Просто о «сложном» (Основные вопросы конденсационной техники). Характеристика продуктов сгорания выбрасываемых котельными в атмосферу

Опубликовано: 21.11.2009 | |

Денис Рындин ,
главный инженер «Водной Техники»

В настоящее время особенно остро стоят вопросы повышения эффективности отопительных установок и снижения экологического давления на окружающую среду. Наиболее перспективным, в этом отношении, является применение конденсационной техники, способной наиболее полным образом решить очерченный круг задач. Компания «Водная Техника» всегда стремилась представить на отечественном рынке современное и эффективное отопительное оборудование. В свете этого закономерен и оправдан ее интерес к конденсационной технике, как наиболее эффективной, высокотехнологичной и перспективной. Поэтому в 2006 году одно из приоритетных направлений развития компании – продвижение конденсационной техники на Украинском рынке. С этой целью запланирован целый ряд мероприятий, одним из которых является цикл популяризирующих статей для тех, кто впервые сталкивается с подобной техникой. В данной статье мы постараемся коснуться основных вопросов реализации и применения принципа конденсации водяных паров в отопительной технике:

• Чем отличается теплота от температуры?
• Может ли КПД быть больше 100%?

Чем отличается теплота от температуры?

Температура это степень нагретости тела (кинетическая энергия молекул тела), Величина, весьма относительная это можно легко проиллюстрировать с помощью шкал Цельсия и Фаренгейта. В быту используется шкала Цельсия, в которой за 0 принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при атмосферном давлении. Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен градусу Кельвина и абсолютный ноль берут за −273,15 °C. Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете, и наша жизнь основана на ней. Ноль Цельсия - особая точка для метеорологии, поскольку замерзание атмосферной воды существенно всё меняет. В Англии и, в особенности в США используется шкала Фаренгейта. В этой шкале на 100 градусов раздёлен интервал от температуры самой холодной зимы в городе, где жил Фаренгейт, до температуры человеческого тела. Ноль Цельсия - это 32 Фаренгейта, и градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.

Пересчёт температуры между основными шкалами
	Кельвин	Цельсий	Фаренгейт
			= (F + 459,67) / 1,8
			= (F − 32) / 1,8
	K · 1,8 − 459,67

Таблица 1 Единицы измерения температуры

Для того, что бы более четко представить себе разницу между понятиями температура и теплота, рассмотрим следующий пример: Пример с нагреванием воды: Допустим, мы нагрели некоторое количество воды (120 л.) до температуры 50°C, а какое количество воды мы сможем нагреть до температуры 40 °C, используя тоже количество теплоты (сожженного топлива)? Для простоты, будем считать, что в обоих случаях начальная температура воды 15 °C.

Рисунок 1 Пример 1

Как видно из наглядного примера, температура и количество теплоты – это различные понятия. Т.е. тела при разной температуре, могут обладать одинаковой тепловой энергией, и наоборот: тела с одинаковой температурой могут иметь разную тепловую энергию. Для упрощения определений придумали специальную величину — Энтальпию Энтальпия-количество тепла, содержащегося в единице массы вещества [кДж/кг] В естественных условиях на Земле существует три агрегатных состояния воды: твердое (лед), жидкое (собственно вода), газообразное (водяной пар) Переход воды из одного агрегатного состояния в другое сопровождается изменением тепловой энергии тела при постоянной температуре (изменяется состояние, а не температура, другими словами — все тепло тратится на изменение состояния, а не на нагрев) Явная теплота – та теплота, при которой изменение количества тепла подведенного к телу вызывает изменение его температуры Скрытая теплота – теплота парообразования (конденсации) та теплота, которая не изменяет температуры тела, а служит для изменения агрегатного состояния тела. Проиллюстрируем данные понятия графиком, на котором по оси ординат будет отложена энтальпия (количество подведенного тепла), а по оси ординат температура. Данный график показывает процесс нагрева жидкости (воды).

Рисунок 2 График зависимости Энтальпия – Температура, для воды

А-В происходит нагрев воды от температуры 0 ºС до температуры 100 ºС (при этом все тепло, подведенное к воде идет на повышение ее температуры)
В-С происходит кипение воды (при этом все тепло, подведенное к воде, идет на преобразование ее в пар, температура при этом остается постоянной 100 ºС)
C-D вся вода превратилась в пар (выкипела) и теперь тепло идет на повышение температуры пара.

Состав дымовых газов при сжигании газообразного топлива

Процесс горения – процесс окисления горючих составляющих топлива с помощью кислорода воздуха, при этом выделяется тепло. Давайте рассмотрим этот процесс:

Рисунок 3 Состав Природного газа и воздуха

Давайте посмотрим, как развивается реакция горения газообразного топлива:

Рисунок 4 Реакция горения газообразного топлива

Как видно из уравнения реакции окисления, в результате мы получаем углекислый газ, водяной пар (дымовые газы) и тепло. Теплота, которая выделяется при сгорании топлива, называется Низшей теплотой сгорания топлива (PCI) Если мы будем охлаждать дымовые газы, то при определенных условиях водяные пары начнут конденсироваться (переходить из газообразного состояния в жидкое).

Рисунок 5 Выделение скрытой теплоты, при конденсации водяных паров

При этом будет выделяться дополнительное количество теплоты (скрытая теплота парообразования/конденсации). Сумма Низшей теплоты сгорания топлива и скрытой теплоты парообразования/конденсации, называется Высшей теплотой сгорания топлива (PCS).

Естественно, что чем больше водяных паров находится в продуктах сгорания, тем больше разница между Высшей и Низшей теплотой сгорания топлива. В свою очередь, количество водяных паров зависит от состава топлива:

Таблица 2 Величины высшей и низшей теплоты сгорания для различных видов топлива

Как видно из вышеприведенной таблицы, наибольшую дополнительную теплоту мы можем получить при сжигании метана. Состав природного газа не постоянен и зависит от месторождения. Средний состав природного газа изображен на рисунке 6.

Рисунок 6 Состав природного газа

Промежуточные выводы:

1. Используя скрытую теплоту парообразования/ конденсации, можно получить больше тепла, чем выделяется при сжигании топлива

2. Наиболее перспективное топливо, в этом отношении – природный газ (разница между высшей и низшей теплотой сгорания составляет более 10%)

Какие условия необходимо создать, для начала конденсации? Точка росы.

Водяные пары в дымовых газах имеют несколько другие свойства, чем чистый водяной пар. Они находятся в смеси c другими газами и их параметры отвечают параметрам смеси. Поэтому температура, при которой начинается конденсация отличается от 100 ºС Значение этой температуры зависит от состава дымовых газов, что в свою очередь является следствием вида и состава топлива, а также коэффициента избытка воздуха. Температура дымовых газов, при которой начинается конденсация водяных паров в продуктах сгорания топлива, называется Точкой Росы.

Рисунок 7 Точка росы

Промежуточные выводы:

1. Задача конденсационной техники — охладить продукты сгорания ниже точки росы и отобрать теплоту конденсации, использовав ее в полезных целях.

Может ли КПД газового котла быть больше 100%?

Возьмем техническую характеристику некоторого произвольного навесного котла:

Полная мощность котла =23.000 Kcal/h (26,7 KW);

Полезная мощность котла=21.000 Kcal/h (24,03 KW);

Другими словами максимальная тепловая мощность горелки 23.000 Kcal/h (количество теплоты, которое выделяется при сгорании топлива), а максимальное количество теплоты, получаемой теплоносителем, составляет 21.000 Kcal/h.

Куда же пропадает разница между ними? Некоторое количество вырабатываемой теплоты (6-8%) теряется с уходящими дымовыми газами, а другое (1,5-2%) рассеивается в окружающем пространстве через стенки котла.

Если мы сложим эти величины, то сможем записать следующее уравнение:

Если мы разделим полезную мощность котла на полную и умножим результат на 100%, то получим коэффициент полезного действия котла (КПД) в %.

Если мы внимательно вчитаемся в текст определения, то увидим, что полная мощность котла равна количеству теплоты, которое выделяется при сгорании топлива за единицу времени.

Таким образом, эта величина напрямую зависит от Низшей теплоты сгорания топлива, и не учитывает то тепло, которое может выделиться, при конденсации водяных паров из продуктов сгорания.

Другими словами это коэффициент полезного действия котла, относительно Низшей теплоты сгорания топлива.

Если принять во внимание величину теплоты конденсации водяных паров (см. Табл. 1), то можно представить следующую картину распределения тепловых потоков в неконденсационном котле.

Рисунок 9 Распределение тепловых потоков в неконденсационном котле

Тогда, как в конденсационном котле, распределение тепловых потоков, будет выглядеть следующим образом:

Рисунок 10 Распределение тепловых потоков в конденсационном котле

Промежуточные выводы:
1. КПД 100 % и более возможен, если за точку отсчета принимать Низшую, а не Высшую теплоту сгорания.
2. Полностью использовать всю теплоту (явную и скрытую) мы не можем по техническим причинам, поэтому КПД котла не может быть равный или больший 111% (относительно Низшей теплоты сгорания топлива).

Режимы работы конденсационных котлов

Газовые конденсационные котлы могут быть установлены в любую отопительную систему. Величина используемой теплоты конденсации и коэффициент полезного действия, зависящий от режима эксплуатации, зависят от корректного расчета отопительной системы.

Чтобы использование теплоты конденсации водяного пара, содержащегося в дымовых газах, сделать эффективным, необходимо охладить дымовые газы до температуры ниже точки росы. Степень использования теплоты конденсации зависит от расчетных температур теплоносителя в системе отопления и от количества отработанных часов в режиме конденсации. Это показано на графиках 11 и 13, в которых температура точки росы составляет 55 °C.

Отопительная система 40/30 °C

Рисунок 11 График работы низкотемпературной системы

Большое значение имеет производительная мощность конденсационных котлов такой отопительной системы в течение всего отопительного периода. Низкие температуры обратной линии всегда ниже температуры точки росы, так что конденсат возникает постоянно. Это происходит в системах низкотемпературного панельного отопления или при отоплении пола. К таким системам идеально подходит конденсационный котел.

Рисунок 12 Температурный режим помещения при использовании напольного и конвекторного отопления

Преимуществ систем водяного напольного отопления перед традиционными достаточно много:

• Повышенный комфорт. Пол становится тёплым и по нему приятно ходить, так как теплоотдача происходит с обширной поверхности с относительно низкой температурой.
• Равномерное нагревание всей площади помещения, а значит и равномерное отопление. Человек одинаково комфортно чувствует себя и возле окна и посреди комнаты.
• Оптимальное распределение температуры по высоте помещения. Рисунок 12 иллюстрируют примерное распределение температур по высоте помещения при использовании традиционного отопления и напольного. Распределение температур, при напольном отоплении, ощущается человеком как наиболее благоприятное. Также необходимо отметить снижение потерь тепла через потолок, так как разность температур внутренний воздух — наружный воздух существенно снижается, и мы получаем комфортное тепло только там где нужно, а не отапливаем окружающую среду через крышу. Это позволяет эффективно использовать систему напольного отопления для зданий с высокими потолками – церквей, выставочных холлов, спортзалов и т.п.

• Гигиеничность. Отсутствует циркуляция воздуха, уменьшаются сквозняки, а значит, и нет циркуляции пыли, что является большим плюсом для самочувствия людей, особенно если они страдают заболеваниями дыхательных путей.
• Существенная часть тепла от пола передается в виде лучистого теплообмена. Излучение, в отличие от конвекции, немедленно распространяет тепло к окружающим поверхностям.
• Нет искусственного осушения воздуха вблизи нагревательных приборов.
• Эстетичность. Отсутствуют нагревательные приборы, нет необходимости в их дизайнерском оформлении или подборе оптимальных размеров.

Отопительная система 75/60 °C

Рисунок 13 График работы высокотемпературной системы

Эффективное использование теплоты конденсации возможно также при расчетных температурах 75/60 °C за время, составляющее 97 % от длительности отопительного периода. Это относится к наружным температурам от – 11 °C до + 20 °C. Старые отопительные установки, которые были рассчитаны на температуры 90/70 °C, работают сегодня практически с температурами 75/60 °C. Даже на установках с теплоносителем 90/70 °C и с режимом работы, при котором регулирование температуры котловой воды происходит в зависимости от наружной температуры, время использования теплоты конденсации составляет 80 % от длительности годового отопительного периода.

Высокий стандартизированный коэффициент полезного действия

В примерах на Рисунках 11 и 13 хорошо видно, что различный для этих двух вариантов, но, в то же время, высокий процент использования тепла конденсации оказывает прямое влияние на потребление энергии газовым конденсационным котлом. Для обозначения эффективности потребления топлива отопительными котлами было введено понятие стандартизированного коэффициента полезного действия. На Рисунке 14 представлена зависимость энергопотребления от различных расчетных температур отопительной системы.

Рисунок 14 Зависимость КПД от температуры обратной магистрали

Высокие стандартизированные коэффициенты полезного действия газовых конденсационных котлов объясняются следующими факторами:

– Реализация высокого значения CO 2 . Чем выше содержание CO 2 , тем выше температура точки росы отопительных газов.

– Поддержание низких температур обратной линии. Чем ниже температура обратной линии, тем активнее конденсация и тем ниже температура дымовых газов.

Промежуточные выводы:

Коэффициент полезного действия конденсационного котла очень сильно зависит от температурного режима эксплуатации системы отопления.
На новых установках должны быть использованы все возможности для оптимальной эксплуатации газового конденсационного котла. Высокий коэффициент полезного действия достигается при соблюдении следующих критериев:
1. ?Ограничить температуру обратной линии до значения максимум 50 °C
2. ?Стремиться поддерживать разницу температур между подающей и обратной линиями минимум 20 K
3. ?Не принимать мер для повышения температуры обратной линии (к ним относятся, например, установка четырех — ходового смесителя, бай — пассные линии, гидравлические стрелки).

Способы реализации принципа конденсации в навесных котлах

В данный момент существуют два основных способа реализации принципа конденсации водяных паров в дымовых газах: выносной экономайзер и нержавеющий теплообменник со встроенным экономайзером

В первом случае основная теплота продуктов сгорания утилизируется в обычном конвекционном теплообменнике, а сам процесс конденсации проходит в отдельном узле – выносном экономайзере. Такая конструкция позволяет использовать узлы и агрегаты, применяемые в обычных, не конденсационных котлах, однако не дает возможности полностью раскрыть потенциал конденсационной техники

Рисунок 17 Конденсационный котел с выносным экономайзером

Теплообменник со встроенным экономайзером состоит из 4-7 теплообменных элементов (змеевиков). Каждый теплообменный элемент, в свою очередь, состоит из 4 витков гладкой трубы прямоугольного сечения, из нержавеющей стали с толщиной стенки прибл. 0,8 мм (См. Рисунок 18).

Рисунок 18 Схема движения дымовых газов между витками теплообменника

Перед изолирующей плитой находятся несколько теплообменных элементов. Они играют роль «первой ступени», так как здесь происходит лишь незначительная конденсация. Четвертый и, соответственно, пятый теплообменный элемент расположен сзади изолирующей плиты. В этой «конденсационной ступени» происходит главный процесс конденсации.

Преимущества данного принципа заключаются в очень эффективной передаче тепла и, с другой стороны, в исключении шумов кипения, вызванных высокими скоростями потоков в гладких трубах.
Следующим преимуществом данного теплообменника является его малая склонность к известкованию, так как благодаря небольшим сечениям труб создается высокий уровень завихрения.
Гладкая поверхность труб из нержавеющей стали и вертикальное направление потока обеспечивают эффект самоочистки.
Присоединение обратной линии теплообменника расположено сзади, подключение подающей линии – спереди. На теплообменнике установлен сток конденсата.
Сборник отходящих газов до подключения трубопровода «подвода воздуха / отвода отходящих газов» выполнен из пластмассы.

Рисунок 19 Гидравлическая схема конденсационного котла со встроенным экономайзером

Рисунок 20 Разрез теплообменника конденсационного котла со встроенным экономайзером

Традиционное сжигание газа и сжигание с полным предварительным смешением

Большинство котлов с открытой камерой сгорания имеют одинаковый принцип сжигания газа. За счет кинетической энергии газовой струи в нее подсасывается воздух.

Рисунок 19 Принцип сжигания газа в атмосферных горелках (сопло Вентури)

Горючий газ поступает под давлением на форсунку. Здесь, за счет сужения прохода потенциальная энергия давления переходит в кинетическую энергию струи. За счет специального геометрического сечения сопла Вентури, происходит подмешивание первичного воздуха. Непосредственно в сопле происходит смешение газа и воздуха (образуется газовоздушная смесь). На выходе из сопла происходит подмес вторичного воздуха. Изменение мощности горелки происходит за счет изменения давления газа, соответственно изменяется скорость газовой струи и количество подсасываемого воздуха.
Преимущества данной конструкции заключаются в ее простоте и бесшумности.
Ограничения и недостатки: большой избыток воздуха, ограничение по глубине модуляции, обилие вредных выбросов.

В котлах с закрытой камерой сгорания, принцип сжигания газа аналогичен вышеописанному. Различие заключается только в принудительном выбросе продуктов сгорания и подаче воздуха на сгорание. Все преимущества и недостатки атмосферных горелок в силе и для котлов с закрытой камерой сгорания.

В конденсационных котлах используется принцип «Полного предварительного смешения газа и воздуха». Суть этого метода заключается в подмесе газа к воздушной струе, за счет разряжения, создаваемого последней в сопле «Вентури».

Газовая арматура и воздуходувка
После распознавания электронным блоком пускового числа оборотов воздуходувки открываются последовательно расположенные газовые клапаны.
На всасывающей стороне воздуходувки установлен двустенный штуцер подвода воздуха / отвода отходящих газов (система Вентури). За счет кольцевой щели в соответствии с принципом Вентури возникает явление подсоса в камере над мембраной регулирования магистрального газа в газовой арматуре.

Рисунок 20 Узел смешения горелки с полным предварительным смешением

Процесс зажигания
Газ проходит через канал 1 под регулирующими мембранами. Регулирующий клапан магистрального газа открывается из-за возникающей разности давлений. Далее газ поступает через систему Вентури в воздуходувку и смешивается со всасываемым воздухом. Газо-воздушная смесь поступает в горелку и поджигается.
Режим модуляции
Ход регулирующего клапана магистрального газа зависит от положения регулирующего клапана. Путем повышения частоты вращения воздуходувки снижается давление за регулирующим клапаном магистрального газа. Посредством канала 2 продолжается изменение давления до давления ниже мембраны управляющего клапана. Отверстие уходящего потока продолжает закрываться, благодаря чему интенсивность снижения давления газа через канал 2 уменьшается. Таким образом, посредством канала 1 возрастает давление под мембраной регулирующего клапана магистрального газа. Регулирующий клапан магистрального газа продолжает открываться, таким образом, больше к воздуходувке и, соответственно, к горелке поступает больше газа.
Модуляция горелки производится, таким образом, постоянно посредством изменения потока воздушного воздуходувки. Количество газа отслеживает количество воздуха в предварительно указанном соотношении. Таким образом, во всем диапазоне модуляции возможно поддержание коэффициента избытка воздуха почти на постоянном уровне.

Рисунок 21 Термомодуль горелки с полным предварительным смешением

Содержание вредных веществ в дымовых газах и способы снижения их концентрации

В настоящие время загрязнение окружающей среды приобретает угрожающие размеры. Количество выбросов теплоэнергетического сектора стоит на втором, после автомобильного транспорта месте.

Рисунок 22 Процентное соотношение выбросов

Поэтому особенно остро стоит вопрос снижения вредных веществ в продуктах сгорания.

Основные загрязняющие вещества:

1. • Оксид углерода СО
   • Оксиды азота NO x
   • Пары кислот

С первыми двумя факторами целесообразно бороться путем усовершенствования процесса горения (точное соотношение газ-воздух) и снижение температуры в топке котла.

При сгорании газообразного топлива, возможно образование следующих кислот:

Пары кислот прекрасно выводятся вместе с конденсатом. Утилизировать в жидком состоянии их довольно просто. Обычно для этого применяют реакцию нейтрализации кислоты щелочью.

Утилизация кислотного конденсата

Как видно из реакции горения метана:

При сгорании 1 м3 газа, образуется 2 м3 водяных паров. При обычном режиме работы конденсационного котла за день образуется порядка 15-20 л. конденсата. Этот конденсат имеет небольшую кислотность (порядка Ph=3,5-4,5), что не превышает допустимый уровень бытовых отходов.

Рисунок 23 Уровень кислотности конденсата газового котла

Ингридиенты конденсата	Нормативные показатели, согласно ATV A 251(2), мг/л	мг/л

Таблица 3 Содержание тяжелых металлов в конденсате

Поэтому допускается сбрасывать конденсат в канализацию, где он будет нейтрализован с помощью щелочных бытовых отходов.
Следует принять к сведению, что домовые водоспускные системы состоят из материалов, стойких к кислому конденсату.
Согласно рабочему листу ATV A 251это следующие материалы:
_ Керамические трубы
_ Трубы из жесткого ПВХ
_ Трубы из ПВХ
_ Трубы из полиэтилена высокой плотности
_ Трубы из полипропилена
_ Трубы из сополимера акрилонитрила, бутадиена и стирола или сополимера акрилонитрила, стирола и акриловых эфиров(АВS/АSА)
_ Трубы из нержавеющей стали
_ Боросиликатные трубы

Рисунок 24 Утилизация конденсата

По итальянским нормам, вышеуказанная схема сброса конденсата может применяется для котельных установок суммарной мощностью не более 116 кВт (согласно немецкой норме ATV A 251, не более 200 кВт). При превышении этого значения необходимо устанавливать специальные грануляторные нейтрализаторы конденсата.

Рисунок 25 Нейтрализация конденсата с использованием конденсатного насоса

1. Вывод конденсатоотводчика котла
2. Входной патрубок нейтрализатора
3. Нейтрализатор конденсата
4. Выходной патрубок нейтрализатора
5. Шланг подачи конденсата в конденсатосборник
6. Конденсатосборник
7. Штуцер выпуска конденсата
8. Шланг выпуска конденсата
9. Переходник
10. Канализация
11. Хомуты крепления

На рисунке 25 показан пример нейтрализирующей установки. Конденсат, попадая в нейтрализатор, сначала фильтруется через слой активированного угля, а затем проходит нейтрализацию в основном объеме. Конденсатный насос устанавливается в том случае, когда необходимо отводить конденсат выше уровня сифона конденсата в котле. Данная конструкция применяется при нейтрализации конденсата от котлов суммарной мощностью от 35 до 300 кВт (в зависимости от мощности установки, изменяется длинна нейтрализатора). Если мощность установки превышает 300 кВт, то устанавливаются несколько нейтрализаторов параллельно.
Нейтрализатор предельно прост в обслуживании и требует ревизии и досыпки гранулянта не чаще одного раза в год. Как правило, при этом производят и оценку кислотности конденсата, с помощью лакмусовой бумаги.

Аргументация в пользу конденсационной техники

	Аргументы в пользу эффективности
Технические характеристики	Сервисный центр	Потребитель	Монтажник
Гладкотрубные теплообменники из нержавеющей стали Части, проводящие отходящие газы / конденсат, изготовлены из пластмассы	Аргумент продажи: Продолжительный срок службы, незначительные затраты на техническое обслуживание	Хорошее соотношение стоимость / полезный эффект благодаря длительному сроку службы аппаратов Незначительные расходы на техническое обслуживание	Аргумент для продажи: длительный срок службы
Высокий уровень нормированного коэффициента использования и незначительная эмиссия вредных веществ	Аргументы продажи Перспективная технология сжигания топлива	Незначительные рас- ходы на топливо Незначительная на- грузка на окружающую среду	Перспективный аппарат
Компактный аппарат и высококачественный / привлекательный дизайн	помещений, ниш, чердаков Простая установка и монтаж	Требуется мало места Не требуется «пря- тать» аппарат	Не требуется котельное помещение Возможность универсального использования подвалов, жилых помещений, ниш, чердаков
Широкий диапазон модуляции		Эффективный, экономичный режим работы во всех диапазонах мощности Бесшумная работа благодаря низкой тактовой частоте Снижение расходов на топливо	Универсальная модель, способная работать на широком спектре объектов

Единицы измерения газообразных компонентов продуктов сгорания →

Содержание раздела

При сжигании органических топлив в топках котлов образуются различные продукты сгорания, такие как ок­сиды углерода СО х = СО + СО 2 , водяные пары Н 2 О, оксиды серы SO x = SO 2 + SО 3 , оксиды азота NO x = NO + NО 2 , полициклические арома­тические углеводороды (ПАУ), фтористые соединения, соединения ванадия V 2 O 5 , твердые частицы и др. (см. табл. 7.1.1). При неполном сгорании топлива в топках уходящие газы могут также содержать углеводороды СН 4 , С 2 Н 4 и др. Все продукты неполного сгорания являются вредными, однако при современной технике сжигания топлива их образование можно свести к минимуму [ 1 ].

Таблица 7.1.1. Удельные выбросы при факельном сжигании органических топлив в энергетических котлах [ 3 ]

Условные обозначения: А р, S p – соответственно содержание золы и серы на рабочую массу топлива, %.

Критерием санитарной оценки среды является предельно допустимая концентрация (ПДК) вредного вещества в атмосферном воздухе на уровне земли. Под ПДК следует понимать такую концентрацию различных веществ и химических соединений, которая при ежедневном воздействии в течение длительного времени на организм человека не вызывает каких-либо патологических изменений или заболеваний.

Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест приведены в табл. 7.1.2 [ 4 ]. Максимально-разовая концентрация вредных веществ определяется по пробам, отобранным в течение 20 мин, среднесуточная - за сутки.

Таблица 7.1.2. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест

Загрязняющее вещество	Предельно допустимая концентрация, мг/ м 3
Максимально-разовая	Среднесуточная
Пыль нетоксичная	0,5	0,15
Диоксид серы	0,5	0,05
Оксид углерода	3,0	1,0
Монооксид углерода	3,0	1,0
Диоксид азота	0,085	0,04
Оксид азота	0,6	0,06
Сажа (копоть)	0,15	0,05
Сероводород	0,008	0,008
Бенз(а)пирен	-	0,1 мкг/100 м 3
Пентаксид ванадия	-	0,002
Фтористые соединения (по фтору)	0,02	0,005
Хлор	0,1	0,03

Расчеты ведутся по каждому вредному веществу в отдельности, с тем чтобы концентрация каждого из них не превышала значений, приведенных в табл. 7.1.2. Для котельных эти условия ужесточены введением дополнительных требований о необходимости суммирования воздействия оксидов серы и азота, которое определяется выражением

В то же время, вследствие локальных недостатков воздуха или неблаго­приятных тепловых и аэродинамических условий, в топках и камерах сго­рания образуются продукты неполного сгорания, состоящие в основном из монооксида углерода СО (угарного газа), водорода Н 2 и различных углево­дородов, которые характеризуют потери тепла в котлоагрегате от химиче­ской неполноты сгорания (химический недожог).

Кроме этого, в процессе сжигания получается целый ряд химических соединений, образующихся вследствие окисления различных составляю­щих топлива и азота воздуха N 2 . Наиболее существенную их часть состав­ляют оксиды азота NO x и серы SO x .

Оксиды азота образуются за счет окисления как молекулярного азота воздуха, так и азота, содержащегося в топливе. Экспериментальные иссле­дования показали, что основная доля образовавшихся в топках котлов NO х, а именно 96÷100%, приходится на монооксид (оксид) азота NO. Ди­оксид NO 2 и гемиоксид N 2 O азота образуются в значительно меньших ко­личествах, и их доля приблизительно составляет: для NO 2 – до 4%, а для N 2 O – сотые доли процента от общего выброса NO x . При типичных усло­виях факельного сжигания топлив в котлах концентрации диоксида азота NO 2 , как правило, пренебрежительно малы по сравнению с содержанием NO и обычно составляют от 0÷7 ррm до 20÷30 ррm . В то же время быстрое перемешивание горячих и холодных областей в турбулентном пламени может привести к появлению относительно больших концентраций диок­сида азота в холодных зонах потока. Кроме этого, частичная эмиссия NO 2 происходит в верхней части топки и в горизонтальном газоходе (при T > 900÷1000 К) и при определенных условиях также может достигать за­метных размеров.

Гемиоксид азота N 2 O, образующийся при сжигании топлив, является, по всей видимости, кратковременным промежуточным веществом. N 2 O практически отсутствует в продуктах сгорания за котлами.

Содержащаяся в топливе сера является источником образования окси­дов серы SO x: сернистого SO 2 (диоксид серы) и серного SO 3 (триоксид серы) ангидридов. Суммарный массовый выброс SO x зависит только от содержания серы в топливе S p , а их концентрация в дымовых газах – еще и от коэффициента расхода воздуха α. Как правило, доля SO 2 составляет 97÷99%, а доля SO 3 – 1÷3% от суммарного выхода SO x . Фактическое со­держание SO 2 в уходящих из котлов газах колеблется от 0,08 до 0,6 %, а концентрация SO 3 – от 0,0001 до 0,008 %.

Среди вредных компонентов дымовых газов особое место занимает большая группа полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Многие ПАУ обладают высокой канцерогенной и (или) мутагенной актив­ностью, активизируют фотохимические смоги в городах, что требует строгого контроля и ограничения их эмиссии. В то же время некоторые ПАУ, например, фенантрен, флуорантен, пирен и ряд других, физиологи­чески почти инертны и не являются канцерогенно-опасными.

ПАУ образуются в результате неполного сгорания любых углеводо­родных топлив. Последнее имеет место из-за торможения реакций окисления углеводородов топлива холодными стенками топочных устройств, а также может быть вызвано неудовлетворительным смешением топлива и воздуха. Это приводит к образованию в топках (камерах сгорания) ло­кальных окислительных зон с пониженной температурой или зон с избыт­ком топлива.

Вследствие большого количества разных ПАУ в дымовых газах и трудности измерения их концентраций принято уровень канцерогенной загрязненности продуктов сгорания и атмосферного воздуха оценивать по концентрации наиболее сильного и стабильного канцерогена – бенз(а)пирена (Б(а)П) C 20 H 12 .

Ввиду высокой токсичности, следует особо отметить такие продукты сжигания мазута, как оксиды ванадия. Ванадий содержится в минеральной части мазута и при его сжигании образует оксиды ванадия VO, VO 2 . Одна­ко при образовании отложений на конвективных поверхностях оксиды ва­надия представлены в основном в виде V 2 O 5 . Пентаоксид ванадия V 2 O 5 яв­ляется наиболее токсичной формой оксидов ванадия, поэтому учет их вы­бросов производится в пересчете на V 2 O 5 .

Таблица 7.1.3. Примерная концентрация вредных веществ в продуктах сгорания при факельном сжигании органических топлив в энергетических котлах

Выбросы =	Концентрация, мг/м 3
	Природный газ	Мазут	Уголь
Оксиды азота NO x (в пересчете на NO 2)	200÷ 1200	300÷ 1000	350 ÷1500
Сернистый ангидрид SO 2	-	2000÷6000	1000÷5000
Серный ангидрид SO 3	-	4÷250	2 ÷100
Угарный газ СО	10÷125	10÷150	15÷150
Бенз(а)пирен С 20 Н 12	(0,1÷1, 0)·10 -3	(0,2÷4,0)· 10 -3	(0,3÷14)· 10 -3
Твердые частицы	-	<100	150÷300

При сжигании мазута и твердого топлива в выбросах также содержатся твердые частицы, состоящие из летучей золы, сажистых частиц, ПАУ и несгоревшего в результате механического недожога топлива.

Диапазоны концентраций вредных веществ в дымовых газах при сжи­гании различных типов топлив приведены в табл. 7.1.3.

состав продуктов полного сгорания

В состав продуктов полного сгорания входят также балластные составляющие- азот (N2) и кислород (О2).

Азот всегда попадает в топку с воздухом, а кислород остается от не использованных в процессе сгорания воздушных потоков. Таким образом, дымовые газы, образующиеся при полном сгорании газообразного топлива, состоят из четырех компонентов: СОг, Н2О, Ог и N2

При неполном сгорании газообразного топлива в дымовых газах появляются горючие компоненты, оксид углерода, водород, а иногда и метан. При большом химическом недожоге в продуктах сгорания появляются частицы углерода, из которых образуется сажа. Неполное сжигание газа может возникнуть при недостатке воздуха в зоне горения (сст>1), неудовлетворительном смешении воздуха с газом, соприкосновении факела с холодными стенками, которое влечет обрыв реакции горения.

Пример. Допустим, что от сжигании 1 м3 дашавского газа образуется сухих продуктов сгорания Kci-35 м3/м3, при этом в продуктах сгорания содержатся горючие составляющие в размере: СО=0,2%; Н2=0,10/о; СН4= = 0,05%.

Определить потерю теплоты от химической неполноты сгорания. Эта потеря равна Q3=VC, г ("26, ЗСО+Ю8Н3 + 358СН4) = 35 (126,3-0,2+ 108-0,1+358-0,05) =

1890 кДж/м3.

Точка росы продуктов сгорания определяется следующим образом. Сначала находят полный объем продуктов сгорания

и, зная количество водяных паров Vhn, которое в них содержится, определяют парциальное давление водяных паров Рнго (давление насыщенного водяного пара при определенной температуре) по формуле

P»to=vmlVr, бар.

Каждому значению парциального давления водяных паров соответствует определенная точка росы.

Пример. От сжигания 1 м3 дашавского природного газа при ат = 2,5 образуется продуктов сгорания Vr = 25 м3/м3, в том числе водяных паров Vsn = 2,4 м3/м3. Требуется определить температуру точки росы.

Парциальное давление водяных паров в продуктах сгорания равно

^0=^/^ = 2,4/25 = 0,096 бара.

Найденному парциальному давлению соответствует температура 46 °С. Это и есть точка росы. Если дымовые газы данного состава будут иметь температуру ниже 46 "С, то начнется процесс конденсации водяных паров.

Экономичность работы бытовых печей, переведенных на газовое топливо, характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД), КПД любого теплового аппарата определяется из теплового баланса, т. е. равенства между теплотой, образовавшейся при сжигании топлива, и расходом этой теплоты на полезный обогрев.

При эксплуатации газовых бытовых печей имеют место случаи, когда в дымовых трубах уходящие газы охлаждаются до точки росы. Точкой росы называется температура, до которой нужно охладить воздух или другой газ, чтобы содержащийся в нем водяной пар достиг состояния насыщения.

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

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

Азот N2.

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

Углекислый газ CO2.

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

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

Кислород О2.

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

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

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

Оксид углерода СО.

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

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

Оксиды азота (NOx).

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

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

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

Диоксид серы (SO2).

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

Несгораемые углеводороды (СН).

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

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

Теоретически необходимое количество воздуха для сжигания генераторного, доменного и коксового газов и их смесей определяют по формуле:

V 0 4,762/100 *((%CO 2 + %H 2)/2 + 2 ⋅ %CH 4 + 3 ⋅ %C 2 H 4 + 1,5 ⋅ %H 2 S - %O 2), нм 3 /нм 3 , где % – по объему.

Теоретически необходимое количество воздуха для сжигания природного газа:

V 0 4,762/100* (2 ⋅ %CH 4 + 3,5 ⋅ %C 2 H 6 + 5 ⋅ %C 3 H 8 + 6,5 ⋅ %C 4 H 10 + 8 ⋅ %C 5 H 12), нм 3 /нм 3 , где % – по объему.

Теоретически необходимое количество воздуха для сжигания твердых и жидких топлив:

V 0 = 0,0889 ⋅ %C P + 0,265 ⋅ %H P – 0,0333 ⋅ (%O P - %S P), нм 3 /кг, где % – по массе.

Действительное количество воздуха для горения

Необходимой полноты горения при сжигании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха, т.е. при V 0 (α = 1), можно достичь только в том случае, если топливо полностью смешается с воздухом, идущим для горения, и представляет собой готовую горячую (стехиометрическую) смесь в газообразном виде. Этого достигают, например, при сжигании газообразного топлива с помощью горелок беспламенного горения и при сжигании жидкого топлива с предварительной их газификацией с помощью специальных горелок.

Действительное количество воздуха для сжигания топлива всегда больше, чем теоретически необходимое, так как в практических условиях для полноты сжигания почти всегда требуется некоторый избыток воздуха. Действительное количество воздуха определяют по формуле:

V α = αV 0 , нм 3 /кг или нм 3 /нм 3 топлива,

где α - коэффициент избытка воздуха.

При факельном способе сжигания, когда топливо с воздухом перемешивается в процессе горения, для газа, мазута и пылевидного топлива коэффициент избытка воздуха α = 1,05–1,25. При сжигании газа, предварительно полностью смешанного с воздухом, и при сжигании мазута с предварительной газификацией и интенсивным перемешиванием мазутного газа с воздухом α = 1,00–1,05. При слоевом способе сжигания углей, антрацита и торфа в механических топках при непрерывной подаче топлива и золоудалении – α = 1,3–1,4. При ручном обслуживании топок: при сжигании антрацитов α = 1,4 , при сжигании каменных углей α = 1,5–1,6 , при сжигании бурых углей α = 1,6–1,8. Для полугазовых топок α = 1,1–1,2.

Атмосферный воздух содержит некоторое количество влаги – d г/кг сухого воздуха. Поэтому объем влажного атмосферного воздуха, необходимого для горения, будет больше, чем рассчитанный по вышеприведенным формулам:

V B о = (1 + 0,0016d) ⋅ V о, нм 3 /кг или нм 3 /нм 3 ,

V B α = (1 + 0,0016d) ⋅ V α , нм 3 /кг или нм 3 /нм 3 .

Здесь 0,0016 = 1,293/(0,804*1000) представляет собой коэффициент пересчета весовых единиц влаги воздуха, выраженных в г/кг сухого воздуха, в объемные единицы – нм 3 водяных паров, содержащихся в 1 нм 3 сухого воздуха.

Количество и состав продуктов горения

Для генераторного, доменного, коксового газов и их смесей количество отдельных продуктов полного горения при сжигании с коэффициентом избытка воздуха, равным α:

Количество двуокиси углерода

V CO2 = 0,01(%CO 2 + %CO + %CH 4 + 2 ⋅ %C 2 H 4), нм 3 /нм 3

Количество сернистого ангидрида

V SO2 = 0,01 ⋅ %H 2 S нм 3 /нм 3 ;

Количество водяных паров

V H2O = 0,01(%H 2 + 2 ⋅ %CH 4 + 2 ⋅ %C 2 H 4 + %H 2 S + %H 2 O + 0,16d ⋅ V α), нм 3 /нм 3 ,

где 0,16d V B á нм 3 /нм 3 – количество водяных паров, вносимое влажным атмосферным воздухом при его влагосодержании d г/кг сухого воздуха;

Количество азота, переходящего из газа и вносимого с воздухом

Количество свободного кислорода, вносимого избыточным воздухом

V O2 = 0,21 (α - 1) ⋅ V O , нм 3 /нм 3 .

Общее количество продуктов горения генераторного, доменного, коксового газов и их смесей равно сумме их отдельных составляющих:

V дг = 0,01 (%CO 2 + %CO + %H 2 + 3 ⋅ %CH 4 + 4 ⋅ %C 2 H 4 + 2 ⋅ %H 2 S + %H 2 O + %N 2) + + V O (α + 0,0016 dα - 0,21), нм 3 /нм 3 .

Для природного газа количество отдельных продуктов полного горения определяют по формулам:

V CO2 = 0,01(%CO 2 + %CH 4 + 2 ⋅ %C 2 H 6 + 3 ⋅ %C 3 H 8 + 4 ⋅ %C 4 H 10 + 5 ⋅ %C 5 H 12) нм 3 /нм 3 ;

V H2O = 0,01(2 ⋅ %CH 4 + 3 ⋅ %C 2 H 6 + 4 ⋅ %C 3 H 8 + 5 ⋅ %C 4 H 10 + 6 ⋅ %C 5 H 12 + %H 2 O + 0,0016d V α) нм 3 /нм 3 ;

V N2 = 0,01 ⋅ %N 2 + 0,79 V α , нм 3 /нм 3 ;

V O2 = 0,21(α - 1) V O , нм 3 /нм 3 .

Общее количество продуктов горения природного газа:

V дг = 0,01(%CO 2 + 3 ⋅ %CH 4 + 5 ⋅ %C 2 H 6 +7 ⋅ %C 3 H 8 + 9 ⋅ %C 4 ⋅H 10 + 11 ⋅ %C 5 H 12 + %H 2 O + + %N 2) + V O (α + 0,0016dα - 0,21), нм 3 /нм 3 .

Для твердого и жидкого топлив количество отдельных продуктов полного горения:

V CO2 = 0,01855 %C P , нм 3 /кг (здесь и далее, % – процентное содержание в рабочем газе элементов по массе);

V SO2 = 0,007 % S P нм 3 /кг.

Для твердого и жидкого топлива

V H2O ХИМ = 0,112 ⋅ %H P , нм 3 /кг,

где V H2O ХИМ – водяные пары, образующиеся при горении водорода.

V H2O МЕХ = 0,0124 %W P , нм 3 /кг,

где V H2O МЕХ – водяные пары, образующиеся при испарении влаги рабочего топлива.

Если для распыления жидкого топлива подается пар в количестве W ПАР кг/кг топлива, то к объему водяных паров надо добавить величину 1,24 W ПАР нм 3 /кг топлива. Влага, вносимая атмосферным воздухом при влагосодержании d г/кг сухого воздуха, составляет 0,0016 d V á нм 3 /кг топлива. Следовательно, общее количество водяных паров:

V H2O = 0,112 ⋅ %H P + 0,0124 (%W P + 100 ⋅ %W ПАР) + 0,0016d V á , нм 3 /кг.

V N2 = 0,79 ⋅ V α + 0,008 ⋅ %N P , нм 3 /кг

V O2 = 0,21 (α - 1) V O , нм 3 /кг.

Общая формула для определения продуктов горения твердого и жидкого топлива:

V дг = 0,01 + V O (α + + 0,0016 dα - 0,21) нм 3 /кг.

Объем дымовых газов при сжигании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха (V O нм 3 /кг, V O нм 3 /нм 3) определяют по приведенным расчетным формулам с коэффициентом избытка воздуха, равным 1,0, при этом в составе продуктов горения будет отсутствовать кислород.