Горение природных и попутных газов
Процессы окисления углеводородов, составляющих органическую часть горение природных и попутных газов, являются наиболее сложными. До сего времени отсутствуют четкие представления о кинетическом механизме протекания реакций, хотя можно с уверенностью сказать, что горение имеет цепной характер при наличии периода индукции и протекает с образованием многочисленных промежуточных продуктов частичного окисления и разложения.
Хотя начальные и конечные продукты реакции горения газообразны, в промежуточных продуктах помимо газообразных составляющих может быть элементарный углерод в виде мельчайшей сажистой взвеси в факеле.
Реакции окисления углеводородов начинаются при более низких температурах, чем окисление СО и Н2. В присутствии катализаторов эти реакции наблюдаются начиная с температур порядка 100° С, после чего наступает пламенное горение природных и попутных газов. Так как реакции горения углеводородов имеют цепной характер и протекают со сравнительно большим индукционным периодом, процесс горения сопровождается в той или иной степени термическим распадом исходных молекул. Этот распад происходит из-за тепловой неустойчивости углеводородов, выражающейся в том, что при нагревании в зависимости от температуры, длительности ее воздействия и ряда других факторов они претерпевают изменение химической структуры, начиная от простого расщепления до перегруппировки атомов в углеводородные соединения другого гомологического ряда. Эти новые углеводороды являются также теплонеустойчивыми, так что конечными продуктами такого процесса, если он достаточно длителен, все же являются углерод и водород. Из всех углеводородов наиболее устойчивым является метан, теплоустойчивость других уменьшается с увеличением молекулярного веса.
При обычных температурах в топках (1000-1500° С) углеводороды, включая метан, даже в очень малые промежутки времени в результате термического разложения дают заметные количества элементарного углерода. В результате появления в факеле элементарного углерода процесс горения в известней степени приобретает элементы гетерогенного, т. е. протекающего на поверхности твердых частиц. Наличие катализаторов (окислов железа, никеля) значительно ускоряет процесс разложения метана и других углеводородов.
Таким образом, в топке или рабочем пространстве печи между моментом ввода газа и воздуха и получением конечных продуктов горения в результате наложения процесса термического распада углеводородов и цепной реакции окисления наблюдается весьма сложная картина, характеризующаяся наличием как продуктов окисления С02 и Н20, так и СО, Н2, элементарного углерода и продуктов неполного окисления (из последних особо важное значение имеет формальдегид). Соотношение между указанными компонентами будет зависеть от условий и длительности нагревания газа, предшествующего реакциям окисления. Если в самом начале процесса нагревания при наличии первичного воздуха в газовоздушной смеси образуется формальдегид, то выделение сажистого углерода в дальнейшем процессе замедляется.
При вводе в топку хорошо подготовленной смеси газа с необходимым количеством воздуха, т. е. организации кинетического горения, и очень быстром подогреве этой смеси до температуры, превышающей температуру самовоспламенения, реакции окисления протекают настолько быстро, что термический распад углеводородов практически не происходит, а элементарный углерод в факеле будет отсутствовать. Такие условия горения приведут к тому, что факел горящей смеси будет прозрачным, малосветящимся. Быстрый прогрев смеси и создание многочисленных источников воспламенения осуществляются за счет дробления потока и направления его через раскаленную насадку или на раскаленную поверхность, наброску н т. и. Тепловые напряжения объема сгорания в этом случае могут достичь огромных величин - десятков и даже сотен Мвт/м3.
Особые условия горения природных и попутных газов создаются в том случае, когда газ и воздух подаются в топку раздельно и процессу горения предшествует не только нагревание смеси и индукционный период, но и смесеобразование. При достаточно больших диаметрах газовых струй и истечении газа с умеренными скоростями процесс смесеобразования требует значительно большего времени, чем процесс нагревания.
Количество выделившегося углерода и степень светимости факела в прочих равных условиях будут тем больше, чем выше' углеродное число природного газа, т. е. чем больше в нем углеводородов тяжелее метана. Как указано ранее, тепловое напряжение топочного объема в этом случае значительно ниже, а коэффициент избытка воздуха выше, чем для кинетического горения.
Условия горения углеводородов (в качественном отношении) частично иллюстрируются рис. V-18.
Общая продолжительность пребывания исходных углеводородов в топке при кинетическом горении τ’ слагается из продолжительности прогрева смеси до температуры самовоспламенения тн и продолжительности собственно реакции Δτ. Так как общая продолжительность т' мала, то количество выделяющегося углерода будет исчезающе мало, вследствие того, что оно экспоненциально зависит от времени.
В случае диффузионного горения общая продолжительность процесса τ" слагается из продолжительности диффузионного перемешивания газа с воздухом тд, сопровождающегося интенсивным нагреванием компонентов, и времени течения реакции. Так как отрезок тд значительно больше тн, то количество выделяющегося углерода С" будет во много раз больше, чем С' при кинетическом горении. Это определяет возникновение сажистого факела.
Рис. V-18. Выделение сажистого углерода в зависимости от организации сжигания природного газа.
Частичное предварительное смешение газа с воздухом приводит к двум характерным случаям: горение природных и попутных газов хорошо перемешанного газа с частью (50-60%) необходимого воздуха и горение природных и попутных газов плохо перемешанного газа со всем необходимым воздухом.
В первом случае воздуха в смеси оказывается достаточно для предварительного окисления углеводородов до альдегидов сжигания природного газа, дров с последующим сгоранием их за счет подмешивания вторичного воздуха. Как было указано выше, такой процесс протекает обычно без заметного выделения сажистого углерода, но пламя приобретает ту или иную окраску, оставаясь относительно прозрачным.
Во втором случае процесс смешения без участия вторичного воздуха, сопровождающийся одновременным нагреванием смеси, закапчивается в пределах топки. Такое сгорание в общих чертах подобно диффузионному, но с сокращением периода диффузионного перемешивания и меньшим выделением сажистого углерода.
Размеры сажистых частиц, выделяющихся при диффузионном сжигании газа, по данным ряда исследователей очень малы (0,02-0,30 мкм). Число частиц в 1 см3 пламени измеряется десятками миллионов и выше. Общая поверхность частиц составляет примерно 65 м2 на 1 м3 пламени. В присутствии водорода сажистые частицы могут образовывать нити длиной в десятки и сотни мкм. На размер выделяющихся частиц также влияет температура процесса.
В промышленных установках, работающих на газовом топливе, большое значение имеет теплообмен за счет излучения горящего факела. В топках котлоагрегатов и промышленных печах на долю радиации приходится более 90% передаваемого тепла. Теплообмен за счет конвекции в ряде случаев обычно даже не учитывается. Поэтому весьма важно установить радиационные характеристики факела горящего газа в зависимости от организации процесса сгорания.
Теплообмен излучением в промышленных установках является результатом очень сложных явлений, протекающих одновременно, а именно: излучения высокотемпературного факела горящего газа и раскаленных поверхностей футеровки, поглощения и вторичного излучения продуктов сгорания и элементов, воспринимающих тепло. Совокупность этих явлений делает задачу расчета радиационного теплообмена в топках котлов и печей чрезвычайно сложной.
Нужно отметить, что даже теплообменные характеристики самого факела вне связи его с другими элементами топки или пламенного пространства печи изучены еще совершенно недостаточно. В этой области можно встретить много ненроверенных и противоречивых данных.
Приводимые ниже краткие сведения об особенностях излучения газовых факелов не преследуют цели вооружить читателей методами расчета теплообмена в топках котлов и печей, а лишь помогут правильно понять и оценить те факторы, которые определяют радиационные характеристики факела.
Излучению в топках котлов и промышленных печах посвящено много работ, к которым и отсылаются читатели, желающие подробно ознакомиться с этими вопросами. В течение последних лет радиационные характеристики газовых факелов изучались главным образом в Институте газа АН УССР Н. А. Захариковым, О. Л. Мазаевой и в Институте металлургической теплотехники (ВНИИМТ) А. В. Кавадеровым, А. В. Арсеевым и другими. Кроме того, вопросы излучения газового факела рассматривались многими зарубежными учеными.
Как известно, собственное излучение любого тела определяется законом Стефана-Больцмапа:
где Е - поверхостная плотность излучения, т.е. количество тепла, излучаемого 1м2 поверхности тела, вт/м2;
α – степень черпоты тела;
σ0 – постоянная излучения, равная 5668∙10-8 вт/м2∙° К4);
Т – абсолютная температура излучающего тела, ° К.
Таким образом, решающее влияние на величину радиации оказывают температура излучателя и степень его черноты.
Рассмотрим факторы, влияющие на эти важнейшие характеристики факела горящего газа. Степень черноты зависит от наличия трехатомных газов и сажистых частиц в факеле. При несветящемся пламени, лишенном сажистого углерода, излучение газового факела определяется излучением трехатомных газов, т. е. зависит от парциального давления СО2 и Н2О и толщины излучающего слоя. Определить степень черноты такого пламени с достаточной степенью точности можно общепринятыми методами. При сжигании газов значительное влияние на общую степень черноты тонки оказывают раскаленные поверхности стенок топки и вторичных излучателей.
Диффузионное сжигание природных газов в светящемся непрозрачном факеле кроме излучения трехатомных газов характеризуется излучением частиц сажистого углерода. Степень их черноты зависит от размера и колеблется в очень больших пределах. Частицы размером более 20 мкм имеют степень черноты, близкую к единице, тогда как у частиц малого размера степень черноты очень незначительна. Например, при d = 0,4 мкм степень черноты имеет величину порядка 0,1, при меньших размерах частиц - еще меньше. Уменьшение степени черноты очень малых частиц е размерами, измеряемыми долями микрона, объясняется тем, что эти частицы оказываются меньше длин волн, на долю которых падает большая часть энергии излучения.
Если рассматривать не отдельные частицы, а всю их совокупность, то оказывается, что наибольшую степень черноты будет иметь факел, содержащий частицы с размерами от 0,4 до 4,0 мкм, из-за большего их числа в единице объема.
Излучение факела, содержащего углеродные частицы, как и излучение газов, имеет избирательный характер. Кроме того, с уменьшением температуры факела резко снижается степень его черноты. Это объясняется тем, что при снижении температуры максимум энергии излучения перемещается в сторону более длинных волн (закон смещения Вина) и углеродные частицы, мало «прозрачные» для коротких волн, оказываются более «прозрачными» для длинных волн, несущих максимум энергии излучения.
Огромное значение имеет температура газового факела. При прочих равных условиях она будет зависеть от коэффициента избытка воздуха и его температуры при поступлении в горелку.
В случае сжигания газов с низкой теплотой сгорания (доменного, генераторного) на температуру горения Тф большое влияние оказывает также температура газа и теплота его сгорания.
Важным фактором, влияющим на излучение, является характер распределения температур в пределах факела или пространстве сгорания. Для одной и той же температуры продуктов сгорания, покидающих топку или печь, распределение температур может быть совершенно различным. Наибольшая радиация будет в том случае, когда высокотемпературное ядро не изолировано от тепловоспринимающих поверхностей слоем менее нагретого газа, поглощающего излучение. Во многих случаях характер распределения температур и наличие менее нагретых потоков газа оказывают на теплообмен более значительное влияние, чем степень черноты факела. Указанные особенности излучения факела горящего газа приводят к тому, что величина радиации определяется не только характером горения и средним температурным уровнем, но также особенностями распределения температур и геометрическими характеристиками факела.
В литературе иногда можно встретить утверждение, что при одинаковых тепловых нагрузках и коэффициентах избытка воздуха теплоотдача несветящегося факела выше, чем сажистого, светящегося. Не отрицая такой возможности из-за указанных выше причин, нужно заметить, что опыт работы на газе высокотемпературных печей и паровых котлов, как правило, этого не подтверждает. Так как решающее влияние на величину излучения имеет эффективная температура факела, в отдельных случаях возможно снижение лучистого теплообмена сажистого факела за счет того, что диффузионное сгорание, обусловливающее появление сажистых частиц, протекает обычно с несколько большими коэффициентами избытка воздуха и, следовательно, при более низкой теоретической температуре горения. Из уравнения (V-66) следует, что эффект от увеличения степени черноты излучателя даже в 1,5-2,0 раза будет сведен к нулю при снижении абсолютной температуры в 1,10-1,18 раза.
Сравнительные испытания котлов, работающих с диффузионным и кинетическим сжиганием газа, нередко свидетельствовали о более интенсивной теплоотдаче в топке при диффузионном процессе, однако это имеет место лишь при равенстве коэффициентов избытка воздуха как при кинетическом, так и диффузионном сжигании природного газа. В случае сжигания генераторного или доменного газа, не дающих сажистого факела, все преимущества, очевидно, будут на стороне кинетического сжигания.
Наглядно более высокая интенсивность излучения пламенного факела проявляется при газовом отоплении мартеновских печей, где осуществление сгорания в несветящемся прозрачном факеле резко снижает теплоотдачу ванне, увеличивает срок плавки и приводит к повышению температуры свода и головок регенераторов. Существующие методы расчета лучистого теплообмена не отражают особенностей температурных полей в факеле, а потому не могут дать надежных результатов.
Нормативный метод расчета котельных агрегатов дает некоторые указания относительно определения эффективной степени черноты факела как для несветящегося, так и светящегося сажистого пламени. Следует заметить, что приравнивание светимости газового пламени к мазутному не обосновано. Обычно светимость последнего заметно выше.