Физико химические свойства горючих газов



 

 

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%.


я 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.


З-н Гей-Люссака: при постоянном давлении объем газа (или его удельный объем) изменяется прямо пропорционально, а плотность — обратно пропорционально его абсолютной температуре.

З-н Бойля – Мариотта: при постоянной температуре объем ( или удельный объем) газа изменяется обратно пропорционально, а плотность — прямо пропорционально абсолютному давлению этого газа.

Для расхода газа на отопление или на какие-нибудь другие нужды как единица измерения расхода газа используется 1м3. Для удобства принято приводить объем газа к так называемым «нормальным условиям» — к нормальной температуре (00 С) и нормальному давлению (760 мм рт. ст.). Это означает, что определяется тот объем, который занимал бы данный газ, если бы его давление и температура были нормальными.

Все существующие в действительности газы по своим свойствам в большей или меньшей степени отклоняются от идеальных газов. Для одного и того же газа это отклонение тем больше, чем ниже температура и выше давление. Более того, изменением температуры и давления все реальные газы могут быть превращены в жидкость. Происходит качественное изменение физического тела, связанное с коренным изменением всех его физических свойств. Наиболее существенным из них является то, что при превращении газообразного тела в жидкое оно становится несжимаемым, в то время как характерной особенностью газов является как раз их сжимаемость.


Однако для каждого газа существует определенная температура, выше которой он уже не может быть переведен в жидкое состояние, как бы ни повышалось давление. Эта температура называется критической, а давление, необходимое для сжижения газа при этой температуре называется критическим давлением.

Некоторые реальные газы находятся в состоянии насыщения, т.е. в состоянии начала конденсации (превращения в жидкость) уже при параметрах, близких к нормальным. Из газов, могущих входить в состав газового топлива, к ним относятся пропан, бутан, пропилен и бутилен.

 

 

3. Компоненты газового топлива.

Всякое газовое топливо представляет собой смесь различных газов, как горючих, так и не горючих. В горючую часть его могут входить водород, окись углерода, метан и тяжелые углеводороды. В негорючую часть, называемую балластом, могут входить двуокись углерода, азот и и кислород. Все прочие компоненты являются вредными примесями, и газовые топлива перед использованием должны быть от них очищены.

Рассмотрим каждый из компонентов газового топлива отдельно.

Водород Н2 представляет собой самый легкий в природе газ, не имеющий ни цвета, ни запаха. Токсическими свойствами не обладает, при значительном содержании водорода в воздухе вызывает удушье, что связано с соответствующим уменьшением содержания кислорода.

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 СnНm. 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 м33

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 Физико химические свойства горючих газов

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.

 

 

Источник: helpiks.org

Общие сведения о топливе

Эффективность использования того или иного вида топлива в качестве источника тепловой энергии связана с условиями его сжига­ния, добычи, хранения и транспортировки, а также с обеспечением безопасности.

Все эти условия зависят от физико-химических, теплотехнических и эксплуатационных свойств (характеристик) топлива.

Физико-химические свойства плотность, вязкость, влажность. Они определяют, главным образом, условия, связанные с добычей, хранением и транспортировкой топли­ва. Кроме того, к этой группе свойств относятся характеристики, определяющие общие условия сжигания, к которым относят теплоту сгорания, пределы и температуру воспламенения, скорость распространения пламени.

Частные условия сжигания топлива, зависящие от конструктив­ных особенностей теплогенерирующих элементов тепловых аппаратов, описываются теплотехническими характеристиками, к которым относятся: теоретическая температура горения, теоретический и действительный объем воздуха, объемы продуктов сгорания, образу­ющихся при горении в расчетных (теоретических) и реальных усло­виях.

К эксплуатационным характеристикамотносятся те, которые связаны с обеспечением безопасной эксплуатации оборудования, использующего данный вид топлива. К этим характеристикам относят­ся рабочее давление, цвет, запах, токсичность, механические загряз­нения, возможность самовоспламенения или взрыва.

Все указанные виды характеристик определяются составом топли­ва и динамикой изменения состава в процессе транспортировки, хранения и подготовки к сжиганию.

В состав топлива главным образом входят углерод (С) и сера (S) в различных соединениях с водородом (H2) и кислородом (О2), способ­ные вступать в экзотермическую реакцию окисления (горения).

Кроме того, в состав топлива входят элементы, составляющие внутренний балласт (кислород О2 и водород H2) и внешний балласт (вода Н2О и зола А); к балласту также относят диоксиды серы SО2 и углерода СО2. Газоoбразные вещества, выделяемые в процессе горения без доступа воздуха (02, Н2, СO, CO2, N2 и др.), называются летучими компонентами топлива, а оставшаяся после их удаления твердая горючая часть — коксом.

Газообразное топливо. Большое значение в топливно-энергетичес­ком балансе страны имеют природный газ, а также искусственные горючие газы, получаемые в ходе промышленных процессов. Газ является топливом для большинства действующих в стране тепловых электростанций и паровых котлов средней и малой мощности, а также тепловых технологических аппаратов пищевой промышленности и общественного питания.

Природный газ является более дешевым источником теплоты, чем электроэнергия; стоимость единицы теплоты при сжигании газа в 3…7 раз меньше, чем при электронагреве.



В связи с тем, что темпы ежегодного прироста мощности, потребля­емой электротепловым оборудованием предприятий общественного питания, опережают темпы ежегодного прироста электроэнергии, следует особое внимание уделять развитию газового оборудования.

Природными называют газы, заключенные в недрах земной коры. Эти газы получаются из буровых скважин, а также выделяются в ходе вулканических и других естественных выбросов. Наибольшее значение имеют природные горючие газы, которые состоят преимущественно из углеводородов.

В состав природных газов кроме углеводородного метанового ряда СnНn+2 входят также углекислый газ (CO2), сероводород (H2S), азот (N2) и редкие газы.

Из углеводородных газов преобладающим компонентом является метан (СН4). Другие компоненты, такие, как этан (С2Н6), пропан (C3H8), бутан (С4Н10), пентан (С5Н12) и др., находятся в сравнительно меньших количествах.

При нормальном атмосферном давлении все члены гомологического ряда углеводородов от метана до пентана находятся в газообразном состоянии, а от С6Н14 до С15Н32 – в жидком, и от С16Н34 и выше – в твердом.

В промышленном масштабе природный газ добывают из буровых скважин попутно с нефтью или из чисто газовых скважин.

Природные газы, состоящие в основном из метана (от 90 до 98 %) и добываемые из чисто газовых месторождений, не содержащих нефти, считаются сухими газами, а газы, содержащие кроме метана большое количество легко конденсирующихся тяжелых углеводородов – жирными.

Искусственные горючие газы являются продуктом промышленной переработки каменного угля, торфа, сланцев, нефти, дерева или побочным продук­том доменного производства.

По способу производства искусственные горючие газы подразде­ляются на следующие основные группы: коксовые и полукоксовые, а также генераторные газы, получаемые в процессе газификации бурых углей.

Из-за наличия в искусственных газах большого количества СО все они ядовиты. От других ядовитых веществ горючие газы очищаются на заводах..

По этой причине в массовом порядке искусственные газы в общественном питании не применяют.

Сжиженные газы. Состоят из газообразных углеводородов, легко конденсирующихся при сжатии. Основными их компонентами являются пропан и бутан. В промышленном масштабе выпускают сжиженные газы трех марок: 1) технический пропан; 2) технический бутан; 3) смесь технического пропана и технического бутана.

Технический пропан содержит не менее 93 % С3Н8 + С3Н6, не более 4 % С2Н6 + С2Н4 и не более 3 % С4Н10 + С4Н8 при отсутствии С5Н12и С5Н10.

В техническом бутане содержится не менее 93 % C4H10 + С4Н8, не более 3 % С5Н12 + С5Н10 и не более 4 % С3Н8 + С3Н6 при отсутствии С2Н6 и С2Н4.

В смеси технического пропана и бутана должно содержаться не более 4 % С2Н6 + С2Н4 и не более 3 % С5Н12 + С5Н10.

Сжиженные газы хранят и транспортируют к потребителю в цистернах или баллонах, а сжигают в газообразном состоянии.

Физико-химические свойства горючих газов.

Горючие газы представляют собой смеси горючих и негорючих моногазов. Характеристики газов определяются физико-химическими свойствами и объемной долей их компонентов. Расчеты основных характеристик газа производятся на основании закона Дальтона, согласно которому общее давление газовой смеси Рсм складывается из суммы парциальных давлений Рi. При этом под парциальным давлением понимается такое давление, которое создал бы отдельный моногаз, занимая тот же объем, что и газовая смесь, при той же самой температуре, т. е.

Физико химические свойства горючих газов , (4.75)

Из данного закона и уравнения Клапейрона – Менделеева для идеальных газовФизико химические свойства горючих газов, то при Т = const, можно записать

Физико химические свойства горючих газов ,

Физико химические свойства горючих газов ,

Физико химические свойства горючих газов ,

Физико химические свойства горючих газов ,(4.76)

где Vсм — общий объем газа;

V1, V2, V3, …, Viпарциальные объемы;

Рсм — общее давление.

Под парциальным объемом в данном случае понимается такой объем, который занимал бы моногаз, находясь при тех же давлении и температуре, что и газовая смесь.

Указанные соотношения, строго говоря, справедливы для идеальных газовых смесей, к которым с некоторым приближением можно отнести горючие природные газы на базе метана и газы на базе водоро­да и оксида углерода, находящиеся при невысоком давлении.

Для сухих горючих газов с плотностью меньшей или близкой к плотности воздуха для определения связи между параметрами сос­тояния можно воспользоваться уравнениями, справедливыми для идеальных газов.

Плотность смеси газов. При нормальных условиях (0 °Си давление 760 мм рт. ст. (101,3 кПа)) плотность смеси газов ρсм0 определяется по формуле

Физико химические свойства горючих газов , (4.77)

где ρсм – плотность моногазов, входящих в газовую смесь, при нормальных условиях, кг/м3;

ri объемное содержание отдельных моногазов в смеси, %.

При температуре и давлении, отличающихся от нормальных, плотность газовой смеси ρсм можно вычислить, используя соотношение:

Физико химические свойства горючих газов Физико химические свойства горючих газов , (4.78)

 

где Рсм избыточное давление газовой смеси, кПа;

t – температура газовой смеси, °С.

Плотность газовой смеси по отношению к воздуху (относительная плотность газа по воздуху) при нормальных условиях определяется по формуле

Физико химические свойства горючих газов , (4.79)

где S – относительная плотность газа по воздуху;

ρв плотность воздуха при 0 °С (ρв = 1,293 кг/м3).

Молекулярная масса смеси. Значение молекулярной массы смеси Nсм (кг/моль) вычисляется по формуле

Nсм=22,4 ρсм о, (4.80)

Вязкость. Различают два вида вязкости: кинематическую и динамическую. Они взаимосвязаны следующим образом:

ν = μ/ρ, (4.81)

где ν – коэффициент кинематической вязкости, м2/с;

μ – коэффициент динамической вязкости, Па∙с;

ρ – плотность, м3/кг.

Вязкость газовых смесей не подчиняется простому правилу аддитивности, особенно при значительном содержании тяжелых углеводородов, и может быть определена достаточно точно только экспериментально.

Влажность газов. При добыче природного газа и промышленном получении искусственных газов в их состав входит большое количество водяных паров, значительная часть которых удаляется при сушке. Содержание водяных паров в газовоздушной смеси характеризует влажность газа. Различают абсолютную и относительную влажность.

Абсолютной влажностью называется физическая величина, численно равная массе водяных паров, содержащихся в единице объема. Измеряется абсолютная влажность в граммах или килограммах на кубический метр.

Относительной влажностью называется физическая величина, численно равная отношению фактической абсолютной влажности газа к максимально возможной, характеризующей состояние насыщения (максимальной влажности) при данной температуре.

Относительная влажность выражается в процентах и может быть также определена как отношение парциального давления водяного пара в газовой смеси РН2О к давлению насыщения пара РS при той же температуре:

φ = (РН2О/ РS)/100. (4.82)

Пределы воспламенения. Воспламенение горючего газа возможно только в смеси с воздухом при определенном соотношении компонентов.

Нижний предел воспламенения — минимальная концентрация горючего газа в газовоздушной смеси, при которой горение уже возможно.

Верхний предел воспламенения — максимальная концентрация газа в газовоздушной смеси, при которой горение еще возможно.

Теплота сгорания газов. Под теплотой сгорания газа понимают количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 м3 газа, поступающего в горелку при нормальных условиях. При сгорании водородсодержащих компонентов газа образуются сильно перегретые водяные пары, так как температура горения более 1000 °С.

Примером может служить реакция горения метана

Физико химические свойства горючих газов . (4.83)

Количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании 1 м3 газа, взятого при нормальных условиях, за вычетом теплоты конден­сации и переохлаждения водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, называется низшей рабочей теплотой сгорания газа ( Физико химические свойства горючих газов ), а с учетом этой теплоты – высшей ( Физико химические свойства горючих газов ).

Низшая и высшая теплоты сгорания газа связаны между собой соотношением

Физико химические свойства горючих газов (4.84)

где Физико химические свойства горючих газов и Физико химические свойства горючих газов – соответственно низшая и высшая теплоты сгорания, Дж/м3;

Физико химические свойства горючих газов масса водяных паров, образующихся при полном сгорании 1 м3 газа, кг/м3;

rтеплота парообразования воды при соответствующем парциальном давлении водяных паров в продуктах сгорания, Дж/м3;

ср изобарная теплоемкость воды, Дж/(кг∙К);

ts , tK температуры соответственно конденсации и охлажденного конденсата, °С.

Расчет аппаратов предприятий общественного питания произво­дится по низшей рабочей теплоте сгорания, так как конденсация водяных паров в газоходах недопустима из-за их интенсивной корро­зии.

Низшая теплота сгорания смеси сухих горючих газов определяется по составу и теплоте сгорания отдельных моногазов:

Физико химические свойства горючих газов (4.85)

где Физико химические свойства горючих газов и Физико химические свойства горючих газов – теплота сгорания соответственно смеси и i-го компонента, МДж/м3;

ri — объемное содержание компонента в газовой смеси, %.

Теплотехнические характеристики горючих газов. К теплотехническим характеристикам горючих газов относятся: теоретические и действительные объемы воздуха и продуктов сгорания, коэффициент избытка воздуха.

Данные физические величины определяют теплоту продуктов сгорания в смеси с воздухом, вносимую в топочные камеры и газоходы тепловых аппаратов.

Теоретический объем воздуха.Минимальный объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 м3 газа, поступающего в камеру сгорания при нормальных условиях, называют теоретическим объемом воздуха.

Вычислить теоретический объем воздуха можно, исходя из потреб­ности в кислороде для реакции окисления (горения) моногазов с учетом объемного содержания кислорода в воздухе.

Физико химические свойства горючих газов (4.86)

где 20,9% – объемная доля кислорода в атмосферном воздухе;

V0i – объем кислорода, необходимый для полного сгорания 1 м3 i-гo моногаза при нормальных условиях;

ri – объемное содержание i-го моногаза в смеси, %.

Примером реакции горения являются реакции окисления метана и его гомологов, составляющих более 90 % объема большинства природ­ных газов.

Физико химические свойства горючих газов

Из первого уравнения видно, что для сгорания 1 м3 метана необходимо 2 м3 О2 и т. д.

В обобщенном виде эта реакция может быть записана

Физико химические свойства горючих газов (4.87)

где т – количество атомов углерода;

n – количество атомов водорода.

С учетом других горючих компонентов газовой смеси и кислорода, входящего в состав газа, уравнение приобретает вид:

Физико химические свойства горючих газов (4.88)

Как видно из реакции горения, в результате сгорания газа образуются диоксид углерода СО2 и водяные пары Н2О. Кроме этих продуктов также образуются другие двухатомные газы: SO2, CO и т. д.. Их объемная доля в продуктах сгорания ничтожна, и в практических расчетах этими величинами можно пренебречь. Кроме указанных продуктов сгорания в продуктах сгорания присутствует азот N2, составляющий около 79 % объема воздуха и не участвующий в реакциях горения, т. е.

Физико химические свойства горючих газов (4.89)

где Vго – общий теоретический объем продуктов сгорания газа, м33;

Физико химические свойства горючих газов – теоретический объем СО2 в продуктах сгорания, м33;

Физико химические свойства горючих газов – теоретический объем азота в продуктах сгорания, м33;

Физико химические свойства горючих газов – теоретический объем водяных паров в продуктах сгорания, м33.

Азот и диоксид углерода составляют объем сухих продуктов сгорания:

Физико химические свойства горючих газов Физико химические свойства горючих газов (4.90)

Физико химические свойства горючих газов (4.91)

Теоретический объем водяных паров можно вычислить по уравнению, которое получается из анализа уравнений горения горючих моногазов, аналогично тому, как это было сделано для определения теоретического объема воздуха.

Например, из уравнения окисления метана следует, что при сгорании 1 м3 метана получается 2 м3 паров Н-0 и т. д. Поэтому

Физико химические свойства горючих газов , (4.92)

где dг – абсолютная влажность природного газа, г/м3;

dв— абсолютная влажность воздуха, г/м3.

Слагаемые 0,124∙dг и 0,124dв·Vo учитывают объемы водяных паров, поступающих в продукты сгорания с природным газом и воздухом.

Так же может быть получено уравнение для вычисления теоретического объема трехатомных газов по объему диоксида углерода в продуктах сгорания:

Физико химические свойства горючих газов (4.93)

Теоретический объем двухатомных продуктов сгорания определяется азотом, составляющим 79 % объема воздуха, и азотом, входящим в состав природного газа:

Физико химические свойства горючих газов (4.94)

В действительности даже при самом тщательном перемешивании газа и воздуха нельзя осуществить полный контакт между молекулами горючего газа и воздуха, что предопределяет необходимость несколько большем количестве воздуха для полного сгорания газа при реальных условиях; этот объем воздуха называется действительных объемом воздуха.

Коэффициент, численно равный отношению действительного объема воздуха к теоретическому, называется коэффициентом избытка воздуха:

Физико химические свойства горючих газов (4.95)

Коэффициент избытка воздуха всегда больше 1; чем выше качест­во приготовления газовоздушной смеси, тем меньше αд.

Поскольку действительный объем воздуха больше теоретического, то за счет водяных паров, поступающих в продукты сгорания с дополнительным объемом воздуха (αд – 1) Vo, увеличивается объем водяных паров, а за счет объемов азота и кислорода увеличивается объем сухих продуктов сгорания

Физико химические свойства горючих газов (4.96)

Физико химические свойства горючих газов (4.97)

Действительный объем продуктов сгорания складывается из действительных объемов сухих продуктов сгорания и водяных паров

Физико химические свойства горючих газов (4.98)

Скорость распространения пламени. Это скорость, с которой прогревается ламинарно-текущая газовоздушная смесь до температуры воспламенения.

Под температурой воспламененияпонимается минимальная температура газовоздушной смеси, при которой при кратковременном воздействии внешнего источника пламени начинается процесс окисления (горения) и продолжается самопроизвольно без последующего подвода теплоты.

Теоретическую температуру горения можно вычислить по формуле, получаемой из уравнения теплового баланса топки:

Физико химические свойства горючих газов (4.99)

где tт – теоретическая температура горения;

η т – к. п. д. топки, учитывающий потери теплоты топкой в окружающую среду Q5т и на разогрев конструкции Q6т;

αт – коэффициент избытка воздуха в топке;

V0 – теоретический объем воздуха;

св, tBсоответственно теплоемкость и температура воздуха;

Σ Vici – общая теплоемкость продуктов сгорания.

Физико химические свойства горючих газов . (4.100)

Энтальпия продуктов сгорания. Определяется из уравнения

Физико химические свойства горючих газов , (4.101)

где Физико химические свойства горючих газов , Физико химические свойства горючих газов , Физико химические свойства горючих газов – действительные объемы соответственно трехатомных, двухатомных продуктов сгорания и водяных паров, м33 (способ вычисления см. выше);

Физико химические свойства горючих газов , Физико химические свойства горючих газов , Физико химические свойства горючих газов – средняя объемная теплоемкость трехатомных, двухатомных продуктов сгорания и водяных паров в интервале температур от 0 до t °C, Дж/(Дм3.К);

t, tBсоответственно температура продуктов сгорания и воздуха, °С;

α – коэффициент избытка воздуха;

V0 — теоретический объем воздуха, м33;

св — теплоемкость воздуха, Дж/(м3 • К).

Для различных значений α и температур продуктов сгорания t вычисляется энтальпия I и строится I –t диаграмма. Такая диаграмма является базой для расчета газовых тепловых аппаратов.

Эксплуатационные характеристики природных газов.

При использовании природного газа в качестве топлива следует иметь в виду, что в этом случае имеют место повышенная пожарная опасность, опасность взрыва газовоздушной смеси.

Пожарная опасность связана с факельным способом сжигания газа и наличием открытого огня.

Взрывоопасность возникает при аварийном загасании горелок. При утечках газа образуется газовоздушная смесь, находящаяся в покое без движения. При воспламенении этой смеси происходит взрыв.

Взрыв возможен только в определенном диапазоне концентраций газа в газовоздушной смеси; минимальная граница этого диапазона называется нижним пределомвзрываемости, а максимальная – верхним пределомвзрываемости.

Природные газы лишены запаха и прозрачны, поэтому органолептически утечку газа определить невозможно.

С этой целью им искусственно придается устойчивый резкий специфический запах. Этот эффект достигается за счет незначительных добавок меркаптанов (метилмеркаптана или этилмеркаптана) – эфиров, способных одоризировать газы даже в том случае, если в них содержится 1/500 000 000 доля объема.

Природный газ на предприятия общественного питания подается по газопроводам к горелкам при низком избыточном давлении, не превышающем 5000 Па, и опасности механического разрушения системы не возникает.

К важнейшим эксплуатационным характеристикам относится не только величина, но и постоянство давления газа перед горелкой, так как от этих параметров зависят скорость истечения топлива из сопла, а следовательно, форма и размер пламени. Постоянство состава газа предопределяет постоянство теплоты сгорания. Резкие колебания состава топлива ухудшают работу теплогенерирующих устройств, приводят к недожогу топлива, загрязнению окружающей среды.

При снабжении горючим газом населенных пунктов колебания значений теплоты сгорания, которая должна быть не ниже 12,5 МДж/м3, не должны превышать 10 %, так как в противном случае необходимо изменять конструктивные параметры газовых горелок.

Топливо может оказывать токсичное действие на человека, поэтому оценка токсичности является важной эксплуатационной характеристикой. При этом воздействовать на человека могут как компоненты топлива, так и продукты его сгорания. Наиболее сильными ядами являются оксид углерода, сероводород, сернистый газ, аммиак и цианистый водород. Сетевой газ, как правило, не имеет этих включений, но может оказывать удушающее воздействие. Предельная допустимая концентрация оксида углерода в воздухе рабочей зоны промышленных предприятий не должна превышать 0,03 мг/дм3, а в воздухе жилых помещений — 0,002 мг/дм3. При организованном отводе продуктов сгорания в соответствии с санитарными нормами в их составе должно быть не более 0,15 % объема горючих газов (СО + Н2 + СН4). Для защиты от воздействия сероводорода, который обладает отравляющим действием, а продукты его сгорания – большой коррозийной активностью, все поверхности нагрева должны быть нагреты выше темпера­туры точки росы, а омывающие их продукты сгорания иметь перегрев не менее 80 °С, т. е. удаляться из аппарата с температурой не менее 180 °С.

Источник: studopedia.su

Этот главный компонент природного газа отлично горит, благодаря чему широко применяется в различных областях деятельности человека. С его помощью работают котельные, бытовые газовые плиты, двигатели автомобилей и другие механизмы. Особенностью метана является его легковесность. Он легче воздуха, поэтому при утечке поднимается вверх, а не скапливается в низинах, как многие другие газы.

Метан не имеет запаха и цвета, поэтому его утечку обнаружить крайне трудно. Учитывая взрывоопасность, поставляемый потребителям газ обогащен ароматическими добавками. В качестве них используют резко пахнущие вещества, вводимые в очень малом количестве и придающие метану слабый, но однозначно узнаваемый ароматический оттенок.

Это второй по распространенности горючий газ, также входящий в состав природного газа. Наряду с метаном он широко применяется в промышленности. Пропан не имеет запаха, поэтому в большинстве случаев содержит специальные ароматические добавки. Легко воспламеняется и может скапливаться в концентрациях, угрожающих взрывом.

Данный газ из состава природного также является горючим. В отличие от первых двух веществ, он обладает специфическим запахом и не нуждается в дополнительной ароматизации. Бутан оказывает вредное влияние на здоровье человека. В частности, он угнетает нервную систему, а при повышении вдыхаемого объема приводит к дисфункции легких.

Этот газ получают при нагреве каменного угля до температуры 1 000 градусов без доступа воздуха. Он обладает весьма широким составом, из которого можно выделить множество полезных веществ. После очистки коксовый газ может быть использован для нужд промышленности. В частности его применяют в качестве топлива для отдельных блоков той же печи, где нагревают уголь.

Фактически это метан, но добываемый несколько иным путем. Сланцевый газ выделяется при обработке горючих сланцев. Они представляют собой полезное ископаемое, которое при нагреве до очень высокой температуры выделяет смолу, по составу похожую на нефть. Побочным продуктом является сланцевый газ.

Данный вид газа изначально растворен в нефти и представляет собой разрозненные химические элементы. Во время добычи и обработки, нефть подвергают различным воздействиям (крекинг, гидроочистка и т.д.), в результате чего из нее начинает выделяться газ. Этот процесс происходит непосредственно на нефтяных вышках, а классическим способом его удаления является сжигание. Те, кто хоть раз видел работающую нефтяную вышку-качалку, наверняка замечал горящий рядом огненный факел.

Сейчас все чаще нефтяной газ используют в производственных целях, например, закачивают в подземные пласты для увеличения внутреннего давления и упрощения подъема нефти из скважины.

Нефтяной газ хорошо горит, поэтому его можно поставлять на предприятия или смешивать с природным газом.

Выделяется при выплавке чугуна в специальных промышленных печах – домнах. При использовании улавливающих систем, доменный газ можно накапливать и использовать в дальнейшем как топливо для той же печи или другого оборудования.

Источник: ECOportal.info


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.