Единицы измерения газообразных компонентов продуктов сгорания →

Содержание раздела

При сжигании органических топлив в топках котлов образуются различные продукты сгорания, такие как ок­сиды углерода СО х = СО + СО 2 , водяные пары Н 2 О, оксиды серы SO x = SO 2 + SО 3 , оксиды азота NO x = NO + NО 2 , полициклические арома­тические углеводороды (ПАУ), фтористые соединения, соединения ванадия V 2 O 5 , твердые частицы и др. (см. табл. 7.1.1). При неполном сгорании топлива в топках уходящие газы могут также содержать углеводороды СН 4 , С 2 Н 4 и др. Все продукты неполного сгорания являются вредными, однако при современной технике сжигания топлива их образование можно свести к минимуму [ 1 ].

Таблица 7.1.1. Удельные выбросы при факельном сжигании органических топлив в энергетических котлах [ 3 ]

Условные обозначения: А р, S p – соответственно содержание золы и серы на рабочую массу топлива, %.

Критерием санитарной оценки среды является предельно допустимая концентрация (ПДК) вредного вещества в атмосферном воздухе на уровне земли. Под ПДК следует понимать такую концентрацию различных веществ и химических соединений, которая при ежедневном воздействии в течение длительного времени на организм человека не вызывает каких-либо патологических изменений или заболеваний.

Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест приведены в табл. 7.1.2 [ 4 ]. Максимально-разовая концентрация вредных веществ определяется по пробам, отобранным в течение 20 мин, среднесуточная - за сутки.

Таблица 7.1.2. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест

Загрязняющее вещество	Предельно допустимая концентрация, мг/ м 3
Максимально-разовая	Среднесуточная
Пыль нетоксичная	0,5	0,15
Диоксид серы	0,5	0,05
Оксид углерода	3,0	1,0
Монооксид углерода	3,0	1,0
Диоксид азота	0,085	0,04
Оксид азота	0,6	0,06
Сажа (копоть)	0,15	0,05
Сероводород	0,008	0,008
Бенз(а)пирен	-	0,1 мкг/100 м 3
Пентаксид ванадия	-	0,002
Фтористые соединения (по фтору)	0,02	0,005
Хлор	0,1	0,03

Расчеты ведутся по каждому вредному веществу в отдельности, с тем чтобы концентрация каждого из них не превышала значений, приведенных в табл. 7.1.2. Для котельных эти условия ужесточены введением дополнительных требований о необходимости суммирования воздействия оксидов серы и азота, которое определяется выражением

В то же время, вследствие локальных недостатков воздуха или неблаго­приятных тепловых и аэродинамических условий, в топках и камерах сго­рания образуются продукты неполного сгорания, состоящие в основном из монооксида углерода СО (угарного газа), водорода Н 2 и различных углево­дородов, которые характеризуют потери тепла в котлоагрегате от химиче­ской неполноты сгорания (химический недожог).

Кроме этого, в процессе сжигания получается целый ряд химических соединений, образующихся вследствие окисления различных составляю­щих топлива и азота воздуха N 2 . Наиболее существенную их часть состав­ляют оксиды азота NO x и серы SO x .

Оксиды азота образуются за счет окисления как молекулярного азота воздуха, так и азота, содержащегося в топливе. Экспериментальные иссле­дования показали, что основная доля образовавшихся в топках котлов NO х, а именно 96÷100%, приходится на монооксид (оксид) азота NO. Ди­оксид NO 2 и гемиоксид N 2 O азота образуются в значительно меньших ко­личествах, и их доля приблизительно составляет: для NO 2 – до 4%, а для N 2 O – сотые доли процента от общего выброса NO x . При типичных усло­виях факельного сжигания топлив в котлах концентрации диоксида азота NO 2 , как правило, пренебрежительно малы по сравнению с содержанием NO и обычно составляют от 0÷7 ррm до 20÷30 ррm . В то же время быстрое перемешивание горячих и холодных областей в турбулентном пламени может привести к появлению относительно больших концентраций диок­сида азота в холодных зонах потока. Кроме этого, частичная эмиссия NO 2 происходит в верхней части топки и в горизонтальном газоходе (при T > 900÷1000 К) и при определенных условиях также может достигать за­метных размеров.

Гемиоксид азота N 2 O, образующийся при сжигании топлив, является, по всей видимости, кратковременным промежуточным веществом. N 2 O практически отсутствует в продуктах сгорания за котлами.

Содержащаяся в топливе сера является источником образования окси­дов серы SO x: сернистого SO 2 (диоксид серы) и серного SO 3 (триоксид серы) ангидридов. Суммарный массовый выброс SO x зависит только от содержания серы в топливе S p , а их концентрация в дымовых газах – еще и от коэффициента расхода воздуха α. Как правило, доля SO 2 составляет 97÷99%, а доля SO 3 – 1÷3% от суммарного выхода SO x . Фактическое со­держание SO 2 в уходящих из котлов газах колеблется от 0,08 до 0,6 %, а концентрация SO 3 – от 0,0001 до 0,008 %.

Среди вредных компонентов дымовых газов особое место занимает большая группа полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Многие ПАУ обладают высокой канцерогенной и (или) мутагенной актив­ностью, активизируют фотохимические смоги в городах, что требует строгого контроля и ограничения их эмиссии. В то же время некоторые ПАУ, например, фенантрен, флуорантен, пирен и ряд других, физиологи­чески почти инертны и не являются канцерогенно-опасными.

ПАУ образуются в результате неполного сгорания любых углеводо­родных топлив. Последнее имеет место из-за торможения реакций окисления углеводородов топлива холодными стенками топочных устройств, а также может быть вызвано неудовлетворительным смешением топлива и воздуха. Это приводит к образованию в топках (камерах сгорания) ло­кальных окислительных зон с пониженной температурой или зон с избыт­ком топлива.

Вследствие большого количества разных ПАУ в дымовых газах и трудности измерения их концентраций принято уровень канцерогенной загрязненности продуктов сгорания и атмосферного воздуха оценивать по концентрации наиболее сильного и стабильного канцерогена – бенз(а)пирена (Б(а)П) C 20 H 12 .

Ввиду высокой токсичности, следует особо отметить такие продукты сжигания мазута, как оксиды ванадия. Ванадий содержится в минеральной части мазута и при его сжигании образует оксиды ванадия VO, VO 2 . Одна­ко при образовании отложений на конвективных поверхностях оксиды ва­надия представлены в основном в виде V 2 O 5 . Пентаоксид ванадия V 2 O 5 яв­ляется наиболее токсичной формой оксидов ванадия, поэтому учет их вы­бросов производится в пересчете на V 2 O 5 .

Таблица 7.1.3. Примерная концентрация вредных веществ в продуктах сгорания при факельном сжигании органических топлив в энергетических котлах

Выбросы =	Концентрация, мг/м 3
	Природный газ	Мазут	Уголь
Оксиды азота NO x (в пересчете на NO 2)	200÷ 1200	300÷ 1000	350 ÷1500
Сернистый ангидрид SO 2	-	2000÷6000	1000÷5000
Серный ангидрид SO 3	-	4÷250	2 ÷100
Угарный газ СО	10÷125	10÷150	15÷150
Бенз(а)пирен С 20 Н 12	(0,1÷1, 0)·10 -3	(0,2÷4,0)· 10 -3	(0,3÷14)· 10 -3
Твердые частицы	-	<100	150÷300

При сжигании мазута и твердого топлива в выбросах также содержатся твердые частицы, состоящие из летучей золы, сажистых частиц, ПАУ и несгоревшего в результате механического недожога топлива.

Диапазоны концентраций вредных веществ в дымовых газах при сжи­гании различных типов топлив приведены в табл. 7.1.3.

состав продуктов полного сгорания

В состав продуктов полного сгорания входят также балластные составляющие- азот (N2) и кислород (О2).

Азот всегда попадает в топку с воздухом, а кислород остается от не использованных в процессе сгорания воздушных потоков. Таким образом, дымовые газы, образующиеся при полном сгорании газообразного топлива, состоят из четырех компонентов: СОг, Н2О, Ог и N2

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, из которых образуется сажа. Неполное сжигание газа может возникнуть при недостатке воздуха в зоне горения (сст>1), неудовлетворительном смешении воздуха с газом, соприкосновении факела с холодными стенками, которое влечет обрыв реакции горения.

Пример. Допустим, что от сжигании 1 м3 дашавского газа образуется сухих продуктов сгорания Kci-35 м3/м3, при этом в продуктах сгорания содержатся горючие составляющие в размере: СО=0,2%; Н2=0,10/о; СН4= = 0,05%.

Определить потерю теплоты от химической неполноты сгорания. Эта потеря равна Q3=VC, г ("26, ЗСО+Ю8Н3 + 358СН4) = 35 (126,3-0,2+ 108-0,1+358-0,05) =

1890 кДж/м3.

Точка росы продуктов сгорания определяется следующим образом. Сначала находят полный объем продуктов сгорания

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

P»to=vmlVr, бар.

Каждому значению парциального давления водяных паров соответствует определенная точка росы.

Пример. От сжигания 1 м3 дашавского природного газа при ат = 2,5 образуется продуктов сгорания Vr = 25 м3/м3, в том числе водяных паров Vsn = 2,4 м3/м3. Требуется определить температуру точки росы.

Парциальное давление водяных паров в продуктах сгорания равно

^0=^/^ = 2,4/25 = 0,096 бара.

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.

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.

Регулирование процесса горения (Основные принципы горения)

>> Вернуться к содержанию

Для оптимального горения необходимо использовать большее количество воздуха, чем следует из теоретического расчёта химической реакции (стехиометрический воздух).

Это вызвано необходимостью окислить всё имеющееся в наличии топливо.

Разница между реальным количеством воздуха и стехиометрическим количеством воздуха называется избытком воздуха. Как правило, избыток воздуха находится в пределах от 5% до 50% в зависимости от типа топлива и горелки.

Обычно, чем труднее окислить топливо, тем большее количество избыточного воздуха требуется.

Избыточное количество воздуха не должно быть чрезмерным. Чрезмерное количество подаваемого воздуха для горения снижает температуру дымовых газов и увеличивает тепловые потери теплогенератора. Кроме того, при определённом предельном количестве избыточного воздуха, факел слишком сильно охлаждается и начинают образовываться CO и сажа. И наоборот, недостаточное количество воздуха вызывает неполное сгорание и те же самые проблемы, указанные выше. Поэтому, чтобы обеспечить полное сгорание топлива и высокую эффективность горения количество избыточного воздуха должно быть очень точно отрегулировано.

Полнота и эффективность сгорания проверяются измерениями концентрации угарного газа CO в дымовых газах. Если угарного газа нет, значит сгорание произошло полностью.

Косвенно уровень избыточного воздуха можно рассчитать, измеряя концентрацию свободного кислорода O 2 и/или двуокиси углерода СO 2 в дымовых газах.

Количество воздуха будет примерно в 5 раз больше, чем измеренное количество углерода в объёмных процентах.

Что касается СO 2 , то его количество в дымовых газах зависит только от количества углерода в топливе, а не от количества избыточного воздуха. Его абсолютное количество будет постоянным, а процент от объёма будет изменяться в зависимости от количества избыточного воздуха, находящегося в дымовых газах. При отсутствии избыточного воздуха количество СO 2 будет максимальным, при увеличении количества избыточного воздуха, объёмный процент СO 2 в дымовых газах понижается. Меньшее количество избыточного воздуха соответствует большему количеству СO 2 и наоборот, поэтому горение идет более эффективно, когда количество СO 2 близко к своему максимальному значению.

Состав дымовых газов можно отобразить на простом графике с помощью "треугольника горения" или треугольника Оствальда, который строится для каждого типа топлива.

С помощью этого графика, зная процентное содержание СO 2 и O 2 , мы можем определить содержание CO и количество избыточного воздуха.

В качестве примера на рис. 10 приведен треугольник горения для метана.

Рисунок 10. Треугольник горения для метана

По оси X указано процентное содержание O 2 , по оси Y указано процентное содержание СO 2 . гипотенуза идет от точки А, соответствующей максимальному содержанию СO 2 (в зависимости от топлива) при нулевом содержании O 2 , до точки В, соответствующей нулевому содержанию СO 2 и максимальному содержанию O 2 (21%). Точка А соответствует условиям стехиометрического горения, точка В -отсутствию горения. Гипотенуза - это множество точек, соответствующих идеальному горению без CO.

Прямые линии, параллельные гипотенузе, соответствуют различному процентному содержанию CO.

Предположим, что наша система работает на метане и анализ дымовых газов показал, что содержание СO 2 составляет 10%, а содержание O 2 составляет 3%. Из треугольника для газа метана мы находим, то содержание CO равно 0, а содержание избыточного воздуха равно 15%.

В таблице 5 показано максимальное содержание СO 2 для разных видов топлива и значение, которое соответствует оптимальному горению. Это значение рекомендованное и рассчитано на основе опыта. Следует отметить, что когда из центральной колонки берётся максимальное значение необходимо произвести измерение выбросов, по процедуре описанной в главе 4.3.

Теоретически необходимое количество воздуха для сжигания генераторного, доменного и коксового газов и их смесей определяют по формуле:

V 0 4,762/100 *((%CO 2 + %H 2)/2 + 2 ⋅ %CH 4 + 3 ⋅ %C 2 H 4 + 1,5 ⋅ %H 2 S - %O 2), нм 3 /нм 3 , где % – по объему.

Теоретически необходимое количество воздуха для сжигания природного газа:

V 0 4,762/100* (2 ⋅ %CH 4 + 3,5 ⋅ %C 2 H 6 + 5 ⋅ %C 3 H 8 + 6,5 ⋅ %C 4 H 10 + 8 ⋅ %C 5 H 12), нм 3 /нм 3 , где % – по объему.

Теоретически необходимое количество воздуха для сжигания твердых и жидких топлив:

V 0 = 0,0889 ⋅ %C P + 0,265 ⋅ %H P – 0,0333 ⋅ (%O P - %S P), нм 3 /кг, где % – по массе.

Действительное количество воздуха для горения

Необходимой полноты горения при сжигании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха, т.е. при V 0 (α = 1), можно достичь только в том случае, если топливо полностью смешается с воздухом, идущим для горения, и представляет собой готовую горячую (стехиометрическую) смесь в газообразном виде. Этого достигают, например, при сжигании газообразного топлива с помощью горелок беспламенного горения и при сжигании жидкого топлива с предварительной их газификацией с помощью специальных горелок.

Действительное количество воздуха для сжигания топлива всегда больше, чем теоретически необходимое, так как в практических условиях для полноты сжигания почти всегда требуется некоторый избыток воздуха. Действительное количество воздуха определяют по формуле:

V α = αV 0 , нм 3 /кг или нм 3 /нм 3 топлива,

где α - коэффициент избытка воздуха.

При факельном способе сжигания, когда топливо с воздухом перемешивается в процессе горения, для газа, мазута и пылевидного топлива коэффициент избытка воздуха α = 1,05–1,25. При сжигании газа, предварительно полностью смешанного с воздухом, и при сжигании мазута с предварительной газификацией и интенсивным перемешиванием мазутного газа с воздухом α = 1,00–1,05. При слоевом способе сжигания углей, антрацита и торфа в механических топках при непрерывной подаче топлива и золоудалении – α = 1,3–1,4. При ручном обслуживании топок: при сжигании антрацитов α = 1,4 , при сжигании каменных углей α = 1,5–1,6 , при сжигании бурых углей α = 1,6–1,8. Для полугазовых топок α = 1,1–1,2.

Атмосферный воздух содержит некоторое количество влаги – d г/кг сухого воздуха. Поэтому объем влажного атмосферного воздуха, необходимого для горения, будет больше, чем рассчитанный по вышеприведенным формулам:

V B о = (1 + 0,0016d) ⋅ V о, нм 3 /кг или нм 3 /нм 3 ,

V B α = (1 + 0,0016d) ⋅ V α , нм 3 /кг или нм 3 /нм 3 .

Здесь 0,0016 = 1,293/(0,804*1000) представляет собой коэффициент пересчета весовых единиц влаги воздуха, выраженных в г/кг сухого воздуха, в объемные единицы – нм 3 водяных паров, содержащихся в 1 нм 3 сухого воздуха.

Количество и состав продуктов горения

Для генераторного, доменного, коксового газов и их смесей количество отдельных продуктов полного горения при сжигании с коэффициентом избытка воздуха, равным α:

Количество двуокиси углерода

V CO2 = 0,01(%CO 2 + %CO + %CH 4 + 2 ⋅ %C 2 H 4), нм 3 /нм 3

Количество сернистого ангидрида

V SO2 = 0,01 ⋅ %H 2 S нм 3 /нм 3 ;

Количество водяных паров

V H2O = 0,01(%H 2 + 2 ⋅ %CH 4 + 2 ⋅ %C 2 H 4 + %H 2 S + %H 2 O + 0,16d ⋅ V α), нм 3 /нм 3 ,

где 0,16d V B á нм 3 /нм 3 – количество водяных паров, вносимое влажным атмосферным воздухом при его влагосодержании d г/кг сухого воздуха;

Количество азота, переходящего из газа и вносимого с воздухом

Количество свободного кислорода, вносимого избыточным воздухом

V O2 = 0,21 (α - 1) ⋅ V O , нм 3 /нм 3 .

Общее количество продуктов горения генераторного, доменного, коксового газов и их смесей равно сумме их отдельных составляющих:

V дг = 0,01 (%CO 2 + %CO + %H 2 + 3 ⋅ %CH 4 + 4 ⋅ %C 2 H 4 + 2 ⋅ %H 2 S + %H 2 O + %N 2) + + V O (α + 0,0016 dα - 0,21), нм 3 /нм 3 .

Для природного газа количество отдельных продуктов полного горения определяют по формулам:

V CO2 = 0,01(%CO 2 + %CH 4 + 2 ⋅ %C 2 H 6 + 3 ⋅ %C 3 H 8 + 4 ⋅ %C 4 H 10 + 5 ⋅ %C 5 H 12) нм 3 /нм 3 ;

V H2O = 0,01(2 ⋅ %CH 4 + 3 ⋅ %C 2 H 6 + 4 ⋅ %C 3 H 8 + 5 ⋅ %C 4 H 10 + 6 ⋅ %C 5 H 12 + %H 2 O + 0,0016d V α) нм 3 /нм 3 ;

V N2 = 0,01 ⋅ %N 2 + 0,79 V α , нм 3 /нм 3 ;

V O2 = 0,21(α - 1) V O , нм 3 /нм 3 .

Общее количество продуктов горения природного газа:

V дг = 0,01(%CO 2 + 3 ⋅ %CH 4 + 5 ⋅ %C 2 H 6 +7 ⋅ %C 3 H 8 + 9 ⋅ %C 4 ⋅H 10 + 11 ⋅ %C 5 H 12 + %H 2 O + + %N 2) + V O (α + 0,0016dα - 0,21), нм 3 /нм 3 .

Для твердого и жидкого топлив количество отдельных продуктов полного горения:

V CO2 = 0,01855 %C P , нм 3 /кг (здесь и далее, % – процентное содержание в рабочем газе элементов по массе);

V SO2 = 0,007 % S P нм 3 /кг.

Для твердого и жидкого топлива

V H2O ХИМ = 0,112 ⋅ %H P , нм 3 /кг,

где V H2O ХИМ – водяные пары, образующиеся при горении водорода.

V H2O МЕХ = 0,0124 %W P , нм 3 /кг,

где V H2O МЕХ – водяные пары, образующиеся при испарении влаги рабочего топлива.

Если для распыления жидкого топлива подается пар в количестве W ПАР кг/кг топлива, то к объему водяных паров надо добавить величину 1,24 W ПАР нм 3 /кг топлива. Влага, вносимая атмосферным воздухом при влагосодержании d г/кг сухого воздуха, составляет 0,0016 d V á нм 3 /кг топлива. Следовательно, общее количество водяных паров:

V H2O = 0,112 ⋅ %H P + 0,0124 (%W P + 100 ⋅ %W ПАР) + 0,0016d V á , нм 3 /кг.

V N2 = 0,79 ⋅ V α + 0,008 ⋅ %N P , нм 3 /кг

V O2 = 0,21 (α - 1) V O , нм 3 /кг.

Общая формула для определения продуктов горения твердого и жидкого топлива:

V дг = 0,01 + V O (α + + 0,0016 dα - 0,21) нм 3 /кг.

Объем дымовых газов при сжигании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха (V O нм 3 /кг, V O нм 3 /нм 3) определяют по приведенным расчетным формулам с коэффициентом избытка воздуха, равным 1,0, при этом в составе продуктов горения будет отсутствовать кислород.