Теплотворная способность газов

Классификация горючих газов

Для газоснабжения городов и промышленных предприятий применяют раз­личные горючие газы, отличающиеся по проис­хождению, химическому со­ставу и физическим свойствам.

По происхождению горючие газы разделяются на есте­ственные, или природ­ные, и на искусственные, вырабатывае­мые из твердого и жидкого топлива.

Природные газы добывают из скважин чисто газовых месторождений или нефтяных месторождений попутно с неф­тью. Газы нефтяных месторождений называются попутными.

Газы чисто газовых месторождений в основном состоят из метана с неболь­шим содержанием тяжелых углеводородов. Они характеризуются постоянст­вом состава и теплотворности.

Попутные газы наряду с метаном содержат значительное количество тяже­лых углеводородов (пропан и бутан). Состав и теплотворность этих газов ко­леблются в широких пределах.

Искусственные газы вырабатывают на специальных газовых заводах -или получают как побочный продукт при сжигании уг­ля на металлургических за­водах, а также на заводах по пере­работке нефти.

Газы, вырабатываемые из каменного угля, у нас в стране для городского га­зоснабжения применяются в весьма ограни­ченных количествах, и удельный вес их все время уменьшается. В то же время растет производство и потреб­ление сжиженных углеводородных газов, полученных из попутных нефтяных га­зов на газобензиновых заводах и на нефтеперерабатывающих заводах при переработке нефти. Жидкие углеводородные газы, •используемые для город­ского газоснабжения, состоят в ос­новном из пропана и бутана.

Состав газов

Вид газа и его состав в значительной степени предопреде­ляют область при­менения газа, схему и диаметры газовой сети, конструктивные решения газо­горелочных устройств и отдель­ных узлов газопроводов.

От теплотворной способности зависит расход газа, а отсю­да—диаметры га­зопроводов и условия сжигания газа. При при­менении газа в промышленных установках весьма существен­ное значение имеют температура горения и скорость распро­странения пламени и постоянство состава газового топлива Состав газов, а также физико-химические свойства их преж­де всего зависят от вида и способа получения газов.

Горючие газы представляют механические смеси различ­ных газов <как го­рючих, так и негорючих.

В горючую часть газообразного топлива входят: водород (Н₂)—газ без цвета, вкуса и запаха, низшая теплотворная способность его составляет 2579 ккал/нм³\ метан (СН₄) — газ без цвета, вкуса и запаха, является основной го­рючей частью природных газов, низшая теплотворная способность его 8555 ккал/нм³; окись углерода (СО) — газ без цвета, вкуса и запаха, получается пр.и неполном сгорании любого топлива, очень ядовит, низшая теплотворная способность 3018 ккал/нм³;тяжелые-углеводороды (С_п Н_т), Этим названием <и формулой обозначается целый ряд углеводородов (этан — С2Н₆, пропан — С₃Нв, бутан— С4Н₁₀ и др.), низшая теплотворная способность этих газов колеблется от 15226 до 34890 ккал/нм*.

В негорючую часть газообразного топлива входят: угле­кислый газ (СО₂), ки­слород (О₂) и азот (N₂).

Негорючую часть газов принято называть балластом. При­родные газы харак­теризуются высокой теплотворностью и пол­ным отсутствием окиси угле­рода. В то же время (ряд месторож­дений, главным образом газонёфтяных, содержит очень ядовитый (и агрессивный в коррозионном отношении газ — серо­водород (H₂S). Большинство искусственных каменноугольных газов со­держит значительное количество высокотоксичного га­за — окиси углерода (СО). Наличие в газе окиси углерода и других ядовитых веществ весьма не­желательно, так как они усложняют производство эксплуатационных работ и повышают опасность при использовании газа. Кроме основных компонен­тов е состав газов входят различные примеси, удельное зна­чение которых в процентном отношении ничтожно. Однако ес­ли учесть, что по га­зопроводам подаются тысячи и даже мил­лионы кубических метров газа, то суммарное количество при­месей достигает значительной величины. Многие примеси вы­падают в газопроводах, что в итоге приводит к снижению их про­пускной способности, а иногда и к полному прекращению прохода газа. По­этому наличие примесей в газе необходимо учитывать как при проектирова­нии газопроводов, так и в про­цессе эксплуатации.

Количество и состав примесей зависят от способа производ­ства или добычи газа и степени его очистки. Наиболее вред­ными примесями являются пыль, смола, нафталин, влага и сернистые соединения.

Пыль появляется в газе в процессе производства (добычи) или при транспор­тировке газа по трубопроводам. Смола яв­ляется продуктом термического разложения топлива и сопут­ствует многим искусственным газам. При нали­чии в газе пы­ли смола способствует образованию смоло-грязевых пробок и закупорок газопроводов.

Нафталин обычно содержится в искусственных каменно­угольных газах. При низких температурах нафталин выпадает в трубах и вместе с другими твер­дыми и жидкими приме­сями уменьшает проходное сечение газопроводов.

Влага в виде паров содержится почти во всех естественных и искусствен­ных газах. В естественные газы она попадает в са­мом газовом месторожде­нии вследствие контактов газов с по­верхностью воды, а искусственные газы насыщаются водой в процессе 'производства. Наличие влаги в газе в значи­тельных количествах нежелательно, так как она понижает теплотвор­ную спо­собность газа. Кроме того, отличаясь большой теплоемкостью парообразования, влага при сжигании газа уносит значитель­ное количество тепла вместе с продуктами сгорания в атмосферу. Большое содержание влаги о газе нежелательно еще и потому, что, конденсируясь при охлаждении газа во 'Бремя движения его по тру­бам, она может создавать водяные пробки в газопроводе (в низших точках),которые необходимо удалять. Для этого требуется установка специальных конденсатосборников и откачка их.

К сернистым соединениям, как уже отмечалось, относятся сероводо­род, а также сероуглерод, меркаптан и др. Эти соеди­нения не только вредно действуют на здоровье людей, но и вы­зывают значительную коррозию труб.

Из других вредных примесей следует отметить аммиак и цианистые соединения, которые содержатся главным образом в каменноуголь­ных газах. Наличие аммиака и цианистых сое­динений приводит к увеличенной коррозии металла труб.

Присутствие в горючих газах углекислого газа и азота также нежелательно. Эти газы в процессе горения не уча­ствуют, являясь балластом, уменьшающим теплотворную спо­собность, что приводит к увеличению диаметра газопроводов и к снижению экономической эффективности использования газообразного топлива.

Состав газов, используемых для городского газоснабжения, должен удовлетворять требованиям ГОСТ 6542—50 (табл. 1).

Таблица 1

Средние значения состава естественных газов наиболее из­вестных месторождений страны представлены в табл. 2.

Из газовых месторождений (сухие)

Теплотворная способность газов

Количество тепла, выделяемое при полном сгорании едини­цы количества топлива, называется теплотворной способностью (Q) или, как иногда говорят, теплотворностью, или калорийно­стью, которая является одной из основных характеристик топ­лива.

Теплотворную способность газов обычно относят к 1 м³, взятому при нормальных условиях.

При технических расчетах под нормальными условиями по­нимается состояние газа при температуре, равной 0°С, и, при давлении 760 мм рт. ст. Объем газа при этих условиях обозначается нм³ (нормальный метр кубический).

Для промышленных измерений газа по ГОСТ 2923—45 за нормальные условия приняты температура 20°С и Давление 760 мм рт. ст. Объем газа, отнесенный к этим условиям, в от­личие от нм³ будем называть м³ (метр кубический).

Теплотворная способность газов (Q}) выражается в ккал/нм^э или в ккал/м³.

Для сжиженных газов теплотворную способность относят к 1 кг.

Различают высшую (Q_в) и низшую (Q_н) теплотворность. Высшая теплотворная способность учитывает теплоту конден­сации водяных паров, образующихся при сжигании топлива. Низшая теплотворная способность не учитывает тепло, содер­жащееся в водяных парах продуктов сгорания, так как водя­ные лары не конденсируются, а уносятся с продуктами сгора­ния.

Понятия Q_в и Q_н относятся только к тем газам, при сгорании которых выделяются водяные пары (к окиси углерода, не дающей при сгорании паров воды, эти понятия не относятся).

При конденсации водяных паров выделяется тепло, равное 539 ккал/кг. Кроме того, при охлаждении конденсата до 0°С (.или 20°С) соответственно выделяется тепло в количестве 100 или 80 ккал/кг.

Всего за счет конденсации водяных паров выделяется те­пла более 600 ккал/кг, что составляет разность между высшей и низшей теплотворной способностью газа. Для большинства газов, применяемых в городском газоснабжении, эта разность равна 8—10%.

Значения теплотворных способностей некоторых газов при­ведены в табл. 3.

Для городского газоснабжения в настоящее время исполь­зуют газы, имеющие, как правило, теплотворность не менее 3500 ккал/нм³. Объясняется это тем, что в условиях городов газ подается по трубам на значительные расстояния. При низкой теплотворности его требуется подавать большое коли­чество. Это неизбежно ведет к увеличению диаметров газоцроводов и как следствие к увеличению металловложений и средств на строительство газовых сетей, а .в .последующем ^:и к увеличению затрат на эксплуатацию. Существенным недостат­ком низкокалорийных газов является еще то, что в большин­стве случаев они содержат значительное количество окиси уг­лерода, из-за чего повышается опасность при использовании газа, а также при обслуживании сетей и установок.

Газ теплотворной способностью менее 3500 ккал/нм³ наибо­лее часто используют в промышленности, где не требуется тран­спортировать его на большие расстояния и проще организовать сжигание. Для городского газоснабжения теплотворность га­за желательно иметь постоянной. Колебания, как мы уже уста­новили, допускаются не более 10%. Большее изменение тепло­творной способности газа требует новой регулировки, а иногда и смены большого количества унифицированных горелок бы­товых приборов, что связано со значительными трудностями.