Как происходит сгорание газа в котлах?

Природный газ, который используется как топливо в котлах, на 70-98% состоит из метана, химическая формула которого СН4. Кроме этого, в состав добываемого газа входят другие углеводороды: этан (СгНе), пропан (СвНз) и бутан (С4Н10). А также в разных концентрациях в природном газе может присутствовать водород (Н2), сероводород (Н2З), углекислый газ (СО2), азот (N2) и инертные газы, представленные преимущественно гелием (Не). В природном газе может присутствовать и радиоактивный газ - радон, но в большинстве случаев его концентрация является абсолютно безопасной. Метан не распознается нашими органами чувств - то есть не имеет запаха, поэтому при подготовке голубого топлива перед подачей потребителям в него подмешивают в очень малой концентрации так называемые одоранты - вещества, имеющие резкий и неприятный запах. В частности, в наш сетевой газ вводят в концентрации 16 грамм на 1000 м³ этилмеркаптан, который мы и воспринимаем как запах газа.

Основную теплоту сгорания в газовых котлах дает именно метан или пропан, если используется сжиженный газ в баллонах. Но мы будем рассматривать именно сгорание метана, так как подавляющее большинство котлов работают именно на нем. Для того чтобы метан загорелся, необходимо обеспечить приток кислорода, который есть в воздухе. На одну часть природного газа необходимо в зону горения подать не менее 10 частей воздуха. Но также много зависит и от качественного перемешивания метана с воздухом. Для того чтобы природный газ загорелся необходимо еще и обеспечить его воспламенение, а это происходит при температуре от 530°С до 640°С (в зависимости от происхождения газа). Если воздух подается в нужном объеме, то говорят о полном сгорании газа и этот процесс выражается следующей химической формулой:

СН4+20₂=С02+2Н₂0.

Одна молекула метана при сгорании соединяется с двумя молекулами кислорода. В результате получается одна молекула углекислого газа и две молекулы воды. А что происходит, если воздуха будет недостаточно? Тогда говорят о неполном сгорании газа и при этом химическая реакция будет несколько иной:

СН4+О2 * СО2+ Н2О+СО+Н+СН4+С.

Знак равенства в этом химическом уравнении не ставится, так как неизвестно какое именно количество кислорода участвует в реакции. Видно, что помимо привычных углекислого газа и воды появляются еще не слишком «приятные» компоненты. Прежде всего - это несгоревший метан, который просто «вылетает в трубу», хотя газовые счетчики его исправно считают и за него все равно придется заплатить. Кроме этого при неполном сгорании образуется крайне опасное соединение - монооксид углерода (СО). Этот газ опасен тем, что в легких способен соединяться с гемоглобином, замещая кислород в легких, что приводит к удушью, которое очень часто заканчивается смертельным исходом. Так как моноокись углерода не имеет цвета и запаха, и «захватывается» эритроцитами в легких, то процесс отравления происходит незаметно, чаще всего во сне. Всего лишь 0,1% концентрации СО в воздухе достаточно для того, чтобы в течение часа произошло смертельное удушье, а при 1% это происходит за 2-3 вдоха.

Еще одним неприятным спутником неполного сгорания газа является углерод, который мы можем наблюдать в газовых котлах как обыкновенная сажа, которая тоже доставляет проблемы. Неправильно настроенные котлы очень быстро засоряются продуктами неполного сгорания, что требует или более частого технического обслуживания, или дорогостоящего ремонта. Специалисты-газовики могут на глаз судить о том полностью сгорает газ или нет по цвету пламени. Если оно голубое, то это свидетельствует о полном сгорании, а если соломенно-желтое, то явный признак неполного сгорания. Правда, на практике таким методом диагностировать полноту сгорания, не пользуются. Для этого существуют специальные газоанализаторы, которые точно определяют состав уходящих из топки газов. Иметь в каждом котле подобный прибор является дорогостоящей роскошью, но при настройке на производстве обязательно им пользуются.

Не будем забывать о том, что в топку котла еще поступают и другие газы, содержащиеся в воздухе, ведь в нем доля кислорода составляет только 21%, а большую часть составляет азот - 78%. Но этот газ в таких условиях инертен и только малая его часть участвует в процессе горения, поэтому львиная его доля проходит через котел «транзитом», попутно разогреваясь. Другие инертные газы в воздушном «коктейле» также не вступают ни в какие химические реакции.

В природном газе в различных концентрациях может присутствовать сероводород (Н2З), который при воздействии повышенных температур горит и в прямом и в переносном смысле синим пламенем. Эту реакцию можно выразить следующей химической формулой:

2Н₂3+302=2Н20+2502.

Две молекулы сероводорода соединяются с тремя молекулами кислорода и в результате получается две молекулы воды и две - диоксида серы (сернистого газа). Это очень опасное газообразное соединение, которое прежде всего является токсичным и при концентрациях выше 10 мг/м³ может вызвать удушье. Сернистый газ известен практически всем по свойственному ему резкому характерному запаху загорающейся спички. Кроме токсического действия на организм сернистый газ еще опасен тем, что может взаимодействовать с водой, образуя сернистую кислоту, которая относится к кислотам средней силы. Хоть это соединение и является неустойчивым, но на дымоходы и внутренности газовых котлов оно влияет, попросту постепенно разрушая их.

Кроме диоксида серы при сгорании газа еще и образуется триоксид серы (серный ангидрид), который получается при взаимодействии сернистого газа и моноокиси азота:

ЗОг+МОг-ЗОз+МО.

Моноокись азота может взаимодействовать с диоксидом серы, увеличивая долю серного ангидрида:

2302+2М0->230з+М2.

А серный ангидрид может взаимодействовать с водой, которой образуется немало при сгорании газа. Полученное соединение не что иное, как серная кислота:

ЗО3+Н2О-Н2ЗО4.

Серная кислота относится к классу сильных кислот и вступает в реакцию окисления практически со всеми металлами. Исключения составляют только золото, платина, иридий, родий и тантал. То есть медные теплообменники и стальные корпуса котлов могут подвергнуться воздействию кислот, но только тогда, когда образуется конденсат, который агрессивен. Для предотвращения его появления есть несколько эффективных решений:

Ранее, когда не было «гонки» за коэффициентом полезного действия газовых котлов, дымовым газам позволялось уходить через дымоходы с высокой температурой, что исключало образование конденсата и его действие на элементы системы отопления. Котлы работали практически постоянно, причем с дымоходами из керамического кирпича, который известен своей способностью к накоплению тепловой энергии. Выхлопы котла просто улетали в разогретый дымоход, не оставляя никаких шансов для образования конденсата.

В дальнейшем, когда инженерам-разработчикам газового отопительного оборудования стало жалко «отпускать» газы с высокой температурой, решили увеличить теплосъем в котлах. Это привело к тому, что дымовые газы стали выходить под меньшими температурами, что увеличило шанс для образования конденсата. Особенно при периодических включениях и отключениях котлов, которые приводят к остыванию дымоходов. Как известно, конденсат образуется только при перепадах температур. Как выход был применен такой эффективный прием, как утепление дымоходов, чтобы они не остывали слишком быстро.

Помимо утепления дымоходов, было решено снизить их сопротивление к протекающим в них дымовым газам из котлов. Для этого на место кирпичных прямоугольных конструкций со множеством швов в кладке, которые только увеличивают сопротивление, стали использовать керамические или металлические сборные круглые, имеющие гладкие стенки, что позволяет газам беспрепятственно выходить через дымоход. Конечно, при этом он еще должен иметь хорошую тягу и диаметр не менее рекомендуемого.

Дальнейшим шагом уменьшить образование конденсата явилось применение так называемых сэндвич-дымоходов, когда между двумя слоями нержавеющей трубы располагается слой негорючего утеплителя. Разогреть такие дымоходы можно очень быстро, а от «криминального» перепада температур спасает утеплитель. Монтаж таких конструкций по сравнению с кирпичом или керамикой прост и такие дымоходы успешно прокладывают даже по внешним стенам домов.

Независимо от того насколько хорошо утеплены дымоходы все равно какое-то время необходима для их разогрева. Но пока это не случилось, могут создаться условия для образования большого количества агрессивного конденсата. Именно поэтому дымоходы делают вертикальными, а подключения выхода котлов под углом. Конденсат, образующийся в основном в вертикальном канале, просто сливается вниз, где его «заботливо» ждет конденсатоотводчик, который требуется периодически сливать.

Конечно, в плане образования конденсата, очень много зависит и от качества самого топлива. Если в природном газе будет большое количество водяных паров, то это, естественно, приведет и к большему количеству конденсата. Но на этот вопрос потребители голубого топлива повлиять не могут, так как это прерогатива газоснабжающих организаций.

Но в какое-то время у инженеров-теплотехников произошел переворот в сознании, когда они поняли, что «ненавистный» конденсат может дать не рассматриваемую ранее порцию энергии. Просто надо учесть его химические свойства и сконструировать такие котлы, которые будут нечувствительны к химическому воздействию и в то же самое время «выжимать» максимум из энергии сгорания газа. Надо отметить, что это неплохо получилось!