13. Горение газа. Продукты полного и неполного сгорания газа.

Горение газообразного топлива представляет собой сочетание следующих физических

и химических процессов:

- смешение горючего газа с воздухом,

- подогрев смеси,

- термическое разложение горючих компонентов,

- воспламенение

- химическое соединение горючих элементов с кислородом воздуха, сопровождаемое образованием факела с интенсивным тепловыделением.

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.

Горение – химический процесс соединения газа с кислородом воздуха, при котором происходит выделение тепла, света и образуются продукты сгорания: углекислый газ, водяные пары и азот.

Химическая формула сгорания газового топлива сложна, поэтому для упрощения воспользуемся уравнением, выражающими начальное и конечное состояние реакций горения газа

СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2О + N

В практических условиях сжигания газа кислород берется не в чистом виде, а входит в состав воздуха.

Так как воздух состоит по обьему на 79% из азота и на 21 % из кислорода, то для сжигания 1 куб. метра метана требуется 2 куб. метра кислорода и 7,52 куб. метра азота или 2+ 7,52 = 9,52 куб метра воздуха.

В результате сгорания 1куб м метана получается 1 куб. метр углекислого газа, 2 куб. метра водяных паров и 7,52 куб. метра азота. В таблице приведены эти данные для наиболее распространенных горючих газов.

	Для сжигания 1м3 Газа требуется м3				При сжигании 1 м3 газа выделяется м3						Теплота Сгорания
ГАЗЫ		Кислород	Воздуха	Углекис-лого газа		Водяных паров	азота		всего		КДж/м3
Метан		2	9,52	1		2	7,52	10,52		35825
Этан		3,5	16,66	2		3	13,16	18,16		63797
Пропан		5	23,8	3		4	18,8	15,8		91310
Бутан		6,5	30,94	4		5	24,44	34.44		118740

Не всякую холодную газовоздушную смесь можно поджечь внешним источником зажигания. Чтобы смесь воспламенилась и продолжала сгорать, нужны определенные соотношения объемов сжигаемого газа и подаваемого воздуха. Если газа в газовоздушной смеси мало, а воздуха много, то смесь гореть самостоятельно не может. Горение такой смеси через определенное время прекратится, так как выделяющейся теплоты будет недостаточно для нагрева газовоздушной смеси до температуры воспламенения. Если же в смеси недостаточно воздуха, то при воспламенении может сгореть ограниченное количество газа, и выделяемой химической теплоты будет недостаточно для поддержания температуры не ниже температуры воспламенения газовоздушной смеси.

Итак, 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, называют нижним пределом воспламеняемости. Максимальное содержание газа в газовоздушной смеси, выше которого смесь не воспламеняется без подвода дополнительного тепла, называют верхним пределом воспламеняемости.

Газовоздушная смесь в которой содержание газа больше верхнего предела воспламеняемости может гореть при подогреве газовоздушной смеси. Если смесь будет подогреваться, то пределы воспламеняемости расширяются за счет снижения нижнего предела воспламеняемости и повышения верхнего. Если газовоздушную смесь нагреть до температуры её воспламенения, то она воспламенится и будет гореть при любом соотношении газа и воздуха.

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.

Значение пределов воспламеняемости зависит также от давления газовоздушной смеси. При повышении давления диапазон между нижним и верхним пределами воспламеняемости сужается.

Большое влияние на величины пределов воспламеняемости оказывают инертные примеси в газах.

Необходимое количество воздуха для сжигания газов находится в прямой зависимости от их теплоты сгорания и составляет примерно 1,1 м3 воздуха на каждые 4190 кДж (1000 ккал) сжигаемого газа.

Отсюда наименьшее количество воздуха, потребное для полного сжигания газа, называется теоретическим расходом воздуха и обозначается Lт, т.е. если низшая теплота сгорания газового топлива равна 33520 кДж /м3, то теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 м3 газа составляет 8,8 м3.

Однако, действительно 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.

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.

Продуктами сгорания природного газа являются углекислый газ, водяные пары, некоторое количество избыточного кислорода и азот. Избыточный кислород содержится в продуктах сгорания только в тех случаях, когда горение происходит с избытком воздуха, а азот в продуктах сгорания содержится всегда, так как является составной частью воздуха и не принимает участия в горении. Продуктами неполного сгорания газа могут быть: оксид углерода, несгоревшие водород и метан, тяжелые углеводороды, сажа.

Чем больше в продуктах сгорания углекислого газа СО2, т.е. тем полнее будет сгорание. (Характеристика СО2 в п. Состав газов)

При неполном сгорании природного газа, которое происходит при недостаточном поступлении воздуха, необходимого для горения, в продуктах сгорания наряду с двуокисью углерода можно обнаружить наличие одного из самых токсичных газов – окиси углерода (СО) или, как его называют в быту угарного газа. Кроме того при значительном скоплении окись углерода может образовывать взрывоопасные смеси. Если продукты сгорания газа отводятся через соединительные трубы и дымоходы в атмосферу, наличие окиси углерода в продуктах сгорания ничем не грозит здоровью и жизни обслуживающего персонала. Когда продукты неполного сгорания поступают непосредственно в воздушную среду, окружающую человека, создаётся прямая угроза отравления. Опасные свойства окиси углерода обусловлены её способностью в 200-300 раз быстрее соединяться с гемоглобином крови, чем кислород. Если концентрация окиси углерода в воздухе достигает 0,1%, доля гемоглобина, связанного окисью углерода, повышается до 50% и через 1 час, вдыхая такой воздух, человек начинает испытывать приступы тошноты, головокружения и недомогания. При содержании окиси углерода в воздухе около 1% достаточно несколько минут, чтобы получить смертельное отравление, и одно двух вдохов, чтобы потерять сознание. Предельное содержание окиси углерода в воздухе помещений при использовании газа для коммунально-бытовых целей должно быть не более 0, 00006% об. Наличие окиси углерода в атмосфере помещений легче всего проверить с помощью индикаторных трубок.

Сернистый газ (SО2). Наличие этого газа в продуктах сгорания обусловлено присутствием в природном газе сероводорода – Н2S. Сернистый газ почти в 10 раз более токсичен, чем окись углерода, бесцветен, но обладает резким характерным запахом. При содержании сернистого газа в воздухе 0,05% уже возникает опасность для жизни при кратковременном вдыхании. Присутствие сернистого газа в продуктах сгорания объясняется не только наличием в газе сероводорода. Здесь следует учитывать присутствие серы в составе одоранта – этилмеркаптана (С2Н2SН), а также присутствие природных каптанов в составе газов некоторых месторождений даже после очистки.