Глава 1. Характеристика, свойства, особенности сжигания газообразного топлива
Топливо - это вещество, которое при окислении выделяет большое количество тепловой энергии.
Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов, содержащую некоторое количество примесей. К горючим газам относятся углеводороды, водород и оксид углерода (угарный газ). Негорючие компоненты - это азот, диоксид углерода (углекислый газ) и кислород. К примесям относят водяные пары, сероводород, пыль, нафталин, аммиак и др. Негорючие газы и примеси составляют балласт газообразного топлива .
1.1. Компоненты газообразного топлива: горючие и негорючие
К горючим компонентам газообразного топлива относятся следующие вещества:
Метан СН4 - бесцветный, нетоксичный газ без запаха и вкуса. В состав метана входит 25 % водорода и 75 % углерода (по массе). При атмосферном давлении и температуре 111 К метан сжижается и его объем уменьшается почти в 600 раз. Сжиженный метан является перспективным топливом для многих отраслей народного хозяйства.и концентрации метана в воздухе более 10 % вызывает удушье.[4]
К роме метана в горючих газах могут содержаться этан – С2Н6 пропан - С3Н8, бутан - С4Н10, пентан - С5Н12 - углеводороды метанового ряда, которые носят название алканов, то есть насыщенных углеводородов. Общая формула алканов – СnН2n+2- Свойства их аналогичны свойствам метана. Пропан, бутан и пентан тяжелее воздуха, при концентрации в воздухе более 10 % и при вдыхании более 2 мин начинается головокружение, а затем наступает удушье. С увеличением числа атомов в молекуле тяжёлых углеводородов возрастают их плотность и теплота сгорания.
Оксид углерода CO (угарный газ) - бесцветный газ, без запаха и вкуса. Оксид углерода оказывает на организм человека токсичное воздействие, так как легко вступает в соединение с гемоглобином крови. Влияние концентрации СО на организм человека показано в таблице 1. Вследствие малого объёма продуктов горения CO на каждый куб. метр их приходиться меньше чем на 1 куб. метр продуктов горения углеводородов. Поэтому продукты горения CO нагреваются до более высокой температуры (1 CO - образует 2,88 м3 продуктов сгорания).
Водород Н2 - бесцветный нетоксичный газ без вкуса и запаха. Водород отличается высокой реакционной способностью, водородно-воздушные смеси имеют широкие пределы воспламенения и весьма взрывоопасны.
В негорючую часть газообразного топлива входит азот и углекислый газ.
Азот N2- бесцветный газ без запаха и вкуса. Азот практически не реагирует с кислородом, поэтому при расчётах процесса горения его рассматривают как инертный газ.
Таблица 1. Физиологическое воздействие оксида углерода CO на организм человека.
Содержание СО Длительность и характер воздействия
об. % мг / л
0,01 0,125 В течение нескольких часов не оказывает воздействия
0,05 0,625 В течении 1 часа нет заметного воздействия
0,1 1,25 Через 1 час наблюдается головная боль, тошнота , недомогание
0,5 6,25 Через 20 - 30 мин. оказывает смертельное воздействие
Углекислый газ СО2 - бесцветный газ, тяжелее воздуха. Имеет слегка кисловатый запах и вкус. Концентрация в воздухе в пределах 4-5% приводит к сильному раздражению органов дыхания; 10% - ная концентрация СО2 в воздухе вызывает сильное отравление. При сильном охлаждении СО2 застывает в белую снегообразную массу. Твёрдый СО2 (сухой лёд) широко используется для хранения скоропортящихся продуктов [1].
Кислород О2 - без запаха, цвета и вкуса. Содержание кислорода в газе понижает теплоту сгорания и делает газ взрывоопасным. Поэтому содержание кислорода в газе не должно быть более 1% по объёму.
Сероводород Н2 - газ с сильным и неприятным запахом, обладает высокой токсичностью. Сероводород является газообразной кислотой и, воздействуя на металлы, образует сульфиды. При сжигании газа Н2 сгорает и образует сернистый газ, вредный для здоровья. Содержание Н2не должно превышать 2г на 100 м3 газа.
1.2. Сжатые и сжиженные газы
В зависимости от физических свойств углеводородной части все газовые топлива условно делят на две группы: сжатые и сжиженные газы.
Сжатые газы - это горючие газы с низкой критической температурой (критическая температура- предельная температура равновесного сосуществования двух фаз (жидкости и ее пара), выше которой может существовать лишь одна), которые остаются в газообразном состоянии не только при нормальных условиях (20?С; 0,1 МПа), но и при очень высоком давлении (до 20 МПа). В своем составе сжатые газы содержат метан, водород, окись углерода. Теплота, выделяемая при сгорании 1 см3 водорода и оки¬си углерода, низкая (около 10 000 кДж/м3), поэтому эти состав¬ляющие невыгодно использовать для получения сжатых газов. Обычно сжатию подвергают природные газы (основной компо¬нент метан) с теплотой сгорания 39 600 кДж/м3[9].
Выпускают три вида сжатых газов:
природный, теплота сгорания- 29 000 кДж/м3;
коксовый метанизированный, теплота сгорания- 27 000 кДж/м3;
коксовый обогащенный /теплота сгорания- 22 000 кДж/м3.
В сжатых газах ограничивается содержание влаги: в зимнее время оно не должно быть выше 0,5 г /м3, в летнее - не более 7,0 г /м3. Не допускается присутствие даже небольших коли¬честв коррозионно-агрессивных соединений: сероводорода, кис¬лорода, смол и пыли, цианистых соединений.[3]
Сжатые газы используют как топливо для грузовых авто¬мобилей, но широкого распространения они не имеют. При пе¬реводе двигателей с жидкого топлива на сжатые газы на 10-20 % снижается их мощность вследствие уменьшения на¬полнения цилиндров, а также снижается грузоподъемность автомобиля. Газ, сжатый до высокого давления, требует для хранения тяжелых баллонов (масса 60-70 кг). Обычно на ав¬томобиле устанавливают шесть таких последовательно соеди¬ненных баллонов, емкость каждого по 10 м3 газа при нормаль¬ных условиях.[9]
Сжиженные газы - это газы с относительно высокой крити¬ческой температурой: при повышении давления до 1,0-1,5 МПа переходят в жидкое состояние. В основном они содержат пропан-бутановые углеводороды с 3- и 4-углеродными атомами (табл. 2.).
Сжиженные газы выпускают трех марок:
пропан технический, теплота сгорания- 45 000 кДж/м3;
бутан технический, теплота сгорания- 46 000 кДж/м3;
смесь пропан-бутановых фракций, теплота сгорания - 45 500 кДж/м3.
Требования к качеству сжиженных газов. ГОСТ 21443-75
Показатель Норма
Пропан технический Бутан технический Смесь пропан-бутан техническая
Углеводородный состав, массовая доля компонентов, %:
метан-этан, не более 2,0 - 4,0
пропан, не более - 1,0 -
не менее 95,0 - 40,0
В том числе:
нормальный бутан, не менее - 96,0 -
изобутан, не более - 2,0 -
непредельные углеводороды, не более 2,0 Отсутствует 2,0
Жидкий остаток (в том числе углеводороды С5 и выше) при 20 °С, объемная доля, не более Отсутствует 2,0 2,0
Давление насыщенных паров при 45 "С, МПа (кгс/см2), не более 1,6 (16) 0,6 (6,0) 1,6 (16)
Массовая доля общей серы (для неодорированного газа), %, не более 0,01 0,005 0,01
Испытание на медную пластинку (для неодорированного газа) Выдерживает
Содержание свободной воды Отсутствует
Содержание щелочи Отсутствует
Сжиженный газ продукт переработки нефти - состоит в основно из смеси пропана и бутана.
Рекомендуемый химический состав газа для промышленного применения в газоэлектрогенераторах:[7]
Природный газ (CNG, NG): метан CH4 более 90%, этан C2H5 менее 4%, пропан C3H8 менее 1%
Сжиженный газ (LPG): пропан C3H8 более 65%, бутан C4H10 менее 35%
Состав сухого газообразного топлива (в процентах по объему):
СО + Н2 + 2 СmНn + Н2S + СO2 + O2 + N2 = 100%.
Негорючую часть сухого газового топлива — балласт — составляют азот N и двуокись углерода СО2.
Состав влажного газообразного топлива выражают следующим образом:
СО + Н2 + ? СmНn + Н2S + СО2 + O2 + N2 + Н2О = 100%.
Теплоту сгорания, кДж/м (ккал/м3), 1 м3 чистого сухого газа при нормальных условиях определяют следующим образом:
Qнс = 0,01 [Qсо СО + Qн2 Н2 + ? Qсmнn СmНn + Qн2s Н2S],
где Qсо, Qн2, Qсmнn Qн2s. - теплота сгорания отдельных газов, входящих в состав смеси, кДж/м3(ккал/м3); СО, Н2, CmНn,, Н2S - компоненты, составляющие газовую смесь, % по объему.
Теплота сгорания 1 м3 сухого природного газа при нормальных условиях для большинства отечественных месторождений составляет 33,29 - 35,87 МДж/м3 (7946 - 8560 ккал/м3). Характеристика газообразного топлива приведена в таблице 1.
Таблица 3.. Характеристика газообразного топлива
Газ Обозначение Теплота сгорания Qнс
кДж/м3 ккал/м3
Водород Н, 10820 2579
Окись углерода СО 12640 3018
Сероводород Н2S 23450 5585
Метан СН4 35850 8555
Этан С2Н6 63 850 15226
Пропан С3Н8 91300 21795
Бутан С4Н10 118700 22338
Пентан С5Н12 146200 34890
Этилен С2Н4 59200 14107
Пропилен С3Н6 85980 20541
Бутилен С4Н8 113 400 27111
Бензол С6Н6 140400 33528
1.3. Виды газового топлива
Газовое топливо делится на природное и искусственное и представляет собой смесь горючих и негорючих газов, содержащую некоторое количество водяных паров, а иногда пыли и смолы. Количество газового топлива выражают в кубических метрах при нормальных условиях (760 мм рт. ст. и 0°С), а состав — в процентах по объему. Под составом топлива понимают состав его сухой газообразной части.
1.3.1. Природное газовое топливо
Рис. 1. Газообразное топливо
Наиболее распространенное газовое топливо — это природный газ, обладающий высокой теплотой сгорания.
Природные горючие газы, так и искусственные бесцветны (невидимы), не имеют запаха, что делает их опасными при проникновении во внутреннее помещение котельной через неплотности газопроводной арматуры. Во избежание отравления горючие газы следует обрабатывать одорантом - веществом с неприятным запахом[9].
К природным относят газы природных месторождений и попутные газы газонефтяных месторождений — метан, пропан, бутан, 5542—87):
низшая теплота сгорания при 20 °С — не менее 31,8 МДж/м3;
массовая концентрация сероводорода — не более 0,02 г/м3;
объемная доля кислорода — не более 1 %;
масса механических примесей — не более 0,001 г/м3;
интенсивность запаха при объемной доле в воздухе 1 % — не менее 3 баллов;
наличие в газе жидкой фазы воды не допускается;
пределы воспламеняемости (по метану) в смеси с воздухом в объемных процентах (об. %): нижний — 5, верхний — 15.
Для коммунально-бытового потребления используют газы углеводородные сжиженные топливные марок СПБТЗ (смесь пропанбутановая техническая зимняя); СПБТЛ (смесь пропанобутановая летняя); БТ (бутан технический).
В соответствии с требованиями ГОСТ 20448—80* к сжиженным газам предъявляются следующие требования:
- суммарное объемное количество в газе пропана и бутана — не менее 75 %;
давление насыщенных паров при 45 СС — не более 1,6 МПа, при — 20 °С — не менее 0,16 МПа;
содержание сероводорода и меркаптановой серы — не более 0,015%;
содержание свободной воды и щелочи не допускается;
пределы воспламеняемости в смеси с воздухом при температуре 15...20°С, об. %: нижний — 1,8, верхний — 9,5;
низшая теплота сгорания (для пропана — 93,1 МДж/м3, для бутана — 122 МДж/м3)
Основой природного газа является метан, содержание которого 76,7-98%. Другие газообразные соединения углеводородов входят в состав природного газа от 0,1 до 4,5%.
Это газ, добываемый из чисто газовых месторождений, попутный газ нефтяных месторождений, газ конденсатных месторождений, шахтный метан и т.д. Основным его компонентом является метан СН4 ; кроме того, в газе разных месторождений содержатся небольшие количества азота N2 , высших углеводородов СnНm , диоксида углерода СО2 . В процессе добычи природного газа его очищают от сернистых соединений, но часть их (в основном сероводород) может оставаться.
При добыче нефти выделяется так называемый попутный газ, содержащий меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов и поэтому выделяющий при сгорании больше теплоты.
В промышленности и особенно в быту находит широкое распространение сжиженный газ, получаемый при первичной обработке нефти и попутных нефтяных газов. Выпускают технический пропан (не менее 93% С3 Н8 + С3 Н6 ), технический бутан (не менее 93% С4 Н10 + С4 Н8 ) и их смеси.
Использование природного газа
Потребление природного газа осуществляется многими отраслями промышленности и объектами, такими как: ТЭЦ, котельные, газовые двигатели, химическое производство (изготовление пластмасс и прочих материалов), а также в виде тплива для машин, обогрева жилых помещений., приготовления пищи.
Природный газ располагается в залежах, представляющих собой «купола» из водонепроницаемого слоя (типа глины), под которым в пористой среде (песчаник) под давлением находится газ, состоящий в основном из метана СН4 . На выходе из скважины газ очищается от песчаной взвеси, капель конденсата и других включений и подаётся на магистральный газопровод диаметром 0,5 – 1,5 м длиной несколько тысяч километров. Давление газа в газопроводе поддерживается на уровне 5 МПа при помощи компрессоров, установленных через каждые 100-150 м. Компрессоры вращаются газовыми турбинами, потребляющими газ. Общий расход газа на поддержание давления в газопроводе составляет 10-12% от всего прокачиваемого. Поэтому транспорт газообразного топлива весьма энергозатратен.[1].
В последнее время в ряде мест всё большее применение находит биогаз – продукт анаэробной ферментации (сбраживания) органических отходов (навоза, растительных остатков, мусора, сточных вод и т.д.). В Китае на самых разных отбросах работают уже свыше миллиона фабрик биогаза (по данным ЮНЕСКО – до 7 млн.). В Японии источниками биогаза служат свалки предварительно отсортированного бытового мусора. «Фабрика», производительностью до 10-20 м? газа в сутки. Обеспечивает топливом небольшую электростанцию мощностью 716 кВт.
Анаэробное сбраживание отходов крупных животноводческих комплексов позволяет решить чрезвычайно острую проблему загрязнения окружающей среды жидкими отходами путём превращения их в биогаз (примерно 1 куб.м в сутки на единицу крупного рогатого скота) и высококачественные удобрения.
Весьма перспективным видом топлива, обладающим в три раза большей удельной энергоёмкостью по сравнению с нефтью, является водород, научно-экспериментальные работы по изысканию экономичных способов промышленного преобразования которого активно ведутся в настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом. Запасы водорода неистощимы и не связаны с каким-то регионом планеты. Водород в связанном состоянии содержится в молекулах воды (Н2 О). При его сжигании образуется вода, не загрязняющая окружающую среду. Водород удобно хранить, распределять по трубопроводам и транспортировать без больших затрат.
В настоящее время водород в основном получают из природного газа, в ближайшем будущем его можно будет получать в процессе газификации угля. Для получения химической энергии водорода используется также процесс электролиза. Последний способ имеет значительное преимущество, так как приводит к обогащению кислородом окружающей среды. Широкое применение водородного топлива может решить три актуальные проблемы:
- уменьшить потребление органического и ядерного топлива;
- удовлетворить возрастающие потребности в энергии;
- снизить загрязнение окружающей среды.
1.3.2. Искусственное газовое топливо: виды, характеристика
Искуственные горючие газы являются топливом местного значения, поскольку имеют значительно меньшую теплоту сгорания.
