Взаимозаменяемость газов. Число Воббе

В практике, в качестве характеристики природных газов, широко используется число Воббе. Это число было введено для определения условий, при которых тепловая мощность газогорелочных устройств остается неизменной при замене одного газа другим.

Рассмотрим формулу для расчета расхода газа через сопло газогорелочного устройства:

, где m - коэффициент расхода (зависит от состава газа и конструкции газового сопла); F – площадь выходного отверстия; Р ₁ и Р ₂ – соответственно давление газа перед соплом и на выходе из него; r - плотность газа.

Предположим, что газ выходит из газового сопла в атмосферу. Тогда Р ₁ - Р ₂ = Р_{изб .} – является избыточным давлением газа.

Для соблюдения постоянства тепловой мощности газогорелочного устройства при замене топлива необходимо обеспечить равенство произведений следующих двух параметров:

; где Р_р – тепловая мощность при рабочих условиях; - соответственно низшая теплота сгорания и расход газа при рабочих условиях.

. ,получим: .

Из этого выражения видно, что в случае равенства давлений газа перед соплом, условием взаимозаменяемости газов по тепловой мощности является следующее отношение:

.

Анализируя последнее выражение, следует отметить, что число Воббе не учитывает зависимость коэффициента расхода от состава газа. Иными словами число Воббе характеризует тепловую мощность газогорелочного устройства при постоянном давлении:

.

Число Воббе может быть низшим () или высшим ().

При равенстве чисел Воббе имеют место следующие соотношения:

Для низшего числа Воббе:

.Аналогично для высшего числа Воббе:

где соответственно низшее и высшее числа Воббе;

и соответственно низшая теплота сгорания одного газа и другого;

S ₁ и S ₂ – соответственно относительные (по воздуху) плотности одного газа и другого.

В отдельных случаях, когда не удается получить одинаковые числа Воббе, можно достигнуть взаимозаменяемости газов, изменив давление газа перед газогорелочным устройством. Для этого случая имеется формула для расчета расширенного числа Воббе:

Для низшего числа Воббе: .

Для высшего числа Воббе: ,

где Р ₁ и Р ₂ – соответственно давление газа перед соплом газовой горелки заменяемого газа и заменяющего.

Следует отметить, что при переводе газовой аппаратуры с одного газа на другой используют низшее число Воббе, а при общем рассмотрении взаимозаменяемости газов – высшее число.

Необходимо учесть также, что при определении взаимозаменяемости газов необходимо сохранить не только тепловую мощность, но также следует обеспечить необходимый подсос первичного воздуха и устойчивость горения (горение без проскока пламени и отрыва), а также избежать увеличения выхода вредных веществ при горении. Кроме того, важным фактором является также условие равенства скоростей распространения пламени.Исходя из приведенных соображений, постоянство числа Воббе является необходимым, но недостаточным условием для взаимозаменяемости газов.

Горение газов

Горение – это химическая реакция окисления горючего с кислородом, протекающая сравнительно быстро во времени с выделением большого количества теплоты.

Общее уравнение горения любого углеводородного газа с кислородом имеет следующий вид:

,

где m и n – соответственно количество атомов углерода и водорода в молекуле газа; Q – тепловой эффект реакции окисления.

H₂ + 0,5O₂ = H₂O CO + 0,5O₂ = CO₂ H₂S + 1,5O₂ = SO₂ +H₂O

Если мы примем объем воздуха за 100%, то содержание кислорода составит 21%, а азота 79%. Следовательно, на 1 м ³ кислорода воздуха приходиться 79/21 = 3.76 м ³ азота, или 1 м ³ кислорода содержится в 100/21 = 4.76 м ³ воздуха.

Тогда общее уравнение горения углеводородов с воздухом:

.

В практике сжигания газа в реальных условиях приходится подавать в зону несколько больше окислителя, чем это следует из стехиометрических уравнений. Это связано, главным образом с несовершенством качества перемешивания горючего газа и окислителя.

Отношение действительного расхода окислителя (кислорода или воздуха) к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха и обозначается α, т.е.:

,где V_д – действительный расход воздуха; V_т – теоретически необходимое количество воздуха.

В практических расчетах иногда нам не известен химический состав газов, а известна лишь теплота сгорания. Теоретически необходимое количество воздуха, необходимое для полного сжигания 1 м ³ газа определяется по формуле:

, где Q_н – низшая теплота сгорания газа, кДж / м ³.

Согласно теории Семёнова механизма кинетики реакции горения газов в пламени газовоздушной смеси протекают цепные реакции горения газов.

Для начала процесса горения необходимо активизировать горючую смесь - создать такие условия, при которых реагенты будут обладать большим запасом энергии. Этот запас энергии необходим для реализации процесса горения. Указанный выше запас энергии может быть создан подогревом газовоздушной смеси до температуры ее воспламенения. Эта энергия, называемая энергией активации, необходима главным образом для того, чтобы разрушить имеющиеся межмолекулярные связи в реагентах.

В процессе горения происходит непрерывное образование новых связей наряду с разрушением старых. При образовании новых связей - значительное выделение энергии, разрыв старых связей - затраты энергии. Благодаря тому, что в процессе горения энергия, которая выделяется при образовании новых связей, имеет большое значение, по сравнению с энергией, затраченной на разрыв старых связей, суммарный тепловой эффект остается положительным.

Механизм горения окиси углерода с кислородом. Окись углерода не вступает в реакцию с сухим кислородом. Ими было установлено также, что добавление в смесь небольшого количества водорода или влаги приводит к началу реакции окисления.

Рассмотрим механизм окисления углеводородов на примере – метана. Механизм окисления метана проходит четыре стадии:

На первой стадии: H + O₂ ® OH + O;

CH₄ + OH ® CH₃ + H₂O;

CH₄ + O ® CH₂ + H₂O.

На второй стадии: CH₃ + O₂ ® HCHO + OH;

CH₂ + O₂ ® HCHO + O;

На третьей стадии: HCHO + OH ® HCO + H₂O

HCHO + O ®СО + H₂O;

HCO+ O₂ ® CO + O + OH

На четвертой стадии: CO + O ® CO₂

CO + OH ® CO₂+H.

Поиск по сайту: