Як відбувається згорання газу в котлах?
Природний газ, який використовується як паливо в котлах, на 70-98% складається з метану, хімічна формула якого СН4. Крім цього, до складу видобутого газу входять інші вуглеводні: етан (СгНе), пропан (СвНз) і бутан (С4Н10). А також в різних концентраціях в природному газі може бути водень (Н2), сірководень (Н2З), вуглекислий газ (СО2), азот (N2) і інертні гази, представлені переважно гелієм (Не). У природному газі може бути присутнім і радіоактивний газ радон, але в більшості випадків його концентрація є абсолютно безпечною. Метан не розпізнається нашими органами чуття, тобто не має запаху, тому при підготовці блакитного палива перед подачею споживачам у нього підмішують в дуже малій концентрації так звані одоранти - речовини, які мають різкий і неприємний запах. Зокрема, в наш мережевий газ вводять у концентрації 16 грам на 1000 м3 етилмеркаптан, який ми сприймаємо як запах газу.
Основну теплоту згоряння в газових котлах дає саме метан або пропан, якщо використовується скраплений газ у балонах. Але ми будемо розглядати саме згоряння метану, так як переважна більшість котлів працюють саме на ньому. Для того щоб метан загорівся, необхідно забезпечити приплив кисню, який є в повітрі. На одну частину природного газу необхідно в зону горіння подати не менше 10 частин повітря. Але багато залежить і від якісного перемішування метану з повітрям. Для того щоб природний газ загорівся необхідно ще й забезпечити його займання, а це відбувається при температурі від 530°С до 640°С (в залежності від походження газу). Якщо повітря подається в потрібному обсязі, то говорять про повному згорянні газу і цей процес виражається наступною хімічною формулою:
СН4+202=С02+2Н20.
Одна молекула метану при згорянні з'єднується з двома молекулами кисню. У результаті виходить одна молекула вуглекислого газу і дві молекули води. А що відбувається, якщо повітря буде недостатньо? Тоді говорять про неповному згорянні газу і при цьому хімічна реакція буде дещо іншою:
СН4+О2 * СО2+ Н2О+СО+Н+СН4+С.
Знак рівності в цьому хімічному рівнянні не ставиться, так як невідомо яка саме кількість кисню бере участь в реакції. Видно, що крім звичних вуглекислого газу і води з'являються ще не надто «приємні» компоненти. Насамперед - це незгорілий метан, який просто «вилітає в трубу», хоча газові лічильники його справно і вважають за нього все одно доведеться заплатити. Крім цього при неповному згорянні утворюється вкрай небезпечне з'єднання - монооксид вуглецю (СО). Цей газ небезпечний тим, що в легенях здатний з'єднуватися з гемоглобіном, замінюючи кисень в легенях, що призводить до задухи, яке дуже часто закінчується смертельним результатом. Так як моноокисел вуглецю не має кольору і запаху, і «захоплюється» еритроцитами в легенях, то процес отруєння відбувається непомітно, найчастіше у сні. Всього лише 0,1% концентрації СО в повітрі достатньо для того, щоб протягом години сталося смертельне задуха, а при 1% це відбувається за 2-3 вдихи.
Ще одним неприємним супутником неповного згоряння газу є вуглець, який ми можемо спостерігати у газових котлах як звичайна сажа, яка теж доставляє проблеми. Неправильно налаштовані котли дуже швидко засмічуються продуктами неповного згоряння, що вимагає або більш частого технічного обслуговування, або дорогого ремонту. Фахівці-газовики можуть на око судити про те повністю згоряє газ чи ні за кольором полум'я. Якщо воно блакитне, то це свідчить про повному згорянні, а якщо солом'яно-жовте, то явна ознака неповного згоряння. Правда, на практиці таким методом діагностувати повноту згоряння, не користуються. Для цього існують спеціальні газоаналізатори, які точно визначають склад відхідних газів з топки. Мати в кожному котлі подібний прилад є дорогою розкішшю, але при налаштуванні на виробництві обов'язково їм користуються.
Не будемо забувати про те, що в топку котла ще надходять і інші гази, що містяться в повітрі, адже в ньому частка кисню становить 21%, а більшу частину становить азот - 78%. Але цей газ в таких умовах інертний і тільки мала його частина бере участь в процесі горіння, тому левова його частка проходить через котел «транзитом», попутно розігріваючись. Інші інертні гази в повітряний «коктейль» також не вступають ні в які хімічні реакції.
В природному газі В різних концентраціях може присутні сірководень (Н2З), який при впливі підвищених температур горить і в прямому і в переносному сенсі синім полум'ям. Цю реакцію можна виразити наступною хімічною формулою:
2Н23+302=2Н20+2502.
Дві молекули сірководню з'єднуються з трьома молекулами кисню і в результаті виходить дві молекули води і дві - діоксиду сірки (сірчаного газу). Це дуже небезпечне газоподібне з'єднання, яке передусім є токсичним і при концентраціях вище 10 мг/м3 може викликати задуху. Сірчистий газ відомий практично всім за властивою йому різкого характерному запаху спалахує сірники. Крім токсичної дії на організм сірчистий газ ще небезпечний тим, що може взаємодіяти з водою, утворюючи сірчисту кислоту, яка належить до кислот середньої сили. Хоч це з'єднання та є нестійким, але на димарі і нутрощі газових котлів воно впливає, просто поступово руйнуючи їх.
Крім діоксиду сірки при згорянні газу ще й утворюється триоксид сірки (сірчаний ангідрид), який виходить при взаємодії сірчаного газу та моноокиси азоту:
ЗОг+Міг-ЗОз+МО.
Моноокисел азоту може взаємодіяти з діоксидом сірки, збільшуючи частку сірчаного ангідриду:
2302+2М0->230з+М2.
А сірчаний ангідрид може взаємодіяти з водою, якої утворюється чимало при згорянні газу. Отримане з'єднання не що інше, як сірчана кислота:
ЗО3+Н2О-Н2ЗО4.
Сірчана кислота належить до класу сильних кислот і вступає в реакцію окислення практично з усіма металами. Виключення складають тільки золото, платина, іридій, родій і тантал. Тобто мідні теплообмінники і сталеві корпуси котлів можуть зазнати впливу кислот, але тільки тоді, коли утворюється конденсат, який агресивний. Для запобігання його появи є кілька ефективних рішень:
Раніше, коли не було «гонки» за коефіцієнтом корисної дії газових котлів, димових газах дозволялося йти через димоходи з високою температурою, що виключало утворення конденсату та його вплив на елементи системи опалення. Котли працювали практично постійно, причому з димарями з керамічної цегли, який відомий своєю здатністю до накопичення теплової енергії. Вихлопи котла просто відлітали в розігрітий димохід, не залишаючи жодних шансів для утворення конденсату.
Надалі, коли інженерам-розробникам газового опалювального обладнання стало шкода «відпускати» гази з високою температурою, вирішили збільшити знімання в котлах. Це призвело до того, що димові гази стали виходити під меншими температурами, що збільшило шанс для утворення конденсату. Особливо при періодичних включення і відключення котлів, які приводять до охолодження димоходів. Як відомо, конденсат утворюється тільки при перепадах температур. Як вихід був застосований такий ефективний прийом, як утеплення димоходів, щоб вони не охолоджувались занадто швидко.
Крім утеплення димоходу, було вирішено знизити їх опір до протікає в них димовим газам з котлів. Для цього на місце цегляних прямокутних конструкцій з безліччю швів в кладці, які тільки збільшують опір, почали використовувати керамічні або металічні збірні круглі, мають гладкі стінки, що дозволяє газам безперешкодно виходити через димар. Звичайно, при цьому він ще повинен мати хорошу тягу і діаметр не менше рекомендованого.
Подальшим кроком зменшити утворення конденсату стало застосування так званих сендвіч-димоходів, коли між двома шарами нержавіючої труби розташовується шар негорючого утеплювача. Розігріти такі димоходи можна дуже швидко, а від «кримінального» перепаду температур рятує утеплювач. Монтаж таких конструкцій в порівнянні з цеглою або керамікою простий і такі димоходи успішно прокладають навіть по зовнішніх стінах будинків.
Незалежно від того наскільки добре утеплені димарі все одно якийсь час необхідна для їх розігрівання. Але поки це не сталося, можуть створитися умови для утворення великої кількості агресивного конденсату. Саме тому димоходи роблять вертикальними, а підключення виходу котлів під кутом. Конденсат, що утворюється в основному у вертикальному каналі, просто зливається вниз, де його «дбайливо» чекає конденсатовідвідник, який потрібно періодично зливати.
Звичайно, в плані освіти конденсату, дуже багато залежить і від якості самого палива. Якщо в природному газі буде велика кількість водяних парів, то це, природно, призведе до більшої кількості конденсату. Але на це питання споживачі блакитного палива вплинути не можуть, так як це прерогатива газопостачальних організацій.
Але в якийсь час у інженерів-теплотехніків стався переворот у свідомості, коли вони зрозуміли, що «ненависний» конденсат може дати не розглянуту раніше порцію енергії. Просто треба врахувати його хімічні властивості і сконструювати такі котли, які будуть нечутливі до хімічної дії і в той же самий час «вичавлювати максимум з енергії згоряння газу. Треба зазначити, що це непогано вийшло!