Раздел 5. Сжигание газов и газовые горелки Тема 5.1. Основы теории сжигания горючих газов

Сжигание топлива представляет собой термохимический процесс окисления горючих элементов топлива кислородом воздуха. Этот процесс протекает с большим выделением теплоты, количество которой зависит от химического состава топлива, качества перемешивания воздуха и топлива. Чем больше воздуха и лучше качество его перемешивания с топливом, тем выше температура горения, короче факел, меньше его светимость и меньше потери теплоты.

Горючие газы лучше других топлив перемешиваются с воздухом и поэтому можно обеспечить полное сжигание газа с минимальными избытками воздуха. При недостатке воздуха или при его плохом перемешивании с топливом увеличиваются тепловые потери, уменьшается температура факела, увеличиваются его размеры, увеличивается светимость факела за счет появления сажи, что указывает на неполноту горения топлива.

Реакция полного и неполного горения горючих газов

Горючими элементами газов могут являться: водород Н₂, окись углерода СО, сероводород Н₂S, однако, основную часть природных газов составляют углеводороды.

Реакции полного горения горючих элементов имеют вид:

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О + 2580 Ккал/м³

2СО + О₂ = 2СО₂ + 3018 Ккал/м³

2Н₂S + 3O₂=2SO₂ + 2H₂O + 5580 Ккал/м³

Реакции полного горения углеводородов имеют вид:

С_mH_n + (m + )O₂ = mCO₂ + H₂O + Q

Например, реакция полного горения метана СН₄

СH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2 H₂O + 8558 Ккал/м³

Реакция горения пропана:

C₃H₈ + 5O₂ = 3 CO₂ + 4H₂O + 21800 Ккал/м³

При неполном горении Н₂ и СО, часть их не сгоревшими уходит в дымовую трубу. При неполном горении углеводородов могут протекать следующие реакции:

С_mН_n + О₂ СО + Н₂О + Q'

С _mН_n + О₂ С + Н₂О + Q''

При неполном горении С_mH_n факел становится соломенно - красным с темными пятнами копоти. Это говорит о выделении сажи, частицы которой начинают светиться, придавая факелу указанный вид. При неполном горении выделяется намного меньше теплоты, чем при полном вследствие потерь теплоты от химического недожога.

Состав продуктов горения

При полном сгорании газов продукты сгорания, т.е. дымовые газы состоят из углекислого газа СО₂, водяных паров Н₂О, азота воздуха N₂, избыточного кислорода. При наличии в газе сероводорода H₂S в дымовых газах присутствует сернистый газ SO₂.

При неполном горении газов в продуктах сгорания дополнительно будут присутствовать несгоревшие H₂, СО, CH₄, а также углерод в виде сажи.

Расход воздуха на горение

Зная химический состав газа, реакции полного горения и атомные массы горючих газов можно определить количество кислорода О₂ для полного сгорания газа.

Например, для полного сгорания 1 кг водорода Н₂ требуется 8 кг кислорода О₂, при этом образуется 9 кг водяных паров H₂O. Зная содержание в воздухе кислорода (21% по объему), можно определить теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 м³ газа.

На практике теоретический объем воздуха определяется по упрощенным формулам. Считают, что для полного сгорания 1 м³ газа на каждую 1000 Ккал его низшей теплоты сгорания Q требуется 1,1 м³ воздуха:

V_о =1,1 м³ в-ха/м³газа.

Например:

для сгорания 1 м³ метана требуется: V_о =1,1 9,35 м³ в-ха/м³газа;

для сгорания 1 м³ пропана требуется:V_о =1,1 24 м³ в-ха/м³газа.

В действительности для полного сгорания топлива требуется несколько больше воздуха, чем теоретически необходимо. Это объясняется несовершенством перемешивания топлива с воздухом.

Отношение действительного объема воздуха к теоретически необходимому для полного сжигания топлива называется коэффициентом избытка воздуха.

 =

Действительный объем воздуха

V_д = V_o м³ в-ха/м³газа

Газ и воздух достаточно хорошо перемешиваются, поэтому при сжигании горючих газов коэффициент избытка воздуха сравнительно мал

 = 1,02…1,3.