Внимание, – газы! Еще раз о безопасности отопления/М. Григорян
Опубликовано: 21 августа 2017 г.
855
Несмотря на то, что в практике отопления жилищ мы постоянно сталкиваемся с необходимостью обеспечения безопасности из-за присутствия в атмосфере помещений токсичных продуктов сгорания, а также образования взрывоопасных газовых смесей (при утечках используемого в качестве топлива природного газа), эти проблемы по-прежнему актуальны. Предупредить неблагоприятные последствия позволяет применение газоанализаторов.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Горение, как известно, – частный случай реакции окисления, сопровождающейся выделением света и тепла. При сгорании углеродного топлива, в том числе газового, углерод и водород, входящие в состав органических соединений, или преимущественно углерод (при сжигании угля) окисляются до диоксида углерода (СО2 – углекислого газа), монооксида углерода (СО – угарного газа) и воды (H2O). Кроме того, в реакции вступают азот и примеси, содержащиеся в топливе и (или) в воздухе, который подается к горелкам теплогенераторов (котельных агрегатов, печей, каминов, газовых плит и др.) для сжигания топлива. В частности, продуктом окисления азота (N2) являются оксиды азота (NOx) – газы, также относящиеся к вредным выбросам (см. табл.).
Таблица. Допустимое содержание вредных выбросов в отводящихся от теплогенераторов газах по классам оборудования согласно Европейскому стандарту.
|
EN 267 для газа |
EN 676 для дизельного топлива |
|||
|---|---|---|---|---|
|
CO, мг/кВтч |
NOx , мг/кВтч |
CO, мг/кВтч |
NOx , мг/кВтч |
|
|
Класс 1 |
≤ 100 |
≤ 250 |
≤ 100 |
≤ 250 |
|
Класс 2 |
< 110 |
< 185 |
< 100 |
< 120 |
|
Класс 3 |
≤ 60 |
≤ 120 |
≤ 100 |
≤ 120 |
Угарный газ и его опасность
Риск отравления угарным газом сегодня по-прежнему достаточно высок, что связано с его высокой токсичностью и неосведомленностью населения.
Чаще всего отравление угарным газом случается при неправильной эксплуатации или неисправностей каминов и традиционных печей, установленных в частных домах, банях, но нередки и случаи отравления, вплоть до летальных исходов, при индивидуальном отоплении газовыми котлами. Кроме того, отравление угарным газом нередко наблюдается, и часто также с летальным исходом, при пожарах и даже при локализованных возгораниях вещей в помещениях. Общим и определяющим фактором при этом является горение при недостатке кислорода – именно тогда вместо безопасного для здоровья человека углекислого газа образуется в опасных количествах угарный газ.
Рис. 1 Сменный сенсор газоанализатора вместе с плато управления им
Поступая в кровь, монооксид углерода связывается с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин. При этом гемоглобин утрачивает способность к связыванию кислорода и транспортировке его к органам и клеткам организма. Токсичность угарного газа такова, что при присутствии его в атмосфере в концентрации всего 0,08 % у дышащего этим воздухом человека до 30 % гемоглобина переходит в карбоксигемоглобин. При этом человек уже чувствует симптомы легкого отравления – головокружение, головную боль, тошноту. При концентрации СО в атмосфере 0,32 % до 40 % гемоглобина превращается в карбоксигемоглобин, и человек находится в средней тяжести отравления. Состояние его таково, что не хватает сил самостоятельно покинуть помещение с отравленной атмосферой. При повышении содержания СО в атмосфере до 1,2 % в карбоксигемоглобин переходит до 50 % гемоглобина крови, что соответствует развитию у человека коматозного состояния.
Оксиды азота – токсичность и вред экологии
При сжигании топлива азот, присутствующий в топливе или воздухе, подающемся для сгорания, образует с кислородом монооксид азота (NO).Спустя некоторое время этот бесцветный газ окисляется под воздействием кислорода и образуется диоксид азота (NO2). Из оксидов азота именно NO2 наиболее опасен для здоровья человека. Он сильно раздражает слизистые оболочки дыхательных путей. Вдыхание ядовитых паров диоксида азота может привести к серьезному отравлению. Человек ощущает его присутствие даже при малых концентрациях, составляющих всего 0,23 мг/м3 (порог обнаружения). Однако способность организма обнаруживать присутствие диоксида азота пропадает после 10 минут вдыхания. Ощущается чувство сухости и першения в горле, но и эти признаки исчезают при продолжительном воздействии газа в концентрации, в 15 раз превышающей порог обнаружения. Таким образом, NO2 ослабляет обоняние.
Рис 2 Сигнализатор угарного газа
Кроме того, в концентрации 0,14 мг/м3, что ниже порога обнаружения, диоксид азота снижает способность глаз адаптироваться к темноте, а в концентрации всего 0,056 мг/м3 затрудняет дыхание. Люди с хроническими заболеваниями легких испытывают затрудненность дыхания и при более низкой его концентрации.
Подвергающиеся действию диоксида азота люди чаще болеют заболеваниями дыхательных путей, страдают бронхитом и воспалением легких.
Диоксид азота и сам может вызывать поражение легких. Попадая в организм, NO2 при контакте с влагой образует азотистую и азотную кислоты, которые разъедают стенки альвеол легких, следствием чего может стать отек легких, часто ведущий к летальному исходу.
Кроме того, выбросы диоксида азота в атмосферу под воздействием ультрафиолетового излучения, входящего в спектр солнечного света, способствуют образованию озона.
Образование оксидов азота зависит от содержания азота в топливе и подающемся для горения воздухе, времени пребывания азота в зоне горения (длины факела пламени) и температуры пламени.
По месту и времени образования выделяют быстрые и топливные оксиды азота. Быстрые NOx образуются в процессе реакции азота со свободным кислородом (избыточного воздуха) в реакционной зоне пламени.
Топливные NOx образуются при высоких температурах горения в результате соединения содержащегося в топливе азота с кислородом. Данная реакция поглощает тепло и характерна для сжигания дизельного и твердого органического топлива (дров, пеллет, брикетов). В процессе сгорания природного газа топливные NOx не образуются, поскольку природный газ не содержит азотных соединений.
Решающими критериями при образовании NOx являются концентрация кислорода в процессе сгорания, время пребывания воздуха, идущего на горение, в зоне горения (длина факела пламени) и температура пламени (до 1200 °C – низкое, от 1400 °C – значительное и от 1800 °C – максимальное образование термальных NOx).
Образование NOx можно снизить с помощью современных технологий горения, таких как «холодное пламя», рециркуляция дымовых газов и низкий уровень избыточного воздуха.
Несгораемые углеводороды и сажа
Несгораемые углеводороды (CxHy) также образуются в результате неполного сгорания топлива и способствуют образованию парникового эффекта. В данную группу входят метан (CH4), бутан (C4H10) и бензол (C6H6). Причины их образования аналогичны причинам образования CO: недостаточное распыление и перемешивание при использовании жидкого топлива и недостаток воздуха при использовании природного газа или твердого топлива.
Кроме того, в результате неполного сгорания в дизельных горелках образуется сажа – по сути, чистый углерод (С). При нормальных температурах углерод реагирует очень медленно. Для полного сгорания 1 кг углерода (C) требуется 2,67 кг O2. Температура воспламенения – 725 °C. Более низкие температуры ведут к образованию сажи.
Природный и сжиженный газ
Отдельную опасность представляет само газовое топливо.
Природный газ почти полностью состоит из метана (80–95 %), остальное, по большей части, приходится на этан (до 3,7 %) и азот (до 2,2 %). В зависимости от района производства, в него могут входить в незначительных количествах серные соединения и вода.
Опасность несут утечки газового топлива из-за повреждения газового трубопровода, неисправной газовой арматуры или просто забытой в открытом состоянии при подаче газа на конфорку газовой плиты («человеческий фактор»).
Рис 3 Проверка на утечку природного газа
Метан в тех концентрациях, в которых он может присутствовать в атмосфере жилых помещений или на улице, не токсичен, но в отличие от азота, очень взрывоопасен. В газообразном состоянии он образует с воздухом взрывоопасную смесь в концентрациях от 4,4 до 17 %, наиболее взрывоопасная концентрация метана в воздухе – 9,5 %. В бытовых условиях такие концентрации метана в воздухе создаются при накапливании его при утечках в объемах замкнутых помещений – кухонь, квартир, подъездов. К взрыву в таком случае может привести искра, проскочившая между контактами выключателя электросети, при попытке включить электрическое освещение. Последствия взрывов часто носят катастрофический характер.
Особую опасность при утечках природного газа представляет отсутствие запаха его компонентов. Поэтому накапливание его в замкнутом объеме помещения происходит незаметно для людей. Для обнаружения утечки в природный газ добавляют одорант (с целью имитации запаха).
В автономных системах отопления находит применение сжиженный углеводородный газ (СУГ), представляющий собой побочные продукты нефтяной и топливной промышленности. Основными его компонентами являются пропан (C3H8) и бутан (C4H10). СУГ хранится в жидком состоянии под давлением в газовых баллонах и газгольдерах. Он также образует взрывоопасные смеси с воздухом.
СУГ образует с воздухом взрывоопасные смеси при концентрации паров пропана от 2,3 до 9,5 %, нормального бутана – от 1,8 до 9,1 % (по объему), при давлении 0,1 МПа и температуре 15–20 °C. Температура самовоспламенения пропана в воздухе составляет 470 °C, нормального бутана – 405 °C.
При стандартном давлении СУГ является газообразным и тяжелее воздуха. При испарении из 1 л сжиженного углеводородного газа образуется около 250 л газообразного, поэтому даже незначительная утечка СУГ из газового баллона или газгольдера может быть опасной. Плотность газовой фазы СУГ в 1,5–2 раза больше плотности воздуха, поэтому он плохо рассеивается воздухе, особенно в закрытых помещениях, и может скапливаться в естественных и искусственных углублениях, образуя с воздухом взрывоопасную смесь.
Газоанализаторы как средство газовой безопасности
Вовремя обнаружить присутствие в атмосфере помещений несущие опасность газы позволяют газовые анализаторы. Эти приборы могут иметь разную конструкцию, сложность и функциональность, в зависимости от чего подразделяются на индикаторы, течеискатели, газосигнализаторы, газоанализаторы, газоналитические системы. В зависимости от исполнения они выполняют разные функции – от простейших (подача аудио и/или видеосигнала), до таких как мониторинг и регистрация с передачей данных по Internet и/или Ethernet. Первые, обычно используемые в системах безопасности, сигнализируют о превышении пороговых значений концентрации часто без количественной индикации, последние, в состав которых часто входят несколько датчиков, применяются при наладке и регулировании оборудования, а также в автоматизированных системах управления как составные части, отвечающие не только за безопасность, но и за эффективность.
Рис 4 Настройка работы газового котла с помощью газового анализатора
Важнейшим компонентом всех газоаналитических приборов являются сенсоры – чувствительные элементы небольших размеров, генерирующие сигнал, зависящий от концентрации определяемого компонента. Для повышения избирательности детектирования на входе иногда размещают селективные мембраны. Существуют электрохимические, термокаталитические/каталитические, оптические, фотоионизационные и электрические сенсоры. Их масса обычно не превышает нескольких граммов. Одна модель газового анализатора может иметь модификации с различными сенсорами.
В основе работы электрохимических сенсоров заложены превращения определяемого компонента в миниатюрной электрохимической ячейке. Используются инертные, химически активные или модифицированные, а также ионоселективные электроды.
Оптические сенсоры измеряют поглощение или отражение первичного светового потока, люминесценции или тепловом эффекте при поглощении света. Чувствительный слой может быть, например, поверхностью волокна световода или иммобилизованной на нем фазой, содержащей реагент. Волоконно-оптические световоды позволяют работать в ИК, видимом и УФ диапазонах.
В основе термокаталитического метода – каталитическое окисление молекул контролируемых веществ на поверхности чувствительного элемента и преобразование выделяющегося тепла в электрический сигнал. Его значение определяется концентрацией контролируемого компонента (суммарной концентрацией для совокупности горючих газов и паров жидкостей), выражаемой в процентах НКПР (нижнего концентрационного предела распространения пламени).
Важнейший элемент фотоионизационного сенсора – источник вакуумного ульрафиолетового излучения, который определяет чувствительность детектирования и обеспечивает его селективность. Энергия фотонов достаточна для ионизации большинства наиболее часто встречающихся загрязнителей, но мала для компонентов чистого воздуха. Фотоионизация происходит в объеме, поэтому сенсор легко переносит большие концентрационные перегрузки. Переносные газоанализаторы с такими сенсорами часто используют для контроля воздуха рабочей зоны.
К электрическим сенсорам относятся полупроводники с электронной проводимостью на основе оксидов металлов, органические полупроводники и полевые транзисторы. Измеряемыми величинами являются проводимость, разность потенциалов, заряд или емкость, изменяющиеся при воздействии определяемого вещества.
В разных приборах для определения концентрации CO применяются электрохимические, оптические, электрические сенсоры. Для определения газообразных углеводородов и, прежде всего, метана применяются фотоионизационные, оптические, термокаталитические, каталитические и электрические (полупроводниковые) сенсоры.
Рис 5. Газовый анализатор
Применение газоанализаторов на газораспределительных сетях регламентируется нормативными документами. Так, СНиП 42-01-2002 «Газораспределительные системы» предусматривает обязательную установку на внутренних газовых сетях газоанализатора, выдающего сигнал отсечному клапану на закрытие в случае скопления газа в концентрации 10 % от взрывоопасной. Согласно п. 7.2. СНиПа, «помещения зданий всех назначений (кроме жилых квартир), где устанавливается газоиспользующее оборудование, работающее в автоматическом режиме без постоянного присутствия обслуживающего персонала, следует оснащать системами контроля загазованности с автоматическим отключением подачи газа и выводом сигнала о загазованности на диспетчерский пункт или в помещение с постоянным присутствием персонала, если другие требования не регламентированы соответствующими строительными нормами и правилами.
Системы контроля загазованности помещений с автоматическим отключением подачи газа в жилых зданиях следует предусматривать при установке отопительного оборудования: независимо от места установки – мощностью свыше 60 кВт; в подвальных, цокольных этажах и в пристройке к зданию – независимо от тепловой мощности».
Предупреждение вредных выбросов и повышение эффективности котельного оборудования
Кроме того, что газоанализаторы позволяют предупредить об опасных концентрациях газа в объеме помещений, с их помощью производится настройка работы котельного оборудования, без которой невозможно обеспечить заявляемые производителем показатели эффективности, комфорта, снизить затраты на топливо. Для этого применяются газоанализаторы дымовых газов.
С помощью газоанализатора дымовых газов необходимо настраивать настенные конденсационные котлы на природном газе. Следует контролировать концентрацию кислорода (3 %), угарного (20 ппм) и углекислого газа (13 % об.), коэффициент избытка воздуха (1,6), NOx.
В вентиляторных горелках, работающих на природном газе, также нужно контролировать концентрацию кислорода (3 %), угарного (20 ппм) и углекислого газа (13 % об.), коэффициент избытка воздуха (1,6), NOx.
В вентиляторных горелках, работающих на дизельном топливе, помимо всего предыдущего, перед использованием газоанализатора необходимо измерять сажевое число и концентрацию оксида серы. Сажевое число должно быть меньше 1. Этот параметр измеряется с помощью анализатора сажевого числа и говорит о качестве распыла через форсунки. При его превышении нельзя использовать газоанализатор для настройки, так как будет загрязняться тракт газоанализатора и станет невозможно добиться оптимальных показателей. Концентрация оксида серы (IV) – SO2 говорит о качестве топлива: чем она больше, тем хуже топливо, при локальных избытках кислорода и влажности превращается в H2SO4, разрушающую всю топливосжигающую систему.
В пеллетных котлах следует контролировать концентрацию кислорода (5 %), угарного (120 ппм) и углекислого газа (17 % об.), коэффициент избытка воздуха (1,8), NOx. Необходимы предварительная защита тонкой фильтрации от запыленности дымовыми газами и защита от превышения рабочего диапазона по каналу СО. Он в считанные секунды может превысить рабочий диапазон сенсора и достигнуть 10000–15000 ппм.
Статья из журнала "Аква-Терм" № 4/2017
