Свойства и характеристики горючих газов

Температура горения газа в газовой плите: режимы и виды топлива

Дата: 3 октября 2019

Просмотров: 561

Коментариев: 0

Голубое топливо является серьезной альтернативой электрической энергии и широко применяется в бытовых целях. Это один из наиболее распространенных энергоресурсов, который используется для приготовления пищи на газовых плитах, а также для нагрева воды в котлах и газовых колонках. Кроме того, газ является топливом для отопительных котлов, поддерживающих в помещениях требуемую температуру.

В процессе сгорания газа выделяется определенное количество тепловой энергии, характеризующее эффективность сжигания топлива. От качества газа зависит коэффициент полезного действия используемого газового оборудования, а также расход топлива.

Важным техническим параметром газа является температура пламени на различных режимах, которая зависит от вида используемого топлива. Для тех, кто использует газовые плиты и отопительные котлы важно понимать, как определяется температура пламени. Детально рассмотрим этот вопрос.

Режимы горения и температура газового пламени

Воспламенение газовой смеси происходит при температуре 650-720 градусов. Данный температурный режим определяется составом газа и его качеством. Стабильное горение обеспечивает температуру пламени порядка 850 градусов. Данная температура позволяет готовить пищу на газовой плите и подогревать воду с помощью газового водонагревателя. Такой же температурный режим и в газовых котлах, предназначенных для обогрева домов и квартир.

Вместе с тем, в разных участках пламени различная температура. Наиболее высокий нагрев способна обеспечить верхняя часть пламени. Здесь температура может достигнуть полторы тысячи градусов. Это максимальный показатель для кухонной плиты. В промышленных условиях на специальном оборудовании можно достигнуть более высокой температуры сгорания, достигающей 2000 градусов.

Температура сгорания определяется качеством газовой смеси и объемом подаваемого к горелке газа. Вращая ручку плиты или регулятор котла, мы изменяем количество топлива, поступающего в горелку и, соответственно, повышаем или снижаем его теплоотдачу.

Регуляторы позволяют изменять расстояние между газовым пламенем и дном сковородки или кастрюли. Это важный момент, так как контакт огня с холодной посудой чреват неполным сгоранием газа и выделением вредных веществ. Именно поэтому, устанавливая на плиту холодный чайник, важно отрегулировать высоту пламени так, чтобы оно слегка касалось дна посуды.

Как влияет вид топлива на температуру

Для бытовых целей применяют сжиженный и природный газ. Оба вида топлива одорируют этилмеркаптаном, чтобы можно было почувствовать утечки газа при неисправности оборудования или открытии крана. Основу природного газа составляет метан, количество которого составляет 98%, остальное – примеси углекислого газа, азота и серы. Сжиженный газ, поставляемый в баллонах, используют в частном секторе, где отсутствуют магистральные газопроводы. Сжиженное топливо состоит из 65% пропана и 35% бутана.

Теплоэффективность баллонного газа хуже, по сравнению с природным, ведь температура пламени составляет не более тысячи градусов. Для каждого вида газа используют свои газовые приборы. При подборе оборудования следует учитывать вид газа. Для компенсации разницы температур и перевода газовых плит на баллонное топливо устанавливают специальные редукторы и жиклеры.

Как определить температуру газового пламени

Большинство современных газовых приборов оборудовано индикатором температуры с встроенным датчиком или специальным термометром. Температурное значение выводится на экран или определяется по положению стрелки. Во многих плитах установлен термостат, позволяющий поддерживать внутри духовки заданную температуру, а также терморегулятор, управляющий конфоркой.

Вместе с тем домашние плиты старой конструкции не имеют датчика, определяющего температуру пламени в конфорках. Это доставляет ряд неудобств во время приготовления сложных блюд, когда важно точно соблюдать терморежим.

Вместе с тем, имеются народные способы, позволяющие определить температуру горения. Зная температуру кипения ряда жидкостей, можно косвенно определить уровень теплоотдачи. Так, кипение воды происходит при 100 градусах, а соевое и кукурузное масло кипит при температуре 150 градусов. Температура кипения для подсолнечного и оливкового масла выше и составляет 200 и 250 градусов.

Для контроля температуры в разогретой духовке можно использовать листик бумаги, положенный поблизости от посуды. При максимальной температуре, равной 300 градусов, обугливание краев бумаги начнется через несколько секунд. Если температура в духовке составляет 200-220 градусов, для обугливания потребуется минута. Если духовка не нагрелась до 160 градусов, с бумагой ничего не произойдет.

На сайте: Автор и редактор статей на сайте pobetony.ru
Образование и опыт работы: Высшее техническое образование. Опыт работы на различных производствах и стройках – 12 лет, из них 8 лет – за рубежом.
Другие умения и навыки: Имеет 4-ю группу допуска по электробезопасности. Выполнение расчетов с использованием больших массивов данных.
Текущая занятость: Последние 4 года выступает в роли независимого консультанта в ряде строительных компаний.

Температура горения

В теплотехнике различаются следующие температуры горения газов: жаропроизводительность, калориметрическую, теоретическую и действительную (расчетную). Жаропроизводительность tx — максимальная температура продуктов полного сгорания газа в адиабатических условиях с коэффициентом избытка воздуха а = 1,0 и при температуре газа и воздуха, равной 0°C:

t_x = Q_h /(IV_cv) (8.11)

где Q_H — низшая теплота сгорания газа, кДж/м³; IV_cp — сумма произведений объемов диоксида углерода, водяного пара и азота, образовавшихся при сгорании 1 м3 газа (м³/м³), и их средних объемных теплоемкостей при постоянном давлении в пределах температур от 0°С до tx (кДж/(м³*°С).

В силу непостоянства теплоемкости газов жаропроизводительность определяется методом последовательных приближений. В качестве начального параметра берется ее значение для природного газа (=2000°С), при а = 1,0 определяются объемы компонентов продуктов сгорания, по табл. 8.3 находится их средняя теплоемкость и затем по формуле (8.11) считается жаропроизводительность газа. Если в результате подсчета она окажется ниже или выше принятой, то задается другая температура и расчет повторяется. Жаропроизводительность распространенных простых и сложных газов при их горении в сухом воздухе приведена в табл. 8.5. При сжигании газа в атмосферном воздухе, содержащем около 1 вес. % влаги, жаропроизводительность снижается на 25-30°С.

Калориметрическая температура горения tK — температура, определяемая без учета диссоциации водяных паров и диоксида углерода, но с учетом фактической начальной температуры газа и воздуха. Она отличается от жаропроизводительности tx тем, что температура газа и воздуха, а также коэффициент избытка воздуха а принимаются по их действительным значениям. Определить tK можно по формуле:

t_к = (Qн + q_физ)/(ΣV_cp) (8. 12)

где q_физ — теплосодержание (физическая теплота) газа и воздуха, отсчитываемое от 0°С, кДж/м³.

Природные и сжиженные углеводородные газы перед сжиганием обычно не нагревают, и их объем по сравнению с объемом воздуха, идущего на горение, невелик.

Таблица 8.3. Средняя объемная теплоемкость газов, кДж/(м³•°С)

Температура горения газа

Категория:

   Газобалонное оборудование

Публикация:

   Температура горения газа

Читать далее:

Температура горения газа

Температура горения газового топлива в двигателях автомобиля может быть разной, что зависит от следующих факторов: теплоты сгорания топлива, количества продуктов сгорания, их теплоемкости, начальных температур газа и воздуха и самое главное от коэффициента избытка воздуха а. Если подаваемое количество воздуха выше определенного значения, то много теплоты будет расходоваться на нагревание азота (основного компонента воздуха) и избыточного кислорода. При этом температура снижается, скорость горения уменьшается и, как следствие, возникает перерасход газового топлива. Для бензинового двигателя оптимальный по экономичности коэффициент избытка воздуха а0Пт равен 1,1, для газового 1,3.

Более низкий КПД газового двигателя объясняется повышенными вентиляционными потерями и меньшей мощностью двигателя. Максимальная температура горения метана (жаропроизводительность), получаемая при полном сгорании газа без избытка воздуха (жаропроизводительность), равна 2000 °С. Избыток воздуха резко сказывается на температуре горения газового топлива в двигателе автомобиля. Так, если действительная температура горения природного газа при коэффициенте избытка воздуха а =1,1 составляет 1868 °С, то при а =1,2 она снижается До 1749 °С.

В газовом двигателе с искровым зажиганием цилиндр заполняется свежим зарядом газовоздушной горючей смеси, которая смешивается с продуктами сгорания, оставшимися в цилиндре от предыдущего цикла, и образует рабочую смесь. Температура смеси в конце такта впуска равна 90—125 °С, газовоздушная смесь подогревается от стенок цилиндра, что ведет к повышению температуры горения газа. Так, при сжигании природного газа ( t = 2000 °С) с воздухом, нагретым до 200 °С, температура горения достигает 2128 °С.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Рекламные предложения:

Читать далее: Условия воспламенения газа

Категория: —
Газобалонное оборудование

Главная → Справочник → Статьи → Форум

Температура горения газа — Справочник химика 21

    Температура горения газов [c.317]

    При проверке теплонапряженности печи температура горения газа определяется методом подбора. Допустим, что она лежит в пределах 1200—1500 °С. Из табл. 11.5 находим теплоемкости отходящих газов Ср = 1590 Дж/(м -К) и воздуха Св = = 1467 Дж/(м -К). Тогда по формуле (11.26) р р = 0,8-3,57 X X 10 /[11,2-1590 + (1,07 — 1) 10-1467)] = 1516 °С, что вполне допустимо.  [c.322]

    При проверке теплонапряженности печи температуру горения газа определим по (П.26) [c.330]

    Теплота сгорания газов не является характеристикой, по которой можно подобрать оптимальный вид топлива. Иногда бывает, что при работе иа газах с невысокой теплотой сгорания, например, па природном газе, проще и экономичнее поддерживать более высокие температуры в печах, чем при работе на газе с более высокой теплотой сгорания. Максимальная температура горения газа, как видно из формулы, зависит не только от его теплоты сгорания, но н от количества образующихся топочных газов н их теплоемкости, т. е. [c.110]

    По данным большинства исследователей, практическая температура горения газа в отопительных каналах коксовых печей составляет 1600-1800 С. В табл.5.2 представлены расчетные и экспериментальные данные, характеризующие газы, которые применяются для отопления коксовых печей.  [c.137]

    Температура горения газа в погружной горелке при потере тепла в окружающее пространство (в раствор) 10% [c.247]

    При подсчете теоретической температуры горения газов не на вес, а на объем образующихся продуктов горения предыдущее уравнение примет следующий вид  [c.110]

    Теоретическая температура горения газов [6] [c.39]

    Теоретическая температура горения газа [c.32]

    При повышенных избытках воздуха температура горения газа понижается, так как продукты сгорания разбавляются воздухом и отдают некоторое тепло для его нагрева. Повышение температур горения может достигаться путем предварительного подогрева воздуха и га- то зообразного топлива за счет тепла отходящих газов. Подогрев воздуха до 400° С при сжигании природного газа =8500 ккал пм ) повышает температуру горения на 250° С, а при сжигании газогенераторного газа 1200 ккал/нж ) повышает температуру горения на 150° С [27].  [c.31]

    Теоретическая температура горения газа при полном сжигании без потерь тепла определяется по формуле [c.31]

    Температура горения газов определяется преимущественно теплотой сгорания топлива, а газовая постоянная — составом продуктов сгорания, так как [c.596]

    В связи с переменной теплотой сгорания низкокалорийного газа тепловая мощность горелок определяется расходом воздуха, подаваемого вентилятором. Максимальная тепловая мощность горелки достигается при использовании всего подаваемого воздуха и зависит от состава сжигаемого газа. Но она в значительной степени ограничивается допустимой температурой кладки купола и верхних рядов насадки воздухонагревателя. Поэтому максимальная тепловая мощность горелок получается при сжигании газа с минимальной теплотой сгорания, обеспечивающей допустимую температуру купола. С увеличением теплоты сгорания газа выше необходимой при минимальном избытке воздуха температура горения газа растет, и для сохранения заданной температуры купола необходимо увеличить расход воздуха следовательно, и удельный расход воздуха на кубометр сжигаемого газа. При этом часть воздуха расходуется на разбавление продуктов горения, а количество воздуха, используемого на собственно горение, уменьшается и, соответственно, снижается тепловая мощность горелки (рис. 10.46). [c.401]

    З.2.З. Жаропроизводительность, калориметрическая, теоретическая и расчетная температура горения газов&

Температура горения газов — Справочник химика 21

    Температура горения газов [c.317]

    Теплота сгорания газов не является характеристикой, по которой можно подобрать оптимальный вид топлива. Иногда бывает, что при работе иа газах с невысокой теплотой сгорания, например, па природном газе, проще и экономичнее поддерживать более высокие температуры в печах, чем при работе на газе с более высокой теплотой сгорания. Максимальная температура горения газа, как видно из формулы, зависит не только от его теплоты сгорания, но н от количества образующихся топочных газов н их теплоемкости, т. е. [c.110]

    Теоретическая температура горения газа [c.32]

    Теоретическая температура горения газов [6] [c.39]

    З.2.З. Жаропроизводительность, калориметрическая, теоретическая и расчетная температура горения газов [c.293]

    В табл. 4.31 представлены значения усредненных пирометрических коэффициентов, используемых для определения действительной температуры горения газа. [c.295]

    При повышенных избытках воздуха температура горения газа понижается, так как продукты сгорания разбавляются воздухом и отдают некоторое тепло для его нагрева. Повышение температур горения может достигаться путем предварительного подогрева воздуха и га- то зообразного топлива за счет тепла отходящих газов. Подогрев воздуха до 400° С при сжигании природного газа =8500 ккал пм ) повышает температуру горения на 250° С, а при сжигании газогенераторного газа 1200 ккал/нж ) повышает температуру горения на 150° С [27].  [c.31]

    При проверке теплонапряженности печи температура горения газа определяется методом подбора. Допустим, что она лежит в пределах 1200—1500 °С. Из табл. 11.5 находим теплоемкости отходящих газов Ср = 1590 Дж/(м -К) и воздуха Св = = 1467 Дж/(м -К). Тогда по формуле (11.26) р р = 0,8-3,57 X X 10 /[11,2-1590 + (1,07 — 1) 10-1467)] = 1516 °С, что вполне допустимо. [c.322]

    Температура горения газов определяется преимущественно теплотой сгорания топлива, а газовая постоянная — составом продуктов сгорания, так как [c.596]

    В связи с этим действительная температура горения газа от—личается от теоретической температуры. При подсчете теоретической температуры горения исходят из допущения, что потеря тепла в окружающую среду и химический недожог отсутствуют. Состав и количество газообразных продуктов горения рассчитывают, исходя из стехиометрических отношений реакций взаимодействия горючих компонентов с кислородом воздуха. Пред-лолагается, что полное сгорание газа происходит с теоретически необходимым количеством воздуха. [c.109]

    При проверке теплонапряженности печи температуру горения газа определим по (П.26) [c.330]

    В связи с переменной теплотой сгорания низкокалорийного газа тепловая мощность горелок определяется расходом воздуха, подаваемого вентилятором. Максимальная тепловая мощность горелки достигается при использовании всего подаваемого воздуха и зависит от состава сжигаемого газа. Но она в значительной степени ограничивается допустимой температурой кладки купола и верхних рядов насадки воздухонагревателя. Поэтому максимальная тепловая мощность горелок получается при сжигании газа с минимальной теплотой сгорания, обеспечивающей допустимую температуру купола. С увеличением теплоты сгорания газа выше необходимой при минимальном избытке воздуха температура горения газа растет, и для сохранения заданной температуры купола необходимо увеличить расход воздуха следовательно, и удельный расход воздуха на кубометр сжигаемого газа. При этом часть воздуха расходуется на разбавление продуктов горения, а количество воздуха, используемого на собственно горение, уменьшается и, соответственно, снижается тепловая мощность горелки (рис. 10.46). [c.401]

    По данным большинства исследователей, практическая температура горения газа в отопительных каналах коксовых печей составляет 1600-1800 С. В табл.5.2 представлены расчетные и экспериментальные данные, характеризующие газы, которые применяются для отопления коксовых печей. [c.137]

    Максимальные температуры горения газов при теоретически необходимом расходе воздуха [c.14]

    Температура горения газа в погружной горелке при потере тепла в окружающее пространство (в раствор) 10% [c.247]

    При подсчете теоретической температуры горения газов не на вес, а на объем образующихся продуктов горения предыдущее уравнение примет следующий вид  [c. 110]

    Для приближенного определения действительной температуры горения газа Гд (°С) может быть использована следующая эмпирическая формула  [c.295]

    Теоретическая температура горения газа при полном сжигании без потерь тепла определяется по формуле [c.31]

    КАЛОРИМЕТРИЧЕСКАЯ, ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И РАСЧЕТНАЯ ТЕМПЕРАТУРА ГОРЕНИЯ ГАЗОВ [c.349]

    При более высоких температурах (например, в мартеновских печах) диссоциация существенно снижает температуру в рабочем пространстве. Действительная температура горения значительно ниже теоретически вычисленной. Это зависит от коэффициента избытка воздуха а, растянутости процесса горения по времени, степени прямой отдачи, теплопотерь в окружающую среду и т. п. Действительная температура горения газа, как правило, не рассчитывается, а определяется только приближенно по тепловому балансу. [c.349]

    Давление, возникающее при взрыве газовоздушных смесей, обычно не превышает ГО кг/сж . Давление взрыва газокислородных смесей значительно выше, так как теоретическая температура горения газа в кислороде выше. [c.19]

    Под температурой горения газов понимается температура, которую имеют газообразные продукты сгорания в результате нагрева их теплом, выделяющимся в процессе горения. Количество тепла, обеспечивающее нагрев продуктов сгорания до определенной температуры, определяется из теплового баланса процесса горения. Источником тепловой энергии являются теплота сгорания газа и физическое тепло, вносимое газом и воздухом. [c.37]

    Важной характеристикой газообразного топлива является тем-[ература горения, которая сильно влияет на процесс сжигания, азличают калориметрическую, теоретическую и действительную емпературы горения (табл. 31). Калориметрическая температура — то температура, которую будут иметь продукты сгорания при гсловии расходования выделяемого тенла только на их нагрев. Теоретическа

Эффективность сгорания и избыток воздуха

Для обеспечения полного сгорания используемого топлива в камеры сгорания подается избыточный воздух. Избыточный воздух увеличивает количество кислорода для сгорания и сгорания топлива.

• , когда топливо и кислород из воздуха находятся в идеальном балансе — считается, что сгорание составляет стехиометрических

Эффективность сгорания увеличивается с увеличением избыточного воздуха — до тех пор, пока потери тепла в избыточном воздухе не станут больше, чем выделяемое тепло за счет более эффективного сгорания.

Типичный избыток воздуха для достижения максимально возможной эффективности для некоторых распространенных видов топлива:

• 5-10% для природного газа
• 5-20% для мазута
• 15-60% для уголь

Двуокись углерода — CO ₂ — является продуктом горения, и содержание CO ₂ в дымовых газах является важным показателем эффективности горения.

Оптимальное содержание диоксида углерода CO ₂ после сжигания составляет примерно 10% для природного газа и примерно 13% для более легких масел.

Нормальная эффективность сгорания природного газа при различных комбинациях температуры избыточного воздуха и дымовых газов указана ниже:

¹⁾ «Чистая температура дымовой трубы» — это разница температур между температурой дымовых газов внутри дымохода и комнатной температурой вне горелки.

Потери дымовых газов при сжигании нефти

Потеря эффективности дымовых газов, связанная с

• разницей температур дымовых газов и приточного воздуха
• CO ₂ Концентрация дымовых газов

при сжигании жидкого топлива, указана ниже :

Пример — Сгорание масла и потери тепла в дымовых газах

Если

• , разница температур между дымовыми газами на выходе из котла и температурой окружающей среды составляет 300 ^o C, и
• диоксид углерода, измеренный в дымовых газах, составляет 10% — тогда,

из диаграммы выше

• , потери дымовых газов могут быть оценены примерно в 16% .

Улавливание CO2 после сжигания | netl.doe.gov

Перейти к основному содержанию

Поиск

Меню

Около

Уголок директора Миссия и обзор Посетите NETL Контакты Организация NETL Ключевые сотрудники История Награды и признание Качество окружающей среды сайта

Исследования и программы

Уголь Улавливание углерода Утилизация углерода Хранение углерода STEP (Сверхкритический CO2) Редкоземельные элементы и
Критические минералы Усовершенствованные энергетические системы Твердооксидные топливные элементы Усовершенствованные турбины Системы газификации Преобразование выработки энергии Уголь — биомасса в жидкости Усовершенствованная переработка угля

Сквозные датчики и элементы управления Моделирование, моделирование и анализ Высокопроизводительные материалы Управление водными ресурсами Хранение энергии Университетское обучение и исследования

Исследования в области нефти и природного газа Исследования в области разведки и добычи Повышение нефтеотдачи пластов на шельфе Нефть и газ Газовые гидраты Инфраструктура природного газа

Основные компетенции Вычислительные науки и инженерия Инжиниринг преобразования энергии Геологические и экологические системы Материаловедение и производство Выполнение и интеграция программ Проектирование и анализ систем

Развитие энергетических технологий Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Кибербезопасность, энергетическая безопасность и реагирование на чрезвычайные ситуации Управление электроснабжения

Скоординированное развитие Исследования в области энергетики и водных ресурсов

Бизнес

Ходатайства и возможности финансирования Призы и задачи Карьера Деловые формы Поддержка сайта Электронный читальный зал Исследование рынка Незапрошенные предложения Доступная недвижимость

Партнерство с NETL Региональная трудовая инициатива Город Питтсбург Меморандум о взаимопонимании

Передача технологий О соглашениях о передаче технологий NETL и истории успеха лицензирования Доступные технологии

Образование

Возможности стажировки STEM-образование и информационно-пропагандистская деятельность

Библиотека

Утвержденные категорические исключения Экологические оценки Заявления о воздействии на окружающую среду Процессы сжигания с учетом соотношения

и измеряемого воздуха — Control Guru

Аллен Хаутц ¹ и Дуг Купер

Стратегия регулирования соотношения может сыграть фундаментальную роль в безопасной и прибыльной работе топочных обогревателей, котлов, печей и аналогичных процессов сжигания топлива. Это связано с тем, что соотношение воздух-топливо в зоне сгорания этих процессов напрямую влияет на эффективность сгорания топлива и выбросы в окружающую среду.

Требование к реализации управления соотношением состоит в том, чтобы как скорость подачи топлива, так и скорость подачи воздуха для горения измерялись и были доступны как сигналы технологической переменной (PV). Ниже (щелкните, чтобы увеличить) показана концептуальная стратегия управления соотношением воздух / топливо.

В этой типичной архитектуре расход топлива регулируется для поддержания температуры теплоносителя, выходящего из печи.В других процессах расход топлива можно регулировать для поддержания давления в паровом коллекторе, температуры в воздуховоде после горелки или аналогичных переменных, которые необходимо регулировать для эффективной работы.

Скорость подачи воздуха для горения затем регулируется регулятором доли потока (соотношения) для поддержания желаемого соотношения воздух / топливо. Хотя выше показаны простой датчик и клапан, мы будем расширять и модифицировать эту концептуальную архитектуру по мере продвижения в этом обсуждении, потому что:
▪ Последний элемент управления (FCE) для потока воздуха для горения, а не клапан, чаще используется воздуходувка с регулируемой скоростью, возможно, с регулируемыми заслонками или жалюзи.
▪ Измерение расхода воздуха для горения является сложной задачей и может включать измерение перепада давления на участке пути потока отработавших газов.
▪ В различных применениях расход воздуха может быть дикой подачей, а расход топлива — контролируемой подачей.
▪ Стековые газоанализаторы повышают ценность и изощренность, поскольку они контролируют химический состав, связанный с эффективностью сгорания и выбросами в окружающую среду.

Почему важно соотношение воздух / топливо
В процессах сгорания соотношение воздух / топливо обычно выражается на основе массы.Мы получаем максимальную полезную тепловую энергию, если подаем воздух в зону сгорания с массовым расходом (например, фунт / мин, кг / час), который должным образом согласован с массовым расходом топлива на горелку.

Рассмотрим это общее уравнение для химии горения топлива:

Где:
CO ₂ = диоксид углерода
CO = оксид углерода
H ₂ O = вода
Воздух = 21% кислорода (O ₂ ) и 79% азота (N ₂ )
Топливо = углеводороды, такие как природный газ или жидкое топливо

Воздух в основном состоит из кислорода и азота.Это кислород в воздухе, который соединяется с углеродом в топливе в высокоэнергетической реакции, называемой сгоранием. При сжигании углеводородов природа сильно отдает предпочтение двойным углерод-кислородным связям диоксида углерода и выделяет значительную тепловую энергию в экзотермической реакции для достижения этой формы CO ₂ .

Таким образом, двуокись углерода является обычным парниковым газом, образующимся при полном сгорании углеводородного топлива. Водяной пар (H ₂ O) также является обычным продуктом сгорания углеводородов.

Кроме того: загрязнители оксида азота (NOx) и оксида серы (SOx) не включены в наше уравнение химии горения. Они производятся в процессах промышленного сжигания в основном из азота и серы, образующихся в топливе. При повышении температуры в зоне горения часть азота в воздухе также может превращаться в NOx. Химия горения NOx и SOx выходит за рамки данной статьи, но подробное обсуждение можно найти здесь.

Слишком мало воздуха увеличивает загрязнение и приводит к отходам Топливо
Кислород, необходимый для сжигания топлива, поступает из воздуха, который мы загружаем в технологический процесс.Если соотношение воздух / топливо в нашем нагревателе, котле или печи слишком мало, кислорода не будет достаточно для полного преобразования углеводородного топлива в диоксид углерода и воду.

Слишком низкое соотношение воздух / топливо приводит к неполному сгоранию нашего топлива. Когда доступность кислорода уменьшается, в первую очередь образуются вредные выхлопные газы, включая монооксид углерода. При дальнейшем уменьшении соотношения воздух / топливо частично сгоревшее и несгоревшее топливо может появляться в выхлопной трубе, часто проявляясь в виде дыма и сажи. Окись углерода, частично сгоревшее и несгоревшее топливо — все это яды, выброс которых регулируется правительством (Агентство по охране окружающей среды США).

Неполное сгорание также означает, что мы тратим дорогое топливо. Топливо, которое не горит для получения полезной тепловой энергии, в том числе окись углерода, которая может давать энергию при преобразовании в двуокись углерода, буквально течет по нашей выхлопной трубе как упущенную выгоду.

Слишком много воздуха расходуется с топливом
Проблема, которая делает процесс сгорания настолько интересным, заключается в том, что если мы подаем слишком много воздуха в зону сгорания (если соотношение воздух / топливо слишком высокое), мы также тратим топливо, хотя совершенно иначе.

Как только у нас будет достаточно кислорода в зоне горения для полного сгорания углеводородного топлива до диоксида углерода и воды, мы обратились к части загрязнения нашего уравнения химического состава горения. Любой воздух, подаваемый в процесс сверх этого количества, становится дополнительной технологической нагрузкой, которую необходимо нагреть.

Когда соотношение воздух / топливо увеличивается выше необходимого для полного сгорания, дополнительный азот и ненужный кислород поглощают тепловую энергию, снижая температуру пламени и газов в зоне сгорания.Когда рабочая температура падает, мы теряем способность извлекать полезную тепловую энергию для предполагаемого применения.

Таким образом, когда соотношение воздух / топливо слишком высокое, мы производим избыток горячего воздуха. И этот горячий воздух просто уносит свою тепловую энергию вверх и из выхлопной трубы как упущенную выгоду.

Теоретическая (стехиометрическая) Воздух
Взаимосвязь между соотношением воздух / топливо, образованием загрязнений и потраченной тепловой энергией составляет основу для проектирования системы управления. В кропотливом лабораторном эксперименте с точными измерениями, идеальным смешиванием и неограниченным временем мы смогли определить точное количество воздуха, необходимое для завершения преобразования углеводородного топлива в диоксид углерода и воду. Это минимальное количество называется «теоретическим» или «стехиометрическим» воздухом.

К сожалению, в реальных процессах сгорания воздух и топливо не смешиваются идеально. Кроме того, газы имеют тенденцию течь так быстро, что воздух и топливная смесь имеют ограниченное время контакта в зоне сгорания. Таким образом, если мы подаем воздух в точной теоретической или стехиометрической пропорции к топливу, мы все равно будем иметь неполное сгорание и упущенную выгоду.

Настоящие горелки обычно работают аналогично приведенному ниже графику.Стоимость, связанная с работой с повышенным соотношением воздух / топливо, — это энергия, потраченная на нагрев дополнительного кислорода и азота. Тем не менее, когда соотношение воздух / топливо уменьшается, потери из-за неполного сгорания и образования загрязнений быстро увеличиваются.

Для любой конкретной конструкции горелки существует целевое соотношение воздух / топливо, которое уравновешивает конкурирующие эффекты, чтобы минимизировать общие потери и, таким образом, максимизировать прибыль. Как видно из приведенного выше графика (обратите внимание, что на вертикальной оси нет шкалы), газовая или жидкотопливная горелка обычно уравновешивает потери, работая где-то от 105% до 120% теоретического воздуха.Обычно это называют работой с 5-20% избытком воздуха.

Датчики должны быть быстрыми, дешевыми и простыми
Огневые нагреватели, котлы и печи в процессах с потоками, состоящими из газов, жидкостей, порошков, суспензий и расплавов, используются в широком диапазоне производственных, производственных и опытно-конструкторских операций. Знание того, что состав топлива, конструкция горелок, конфигурация зоны горения и цель процесса могут различаться для каждой реализации, намекает на головокружительное множество возможностей разработки и настройки стратегии управления.

Для разработки стандартной стратегии управления нам необходим гибкий метод измерения избыточного воздуха, чтобы мы могли контролировать целевое соотношение воздух / топливо. Как уже говорилось в этой статье, мы обычно ищем надежные, недорогие, простые в установке и обслуживании датчики, которые быстро реагируют. Если мы не можем получить эти качества с помощью прямого измерения интересующей переменной процесса (PV), тогда эффективной альтернативой является измерение связанной переменной, если это можно сделать с помощью датчика «быстро, дешево и легко».

Избыточный воздух — это пример фотоэлектрического преобразователя, который очень сложно измерить напрямую в зоне горения, однако содержание кислорода и энергии в дымовых газах является подходящей альтернативой. Оказывается, работа с 5-20% избытком воздуха приравнивается к содержанию кислорода в дымовых газах от 1% до 3% по объему.

Измерение дымовых газов
Измеряя состав выхлопных газов, мы получаем информацию, необходимую для правильного мониторинга и регулирования соотношения воздух / топливо в зоне сгорания. Пакетные анализаторы делятся на две большие категории:
▪ Экстракционные анализаторы на сухой основе извлекают пробу газа из штабеля и охлаждают ее для конденсации воды из пробы. Затем проводится анализ сухого дымового газа.
▪ Анализаторы мокрого грунта на месте размещаются в непосредственной близости от штабеля. Измеряемый горячий образец все еще содержит водяной пар, образующийся при сгорании, что обеспечивает анализ влажного дымового газа.

Можно приобрести множество анализаторов дымовых газов (или дымовых газов), которые измеряют O ₂ .Анализаторы влажной основы дают более низкое содержание кислорода, чем анализаторы сухой основы, примерно на 0,3% — 0,5% по объему.

Широко доступны инструменты, которые наряду с измерением содержания кислорода также включают в себя измерение угарного газа. Обычный подход — пропускать дымовой газ через камеру катализатора и измерять энергию, выделяемую при преобразовании моноксида углерода и несгоревшего топлива в диоксид углерода. Результаты анализатора выражаются в эквивалентном процентном содержании CO в образце. Единое число, выраженное как измерение CO, но представляющее потери топлива из-за недостатка воздуха, упрощает разработку стратегии управления и технологический процесс.

При измерении O ₂ и CO (представляющего все потерянное топливо) в дымовой трубе нашего процесса сгорания, у нас есть важные измерения PV, необходимые для реализации стратегии управления соотношением воздух / топливо. Обратите внимание на то, что производитель горелки и / или специалисты по проектированию процесса несут ответственность за определение целевых значений уставки для конкретной системы сгорания до настройки контроллера.

Измерение расхода воздуха
В процессах горения воздух для горения обычно подается одним из трех способов:
▪ В процессе принудительной тяги используется вентилятор для подачи воздуха в зону горения.
▪ В процессе принудительной тяги за горелкой установлен вентилятор, который втягивает или втягивает воздух через зону горения.
▪ Процесс естественной тяги основан на образовании пустоты, так как горячие выхлопные газы естественным образом поднимаются вверх по дымовой трубе и втягивают воздух в зону сгорания.

Для этого обсуждения мы предполагаем, что нагнетатель используется либо для принудительной подачи воздуха для горения, либо для стимулирования подачи воздуха для горения, поскольку системы естественной тяги не предназначены для активного управления воздушным потоком.

Даже с помощью вентилятора, измеряя скорость подачи воздуха, подаваемую при низком давлении через изгибы и повороты неправильного воздуховода и огнеупорный кирпич не дешево или легко.Популярной альтернативой является измерение падения давления в некоторой части потока выхлопных газов. Основную часть выхлопных газов составляет азот, который поступает вместе с воздухом для горения. Пока регулировка соотношения воздух / топливо невелика, расход выхлопных газов будет довольно точно отслеживать скорость подачи воздуха для горения.

Таким образом, правильно выполненное измерение перепада давления представляет собой «быстрый, дешевый и простой» метод определения скорости подачи воздуха для горения. На рисунке ниже (щелкните, чтобы увеличить) показано такое измерение в секции теплопередачи и вверх по выхлопной трубе.

Также показано, что выходной сигнал контроллера от регулятора доли (соотношения) потока, COC, регулирует жалюзи для модуляции потока через зону сгорания. По мере того как жалюзи открываются и закрываются, чтобы пропускать больший или меньший поток, измерение перепада давления будет увеличиваться или уменьшаться соответственно.

Как обсуждалось в статье об архитектуре регулятора соотношения, сигнал от датчиков дикого и контролируемого потока должен изменяться линейно с расходом. Датчик перепада давления, подключенный поперек части тракта выхлопных газов, становится датчиком линейного потока газа, распознавая, что общий поток газа, F, пропорционален квадратному корню из перепада давления (∆P), или.Таким образом, сигнал регулируемой переменной процесса подачи, PVC, является линейным с потоком, когда извлекается квадратный корень из сигнала перепада давления, как показано на диаграмме.

Выбор воздуха или топлива для управления скоростью горения
Благодаря средствам измерения расхода воздуха для горения и расхода топлива, а также анализатора дымовой трубы для калибровки и мониторинга мы можем реализовать простой способ воздух / топливо регулировка соотношения, как показано на диаграмме выше.

Скорость подачи топлива, поскольку ее можно точно измерить, является популярным выбором для переменной управления скоростью горения. Однако в некоторых случаях более желательно использовать расход воздуха для горения в этой емкости.

Если топливо является переменной управления скоростью горения, быстрое увеличение скорости горения с последующим во времени воздухом приведет к неполному сгоранию, как описано выше. С другой стороны, если в качестве регулируемого параметра скорости стрельбы будет выбран воздух, быстрое уменьшение скорости стрельбы приведет к той же ситуации.

Мы изучаем этот вопрос в другой статье, используя коммерческое моделирование печи. Мы фокусируемся на преимуществах избранного элемента блокировки для повышения безопасности, ограничения выбросов и максимального увеличения полезной энергии от топлива.

____
1. Аллен Д. Хаутц
Инженер-консультант
Automation Systems Group
P.O. Box 884
Kenai, AK 99611
Электронная почта: [email protected]

ОСНОВЫ СГОРАНИЯ И ТЕПЛОВЫХ ПОТЕР

ПРОЦЕССЫ СГОРАНИЯ был, есть и будет в ближайшем будущем основным генератором энергии в нашей цивилизации, которая сжигает ископаемое топливо с постоянно увеличивающейся скоростью.Процессы должны управляться хорошо ради окружающей среды и устойчивости цивилизации.

Принципы сжигания являются общими для нагревателей, котлов и других форм промышленного сжигания, например в печах и печах. В этом смысле термин «бойлер» взаимозаменяем с «нагревателем» по всему тексту (если не указано иное).

Обычные виды топлива состоят в основном из двух элементов: углерода и водорода. Во время горения они соединяются с кислородом, выделяя тепло.Ценность топлива определяется содержанием углерода и водорода. Неископаемые виды топлива, такие как биомасса и спирт, также содержат кислород в своей молекулярной структуре.

В идеале сгорание разрушает молекулярную структуру топлива; углерод окисляется до диоксида углерода (CO ₂ ), а водород — до водяного пара (H ₂ O). Но незавершенный процесс создает нежелательные и опасные продукты. Для обеспечения полного сгорания даже современное оборудование с множеством функций должно работать с избытком воздуха.То есть через горелку проходит больше воздуха (содержащий около 21 процента кислорода по объему), чем требуется с химической точки зрения для полного сгорания. Этот избыток воздуха ускоряет смешивание топлива и воздуха.

С одной стороны, этот процесс гарантирует, что почти все топливо получит кислород, необходимый для сгорания, прежде чем он охладится ниже температуры сгорания за счет контакта с поверхностями теплообмена. Это также предотвращает взрыв топлива, которое не полностью сгорело в котле.

С другой стороны, избыток воздуха тратит энергию на перенос тепла вверх по дымовой трубе.Между эффективностью сгорания и безопасностью существует тонкая грань, обеспечивающая подачу как можно меньшего количества избыточного воздуха в горелку.

Владельцы и операторы котлов захотят узнать, эффективны ли их операции. Поскольку цель состоит в повышении энергоэффективности котлов, может оказаться полезным анализ причин потерь тепла при работе котлов.

ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ в котле хорошо описаны Американским обществом инженеров-механиков (ASME) в его строгом стандарте PTC4.1 код проверки мощности (1973). Код испытаний применим к любому типу используемого топлива. Однако большинство котлов и обогревателей в Канаде возгорается из-за природного газа или мазута. В таких системах многие потери, перечисленные в коде, не применяются. А другие системы достаточно малы, чтобы их потери можно было отнести к категории «неучтенных», для которой можно принять значение. В упрощенном методе количественной оценки КПД котла используется это уравнение:

КПД (E)% = (Выход ÷ Вход) X 100, где: Выход = Вход — Потери

Или

КПД (E)% = 100 — потери, где потери можно рассчитать в соответствии с кодом проверки мощности ASME.

Поскольку в этом коде используются британские единицы измерения, необходимо преобразовать температуру в градусы Фаренгейта (ºF), а единицы нагрева в британские тепловые единицы на фунт (БТЕ / фунт), что можно сделать с помощью следующих формул преобразования:

ºF = (1,8 X ºC) + 32
БТЕ / фунт. = 0,4299 X кДж / кг

Следующие четыре основных типа потерь энергии относятся к системам природного газа и мазута.

Сухие потери дымовых газов (LDG)

Тепло теряется в «сухих» продуктах сгорания, которые переносят только физическое тепло, поскольку не происходит изменения состояния.Эти продукты представляют собой диоксид углерода (CO ₂ ), оксид углерода (CO), кислород (O ₂ ), азот (N ₂ ) и диоксид серы (SO ₂ ). Концентрации SO ₂ и CO обычно находятся в диапазоне миллионных долей (ppm), поэтому с точки зрения потерь тепла ими можно пренебречь. Рассчитайте потери сухого дымового газа (LDG) по следующей формуле:

LDG = [24 x DG x (FGT — CAT)] ÷ HHV, где

DG (фунт / фунт топлива) = (11CO ₂ + 😯 ₂ + 7N ₂ ) x (C + 0.375S) ÷ 3CO ₂
FGT = температура дымовых газов, ºF
CAT = температура воздуха для горения, ºF
HHV = более высокая теплотворная способность топлива, БТЕ / фунт.
CO ₂ и O ₂ = объемные проценты в дымовых газах
N ₂ = 100 — CO ₂ — O ₂
C и S = ​​массовая доля в анализе топлива

Сведение к минимуму избытка воздуха снижает потери сухих дымовых газов.

Потери из-за влаги при сгорании водорода (LH)

Водородный компонент топлива покидает котел в виде водяного пара, унося с собой энтальпию — или теплосодержание — в соответствии с условиями температуры и давления.Пар — это пар с очень низким давлением, но с высокой температурой дымовой трубы. Большая часть его энтальпии находится в тепле испарения. Значительные потери составляют около 11 процентов для природного газа и 7 процентов для мазута. Этот убыток (LH) можно рассчитать следующим образом:

LH (%) = [900 x H ₂ x (hg — hf)] ÷ HHV, где

H ₂ = массовая доля водорода в анализе топлива
hg = 1055 + (0,467 x FGT), БТЕ / фунт.
hf = CAT — 32, БТЕ / фунт.

Где hg — энтальпия водяного пара при 1 фунтах на квадратный дюйм манометра и температуре дымовых газов (FGT), а hf — энтальпия воды при температуре воздуха для горения (CAT).

Только конденсационный теплообменник значительно снизит эти потери.

Таблица 1. Прямой метод расчета КПД котла

1. Измерьте расход пара в кг (или фунтах) за установленный период, например один час. Используйте показания парового интегратора, если таковые имеются, и скорректируйте давление калибровки сопла. В качестве альтернативы используйте интегратор питательной воды, если таковой имеется, который в большинстве случаев не требует корректировки давления.
2. Измерьте расход топлива за тот же период.Используйте газовый или масляный интегратор или определите массу используемого твердого топлива.
3. Преобразование расхода пара, расхода питательной воды и расхода топлива в идентичные единицы энергии, например БТЕ / фунт или кДж / кг.
4. Рассчитайте КПД, используя следующее уравнение: КПД = 100 x (энергия пара — энергия питательной воды) ÷ энергия топлива

Потери из-за излучения и конвекции (LR)

Эта потеря происходит от внешних поверхностей работающего котла. Для любого котла при рабочей температуре потери постоянны.Выраженные в процентах от тепловой мощности котла, потери возрастают по мере уменьшения мощности котла. Следовательно, работа котла с полной нагрузкой снижает процент потерь. Поскольку площадь поверхности котла зависит от его объема, относительные потери ниже для большего котла и выше для меньшего. Вместо сложных расчетов определите потери на излучение и конвекцию, используя стандартную диаграмму, доступную в Американской ассоциации производителей котлов (ABMA).

Неучтенные убытки (LUA)

По причинам, указанным ранее, используйте предполагаемое значение потерь 0.1 процент для котельных систем, работающих на природном газе, и 0,2 процента для систем, работающих на жидком топливе.

Затем рассчитайте КПД следующим образом:

КПД (E)% = 100 – LDG – LH – LR – LUA, где

LDG = потери сухого дымового газа
LH = влажность от потери водорода
LR = потери радиации и конвекции
LUA = неучтенные потери

Начните программу управления энергопотреблением котельной с оценки текущего КПД котла. Затем регулярно контролируйте производительность котла, чтобы оценить эффект от принятых мер по энергосбережению и установить цели по улучшению.

Самый простой способ рассчитать эффективность преобразования топлива в пар — это прямой метод расчета (см.