Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 9
1.1. Основные виды токсичных веществ образующихся при сжигании газообразного топлива и их воздействие на природную среду и организм человека 9
1.2. Горение газообразного топлива 22
1.3. Экологические требования для газогорелочных устройств 27
1.4. Методы анализа газообразного топлива и продуктов его горения 28
1.5. Способы отбора и концентрирования проб 37
Глава 2. Экспериментальная часть 47
2.1. Постановка задачи 47
2.2. Экспериментальная установка 49
2.3. Аппаратура газохроматографического анализа и отбора проб... 51
2.3.1. Газохроматографический комплекс 51
2.3.2. Система пробоотбора 57
2.4. Методика выполнения эксперимента 59
2.5. Методы обработки экспериментальных данных 62
2.5.1. Расчет области устойчивого горения для проведения газохроматографического анализа продуктов горения 62
2.5.2. Обработка экспериментальных данных полученных при работе с аспиратором 63
2.5.3. Обработка результатов хроматографического анализа... 65
2.5.4. Обработка результатов определения содержания компонентов в пробах, полученных при помощи индикаторных трубок... 66
2.5.5. Статистическая обработка экспериментальных данных.. 67
Глава 3. Совершенствование газохроматографического метода анализа состава газообразного топлива и продуктов его горения 69
3.1. Совершенствование газовой схемы хроматографа для анализа газообразного топлива и продуктов его горения 69
3.2. Нахождение рабочих условий газохроматографического разделения 74
3.2.1. Определение диапазона линейности сигнала детектора по теплопроводности 74
3.2.2. Влияние скорости газа-носителя на эффективность работы хроматографической колонки
3.2.3. Оптимизация процесса сорбции примесных соединений в капсуле термодесорбера 81
3.2.4. Методика анализа газообразного топлива и продуктов его горения 83
3.3. Анализ газообразного топлива 85
3.4. Анализ продуктов горения газообразного топлива 87
3.4.1. Анализ продуктов горения с использованием индикаторных трубок 87
3.4.2. Газохроматографический анализ продуктов горения 91
Глава 4. Автоматизация проведения газохроматографического анализа газообразного топлива и продуктов его горения на основе компьютерно- хроматографического модуля 96
Выводы 108
Литература 110
Приложение 120
- Горение газообразного топлива
- Газохроматографический комплекс
- Определение диапазона линейности сигнала детектора по теплопроводности
- Автоматизация проведения газохроматографического анализа газообразного топлива и продуктов его горения на основе компьютерно- хроматографического модуля
Введение к работе
Актуальность работы. Совершенствование методов анализа газообразного топлива и продуктов его горения, а также создание программного обеспечения, направленного на оптимизацию процессов горения в энергетических установках, является актуальной задачей аналитической химии. Получение информации о концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе промышленных предприятий позволяет решать проблемы, связанные с разработкой новых технологических решений направленных на оздоровление окружающей среды.
Из большого количества загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух при сжигании газообразного топлива, можно выделить несколько основных ингредиентов: оксиды азота; оксиды углерода; оксиды серы; твердые частицы (сажа); углеводороды. Также в атмосферном воздухе присутствует большое количество других веществ самой разнообразной физико-химической природы: аммиак, сероводород, альдегиды, полициклические ароматические углеводороды, хлорорганические соединения и др. Химические вещества, поступающие в атмосферный воздух от работы технологических установок промышленных предприятий, трансформируются с образованием более токсичных соединений. Эти вещества в результате трансграничного переноса могут загрязнять соседние регионы и оказывать негативное влияние на организм человека.
Для аналитического контроля продуктов горения газообразного топлива используются различные физико-химические методы анализа. В последнее время с этой целью стали широко использовать газовую хроматографию, которая позволяет в процессе однократного ввода пробы получать качественную и количественную информацию об индивидуальном и групповом составе продуктов горения. Однако при анализе примесных соединений в продуктах горения наблюдается недостаточно высокая чувствительность и селективность некоторых газохроматографических детекторов.
Одним из путей решения этой задачи является концентрирование примесных соединений на различных по селективности сорбентах, что позволяет уменьшить предел обнаружения (ПрО) анализируемых компонентов и обеспечить определение токсичных ингредиентов на уровне ПДК и ниже. Поэтому разработка такой методики анализа газообразного топлива и продуктов его горения, является перспективным направлением аналитической химии.
Используя разработанную методику анализа газообразного топлива и продуктов его горения, можно автоматизировать процесс газохроматографического разделения, что позволит уменьшить погрешность определения анализируемых компонентов и оптимизировать технологические процессы. Это представляет несомненную теоретическую ценность, а кроме того, расширяет возможности практического применения методов газовой хроматографии.
Цель исследования и разработки состоит в совершенствовании газохроматографических методов анализа газообразного топлива и продуктов его горения, направленных на оптимизацию технологических процессов для улучшения экологического состояния природной среды в зоне влияния промышленных предприятий.
Научная новизна:
-разработан метод анализа газообразного топлива и продуктов его горения, основанный на сочетании газохроматографических и линейно-колористических методов;
- показана возможность определения состава газообразного топлива и продуктов его горения с использованием усовершенствованной пневматической схемы газового хроматографа, оснащенного термодесорбером;
- предложен новый метод оценки результатов газохроматографического анализа на основе трехмерной модели и создана карта индивидуального химического состава продуктов горения;
-установлена линейная зависимость постоянного расхода газа от коэффициента избытка воздуха и скорости выхода газовоздушной смеси из газового тракта газогорелочного устройства;
- на основе разработанного метода анализа и найденных закономерностей процесса горения, предложен алгоритм, позволяющий, уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу и обеспечить высокий коэффициент полезного действия энергетических установок;
- найдены рабочие условия анализа газообразного топлива и продуктов его горения, на основе которых создана система автоматизации технологических процессов с использованием компьютерно-хроматографического модуля.
Практическая значимость работы. Созданные программные обеспечения «РУГ» и «Альфа» для оптимизации процесса газохроматографического разделения газообразных веществ позволяют проводить регулярный аналитический контроль содержания вредных примесей в атмосферном воздухе, что может быть использовано в аналитических лабораториях промышленных предприятий. Методика определения качественного и количественного состава примесей, загрязняющих атмосферный воздух в зоне влияния предприятий, была внедрена на «Казанском домостроительном комбинате». Основные положения, выносимые на защиту:
- схема экспериментальной установки, включающая компьютерно хроматографический модуль, систему пробоотбора, пробоподготовки, контроля
и регистрации анализируемых компонентов;
-усовершенствованная пневматическая схема газового хроматографа, содержащая многоходовой кран для изменения потока газа-носителя, подаваемого на термодесорбер;
- результаты определения оптимальных параметров хроматографического анализа газообразного топлива и продуктов его горения;
- оценка концентраций индивидуальных компонентов газообразного топлива в зависимости от технологических параметров топливосжигающей установки;
- метод определения индивидуального состава газообразного топлива и продуктов его горения, включающие газохроматографические и линейно-колористические методы анализа;
- новый метод оценки результатов газохроматографического анализа на основе трехмерной модели и созданной карты индивидуального химического состава продуктов горения;
- результаты разработки компьютерных программ «РУГ» и «Альфа» для анализа индивидуальных компонентов газообразного топлива и продуктов его горения;
- система автоматизации технологических процессов с использованием компьютерно-хроматографического модуля, позволяющая оптимизировать процесс горения.
Апробация результатов работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на 54-, 55- и 56-Республиканской научной конференции (Казань, 2002, 2003 и 2004), VI-ой Международной научно-практической конференции "Кибернетика и высокие технологии XXI века" (Воронеж, 2005), XVII-ой Международной Интернет конференции молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения (Москва, 2005), Аспирантско-магисторском научном семинаре (Казань, 2005), VI-OM Международном симпозиуме "Ресурсоэффективность и энергосбережение" (Казань, 2005), V-ой Всероссийской научно-практической конференции "Окружающая природная среда и экологическое образование и воспитание" (Пенза, 2005), VI-ой Международной научно-практической конференции "Проблема энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексе" (Пенза, 2005), П-ой Всероссийской научно-практической конференции "Технологическое обеспечение качества машин и приборов" (Пенза, 2005), Ш-ей Международной научно-практической конференции "Материалы и технологии XXI века" (Пенза, 2005), 57 8
Республиканской научной конференции по проблемам архитектуры и
строительства посвященной 75-летию КГ АС А (Казань, 2005), 1-ой молодежной
конференции "Тинчуринские чтения" (Казань, 2006), XVII-ой и XVIII-ой
Всероссийской межвузовской научно-технической конференции
"Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий" (Казань, 2005 и 2006).
Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 19 публикациях: одна статья в рецензируемом журнале, две статьи в научных сборниках, 10 тезисов докладов, четыре патента, извещение о государственной регистрации и свидетельство об отраслевой разработке компьютерной программы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, двух глав результатов и их обсуждения, выводов и списка литературы, включающем 162 ссылки, и приложения. Работа выполнена на 152 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков (из них 16 в приложении), 18 таблиц.
Горение газообразного топлива
В основе процесса горения лежат химические реакции соединения топлива с окислителем. Для протекания процесса горения газообразного топлива должны быть созданы определенные условия: необходимо к горючему газу подвести в достаточном количестве окислитель (чаще всего воздух) и обеспечить их равномерное перемешивание; смеси должны находиться в концентрационных пределах воспламеняемости; должен быть создан источник воспламенения; необходимо создать условия для стабилизации фронта воспламенения, т.е. определенный температурный уровень [27, 52].
На практике сжигания газообразного топлива кислород для горения подается в газогорелочное устройство с атмосферным воздухом как его составная часть. В табл. 3 приведены усредненные данные по составу приоритетных компонентов природного атмосферного воздуха.
В соответствии с современными представлениями развитыми в работах [16, 27, 44, 60-62] процесс горения протекает несравненно сложнее, чем по формуле (1.22), так как наряду с разветвлением цепей происходит их обрыв за счет образования промежуточных стабильных соединений. Эти соединения в зоне высоких температур претерпевают дальнейшие стадийные преобразования, приводящие при наличии кислорода к образованию не только конечных продуктов: водяного пара НгО и диоксида углерода СОг, но и новых активных промежуточных продуктов. При общем или местном недостатке окислителя или при вынужденном охлаждении зоны реакции, например, при смывании пламенем холодного теплоприемника, промежуточные соединения могут стабилизироваться и совместно с продуктами завершенного горения попадать в окружающую среду [63].
Начальный процесс образования активных продуктов из исходных веществ всегда идет с поглощением энергии, т.е. является эндотермическим, так как для разрыва внутримолекулярных связей необходима энергия.
Разветвление цепи происходит в результате реагирования одной молекулы активного вещества с исходным веществом, вследствие чего образуются две или несколько молекул активного продукта. Если скорость разветвления больше скорости обрыва, то происходит развитие цепной реакции. Если же скорость обрыва больше, чем скорость разветвления, то реакция практически не идет. Скорость реакций горения в свою очередь зависит от разветвленности реакции и наличия активных центров. Активные частицы это атомы и радикалы, генерируемые самой реакцией, легко вступающие в соединения с исходными веществами и между собой, приводящие к образованию конечных продуктов и новых активных частиц, способных повторять ту же цепь реакций. Нарастающее самопроизвольное генерирование таких частиц приводит к разгону химических реакций и воспринимается как взрыв всей смеси. К обрыву цепи может привести столкновение активных центров между собой или с молекулами инертного вещества, а также со стенкой реактора.
Схема и итог единичного цикла показывают, что вступление в реакцию одного атома водорода приводит к образованию двух молекул водяного пара и трех атомов водорода, каждый из которых может либо дать начало новой серии превращений, либо рекомбинироваться в стабильную молекулу Н + Н = Н2, замедляющую разветвление цепи.
Механизм взаимодействия оксида углерода с кислородом несколько сложнее и связан с сопутствующими, протекающими параллельно реакциями. Объясняется это тем, что сухая смесь оксида углерода с кислородом не реагирует до температуры 700 С, а выше ее протекает медленная гетерогенная (неоднородная) реакция по всему объему только при наличии в
С целью улучшения экологического состояния природной среды в зоне влияния промышленных предприятий осуществляется большое количество комплексных исследований. Успех проведения таких исследований во многом зависит от возможностей методов проведения газового анализа по определению концентраций тех или иных вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу с продуктами горения.
Существует множество физико-химических методов анализа компонентного состава газообразного топлива и продуктов его горения, среди которых: оптические, электрохимические, хроматографические, линейно-колористические и др. Каждый из методов имеет свои преимущества и недостатки, позволяющие применять их в том или ином случае. Рассмотрим некоторые наиболее распространенные методы анализа газообразных соединений. Оптические методы анализа Оптические методы анализа являются одним из наиболее бурно развивающихся. Этот эффективный и экспрессный метод используются для установления строения как индивидуальных органических соединений, синтетических, природных, так и их смесей [69, 70].
Газохроматографический комплекс
Хроматограф «Кристаллюкс-4000М» используемый в работе для анализа газообразного топлива и продуктов его горения полностью автоматизирован, начиная от ввода пробы и заканчивая обработкой хроматографической информации, в т.ч. реализованы функции автоматического регулирования температуры термостатов, расходов газа-носителя и вспомогательных газов, измерения сигналов детекторов с помощью 24-разрядного АЦП.
Газохроматографический комплекс (рис. 6) состоит из аналитического блока 2 и станции управления, контроля и обработки хроматографической информации, в качестве которой используется персональный компьютер 3, 4. Для регистрации результатов анализа использовали компьютерную программу сбора, хранения и обработки хроматографической информации «ХромЛюкс» с возможностью распечатки полученных данных анализа на принтере 1. Газовый хроматограф «Кристаллюкс-4000М» 1 - принтер; 2 - аналитический блок хроматографа; 3 - монитор; 4 - системный блок компьютера Принципиальная газовая схема хроматографа «Кристаллюкс-4000М» приведена на рис. 7. Принципиальная газовая схема хроматографа «Кристаллюкс-4000М» 1 - газовый редуктор; 2 - баллон с газом-носителем; 3 - газовый фильтр; 4 - регулятор давления; 5 - регуляторы расхода газа-носителя; 6 - испарители; 7 - хроматографические колонки; 8,9- измерительная и сравнительная камеры детектора; 10 - детектор по теплопроводности (ДТП); 11 - выход газа в атмосферу; 12 - нити детектора; 13 - усилитель и обработчик сигнала детектора; 14 - персональный компьютер; 15 - принтер; 16 - программа сбора, хранения и обработки хроматографической информации
Аналитический блок хроматографа имеет два независимых канала разделения и обработки информации и состоит из следующих основных частей: - термостат, в котором располагаются хроматографические колонки; - сменный аналитический модуль, в котором располагаются детекторы и дозирующие устройства; -блок подготовки газа-носителя, в котором монтируются газовые фильтры, регуляторы давления, регуляторы расхода газа-носителя. Кроме того, имеются электронные блоки: терморегулятор и система программирования температуры, мостовая схема, усилитель и источники питания.
Компоненты газовой пробы с концентрациями меньше порогового значения определения детектора по теплопроводности предварительно концентрировали в капсуле с сорбентом. Извлечения пробы из капсулы с сорбентом и ввод ее в хроматографическую колонку, проводили с помощью термодесорбера, который монтировался на испаритель хроматографа и подключался к магистрали подвода газа-носителя. Аналитический модуль хроматографа. Конструкция термодесорбера (шток выдвинут) 1 - корпус термодесорбера; 2 - фланец; 3 - испаритель; 4 - кольцо уплотнительное; 5 - штуцер; 6 - колонка хроматографическая; 7 - шток; 8 - ручка с фиксатором; 9 - капсула; 10 - муфта; 11 - трубка; 12 - осевой канал; 13 - кольцо уплотнительное; 14 - радиальный канал; 15 - гайка В состав термодесорбера входят следующие узлы и детали: корпус 1, представляющий собой цилиндр с гладкостенным отверстием, в нижней части которого имеется фланец 2 с резьбой, посредством которой он крепится к испарителю 3. Герметичность соединения корпуса 1 термодесорбера и камеры испарения испарителя 3 обеспечивается уплотняющим кольцом 4. На боковой поверхности корпуса 1 расположен штуцер 5, через который во внутренний объем корпуса 1 термодесорбера, а затем в камеру испарения испарителя 3 и далее в хроматографическую колонку 6 подается поток газа-носителя. Внутри корпуса 1 расположен шток 7, снабженный в верхней части ручкой 8 с фиксатором. В верхней части штока 7 находится гайка 15, которая накручивается на корпус 1 и обеспечивает фиксацию штока 7 в крайнем верхнем положении (шток выдвинут). В нижней части штока 7 резьбовым соединением закреплена капсула 9, уплотненная муфтой 10 и трубкой 11, через которую из осевого канала 12 в штоке 7 поступает газ-носитель в капсулу 9 при перемещении ее в нагретую зону (зону десорбции).
В нижней части штока 7 выполнены две кольцевые проточки, в которые установлены уплотнительные кольца 13. Между проточками для подвода газа-носителя выполнен радиальный канал 14, который сообщается с осевым каналом 12, связанным с внутренним объемом капсулы 9.
Уплотнительные кольца 13 выполняют две функции: обеспечивают уплотнение между штоком 7 и корпусом 1; выполняют функцию крана, перераспределяющего поток газа-носителя, в исходном состоянии омывающего капсулу 9 снаружи и продувающего незаполненный объем камеры испарения испарителя 3, а в рабочем состоянии продувающего внутренний объем капсулы 9, перенося десорбирующиеся компоненты в колонку 6.
Термодесорбция осуществляется за счет нагрева капсулы до фиксированной температуры со скоростью более 300 С в секунду. Особенность данной конструкции термодесорбера и его высокие эксплуатационные характеристики заключаются в отсутствии паразитного объема между капсулой термодесорбера и хроматографической колонкой. Это позволяет работать с высоким разрешением хроматографических пиков, как с насадочной, так и с капиллярной колонкой.
Отбор проб для газохроматографического анализа продуктов горения газообразного топлива осуществляли посредством водоохлаждаемого пробоотборного устройства. Дальше продукты горения газообразного топлива прокачивались системным насосом через кран-дозатор хроматографа.
Определение диапазона линейности сигнала детектора по теплопроводности
Для проверки диапазона линейности сигнала детектора по теплопроводности (ДТП) к соединениям CmHn, проводили градуировку с помощью поверочной газовой смеси (ПГС) - метан 100 %.
Величина аналитического сигнала детектора по теплопроводности зависит от силы тока моста ДТП. С целью определения оптимальной силы тока проводили три параллельных анализа по пяти возрастающим концентрациям метана: 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 мл при разных значениях силы тока моста ДТП 30, 40, 50, 60, 65 мА. Ввод пробы метана в испаритель осуществляли при помощи крана-дозатора, что обеспечивало идентичность объемов вводимых в хроматограф.
Как видно из рис. 18, высота пика метана зависит от задаваемого тока моста и возрастает по мере его увеличения. Линейная зависимость сигнала детектора от силы тока ДТП наблюдается до значений 60 мА. Дальше эта зависимость отклоняется от линейности и анализы в этой области проводить нежелательно. Отклонение от линейности сигнала детектора, по-видимому, можно объяснить тем, что чувствительный элемент (нить) детектора при большой силе тока сильно разогревается и анализируемое вещество при этом испаряется, а также возможно каталитическое воздействие на пробу. Для дальнейшей работы был выбран режим со значениями тока моста ДТП 60 мА, который обеспечивает работу детектора в линейной области сигнала. Значения хроматографических параметров метана (высота h, площадь пика F) при различных условиях проведения анализа приведены в табл. 11. Здесь же даны результаты статистической обработки, которые свидетельствуют о хорошей воспроизводимости полученных данных.
Для определения чувствительности детектора по теплопроводности, при ранее найденном оптимальном значении силы тока моста ДТП - 60MA, проводили анализ метана с объемом пробы 0,1 мл. Ввод пробы метана в испаритель хроматографа осуществляли при помощи крана-дозатора. Хроматограмма метана приведена на рис. 19.
Как известно из литературных данных [153], на результат газохроматографического анализа сильное влияние оказывает скорость газа-носителя. Это в первую очередь связано с размыванием хроматографической полосы (пика), которое определяется вкладом молекулярной диффузии в газовой фазе, вихревой диффузии и диффузионным массопереносом. Для нахождения оптимальной скорости газа-носителя проводили хроматографический анализ пробы метана (0,5 мл) при различной скорости газа-носителя (5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 см3/мин).
Из полученных результатов (рис. 20) видно, что область от 20 до 40 см /мин наиболее благоприятна для разделения, поскольку достигается максимальная эффективность колонки, а возможные колебания скорости потока не ухудшают разделения. В этой области преобладающую роль в размывании обычно играет вихревая диффузия, а в нашем случае кинетическая составляющая, так как использованный нами сорбент равномерный и малого зернения, что в некоторой степени повысило эффективность колонки.
Таким образом, построение кривой H-V позволило выбрать скорость потока газа-носителя для газохроматографического анализа газообразного топлива и продуктов его горения 30 см /мин, при которой достигается максимальная эффективность колонки, а возможные колебания скорости потока не ухудшают разделения.
Для успешной реализации метода термодесорбции при анализе отобранных проб необходимо выявить оптимальные условия десорбции контролируемых веществ из сорбента (температура, объем и скорость газовой среды), позволяющие извлечь их без потерь и ввести в хроматографическую колонку.
Оптимальное время для концентрирования большинства соединений в объеме сорбента 0,6 см (слой сорбента 50 мм в трубке с внутренним диаметром 4 мм) со скоростью аспирации 1,0 л/мин составило 5 мин. 3.2.4. Методика анализа газообразного топлива и продуктов его горения
На основе проведенных исследований разработан метод определения индивидуального состава газообразного топлива и продуктов его горения. Он заключается в сочетании использования линейно-колористического и газохроматографического метода анализа и позволяет добиться наиболее полного разделения анализируемых соединений. Кроме того, реализованы возможности определения примесных соединений в продуктах горения при помощи усовершенствованной схемы хроматографа с термодесорбером.
Условия газохроматографического анализа газообразного топлива и продуктов его горения при использовании крана-дозатора следующие: первая хроматографическая колонка (2 м х4 мм) заполняется цеолитом СаА (5А) с фр. 0,2-0,4 мм, вторая (1,8 м х4 мм) - полисорбом-1 с фр. 0,1-0,25 мм. На цеолите СаА происходит разделение метана, оксида углерода, кислорода и азота, которое не достижимо на сорбенте полисорб-1. На полимерном сорбенте полисорб-1 происходит разделение водяных паров и диоксида углерода, которые необратимо адсорбируются при использовании цеолита СаА. Скорость газ-носителя (гелий) - 30 мл/мин, ток моста ДТП-60 мА. Программирование температуры термостата хроматографических колонок от 100 до 160 С. Объем дозировочной петли крана-дозатора - 0,5 мл.
Условия анализа примесных соединений с помощью термодесорбера: капсула (53 х4 мм) заполняется сорбентом объемом 0,6 см . Цеолит СаА (5А) используется для концентрирования примесей с эффективным размером молекул вплоть до пропана (5,1 А) и полисорб-1 - для более тяжелых примесей. Концентрирование примесей в капсуле с сорбентом осуществляется путем прокачивания через нее объема пробы со скоростью 1 л/мин в течение 5 мин при t = 20 С. Капсула с сорбентом нагревается в термодесорбере со скоростью 300 С/сек до фиксированной температуры, которая для полисорба-1 составляет 240 С, а для молекулярных сит 290 С.
Как видно из рис. 21, помимо содержания основных компонентов (пропана и бутана) в газовой смеси бьши найдены концентрации метана, этана и удалось добиться разделения изомеров бутана и пентана. Результаты определения состава пропан-бутановой смеси послужили основой для создания рабочей карты газогорелочного устройства и нахождения области устойчивого горения, в которой проводился анализ продуктов горения.
В большинстве случаев в газосжигающих установках используется природный газ. Поэтому был проведен анализ природного газа, по предлагаемой нами методике. Анализ продуктов горения газообразного топлива проводили после исследования рабочих характеристик газогорелочного устройства. Предварительно концентрацию приоритетных компонентов продуктов горения определяли в области устойчивого горения, линейно-колористическим методом с помощью индикаторных трубок.
Автоматизация проведения газохроматографического анализа газообразного топлива и продуктов его горения на основе компьютерно- хроматографического модуля
Продукты неполного сгорания, поступающие в атмосферный воздух от топливосжигающих установок, негативно влияют на окружающую среду и организм человека. В большинстве случаев это происходит потому, что процесс горения газообразного топлива не оптимизирован. Для оптимизации процесса горения необходимо обеспечить работу газогорелочного устройства на определенном рабочем коэффициенте избытка воздуха, при котором достигается полнота сжигания топлива и минимальное количество химического недожога q .
В общем случае коэффициент избытка воздуха а показывает отношение поступившего в установку воздуха к объему воздуха, необходимому для полного сгорания топлива в соответствии со стехиометрическими уравнениями. Сжигание топлива с недостаточным для полного сгорания объемом воздуха ведет к потерям тепла и загрязнению воздушного бассейна оксидом углерода и другими ингредиентами. Увеличение же избытка воздуха сверх оптимального приводит к возрастанию потерь тепла с уходящими газами, может существенно снизить температуру в топке и обусловить этим неполное сгорание топлива.
Нами были проведены эксперименты по определению величины химического недожога и рабочего коэффициента избытка воздуха, при котором обеспечивается оптимизация процесса горения газообразного топлива. Таким образом, для определения потерь тепла из-за химической неполноты горения топлива необходимо располагать информацией, полученной из газохроматографического анализа, о составе продуктов горения для подсчета Q и а,а также о составе сжигаемого топлива для подсчета Уст.
и а". По результатам проведенного нами хроматографического анализа продуктов горения от газогорелочного устройства [139] при постоянном расходе газа (луч РГ2) была найдена зависимость величины химического недожога от коэффициента избытка (расхода) воздуха. Эта зависимость приведена на рис. 27. Она показывает, что используемая в работе пропан-бутановая смесь сжигается с максимальной теплоотдачей и минимальным химическим недожогом при а = 1,15, что также согласуется с литературными данными [43, 155]. Работа с этим коэффициентом избытка воздуха позволяет оптимизировать процесс горения, обеспечить эффективность использования топливосжигающей установки и существенно уменьшить выбросы загрязняющих веществ в атмосферу.
Как видно из рис. 27, при неправильной организации процесса горения газообразного топлива и отклонениях от оптимальных режимов работы потери тепла от химического недожога достигают значительных величин. Например, содержание СО в продуктах горения 0,1 об. % влечет за собой потерю тепла с химической неполнотой горения, равную примерно 0,3 - 0,35 %, а содержание в продуктах горения 0,1 об. % метана соответствует цз 1 %, что согласуется с литературными данными [85].
По результатам проведенных исследований нами было разработано устройство автоматизации анализа индивидуального состава газообразного топлива и продуктов его горения на основе компьютерно-хроматографического модуля [156]. Оно позволяет автоматически проводить отбор проб продуктов горения и газообразного топлива с последующей корректировкой режима работы газогорелочных устройств и тем самым оптимизировать процесс горения в энергетических установках (рис. 29).
Устройство автоматизации анализа индивидуального состава газообразного топлива и продуктов его горения состоит из газового хроматографа 19, который соединен с блоком управления 2, укомплектованным компьютером и монитором 1, при помощи электрической связи 21. К хроматографу 19 подключен через автоматический кран-дозатор 18 термодесорбер 17. К термодесорберу 17 при помощи пневматической связи 14 подключен датчик промышленных выбросов в атмосферу 8, представляющий собой пробоотборник, оснащенный системой охлаждения и установленный в трубе 7 промышленных выбросов в атмосферу и датчик состава газообразного топлива 12. К блоку управления 2 при помощи электрической связи 4 подключен термодесорбер 18. Блок управления 2, как орган управления, связан электрической связью 3 с системой фильтрации промышленных выбросов в атмосферу 6, а также с шиберной задвижкой, установленной на линии подачи воздуха в газогорелочное устройство 13. При помощи электрической связи 3 к блоку управления 2 подключен фильтр 6, через который проходят в атмосферу промышленные выбросы.
