Расчет и обоснование безопасной работы топочного устройства (стр. 2 )

Теоретические объемы азота, водяных паров, трехатомных газов и продуктов сгорания при рассчитывают для газообразного топлива по формулам, м3/нм3:

;

(8)

;

;

,

где d - влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м3 сухого газа, г/нм3; при расчетах принимают d = 10 г/нм3.

При величине коэффициента избытка воздуха >1 объем образующихся в топочном устройстве продуктов сгорания будет больше на величину объема избыточного воздуха (-1)Vо и заключенных в нем водяных паров 0,0161(-1)Vо, т. е.

. (9)

Объемный секундный расход образующихся в топочном устройстве продуктов сгорания может быть определен по формуле, м3/с,

, (10)

где - температура уходящих из топочного устройства продуктов сгорания, оС. Эта температура обычно находится из уравнения теплового баланса топочного устройства. Т. к. тепловой баланс для топочного устройства не составляется, то при расчетах эту температуру можно принять равной 1000 оС.

5. МАКСИМАЛЬНАЯ НОРМАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ

ГОРЕНИЯ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ

Процесс интенсивного сжигания газообразного топлива в топочном устройстве можно осуществить только после предварительного смешения газа с воздухом в горелке. На выходе из горелки газовоздушная смесь будет активно гореть. Такое горение называют кинетическим. Для оптимальной и безопасной работы горелки нужно, чтобы скорость горения газовоздушной смеси не превышала максимальную нормальную скорость распространения пламени. В противном случае может произойти отрыв пламени от устья горелки и возникнуть нештатная ситуация, когда прекращается процесс горения. При последующей подаче газа и воздуха в топочную камеру в ней создается взрывоопасная газовоздушная смесь (см. гл. 6).

Максимальная нормальная скорость распространения пламени используется при определении пределов устойчивой работы горелки. Здесь под пределом устойчивой работы горелки (нижним или верхним) понимают такую ее работу, при которой не возникает погасание, срыв, отрыв, проскок пламени и не появляются недопустимые вибрации.

Под максимальной нормальной скоростью распространения пламени понимают линейную максимальную скорость перемещения элемента фронта пламени относительно свежей газовоздушной смеси по направлению нормали к поверхности этого элемента фронта.

Значения максимальной нормальной скорости распространения пламени для отдельных газов можно найти в справочной и учебной литературе [1, 4, 5]. Для некоторых газов эти значения приведены в табл. 1.

Максимальная нормальная скорость распространения пламени в смеси сложного газа (например, природного) с воздухом может быть определена по формуле, м/с:

, (11)

где ,,…,- максимальные нормальные скорости распространения пламени компонентов сложного газа в смеси с воздухом (приведены в табл. 1), м/с;

, , …, - содержание отдельных компонентов (газов) в сложном газе по объему, %. Для природных газов они приведены в прил. 3.

Таблица 1

Максимальная нормальная скорость распространения пламени

в смесях различных газов с воздухом

при давлении 101,3 кПа и температуре 20 oС [4]

Горючий газ	Химическая формула	Смесь с максимальной нормальной скоростью распространения пламени
Содержание компонента в смеси по объему, %	, м/с
Газа	воздуха
Метан		10,5	89,5	0,37
Этан		6,3	93,7	0,40
Пропан		4,3	95,7	0,38
Н-Бутан		3,3	96,7	0,37
Пентан		2,7	96,8	0,37
Водород		42,0	58,0	2,67
Окись углерода		43,0	57,0	0,42
Ацетилен		10,0	90,0	1,35
Этилен		7,0	93,0	0,63
Пропилен		4,8	95,2	0,44
Бутилен		3,7	96,3	0,43

Найдя максимальную нормальную скорость распространения пламени , ее следует сравнить со скоростью потока газовоздушной смеси в устье горелки . Диаметр устья горелки составляет (рис. 2). Через это устье проходит поток газа с расходом и поток воздуха на горение с расходом . После сравнения указанных величин следует сделать вывод о режиме горения газовоздушной смеси.

6. РАСЧЕТ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ПРЕДЕЛОВ

ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ

6.1. Концентрационные пределы воспламенения

При использовании в технологических процессах горючих газов вопросы обоснования и обеспечения взрывопожарной безопасности становятся чрезвычайно важными, т. к. от этого зависит жизнь и здоровье работников. Нарушение технологических режимов сжигания органических топлив может приводить к взрывам в оборудовании.

Газовоздушные смеси могут воспламеняться (взрываться) только в том случае, если содержание газа в воздухе находится в определенных (для каждого газа) пределах. В связи с этим различают нижний (НКПР) и верхний (ВКПР) концентрационные пределы воспламенения, которые соответствуют минимальному и максимальному количеству газа в газовоздушной смеси. В этих концентрационных пределах происходит воспламенение газовоздушной смеси и дальнейшее ее горение при удалении источника зажигания. Для наглядности взрывоопасная область газовоздушной смеси в зависимости от концентрационных пределов воспламенения показана на рис. 3.

Пределы воспламенения соответствуют условиям взрываемости газовоздушных смесей. Если содержание газа в газовоздушной смеси меньше НКПР воспламенения, то такая смесь (бедная) гореть и взрываться не может, т. к. выделяющейся вблизи источника зажигания теплоты для подогрева смеси до температуры воспламенения недостаточно. Аналогичная картина наблюдается, если содержание горючего газа в газовоздушной смеси выше ВКПР воспламенения. Такая смесь (богатая) гореть и взрываться также не может, т. к. будет выгорать окислитель около источника зажигания и его будет недостаточно для дальнейшего горения. Если содержание газа в смеси находится между НКПР и ВКПР воспламенения, то при появлении источника зажигания смесь воспламеняется и самостоятельно горит. Такая смесь взрывоопасна.

 

Рис. 3. Расположение области воспламенения в зависимости

от концентрационных пределов воспламенения

При оценке и обосновании пожарной и взрывной безопасности технологического оборудования всегда необходимо оценить расчетным путем возможность образования в нем зон взрывоопасных газовоздушных смесей, ограниченных нижним и верхним концентрационными пределами воспламенения.

Значения пределов воспламенения некоторых горючих газов в смеси с воздухом приведены в табл. 2.

6.2. Расчет концентрационных пределов воспламенения

в топочном устройстве

Обоснование безопасной работы оборудования, где возможно создание замкнутых объемов с взрывоопасными концентрациями газовоздушных смесей, проводится на основе уравнений, применимых для идеальных газов.

Таблица 2

Концентрационные пределы воспламенения газовоздушных смесей

при атмосферном давлении 101,3 кПа и температуре 20 °С [5]

Вещество	Химическая формула	Концентрационные пределы воспламенения в воздушных смесях, % газа по объему
Нижний	Верхний
Метан		5	15
Этан		3,22	12,45
Пропан		2,37	9,5
Н-бутан		1,86	8,41
Пентан		1,4	7,8
Водород		4	74,2
Окись углерода		12,5	74,2
Ацетилен		2,5	80
Этилен		3,75	29,6
Сероводород		4,3	45,50

Пределы воспламенения горючих технических газов, представляющих собой газовоздушную смесь простых горючих газов , , , , и воздуха, можно определить, используя правило Ле-Шателье. В основе правила лежит предположение о независимости горючих свойств каждого из газов, входящих в газовоздушную смесь. Тогда нижний концентрационный предел воспламенения смеси газов можно вычислить по формуле, %:

, (12)

где ,,,, - нижние концентрационные пределы воспламенения каждого отдельного газа горючей смеси (приведены в табл. 2), %. По аналогичной формуле рассчитывается верхний концентрационный предел воспламенения, необходимо заменить индекс НКПР на ВКПР.

После нахождения концентрационных пределов воспламенения студенту следует для своих данных в масштабе на рисунке показать область воспламенения.

При работе топочных устройств на газообразном топливе иногда могут возникать нештатные ситуации, например погасание пламени. Тогда в топочную камеру через горелку будет подаваться газовое топливо, которое при определенных условиях создаст с воздухом взрывоопасную смесь. Это может привести к взрыву в топочной камере, где уже есть источники зажигания: раскаленные стенки камеры и поверхности изделий. Примем, что при заполнении всего объема топочной камеры газовоздушной смесью, последняя может воспламениться, что приведе к взрыву. При этом объем поступившего в топку горючего газа , при котором будет достигнут НКПР воспламенения газовоздушной смеси, может быть вычислен по формуле, м3:

, (13)

где - геометрический объем топочного устройства, т. е. объем газовоздушной смеси в топке, м3.

Время работы горелки после погасания пламени , когда она подает горючий газ в топку, а последний не горит, до достижения в топочном объеме НКПР воспламенения газовоздушной смеси , можно определить по формуле, с:

. (14)

7. ЭНЕРГИЯ И МОЩНОСТЬ ВЗРЫВА

ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ

Оценка последствий взрывов газовоздушных смесей и разработка мероприятий по уменьшению их последствий может быть сделана на основе рассчитанных энергии и мощности взрыва.

7.1. Взрывное горение

Химический взрыв - это быстрое неуправляемое химическое превращение вещества (взрывное горе­ние), сопровождающееся образованием большого количества сжа­тых газов, под давлением которых могут происходить разрушения различных объектов. Взрыв несет потенциальную опасность травмирования людей.

При взрыв­ном го­ре­нии про­дук­ты сго­ра­ния на­гре­ва­ют­ся до температур °С, что часто приводит к пожару, усу­губляющему негативные последствия взрыва.

Про­дол­жи­тель­ность ре­ак­ции го­ре­ния газовоздушной смеси до наступления взрыв­но­го ре­жи­ма, и продолжительность самого взрыва, обычно со­став­ля­ют около 0,1 с.

Параметрами, по которым определяют мощность взрыва, являются энергия взрыва и скорость её выделения, где энергия определяется физико-химическими превращениями во взрывчатом веществе.

7.2. Расчет энергии и мощности химического взрыва

При химических промышленных взрывах реагируют обычно органические вещества в смеси с воздухом. Взрыв газо - или пылевоздушной смеси в виде облака или в замкнутом объеме приводит к мгновенному адиабатическому расширению продуктов горения и возрастанию давления в месте взрыва. Причиняемые оборудованию и промышленным объектам разрушения зависят от мощности и энергии взрыва. Эти два параметра лежат в основе расчетов давления в центре взрыва и давления взрывной волны, которые будут изучены студентами в специальных дисциплинах.

Наиболее просто расчет энергии взрыва газовоздушной смеси может быть проведен по формуле, кДж: