8.11. Условия образования продуктов неполного сгорания и снижение в них концентрации вредных веществ

При сжигании горючих газов в продуктах сгорания могут содержаться компоненты как полного (диоксид углерода и водяной пар), так и неполного сгорания (оксид углерода, водород, ненасыщенные, насыщенные, ароматические углеводороды и сажистые частицы).

Кроме того, в продуктах сгорания всегда обнаруживаются и оксиды азота. Наличие продуктов неполного сгорания в значительных концентрациях недопустимо, так как приводит к загрязнению атмосферы токсическими веществами и к снижению КПД установок, работающих на газовом топливе.

 

Основные причины их большого содержания:
• сжигание газов с недостаточным количеством воздуха;
• плохое смешение горючих газов и воздуха до и в процессе горения;
• чрезмерное охлаждение пламени до завершения реакций горения.

 

Для метана реакции горения (в зависимости от концентрации кислорода в реагирующей смеси) могут быть описаны следующими уравнениями:

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О + 800,9 МДж/моль

при стехиометрическом соотношении или при избытке окислителя;

СН4 + О2 = СО + Н2 + Н2О + Q и СН4 + 0,5О2 = СО + 2Н2О + Q

при недостатке окислителя.

На рис. 8.12 показан приближенный усредненный состав некоторых промежуточных соединений — водорода, оксида углерода, этилена, ацетилена и сравнительно небольшое число насыщенных и простейших ароматических соединений — и диоксида углерода, возникающих в пламени при диффузионном горении природного газа (97%). Сжигание газа производилось в ламинарном факеле, газ вытекал из трубки диаметром 12 мм. Общая высота пламени 130–140 мм.

 

Максимальная концентрация водорода и ацетилена достигается примерно на одной высоте пламени, они исчезают почти одновременно в вершине светящейся зоны пламени. Из всех образующихся в пламени промежуточных соединений (исключая сажистые частицы) оксид углерода исчезает последним. Это дает основание судить по его индексу о полноте сгорания газа. В продуктах сгорания всегда присутствуют оксиды азота, максимальная концентрация которых возникает в зонах интенсивного выгорания оксида углерода и водорода.

 

Горение углеводородных газов с недостатком окислителя приводит к образованию частиц сажи, придающих пламени желтую окраску. Процесс выгорания сажи протекает стадийно и сравнительно медленно. Иногда выгорание образовавшихся частиц сажи затягивается и может прекратиться полностью при входе в низкотемпературную область факела или при омывании пламенем теплообменных поверхностей. Таким образом, наличие светящегося пламени всегда
свидетельствует о протекании пиролитических процессов и о возможности химической неполноты сгорания, в особенности в малогабаритных экранированных топках котлов.

 

Предотвращение образования сажистых частиц достигается предварительным смешением углеводородных газов с достаточным количеством окислителя. Содержание первичного воздуха в смеси, при котором возникает прозрачное пламя, зависит не только от вида углеводородов, но и от условий смешения с вторичным воздухом (диаметра огневых каналов горелок) (рис. 8.13). На границе и выше кривых пламя прозрачно, а ниже кривых имеет желтые язычки. Кривые показывают, что содержание первичного воздуха в смеси возрастает при увеличении числа углеродных атомов в молекуле и диаметра огневых каналов горелок. Коэффициент избытка первичного воздуха α1 в смеси, при котором исчезают желтые язычки пламени, в зависимости от указанных факторов может быть определен для малых огневых каналов горелок:

α1 = 0,12 (m + n/4)0,5 (dk /d0)0,25 (8.35)


где     m и n — число углеродных и водородных атомов в молекуле или среднее их число для сложного газа;
dk — диаметр огневых каналов горелки, мм;
d0 — эталонный диаметр канала горелки (1 мм).

Обеспечение полноты сгорания в практических условиях — задача достаточно сложная, зависящая не только от принципа сжигания газа, но и от условий развития пламени в топочном объеме. Наиболее высокие требования по полноте сгорания предъявляются к бытовым аппаратам и другим установкам, сбрасывающим продукты сгорания в атмосферу. Сгорание газа в таких установках является наиболее трудным, так как связано с омыванием пламенем холодных теплообменных поверхностей. Для сжигания газа в бытовых плитах применяют инжекционные многофакельные горелки, образующие гомогенную смесь с коэффициентом избытка первичного воздуха α1 < 1. Недостающий для сгорания газа воздух поступает за счет диффузии из окружающей атмосферы.

 

На рис. 8.14 приведены схемы 2-конфорочных горелок для бытовых газовых плит и усредненная концентрация оксида углерода СО в продуктах сгорания природного метана (95 об. %) и пропана (93 об. %) при работе горелок с номинальной тепловой мощностью. Различие горелок заключается в том, что к одной из них вторичный воздух подводится только с периферии, а к другой — как с периферии, так и из центрального канала.

Полнота сгорания газа зависит от коэффициента избытка первичного воздуха в смеси, расстояния от огневых каналов горелки до дна посуды, вида горючего газа, способа подвода вторичного воздуха. При этом увеличение содержания первичного воздуха в смеси, а также увеличение расстояния от горелки до дна посуды приводят к снижению концентрации оксида углерода в продуктах сгорания. Минимальная концентрация оксида углерода соответствует коэффициенту избытка первичного воздуха α1 = 0,6 и выше и расстоянию от горелки до дна посуды 25 мм, а максимальная — α1 = 0,3 и ниже и расстоянию от горелки до дна посуды 10 мм. Кроме того, увеличение тепловой мощности горелок на 15–20% за счет повышения давления газа приводит к росту концентрации оксида углерода в продуктах сгорания в 1,2–1,3 раза, а за счет теплоты сгорания газа —в 1,5–2 раза.

На появление в процессе горения ароматических соединений — бензола, полициклических бензпирена, безантрацена и др. — следует обратить собое внимание, так как некоторые из них канцерогенны. Процесс их образования весьма сложен и протекает стадийно. На первом этапе появляется ацетилен и его производные. В пламенной зоне эти вещества претерпевают процессы удлинения цепи с перестройкой тройных углеродных вязей на двойные. В результате циклизации и дегидратации приводят к оявлению различных ароматических соединений, включая полициклические.

 

Данные табл. 8.16 показывают, что при сжигании природных газов с коэффициентом избытка первичного воздуха α1 = 0,6 и выше на обоих типах горелок концентрация оксида углерода продуктах сгорания отвечает требованиям ГОСТ 5542–87.
Исследования показали, что расстояния между кромками огневых каналов, обеспечивающие быстрое распространение пламени, предотвращающие их слияние, зависят от их размера и содержания первичного воздуха в смеси, уменьшаясь с его увеличением. Оптимальные расстояния между кромками каналов, обеспечивающие достаточную полноту сгорания газа и быстрое распространение пламени, приведены в табл. 8.17. При расположении огневых каналов в два ряда в шахматном порядке расстояния между кромками могут приниматься по этой же таблице. Расстояния между рядами при этом должны быть в 2–3 раза больше расстояний между каналами.

 

Обобщение многочисленных экспериментальных данных позволило получить усредненные кривые концентрации в продуктах сгорания различных компонентов, качественно и количественно характеризующих процесс горения (рис. 8.15). Полное сгорание гомогенной газовоздушной смеси достигается только при коэффициенте избытка первичного воздуха α = 1,05 и выше. При уменьшении содержания воздуха в смеси, в особенности при α < 1,0, возрастает концентрация оксида углерода СО, ацетилена С2Н2, этилена С2Н4, пропилена С3Н6 и пропана С3Н8, а также бенз(а)пирена С20Н9. Также возрастает концентрация и других компонентов — водорода, бензола и др.

Кроме рассмотренных продуктов незавершенного горения, при сжигании газа всегда возникает некоторое количество оксидов азота, образование которых происходит в зонах высоких температур как после завершения основных реакций горения, так и в процессе горения. Максимальная концентрация NOх возникает на конечных стадиях, соответствующих выгоранию газа и интенсивному горению промежуточных продуктов в виде водорода и оксида углерода.

Первичное соединение при горении газовоздушных смесей — оксид азота. Начало цепной реакции связано с атомарным кислородом, возникающим в зонах высоких температур за счет диссоциации молекулярного кислорода:

О2 –› 2О — 490 кДж/моль (8.36)
О + N2 –› NO + N — 300 кДж/моль (8.37)
N + О2 –› 2NO + 145 кДж/моль (8.38)
Балансовая реакция
N2 + О2 –› 2NO — 177 кДж/моль (8.39)

 

Образование атомарного кислорода происходит и при частичной диссоциации продуктов сгорания: при снижении температуры и наличии кислорода часть образовавшегося оксида азота (1–3 об. %) окисляется до диоксида азота NO2.

 

 

Наиболее интенсивно реакция протекает после выхода оксида азота в атмосферу. Основные влияющие факторы:
• температура в реакционных зонах;
• коэффициент избытка воздуха и время контакта реагирующих компонентов.
Температура пламени зависит от химического состава газа, содержания воздуха в газовоздушной смеси, степени ее однородности и теплоотвода из реакционной зоны. Максимально возможная при данной температуре концентрация оксида азота, об. %, может быть подсчитана по формуле:

NOp = 4,6е-2150/(RT)/√О2N2 (8.40)
где     NOp — равновесная концентрация оксида азота, об. %;
R — универсальная газовая постоянная;
Т — абсолютная температура, К;
O2 и N2 — концентрация, об. %, соответственно кислорода и азота.
 

Высокая концентрация оксида азота, соизмеримая с равновесной, возникает при сжигании газа в топках мощных парогенераторов и в высокотемпературных мартеновских, коксовых и аналогичных печах. В котлах малой и средней мощности, в небольших нагревательных и термических печах со значительным теплоотводом и малым временем пребывания компонентов в высокотемпературных зонах выход оксида азота на порядок меньше. Кроме того, чем короче время пребывания реагирующих компонентов в зоне высоких температур, тем меньше оксида азота в продуктах сгорания.

 

Эффективно также сжигание газа в излучающих горелках и в псевдоожиженном слое: в этих случаях происходит микрофакельное горение гомогенной газовоздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха α = 1,05 при весьма интенсивном отводе теплоты из реакционной зоны. Концентрация оксидов азота при сжигании газа в излучающих горелках составляет около 40, а в псевдоожиженном слое — 80–100 мг/м3. Уменьшение размеров огневых каналов излучающих горелок и огнеупорных зерен в псевдоожиженном слое способствует снижению выхода оксидов азота.

Накопленные данные позволили внести ряд изменений в конструкцию котельно-отопительного оборудования, обеспечивающих не только высокий КПД и низкую концентрацию продуктов неполного сгорания, но и сниженный сброс в атмосферу оксидов азота.

 

К этим изменениям относятся:
• сокращение длины высокотемпературных туннелей и перемещение горения из них в топки;
• применение взамен керамических туннелей стабилизаторов горения в виде тел плохообтекаемой формы или кольцевого пламени;
• организация плоского факела пламени с увеличенной поверхностью теплоотдачи;
• рассредоточение пламени за счет увеличения числа горелок или использования блочных горелок;
• ступенчатый подвод воздуха в реакционную зону;
• равномерное распределение тепловых потоков в топке, экранирование топок и их разделение на отсеки экранами;
• применение диффузионного принципа сжигания газа (диффузионное горение допустимо только в тех случаях, когда может быть обеспечено свободное развитие пламени без омывания теплообменных поверхностей).

 

Наиболее эффективное снижение выхода оксидов азота достигается при одновременном использовании нескольких способов.