Состав газа. Теплота сгорания. Условия и пределы воспламенения

Газовое топливо представляет собой смесь различных простых горючих и балластных газов. Свойства газового топлива определяются свойствами отдельных горючих и негорючих газов, его составляющих, и примесей.

Горючая часть газового топлива состоит из углеводородов, водорода и окиси углерода. В негорючую часть входят углекислый газ, азот и кислород. К примесям относят сероводород, аммиак, цианистые соединения, водяные пары, нафталин, смолы, пыль и др. Негорючие газы и примеси являются балластом газового топлива, ухудшающим его теплофизические и эксплуатационные качества. Поэтому содержание их в газовом топливе доводится до строго лимитируемого минимума.

Углеводороды предельного ряда составляют основную горючую часть природных газов и имеют общую химическую формулу CnHn+2. Первый в их ряду - метан (СН₄), последующие – этан (С₂Н₆), пропан (С₃Н₈), бутан (С₄Н₁₀), пентан (С₅Н₁₂) и т. д.

Предельные углеводороды характеризуются высокой теплотой сгорания, не имеют цвета и запаха, не токсичны, но оказывают слабое наркотическое действие при большой концентрации (высокомолекулярные углеводороды). При скоплениях в помещениях более 10% по объему они способны вызвать удушье из-за недостатка кислорода воздуха. С увеличением молекулярной массы углеводородов повышаются их теплота сгорания, плотность и способность конденсации.

Непредельные углеводороды входят в значительных количествах в искусственные газы. Их общая химическая формула СnН2n.

Первые три члена - этилен (С₂Н₄), пропилен (С₃Н₆) и бутилен (С₄Н₈). По свойствам они сходны с предельными углеводородами.

Водород (Н₂) имеется во всех искусственных газах. Это горючий газ без цвета, запаха и вкуса, не токсичен. В реакциях горения водород весьма активен.

Окись углерода (СО) - горючий газ без цвета, запаха и вкуса, тяжелее воздуха, очень токсичен. Содержится в больших количествах в искусственных газах, а также образуется при неполном сгорании топлива.

Углекислый газ (СО₂) не имеет цвета и запаха, со слабым кисловатым вкусом, не токсичен, но при скоплениях в помещении способен вызвать удушье из-за недостатка кислорода воздуха. Химически инертен.

Азот (N₂) - газ без цвета, запаха и вкуса, не горит и не поддерживает горения, не токсичен. При высоких температурах, например в топках промышленных агрегатов, возможно образование окислов азота, являющихся высокотоксичными компонентами продуктов сгорания.

Кислород (О₂) - газ без цвета, запаха и вкуса, не горит, но поддерживает горение. Содержится в небольших количествах в некоторых искусственных газах. В присутствии влаги

активно способствует коррозии металла газопроводов и арматуры.

Сероводород (H₂S) - бесцветный горючий газ с характерным запахом тухлых яиц. Может содержаться в искусственных и плохо очищенных природных газах. Как сам сероводород, так и продукт его сгорания - сернистый газ (SO₂) - весьма токсичны и разрушают металлы, образуя с железом пирофорные соединения, способные самовоспламеняться в воздухе.

Аммиак (NH₃) - бесцветный газ с острым запахом нашатырного спирта, вредная токсичная примесь некоторых искусственных газов.

Цианистые соединения, в первую очередь синильная кислота (HCN), могут образоваться в коксовых газах в результате взаимодействия углерода топлива с аммиаком. При нормальных условиях синильная кислота - бесцветная легкая жидкость с весьма высокими токсичными и коррозионными свойствами.

Пары воды могут содержаться в недостаточно осушенных газах. При высоких давлениях они образуют с тяжелыми углеводородами кристаллогидратные соединения, внешне напоминающие частички снега или льда, которые закупоривают газопроводы. Кроме того, влага способствует коррозии металлов.

Нафталин, смолы и пыль, откладываясь на внутренних стенках газопроводов, уменьшают их сечения, а при плохой очистке газа - закупоривают отдельные участки газопроводов, преждевременно засоряют фильтры, арматуру и другие устройства.

Теплотой сгорания газа называют количество тепла, выделяющееся при полном сгорании 1 м³ или 1 кг газа. Различают низшую теплоту сгорания, когда не учитывается скрытая теплота, выделяющаяся при конденсации водяных паров из продуктов сгорания газа, и высшую, когда эта теплота учитывается.

За единицу измерения количества тепла принята калория (кал), соответствующая количеству тепла, необходимому для нагревания 1 г чистой воды на 1° С, в интервале от 19,5 до 20,5° С при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. Удобнее измерять количество тепла более крупной единицей - килокалорией (ккал), что соответствует 1000 кал. Также единицей теплоты сгорания является кДж/кг (для твердого топлива) или кДж/м³ (для газообразного топлива).

Для организации процесса горения необходимо смешать газовое топливо с определенным количеством воздуха и нагреть газовоздушную смесь или даже ничтожно малый ее объем до некоторой температуры, называемой температурой воспламенения. В холодной смеси кинетическая энергия молекул газа и кислорода незначительна и реакции окисления протекают медленно, с выделением малых количеств тепла, рассеивающихся в окружаю-

щей среде. При нагревании смеси скорость молекул реагентов и количество их соударений возрастают и за счет непрерывного увеличения количества активных центров происходит самоускорение реакции, сопровождающееся прогрессирующим выделением тепла, а следовательно, и повышением температуры смеси.

Минимальная температура, при которой обеспечивается самоускорение реакции, приводящее к воспламенению смеси, называется температурой воспламенения. Она зависит от концентрации газа в газовоздушной смеси, давления, способа нагрева смеси, а иногда и от каталитического воздействия стенок топки.

Воспламенение горючей газовоздушной смеси может быть осуществлено двумя способами: нагревом всего объема смеси до температуры воспламенения, называемой в этом случае температурой самовоспламенения, или поджиганием смеси в одном или нескольких местах внешним источником тепла, имеющим достаточно высокую температуру. Первый способ применяется, например, в двигателях внутреннего сгорания, когда за счет сжатия топливовоздушная смесь нагревается до температуры самовоспламенения.

Для газогорелочных устройств применяют второй способ зажигания. В этом случае фронт горения от места зажигания распространяется по струе вытекающей из горелки газовоздушной смеси за счет нагревания соседних слоев смеси до температуры воспламенения.

Нижний предел воспламенения соответствует минимальному, а верхний - максимальному содержанию горючего газа в смеси, при котором происходит ее воспламенение при зажигании и самопроизвольное (без притока тепла извне) распространение пламени. Вне концентрационных пределов газовоздушные смеси не горят и не взрываются. В интервале между нижним и верхним пределами смеси при поджигании в атмосфере горят, а в замкнутом объеме взрываются.