Безопасность работы топочного устройства, работающего на природном газе

Безопасность работы топочного устройства, работающего на природном газе

Содержание

Введение

. Характеристика и работа топочного устройства

.1 Конструкция топочного устройства

.2 Характеристики используемого газового топлива

.3 Тепловая мощность топочного устройства

.4 Конструкция горелки

.5 Подбор горелки

. Горение газообразного топлива

.1 Количество воздуха, необходимого на горение

.2 Объемы и состав продуктов горения

. Скорость горения газовоздушной смеси

. Расчет концентрационных пределов воспламеняемости газовоздушной смеси

.1 Концентрационные пределы воспламеняемости

.2 Расчет концентрационных пределов воспламеняемости в топочном устройстве

. Энергия и мощность взрыва газовоздушной смеси

.1 Расчет энергии и мощности химического взрыва

. Предохранение оборудования от взрывов

Вывод

Список использованной литературы

Введение

топочный газ горение взрыв

Особую роль в технологиях различных производств играют процессы горения топлива и взрывы. Рассматривая эти процессы, следует отметить, что их основной являются химические реакции горючих элементов с кислородом, причем эти реакции протекают в сложных условиях в сочетании с рядом физических процессов, накладывающийся на основной химический процесс. Важное значение при этом приобретают вопросы безопасного использования и управления процессами горения и взрыва на производстве и разработка мер защиты человека и окружающей среды от возможных воздействий при горении органических топлив и веществ.

Цель курсовой работы - рассчитать и обосновать безопасность работы топочного устройства, работающего на природном газе.

В соответствии с целью работы определены задачи:

.        Рассчитать расход газового топлива и процесс горения его в топочном устройстве.

.        Подобрать горелочное устройство.

.        Рассчитать максимальную нормальную скорость распространения пламени.

.        Рассчитать концентрационные пределы взрываемости при работе топочного устройства во внештатной ситуации.

.        Определить время работы горелочного устройства при отсутствии горения, когда будет достигнут нижний концерационный предел воспламенения газовоздушной смеси.

.        Определить энергию и мощность взрыва газовоздушной смеси.

.        Обосновать установку и рассчитать взрывные предохранительные клапаны.

.        Сделать выводы по работе.

Исходные данные. КПД топочного устройства равен 0,92, тепловая мощность топочного устройства равна 1000 кВт, название газопровода: Дашава - Киев. Процентное содержание веществ сведем в таблицу (1). Внутренние размеры топочного устройства (ширина, высота, длина) равны 2,2 м, 1,6 м, 1,4 м.

1.      Характеристика и работа топочного устройства

.1 Конструкция топочного устройства

Эксплуатация технологических и огнетехнических установок (топок, котлов, печей, сушилок и т.п.) связана с сжиганием в их топочной камере различных видов топлива, что приводит к повышенной пожаро- и взрывоопасности оборудования. Правильно спроектированное теплотехническое оборудование позволяет избежать нештатных ситуаций, повысить надежность и безопасность его работы.

В различных технологических процессах и оборудовании широко используются горючие газы и легковоспламеняющиеся жидкости, которые при определенных условиях могут создавать взрывоопасные смеси. Образование взрывоопасной газовоздушной смеси может иметь место при утечках газа, неправильной работе горелок в процессе эксплуатации, при неправильно выбранных технологических режимах и др. Взрывоопасная смесь может образоваться внутри топочной камеры, в здании газовой котельной, здании газорегулирующего пункта и др.

Рис.1 эскиз топочной камеры:

- горелочное устройство; 2 - топочная камера; 3 - факел; 4 - канал для отвода продуктов сгорания.

Топочная камера (рис.1) обычно представляет собой замкнутый объем 2 в виде параллелепипеда или цилиндра, куда через горелочное устройство 1 попадаются топливо и воздух на горение, а с другой стороны через канал 4 отводятся продукты сгорания.

При сжигания топлива в топочной камере образуется факел 3, мощность источника тепловой энергии излечением. Энергия от сжигания топлива передается внутренним стенкам топочной камеры и продуктам сгорания. Часть этой теплоты полезно используется в различных технологических процессах на получение горячей воды и пара, на нагрев металла, сушку материалов и т. п.

.2 Характеристики используемого газового топлива

Основные характеристики газовых топлив приводятся в справочной литературе. К этим характеристикам следует отнести: объемную долю каждого входящего в смесь газа или его процентов содержание в топливе по объему; плотность газа; низшую теплоту сгорания. Для некоторых природных газов они приведены в табл.1

Таблица 1

Расчетные характеристики природных газов

.3 Тепловая мощность топочного устройства

Химическая теплота, получаемая за единицу времени при сжигании газового топлива устройстве, может быть определена по формуле, кВт,

где- объемный расход газового топлива при нормальных физических условиях через горелочное устройство, нм3/с;

 - низшая теплота сгорания сухого газового топлива,(табл.1) кДж/м3

Здесь под нормальными физическими условиями понимается 1 м3 горючего газа, взятого при давлении 101300 Па и температуре 273 К.

Полученная в топочном устройстве теплота расходуется следующим образом. Часть теплоты Q1=1000кВт используется на полезные нужды в зависимости от назначения теплового агрегата. Другая часть теплоты идет на покрытие различных потерь в тепловом агрегате: потери в окружающую среду, потери с недожогом топлива, потери с уходящими дымовыми газами и т.п. Учитывая эти потери, можно записать формулу для расчета полезной тепловой мощности топочного устройства. кВт,

= VTУ.Н ·ȠTУ QHC;

Vту.н=;

где ȠTУ- коэффициент полезного действия топочного устройства.

.4 Конструкция горелки

Горелочное устройство может включать в себя одну или несколько однотипных газовых горелок.

Широкое применение в различных нагревательных и термических печах, сушилках, туннельных печах промышленности стройматериалов и в других тепловых установках нашли газовые горелки турбулентного смешения с принудительной подачей воздуха типа ГНП. Эскиз горелки показан на рис.2

Рис.2 Горелка ГНП конструкции Теплопроекта:

- насадок; 2 - корпус; 3 - газораспределительность устройств; 4 - наконечник; 5 - завихритель

Горелка состоит из чугунного литого корпуса 2, газораспределительного устройства 3, завихрителя лопатного типа 5. Насадок 1 является одновременно устройством для крепления горелки к фронтовой плите и смесительной камерой.

Горелки имеют широкий диапазон регулирования тепловой мощности и могут работать на нагретом до 400оС воздухе. Для получения пламени разной длины и светимости горелки ГНП оборудуются много- или одноструйным соплами и лопатками 5 для закрутки воздуха.

Основные характеристики горелки ГНП-6 приведены в табл.2.

Таблица 2

Технические характеристики низконапорной газовой горелки типа ГНП-6

1.5 Подбор горелок

При проектировании топочных устройств необходимые газовые горелки подбирают по справочникам, отраслевым нормалям и каталогам с учтём их тепловой мощности, пределов регулирования, располагаемых давлений газа и воздуха, режимов теплообмена и т.п. Это связано с тем, что теоретический расчет газовых горелок является весьма сложным и трудоемким, так как связан с комплексными расчетами процессов смешения, горения и теплоотдачи, которые должны обеспечивать не только высокую эффективность сжигания газового топлива, но и минимально возможную концентрацию вредных компонентов в продуктах сгорания.

Подбор горелок осуществляется, исходя из предъявленным к ним требованиям:

создание достаточно равномерного поля температур в топочном устройстве;

сжигание газа с минимальными избытками воздуха;

устойчивость работы горелок при различных тепловх режимах.

Число устанавливаемых горелок в основном определяется их типом, мощностью горелочного устройства, давлением газа и др.

В связи с вышесказанным ниже приведена методика подбора горлки для топочного устройства заданной тепловой мощности. Исходными данными для подбора являются тепловая мощность и коэффициент полезного действия топочного устройства, давление и температура газа перед горелкой, химический состав сжигаемого газа и др.

По известному виду сжигаемого газа по справочникам х3-4ъ или таб. 1 определяют низшую теплоту сгорания сухого газа .

Зная, что в топочном устройстве при сжигании горючего газа должно выделяться Q теплоты в единицу времени, несложно подсчитать с использованием формулы (1) объемный расход газа при нормальных физических условиях на горелочное устройство.

Для расчета объемного секундного расхода горючего газа при заданных давлении и температуре необходимо сделать перерасчет по формуле, м3/с,

;

где РГ и ТГ - давление в Па и температура в К газового топлива перед горелкой.

По найденному объемному расходу газа VТУ через горелочное устройство можно по табл. 2 подобрать требуемую горелку.

Для этого переводим объемный секундный расход горючего газа в номинальный расход газа и получаем 91,296 м3/ч.

Горелка подобрана верно.

2. Горение газообразного топлива

Для сжигания органического топлива в топочных устройствах требуется окислитель, которым обычно является кислород воздуха.

.1 Количество воздуха, необходимого на горение

Если предложить, что на горение единицы объема газового топлива для его полного окисления требуется определенное количество кислорода, который содержится в объеме воздуха Vo, то это объем воздуха называют теоретическим необходимым для горения. При сжигания газообразного топлива этот объем можно определить по формуле, м3/нм3

;

;

; Σ200

где Н, О, СО, Н2S, CmHn - процентное содержание по объему в топливе соответствующих газов: водорода, кислорода, оксида углерода, сероводорода, углеводородов;

m,n - число атомов углерода и водорода в углеводородном соединении.

При подачи на горение только теоретически необходимого объема воздуха топливо сжечь в топочном устройстве полностью не удастся по ряду причин. Поэтому для более полного сгорания топлива в топочном устройстве в него всегда подают воздуха больше теоретически необходимого. Количество действительно поданного в топку воздуха VВ при нормальных физических условиях, отнесенное к теоретически необходимому Vo, называют коэффициентом избытка воздуха в топке

Чем больше совершенно горелочное устройство и сама топка, тем меньше требуется подавать избыточного воздуха. В современных топочных устройствах при сжигании газообразного топлива коэффициент избытка воздуха αт обычно лежит в пределах 1,05....1,1. Принимаем .

Объемный секундный расход воздуха, идущего на горение в топочное устройство, определяем по формуле, м3/с,

где tв- температура подаваемого в топочное устройство воздуха, oС. Принимаем tв=30оС.

.2 Объемы и состав продуктов сгорания

При расчетах топочных устройств часто требуется знать количество и состав образующихся при горении дымовых газов, чтобы правильно рассчитать теплоперенос к поверхностям нагрева, правильно подобрать размеры газоходов и скорости движения газов, выбрать тягодутьевые устройства и т.п. Расчеты количества продуктов сгорания ведутся на единицу сжигаемого топлива, исходя из уравнения материального баланса процесса горения в топочном устройстве.

Теоретический объем азота, водяных паров, трехатомных газов и продуктов сгорания при α=1 рассчитываются по формулам для газообразного топлива, м3/нм3,

;

;

; Σ399.2

; (7)

;

;

; Σ100,2

;

;

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

При величине αт>1 объем образующихся в топочном устройстве продуктов сгорания будет больше на величину количества избыточного воздуха (αт-1)Vo и на долю заключенных в нем водяных паров 0,0161(αт-1)Vo, т.е.

 (8)

3. Скорость горения газовоздушной смеси

Для осуществления интенсивного процесса горения газообразного топлива в топочной камере его необходимо предварительно смешивать в горелке с воздухом. На выходе из горелки газовоздушная смесь поджигается и горит. Для оптимальной работы горелки нужно, чтобы скорость горения газовоздушной смеси не превышала бы максимальную нормальную скорость горения. В противном случае может произойти отрыв пламени от устья горелки и возникнуть внештатная ситуация, когда прекращается процесс горения и в топочной камере начинает накапливаться газовоздушная взрывоопасная смесь.

Для определения пределов устойчивости работы горелки, когда сжигается гомогенная газовоздушная горючая смесь, обычно рассчитывают максимальную нормальную скорость распространения пламени.

Под максимальной нормальной скоростью распространения пламени UМН понимают линейную максимальную скорость перемещения элемента фронта пламени относитьльно свежей смеси по направлению нормали к поверхности этого фронта в данном месте.

Значения максимальной нормальной скорости распространения пламени для некоторых газов приведены в табл.3.

Таблица 3

Максимальная нормальная скорость распространения пламени UМН в смесях. Различных газов с воздухом при давлении 103,3 кПа и температуре 20оС [4]

Максимальная нормальная скорость распространения пламени в смеси сложного газа с воздухом может быть определена по формуле, м/с,

; (9)

где U1MH, U2MH,…,UnMH - максимальные нормальные скорости распространения пламени компонентов сложного газа в смеси с воздухом, м/с;

r1, r2, …,rn - содержание отдельных компонентов в сложном газе по объему,%. Для природных газов они приведены в табл.1.

4 Расчет концентрационных пределов воспламеняемости газовоздушной смеси

.1 Концентрационные пределы воспламеняемости

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

Рис. 3 Расположение взрывоопасной области в зависимости от концентрационных пределов воспламеняемости

Эти приделы соответствуют и условиям взываемкосит газовоздушных смесей. Если содержание газа в газовоздушной смеси меньше НКПР воспламеняемости, то такая смесь 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 воспламеняемости. Такая смесь (богатая) гореть и взрываться также не может. Если содержание газа в смеси находится между НКПР и ВКПР воспламенения, то при появлении источника инициирования, то при появлении источника инициирования смесь воспламеняется и горит. Такая смесь взрывоопасна.

При оценке и обосновании пожаровзрывобезопасности работы технологического оборудования всегда необходимо оценить расчетным путем возможность возникновения в нем зон взрывоопасных газовоздушных смесей, ограниченных нижним СНКПР и верхним СВКПР концентрационными пределами воспламеняемости.

Значения пределов воспламеняемости горючих газов в смеси с воздухом приведены в табл. 4.

Таблица 4

Пределы воспламенения газовоздушных смесей при атмосферном давлении 101,3 кПа и температуре 20 °С [5]

.2 Расчет концентрационных пределов воспламеняемости в топочном устройстве

Пределы воспламенения горючих технических газов, представляющих собой газовоздушную смесь простых газов и воздуха, можно определить, используя правило Ле-Шателье. В основе этого газовую смесь, %:

 (10)

правила лежит предположение о независимости горючих свойств каждого из газов, входящих в где Сх - определяемый нижний или верхний концентрационный предел, %;

- верхние или нижние концентрационные пределы воспламенения каждого отдельного газа горючей смеси, %, приведенные в табл, 4.

Нижний концентрационный предел:

Верхний концентрационный предел:

Используя формулу (11), можно определить время работы горелки tНКПР в аварийной ситуации, когда горения смеси не происходит, но при этом в топке достигается нижний концентрационный предел воспламенения СНКПР, с,

=8,112 (11)

где VГТ.НКПР- объем газа в топочной камере, соответствующий нижнему концентрационному пределу воспламенения газовоздушной смеси, расчет которого провести по формуле, м3,

VГТ.НКПР=0,01СНКПР×V=0,01×4,991×4,928=0,245; (12)

5. Энергия и мощность взрыва газовоздушной смеси

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

.1 Расчет энергии и мощности химического взрыва

Химический взрыв - это быстрое неуправляемое химическое превращение вещества, сопровождающееся образованием большого количества сжатых газов, под давлением которых могут происходить разрушения различных объектов. При химических промышленных взрывах горючими веществами обычно являются 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.

Наиболее просто расчет энергии взрыва Э газо- или пылевоздушной смеси может быть проведен по формуле, кДж,

; (13)

Qсн - низшая теплота сгорания горючего газа на сухую массу, кДж/м3(табл. 1).

где т - масса горючего газа в газовоздушной смеси в топочном объеме, ведущего к взрыву и сгорающего в результате последнего, кг;

 ;

где Р = 101300 Па; Т = 293 К;  = 29 кг/кмоль.

Мощность взрыва N можно рассчитать по формуле, кВт;

 ; (14)

где  - продолжительность времени, в течение которого происходит взрыв, с. Для расчетов принять равной 0,1 с.

6. Предохранение оборудования от взрывов

При определенных условиях в топочных устройствах может образоваться взрывоопасная газовоздушная смесь, которая при наличии источника воспламенения (нагретые поверхности топочного устройства, поджигающее устройство и т.п.) может взорваться в топочном объеме и привести к разрушению ограждающих конструкций устройства.

Для предотвращения разрушения элементов топочных устройств при возможных взрывах газовоздушных смесей необходимо устанавливать предохранительные взрывные клапаны, которые должны срабатывать при давлении меньше значения давления, приводящего к разрушению конструкций установки. Эти клапаны обеспечивают своевременный сброс продуктов сгорания с повышенным давлением из мест взрыва в окружающую среду.

Распространение получили предохранительные взрывные клапаны трех видов: разрывные, откидные и сбросные.

Все эти клапаны широко применяется в топочных устройствах. Принципиальное устройство клапана разрывного типа показано на рис. 4.

Рис. 4. Принципиальная схема предохранительного взрывного клапана (разрывного типа):

- асбестовая разрушающаяся мембрана; 2, 8 - фланцы; 3 - металлическая крупноячеистая сетка; 4 - огнеупорный слой; 5 - теплоизоляционный слой; 6 - упорный уголок; 7 - короб

В ограждении топочного устройства делается окно, куда крепится короб 7 клапана. Короб на конце имеет фланец 2, на который накладывается крупноячеистая сетка (40x40 или 50x50 мм) 5 и асбестовая мембрана 1 толщиной 2...3 мм. Все это прижимается накладным фланцем 8.

Взрывной предохранительный клапан откидного типа представляет собой плиту, висящую на вертикальной или лежащую на горизонтальной стенке топки котла или газохода. Она закреплена с одной стороны на оси клапана. При взрыве плита поворачивается вокруг оси и дает возможность свободному выходу дымовых газов, образовавшихся при взрыве.

Предохранительный взрывной клапан сбросного типа представляют собой плиту, уложенную горизонтально, которая при работе котла под своей тяжестью плотно лежит в «седле» клапана. При взрыве она отбрасывается в сторону.

Располагают клапаны так, чтобы при срабатывании взрывной волной не был поражен обслуживающий персонал. Если же установить клапан таким образом нельзя, необходимо после клапана иметь защитный короб или козырек, прочно прикрепленный к конструкциям котла, отводящий взрывной выхлоп в сторону (рис. 5).

Расчет и подбор предохранительных взрывных клапанов выполняется в соответствии с имеющимися нормативными документами: на каждый 1 м3 внутреннего замкнутого объема, где может произойти образование взрывоопасной газовоздушной смеси и ее взрыв, необходимо предусматривать 0,025 м2 площади клапана. Исходя из этого условия рассчитывается необходимая суммарная площадь взрывных предохранительных клапанов FK, м2

FK =0,025 .V=0,025×4,928=0,123. (15)

где V - внутренний замкнутый объем, где может произойти взрыв, м3. Так как минимальная площадь клапана, принятая к установке должна быть не менее 0,05 м2, а расчетная получилась 0,123м2, то применяем 1 клапан площадью 0,160 м2, размером 0,4*0,4 м.

ВЫВОД:

В ходе данной курсовой работы было рассчитано и по результатам расчета подобрано 1 горелочное устройство ГНП-6. Определили концентрационные пределы взрываемости газовоздушной смеси во внештатной ситуации. Верхний концентрационный предел - 14,991%, нижний - 4,991%. Определили время работы горелочного устройства при отсутствии горения, когда будет достигнут нижний концентрационный предел, время составляет 0,993 с. Рассчитали максимальную нормальнаю скорость распространения пламени, которая равна 10,473 м/с, энергию взрыва 213198,96 кДж, мощность взрыва газовоздушной смеси 2131989,6 кВт. Для предотвращения разрушения элементов топочного устройства устанавливаем 1 предохранительных клапан размерами 0,4х0,4 м, площадь которых составляет 0,160 м2.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Карауш, С.А. Расчет и обоснование безопасной работы топочного устройства/ Методические указания к курсовой работе/ С.А. Карауш - Т. : Изд-во ТГАСУ, 2006. - 37с.