Строительство забора 

Содержание со в дымовых газах. Природный газ


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.

сли известен элементарный состав рабочей массы топлива, можно теоретически определить количество воздуха, необходимого для горения топлива, и количество образующихся дымовых газов.

Количество воздуха, необходимое для горения, вычисляют в кубических метрах при нормальных условиях (0°С и 760 мм рт. ст)-для 1 кг твердого или жидкого топлива и для 1 м 3 газообразного.

Теоретический объем сухого воздуха. Для полного сгорания 1 кг твердого и жидкого топлива теоретически необходимый объем воздуха, м 3 /кг, находят делением массы израсходованного кислорода на плотность кислорода при нормальных условиях ρ Н

О 2 = 1,429 кг/м3 и на 0,21, так как в воздухе содержится 21% кислорода

Для полного сгорания 1 м 3 сухого газообразного топлива необходимый объем воздуха, м3/м3,

В приведенных формулах содержание элементов топлива выражается в процентах по массе, а состав горючих газов СО, Н 2 , СН 4 и др. - в процентах по объему; СmНn - углеводороды, входящие в состав газа, например метан СН 4 (m = 1, n = 4), этан С 2 Н 6 (m = 2, n = 6) и т. д. Эти цифровые обозначения составляют коэффициент (m + n/4)

Пример 5. Определить теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива следующего состава: С р =52,1%; Н р =3,8%;

S р 4 = 2,9%; N р =1,1%; O р = 9,1%

Подставляя эти величины в формулу (27), получим V° B =

0,0889 (52,1 + 0,375 2,9) + 0,265 3,8 - - 0,0333 9,1 = 5,03 м3/кг.

Пример 6. Определить теоретическое количество воздуха, необходимое для горения 1 м3 сухого газа следующего состава:

СН 4 = 76,7%; С 2 Н 6 =4,5%; С 3 Н 8 = 1,7%; С 4 Н 10 = 0,8%; С5Н12 = 0,6%; Н 2 = 1%; С0 2 =0,2%; К, = 14,5%.

Подставляя числовые значения в формулу (29), получим

Теоретический объем дымовых газов. При полном сгорании топлива дымовые газы, уходящие из топки, содержат: двуокись углерода СО 2 , пары Н 2 О (образующиеся при сгорании водорода топлива), сернистый ангидрид SО 2 , азот N 2 - нейтральный газ, поступивший в топку с кислородом воздуха, азот из состава топлива Н 2 , а также кислород избыточного воздуха О 2 . При неполном сгорании топлива к указанным элементам добавляются еще окись углерода СО, водород Н 2 и метан СН 4 . Для удобства подсчетов продукты сгорания разделяют на сухие газы и водяные пары.

Газообразные продукты сгорания состоят из трехатомных газов СО 2 и SО 2 , сумму которых принято обозначать символом RO 2 , и двухатомных газов - кислорода О 2 и азота N 2 .

Тогда равенство будет иметь вид:

при полном сгорании

R0 2 + 0 2 + N 2 = 100%, (31)

при неполном сгорании

R0 2 + 0 2 + N 2 + СО = 100%;

Объем сухих трехатомных газов находится делением масс газов СО 2 и SО 2 на их плотность при нормальных условиях.

Рсо 2 = 1,94 и Psо 2 = 2,86 кг/м3 - плотности двуокиси углерода и сернистого газа при нормальных условиях.

Анализ дымовых газов котлов позволяет выявить и устранить отклонения от нормальных режимов работы, тем самым увеличить эффективность сжигания топлива и уменьшить выбросы токсичных газов в атмосферу. Для того чтобы понимать насколько эффективно работает топливосжигающая установка и как с помощью газоанализатора дымовых газов выявить отклонения в ее работе необходимо знать какие газы и в каких концентрациях присутствуют в дымовых газах.

Ниже приводятся компоненты дымовых газов в порядке уменьшения их концентрации в отходящих дымовых газах.

Азот N2.

Азот - основной элемент окружающего воздуха (79%). Азот не участвует в процессе сгорания, является балластом. Нагнетаясь в котел, нагревается и уносит с собой в дымоход потраченную на его нагрев энергию, снижая эффективность работы котла. Газоанализаторами дымовых газов концентрация азота не измеряется.

Углекислый газ CO2.

Образуется при сгорании топлива. Удушающий газ, при концентрациях выше 15% по объему вызывает быструю потерю сознания. Газоанализаторы дымовых газов обычно не измеряют концентрацию углекислого газа, а определяют его расчетным путем по концентрации остаточного кислорода. В некоторых моделях газоанализаторов, например, MRU Vario Plus, могут быть встроены оптические инфракрасные сенсора для измерения концентраций углекислого газа.

  • дизельные горелки - 12,5…14 %
  • газовые горелки - 8…11 %

Кислород О2.

Остаточный кислород, не использованный в процессе сгорания топлива ввиду избыточного воздуха, выбрасывается вместе с отходящими газами. По концентрации остаточного кислорода судят о полноте (эффективности) сгорания топлива. Кроме того, по концентрации кислорода определяются потери тепла с дымовыми газами и концентрация углекислого газа.

Концентрация кислорода в переносных газоанализаторах дымовых газов измеряется с помощью электрохимических сенсоров кислорода, в стационарных газоанализаторах кроме того довольно часто применяются циркониевые сенсоры.

  • дизельные горелки - 2…5 %
  • газовые горелки - 2…6 %

Оксид углерода СО.

Оксид углерода или угарный газ - отравляющий газ, являющийся продуктом неполного сгорания. Газ тяжелее воздуха и при наличии неплотностей или прогаров в дымоходах котлов может выделяться в рабочую среду, подвергая персонал риску отравления. При концентрациях СО до 10000 ppm для его обнаружения обычно применяются электрохимические ячейки. Для измерения концентраций свыше 10000 ppm в основном применяют оптические ячейки, в том числе и в переносных газоанализаторах.

  • дизельные горелки - 80…150 ppm
  • газовые горелки - 80…100 ppm

Оксиды азота (NOx).

При высоких температурах в топке котлов азот образует с кислородом воздуха оксид азота NO. В дальнейшем NO под воздействием кислорода окисляется до NO2. Компоненты NO и NO2 называют оксидами азота NOx.

Концентрация NO измеряется электрохимическими сенсорами. NO2 в простых моделях газоанализаторов определяется расчетным путем и принимается равным 5…10% процентам измеренной концентрации NO. В некоторых случая концентрация NO2 измеряется отдельным электрохимическим сенсором диоксида азота. В любом случае результирующая концентрация оксидов азота NOx равно сумме концентраций NO и NO2.

  • дизельные горелки - 50…120 ppm
  • газовые горелки - 50…100 ppm

Диоксид серы (SO2).

Токсичный газ, образующийся при сжигании топлива, содержащего серу. При взаимодействии SO2 с водой (конденсатом) или водяным паром образуется сернистая кислота H2SO3. Для измерения концентраций SO2 обычно применяют электрохимические ячейки.

Несгораемые углеводороды (СН).

Несгораемые углеводороды СН формируются в результате неполного сгорания топлива. В данную группу входят метан СН4, бутан С4Н10 и бензол С6Н6. Для измерения концентраций несгораемых углеводородов применяют термокаталитические или оптические инфракрасные ячейки.

Для измерения концентраций газов в промышленных выбросах и топочных газах применяются газоанализаторы Каскад-Н 512, ДАГ 500, Комета-Топогаз, АКВТ и др. отечественного производства, или приборы иностранного производства таких производителей как Testo, MSI Drager, MRU, Kane и т.д.

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.

Cтраница 1


Состав дымовых газов рассчитывают исходя из реакций сгорания составных частей топлива.  

Состав дымовых газов определяют при помощи специальных приборов, называемых газоанализаторами. Это основные приборы, определяющие степень совершенства и экономичности топочного процесса в зависимости от содержания углекислоты в уходящих дымовых газах, оптимальное значение которой зависит от рода топлива, типа и качества топочного устройства.  

Состав дымовых газов при установившемся режиме изменяется ледующим образом: содержание H2S и S02 неуклонно снижается, 32, СО2 и СО - изменяется незначительно / При послойном горении окса верхние слои катализатора регенерируются раньше нижних. Наблюдается постепенное снижение температуры в реакционной юне, и в дымовых газах на выходе из реактора появляется кислород.  


Состав дымовых газов контролируют по пробам.  

Состав дымового газа определяется не только содержанием водяных паров, но также и содержанием других компонентов.  

Состав дымовых газов меняется по длине факела. Учесть это изменение при расчете радиационного теплообмена не представляется возможным. Поэтому практические расчеты радиационного теплообмена ведут по составу дымовых газов в конце камеры. Это упрощение в известной степени оправдывается тем соображением, что процесс горения обычно интенсивно протекает в начальной, не очень большой части камеры, и поэтому большая часть камеры бывает занята газами, состав которых близок к его составу в конце камеры. В конце ее почти всегда содержится очень немного продуктов неполного сгорания.  

Состав дымовых газов рассчитывают, исходя из реакций сгорания составных частей топлива.  

Состав дымовых газов при полном сгорании газа различных месторождений отличается незначительно.  

В состав дымовых газов входит: 2 61 кг СО2; 0 45 кг Н2О; 7 34 кг N2 и 3 81 кг воздуха на I кг угля. При 870 С объем дымовых газов на 1 кг угля составляет 45 ж3, а при 16 С он равен 11 3 м3; плотность смеси дымовых газов равна 0 318 кг / ж3, что в 1 03 раза больше плотности воздуха при той же температуре.