценное сырье для химической промышленности;
• высокая жаропроизводительность (более 2000 °С) позволяет эффективно применять природный газ в качестве энергетического и технологического топлива.

Природный газ как промышленное топливо имеет следующие технологические преимущества:

• при сжигании природного газа требуется минимальный избыток воздуха, и достигаются высокие температуры в печах;
• природный газ содержит наименьшее количество таких вредных химических примесей, как сероводород;
• при сжигании газа можно обеспечить более точную регулировку требуемой температуры, чем при сжигании других видов топлива. Это позволяет экономить топливо, так как из-за более широких колебаний регулирования диапазонов температур;
• при сжигании других видов топлива приходится часто вести процесс на верхнем температурном пределе, что влечет за собой перерасход топлива;
• использование природного газа позволяет осуществить сравнительно быстрый разогрев тепловых агрегатов и свести к минимуму тепловые потери при остановке этих агрегатов, что также способствует экономии топлива;
• при использовании природного газа отсутствуют потери от механического недожога;
• форма газового пламени сравнительно легко регулируется и поддается различным видоизменениям, что особенно важно, когда возникает необходимость быстро сосредоточить и развить в определенном пункте высокую степень нагрева;
• использование природного газа позволяет применять в промышленности такие прогрессивные и высокоэкономичные виды тепловой обработки, как нагрев с помощью горелок беспламенного сжигания и радиационных трубок, что дает возможность значительно интенсифицировать процесс нагрева.

Вместе с тем газовому топливу присущи и недостатки — отрицательные свойства: природный газ взрыво- и пожароопасен.

Горение газообразного топлива возможно только при наличии воздуха, в котором содержится кислород. Причем процесс горения (взрыва) происходит при определенных соотношениях газа и воздуха. Как показано в табл. 1, пределы воспламеняемости метана составляют 5–15 %. Если выделяемая теплота достаточна для нагревания газовоздушной смеси до температуры самовоспламенения, то смесь может гореть или взрываться.

Таблица 1. Температура самовоспламенения и пределы воспламеняемости наиболее распространенных горючих газов

Резкое возрастание давления и быстрое расширение продуктов горения обусловливает разрушительный эффект от взрыва газовоздушной смеси.

Давление, возникающее при взрыве природного газа в помещениях, достигает 0,8 МПа. При взрывах газовоздушной смеси в трубах с большими диаметром и длиной скорость распространения пламени может превзойти скорость распространения звука и достичь 2000–4000 м/с. В результате быстродвижущегося взрывного воспламенения местное повышение давления составит 8 МПа и выше. Такое взрывное воспламенение называется детонацией.

Детонация объясняется возникновением и действием ударных волн в воспламеняющейся среде. Перемещаясь с большой скоростью, ударная волна резко увеличивает температуру и давление газовоздушной смеси, что вызывает ускорение реакции взрыва и увеличивает разрушительный эффект детонации. Наиболее опасны с точки зрения возможности взрыва газы с наиболее низкими пределами взрываемости.

При близких величинах нижних пределов взрываемости двух газов наиболее опасен газ, у которого шире область взрываемости и ниже температура самовоспламенения. Концентрация (объемная доля газа в воздухе), равная 20 % нижнего предела воспламеняемости, считается опасной.

2. Условия воспламенения и сгорания газового топлива

Горение газообразного топлива представляет собой сочетание следующих физических и химических процессов: смешение горючего газа с воздухом, подогрев смеси, термическое разложение горючих компонентов, воспламенение и химическое соединение горючих элементов с кислородом воздуха.

Устойчивое горение газовоздушной смеси возможно при непрерывном подводе к фронту горения необходимых количеств горючего газа и воздуха, их тщательном перемешивании и нагреве до температуры воспламенения или самовоспламенения (табл. 5).

Воспламенение газовоздушной смеси может быть осуществлено:

• нагревом всего объема газовоздушной смеси до температуры самовоспламенения. Такой способ применяют в двигателях внутреннего сгорания, где газовоздушную смесь нагревают быстрым сжатием до определенного давления;
• применением посторонних источников зажигания (запальников и т. д.). В этом случае до температуры воспламенения нагревается не вся газовоздушная смесь, а ее часть. Данный способ применяется при сжигании газов в горелках газовых приборов;
• существующим факелом непрерывно в процессе горения.

Для начала реакции горения газообразного топлива следует затратить определенное количество энергии, необходимой для разрыва молекулярных связей и создания новых.

Химическая формула сгорания газового топлива с указанием всего механизма реакции, связанного с возникновением и исчезновением большого количества свободных атомов, радикалов и других активных частиц, сложна. Поэтому для упрощения пользуются уравнениями, выражающими начальное и конечное состояния реакций горения газа.

Если углеводородные газы обозначить С_mН_n, то уравнение химической реакции горения этих газов в кислороде примет вид

С_mН_n + (m + n/4) О₂ = mСО₂ + (n/2) Н₂О, (1)

где m – количество атомов углерода в углеводородном газе; n – количество атомов водорода в газе; (m + n/4) – количество кислорода, необходимое для полного сгорания газа.

В соответствии с формулой выводятся уравнения горения газов: метана СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О

этана С₂Н₆ + 3,5О₂ = 2СО₂ + 3Н₂О бутана С₄Н₁₀ + 6,5О₂= 4СО₂+5Н₂О пропана С₃Н₈ + 5О₂ = ЗСО₂ + 4Н₂О.

В практических условиях сжигания газа кислород берется не в чистом виде, а входит в состав воздуха. Так как воздух состоит по объему на 79 % из азота и на 21 % из кислорода, то на каждый объем кислорода требуется 100 : 21 = 4,76 объема воздуха или 79 : 21 = 3,76 объема азота. Тогда реакцию горения метана в воздухе можно записать следующим образом:

СН₄ + 2О₂ + 2·3,76N₂ = СО₂ + 2Н₂О + 7,52N₂.

Из уравнения видно, что для сжигания 1 м³ метана требуется 2 м³ кислорода и 7,52 м³ азота или 2 + 7,52 = 9,52 м³ воздуха.

В результате сгорания 1 м³ метана получается 1 м³ диоксида углерода, 2 м³ водяных паров и 7,52 м³ азота. В табл. 2 приведены эти данные для наиболее распространенных горючих газов.

Для процесса горения газовоздушной смеси необходимо, чтобы количество газа и воздуха в газовоздушной смеси было в определенных пределах. Эти пределы называются пределами воспламеняемости или пределами взрываемости. Различают нижний и верхний пределы воспламеняемости.

Минимальное содержание газа в газовоздушной смеси, выраженное в объемных процентах, при котором происходит воспламенение, называется нижним пределом воспламеняемости. Максимальное содержание газа в газовоздушной смеси, выше которого смесь не воспламеняется без подвода дополнительной теплоты, называется верхним пределом воспламеняемости.

Таблица 2. Количество кислорода и воздуха при сжигании некоторых газов

Если в газовоздушной смеси содержится газа меньше нижнего предела воспламеняемости, то она не будет гореть. Если в газовоздушной смеси недостаточно воздуха, то горение протекает не полностью.

Большое влияние на величины пределов взрываемости оказывают инертные примеси в газах. Увеличение содержания в газе балласта (N₂ и СО₂) сужает пределы воспламеняемости, а при повышении содержания балласта выше определенных пределов газовоздушная смесь не воспламеняется при любых соотношениях газа и воздуха (табл. 3).

Наименьшее количество воздуха, необходимое для полного сжигания газа, называется теоретическим расходом воздуха и обозначается L_T, то есть если низшая теплота сгорания газового топлива 33520 кДж/м³, то теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 м³ газа

L_T = (33520/4190)/1,1 = 8,8 м³. (2)

Однако действительный расход воздуха всегда превышает теоретический. Объясняется это тем, что очень трудно достигнуть полного сгорания газа при теоретических расходах воздуха. Поэтому любая газовая установка для сжигания газа работает с некоторым избытком воздуха.

Итак, практический расход воздуха

L_n = αL_T, (12)

где L_n – практический расход воздуха; α – коэффициент избытка воздуха; L_T – теоретический расход воздуха.

Коэффициент избытка воздуха всегда больше единицы. Для природного газа он составляет α = 1,05 – 1,2. Коэффициент α показывает, во сколько раз действительный расход воздуха превышает теоретический, принимаемый за единицу. Если α = 1, то газовоздушная смесь называется стехиометрической.

Таблица 3. Количество объемов инертного газа на 1 объем горючего газа, при котором газовоздушная смесь перестает быть взрывоопасной

При α = 1,2 сжигание газа производится с избытком воздуха на 20 %. Как правило, сжигание газов должно проходить с минимальным значением α, так как с уменьшением избытка воздуха снижаются потери теплоты с уходящими газами. Воздух, принимающий участие в горении, бывает первичным и вторичным. Первичным называется воздух, поступающий в горелку для смешения в ней с газом; вторичным – воздух, поступающий в зону горения не в смеси с газом, а отдельно.

3. Продукты сгорания газа и контроль процесса горения

Продуктами сгорания природного газа являются диоксид углерода, водяные пары, некоторое количество избыточного кислорода и азот. Продуктами неполного сгорания газа могут быть оксид углерода, несгоревшие водород и метан, тяжелые углеводороды, сажа.

Чем больше в продуктах сгорания диоксида углерода СО₂, тем меньше будет в них оксида углерода СО и тем полнее будет сгорание. В практику введено понятие «максимальное содержание СО₂ в продуктах сгорания». Количество диоксида углерода в продуктах сгорания некоторых газов приведено в табл. 4.

Пользуясь данными табл. 7 и зная процентное содержание СО₂ в продуктах сгорания, можно легко определить качество сгорания газа и коэффициент избытка воздуха α. Для этого с помощью газоанализатора следует определить количество СО₂ в продуктах сгорания газа и на полученную величину разделить значение СО_2max, взятое из табл. 4. Так, например, если при сжигании газа в продуктах его сгорания содержится 10,2 % диоксида углерода, то коэффициент избытка воздуха в топке

α = СО_2mах/СО₂ анализа = 11,8/10,2 = 1,15.

Наиболее совершенный способ контроля поступления воздуха в топку и полноты его сгорания – анализ продуктов сгорания с помощью автоматических газоанализаторов. Газоанализаторы периодически отбирают пробу отходящих газов и определяют содержание в них диоксида углерода, а также сумму оксида углерода и несгоревшего водорода (СО + Н₂) в объемных процентах.

Таблица 4. Количество диоксида углерода в продуктах сгорания газа

Если показания стрелки газоанализатора по шкале (СО₂ + Н₂) равны нулю, это значит, что горение полное, и в продуктах сгорания нет оксида углерода и несгоревшего водорода. Если стрелка отклонилась от нуля вправо, то в продуктах сгорания имеются оксид углерода и несгоревший водород, то есть происходит неполное сгорание. На другой шкале стрелка газоанализатора должна показывать максимальное содержание СО_2mах в продуктах сгорания. Полное сгорание происходит при максимальном проценте диоксида углерода, когда стрелка указателя шкалы СО + Н₂ находится на нуле.

4. Методы сжигания газа

В зависимости от способа образования газовоздушной смеси методы сжигания газа подразделяются (рис. 1) на:

• диффузионные;
• смешанные;
• кинетические.

При диффузионном методе сжигания к фронту горения газ поступает под давлением, а необходимый для горения воздух – из окружающего пространства за счет молекулярной или турбулентной диффузии. Смесеобразование здесь протекает одновременно с процессом горения, поэтому скорость процесса горения в основном определяется скоростью смесеобразования.

Рис. 1. Методы сжигания газа: а – диффузионный; б – смешанный; в – кинетический; 1 – внутренний конус; 2 – зона первичного горения; 3 – зона основного горения; 4 – продукты сгорания; 5 – первичный воздух; 6 – вторичный воздух

Процесс горения начинается после контакта между газом и воздухом и образования газовоздушной смеси необходимого состава. К струе газа (рис. 1, а) диффундирует воздух, а из струи газа в воздух – газ. Таким образом, вблизи струи газа создается газовоздушная смесь, в результате горения которой образуется зона первичного горения газа 2. Горение основной части газа происходит в зоне 3, а в зоне 4 движутся продукты сгорания.

Выделяемые продукты сгорания осложняют взаимную диффузию газа и воздуха, в результате чего горение протекает медленно, с образованием частиц сажи. Этим и объясняется, что диффузионное горение характеризуется значительной длиной и светимостью пламени.

Достоинством диффузионного метода сжигания газа является возможность регулирования процесса горения в широком диапазоне. Процесс смесеобразования легко управляем при применении различных регулировочных элементов. Площадь и длину факела можно регулировать дроблением струи газа на отдельные факелы, изменением диаметра сопла горелки, регулированием давления газа и т. д.

К преимуществам диффузионного метода сжигания относятся:

• высокая устойчивость пламени при изменении тепловых нагрузок,
• отсутствие проскока пламени,
• равномерность температуры по длине пламени.

Недостатками этого метода являются:

• вероятность термического распада углеводородов,
• низкая интенсивность горения,
• вероятность неполного сгорания газа.

При смешанном методе сжигания (рис. 1, б) горелка обеспечивает предварительное смешение газа только с частью воздуха, необходимого для полного сгорания газа, остальной воздух поступает из окружающей среды непосредственно к факелу. В этом случае сначала выгорает лишь часть газа, смешанная с первичным воздухом, а оставшаяся часть газа, разбавленная продуктами сгорания, выгорает после присоединения кислорода вторичного воздуха. В результате факел получается более коротким и менее светящимся, чем при диффузионном горении.

При кинетическом методе сжигания (рис. 1, в) к месту горения подается газовоздушная смесь, полностью подготовленная внутри горелки. Газовоздушная смесь сгорает в коротком факеле.

Достоинство этого метода сжигания – малая вероятность химического недожога, небольшая длина пламени, высокая теплопроизводительность горелок.

Недостаток – необходимость стабилизации газового пламени.

5. Повышение эффективности использования газового топлива

Эффективность использования газового топлива во многом зависит от его состава. Так, для высокотемпературных процессов целесообразно использовать газ с малым содержанием балласта и высокой жаропроизводительностью. В этом случае обеспечивается повышение производительности газовых установок и благодаря уменьшению продолжительности процесса сгорания газа и снижению потерь топлива в окружающую среду снижается удельный расход топлива на единицу выпускаемой продукции.

Во многих технологических процессах, связанных с процессами сушки воздухом, применяется промежуточный теплоноситель – водяной пар. Получение водяного пара требует дополнительных источников теплоты, а между тем для сушки с успехом можно применять продукты сгорания газа: тогда отпадает необходимость специальных котельных установок и калориферов для нагрева воздуха паром.

Известно, что при сжигании одного кубического метра газа выделяется два кубических метра водяного пара, уходящего с продуктами сгорания. Если теплоту конденсации этих водяных паров использовать для нагрева питательной воды, можно повысить КПД котельных установок.

Другой резерв повышения эффективности использования топлива – сжигание газа в горелочных устройствах при больших тепловых напряжениях, что позволяет получать большее количество энергии в малом объеме.

Многие технологические процессы протекают при высокой температуре уходящих газов. Эффективность использования газа в этом случае повышается, если использовать теплоту уходящих газов для производства пара, нагрева воды или воздуха. Каждая калория, вносимая в печь с подогретым воздухом, экономит более одной калории теплоты сжигаемого газа.

Наиболее прогрессивен метод ступенчатого использования теплоты продуктов сгорания, основанный на сочетании работы низкотемпературных, среднетемпературных и высокотемпературных установок.

Теплоту уходящих газов, отводимых от котлов и печей, можно использовать для отопления сушильных установок, а теплоту конденсации водяного пара, содержащегося в продуктах сгорания газа, отводимых из котлов или сушилок, – для нагрева воды в контактных экономайзерах. Таким образом, продукты сгорания, отводимые из высокотемпературных установок, используют в низкотемпературных процессах для отопления этих установок; КПД ступенчатых установок может быть доведен до 95 %.

Продукты сгорания газа можно с успехом использовать в качестве источника диоксида углерода и инертных газов. Большой интерес представляет применение диоксида углерода для ускорения развития растений и повышения урожая. Известно, что органическая масса растений образуется путем фотосинтеза из СО₂ и Н₂О.

В атмосфере воздуха содержится по объему около 0,03 % СО₂ и 21 % О₂. Повышение концентрации диоксида углерода в теплицах с доведением его содержания в воздухе теплиц до 0,3 % позволяет увеличить на 20 % урожай огурцов и других овощей, на 50 % – число цветов и ускорять их развитие, примерно на 100 % повысить зеленую массу табака, чая, герани и других культур.

Обогащение воздуха теплиц диоксидом углерода имеет важное значение, так как с ростом количества теплиц и применением гидропоники, при которой отсутствует выделение СО₂ из почвы, потребность в диоксиде углерода значительно возрастает.

Чистые продукты сгорания природного газа можно использовать для хранения в течение длительного срока фруктов и других пищевых продуктов.

Продукты полного сгорания газа можно применять также в качестве инертных газов для изоляции огнеопасных материалов от контакта с воздухом, продувки взрывоопасной аппаратуры, газовых коммуникаций.

6. Рациональное сжигание газа и защита воздушного бассейна

Защита воздушного бассейна от загрязнений – одна из важнейших проблем современности. Промышленность и транспорт приводят к загрязнению атмосферы газом, дымом, диоксидом углерода, парами хлора, пылью металлургических и других промышленных предприятий. Выхлопные газы автомобилей выделяют в атмосферу свинец и оксид углерода. Так, в одном литре этилированного бензина содержится 200–500 мг свинца.

Перевод в крупных городах автомобилей на сжиженный газ во многом способствует очищению воздушного бассейна.

Другой источник загрязнения воздушного бассейна – все возрастающие темпы потребления различного топлива. С ростом его потребления увеличивается количество выбрасываемых в атмосферу токсичных и канцерогенных веществ. Известно, что при сжигании топлива образуются вредные для здоровья человека вещества: сажа, зола, оксид углерода, оксиды азота и др.

Токсичным веществом является оксид азота NO, один из наиболее опасных загрязнителей воздушного бассейна. Оксид азота образуется в пламени, в зоне высоких температур, путем соединения азота с кислородом. При температурах 1500–1800 °С наблюдается наибольшая концентрация NO. Выбрасываемые в атмосферу горячие газы охлаждаются, и оксид азота превращается в диоксид азота NO₂. Они, попадая в организм человека, поглощаются кровью и оказывают вредное действие на органы дыхания. В нашей стране установлены предельно допустимые нормы концентрации оксидов азота в атмосфере населенных пунктов (0,085 мг/м³). Продукты сгорания должны удаляться через дымовые трубы.

При сжигании твердого и жидкого топлива могут образоваться канцерогенные вещества, которые способствуют возникновению раковых заболеваний. Особенно опасна тонкая пыль, адсорбирующая химические вещества воздуха и переносящая их в легкие человека.

Сажа, образующаяся в процессе горения и несущая мельчайшие частицы угля, может быть носителем ароматических веществ, вызывающих различные тяжелые заболевания. В связи с этим перед человечеством стоит важнейшая проблема борьбы с загрязнением воздушного бассейна.

Одно из наиболее эффективных средств борьбы – замена твердого и жидкого топлива природным газом. С каждым годом тысячи промышленных и коммунальных предприятий переводят на газовое топливо.

С целью сокращения выбросов вредных веществ в окружающую среду и улучшения очистки отходящих газов от вредных примесей повсеместно совершенствуют технологические процессы и транспортные средства, увеличивают выпуск высокоэффективных газопылеулавливающих аппаратов, водоочистного оборудования, а также приборов и автоматических станций контроля состояния окружающей среды.

Охрана окружающей среды должна стать одной из важнейших задач любого предприятия. Отечественная и зарубежная практика охраны окружающей среды показывает, что основным направлением этой деятельности является не только контроль, но и предотвращение нанесения вреда и загрязнения природы в процессе производственной деятельности.

В должностную инструкцию ответственного за газовое хозяйство предприятия (или другого ответственного лица) должны включаться материалы по природоохранительной деятельности, в том числе:

• мониторинг и регулирование выбросов продуктов сгорания газа;
• соблюдение установленных нормативов воздействия на окружающую среду, лимитов использования газа, нормативов качества окружающей среды в зоне влияния предприятия;
• повышение эффективности использования газового топлива;
• предупреждение экологических аварий и аварийных ситуаций;
• экологическая информация и профессиональное обучение персонала.

Эти и другие мероприятия должны отражаться в отчете предприятия об охране атмосферного воздуха (форма № 2-ти воздух).

7. Автоматизация процессов сжигания газа

Автоматическое регулирование процесса горения повышает надежность и безопасность эксплуатации газоиспользующих агрегатов и обеспечивает их работу в соответствии с наиболее оптимальным режимом.

В существующих газоиспользующих установках применяют системы частичной или комплексной автоматизации.

Современная комплексная газовая автоматика состоит из следующих основных систем:

• автоматики регулирования,
• автоматики безопасности,
• аварийной сигнализации,
• теплотехнического контроля.

Автоматика регулирования промышленного газового оборудования и агрегатов предназначена для управления и регулирования процесса горения газа таким образом, чтобы оборудование и агрегаты работали в заданном режиме и обеспечивали оптимальный режим горения газа.

Автоматика безопасности прекращает подачу газа к горелкам газоиспользующих установок при нарушениях режима работы. При этом контролируются наиболее важные параметры:

• наличие пламени в топке. При отсутствии пламени в топке подача газа на горелку немедленно прекращается;
• давление газа на подводящем газопроводе. При изменении давления газа против установленного минимального и максимального значений подача газа прекращается;
• разрежение в топке. При понижении разрежения в топке до минимально допустимого подача газа прекращается;
• давление воздуха (при наличии соответствующих горелок). При падении давления воздуха до минимально допустимого подача газа прекращается;
• температура воды в котле. Если температура воды превышает допустимую норму, то подача газа прекращается;
• давление пара в котле. При повышении давления пара сверх установленного подача газа прекращается.

Для выполнения перечисленных функций используются приборы блокировки, контроля и сигнализации. Под блокировкой понимается устройство, обеспечивающее невозможность пуска газа или включения агрегата при нарушении персоналом требований безопасности. Под сигнализацией понимается устройство, обеспечивающее подачу звукового или светового сигнала при достижении предупредительного значения контролируемого параметра.

При отключении агрегатов подаются звуковой и световой сигналы. Контролируют также загазованность помещений, где установлены газовые приборы и агрегаты. Приборы контроля и сигнализации дают возможность устанавливать дистанционное управление газоиспользующими установками.

Приборы теплотехнического контроля помогают обслуживающему персоналу вести технологический процесс в оптимальном режиме.

Степень автоматизации газоиспользующего агрегата зависит от конкретных условий его эксплуатации.