УДК 543.544.25

Карташова А.А., Новиков В.Ф.

К вопросу об определении продуктов сгорания газообразного топлива методом газовой хроматографии

Казанский государственный энергетический университет

 

Оптимизация процесса горения газообразного топлива в котельных энергетических предприятий является важной проблемой, решение которой позволяет экономить топливо и уменьшить количество вредных выбросов в воздушную среду. Для решения этой проблемы в последнее время стали широко использовать газохроматографическую аппаратуру, которая позволяет в процессе однократного ввода пробы проводить детальный анализ индивидуального компонентного состава продуктов горения с последующим автоматическим регулированием технологического процесса [1].

Как известно, при неполном сгорании топлива в окружающую среду попадают оксиды серы, которые вызывают разрушение строительных конструкций и оказывают вредное воздействие на здоровье населения [2]. К одним из основных загрязнителей окружающей среды относятся также оксиды азота, содержание которых в продуктах горения топлива достигает 95% [3]. Оксиды азота оказывают раздражающее воздействие на органы дыхания человека, а при взаимодействии с атмосферной влагой образуют азотную кислоту, которая попадая в организм человека, соединяется с гемоглобином крови, что может привести к отеку легкого и летальному исходу [4]. При неполном сгорании топлива в окружающую среду могут попадать также оксиды углерода, альдегиды, органические кислоты и углеводороды [5].

Токсичность оксида углерода обусловлена способностью вступать в реакцию с гемоглобином крови с образованием карбоксигемоглобина, что приводит к нарушению функций нервной системы организма человека [6]. Углеводороды также обладают токсичностью и, кроме того, они при определенных условиях могут вступать в химические реакции с образованием канцерогенно активных веществ [7]. Кроме того, определенное влияние на организм человека оказывает диоксид углерода, который является продуктом полного сгорания топлива. Диоксид углерода является одним из источников образования кислотных оксидов, способствует разрушению строительных конструкций и оказывает негативное влияние на организм человека [8].

Таким образом, продукты сгорания топлива оказывают на организм человека негативное влияние, что повышает риск заболеваний. Особенно существенно это влияние сказывается при наличии в воздушной среде нескольких загрязняющих веществ, которые могут оказывать комбинированное и составное воздействие [9].

Экспериментальную часть работы проводили на хроматографе Кристаллюкс-4000М с детектором по теплопроводности и насадочными колонками. Для определения легких компонентов продуктов горения в присутствии тяжелых углеводородов усовершенствовали газовую схему хроматографа путем введения в нее задерживающей колонки и шестиходового крана [10-12].

Особенность данной газовой схемы состоит в том, что в процессе анализа газ-носитель, выходящий из хроматографа, выдувает тяжелые углеводороды из задерживающей колонки. Если в начале опыта использованный газ-носитель, проходя через канал крана, выходил в атмосферу, то после его поворота он направляется через задерживающую колонку, но в обратном направлении, освобождая ее от находящихся в ней углеводородов [13].

Полная хроматограмма природного газа, полученная с использованием задерживающей колонки, приведена на рис.1.

33

Рис. 1. Хроматограмма природного газа. Сорбент – Полисорб-1; колонка длиной – 6 м с внутренним диаметром – 4 мм; температура колонки 120 °С; газ-носитель – гелий с расходом 50 мл/мин; детектор – катарометр. 1 – метан; 2 – диоксид углерода; 3 – этан; 4 – сероводород; 5 – пропан; 6 – метанол; 7 – изобутан; 8 – н-бутан; 9 – изопентан; 10 – н-пентан

 

Как видно из рис.2, в процессе горения газообразного топлива при равномерной подаче кислорода в зону горения происходит существенное уменьшение содержания оксида углерода (кривая 1). В то же время содержание диоксида углерода и водяных паров зависит нелинейно от концентрации кислорода, подаваемого в зону горения (кривая 2 и 3), и проходит через экстремум.

Таким образом, при постоянном расходе газообразного топлива и уменьшении расхода воздуха происходило удлинение факела пламени с появлением желтых язычков. В том случае, когда желтые язычки пламени доходили до середины длины факела, последний постепенно уменьшался до синеватого оттенка. После этого пламя приобретало красноватый оттенок и снова становилось синим, сокращалось до самого корня факела в форме тонкой пленки голубоватого цвета и после этого гасло при малом расходе воздуха.

Рис.2. Зависимость содержания оксида углерода (1) и водяного пара (2), а также диоксида углерода (3) и кислорода (4) от коэффициента избытка воздуха λ.

 

 

 

 

 

 

 

В случае скорости выхода газовоздушной смеси, меньшей, чем скорость нормального распространения пламени происходил проскок, а пламя имело голубую окраску, что свидетельствовало об оптимальном процессе горения газообразного топлива. При постоянном расходе газа и уменьшении расхода воздуха проскок пламени происходил вследствие уменьшения скорости выхода газовоздушной смеси до величины меньше нормальной скорости распространения фронта пламени. При этом в факеле наблюдалось два фронта горения: внутренний за счет первичного воздуха и наружный, который сформировался за счет диффузии кислорода из воздуха окружающей среды. Поскольку процессы смешения протекали медленнее горения топлива, то скорость и полнота сгорания определялись полнотой смешения газа и вторичного воздуха, а также их скоростью.

 

Литература

1.                Александров Ю.Б., Танеева А.В., Новиков В.Ф. Методы исследования процесса горения газообразного топлива в теплоэнергетических установках // Известия вузов. Проблемы энергетики, 2006, № 9-10, с.23-32.

2.                Гимадеев М.М., Шеповских А.И. Современные проблемы охраны атмосферного воздуха. – Казань: Табигать, 1997. – 368 с.

3.                Сигач И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива.- М.: Недра, 1977. – 294 с.

4.                Лазарев Н.В., Гадаскина И.Д. Вредные вещества в промышленности. Неорганические и элементоорганические соединения. – Л.: Химия, 1977. – 608 с.

5.                Огородников С.К. Формальдегид. – Л.: Химия, 1984. – 280 с.

6.                Тиунов Л.В., Кустов В.В.Токсикология очистки углерода. – Л.: Медицина, 1969.- 93 с.

7.                Исидоров В.А. Введение в химическую экотоксикологию. – С-Пб.: Химиздат, 1999. – 144 с.

8.                Николайкин Н.И., Николайкина Н.Е., Мелехова О.П. Экология. – М.: Дрофа, 2004. – 624 с.

9.                Белов С.В., Барбинов Ф.А., Козьяков А.Ф. Охрана окружающей среды. 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1991. – 319 с.

10.            Каратаев О.Р., Танеева А.В., Карташова А.А., Новиков В.Ф. Основы газохроматографического анализа. Под ред. проф. В.Ф. Новикова. – Казань: Казан.гос.энерг.ун-т, 2007. – 244 с.

11.            Танеева А.В., Карташова А.А., Левин И.С., Новиков В.Ф. Способ получения сорбента для газовой хроматографии. Патент на изобретение №2446008, опубл. 27.03.2012. Бюлл. №9.

12.            Александров Ю.Б., Гиззатуллин А.Р., Александров Б.В., Танеева А.В., Новиков В.Ф. хроматограф. Патент на полезную модель №56642, опубл. 10.09.2006.Бюлл. №25.

13.            Новиков В.Ф., Каратаева Е.С., Карташова А.А. Совершенствование газохроматографической аппаратуры для определения содержания продуктов горения газообразного топлива // Современные научные исследования. Выпуск 1. - Концепт. - 2013. - ART 53619. - URL: http://e-koncept.ru/article/1036/ - Гос. рег. Эл № ФС 77- 49965. - ISSN 2304-120X.