Метан представляет собой газообразное химическое соединение с химической формулой CH4. Это самый простой представитель алканов. Другие названия этой группы органических соединений: предельные, насыщенные или парафиновые углеводороды. Они характеризуются наличием простой связи между атомами углерода в молекуле, а все остальные валентности каждого углеродного атома насыщены атомами водорода. Для алканов наиболее важной реакцией является горение. Они горят с образованием газообразной двуокиси углерода и паров воды. В результате выделяется огромное количество химической энергии, которая превращается в тепловую или электрическую. Метан является горючим веществом и основным компонентом природного газа, что и делает его привлекательным топливом. В основе широкого использования природного ископаемого лежит реакция горения метана. Поскольку он в нормальных условиях является газом, то его трудно транспортировать на далекие расстояния от источника, поэтому часто его предварительно сжижают.

Процесс горения заключается в реакции между метаном и кислородом, то есть в окислении простейшего алкана. В результате образуется вода и много энергии. Горение метана может быть описано уравнением: CH4 [газ] + 2O2 [газ] → CO2 [газ] + 2H2O [пар] + 891 кДж. То есть одна молекула метана при взаимодействии с двумя молекулами кислорода образует молекулу и две молекулы воды. При этом выделяется равная 891 кДж. Природный газ является самым чистым для сжигания ископаемым, так как уголь, нефть и другие виды топлива более сложные по составу. Поэтому при сгорании они выделяют в воздух различные вредные химические вещества. Поскольку природный газ в основном состоит из метана (примерно на 95%), то при его сжигании практически не образуются побочные продукты или их получается намного меньше, чем в случае с другими видами ископаемого топлива.

Теплотворная способность метана (55,7 кДж/г) выше, чем его гомологов, например, этана (51,9 кДж/г), пропана (50,35 кДж/г), бутана (49,50 кДж/г) или других видов топлива (древесина, уголь, керосин). Горение метана дает больше энергии. Для обеспечения в течение года работы лампочки накаливания мощностью 100 Вт необходимо сжечь 260 кг древесины, или 120 кг угля, или 73,3 кг керосина, или всего 58 кг метана, что соответствует 78,8 м³ природного газа.

Простейший алкан является важным ресурсом для получения электроэнергии. Происходит это за счет сжигания его в качестве топлива котла, вырабатывающего пар, который приводит в движение паровую турбину. Также горение метана используется для получения горячих дымовых газов, энергия которых обеспечивает работу (сжигание осуществляется до турбины или в самой турбине). Во многих городах метан подается по трубам в дома для внутреннего отопления и приготовления пищи. По сравнению с другими видами углеводородного топлива сжигание природного газа характеризуется меньшим выделением углекислого газа и большим количеством полученного тепла.

Горение метана используется для достижения высоких температур в печах различных химических производств, например, крупнотоннажных этиленовых установок. Природный газ в смеси с воздухом подается в горелки печей пиролиза. В процессе сгорания образуются дымовые газы с высокой температурой (700—900 °С). Они нагревают трубы (находятся внутри печи), в которые подается смесь сырья с (для снижения образования кокса в трубах печей). Под действием высоких температур происходит множество химических реакций, в результате которых получают целевые компоненты (этилен и пропилен) и побочные продукты (смола пиролизная тяжелая, водородная и метановая фракции, этан, пропан, углеводороды С4, С5, пироконденсат; каждый из них имеет свое применение, например, пироконденсат используют для получения бензола или компонентов автомобильного бензина).

Горение метана является сложным физико-химическим явлением на основе экзотермической окислительно-восстановительной реакции, характеризующейся высокой скоростью течения и выделением огромного количества тепла, а также теплообменными и массообмеными процессами. Поэтому расчетное определение температуры горения смеси представляет собой сложную задачу, так как кроме состава горючей смеси сильно влияют ее давление и начальная температура. С их увеличением наблюдается рост температуры горения, а теплообменные и массообменые процессы способствуют ее снижению. Температура горения метана при проектировании процессов и аппаратов химических производств определяется расчетным методом, а на действующих установках (например, в печах пиролиза) ее измеряют с помощью термопар.

Горение – это реакция, при которой происходит преобразование химической энергии топлива в тепло.

Горение бывает полным и неполным. Полное горение происходит при достаточном количестве кислорода. Нехватка его вызывает неполное сгорание, при котором выделяется меньшее количество тепла, чем при полном, и окись углерода (СО), отравляюще действующая на обслуживающий персонал, образовывается сажа, оседающая на поверхности нагрева котла и увеличивающая потери тепла, что приводит к перерасходу топлива и снижению к.п.д. котла, загрязнению атмосферы.

Для сгорания 1 м 3 метана нужно 10 м 3 воздуха, в котором находится 2 м 3 кислорода. Для полного сжигания природного газа воздух подают в топку с небольшим избытком. Отношение действительно израсходованного объёма воздуха V д к теоретически необходимому V т называется коэффициентом избытка воздуха a = V д /V т. Этот показатель зависит от конструкции газовой горелки и топки: чем они совершеннее тем меньше a. Необходимо следить, чтобы коэффициент излишка воздуха не был меньше 1, так как это приводит к неполному сгоранию газа. Увеличение коэффициента избытка воздуха снижает к.п.д. котлоагрегата.

Полноту сгорания топлива можно определить с помощью газоанализатора и визуально – по цвету и характеру пламени: прозрачно-голубоватое – сгорание полное;

красный или жёлтый – сгорание неполное.

Скорость продвижения зоны горения в направлении, перпендикулярном самой зоне, называется скоростью распространения пламени. Скорость распространения пламени характеризует быстроту нагрева газовоздушной смеси до температуры воспламенения. Наибольшую скорость распространения имеет пламя водорода, водяного газа (3 м /сек), наименьшую - пламя природного газа и Пропано-бутановой смеси. Большая скорость распространения пламени благоприятно влияет на полноту горения газа, а малая, наоборот, служит одной из причин неполного сгорания газа. Скорость распространения пламени увеличивается при применении газокислородной смеси вместо газовоздушной.

Горение регулируется увеличением подачи воздуха в топку котла или уменьшением подачи газа. В этом процессе используется первичный (смешивается с газом в горелке – до горения) и вторичный (соединяется с газом или газовоздушной смесью в топке котла в процессе горения) воздух.

В котлах, оборудованных диффузионными горелками (без принудительной подачи воздуха), вторичный воздух под действием разряжения поступает в топку через поддувочные дверцы.

В котлах, оборудованных инжекционными горелками: первичный воздух поступает в горелку за счёт инжекции и регулируется регулировочной шайбой, а вторичный – через поддувочные дверцы.

В котлах со смесительными горелками первичный и вторичный воздух подаётся в горелку вентилятором и регулируется воздушными задвижками.

Нарушение соотношения между скоростью газовоздушной смеси на выходе из горелки и скоростью распространения пламени приводит к отрыву или проскакиванию пламени на горелках.

Если скорость газовоздушной смеси на выходе из горелки больше скорости распространения пламени – отрыв, а если меньше – проскок.

При отрыве и проскоке пламени обслуживающий персонал должен погасить котёл, провентилировать топку и газоходы и снова разжечь котёл.

Антропотоксины;

Продукты деструкции полимерных материалов;

Вещества, поступающие в помещение с загрязненным атмосферным воздухом;

Химические вещества, выделяющиеся из полимерных материалов даже в небольших количествах, могут вызвать существенные нарушения в состоянии живого организма, например, в случае аллергического воздействия полимерных материалов.

Интенсивность выделения летучих веществ зависит от условий эксплуатации полимерных материалов - температуры, влажности, кратности воздухообмена, времени эксплуатации.

Установлена прямая зависимость уровня химического за­грязнения воздушной среды от общей насыщенности помещений полимерными материалами.

Более чувствителен к воздействию летучих компонентов из полимерных материалов растущий организм. Установлена также повышенная чувствительность больных к воздействию химических веществ, выделяющихся из пластиков, по сравне­нию со здоровыми. Исследования показали, что в помещениях с большой насыщенностью полимерами подверженность насе­ления аллергическим, простудным заболеваниям, неврастении, вегетодистонии, гипертонии оказалась выше, чем в помеще­ниях, где полимерные материалы использовались в меньшем количестве.

Для обеспечения безопасности применения полимерных материалов принято, что концентрации выделяющихся из по­лимеров летучих веществ в жилых и общественных зданиях не должны превышать их ПДК, установленные для атмосферного воздуха, а суммарный показатель отношений обнаруженных концентраций нескольких веществ к их ПДК должен быть не выше единицы. С целью предупредительного санитарного надзора за полимерными материалами и изделиями из них предложено лимитировать выделение ими вредных веществ в окружающую среду или на стадии изготовления, или вскоре после их выпуска заводами-изготовителями. В настоящее время обоснованы допустимые уровни около 100 химических веществ, выделяющихся из полимерных материалов.

В современном строительстве все отчетливее проявляется тенденция к химизации технологических процессов и использо­ванию в качестве смесей различных веществ, в первую очередь бетона и железобетона. С гигиенической точки зрения важно учитывать неблагоприятное влияние химических добавок в стро­ительные материалы из-за выделения токсических веществ.

Не менее мощным внутренним источником загрязнения среды помещений служат и продукты жизнедеятельности человека - антропотоксины. Установлено, что в процессе жиз­недеятельности человек выделяет примерно 400 химических соединений.

Исследования показали, что воздушная среда невентилируемых помещений ухудшается пропорционально числу лиц и времени их пребывания в помещении. Химический анализ воз­духа помещений позволил идентифицировать в них ряд токси­ческих веществ, распределение которых по классам опасности представляется следующим образом: диметиламин, сероводород, двуокись азота, окись этилена, бензол (второй класс опасности - высокоопасные вещества); уксусная кислота, фенол, метилсти-рол, толуол, метанол, винилацетат (третий класс опасности - малоопасные вещества). Пятая часть выявленных антропотоксинов относится к высокоопасным веществам. При этом обнаруже­но, что в невентилируемом помещении концентрации диметиламина и сероводорода превышали ПДК для атмосферного воздуха. Превышали ПДК или находились на их уровне и концентрации таких веществ, как двуокись и окись углерода, аммиак. Осталь­ные вещества, хотя и составляли десятые и меньшие доли ПДК, вместе взятые свидетельствовали о неблагополучии воздушной среды, поскольку даже двух-четырехчасовое пребывание в этих условиях отрицательно сказывалось на умственной работоспо­собности исследуемых.

Изучение воздушной среды газифицированных помеще­ний показало, что при часовом горении газа в воздухе помещений концентрация веществ составляла (мг/м 3): окиси углерода - в среднем 15, формальдегида - 0,037, окиси азота - 0,62, дву­окиси азота - 0,44, бензола - 0,07. Температура воздуха в помещении во время горения газа повышалась на 3-6 °С, влаж­ность увеличивалась на 10-15%. Причем высокие концентрации химических соединений наблюдались не только в кухне, но и в жилых помещениях квартиры. После выключения газовых приборов содержание в воздухе окиси углерода и других хими­ческих веществ снижалось, но к исходным величинам иногда не возвращалось и через 1,5-2,5 ч.

Изучение действия продуктов горения бытового газа на внешнее дыхание человека выявило увеличение нагрузки на систему дыхания и изменение функционального состояния цен­тральной нервной системы.

Одним из самых распространенных источников загрязнения воздушной среды закрытых помещений является курение. При спектрометрическом анализе воздуха, загрязненного табачным дымом, обнаружено 186 химических соединений. В недостаточно проветриваемых помещениях загрязнение воздушной среды продуктами курения может достигать 60-90%.

При изучении воздействия компонентов табачного дыма на некурящих (пассивное курение) у испытуемых наблюдалось раздражение слизистых оболочек глаз, увеличение содержания в крови карбоксигемоглобина, учащение пульса, повышение уровня артериального давления. Таким образом, основные источники загрязнения воздушной среды помещения условно можно разделить на четыре группы:

Значимость внутренних источников загрязнения в различ­ных типах зданий неодинакова. В административных зданиях уровень суммарного загрязнения наиболее тесно коррелиру­ет с насыщенностью помещений полимерными материалами (R = 0,75), в крытых спортивных сооружениях уровень химичес­кого загрязнения наиболее хорошо коррелирует с численностью людей в них (R = 0,75). Для жилых зданий теснота корреляцион­ной связи уровня химического загрязнения как с насыщенностью помещений полимерными материалами, так и с количеством людей в помещении приблизительно одинаковая.

Химическое загрязнение воздушной среды жилых и об­щественных зданий при определенных условиях (плохой вен­тиляции, чрезмерной насыщенности помещений полимерными материалами, большом скоплении людей и др.) может достигать уровня, оказывающего негативное влияние на общее состояние организма человека.

В последние годы, по данным ВОЗ, значительно возросло число сообщений о так называемом синдроме больных зданий. Описанные симптомы ухудшения здоровья людей, проживаю­щих или работающих в таких зданиях, отличаются большим раз­нообразием, однако имеют и ряд общих черт, а именно: головные боли, умственное переутомление, повышенная частота воздуш­но-капельных инфекций и простудных заболеваний, раздраже­ние слизистых оболочек глаз, носа, глотки, ощущение сухости слизистых оболочек и кожи, тошнота, головокружение.

Первая кате­гория - временно "больные" здания - включает недавно пос­троенные или недавно реконструированные здания, в которых интенсивность проявления указанных симптомов с течением времени ослабевает и в большинстве случаев примерно через полгода они исчезают совсем. Уменьшение остроты проявления симптомов, возможно, связано с закономерностями эмиссии ле­тучих компонентов, содержащихся в стройматериалах, красках и т. д.

В зданиях второй категории - постоянно "больных" опи­санные симптомы наблюдаются в течение многих лет, и даже широкомасштабные оздоровительные мероприятия могут не дать эффекта. Объяснение такой ситуации, как правило, найти трудно, несмотря на тщательное изучение состава воздуха, работы вентиляционной системы и особенностей конструкции здания.

Следует отметить, что не всегда удается обнаружить пря­мую зависимость между состоянием воздушной среды помеще­ния и состоянием здоровья населения.

Однако обеспечение оптимальной воздушной среды жилых и общественных зданий - важная гигиеническая и инженерно-техническая проблема. Ведущим звеном в решении этой пробле­мы является воздухообмен помещений, который обеспечивает требуемые параметры воздушной среды. При проектировании систем кондиционирования воздуха в жилых и общественных зданиях необходимая норма воздухоподачи рассчитывается в объеме, достаточном для ассимиляции тепло- и влаговыделений человека, выдыхаемой углекислоты, а в помещениях, предна­значенных для курения, учитывается и необходимость удаления табачного дыма.

Помимо регламентации количества приточного воздуха и его химического состава известное значение для обеспечения воздушного комфорта в закрытом помещении имеет электри­ческая характеристика воздушной среды. Последняя определя­ется ионным режимом помещений, т. е. уровнем положительной и отрицательной аэроионизации. Негативное воздействие на организм оказывает как недостаточная, так и избыточная ио­низация воздуха.

Проживание в местностях с содержанием отрицательных аэроионов порядка 1000-2000 в 1 мл воздуха благоприятно влия­ет на состояние здоровья населения.

Присутствие людей в помещениях вызывает снижение содержания легких аэроионов. При этом ионизация воздуха изменяется тем интенсивнее, чем больше в помещении людей и чем меньше его площадь.

Уменьшение числа легких ионов связывают с потерей воз­духом освежающих свойств, с его меньшей физиологической и химической активностью, что неблагоприятно действует на организм человека и вызывает жалобы на духоту и "нехватку кислорода". Поэтому особый интерес представляют процессы деионизации и искусственной ионизации воздуха в помещении, которые, естественно, должны иметь гигиеническую регламен­тацию.

Необходимо подчеркнуть, что искусственная ионизация воздуха помещений без достаточного воздухоснабжения в ус­ловиях высокой влажности и запыленности воздуха ведет к неизбежному возрастанию числа тяжелых ионов. Кроме того, в случае ионизации запыленного воздуха процент задержки пыли в дыхательных путях резко возрастает (пыль, несущая электри­ческие заряды, задерживается в дыхательных путях человека в гораздо большем количестве, чем нейтральная).

Следовательно, искусственная ионизация воздуха не яв­ляется универсальной панацеей для оздоровления воздуха закрытых помещений. Без улучшения всех гигиенических па­раметров воздушной среды искусственная ионизация не только не улучшает условий обитания человека, но, напротив, может оказать негативный эффект.

Оптимальными суммарными концентрациями легких ионов являются уровни порядка 3 х 10, а минимально необходимыми 5 х 10 в 1 см 3 . Эти рекомендации легли в основу действующих в Российской Федерации санитарно-гигиенических норм допу­стимых уровней ионизации воздуха производственных и обще­ственных помещений (табл. 6.1).

Горение - это реакция, при которой происходит преобразование химической энергии топлива в тепло.

Горение бывает полным и неполным. Полное горение происходит при достаточном количестве кислорода. Нехватка его вызывает неполное сгорание, при котором выделяется меньшее количество тепла, чем при полном, и окись углерода (СО), отравляюще действующая на обслуживающий персонал, образовывается сажа, оседающая на поверхности нагрева котла и увеличивающая потери тепла, что приводит к перерасходу топлива и снижению к. п. д. котла, загрязнению атмосферы.

Для сгорания 1 м 3 метана нужно 10 м 3 воздуха, в котором находится 2 м 3 кислорода. Для полного сжигания природного газа воздух подают в топку с небольшим избытком. Отношение действительно израсходованного объёма воздуха V д к теоретически необходимому V т называется коэффициентом избытка воздуха = V д /V т. Этот показатель зависит от конструкции газовой горелки и топки: чем они совершеннее тем меньше. Необходимо следить, чтобы коэффициент излишка воздуха не был меньше 1, так как это приводит к неполному сгоранию газа. Увеличение коэффициента избытка воздуха снижает к. п. д. котлоагрегата.

Полноту сгорания топлива можно определить с помощью газоанализатора и визуально - по цвету и характеру пламени:

прозрачно-голубоватое - сгорание полное;

красный или жёлтый - сгорание неполное.

Горение регулируется увеличением подачи воздуха в топку котла или уменьшением подачи газа. В этом процессе используется первичный (смешивается с газом в горелке - до горения) и вторичный (соединяется с газом или газовоздушной смесью в топке котла в процессе горения) воздух.

В котлах, оборудованных диффузионными горелками (без принудительной подачи воздуха), вторичный воздух под действием разряжения поступает в топку через поддувочные дверцы.

В котлах, оборудованных инжекционными горелками: первичный воздух поступает в горелку за счёт инжекции и регулируется регулировочной шайбой, а вторичный - через поддувочные дверцы.

В котлах со смесительными горелками первичный и вторичный воздух подаётся в горелку вентилятором и регулируется воздушными задвижками.

Нарушение соотношения между скоростью газовоздушной смеси на выходе из горелки и скоростью распространения пламени приводит к отрыву или проскакиванию пламени на горелках.

Если скорость газовоздушной смеси на выходе из горелки больше скорости распространения пламени - отрыв, а если меньше - проскок.

При отрыве и проскоке пламени обслуживающий персонал должен погасить котёл, провентилировать топку и газоходы и снова разжечь котёл.

Газообразное топливо с каждым годом находит все более широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. В сельскохозяйственном производстве газообразное топливо широко используется для технологических (при отоплении теплиц, парников, сушилок, животноводческих и птицеводческих комплексов) и бытовых целей. В последнее время его все больше стали применять для двигателей внутреннего сгорания.

По сравнению с другими видами газообразное топливо обладает следующими преимуществами:

сгорает в теоретическом количестве воздуха, что обеспечивает высокие тепловой кпд и температуру горения;

при сгорании не образует нежелательных продуктов сухой перегонки и сернистых соединений, копоти и дыма;

сравнительно легко подводится по газопроводам к удаленным объектам потребления и может храниться централизованно;

легко зажигается при любой температуре окружающего воздуха;

требует сравнительно небольших затрат при добыче, а значит, является по сравнению с другими более дешевым видом топлива;

может быть использовано в сжатом или сжиженном виде для двигателей внутреннего сгорания;

обладает высокими противодетонационными свойствами;

при сгорании не образует конденсата, что обеспечивает значительное уменьшение износа деталей двигателя и т.п.

Вместе с тем газообразное топливо имеет также определенные отрицательные свойства, к которым относятся: отравляющее действие, образование взрывчатых смесей при смешении с воздухом, легкое протекание через неплотности соединений и др. Поэтому при работе с газообразным топливом требуется тщательное соблюдение соответствующих правил техники безопасности.

Применение газообразных видов топлива обусловливается их составом и свойствами углеводородной части. Наиболее широко применяются природный или попутный газ нефтяных или газовых месторождений, а также заводские газы нефтеперерабатывающих и других заводов. Основными составляющими компонентами этих газов являются углеводороды с числом углеродных атомов в молекуле от одного до четырех (метан, этан, пропан, бутан и их производные).

Природные газы из газовых месторождений практически полностью состоят из метана (82...98%), с небольшой Применение газообразного топлива для двигателей внутреннего сгорания Непрерывно увеличивающийся парк автомобилей требует все большего количества топлива. Решить важнейшие народнохозяйственные проблемы стабильного обеспечения автомобильных двигателей эффективными энергоносителями и сокращения потребления жидкого топлива нефтяного происхождения возможно за счет использования газообразного топлива - сжиженного нефтяного и природного газов.

Для автомобилей используют только высококалорийные или среднекалорийные газы. При работе на низкокалорийном газе двигатель не развивает необходимой мощности, а также сокращается дальность пробега автомобиля, что экономически невыгодно. Па). Выпускают следующие виды сжатых газов: природный, коксовый механизированный и коксовый обогащенный

Основным горючим компонентом этих газов является метан. Так же как и для жидкого топлива, наличие в газообразном топливе сероводорода нежелательно из-за его коррозионного воздействия на газовую аппаратуру и детали двигателя. Октановое число газов позволяет форсировать автомобильные двигатели по степени сжатия (до 10...12).

В газе для автомобилей крайне нежелательно присутствие циана CN. Соединяясь с водой, он образует синильную кислоту, под действием которой в стенках баллонов образуются мельчайшие трещины. Наличие в газе смолистых веществ и механических примесей приводит к образованию отложений и загрязнений на приборах газовой аппаратуры и на деталях двигателей.

Продуктами сгорания природного газа являются диоксид углерода, водяные пары, некоторое количество избыточного кислорода и азот. Продуктами неполного сгорания газа могут быть оксид углерода, несгоревшие водород и метан, тяжелые углеводороды, сажа.

Чем больше в продуктах сгорания диоксида углерода СO 2 , тем меньше будет в них оксида углерода СО и тем полнее будет сгорание. В практику введено понятие «максимальное содержание СO 2 в продуктах сгорания». Количество диоксида углерода в продуктах сгорания некоторых газов приведено в таблице ниже.

Количество диоксида углерода в продуктах сгорания газа

Пользуясь данными таблицы и зная процентное содержание СO 2 в продуктах сгорания, можно легко определить качество сгорания газа и коэффициент избытка воздуха а. Для этого с помощыр газоанализатора следует определить количество СO 2 в продуктах сгорания газа и на полученную величину разделить значение СO 2max , взятое из таблицы. Так, например, если при сжигании газа в продуктах его сгорания содержится 10,2 % диоксида углерода, то коэффициент избытка воздуха в топке

α = CO 2max /CO 2 анализа = 11,8/10,2 = 1,15 .

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 + Н 2) в объемных процентах.

Если показания стрелки газоанализатора по шкале (СO 2 + Н 2) равны нулю, это значит, что горение полное, и в продуктах сгорания нет оксида углерода и несгоревшего водорода. Если стрелка отклонилась от нуля вправо, то в продуктах сгорания имеются оксид углерода и несгоревший водород, то есть происходит неполное сгорание. На другой шкале стрелка газоанализатора должна показывать максимальное содержание СO 2mах в продуктах сгорания. Полное сгорание происходит при максимальном проценте диоксида углерода, когда стрелка указателя шкалы СО + Н 2 находится на нуле.