Вопрос № 4. Реакция горения метана в воздухе. Продукты сгорания газа и контроль за процессом горения.

Горение — это сложный физико-химический процесс взаимодействия горючих компонентов топлива с окислителем, в частности, горение топлива — это реакция быстрого окисления его компонентов, сопровождающаяся интенсивным тепловыделением и резким повышением температуры.

Рассмотрим реакцию горения метана как основного компонента из числа составляющих природного газа:

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О.

Из уравнения этой реакции следует, что для окисления одной молекулы метана необходимы две молекулы кислорода, т.е. для полного сгорания 1 м³ метана требуется 2 м³ кислорода.

В качестве окислителя используется атмосферный воздух, который представляет собой сложную смесь веществ, в числе которых 21 об. % О₂, 78 об. % N₂ и 1 об. % СО₂, инертных газов и др. Для технических расчетов обычно принимают условный состав воздуха из двух компонентов: кислорода (21 об. %) и азота (79 об. %). С учетом такого состава воздуха для проведения любой реакции горения на воздухе для полного сжигания топлива потребуется воздуха по объему в 100/21 = 4,76 раза больше, чем кислорода.

Продуктами полного сгорания природного газа являются: диоксид углерода СО₂, водяные пары Н₂О, некоторое количество избыточного кислорода О₂ и азот N₂. Избыточный кислород содержится в продуктах горения только в тех случаях, когда горение происходит с избытком воздуха, а азот в продуктах сгорания содержится всегда, так как является составной частью воздуха и не принимает участия в горении. Продуктами неполного сгорания газа являются: оксид углерода СО, несгоревшие водород Н₂ и метан СН₄, тяжелые углеводороды С_m Н_n и сажа. Таким образом, чем больше в продуктах сгорания диоксида углерода СО₂, тем меньше будет в них оксида углерода СО, т. е. тем полнее будет сгорание. Введено понятие максимально содержание СО₂ в продуктах сгорания – это количество СО₂, которое можно было бы получить в сухих продуктах сгорания при полном сгорании газа без избытка воздуха.

Наиболее совершенный способ контроля поступления воздуха в топку и полноты его сгорания – анализ продуктов сгорания с помощью автоматических газоанализаторов. Газоанализаторы периодически отбирают пробу отходящих газов и определяют содержание в них диоксида углерода,а также сумму оксида углерода и несгоревшего водорода (СО + Н₂) в объемных процентах. Если показания по стрелке по шкале (СО + Н₂) равны 0, значит горение полное, и в продуктах сгорания нет (СО + Н₂). Если стрелка отклонилась от нуля вправо, то в продуктах сгорания есть (СО + Н₂), т.е. происходит неполное сгорание. На другой шкале стрелка газоанализаторы должна показывать максимальное содержание СО_2max в продуктах сгорания. Полное сгорание происходит при максимальном проценте диоксида углерода и нулевом содержании (СО + Н₂).