Что образуется при сгорании природного газа: основные продукты и их влияние на окружающую среду

Горение — природный газ

Горение природного газа, как и другого вида топлива, может происходить за счет взаимодействия с атомарным кислородом или гидроксил-ионом.

Установка фирмы Сога-bustifium.

Горение природного газа в смеси с первичным воздухом осуществляется в V-образных полостях 5, имеющих соответствующую перфорацию. Пройдя высокотемпературную зону, вредные органические примеси сгорают и превращаются в безвредные продукты полного сгорания, которые вместе с продуктами сгорания природного газа выбрасываются в атмосферу или поступают в камеру охлаждения котла, сушилки или какого-нибудь другого теплоиспользующего агрегата.

Для горения природного газа в печных установках цементных заводов необходимо практически обеспечить, во-первых, контакт и смешение его с воздухом, во-вторых, начальное и последующее воспламенение непрерывно поступающего газа и, в-третьих, непрерывное и полное сгорание газа.

Продукты горения природного газа отводятся из контактного водонагревателя с температурой 40 С.

Неполнота горения природного газа характеризуется появлением в газах, отходящих из печных и сушильных установок, наряду с углекислотой, азотом и парами воды, также окиси углерода, водорода и метана, а иногда и других углеводородов, продуктов их неполного окисления ( ацетальдегида, формальдегида, уксусной кислоты и пр. В довольно редких случаях в отходящих газах содержится сажистый углерод.

Неполнота горения природного газа довольно часто наблюдалась в ряде отраслей промышленности при переводе на этот вид топлива печных и котельных агрегатов. Однако указанное можно объяснить пока еще несовершенством газогорелочных устройств, методов и режимов сжигания природного газа, и ни в коем случае нельзя делать вывод о том, что неполнота сжигания природного газа в различных технологических и энергетических установках присуща этому виду топлива. В равной степени это относится и к агрегатам цементной промышленности.

Факел горения природного газа находится вблизи устья го-релок. В результате сопло горелок перегревается и часто обгорает. Процесс обжига при этих горелках характеризуется работой печи на ближней зоне и повышенной температурой клинкера, поступающего в холодильник. Необходимо отметить, что, несмотря на завихрение газового потока и подачу первичного воздуха, смешение газа с вторичным воздухом при низких скоростях истечения газа из сопла горелки все же часто недостаточно полное, что проявляется в содержании в отходящих газах некоторого количества продуктов химического недожога природного газа.

Процесс горения природного газа является сложным и комплексным и определяется совместным действием кинетических, тепло-обменных и диффузионных процессов.

Расчет горения природного газа Елшанского месторождения вышеуказанного состава приведен в § 5 гл. В результате пересчета на сжигание природного газа с Коэффициентом избытка воздуха п 1 05 ( принимая к установке в печи инжек-ционные горелки) получим, что для сжигания 1 м3 газа при п 1 05 необходимо 9 79 м3 воздуха.

При горении природного газа развиваются высокие температуры, близкие к температурам горения мазута и необходимые условия плавления стали обеспечиваются при сжигании холодного природного газа с подогретым воздухом. Подогрев же природного газа для дальнейшего повышения температуры горения оказывается нерациональным ( стр.

Значительная температура горения природного газа обеспечивает возможность эффективного использования его для отопления высокотемпературных печей, где сжигание топлива других, низкосортных видов невозможно или связано со значительными трудностями и мало экономично.

Калориметрическая температура горения природного газа с избытком воздуха, соответствующим содержанию в продуктах горения 8 0 % — С02, 6 8 % — Оа и 85 2 % — N2 равна 1540 С ( см. табл. 81, стр.

Поскольку температура горения природного газа выше, чему низкокалорийных газов, следует примять меры против местного перегрева изделий и непосредственного омывания их факелом.

Поскольку температура горения природного газа выше, чем у низкокалорийных газов, следует принять меры против местного перегрева изделий и непосредственного омывания их факелом.

Гомологический ряд метана

Все алканы — вещества, схожие по физическим и химическим свойствам, и отличающиеся на одну или несколько групп –СН₂– друг от друга. Такие вещества называются гомологами, а ряд веществ, являющихся гомологами, называют гомологическим рядом.

Самый первый представитель гомологического ряда алканов – метан CH₄, или Н–СH₂–H.

Продолжить гомологический ряд можно, последовательно добавляя группу –СН₂– в углеводородную цепь алкана.

Название алкана	Формула алкана
Метан	CH₄
Этан	C₂H₆
Пропан	C₃H₈
Бутан	C₄H₁₀
Пентан	C₅H₁₂
Гексан	C₆H₁₄
Гептан	C₇H₁₆
Октан	C₈H₁₈
Нонан	C₉H₂₀
Декан	C₁₀H₂₂

Общая формула гомологического ряда алканов C_nH_2n+2.

Первые четыре члена гомологического ряда алканов – газы, C₅–C₁₇ – жидкости, начиная с C₁₈ – твердые вещества.

Воспламенение газовоздушной смеси может быть осуществлено:

нагревом всего объема газовоздушной смеси до температуры самовоспламенения. Такой способ применяют в двигателях внутреннего сгорания, где газовоздушную смесь нагревают быстрым сжатием до определенного давления;
применением посторонних источников зажигания (запальников и т. д.). В этом случае до температуры воспламенения нагревается не вся газовоздушная смесь, а ее часть. Данный способ применяется при сжигании газов в горелках газовых приборов;
существующим факелом непрерывно в процессе горения.

Для начала реакции горения газообразного топлива следует затратить определенное количество энергии, необходимой для разрыва молекулярных связей и создания новых.

Химическая формула сгорания газового топлива с указанием всего механизма реакции, связанного с возникновением и исчезновением большого количества свободных атомов, радикалов и других активных частиц, сложна. Поэтому для упрощения пользуются уравнениями, выражающими начальное и конечное состояния реакций горения газа.

Если углеводородные газы обозначить С m Н n , то уравнение химической реакции горения этих газов в кислороде примет вид

C m H n + (m + n/4)O 2 = mCO 2 + (n/2)H 2 O ,

где m — количество атомов углерода в углеводородном газе; n — количество атомов водорода в газе; (m + n/4) — количество кислорода, необходимое для полного сгорания газа.

В соответствии с формулой выводятся уравнения горения газов:

метана СН 4 + 2O 2 = СO 2 + 2Н 2 O
этана С 2 Н 6 + 3,5O 2 = 2СO 2 + ЗН 2 O
бутана С 4 Н 10 + 6,5O 2 = 4СO 2 + 5Н 2 0
пропана C 3 H 8 + 5O 3 = ЗСO 2 + 4Н 2 O.

В практических условиях сжигания газа кислород берется не в чистом виде, а входит в состав воздуха. Так как воздух состоит по объему на 79 % из азота и на 21 % из кислорода, то на каждый объем кислорода требуется 100: 21 = 4,76 объема воздуха или 79: 21 = = 3,76 объема азота. Тогда реакцию горения метана в воздухе можно записать следующим образом:

СН 4 + 2O 2 + 2*3,76N 2 = CO 2 + 2H 2 O + 7,52N 2 .

Из уравнения видно, что для сжигания 1 м 3 метана требуется 1 м 3 кислорода и 7,52 м 3 азота или 2 + 7,52 = 9,52 м 3 воздуха.

В результате сгорания 1 м 3 метана получается 1 м 3 диоксида углерода, 2 м 3 водяных паров и 7,52 м 3 азота. В таблице ниже приведены эти данные для наиболее распространенных горючих газов.

Для процесса горения газовоздушной смеси необходимо, чтобы количество газа и воздуха в газовоздушной смеси было в определенных пределах. Эти пределы называются пределами воспламеняемости или пределами взрываемости. Различают нижний и верхний пределы воспламеняемости. Минимальное содержание газа в газовоздушной смеси, выраженное в объемных процентах, при котором происходит воспламенение, называется нижним пределом воспламеняемости. Максимальное содержание газа в газовоздушной смеси, выше которого смесь не воспламеняется без подвода дополнительной теплоты, называется верхним пределом воспламеняемости.

Горение метана

Метан представляет собой газообразное химическое соединение с химической формулой CH4. Это самый простой представитель алканов. Другие названия этой группы органических соединений: предельные, насыщенные или парафиновые углеводороды. Они характеризуются наличием простой связи между атомами углерода в молекуле, а все остальные валентности каждого углеродного атома насыщены атомами водорода

Для алканов наиболее важной реакцией является горение. Они горят с образованием газообразной двуокиси углерода и паров воды

В результате выделяется огромное количество химической энергии, которая превращается в тепловую или электрическую. Метан является горючим веществом и основным компонентом природного газа, что и делает его привлекательным топливом. В основе широкого использования природного ископаемого лежит реакция горения метана. Поскольку он в нормальных условиях является газом, то его трудно транспортировать на далекие расстояния от источника, поэтому часто его предварительно сжижают.

Процесс горения заключается в реакции между метаном и кислородом, то есть в окислении простейшего алкана. В результате образуется двуокись углерода, вода и много энергии. Горение метана может быть описано уравнением: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + 891 кДж. То есть одна молекула метана при взаимодействии с двумя молекулами кислорода образует молекулу двуокиси углерода и две молекулы воды. При этом выделяется тепловая энергия, равная 891 кДж. Природный газ является самым чистым для сжигания ископаемым, так как уголь, нефть и другие виды топлива более сложные по составу. Поэтому при сгорании они выделяют в воздух различные вредные химические вещества. Поскольку природный газ в основном состоит из метана (примерно на 95%), то при его сжигании практически не образуются побочные продукты или их получается намного меньше, чем в случае с другими видами ископаемого топлива.

Теплотворная способность метана (55,7 кДж/г) выше, чем его гомологов, например, этана (51,9 кДж/г), пропана (50,35 кДж/г), бутана (49,50 кДж/г) или других видов топлива (древесина, уголь, керосин). Горение метана дает больше энергии. Для обеспечения в течение года работы лампочки накаливания мощностью 100 Вт необходимо сжечь 260 кг древесины, или 120 кг угля, или 73,3 кг керосина, или всего 58 кг метана, что соответствует 78,8 м³ природного газа.

Простейший алкан является важным ресурсом для получения электроэнергии. Происходит это за счет сжигания его в качестве топлива котла, вырабатывающего пар, который приводит в движение паровую турбину. Также горение метана используется для получения горячих дымовых газов, энергия которых обеспечивает работу газовой турбины (сжигание осуществляется до турбины или в самой турбине). Во многих городах метан подается по трубам в дома для внутреннего отопления и приготовления пищи. По сравнению с другими видами углеводородного топлива сжигание природного газа характеризуется меньшим выделением углекислого газа и большим количеством полученного тепла.

Горение метана используется для достижения высоких температур в печах различных химических производств, например, крупнотоннажных этиленовых установок. Природный газ в смеси с воздухом подается в горелки печей пиролиза. В процессе сгорания образуются дымовые газы с высокой температурой (700—900 °С). Они нагревают трубы (находятся внутри печи), в которые подается смесь сырья с водяным паром (для снижения образования кокса в трубах печей). Под действием высоких температур происходит множество химических реакций, в результате которых получают целевые компоненты (этилен и пропилен) и побочные продукты (смола пиролизная тяжелая, водородная и метановая фракции, этан, пропан, углеводороды С4, С5, пироконденсат; каждый из них имеет свое применение, например, пироконденсат используют для получения бензола или компонентов автомобильного бензина).

Горение метана является сложным физико-химическим явлением на основе экзотермической окислительно-восстановительной реакции, характеризующейся высокой скоростью течения и выделением огромного количества тепла, а также теплообменными и массообмеными процессами. Поэтому расчетное определение температуры горения смеси представляет собой сложную задачу, так как кроме состава горючей смеси сильно влияют ее давление и начальная температура. С их увеличением наблюдается рост температуры горения, а теплообменные и массообменые процессы способствуют ее снижению. Температура горения метана при проектировании процессов и аппаратов химических производств определяется расчетным методом, а на действующих установках (например, в печах пиролиза) ее измеряют с помощью термопар.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Теоретическая температура горения на выходе из топки для котлов, оборудованных различными газовыми горелками, при работе на природном газе составляет 1700 — 1900 С, что примерно на 300 — 600 С выше, чем при слоевом сжигании твердого топлива. Температура продуктов горения за котлом типа ДКВ при сжигании каменных углей по расчету составляет 310 — 320 С, а при сжигании природного газа 250 — 260 С. При испытании котла ДКВ-2, оборудованного вертикальными щелевыми горелками с нагрузкой 2 т / ч, получены температуры за котлом 170 — 175 С. При эксплуатационных испытаниях котлов типа ДКВ и ДКВР, оборудованных различными горелками, зафиксированы температуры продуктов горения за котлом от 230 до 270 С.

Теоретическая температура горения возрастает по мере приближения состава смеси к стехиометрическому и уменьшения содержания инертных компонентов, а также при увеличении начальной температуры смеси и др. При этом увеличивается взрывоопасность смеси; одновременно повышается и нормальная скорость горения. Таким образом, нормальная скорость горения может служить критерием взрывоопасное газовой смеси.

Теоретическая температура горения, подсчитанная с учетом диссоциации в условиях высокой температуры СОаиШО, равна 1950 при сжигании газа в стехиометрическом объеме сухого воздуха и при исходной температуре газа и воздуха — 0 С.

Теоретическая температура горения, подсчитанная с учетом диссоциации в условиях высокой температуры СОа и НаО, равна 1950, а с учетом содержания в воздухе 1 % влаги по весу — 1920 ( см. табл. 81, стр.

Теоретическая температура горения зависит от коэффициента избытка воздуха. При увеличении коэффициента избытка воздуха температура Та снижается.

Теоретическая температура горения возрастает по мере приближения состава смеси к стехиометрическому и уменьшения содержания инертных компонентов, а также при увеличении начальной температуры смеси и др. При этом увеличивается взрывоопасность смеси; одновременно повышается и нормальная скорость горения. Таким образом, величина нормальной скорости горения может служить критерием взрывоопасное газовой смеси.

Теоретическая температура горения, как видно из формулы (2.41), отличается от максимальной температуры только на значение теплоты диссоциации.

Теоретическая температура горения определяет пирометрический уровень в камере. Температура уходящих газов является реальной в выходном сечении камеры. В большинстве случаев она определяет наиболее низкий уровень температур в — камере. Поэтому логично ожидать, что величина эффективной температуры будет находиться между этими Двумя температурами и определять ее как функцию этих температур.

Теоретическая температура горения, как видно из формулы ( Х-3), отличается от жаропроизводительности только на величину теплоты диссоциации. Известно, что при высоких температурах в продуктах горения происходит диссоциация углекислоты и водяных паров.

Теоретическая температура горения ( / т) отличается от ка лориметрической тем, что учитывается понижение температуры за счет диссоциации продуктов горения.

Теоретическая температура горения, полученная при условии полного сгорания топлива в теоретически необходимом для горения объеме воздуха, зависит от состава топлива и его теплоты сгорания. Так как процессы диссоциации практически могут идти при температурах горения свыше 1700 С, то теоретическая температура горения очень близка к калориметрической температуре.

Теоретическая температура горения определяется по значению тепловыделения в топке QR QE 26 732 кДж / кг с помощью 1 — Т табл. 6.6 Та 1707 К.

Страницы: 1 2 3 4 5

1. Реакции замещения

Для метана характерны реакции радикального замещение.

1.1. Галогенирование

Метан реагирует с хлором и бромом на свету или при нагревании.

При хлорировании метана сначала образуется хлорметан:

Хлорметан может взаимодействовать с хлором и дальше с образованием дихлорметана, трихлорметана и тетрахлорметана:

Химическая активность хлора выше, чем активность брома, поэтому хлорирование протекает быстро и неизбирательно.

Бромирование протекает более медленно.

Реакции замещения в алканах протекают по свободнорадикальному механизму.

Свободные радикалы R∙ – это атомы или группы связанных между собой атомов, которые содержат неспаренный электрон.

Первая стадия. Инициирование цепи.

Под действием кванта света или при нагревании молекула галогена разрывается на два радикала:

Свободные радикалы – очень активные частицы, которые стремятся образовать связь с каким-либо другим атомом.

Вторая стадия. Развитие цепи.

Радикал галогена взаимодействует с молекулой алкана и отрывает от него водород.

При этом образуется промежуточная частица – алкильный радикал, который в свою очередь взаимодействует с новой нераспавшейся молекулой хлора:

Третья стадия. Обрыв цепи.

При протекании цепного процесса рано или поздно радикалы сталкиваются с радикалами, образуя молекулы, радикальный процесс обрывается.

Могут столкнуться как одинаковые, так и разные радикалы, в том числе два метильных радикала:

1.2. Нитрование метана

Метан взаимодействует с разбавленной азотной кислотой по радикальному механизму, при нагревании до 140 о С и под давлением. Атом водорода в метане замещается на нитрогруппу NO₂.

Количество объемов инертного газа на 1 объем горючего газа, при котором газовоздушная смесь перестает быть взрывоопасной

Наименьшее количество воздуха, необходимое для полного сжигания газа, называется теоретическим расходом воздуха и обозначается Lt, то есть если низшая теплота сгорания газового топлива 33520 кДж/м
3 , то теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 м
3 газа

L T
= (33 520/4190)/1,1 = 8,8 м 3 .

Однако действительный расход воздуха всегда превышает теоретический. Объясняется это тем, что очень трудно достигнуть полного сгорания газа при теоретических расходах воздуха. Поэтому любая газовая установка для сжигания газа работает с некоторым избытком воздуха.

Итак, практический расход воздуха

L n = αL T
,

где L n
— практический расход воздуха; α
— коэффициент избытка воздуха; L T
— теоретический расход воздуха.

Коэффициент избытка воздуха всегда больше единицы. Для природного газа он составляет α
= 1,05 — 1,2. Коэффициент α
показывает, во сколько раз действительный расход воздуха превышает теоретический, принимаемый за единицу. Если α
= 1, то газовоздушная смесь называется стехиометрической
.

При α
= 1,2 сжигание газа производится с избытком воздуха на 20 %. Как правило, сжигание газов должно проходить с минимальным значением а, так как с уменьшением избытка воздуха снижаются потери теплоты с уходящими газами. Воздух, принимающий участие в горении, бывает первичным и вторичным. Первичным
называется воздух, поступающий в горелку для смешения в ней с газом; вторичным
— воздух, поступающий в зону горения не в смеси с газом, а отдельно.

Горение природного газа представляет собой сложный физико-химический процесс взаимодействия горючих его составляющих с окислителем, при этом происходит преобразование химической энергии топлива в тепло. Горение бывает полным и неполным. При перемешивании газа с воздухом, достаточно высокой для горения температуры в топке, непрерывной подаче топлива и воздуха осуществляется полное сгорание топлива. Неполное сгорание топлива происходит при несоблюдении этих правил, что приводит к меньшему выделению тепла, (СО), водорода (Н2), метана (СН4), и как следствие, к оседанию сажи на поверхностях нагрева, ухудшая теплообмен и увеличивая потери количества тепла, что в свою очередь приводит к перерасходу топлива и снижению КПД котла и соответственно к загрязнению атмосферы.

Коэффициент избытка воздуха зависит от конструкции газовой горелки и топки. Коэффициент излишка воздуха должен быть не менее 1, иначе это может привести к неполному сгоранию газа. А также увеличение коэффициента избытка воздуха снижает КПД теплоиспользующей установки за счет больших потерь теплоты с уходящими газами.

Определяется полнота сгорания с помощью газоанализатора и по цвету и запаху.

Полное сгорание газа. метан + кислород = углекислый газ + вода СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2ОКроме этих газов в атмесферу с горючими газами выходит азот и оставшийся кислород. N2 + O2 Если сгорание газа происходит не полностью, то в атмосферу выбрасываются горючие вещества – угарный газ, водород, сажа.CO + H + C

Неполное сгорание газа происходит вследствие недостаточного количества воздуха. При этом визуально в пламени появляются языки копоти.Опасность неполного сгорания газа состоит в том, что угарный газ может стать причиной отравления персонала котельной. Содержание СО в воздухе 0,01-0,02% может вызвать легкое отравление. Более высокая концентрация может привести к тяжелому отравлению и смерти.Образующаяся сажа оседает на стенках котлов ухудшая тем самым передачу тепла теплоносителю снижает эффективность работы котельной. Сажа проводит тепло хуже метана в 200 раз.Теоретически для сжигания 1м3 газа необходимо 9м3 воздуха. В реальных условиях воздуха требуется больше. То есть необходимо избыточное количество воздуха. Эта величина обозначаемая альфа показывает во сколько раз воздуха расходуется больше, чем необходимо теоретически.Коэффициент альфа зависит от типа конкретной горелки и обычно прописывается в паспорте горелки или в соответствие с рекомендациями организации производимой пусконаладочные работы. С увеличением количества избыточного воздуха выше рекомендуемого, растут потери тепла. При значительном увеличение количества воздуха может произойти отрыв пламени, создав аварийную ситуацию. Если количество воздуха меньше рекомендуемого то горение будет неполным, создавая тем самым угрозу отравления персонала котельной.Неполное горение определяется: ,

Рациональное сжигание газа и защита воздушного бассейна

Защита воздушного бассейна от загрязнений – одна из важнейших проблем современности. Промышленность и транспорт приводят к загрязнению атмосферы газом, дымом, диоксидом углерода, парами хлора, пылью металлургических и других промышленных предприятий. Выхлопные газы автомобилей выделяют в атмосферу свинец и оксид углерода. Так, в одном литре этилированного бензина содержится 200–500 мг свинца.

Перевод в крупных городах автомобилей на сжиженный газ во многом способствует очищению воздушного бассейна.

Другой источник загрязнения воздушного бассейна – все возрастающие темпы потребления различного топлива. С ростом его потребления увеличивается количество выбрасываемых в атмосферу токсичных и канцерогенных веществ. Известно, что при сжигании топлива образуются вредные для здоровья человека вещества: сажа, зола, оксид углерода, оксиды азота и др.

Токсичным веществом является оксид азота NO, один из наиболее опасных загрязнителей воздушного бассейна. Оксид азота образуется в пламени, в зоне высоких температур, путем соединения азота с кислородом. При температурах 1500–1800 °С наблюдается наибольшая концентрация NO. Выбрасываемые в атмосферу горячие газы охлаждаются, и оксид азота превращается в диоксид азота NO₂. Они, попадая в организм человека, поглощаются кровью и оказывают вредное действие на органы дыхания. В нашей стране установлены предельно допустимые нормы концентрации оксидов азота в атмосфере населенных пунктов (0,085 мг/м3). Продукты сгорания должны удаляться через дымовые трубы.

При сжигании твердого и жидкого топлива могут образоваться канцерогенные вещества, которые способствуют возникновению раковых заболеваний. Особенно опасна тонкая пыль, адсорбирующая химические вещества воздуха и переносящая их в легкие человека.

Сажа, образующаяся в процессе горения и несущая мельчайшие частицы угля, может быть носителем ароматических веществ, вызывающих различные тяжелые заболевания. В связи с этим перед человечеством стоит важнейшая проблема борьбы с загрязнением воздушного бассейна.

Одно из наиболее эффективных средств борьбы – замена твердого и жидкого топлива природным газом. С каждым годом тысячи промышленных и коммунальных предприятий переводят на газовое топливо.

С целью сокращения выбросов вредных веществ в окружающую среду и улучшения очистки отходящих газов от вредных примесей повсеместно совершенствуют технологические процессы и транспортные средства, увеличивают выпуск высокоэффективных газопылеулавливающих аппаратов, водоочистного оборудования, а также приборов и автоматических станций контроля состояния окружающей среды.

Охрана окружающей среды должна стать одной из важнейших задач любого предприятия. Отечественная и зарубежная практика охраны окружающей среды показывает, что основным направлением этой деятельности является не только контроль, но и предотвращение нанесения вреда и загрязнения природы в процессе производственной деятельности.

В должностную инструкцию ответственного за газовое хозяйство предприятия (или другого ответственного лица) должны включаться материалы по природоохранительной деятельности, в том числе:

мониторинг и регулирование выбросов продуктов сгорания газа;
соблюдение установленных нормативов воздействия на окружающую среду, лимитов использования газа, нормативов качества окружающей среды в зоне влияния предприятия;
повышение эффективности использования газового топлива;
предупреждение экологических аварий и аварийных ситуаций;
экологическая информация и профессиональное обучение персонала.

Эти и другие мероприятия должны отражаться в отчете предприятия об охране атмосферного воздуха (форма № 2-ти воздух).