Газообразные топлива. Виды и свойства.

Всевозможные газообразные топлива имеют различные свойства, определяющие их в качестве моторного горючего, которое может быть разделено на следующие группы:

- физико-химические;

- энергетические (теплотехнические);

- газо-гидродинамические;

- технолого-производственные;

- экологические

В таблице 1.2. приводятся свойства основных составляющих газообразных топлив, которые могут быть использованы для сравнительных теплотехнических расчетов.

Сравнивая эти свойства, можно рассмотреть все возможные варианты их использования. Например, существует 12 вариантов применения СПГ и продуктов его переработки в качестве топлива для ДВС.

Однако, выполненные расчеты приведенных, удельных капитальных, суммарных энергетических затрат и сравнение их с соответствующими технико-экономическими показателями по производству моторных топлив на нефтеперерабатывающих заводах показывает, что варианты "сжатый природный газ" и "сжиженный природный газ" могут составить конкуренцию по отношению к нефтяным моторным топливам даже без учета эффекта от снижения токсичности ОГ.

Таблица 1.2

Параметры	Метан (СН4)	Этан (С2Н6)	Пропан (С3Н8)	Бутан (С4Н10)
Молекулярная масса	16.03	30.05	44.06	58.08
Состав, % по весу
Н	25.03	20.18	18.30	17.35
С	74.57	79.88	81.70	82.65
Отношение Н/С	4.0	3.0	2.7	2.50
Газовая постоянная
кгс×м/кг×К	52.81	28.22	19.25	14.60
ккал/кг×0С	0.124	0.066	0.045	0.34
Плотность при стандартных условиях
в парообразном состоянии, кг/м3	0.67	1.273	1.867	2.460
в жидком состоянии, кг/л	0.415	0.446	0.51	0.58
Показатель адиабаты	1.28	1.2	1.15	1.11
Теплота испарения, ккал/кг	122.6	–
Относительная плотность	0.554	1.048	1.562	2.091
Низшая теплота сгорания при стандартных условиях в парообразном состоянии, ккал/м3
то же, ккал/кг
в жидком состоянии, ккал/л
Количество воздуха теоретически необходимое для полного сгорания при стандартных условиях,
м3/м3 топлива	9.52	16.66	23.01	31.09
м3/кг топлива	14.2	12.10	12.81	12.64
Теплота сгорания стехиометрической смеси при стандартных условиях,
ккал/м3
Температура кипения, 0С	-161.6	-88.6	-42.2	-0.5
Температура самовоспламенения, 0С	590-690	550-600	510-580	480-540
Температура горения стехиометрической смеси, 0С
Коэффициент молекулярного изменения при сгорании стехиометрической смеси	1.0	1.038	1.042	1.047
Октановое число (по моторному методу)	100-120	100-105	90-100	90-100
Максимальное значение нормальной скорости распространения пламени, м/с	3.4-3.7	3.8	3.9	3.8
Коэффициент избытка воздуха, соответствующий максимальному значению нормальной скорости распространения пламени	0.95	0.9	0.84	0.86
нижнему концентрационному пределу	2.0	1.8	1.7	1.7
верхнему концентрационному пределу	0.65	0.5	0.4	0.35
Пределы воспламеняемости в воздухе,
Содержание газа в стехиометрической горючей смеси, %	9.51	5.65	4.02	3.23
Коэффициент теплопроводности парообразных компонентов,
ккал/м×с×0С	0.0264	0.0135	0.0127	0.0116
Минимальная энергия воспламенения, 10-3Дж	0.23	–	–	–
Число Воббе, высшее		–
низшее		–

Следует также подчеркнуть некоторые особенности СНГ, который называют также попутным газом и в зависимости от различных факторов, выработка которого составляет 1.5...10.0 % от количества исходного сырья.

Компонентный состав СНГ (табл.1.3) может колебаться в широких пределах в зависимости от их назначения. Однако для двигателей очень важна стабильность компонентного состава СНГ, т.к. в зависимости от этого изменяются их топливно-экономические и экологические показатели.

Поэтому низшая теплотворная способность СНГ сложного состава укрупнено определяется:

Q_н = 217 С₃Н₈ + 282.6 С₄Н₁₀ , кДж/(г×моль)

Более точная формула (погрешность не более 0.14%) расчета низшей теплоты сгорания предельных углеводородов (С_nН_2n+2) имеет вид:

Q_н= Q_в – 40.68(n+1) = 181.1+ 631.98n – 1.7778 n², кДж/(г×моль)

где n – число атомов углерода в молекулах углеводородов;

Q_в – высшая мольная теплота сгорания.

Таблица 1.3

Следует обратить внимание также на давление насыщенных паров СНГ, которое влияет на нормальную работу газовой системы питания, по их значению рассчитывают прочность газовых баллонов. Другим свойством СНГ является плотность жидкой фазы, определяющая концентрацию энергии в единице объема. Коэффициент объемного расширения СНГ от испарения 1 м³ сжиженных газов (пропан – 269 м³, бутан – 235 м³) также определяет особенности их эксплуатации.

Таким образом, СПГ и СНГ являются высокооктановыми топливами, позволяющими повысить степень сжатия двигателя и тем самым улучшить их мощностные и топливно-экономические показатели (табл.1.4).

Особенно следует обратить внимание на процесс одоризации СНГ и СПГ. Данный процесс производится в целях обнаружения утечки газов и во многом определяет правила их безопасной эксплуатации.

Таблица 1.4

Известно, что одоранты газов должны быть физиологически безвредны, с неприятным запахом, легко обнаружимыми при малых концентрациях, не вызывающими коррозию материалов и т.д.

Как правило, отечественной газоперерабатывающей промышленностью, в качестве одоранта газов используется этилмеркаптан (С₂Н₅SН), а в других странах (табл.1.5) применяются другие различные одоранты. Для ввода в поток газа используют одоризаторы, которые бывают барботажного и капельного типов. Как правило, зимой расход одоранта назначают вдвое больше, чем летом.

Следует подчеркнуть, что существующей нормативной документацией качество одоризации газа устанавливается на запах по десятибалльной шкале, которая является субъективным способом, имеющим неточность.

В этой связи ОГ газовых двигателей, особенно на СНГ имеют резкий запах, который отрицательно сказывается на самочувствии людей.

Таблица 1.5

Наряду с СПГ и СНГ наиболее важным газообразным топливом является водород, имеющий показательные технические свойства: высокую скорость и температуру сгорания, широкие пределы воспламеняемости и др. Однако в настоящее время широкому использованию водорода в двигателях массового применения препятствуют некоторые факторы, такие как, малая концентрация энергии в единице объема газообразного водорода, сложность хранения и транспортировки в сжиженном виде, экономические показатели получения.

Как уже было отмечено, что основными компонентами сжиженного газа, используемого как автомобильное топливо, яв­ляются пропан и бутан, получаемые при добыче природного газа и нефти, а также при различ­ных стадиях ее переработки на нефтеперераба­тывающих заводах.

Сравнительные характеристики пропана, бу­тана и бензина приведены в табл. 1.6

Из этих данных видно, что С и Н сжиженного нефтяного газа (пропана и бутана) представля­ют собой благоприятное соотношение молеку­лярных масс углерода и водорода. Углеродное число у пропана – 3, a y бутана – 4. Более высокое содержание водорода обеспечивает полное сго­рание газа в двигателе автомобиля. Плотность жидкой фазы зависит от температуры, с увели­чением которой плотность уменьшается.

Изменение плотности пропана и бутана в зависимости от температуры показано на гра­фике (рис.1.1).

При атмосферном давлении и температуре 15 °С плотность жидкой фазы пропана составля­ет 0.51 кг/л, бутана – 0.58 кг/л. Паровая фаза тяжелее воздуха (пропана в 1.5 раза, бутана в 2 раза).

Температура кипения бензина выше темпера­туры окружающей его среды, а сжиженный газ испаряется при более низких температурах. Это означает, что бензин в баке находится, как правило, в жидком состоянии при атмосферном давлении, а сжиженный газ в баллоне – при давлении, соответствующем температуре окружающей среды.

Низший предел воспламеняемости газа со­ставляет 1.8…2.4 % в смеси, а бензина – 1.5 %. Поэтому при эксплуатации, техническом обслуживании и хранении газобаллонного автомобиля нужно тщательным образом выполнять все предписываемые правила безопасности.

Рис. 1.1. Зависимость плотности пропана и бутана от температуры

Как известно, октановое число газового топ­лива выше, чем у бензина. А потому сжиженный газ обладает большей антидетонационной спо­собностью по сравнению с бензином, будь пос­ледний самого высшего качества. Это позволяет добиться большей экономичности использова­ния топлива в двигателе с повышенной степе­нью сжатия.

Однимиз наиболееважных свойств пропана и бутана, отличающих их от других видов авто­мобильного топлива, является наличие паровой фазы над свободной поверхностью этого топлива, которое поддерживает давление пара в бал­лоне. В процессе наполнения баллона первые порции сжиженного газа быстро испаряются и заполняют весь его объем.

Таблица 1.6

Давление насыщенного пара бутана состав­ляет 0.1 МПа (1 кгс/см²) при 0 °С и 0.17 МПа (1.7 кгс/см²) при 15 °С, а давление насыщенного пара пропана при этой же температуре – соот­ветственно 0.59 и 0.9 МПа. Это означает, что при изменении пропорции состава газа давле­ние последнего изменяется.

Давление растет при увеличении температу­ры, что приводит к большим изменениям объе­ма сжиженного газа, находящегося в жидком состоянии. Следовательно, если сжиженный газ в жидком состоянии полностью заполняет баллон и температура продолжает увеличивать­ся, то давление будет быстро расти, что может привести к разрушению баллона.

Поэтому никогда нельзя заполнять баллон жид­ким сжиженным газом полностью. Обязательно необходимо оставлять паровую подушку, объем которой должен составлять 15…20 % от геометрической емкости баллона.

Облегчает выполнение этого требования, как будет сказано ниже, многофункциональный прибор – мультиклапан, расположенный на обе­чайке баллона, который строго следит за запол­нением баллона сжиженным газом, Он обяза­тельно сработает при заправке на АГЗС и авто­матически отключит подачу газа в баллон, когда объем заправляемого сжиженного газа, достиг­нет 80…85 % от общей емкости баллона и обеспечит пространство (незаполненный объем) для компенсации теплового расширения над поверхностью жидкости, образуя насыщенный пар, давление которого зависит от температуры окружающей среды.

В условиях холодного климата (или зимы) в сжиженном газе (смеси пропана и бутана), пред­назначенном для использования в качестве автомобильного топлива, должен преобладать пропан для лучшей испаряемости смеси. Про­пан перестает переходить в газ и остается в жидком состоянии при температуре ниже -42 °С; для бутана эта температура равна –0.5 °С.

Изменение давления насыщенных паров Р смеси пропана и бутана в зависимости от тем­пературы в баллоне показано на рис. 1.2. Верхняя кривая на рисунке показывает содержание (в %) пропана и бутана в сжиженном газе, использу­емом в зимнее время года, нижняя – то же соотношение для летного времени.

Сжиженный газ обладает способностью ра­створять жир, масло и краску. Он также дефор­мирует натуральную резину. Поэтому в тру­бопроводах низкого давления резиновые шлан­ги выполняются из стойкой к растворителям резины или синтетических материалов.

Некоторую опасность представляет собой сжи­женный газ, попавший на тело человека. Под действием быстро испаряющегося газа на теле могут возникнуть обморожения.

Важнейшими характеристиками любого моторного топлива являются энергетические свойства, отношение содержание водорода к углероду (Н/С), размеры и характер сгорания молекул.

Как правило, у газообразных топлив отношение Н/С составляет 2.5…4.0, молекулы химически устойчивы и просты по строению. Это все обеспечивает качественное протекание процесса сгорания и хорошие экологические показатели. Однако количество выбросов определяется в значительной степени качеством регулировки газовой системы питания, конструктивного совершенства самой системы питания и газового двигателя, а также его системы зажигания. Энергетические свойства любого моторного топлива определяются следующими показателями: октановым числом, массовой удельной теплотой сгорания, стехиометрическим отношением, объемной теплотой сгорания стехиометрической топливно-воздушной смеси в цилиндрах двигателя.

		1.6

	МПа
	1.4
	1.2
	1.0
	0.8			Пропан
	0.6
	0.4
	0.2		Бутан
t -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 0C 40

Рис.1.2. Зависимость давления насыщенных паров пропана и бутана от температуры

Другим перспективным направлением является применение сжиженного природного газа (СжПГ) в качестве моторного топлива. СжПГ хранится при температуре –163 ⁰С. Известно, что при объеме газовых баллонов, равном объему бака для бензина, автомобиль, используя СПГ, может пройти расстояние в 6 раз меньше, а при использовании СжПГ – на одну треть меньше, чем на бензине. Для достижения энергетической эквивалентности топливных баков бензина и СжПГ объем газового баллона газа несколько увеличивается. Ниже приводятся сравнительные показатели грузового автомобиля ЗИЛ-431610 на различных топливах.

Таблица 1.7