Газообразное топливо

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ

У природных газов отсутствует цвет, запах, вкус.

К основные показателям природных газов относятся: состав, теплота сгорания, плотность, температура горения и воспламенения, границы взрываемости и давление при взрыве.

Природные газы чисто газовых месторождений в основном состоят из метана (82-98 %) и других углеводородов.

В составе горючего газа имеются горючие и негорючие вещества. К горючим газам относятся: углеводороды, водород, сероводород. К негорючим относятся: углекислый газ, кислород, азот и водяной пар. Состав их невысок и составляет 0,1—0,3% С0₂ и 1—14% N₂ . После добычи из газа извлекают токсичный газ сероводород, содержание которого не должно превышать 0,02 г/м3.

Теплота сгорания - это количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 м3 газа. Измеряется теплота сгорания в ккал/м3, кДж/м3 газа. Теплота сгорания сухого природного газа составляет 8000—8500 ккал/м³.

Величина рассчитываемая отношением массы вещества к его же объему называется плотностью вещества. Измеряется плотность в кг/м3. Плотность природного газа полностью зависит от его состава и находится в пределах с = 0,73-0,85 кг/м3.

Важнейшей особенностью любого горючего газа является жаропроизводительность, т. е. максимальная температура достигаемая при полном сгорании газа, если необходимое количество воздуха для горения точно соответсвует химическим фор­мулам горения, а изначальная температура газа и воздуха равняется нулю.

Жаропроизводительность природных газов составляет около 2000 -2100 °С, метана - 2043 °С. Действительная температура горения в топках значительно ниже жаропроизводительности и зависит от условий сжигания.

Температурой воспламенения называется температура топливовоздушной смеси, смесь при которой загорается без источника воспламенения. Для природного газа она находится в пределах 645-700 °С.

Все горючие газы являются взрывоопасными, способны воспламеняться при открытом огне или искре. Различают нижний и верхний концентрационный предел распространения пламени, т.е. нижнюю и верхнюю концентрацию при которой возможен взрыв смеси. Нижний предел взрываемости газов составляет 3÷6 %, верхний 12÷16%.

Границы взрываемости.

Газовоздушная смесь, имеющая в составе количество газа:

до 5 % - не горит;

от 5 до 15 % - взрывается;

больше 15 % - горит при подаче воздуха.

Давление при взрыве природного газа составляет 0,8—1,0 МПа.

Все горючие газы способны вызывать отравления организма человека. Основными отравляющими веществами являются: окись углерод (СО), сероводород (H₂S), аммиак (NH₃).

У природного газа отсутствует запах. Для того чтобы определить утечку газ одоризируют (т.е. придают ему специфический запах). Проведение одоризации осуществляется путем использования этилмеркаптана. Осуществляют одоризацию на газораспределительных станциях (ГРС). При попадании в воздух 1% природного газа начинает ощущаться его запах. Практика показывает, что средняя норма этилмеркаптана для одоризации природного газа, который поступает в городские сети, должна составлять 16 г на 1 000 м3 газа.

По сравнению с твердым и жидким топливом природный газ выигрывает по многим параметрам:

- относительная дешевизна, которая объясняется более легким способом добычи и транспорта;

- отсутствие золы и выноса твердых частиц в атмосферу;

- высокая теплота сгорания;

- не требуется подготовки топлива к сжиганию;

- облегчается труд обслуживающих работников и улучшение санитарно-гигиенических условий его работы;

- облегчаются условия автоматизации рабочих процессов.

Из-за возможных утечек через неплотности в соединениях газопровода и в местах присоединения арматуры использование природного газа требует особой внимательности и осторожности. Проникновение в помещение более 20 % газа может привести к удушью, а при наличии его в закрытом объеме от 5 до 15 % может вызвать взрыв газовоздушной смеси. При неполном сгорании образуется токсичный угарный газ СО, который даже при небольших концентрациях приводит к отравлению обслуживающего персонала.

По своему происхождению природные газы делятся на две группы: сухие и жирные.

Сухие газы относятся к газам минерального происхождения и находятся в районах, связанных с настоящей или прошлой деятельностью вулканов. Сухие газы состоят почти исключительно из одного метана с ничтожным содержанием балластных составляющих (азота, углекислого газа) и имеют теплотворную способность Qн=7000÷9000 ккал/нм3.

Жирные газы сопутствуют нефтяным месторождениям и скапливаются обычно в верхних пластах. По своему происхождению жирные газы близки к нефти и содержат в своем составе много легко конденсирующихся углеводородов. Теплотворная способность жидких газов Qн=8000-15000 ккал/нм3

К преимуществам газообразного топлива следует отнести легкость транспортировки и сжигания, отсутствие золы влаги, значительная простота котельного оборудования.

Наряду с природными газами используются и искусственные горючие газы, получаемые при переработке твердых топлив, или в результате работы промышленных установок как отходящие газы. Искусственные газы состоят из из горючих газов неполного сгорания топлива, балластных газов и водяных паров и разделяются на богатые и бедные, имеющие среднюю теплотворность 4500 ккал/м3 и 1300 ккам3 соответственно. Состав газов: водород, метан, прочие углеводородные соединения CmHn, сероводород H₂S, негорючие газы, двуокись углерода, кислород, азот и незначительное количество водяных паров. Балласт – азот и двуокись углерода.

Таким образом состав сухого газообразного топлива можно представить как следующую смесь элементов:

СО + Н₂ + ∑CmHn + H₂S + СO₂ + O₂ + N₂ =100%.

Состав влажного газообразного топлива выражают следующим образом:

СО + Н₂ + ∑CmHn + H₂S + СO₂ + O₂ + N₂ + Н₂О=100%.

Теплоту сгорания сухого газообразного топлива кДж/м3 (ккал/м3) на 1 м3 газа при нормальных условиях определяют следующим образом:

Qн= 0,01 [Qсо* СО + Qн₂ *Н₂ + ∑Q_CmHn * CmHn + Qн₂s *H₂S ],

Где Qi – теплота сгорания соответствующего газа.

Теплота сгорания газообразного топлива приведена в таблице 3.

Табл.3.

Газ	Обозначение	кДж/м3	Ккал/м3
Водород	Н2
Окись углерода	СО
Сероводород	H2S
Метан	CH4
Этан	C2H6
Пропан	C3H8
Бутан	C4H10
Пентан	C2H12
Этилен	C2H4
Пропилен	C3H6
Бутилен	C4H8
Бензол	C6H6

Доменный газ образуется при выплавке чугуна в доменных печах. Его выход и химсостав зависят от свойств шихты и топлива, режима работы печи, способов интенсификации процесса и других факторов. Выход газа колеблется в пределах 1500-2500 м³ на тонну чугуна. Доля негорючих компонентов (N₂ и CO₂) в доменном газе составляет около 70%, что и обуславливает его низкие теплотехнические показатели (низшая теплота сгорания газа равна 3-5 МДж/м³).

При сжигании доменного газа максимальная температура продуктов сгорания (без учёта тепловых потерь и расхода теплоты на диссоциацию CO₂ и H₂O) равна 400-1500 ⁰C. Если перед сжиганием газ и воздух подогреть, то температуру продуктов сгорания можно значительно повысить.

Ферросплавный газ образуется при выплавке ферросплавов в рудовосстановительных печах. Газ, отходящий из закрытых печей, можно использовать в качестве топливных ВЭР (вторичные энергетические ресурсы). В открытых печах в связи со свободным доступом воздуха газ сгорает на колошнике. Выход и состав ферросплавного газа зависит от марки выплавляемого

сплава, состава шихты, режима работы печи, её мощности и т.п. Состав газа: 50-90% CO, 2-8% H₂, 0,3-1% CH₄, O₂ <1%, 2-5% CO₂, остальное N₂. Максимальная температура продуктов сгорания равна 2080 ^0 C. Запылённость газа составляет 30-40 г/м^3.

Конвертерный газ образуется при выплавке стали в кислородных конвертерах. Газ состоит в основном из оксида углерода, выход и состав его в течение плавки значительно изменяются. После очистки состав газа примерно таков: 70-80% CO; 15-20% CO₂; 0,5-0,8% O₂; 3-12% N₂.Теплота сгорания газа составляет 8,4-9,2 МДж/м³. Максимальная температура сгорания достигает 2000⁰С.

Коксовый газ образуется при коксовании угольной шихты. В чёрной металлургии он используется после извлечения химических продуктов. Состав коксового газа зависит от свойств угольной шихты и условий коксования. Объёмные доли компонентов в газе находятся в следующих пределах, %: 52-62H₂; 0,3-0,6 O₂; 23,5-26,5 CH₄; 5,5-7,7 CO; 1,8-2,6 CO₂. Теплота сгорания равна 17-17,6 МДж/м^3, максимальная температура продуктов сгорания – 2070 ⁰С.