10. Основы сжигания газа в отопительных печах

Горением называется сложный физико-химический процесс взаимодействия горючих газов с кислородом воздуха, происходящий при высоких температурах.

Известно, что молекулы горючих газов и воздуха состоят из отдельных атомов, более или менее прочно удерживающих друг друга силами взаимного притяжения. Молекулы находятся в постоянном движении и непрерывно сталкиваются между собой.

При низких температурах газовоздушной смеси скорость сталкивания молекул невелика и при соударениях они отскакивают друг от друга. С увеличением температуры горючей смеси скорость движения молекул резко возрастает и сила их удара при столкновении может быть такой, что связи между отдельными атомами нарушатся и молекулы распадутся на составляющие их атомы. Энергия, которая была затрачена на объединение атомов в молекулу, при разрушении ее высвобождается и добавляется к той кинетической энергии, которую наследовали атомы после разрушения молекулы. В результате осколки распавшейся молекулы становятся активными центрами. Их энергия настолько значительна, что при столкновениях с другими целыми молекулами они их разбивают, что в свою очередь приводит к созданию новых активных центров. Вместе с тем, сталкиваясь друг с другом, активные центры могут прекратить свое существование, объединившись в новые целые молекулы, так как для этого они обладают достаточным запасом энергии.

При низких температурах смеси существует определенное равновесие между процессами возникновения и распада активных центров, в результате чего концентрация их в смеси остается примерно постоянной. В этом случае некоторые (но немногие) активные центры могут образовать так называемые цепи, которые, правда, очень быстро распадаются из-за гибели всех порожденных в них активных центров.

Иначе развивается процесс взаимодействия между горючим газом и кислородом в газовоздушной смеси при высокой температуре (выше температуры воспламенения), когда скорость образования активных центров начинает превышать скорость их гибели. Большинство из вновь образовавшихся активных центров вызывает серию превращений, в которой возникает одна или несколько молекул инертного конечного продукта и несколько новых активных центров. Каждый из этих последних в свою очередь порождает молекулы конечного продукта и новые активные центры и т. д.

Например, активный атом водорода, столкнувшись с молекулой кислорода, может выбить из нее один атом, а с оставшимся образовать нестойкое соединение - гидроксильную группу ОН; точно так же активный атом кислорода, столкнувшись с молекулой водорода, может выбить из нее один атом, а с другим образовать гидроксильную группу.

Особого внимания заслуживают случаи, в результате которых образуется молекула водяного пара. Если гидроксильная группа столкнется с молекулой водорода, то, выбив из нее один атом водорода, с другим она может образовать стабильную (устойчивую) молекулу водяного пара. Благодаря этим соударениям постепенно изменяется состав смеси за счет уменьшения содержания в ней водорода и кислорода и образования водяного пара.

При превращении горючего газа и кислорода в конечные продукты выделяется большое количество энергии, которая тут же воспринимается молекулами реагирующих газов. Их скорость движения в связи с этим увеличивается, а это вызывает дополнительное увеличение скорости образования активных центров. Реакция приобретает самоускорение, и в результате взаимодействие между горючим газом и кислородом развивается почти мгновенно, в тысячные доли секунды.

Итак, при подогреве холодной газовоздушной смеси скачала в ней не происходит каких-либо заметных изменений, а затем, когда достигается температура воспламенения, происходит практически мгновенная реакция горения, сопровождающаяся выделением большого количества теплоты.

Горение газовоздушных смесей в бытовых печах или других тепловых аппаратах может происходить только в том случае, если содержание газа в воздухе находится в определенных пределах, соответствующих пределам воспламеняемости. Вне этих пределов газовоздушные смеси не горят и не взрываются. При чрезмерно малом содержании, газ а в газовоздушной смеси оказывается недостаточно теплоты, выделяющейся при горении, для доведения соседних слоев смеси до температуры воспламенения. То же явление происходит, при чрезмерно большом содержании газа в смеси. В этом случае наблюдается недостаток кислорода воздуха, поступающего для горения, для получения того количества теплоты, которое требуется для нагрева соседних слоев смеси до температуры воспламенения. Пределы воспламеняемости простых газов приведены в табл. 7.

Таблица 7. Пределы воспламеняемости газовоздушных смесей (при температуре 20°С и давлении 10 Па)

Для сжигания в бытовых печах используются в основном природный и смешанный газы. Состав этих газов складывается из горючих и балластных компонентов. В горючую часть газообразного топлива входят метан СН₄, водород Н₂, оксид углерода СО и тяжелые углеводороды.

К предельным углеводородам¹, которые содержатся в природных газах, относятся этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀, пентан C₆H₁₂ Отличительной особенностью последних трех газов является то, что они при нормальном атмосферном давлении и минусовых температурах превращаются в жидкость: пропан при минус 44°С, бутан при минус 10°С. Из непредельных углеводородов в газообразном топливе встречаются этилен С₂H₄, пропилен С₃Н₆ и бутилен С₄Н₈ Наибольший процент среди всех компонентов горючей части газообразного топлива падает на метан, представляющий собой углеводород с наибольшим содержанием водорода. Например, саратовский природный газ содержит 94% метана, а ставропольский - 98%. Тяжелых углеводородов в так называемых природных газах очень мало (от долей процента до 3 - 4%), а водород и оксид углерода отсутствуют совсем.

¹ (Молекулы предельных углеводородов до предела насыщены атомами водорода.)

В состав балласта газового топлива входят азот N₂ и углекислота СО₂. На долю этих газов приходится до 14%.

Удельной теплотой сгорания горючего газа называется то количество теплоты, которое выделяется при полном сжигании 1 м³ газа. Различают высшую (Q^в_р) и низшую (Q^н_р) удельную теплоту сгорания топлива. Эти понятия относятся только к тем горючим газам, которые содержат водород. При сгорании водород образует водяные пары, которые при конденсации выделяют дополнительное количество теплоты. Высшая удельная теплота сгорания топлива (Q^в_р) больше низшей (Q^н_р) именно на эту дополнительную величину теплоты, которая образуется за счет конденсации водяных паров в продуктах сгорания при охлаждении последних до 20°С

Все теплотехнические расчеты, как правило, проводятся по низшей удельной теплоте сгорания, которая для заданного состава горючего газа определяется по формуле

Состав определяется газоанализаторами типа ВТИ-2. При помощи этого прибора можно определить только общий процент предельных и непредельных углеводородов, которые в данном случае принято называть тяжелыми углеводородами (ТУ). При расчетах тяжелые углеводороды по тепловому эквиваленту условно приравниваются к этилену.

Пример. Требуется определить удельную теплоту сгорания смешанного московского газа: СН₄=82,75%; Н₂=9,7%; СО=0,7%; ТУ=0,4%; CO₂=0,85%; O₂=0,3%; N₂=5,3%.

Пользуясь формулой (1), получаем:

При всех расчетах объем горючих газов, продуктов сгорания и воздуха всегда принимается в кубических метрах (м³).

Для сжигания газа с заданной удельной теплотой сгорания требуется определенное количество воздуха, которое может быть теоретически необходимым и действительным. Теоретически необходимым называется такое количество воздуха, которое требуется для полного сгорания газа при использовании всего содержащегося в воздухе кислорода. Расчет теоретически необходимого количества воздуха (V⁰) для горючих газов заданного состава производится по формуле

где m - число атомов углерода; n - число атомов водорода.

Если состав газа неизвестен, но известна его удельная теплота сгорания, то определить V⁰ можно с достаточной степенью точности, приняв, что на каждую 1000 кДж удельной теплоты сгорания топлива теоретически необходимо 0,27 м³ воздуха.

При подаче в топливник печи теоретически необходимого объема воздуха сгорание горючего газа будет неполным, так как практически невозможно добиться идеального смешения, при котором каждая молекула кислорода данного количества воздуха была бы полностью использована. Всегда определенная часть молекул кислорода окажется вне контакта с молекулами горючих компонентов газа, а поэтому не сможет участвовать в процессе горения. Чтобы обеспечить полное сгорание газа, в топливник должно поступать воздуха больше, чем это необходимо, исходя из теоретического расчета. При этом часть воздуха останется неиспользованной вследствие недостаточно совершенного контакта между кислородом и горючими составляющими топлива.

Отношение количества подаваемого в топку воздуха (V_дейст.) к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха (α_т):

Для каждого газа существует предельная температура, которую могут иметь продукты сгорания. Она называется теоретической температурой горения (t_теор.). Такая температура практически недостижима, так как для создания ее требуется соблюдение идеальных условий, т. е. горение должно быть полным при теоретически необходимом количестве воздуха и полном отсутствии теплообмена между зоной сгорания и окружающей средой.

Теоретическая температура горения при α_т=1 называется также калориметрической. Значения ее для различных углеводородных газов, применяющихся в горелках печей (метана, этана, бутана, пропана), составляют 2065 - 2155°С (в среднем 2100°С).

С увеличением коэффициента избытка воздуха значение t_теор. резко падает, особенно в интервале от α_т=1 до α_т=2.

Теоретическую температуру сгорания газа при заданном коэффициенте избытка воздуха можно подсчитать по формуле

где Q^р_н - низшая удельная теплота сгорания, кДж/м³; с_г и с_в - теплоемкость соответственно газа и воздуха, кДж/(м³-°С); t_г и t_в - температура соответственно газа и воздуха, °С; V° - теоретически необходимое количество воздуха, м³/м³; V_τ - коэффициент избытка воздуха; V_г - объем влажных продуктов сгорания, м³/м³.

В топливниках газовых бытовых печей, как и в любых других топочных устройствах, фактическая температура горения всегда меньше теоретической, потому что в реальных условиях одновременно с выделением теплоты при сгорании газа происходит отдача тепловой энергии к стенкам, ограждающим камеру сгорания, и продукты сгорания получают не всю расчетную теплоту, выделяющуюся в процессе горения, а только ее часть.

Фактическая температура в топливнике определяется расчетным путем в зависимости от условий сжигания газа, теплового напряжения топочного пространства, величины тепловоспринимающей поверхности топки и т. д.

При полном сгорании горючего газа продукты сгорания могут состоять только из инертных, неспособных к дальнейшему оксидированию газов. Водород при полном сгорании превращается в водяной пар (H₂O), оксид углерода - в углекислый газ (СО₂), метан, а также другие предельные и непредельные углеводороды - в СО₂ и Н₂.

Максимальное количество углекислого газа (СО^макс₂) содержится в продуктах сгорания при теоретическом расходе воздуха и полном сгорании. СО^макс₂ имеет для каждого горючего газа определенное значение, зависящее от его состава. Действительное содержание СО^дейст₂ в продуктах сгорания всегда меньше максимального значения и притом тем меньше, чем больше избыток воздуха.

В состав продуктов полного сгорания входят также балластные составляющие - азот (N₂) и кислород (O₂).

Азот всегда попадает в топку с воздухом, а кислород остается от не использованных в процессе сгораний воздушных потоков. Таким образом, дымовые газы, образующиеся при полном сгорании газообразного топлива, состоят из четырех компонентов: СО₂, Н₂О, О₂ и N₂, теоретический объем которых (м³/м³) определяется по формулам:

теоретический объем трехатомных сухих газов

теоретический объем водяных паров

где d_гt - влагосодержание продуктов сгорания, кг/кг с. г;

теоретический объем азота

Зная процентный состав газа и коэффициент избытка воздуха, можно определить полный объем сухих продуктов сгорания в расчете на 1 м³ газа:

При неполном сгорании газообразного топлива в дымовых газах появляются горючие компоненты, оксид углерода, водород, а иногда и метан. При большом химическом недожоге в продуктах сгорания появляются частицы углерода, некоторых образуется сажа. Неполное сжигание газа может возникнуть при недостатке воздуха в зоне горения (α_т<1), неудовлетворительном смешении воздуха с газом, соприкосновений факела с холодными стенками, которое влечет обрыв реакции горения.

Пример. Допустим, что от сжигании 1 м³ дашавского газа образуется сухих продуктов сгорания V_сг=35 м³/м³, при этом в продуктах сгорания содержатся горючие составляющие в размере: СО=0,2%; Н₂=0,1%; CH₄=0,05%.

Определить потерю теплоты от химической неполноты сгорания. Эта потеря равна

В процентном отношении

При эксплуатации газовых бытовых печей имеют место случаи, когда в дымовых трубах уходящие газы охлаждаются до точки росы. Точкой росы называется температура, до которой нужно охладить воздух или другой газ, чтобы содержащийся в нем водяной пар достиг состояния насыщения. Если дымовые газы имеют температуру ниже точки росы, то содержащиеся в них водяные пары конденсируются, в результате чего внутренние поверхности стенок дымоходов намокают. Точка росы продуктов сгорания определяется следующим образом. Сначала находят полный объем продуктов сгорания

и, зная количество водяных паров V_вп, которое в них содержится, определяют парциальное давление водяных паров Р_H2O (давление насыщенного водяного пара при определенной температуре) по формуле

Каждому значению парциального давления водяных паров соответствует определенная точка росы.

Пример. От сжигания 1 м³ дашавского природного газа при α_т=2,5 образуется продуктов сгорания V_г=25 м³/м³, в том числе водяных паров V_вп=2,4 м³/м³. Требуется определит температуру точки росы.

Парциальное давление водяных паров в продуктах сгорания равно

Найденному парциальному давлению соответствует температура 46°С. Это и есть точка росы. Если дымовые газы данного состава будут иметь температуру, ниже 46°С, то начнется процесс конденсации водяных паров.

Экономичность работы бытовых печей, переведенных на газовое топливо, характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД). КПД любого теплового аппарата определяется из теплового баланса, т. е. равенства между теплотой образовавшейся при сжигании топлива, и расходом этой теплоты на полезный обогрев.

Тепловой баланс газовой бытовой пени, приведенный к 1 м³ горючего газа, может быть представлен в следующем виде:

где Q_расп - располагаемое количество теплоты, кДж/м³; Q_пол - полезно используемая теплота, идущая на нагрев гладки печи, кДж/м³; Q₃ - потери теплоты с уходящими газами, кДж/м³; из - потери теплоты от химической неполноты сгорания, кДж/м³.

Часто тепловой баланс выражают в процентном отношении. Для газовой печи он имеет вид

Коэффициент полезного действия печи (n) представляет собой отношение полезной теплоты, которая пошла на нагрев кладки, ко всему располагаемому, количеству теплоты