Лабораторна робота №6 аналіз димових газів ручним хімічним газоаналізатором

Мета роботи – визначити склад димових газів, обчислити коефіцієнт надлишку повітря при горінні палива, оцінити ефективність проведення процесу горіння, дати характеристику димових газів як газової суміші.

Теоретичні відомості. У котельних підприємствах харчової промисловості як паливо використовують природний газ, мазут та, зрідка, камяне вугілля, буре вугілля, залишки переробки зерна – лузга та лушпіння .

Склад палива визначають, аналізуючи середню пробу даної партії, і виражають у вигляді відсоткового розподілу компонентів у масі твердого і рідкого палива чи в обємі газоподібного палива. У тому вигляді, в якому паливо надходить для горіння в топку, воно називається робочим, а його склад – складом робочої маси:

С^р + Н^р + S^p_л + N^р + О^р + А^р + W^p = 100 %

Вуглець С^р, водень Н^р і летка ( органічна, елементна і колчеданна ), сірка S^p_л – горючі компоненти твердого і рідкого палива. Азот N^р і кисень О^р – внутрішній баласт. Зола ( негорючі мінеральні речовини ) А^р і волога W^p – зовнішній баласт палива.

Газове паливо не містить золи, а його склад наводять на суху масу.

Горіння палива – це окислення його горючих компонентів киснем повітря. Горіння називають повним, якщо окислюються всі горючі компоненти, і завершеним, якщо окислення проходить до кінця і утворюються найвищі окиси. Наприклад, незавершене горіння вуглецю

12 кг С + 11,2 м³_н О₂ = 22,4 м³_н СО + 246 МДж

завершене горіння

12 кг С + 22,4 м³_н О₂ = 22,4 м³_н СО + 409 МДж

У випадку незавершеного горіння теплоти виділяється на 40 % менше.

При завершеному спалюванні 2 кг водню виділяється 242 МДж, а при опалюванні 32 кг сірки – 297 МДж теплоти.

На основі реакцій горіння можна обчислити теоретичний обєм повітря, необхідний для спалювання горючих компонентів палива. Наприклад, теоретичний обєм повітря для спалювання 1 кг вуглецю складає

V⁰ = 22,4 / (12 · 0,21) = 8,9 м³_н / кг,

де 0,21 - обємна частка кисню в повітрі. Індекс „н” біля одиниці вимірювання обєму вказує, що він взятий за нормальних фізичних умов (t=0°С та Р_б= 101,3 кПа ).

Аналогічно підраховують обєм повітря, необхідний для спалювання інших горючих компонентів палива. Підсумовуючи одержані обєми, знаходимо теоретичний обєм повітря, необхідний для згоряння 1 кг твердого чи рідкого палива або 1 м³_н газоподібного палива.

V⁰ = 0,0889 ( С^р + 0,375 S^p_л ) + 0,265 Н^р – 0,0333 О^р, м³_н / кг,

V⁰ = 0,0476 ( 2 СН₄+ 3,5 С₂Н₆ + 5 С₃Н₈ +6,5 С₄Н₁₀ +8 С₅Н₁₂+ 0,5Н₂ + 1,5Н₂S+

+0,5 СО – О₂ ), м³_н / м³_н.

Через нерівномірний розподіл повітря в зоні горіння і недосконалість його перемішування з горючими компонентами палива доводиться подавати в топку більше повітря, ніж це виходить з реакції горіння.

Відношення дійсного обєму повітря до теоретично необхідного обєму називається коефіцієнтом надлишку повітря  = V / V⁰.

При спалюванні природного газу і мазуту  = 1,05...1,25. При горінні твердого палива  = 1,2...1,7. Для твердих палив  беруть тим більше, чим крупніші частинки палива і чим менший вміст у паливі летких горючих речовин, які згоряють у газоподібному стані. Для шарових топок  більший ніж для факельних.

Топки і газоходи парового котла працюють під невеликим розрідженням, щоб димові гази не попадали в приміщення котельної. Через нещільність в обмуровці, в дверцях, в лючках відбувається всмоктування повітря і підвищення  вздовж шляху руху газів на Δ = 0,05...0,1 для топки і кожного з газоходів. Фактичне значення коефіцієнта надлишку повітря впливає на ефективність роботи топки і всього котельного агрегату, який характеризується величиною ККД брутто котлоагрегату:

_бр= 100 – ( q₂ + q₃ + q₄ + q₅ ) – q₁,

де q₂ , q₃, q₄ та q₅ відповідно: втрати теплоти у відсотках з відхідними димовими газами, за рахунок хімічного недопалу, за рахунок механічного недопалу та за рахунок зовнішнього охолодження котлоагрегату; q₁ – теплота використана корисно на одержання пари та гарячої води; q₁ =_бр брутто. Все наявне тепло, що надходить до топки, приймається за 100 %.

Втрата тепла з відхідними газами q₂ відповідає різниці між ентальпіями продуктів згоряння, що виходять з котлоагрегату, і повітря, що надходить в агрегат. На нагрівання надлишкової кількості повітря марно витрачається частина палива. Тому присмоктування повітря повинно бути зведене до мінімуму.

Втрата від хімічної неповноти згоряння q₃ виникає при нестачі повітря, що надходить на горіння, при незадовільному перемішуванні повітря з паливом або при низькому рівні температур в топці. Втрата q₃ має місце, якщо у димових газах містяться горючі компоненти: СО, Н₂, СН₄ та ін. З них найменш активним до окислення є СО, тому за його вмістом у димових газах роблять висновок про значення q₃. Втрата q₃ відповідає кількості тепла, яке виділилося б у випадку повного окислення в топці котлоагрегату всіх горючих компонентів, що є в димових газах.

Значення q₄ визначають за вмістом горючих компонентів у вогнищевих залишках та виносі.

Надмірна подача повітря призводить до зниження температури в топці і зменшення інтенсивності процесу горіння, зростають q₂ та q₄ ( збільшуються втрати з виносом ), але знижуються q₃ та q₅.

Для кожної топки в залежності від виду палива і навантаження котлоагрегату є оптимальне значення коефіцієнта надлишку повітря, при якому сума втрат тепла буде мінімальною.

Значення α можна знайти, якщо відомий склад продуктів згоряння:

 = 1 / [1 – 3,76 ( О₂ – 0,5 СО ) / N₂], ( 6.1 )

де О₂ , СО та N₂ – відсотковий вміст кисню, окислу вуглецю та азоту в обємі димових газів;

3,76 = N₂/О₂ = 79/21 – відношення обємних вмістів азоту та кисню в атмосферному повітрі;

N₂ = 100 – RO₂  O₂ – СО, ( 6.2 )

При повному і завершеному згорянні палива СО = 0 і

 = 1 / (1 – 3,76 О₂ / N₂).

Великі котельні установки комплектуються безперервно діючими автоматичними газоаналізаторами, малі – ручними переносними. Ручні хімічні газоаналізатори використовуються також для перевірки автоматичних.

Найкращим методом для визначення складу продуктів горіння і складу газоподібного палива є газова хроматографія ( основний метод аналізу складних газових сумішей ) з високою чутливістю і точністю визначення при порівняльній простоті і доступності апаратури.

При випробуваннях знаходять застосування закордонні переносні показувальні автоматичні газоаналізатори з електрохімічним датчиком, що дозволяють вимірювати вміст компонентів газової суміші. Прилади оснащені відсмоктуючими пристроями та автономними джерелами живлення. Датчики розраховані на один-два роки роботи.

Для відбору проб продуктів горіння при температурі газу вищій за 400 °С належить використовувати мідні або сталеві трубки з водяним охолодженням, тому що при більш високій температурі можливе догоряння в трубці компонентів, що не згоріли раніше.

4. Схема і опис лабораторної установки.

Газообємний (волюмометричний ) метод газового аналізу побудований на вимірюванні скороченної проби газу, що аналізується в результаті реакції абсорбції при контакті газу з реактивом, який вибірково взаємодіє тільки з одним компонентом суміші (чи групою однорідних компонентів). Поглинальні реактиви звичайно застосовують у вигляді розчинів. У розчинах залишаються і продукти реакції, а обєм газової суміші зменшується на обєм компонента, що прореагував.

У лабораторну установку ( див.рис.13 ) входить джерело димових газів ( на рис. не вказано ) та переносний хімічний газоаналізатор КГА 2-1 ( комплект для газового аналізу ).

Комплект складається з футляра, що має елементи кріплення, двох поглинальних посудин контактного типу 4 і 6, бюретки 8 у захисному циліндрі 7, гребінки 2, що зєднує поглинальні посудини та бюретку, зрівнювальної склянки 10, триходових та серповидних кранів 1 і 5.

Скляні частини установки зєднані між собою еластичними гумовими трубками. Бюретка 8 використовується для вимірювання обємів газу. Вона включає дві градуйовані вертикальні трубки, спаяні верхівки кінцями і один загальний капіляр з нульовою відміткою в місці спаю.

Права частина бюретки містністю 21 мл проградуйована по всій довжині (ціна поділки 0,05 мл). Ліва частина місткістю 80 мл циліндричними перетисками поділена на чотири рівні частини місткістю по 20 мл кожна. Позначки ( 20, 40, 60, 80 ) мл нанесені на перетисках, вверх та вниз від цих позначок у межах перетисків нанесені 4 позначки по 0,05 мл. Бюретка градуйована по нижньому краю меніска.

Нижні кінці бюретки 8 зєднані за допомогою гумових трубок, двох кранів та перехідника 9 із зрівнювальною склянкою 10, що використовується для створювання розрідження в бюретці під час набору газової суміші та при прокачуванні суміші крізь поглинальні посудини.

Рис.13

Для охолодження газової суміші до кімнатної температури та для запобігання від різких температурних впливів навколишнього середовища бюретка розміщена в скляному циліндрі 7, що закритий гумовою пробкою і заповнений водою.

З метою полегшення заміру обєму газу та підвищення точності вимірів задня стінка циліндра виконана матовою, при цьому меніск рідини в бюретці стає більш чітким.

Поглинальні посудини 4 та 6 для збільшення активної поверхні контакту газової суміші з реактивами заповнені тонкостінними скляними трубочками (зовнішній діаметр 4,4 мм, товщина стінки 0,45 мм). Внутрішній балон служить для прийому та поглинання реактивом газу, зовнішній – для прийому реактива, що витісняється під час набора газу.

Деревяний футляр з висувними боковими кришками з каркасом для кріплення всіх інших частин приладу. Дно футляра вкрито склом, щоб запобігти псуванню дерева при використанні розчинів.

Щоб не допустити контакту реактивів з атмосферним повітрям, на вільний кінець трубки, що зєднує зовнішні балони поглинальних посудин, одягають гумовий мішечок. Мішечок може бути замінений гідравлічним затвором 3 (цю посудину заповнюють підкисленою водою ).

На поверхню пробок триходових 1 (або серповидних) 5 кранів (діаметр прохідного отвору 2,5 мм) нанесений тонкий шар мастила (безводний ланолін, вакуумне мастило чи технічний вазелин ). Роботу цих кранів показано на схемі установки. Триходовий кран дає можливість проводити три види операцій: збір газу (положення І), викид газу (положення II) та аналіз газу (положення III).

Зрівнювальна склянка 10 заповнена запірною рідиною. Як запірна рідина заслуговує на перевагу водний насичений розчин СаСl₂ ( він не висихає та не залишає нальоту на деталях ).

Розчин підкислюють Н₂SO₄ та додають метилоранжевий барвник, внаслідок чого запірна рідина набуває рожевого кольору. Із забарвленою рідиною зручніше проводити всі відліки та виміри, а по кольору рідини ведуть контроль за збереженням кислотності. У разі випадкового потраплення лужного розчину з поглинальних посудин у бюретку колір запірної рідини стає жовтим. Така рідина буде поглинати СО₂, що викривить результати аналізу. При втраті кислотності запорною рідиною її треба замінити. Переведення газу в поглинальну посудину та назад треба проводити обережно, не допускаючи попадання поглинальних розчинів у крани та у зєднувальну систему.

Розміщення поглинальних посудин від вимірювальної бюретки вліво повинно відповідати порядку визначення окремих компонентів газу.

Для поглинання триатомних газів RО₂ близька до бюретки поглинальна посудина 6 заповнена прозорим водним розчином КОН. Наступна посудина 4 використовується для поглинання О₂. Вона заповнена темним розчином пірогалолу С₆Н₃(ОН)₃ в КОН. У футлярі газоаналізатора є місце ще для двох посудин. Іноді використовують третю поглинальну посудину з аміачним розчином хлориду одновалентної міді СuСl або ж з β-нафтолом для поглинання СО.

Реактиви на СО швидко насичуються, і їх застосування не забезпечує достатню надійність вимірювань. Крім того, лужний розчин пірогалолу може виділяти СО, що при малих концентраціях СО завищує його справжній вміст у пробі. Тому часто вміст СО визначають шляхом розрахунку.

Якщо q₃<2%, припускають, що вона визначається лише одним компонентом СО, який має низьку здатність до окислення. Це припущення неприйняте при неповному згорянні природного газу, де в димових газах є вуглеводні, що не згоріли, та продукти їх розкладання.

Розрахунковим шляхом вміст СО знаходять за формулою:

СО = [21 – О₂ - RО₂ (1 + β)]/ (0,605 + ), ( 6.3 )

де  – безрозмірна хімічна характеристика палива.

 = 0,005 + 2,37 (Н^р – 0,126 О^р) / (С^р + 0,375 S^p_л) ( 6.4 )

Приклади значень β для різних палив : дрова – 0,038; торф – 0,073; вугілля Т – 0,104; вугілля АРШ – 0,041; мазут – 0,320; природний газ – 0,336.

Розрахункове визначення СО надійне при незначній неповноті згоряння, коли помітної кількості Н₂ та СН₄ у димових газах не буває.У випадку значної неповноти згоряння (r_CO > 0,01) необхідно проводити повний хімічний аналіз димових газів. Зниження вмісту СО₂ у димових газах може бути викликане, як збільшенням подачі повітря, так і зниженням , яке супроводжується зростанням СО і великими значеннями q₃.