Тема 4. Горючие газы и их свойства, принцип сжигания.

1. Общие сведения о топливе (природный и сжиженный газ)

Для получения тепловой энергии в системах теплоснабжения используется твердое, жидкое и газообразное топливо. Выбор того или иного вида топлива зависит от местных условий, санитарных требований и пр. рациональный вид топлива определяется путем технико-экономического сравнения двух или нескольких возможных вариантов.

В отопительных, отопительно-производственных котельных жилых, общественных зданий и коммунальных предприятий чаще всего используется природный газ низкого давления (до 500 мм вод. ст.).

Горючие газы, особенно природный газ, являются наиболее эффективным видом топлива.

При использовании горючих газов следует иметь в виду, что они могут воспламеняться или взрываться, если смешаны в определенных соотношениях с воздухом, и смесь газа при этом нагревается до температуры воспламенения. Нижний предел взрываемости природных газов колеблется от 3 до 6, верхний – от 12 до 16%. Для предотвращения образования опасной газовоздушной смеси в помещении должна быть предусмотрена вентиляция. При этом следует иметь в виду, что искусственные и природные газы чисто газовых месторождений легче, а пары сжиженных газов тяжелее воздуха. Поэтому газовоздушная смесь при утечках из газопроводов удаляется из верхней зоны помещений, а смесь паров сжиженных газов и воздуха – из пониженных мест зданий и сооружений с помощью вентиляционных устройств.

Искусственные газы из-за наличия в своем составе окиси углерода (СО) токсичны. При содержании в воздухе 0,025% СО происходит отравление.

Природные и сжиженные газы не токсичны. Однако, при концентрации природного газа в воздухе 10% и более возможно удушье вследствие уменьшения содержания кислорода в воздухе.

Природные газы не имеют запаха, и поэтому для того, чтобы их можно было обнаружить при утечках в газораспределительных станциях газ одорируют – смешивают с газом, имеющим неприятный специфический запах.

При сжигании природного газа образуются в основном водяные пары и углекислый газ. Если сжигание газа происходит при недостаточном количестве воздуха, в составе дымовых газов будет окись углерода, являющаяся токсичным газом.

2. Свойства реальных газов.

Законы идеальных газов:

З-н Шарля: при неизменном объеме абсолютное давление газа меняется прямо пропорционально его абсолютной температуре.

Окись углерода (угарный газ) СО является продуктом неполного горения углерода. Не имеет ни цвета, ни запаха. Сильно токсичен: содержание СО в воздухе помещения в количестве 0,025 % вызывает легкое отравление, а в количестве 1 % приводит к смертельному исходу через 1-2 мин. Таким образом, даже непродолжительное пребывание в атмосфере, отравленной СО, чрезвычайно опасно.

Водород и Окись углерода – компоненты, характерные для газовых топлив, получаемых искусственным путем. В газах естественного происхождения они не содержатся.

Метан СН₄ является наиболее легким из углеводородов и представляет собой газ, не имеющий ни цвета, ни запаха. Как и водород, он токсичностью не обладает, но при большой концентрации в воздухе вызывает удушье. Метан является основным компонентом всякого естественного газа, содержится он и в большинстве искусственных газов.

Тяжелые углеводороды – это собирательное название всех углеводородов с числом атомов углерода в молекуле не менее двух. Химическая формула тяжелых углеводородов в общем виде записывается С_nН_m. Различают предельные и непредельные углеводороды.

К предельным тяжелым углеводородам относятся все гомологи метана, в состав газового топлива могут входить те из них, которые при своем парциальном давлении и данной температуре топлива сами находятся в газообразном состоянии. Основными из них являются этан, пропан и бутан. Все эти газы бесцветны и не имеют запаха, физические их свойства находятся в прямой зависимости от молекулярного веса: чем он выше, тем больше они отклоняются от свойств идеальных газов. Токсические свойства предельных углеводородов также связаны с молекулярным весом, усиливаясь с его увеличением.

К непредельным тяжелым углеводородам, которые могут входить в состав газового топлива, относятся этиленС₂Н₄ и его ближайшие гомологи пропилен С₃Н₆ и бутилен С₄Н₈. по своим физическим свойствам они близки к соответствующим предельным углеводородам. Они входят в довольно большом количестве в газы, получаемые при переработке нефтепродуктов и нефти, являются ценным технологическим сырьем, поэтому они обычно извлекаются из горючего газа перед использованием его в качестве топлива.

Двуокись углерода (углекислый газ) СО₂ – продукт полного горения углерода. Является инертным, т.е. неспособным к горению. Не имеет ни цвета, ни запаха, не обладает токсичностью, но при достаточном высоком содержании в воздухе (5 – 10 %) вызывает удушье.

Азот N₂ – основная составляющая атмосферного воздуха, в который он входит в количестве 78 %. В процессе технического сжигания топлива окислы азота образуются в ничтожном количестве, поэтому азот в теплотехнике рассматривается как инертный, неспособный к горению газ.

Кислород О₂ – вторая составляющая атмосферного воздуха, входящая в него в количестве 21%. В процессе горения кислород играет роль окислителя, в качестве которого он и используется в подавляющем большинстве случаев сжигания топлива. По соображениям взрывобезопасности и защиты газового оборудования от коррозии содержание кислорода в газообразном топливе допускается не более 1 %.

4. Вредные примеси газовых топлив и их свойства.

Вредные примеси газового топлива делятся на химически активные, оказывающие на металл газопровода и арматуры коррозионное воздействие, и химически неактивные, но способные к образованию скоплений и закупорке газопроводов. К первым относятся сероводород, аммиак, цианистый водород и сероуглерод; ко вторым – смола, пыль, нафталин и водяной пар. Из числа химически активных примесей в составе природных газов может находиться только сероводород, все остальные характерны только для искусственных газообразных топлив.

Сероводород H₂S – бесцветный газ с резким запахом тухлых яиц, содержится в большинстве искусственных и в некоторых природных неочищенных горючих газаз. Вследствие того, что сероводород сильно разъедает металлы, особенно в присутствии влаги, а при сгорании дает не менее вредный с точки зрения коррозии газ SO₂, содержание его после очистки не должно превышать 2 г на 100 м³ газа.

Аммиак NH₃ – бесцветный газ с запахом нашатырного спирта, содержится обычно в искусственных газах, получаемых из твердого топлива путем сухой перегонки. Этот газ вызывает коррозию бронзовых деталей арматуры газопроводов, поэтому содержание его в газообразном топливе не должно превышать 2 г на 100 м³ газа.

Цианистый водород HCN – легко испаряющаяся жидкость, появляющаяся в результате взаимодействия аммиака с раскаленным коксом в процессе сухой перегонки твердого топлива. Его пары разъедающе действуют на металл, поэтому содержание цианистого водорода вместе с другими цианистыми соединениями в газовом топливе не должно превышать 5 г на 100 м³ газа.

Сероуглерод CS₂ – легкоиспаряющаяся жидкость, могущая содержаться в газовом топливе, полученном путем сухой перегонки каменных углей, и оказывающая коррозионное действие на металл газопровода и арматуры.

Все вышеперечисленные химически активные вредные примеси чрезвычайно токсичны, и содержание их в воздухе производственных помещений, как и окиси углерода, строго регламентировано соответствующими санитарно-техническими нормами.

Химически неактивные вещества – смола, пыль, нафталин – могут образовывать в газопроводах (на поворотах, в переходах с одного диаметра на другой, тройниках, крестовинах, местах соединения труб и установки арматуры) скопления и пробки. В связи с этим, содержание пыли и смолы не должно превышать 0,1 г на 100 м³, нафталина – летом – 5, зимой – 10 г на 100 м³.

В еще большей степени может затруднить нормальную эксплуатацию газопроводов присутствие в газовом топливе паров воды, которые могут переходить в жидкое и твердое состояние, образуя скопления и пробки, закупоривающие проходное сечение газопровода. Кроме того, углеводородные газы, насыщенные влагой, при наличии воды в жидкой фазе могут образовывать при определенных температурах соединения с ней, называемые кристаллогидратами. Чтобы исключить возможность образования кристаллогидратов, а также возникновение водяных, ледяных или снеговых пробок в газопроводах, газовое топливо следует осушать до такой степени, чтобы относительная влажность его была не более 60 % для самой низкой из возможных температур в газопроводе.

5. Особенности сжиженных газов.

Такие компоненты газового топлива как тяжелые углеводороды могут использоваться как топливо самостоятельно под названием «сжиженные газы»

Сжиженные газы, полученные на газобензиновых заводах, в большинстве случаев представляют собой смесь пропана и бутана. Соотношение между содержанием их в смеси определяется температурой, при которой хранится сжиженный газ. Смеси с содержанием пропана до 30 % используются в районах с более теплым климатом и в летнее время. Смеси с содержанием пропана не менее 70 % используются в районах с более холодным климатом и в зимнее время.

Сжиженные газы, полученные на нефтеперерабатывающих заводах, всегда содержат в некотором количестве олефиновые углеводороды – пропилен и бутилен.

Если из баллона, заполненного сжиженным газом, отбирать пары, то в первую очередь будет испаряться пропан, как более легко кипящий компонент. В результате по мере расходования газа жидкость в баллоне будет обогащаться более трудно кипящим компонентом – бутаном. При этом соответственно будет уменьшаться давление в баллоне. Для надежной работы газового оборудования потребляющего сжиженный газ, состав последнего должен определяться исходя из условия допустимого понижения давления. Минимально допустимым избыточным давлением газа в емкости при жэтом следует считать 0,35 ат при любом возможном понижении температуры.

Весьма существенной особенностью сжиженных газов является малая плотность жидкой фазы (по сравнению с водой) и, самое главное, очень большой коэффициент объемного расширения ее. Например, при 0⁰ С пропан имеет плотность 532 кг/м³ (чо составляет только 53,2 % от плотности воды), а при 50⁰С она снижается до 462 кг/м³ , т.е. удельный объем возрастает на 15,4 % (с 1,88 до 2,17 л/кг). В связи с этим, предусматривается, что степень заполнения резервуаров и баллонов должна приниматься в зависимости от плотности сжиженного газа и разности его температуры во время заполнения и при последующем хранении. При разности температур в пределах 40 град степень заполнения принимается 85%, а при большей разности температуры она должна соответственно снижаться.

6. Тепловой эффект полного горения газов.

В широком смысле слова горение топлива представляет собой совокупность физических и химических процессов, включающую в себя смешение горючего с воздухом, подогрев смеси, термическое разложение горючего, воспламенение и химическое соединение горючего с кислородом воздуха, которое связано с интенсивным тепловыделением, а потому сопровождается резким повышением температуры. Иначе говоря, горение – химическая реакция соединения горючих компонентов газового топлива с кислородом воздуха.

Из всех веществ, обладающих способностью вступать в химическое соединение с кислородом, наиболее важен углерод, который входит в состав в качестве основной составляющей практически всех видов промышленного топлива, в том числе природного газа. Каждый атом углерода, вступая в соединение с одной молекулой кислорода, превращаясь в одну молекулу двуокиси углерода, тепло в этом процессе получается за счет того, что энергия, заключенная в атомах углерода в виде «скрытой» химической энергии, освобождается и принимает уже внешне осязаемую форму тепловой энергии. Каждый килограмм углерода, полностью окисляясь образованием двуокиси углерода, выделяет 8100 ккал.

При недостатке кислорода окисление углерода может быть неполным, при этом тепла выделяется меньше, чем при полном окислении.

В результате реакции окисления водорода происходит выделение водяного пара и тепла – на 1 м³ водорода при нормальных условиях затрачивается 0,5 м ³ кислорода, при этом образуется 1 м ³ водяного пара и выделяется 2570 ккал. Эта величина является низшей теплотой сгорания водорода, которая не учитывает той скрытой теплоты, которая содержится в водяном паре, и являясь фактически частью тепла, выделившегося в ходе реакции, не может быть использована без конденсации водяного пара продуктов сгорания. Высшая теплота сгорания водорода, т.е. все химически связанное тепло, выделившееся при его окислении, больше низшей на величину этой скрытой теплоты и составляет 3050 ккал/м³.

Молекула метана, являющегося основным компонентом всякого газового топлива естественного происхождения, состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода. Исходя из молекулярных весов компонентов на полное окисление 16 кг метана требуется 64 кг кислорода, т.е. на 1 м³ метана при полном окислении расходуется 2 м³ , причем образуется 1 м³ двуокиси углерода и 2 м³ водяного пара. Выделение тепла в этой реакции без учета скрытой теплоты образовавшегося водяного пара составляет 8560 ккал/ м³, эта величина и является низшей теплотой сгорания метана.

Таким же образом можно составить материальный баланс реакции полного окисления любого из тяжелых углеводородов.

Теплота сгорания углеводородов сильно зависит от молекулярного веса – чем тяжелее углеводород, тем больше его теплота сгорания. Теплоту сгорания газового топлива возможно определить зная объемный состав, роль каждого из горючих компонентов в общем тепловыделении пропорциональна его объемной доле.

7. Количество воздуха, необходимого для полного горения газов.

Для того, чтобы правильно организовать процесс горения газа, нужно уметь определять, какое количество воздуха потребуется для полного сжигания каждого кубометра этого газа.

В эксплуатации оборудования, работающего на газе, как правило, известен не состав газа, а его теплота сгорания. На это случай практикой выработано правило: на каждую 1000 ккал низшей теплоты сгорания газового топлива, состоящего в основном из углеводородных газов, теоретически необходимо 1,13 м³ воздуха. Например, если теплота сгорания газа равна 8000 ккал/м³, то теоретически необходимое количество воздуха составит 1,13*8 = 9 м³/м³

Определить количество воздуха, теоретически необходимого для сжигания газа, сравнительно просто. Однако легко понять, что найденного количества воздуха в действительности оказывается недостаточно. В самом деле, для того чтобы газ полностью сгорел, потребуется полностью использовать все молекулы кислорода, содержащегося в теоретически необходимом количестве воздуха. На практике это невозможно. На практике смешение газа с воздухом, осуществляемое с помощью газовой горелки, никогда не может быть идеальным. Всегда какая-то часть молекул кислорода окажется вне контакта с молекулами горючих компонентов газа, а поэтому не сможет принять участие в процессе горения.

Для гарантии полного горения воздух в топку подают не в теоретически необходимом объеме, а с некоторым избытком, имея в виду, что часть воздуха останется неиспользованной вследствие недостаточно совершенного контакта между молекулами кислорода и горючих компонентов газа.

Соотношение между действительным и теоретически необходимым количеством воздуха может быть различным в зависимости от способа сжигания газа (от способа смешения его с воздухом). К примеру, в инжекционных горелках среднего давления газ до выхода в топку хорошо смешивается со всем воздухом, необходимым для горения, поэтому нет необходимости создавать большой избыток воздуха. В этом случае подается дополнительно около 5 % от теоретически необходимого. Отношение всего количества воздуха, подаваемого в топку, к теоретически необходимому составляет 1,05.

Если газ подается в топку отдельно от воздуха и смешивается с ним только в результате сравнительно медленного процесса диффузии, как это происходит в диффузионных горелках, то для достижения полного сгорания приходится создавать большой избыток воздуха в топке. В таких случаях отношение всего количества воздуха, подаваемого в топку к теоретически необходимому доводится до 1,3 и даже больше, т.е. количество избыточного воздуха составляет 30 % и больше от теоретически необходимого.

Отношение количества воздуха, действительно подаваемого в топку, к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха

В каждом отдельном случае для каждого типа газовых горелок практикой устанавливается величина необходимого коэффициентом избытка воздуха, которого и следует придерживаться при сжигании газа.

8. Продукты сгорания газового топлива.

Рассмотрим продукты сгорания, образующиеся при сжигании газа. Если горение полное, то продукты сгорания могут состоять только из инертных, т.е. неспособных к дальнейшему окислению газов. Действительно, водород при полном сгорании превращается в инертный водяной пар, окись углерода – в инертный углекислый газ. Метан и другие углероды дают при полном сгорании и то и другое. Таким образом, в результате полного сгорания всякого, самого сложного по составу газа образуется два инертных газа – углекислый газ и водяной пар. Однако этим состав газовой смеси, которую представляют собой продукты сгорания (дымовые газы) не исчерпывается. воздух, подаваемый в топку приносит с собой большое количество азота, который не принимает никакого участия в процессе горения, он смешивается с с углекислым газом и водяным паром, т.е. входит с ними в состав дымовых газов. Тоже относится и к балластным составляющим газа и к кислороду, который был подан в топку вместе с избыточным воздухом (к примеру, если к-т избытка воздуха составляет 1,25, то при полном сгорании газа будет использовано только 80% всего кислорода, содержащегося в поступившем в топку воздухе, остальные 20% смешаются с продуктами сгорания и войдут в состав дымовых газов).

Таким образом, дымовые газы, образующиеся при полном сгорании всякого газового топлива, очищенного от сернистых соединений, состоят из четырех компонентов: углекислого газа, водяного пара, кислорода и азота.