Какие продукты сгорания от газового котла
По статистике, из общего количества эксплуатируемых в России, как под Москвой, так и в отдаленных регионах, индивидуальных котлов около половины работают на газе, треть на дизельном топливе, приблизительно 10% – на электричестве и примерно 5% – на твердом топливе. Иными словами, газовые котлы преобладают. Таких котлов, надо сказать, на рынок поставляется много, причем разных, и мы об этом уже не раз писали. Поэтому теперь расскажем о выборе газового котла и его безопасной эксплуатации.
Котлы отопления, работающие на пропане и природном газе
Выбирая место для котла при проектировании дома, следует руководствоваться требованиями СНиП II-35-76 «Котельные установки» и сводом правил по проектированию СП 41-104-2000, которые содержат нормы организации работы таких систем.
Помещение для установки котла должно быть не менее четырех квадратных метров; высота потолков в нем – не менее 2,5 м, ширина внешней двери – не менее 80 см. Необходимо окно для естественного освещения и отверстие для притока наружного воздуха. При проектировании и строительстве дымоходов для обеспечения тяги и исключения задувания целесообразно выводить верхний срез дымохода выше конька крыши. Дымоход должен иметь сечение, соответствующее устанавливаемому оборудованию (для котла с открытой камерой сгорания и мощностью до 30 кВт достаточно трубы диаметром 130 мм, для котла на 40 кВт нужна труба диаметром 170 мм).
Надо обустроить канал естественной вентиляции в верхней части помещения, а также иметь источник электропитания, размещенный на отдельном автомате защиты сети. По действующим строительным нормам, в помещении, где находится пропановый котел, следует установить газоанализатор, предупреждающий об утечке, и аварийный электроклапан для экстренного отключения подачи газа. Все оборудование подлежит ежегодному обслуживанию специалистами, с тем чтобы снизить риск нештатных ситуаций до минимума.
Мощность газового котла необходимо вычислить еще на стадии проектирования дома, поскольку от нее зависит диаметр дымохода и еще целый ряд параметров различных инженерных систем. Мощность определяется из расчета: 1 кВт на 10 кв. м при высоте потолка 2,5 м. То есть для дома площадью 100 кв. м нужен прибор мощностью не менее 10 кВт. На нагрев водопроводной воды уходит примерно 25% мощности. Но расчет этот очень приблизительный, на практике он не всегда себя оправдывает, поэтому лучше, если оборудование подберут специалисты, которые могут просчитать теплопотери дома по соответствующим методикам.
Газовый котел на пропане и природном газе: критерии выбора
При выборе газового котла необходимо учесть целый ряд факторов. Прежде всего это материал, из которого он изготовлен. Газовые котлы могут быть как стальными, так и чугунными. Стальной примерно в два раза легче чугунного той же мощности и емкости. Однако срок службы стального составляет 10–15 лет, в то время как чугунный работает до 50 лет. Опять же, стальной может ржаветь, особенно при отключении системы или резком снижении температуры. Тогда конденсат оседает на его поверхности, что способствует коррозии. Для больших домов (свыше 400 кв. м) специалисты рекомендуют именно чугунные устройства.
Еще имеет смысл обратить внимание на величину сопротивления топочной камеры. Фактически это избыточное давление, при котором следует подавать в топку газ. По этому показателю можно судить о том, насколько совершенна топка котла. У хорошего устройства сопротивление топочной камеры 1–1,5 мБар, у не очень хорошего оно может достигать 8 мБар. То есть несовершенные топки требуют большего давления газа.
В наших условиях лучше работают котлы с вентиляторными, а не с атмосферными горелками. Однако котел с вентиляторной горелкой дороже.
Стабильная и длительная работа газового оборудования во многом зависит от качества электроснабжения. Специалисты рекомендуют использовать стабилизатор напряжения или сетевой фильтр. Есть автоматы, защищающие от перенапряжения в сети, – они просто отключаются, если напряжение превышает определенную величину. Иногда устанавливают дифференциальный автомат (УЗО), защищающий технику и человека от замыкания на корпус. Поэтому котел обязательно нужно заземлить и подключить к отдельному автоматическому выключателю.
Но не стоит паниковать при отключении оборудования из-за перебоев в поставке электроэнергии. Отсутствие напряжения в сети не вызывает блокировку газового котла, после возобновления электропитания его системы автоматически возвращаются в нужный режим работы. Благодаря тепловой инерции дома зимой системе отопления не грозит замораживание в течение нескольких десятков часов.
Для экономного расхода газа лучше выбрать оборудование с электрическим запалом, а не с пьезорозжигом, постоянно горящий запальный фитиль которого «ждет», когда котел запустят в работу, и впустую переводит газ. В приборах с электрическим розжигом горелка поджигается автоматически при открывании крана горячей воды и гаснет после его закрывания. В целях экономии используют специальные программаторы, которые позволяют рационально расходовать топливо. Словом, при выборе нужно учитывать множество мелочей и технических «прибамбасов», которые продаются в комплекте или могут быть подключены к данной модели. Устройство ионизационного контроля горения, которое позволяет при необходимости мгновенно блокировать подачу газа. При использовании ионизационного контроля с электророзжигом постоянно горящий фитиль запальника отсутствует, что позволяет еще больше экономить газ. Такие контроллеры выгодно использовать при работе со сжиженным газом, однако не рекомендуется применять их в колонках, установленных в местах с повышенной влажностью.
Помните, что газовый котел должен монтироваться с дымоходом и в хорошо проветриваемом помещении с отдельным выходом на улицу. Необходимо, чтобы дверь в помещение свободно открывалась: для горения фитиля и горелки требуется приток кислорода. В зависимости от модели и размера прибор нужно устанавливать на расстоянии 30–50 см от стен. Дымоход должен быть с минимумом колен и изгибов, а его внутренний диаметр не может быть меньше диаметра горловины котла.
В современных устройствах, работающих на газе, температура дымовых газов на выходе низкая: 100–120°С. При горении газа образуются водяной пар, углекислый газ, сернистый ангидрид и другие химические соединения, которые, поднимаясь по дымоходу, остывают. При снижении температуры до точки росы (55°С) водяной пар, присутствующий в газовой смеси, конденсируется. В результате образуется очень агрессивная смесь кислот, которая, стекая вниз, быстро разъедает стенки дымохода. До температуры «точки росы» отходящие газы охлаждаются обычно на высоте 4–5 м от горловины котла. Поэтому дымоходы, длина которых больше, делают из нержавеющей стали и утепляют.
Газовые котлы подразделяются на напольные и настенные. Настенные можно назвать мини-котельными, поскольку в их корпусе находятся не только горелка и теплообменник, но и циркуляционные насосы, расширительный бак, манометр, термометр и система безопасности. Газовые котлы бывают с естественной и принудительной вентиляцией. Те, в которых удаление газа происходит с помощью встроенного вентилятора, идеальны для помещений без дымохода, так как продукты сгорания могут выводиться через обычное отверстие в стене. Но такие устройства имеют максимальную мощность 24 кВт и выпускаются только в настенном варианте. Без традиционного дымохода обходятся и недавно появившиеся на нашем рынке газовые конденсационные котлы с импульсным горением.
Котел на пропане и природном газе: проблемы безопасности
Нормативные документы по эксплуатации котельных и безопасной эксплуатации котлов содержат ряд требований и ограничений, исключающих или сводящих к минимуму чрезвычайные ситуации. Поскольку полное сгорание газа возможно только при определенном соотношении воздуха и топлива, одним из условий является организация притока воздуха к камере сгорания. В котле примерно 20 кВт для полного сгорания 2,5 кубометра газа в час (именно столько требуется для достижения номинальной мощности) должен быть обеспечен приток воздуха примерно 30 кубометров в час. При недостатке воздуха топливо не сгорает полностью и в результате образуется угарный газ, опасный для здоровья человека. Горение газа при недостатке воздуха повышает потребление топлива.
При эксплуатации наиболее опасно самопроизвольное затухание горелки и, как следствие, поступление газа в помещение. Причинами затухания могут быть: падение давления газа в сети ниже допустимого, отсутствие тяги в дымоходе, отключение питающего напряжения, погасание запальника. Такие ситуации требуют немедленного прекращения подачи газа к горелке.
В современных отопительных приборах для этого предназначен целый ряд автоматов: датчик контроля наличия пламени, датчик контроля тяги, устройство блокировки котла при отключении газа или понижении давления ниже допустимого, устройство отключения при отсутствии электропитания, устройство отключения при снижении объема теплоносителя. Все эти приборы входят в систему обеспечения безопасности.
Проблему обеспечения безопасного функционирования газового котла следует рассматривать в рамках эксплуатации всей системы отопления. В нее входят также трубопроводы, насосы, запорно-регулировочные устройства, средства автоматики и контроля, которые создают оптимальные условия надежной и безаварийной работы оборудования.
Современный котел газовый на пропане должен иметь целый комплект устройств контроля и безопасности работы. В этот комплект входят электронная система самодиагностики, ионизационный контроль наличия пламени, система защиты от блокировки насоса, защитный термостат от перегрева воды в первичном теплообменнике. Должны быть предусмотрены предохранительный клапан в контуре отопления, система защиты от замерзания в контуре отопления (срабатывает при понижении температуры теплоносителя до 5°С), а также система уменьшения образования накипи.
Список, как видим, внушительный, и если бы все это купить, установить да еще заставить функционировать пришлось домовладельцу, он вряд ли справился бы. К счастью, о защитных системах заботятся производители газового котельного оборудования. Большинство ведущих компаний оснащают свою технику всеми вышеперечисленными устройствами. А при подключении к газовому котлу цифрового программатора у хозяина дома появляется возможность не только дистанционно управлять системой отопления, но и автоматически диагностировать ее узлы и выявлять неисправности с отображением информации на дисплее, что также повышает безопасность эксплуатации.
При подборе газового отопительного прибора для загородного дома необходимо учесть три величины: теплопотери здания; количество тепла, необходимое для приготовления горячей воды (количество точек водоразбора); количество тепла, необходимое для подогрева приточного воздуха (при наличии принудительной вентиляции). Сумма этих величин определяет мощность устройства. Следует предусмотреть резерв в размере 10–15% тепловой мощности. Превышение необходимой тепловой мощности приводит к крайне негативным последствиям: удорожанию системы отопления; неэффективной работе котловой системы; образованию конденсата в дымоходах; сбоям и быстрому износу элементов системы автоматики и т. п.
Выбор газового котла для отопления и горячего водоснабжения – ответственная задача, которую должны решать специалисты. Но потребитель должен знать некоторые простые правила подбора, которые не заменят проектных расчетов, но уберегут от грубых ошибок:
При сжигании органических топлив в топках котлов образуются различные продукты сгорания, такие как оксиды углерода СОх = СО + СО2, водяные пары Н2О, оксиды серы SOx = SO2 + SО3, оксиды азота NOx = NO + NО2, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), фтористые соединения, соединения ванадия V2O5, твердые частицы и др. [1, 2] (см. табл. 7.1.1). При неполном сгорании топлива в топках уходящие газы могут также содержать углеводороды СН4, С2Н4 и др. Все продукты неполного сгорания являются вредными, однако при современной технике сжигания топлива их образование можно свести к минимуму [ 1 ].
Таблица 7.1.1. Удельные выбросы при факельном сжигании органических топлив в энергетических котлах [ 3 ]
| Выбросы | Природный газ г/(м3 пр. газа) | = Мазут = кг/(т мазута) | Уголь кг/(т угля) |
| Оксиды серы SOx (в пересчете на SO2) | 0,006÷0.01 | ~21Sр | (17÷19)Sр |
| Оксиды азота NOx (в пересчете на NO2) | 5÷11 | 5÷14 | 4÷14 |
| Монооксид углерода СО | 0,002÷0,005 | 0,005÷0,05 | 0,1÷0,45 |
| Углеводороды | 0,016 | 0,1 | 0,45÷1,0 |
| Водяные пары Н2О | 1000 | 700 | 230÷360 |
| Диоксид углерода СО2 | 2000 | ~3000 | 2200÷3000 |
| Летучая зола и шлак | — | 10Ар | 10 Ар |
Условные обозначения: Ар, Sp – соответственно содержание золы и серы на рабочую массу топлива, %.
Критерием санитарной оценки среды является предельно допустимая концентрация (ПДК) вредного вещества в атмосферном воздухе на уровне земли. Под ПДК следует понимать такую концентрацию различных веществ и химических соединений, которая при ежедневном воздействии в течение длительного времени на организм человека не вызывает каких-либо патологических изменений или заболеваний.
Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест приведены в табл. 7.1.2 [ 4 ]. Максимально-разовая концентрация вредных веществ определяется по пробам, отобранным в течение 20 мин, среднесуточная — за сутки.
Таблица 7.1.2. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест
| Загрязняющее вещество | Предельно допустимая концентрация, мг/ м3 | |
| Максимально-разовая | Среднесуточная | |
| Пыль нетоксичная | 0,5 | 0,15 |
| Диоксид серы | 0,5 | 0,05 |
| Оксид углерода | 3,0 | 1,0 |
| Монооксид углерода | 3,0 | 1,0 |
| Диоксид азота | 0,085 | 0,04 |
| Оксид азота | 0,6 | 0,06 |
| Сажа (копоть) | 0,15 | 0,05 |
| Сероводород | 0,008 | 0,008 |
| Бенз(а)пирен | — | 0,1 мкг/100 м3 |
| Пентаксид ванадия | — | 0,002 |
| Фтористые соединения (по фтору) | 0,02 | 0,005 |
| Хлор | 0,1 | 0,03 |
Расчеты ведутся по каждому вредному веществу в отдельности, с тем чтобы концентрация каждого из них не превышала значений, приведенных в табл. 7.1.2. Для котельных эти условия ужесточены введением дополнительных требований о необходимости суммирования воздействия оксидов серы и азота, которое определяется выражением
| (frac{{С}_{{text{SO}}_{2}}}{{text{ПДК}}_{{text{SO}}_{2}}}+frac{{С}_{{text{NO}}_{2}}}{{text{ПДК}}_{{text{NO}}_{2}}}1), |
где ({С}_{{text{SO}}_{2}})и ({С}_{{text{NO}}_{2}})— концентрации соответствующих веществ в уходящих газах, мг/м3, допустимые величины которых даны в табл. 7.1.2.
Основными продуктами полного сгорания органических углеводородных топлив CmHn являются диоксид углерода СО2 и водяные пары Н2О:
| ({С}_{m}{H}_{n}+{O}_{2}rightarrow text{.}text{.}text{.}rightarrow {text{СO}}_{2}+{text{H}}_{2}O). | (7.1.1) |
В то же время, вследствие локальных недостатков воздуха или неблагоприятных тепловых и аэродинамических условий, в топках и камерах сгорания образуются продукты неполного сгорания, состоящие в основном из монооксида углерода СО (угарного газа), водорода Н2 и различных углеводородов, которые характеризуют потери тепла в котлоагрегате от химической неполноты сгорания (химический недожог).
Содержание СО в продуктах сгорания паровых и водогрейных котлов обычно не превышает сотых долей процента (0,0005÷0,025%). Концентрация СО2 в уходящих газах существенно выше и составляет 10÷14% в зависимости от вида сжигаемого топлива.
Кроме этого, в процессе сжигания получается целый ряд химических соединений, образующихся вследствие окисления различных составляющих топлива и азота воздуха N2. Наиболее существенную их часть составляют оксиды азота NOx и серы SOx.
Оксиды азота образуются за счет окисления как молекулярного азота воздуха, так и азота, содержащегося в топливе. Экспериментальные исследования показали, что основная доля образовавшихся в топках котлов NOх, а именно 96÷100%, приходится на монооксид (оксид) азота NO. Диоксид NO2 и гемиоксид N2O азота образуются в значительно меньших количествах, и их доля приблизительно составляет: для NO2 – до 4%, а для N2O – сотые доли процента от общего выброса NOx. При типичных условиях факельного сжигания топлив в котлах концентрации диоксида азота NO2, как правило, пренебрежительно малы по сравнению с содержанием NO и обычно составляют от 0÷7 ррm до 20÷30 ррm. В то же время быстрое перемешивание горячих и холодных областей в турбулентном пламени может привести к появлению относительно больших концентраций диоксида азота в холодных зонах потока. Кроме этого, частичная эмиссия NO2 происходит в верхней части топки и в горизонтальном газоходе (при T > 900÷1000 К) и при определенных условиях также может достигать заметных размеров.
Гемиоксид азота N2O, образующийся при сжигании топлив, является, по всей видимости, кратковременным промежуточным веществом. N2O практически отсутствует в продуктах сгорания за котлами.
Содержащаяся в топливе сера является источником образования оксидов серы SOx: сернистого SO2 (диоксид серы) и серного SO3 (триоксид серы) ангидридов. Суммарный массовый выброс SOx зависит только от содержания серы в топливе Sp, а их концентрация в дымовых газах – еще и от коэффициента расхода воздуха α. Как правило, доля SO2 составляет 97÷99%, а доля SO3 – 1÷3% от суммарного выхода SOx. Фактическое содержание SO2 в уходящих из котлов газах колеблется от 0,08 до 0,6 %, а концентрация SO3 – от 0,0001 до 0,008 %.
Среди вредных компонентов дымовых газов особое место занимает большая группа полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Многие ПАУ обладают высокой канцерогенной и (или) мутагенной активностью, активизируют фотохимические смоги в городах, что требует строгого контроля и ограничения их эмиссии. В то же время некоторые ПАУ, например, фенантрен, флуорантен, пирен и ряд других, физиологически почти инертны и не являются канцерогенно-опасными.
ПАУ образуются в результате неполного сгорания любых углеводородных топлив. Последнее имеет место из-за торможения реакций окисления углеводородов топлива холодными стенками топочных устройств, а также может быть вызвано неудовлетворительным смешением топлива и воздуха. Это приводит к образованию в топках (камерах сгорания) локальных окислительных зон с пониженной температурой или зон с избытком топлива.
Вследствие большого количества разных ПАУ в дымовых газах и трудности измерения их концентраций принято уровень канцерогенной загрязненности продуктов сгорания и атмосферного воздуха оценивать по концентрации наиболее сильного и стабильного канцерогена – бенз(а)пирена (Б(а)П) C20H12.
Ввиду высокой токсичности, следует особо отметить такие продукты сжигания мазута, как оксиды ванадия. Ванадий содержится в минеральной части мазута и при его сжигании образует оксиды ванадия VO, VO2. Однако при образовании отложений на конвективных поверхностях оксиды ванадия представлены в основном в виде V2O5. Пентаоксид ванадия V2O5 является наиболее токсичной формой оксидов ванадия, поэтому учет их выбросов производится в пересчете на V2O5.
Таблица 7.1.3. Примерная концентрация вредных веществ в продуктах сгорания при факельном сжигании органических топлив в энергетических котлах
| Выбросы = | Концентрация, мг/м3 | ||
| Природный газ | Мазут | Уголь | |
| Оксиды азота NOx (в пересчете на NO2) | 200÷ 1200 | 300÷ 1000 | 350 ÷1500 |
| Сернистый ангидрид SO2 | — | 2000÷6000 | 1000÷5000 |
| Серный ангидрид SO3 | — | 4÷250 | 2 ÷100 |
| Угарный газ СО | 10÷125 | 10÷150 | 15÷150 |
| Бенз(а)пирен С20Н12 | (0,1÷1, 0)·10-3 | (0,2÷4,0)· 10-3 | (0,3÷14)· 10-3 |
| Твердые частицы | — | <100 | 150÷300 |
При сжигании мазута и твердого топлива в выбросах также содержатся твердые частицы, состоящие из летучей золы, сажистых частиц, ПАУ и несгоревшего в результате механического недожога топлива.
Диапазоны концентраций вредных веществ в дымовых газах при сжигании различных типов топлив приведены в табл. 7.1.3.