Усредненный состав газов БГ и шахтного газа

Г. П. Комина

 

 

Основные свойства газообразного топлива

(с примерами расчета)

Санкт-Петербург

Федеральное агентство по образованию

 

Санкт-Петербургский государственный

архитектурно-строительный университет

 

 

Кафедра теплогазоснабжения

и охраны воздушного бассейна

 

Г. П. Комина

 

 

Основные свойства газообразного топлива

(с примерами расчета)

 

Учебное пособие

 

Санкт-Петербург

 

 

УДК 662.69.004.12

 

Комина Г. П.

Основные свойства газообразного топлива (с примерами расчета) / СПб. гос. архит.-строит. ун-т. – СПб., 2008. – 81 с.

 

В учебном пособии рассматриваются виды газообразного топлива и их физико-химические свойства. Приведены составы, ГОСТы и определения основных свойств природных, искусственных, сжиженных углеводородных газов и биогазов. Приведены формулы и методы расчета для выполнения курсовой работы с примерами расчета.

В Приложении приведены составы газов для индивидуальных заданий расчетов на практических занятиях или для заданий на курсовую работу.

Учебное пособие предназначено для студентов III и IV курсов специальности ТГВ.

 

Табл.. Ил.. Библиогр.: назв.

 

ã Г. П. Комина, 2008

ã Санкт-Петербургский государственный

архитектурно-строительный университет, 2008

 

 

Горючие газы

Газообразное топливо можно разделить по происхождению на природные – П, искусственные – ИГ, сжиженные углеводородные газы – СУГ и биогазы – БГ. Энергетические и физико-химические характеристики газов обусловлены составом горючих компонентов, наличием негорючих компонентов – балласта и вредных примесей. Технические требования к природным газам приведены в ГОСТ 5542–87.

Так согласно ГОСТ меркаптановой серы в природных газах должно быть не более 0,036 г в 1 м³, сероводорода не более 0,02 г, механических примесей не более 0,001 г. Объемная доля кислорода должна быть не более 1%. Интенсивность запаха должна быть не менее 3 баллов (при 5-и бальной оценке). Число Воббе не должно отклоняться от номинального значения более, чем на ±5%.

Природный газ – ПГ представляет собой смесь горючих углеводородов, в основе своей содержащих метан СН₄ (80–99%). ПГ не содержит водорода, оксида углерода и кислорода. В газах некоторых конденсатных и нефтяных месторождений в незначительных количествах (3–4%) присутствует сероводород H₂S.

Запасы природного газа в России оцениваются в 48 трил. м³. Основными месторождениями считаются: Ямбургское, открытое в 1986 году. Запасы газа в нем составляют 10% мировых запасов газа.

Еще можно назвать такие крупные месторождения как Оренбургское конденсатное месторождение открытое в 1958 году. Запасы газа -2 трил. м³, Уренгойское месторождение открытое в 1986 году, запасы газа 10 трил. м³. Протяженность магистральных газопроводов составляет 155 тыс. км.

Сжиженные углеводородные газы – СУГ представляют собой смеси тяжёлых углеводородов – пропана С₃Н₄ и бутана С₄Н₁₀. Их получают из ПГ нефтяных и конденсатных месторождений, содержащих значительное количество тяжелых углеводородов, или на нефтеперерабатывающих заводах. При незначительном повышении давления или понижении температуры пропан и бутан сжижаются, уменьшаясь в объеме примерно в 250 раз.

СУГ также легко регазифицируются, т. е. испаряются за счет тепла окружающей среды, увеличиваясь в объеме примерно в 250 раз.

Возможны три состояния СУГ: в виде жидкости (жидкая фаза); в виде насыщенных паров (паровая фаза), находящихся совместно в жидкой фазой в резервуарах или баллонах; в виде газа (газовая фаза). Товарный сжиженный газ состоит из углеводородов, которые при нормальных условиях (давление 760 мм рт. ст. и температуре 0 °С) являются газами, а при сравнительно небольшом повышении давления или незначительном понижении температуры при атмосферном давлении переходят из газообразного состояния в жидкое. Процентное содержание составляющих компонентов сжиженных углеводородных газов регламентируется государственными стандартами в соответствии с использованием на коммунально-бытовые нужды или химическую переработку. Состав СУГ по ГОСТ приведен в табл. 3. Состав и свойства СУГ должны соответствовать требованиям ГОСТ 20448–90* «Газы углеводородные сжиженные топливные для коммунально-бытового потребления. Технические условия». Согласно регламента СУГ выпускается следующих марок: ПТ – пропан технический, для коммунально-бытового потребления при отрицательных температурах наружного воздуха, СПБТ – смесь пропана и бутана технических для коммунально-бытового потребления и других целей при положительных температурах окружающего воздуха и БТ – бутан технический для коммунально-бытового потребления при положительных температурах или для установок с искусственным испарением.

По физико-химическим показателям СУГ должны соответствовать нормам, приведенным в табл. 1. В регионах с различной расчетной температурой наружного воздуха в холодный период года необходимо применять СУГ такого состава, который позволит обеспечить надежную работу баллонных установок с наружным размещением баллонов и резервуарных установок с естественным испарением. Следует учитывать, что при естественном испарении состав газа изменяется, так как происходит фракционное испарение. Сначала испаряется пропановые фракции, а затем бутановые.

К искусственным газам – ИГ относят газы, получаемые путём термической переработки некоторых видов твёрдого топлива – коксующих углей, сланцев. По способу получения эти газы можно разделить на две группы: газы высокотемпературной перегонки, получаемые при нагревании твердого топлива до 1000 °С без доступа воздуха и газы, получаемые в результате нагревания твердого топлива в потоке воздуха, кислорода и их смесей с водяным паром. Горючей частью искусственных газов являются: водород Н_2, оксид углерода СО, метан СН₄ и другие углеводороды. Для искусственных газов характерны высокое содержание балластных примесей и незначительная теплота сгорания, что делает экономически нецелесообразным передавать их на большие расстояния. Искусственные газы, получаемые путем тепловой обработке твердого топлива, в России широко использовались до развития газовой промышленности на базе природного газа. Из 1 тонны каменного угля можно получить 300-350 м³ коксового газа. Примерный состав кокосового газа, %: Н₂ -59, СН₄ -24, СmНn -2, СО-8, СО₂ – 2,4, О₂ – 0,6, N₂ - 4. Из 1 тонны сланцев можно получить 350-400 м³ сланцевого газа.

Генераторные газы %: Н₂ -14, СН₄ -1, СmНn -0,05, СО-28, СО₂ – 6, О₂ – 0,2, N₂ – 50,6. На искусственные горючие газы, используемые в городах и населенных пунктах, был разработан ГОСТ 5542–50.

 

Таблица 1

Требования к составу сжиженных газов (по ГОСТ 20448–90*)

 

Относительно новые для России альтернативные газы: это метан угольных пластов – шахтный газ (ШГ) и биогазы (БГ), получаемые из различных органических отходов

· Биогазы можно разделить по месту образования на три группы:

· ШГ, который выделяется из угольных пластов или угольный метан;

· БГТБО, выделяющиеся из твердых бытовых отходов (ТБО) на городских свалках;

· БГКОС, которые образуются при обезвреживании городских канализационных стоков в метантенках;

· БГСХП, которые образуются при обезвреживании отходов сельскохозяйственных предприятий в биореакторах.

Источником ШГ являются угольные пласты, выделяющие метан - шахтный газ. Эти газы широко используются за рубежом. В России только начинают изучать и разрабатывать способы извлечения и использования их. Особенностью ШГ является то, что это смесь метана с воздухом. Максимальное содержание метана составляет 60%. метана и Ресурсы ШГ гигантские. По данным ОАО «Газпром» запасы метана в угольных бассейнах России оценивается в 49 трлн м³. По прогнозам Госкомэкологии в 2005 году в городах и поселках городского типа накоплено 35 млн т ТБО на закрытых свалках и полигонах. По данным Госстроя России, площадь закрытых свалок составляет около 50 тыс. га. Свалочные массы бытовых отходов в течении 20–25 лет генерируют газ, содержащий 50–65% метана. Производство БГ не требует специальных установок. Свалочные отложения генерируют БГ самопроизвольно. Основные затраты приходятся на сбор, очистку и транспортировку газа. В этом отношении свалки можно считать аналогами месторождений природного газа. Масштабы образования газа и дешевизна добычи делают свалки ТБО одним из перспективных источником энергии. По существующим нормам в городах и поселках РФ в течение года образуется около 45 млн т ТБО. Около 85–90% этих отходов вывозится на свалки. Из одной тонны ТБО может быть получено от 100 до 240 м³ БГ с теплотой сгорания 18–25 МДж/м³.

Рассмотрим возможность использования газов, образующихся при обезвреживании отходов сельскохозяйственных производств – БГ СХП.

Количество БГ СХП определить достаточно сложно, т.к. оно зависит от вида животных, от его поголовья и других факторов. Ежегодное количество отходов сельскохозяйственных производств России при обработке их в биореакторах с метановым процессом сбраживания позволит получить примерно 6000 млн м³ газа, в котором содержание метана может находиться в пределах от 55 до 75 %. Низшая теплота сгорания будет меняться в пределах от 19,66 до 26,82 МДж/м³.

Еще один источник БГ это метантенки городских канализационных сооружений. Рассмотрим теоретический потенциал выхода БГ КОС.

Выделение метана при обработке сточных вод на городских канализационных очистных сооружениях может быть только в случае использования метантенков. (К сожалению, на многих очистных станциях метантенки заменили аэротенками.) Экономически выгодно получать БГ КОС только на очистных сооружениях городов с населением не менее 100 тыс. человек. Исходя из нормированного суммарного количества сточных вод городов можно, получить около 1600 млн. м³ газа в год. Содержание метана в БГ КОС находится в пределах от 60 до 65 %.

Основным горючим компонентом у всех выше рассматриваемы энергоносителей является метан – СН₄, содержание которого может изменяться в пределах от 35 до 75 %. В их состав входит большое количество балластных примесей в виде азота, кислорода и углекислого газа. В них могут присутствовать различные примеси, состав которых зависит от технологического процесса образования и исходного сырья, поэтому требуется проводить очистку газов от вредных примесей и в некоторых случаях обогащение горючими компонентами за счет уменьшения балласта.

Усредненный состав газов БГ представлен в табл. 2. Некоторые комментарии к таблице. ШГ БГ ТБО имеют переменный состав из-за разбавления их воздухом при сборе. БГ КОС характеризуется более стабильным составом. Содержание основного горючего компонента – метана – на разных очистных сооружениях изменяются от 60 до 65% по объему. Более значительные колебания состава газа наблюдаются при переработке отходов сельскохозяйственного производства, при этом в газе присутствует довольно значительное количество сероводорода. Поэтому перед использованием требуется очистка газа от H₂S. 1 м³ БГ эквивалентен 6,1 кВт.

Таблица 2

Усредненный состав газов БГ и шахтного газа

 

 

 

2. Физико-химические характеристики горючих газов

К основным показателям, характеризующим свойства горючих газов, как энергоносителей относятся: химическая формула, теплота сгорания, плотность, относительная плотность, число Воббе, пределы воспламеняемости, температура воспламенения, температура горения жаропроизводительность.

Таблица3

Основные характеристики горючих газов

 

Химическая формула газа отражает элементный химический состав последнего и позволяет отчасти представить его химические и физические свойства. Так, углеводородные газы состоят из простых углеводородных соединений, являющихся органическими веществами, содержащими в своем составе два химических элемента: углерод С и водород Н₂. Самый простой углеводород, содержащий всего один атом углерода, – метан СН₄. Все углеводороды, имеют общую формулу – С_mH_n, входят в гомологический ряд так называемых предельных или насыщенных углеводородов – соединений, в которых углерод до предела насыщен атомами водорода. При температуре 0 °С и давлении 760 мм рт. ст. изпредельных углеводородов газами являются лишь метан – СН₄, этан – С₂Н₆, пропан – С₃Н₈ и бутан – С₄Н₁₀. Наряду с нормальными предельными углеводородами существуют так называемые изомерные соединения, имеющие одинаковые с первыми химические формулы, но отличающиеся от них характером расположения атомов углерода, а также некоторыми свойствами. Пропан изомера не имеет. Начиная с бутана, каждая суммарная формула алканов охватывает несколько углеводородов, имеющих одинаковые молекулярные массы, но разную структуру. Так формуле С₄Н₁₀ отвечают два бутана: СН₃–СН2–СН₅–СН₃ нормальный бутан; СН₃–СН–СН₃–СН₃ изобутан. Изомер бутана – изобутан. Для обозначения нормального бутана используют русскую строчную курсивную букву «н»и записывают н-бутан, а к химической формуле изобутана добавляют приставку изо (также курсивом) и записывают изо-С₄Н₁₀ либо i -С₄H₁₀. Кроме предельных и их изомеров в составе сжиженных углеводородов могут присутствовать ненасыщенные или непредельные углеводороды, характеризующиеся двойной или тройной связью между атомами углерода. Это этилен – С₂Н₄, пропилен – С₃Н₆, бутилен – C₄H₈ и изобутилен – i -C₄H₈. Непредельные углеводороды с называются олефинами, или алкенами. Топливные газы представляют собой смесь отдельных газов, но при рассмотрении теплотехнических характеристик этой смеси нужно учитывать, что ее компоненты не вступают в химические реакции друг с другом.

Масса т, физическая величина, являющаяся мерой инертности и тяготения вещества (жидкости, газа). Измеряется в килограммах (кг). Однако масса не является мерой количества вещества. Единицей количества вещества считается моль, который равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов (атомов, молекул), сколько атомов содержится в углероде массой 0,012 кг. Массу одного моля (киломоля) М называют молярной массой.

Объем газов V измеряют в кубических метрах (м³). Вследствие того, что объем газов изменяется при нагревании, охлаждении и сжатии, за его единицу принимают 1 м³ газа при нормальных условиях. Если температура t или давление Р отличаются от нормальных, то объем газа при нормальных условиях V ₀определяется по формуле

 

 

где V – объем газа, измеренный при рабочих условиях, м³; Р _d – барометрическое давление, кПа, нормальное атмосферное давление Р _d = 101,3 кПа; Р _и – избыточное давление (измеренное манометром), кПа; Р – абсолютное давление, кПа, Р = Р _d + Р _и; t – температура, °С.

Основными точками для градуировки шкалы являются: температура плавления льда 0 °С и температура кипения воды 100 °С при нормальном атмосферном давлении 101,325 кПа; Т – абсолютная температура, К (абсолютная температура Т связана с температурой в градусах Цельсия t уравнением Т = t + 273 °С, абсолютный нуль температуры в градусах Цельсия равен – 273,15 °С).

Плотность газа – r характеризует его массу, приходящуюся на единицу объема (кг/м³). Известно, что плотность газов и их объем зависят от температуры. С повышением температуры объем газа в незамкнутых пространствах увеличивается, а в замкнутых возрастает его избыточное давление. В обоих случаях изменяется плотность газа. Для возможности сравнения свойств различных газов основные их характеристики должны быть приведены к одинаковым условиям. В технических расчетах это нормальные условия (Р = 760 мм рт. ст. t = 0 °С).

В финансовых же расчетах между поставщиками и потребителями газа применяют стандартные условия. В этом случае фактический объем газа, измеренный приборами учета при рабочем давлении и температуре, приводят с помощью специальных таблиц к объему при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 20 °С. Плотность газа при нормальных условиях обозначается r₀.

Зависимость изменения плотности при изменениях температуры и давления может быть выражена для газа однокомпонентного состава формулой

 

,

 

где r – плотность газа при температуре отличной от 0 °С; r₀ – плотность газа при температуре 0 °С и давлении 760 мм рт.ст.; Р – фактическое избыточное давление, мм рт. ст.; Р _d – атмосферное (барометрическое) давление, мм рт. ст.; t – температура газа, °С; Р – абсолютное давление, мм рт. ст.; Т – абсолютная температура, К;

Плотность сложных газов при нормальных физических условиях может быть определена по формуле

 

r_см = 0,01(Sr i × ri),

r_см = 0,01(r₁ r ₁ + r₂ r ₂ +... + r _nr_n) = 0,01(0,72×СН₄ + 1,35×С₂Н₆ +

+ 2,01×С₃Н₈ + 2,7×С₄Н₁₀ + 3,22×С₅Н₁₂ + 1,53×Н₂S + 1,97×СО₂ +

+ 1,25×N₂) кг/м³;

 

ρ₁, ρ ₂,..., ρ _n – плотность компонентов газа, кг/м³;

r ₁, r ₂,..., r_n – содержание компонентов, %.

Удельный объем v – величина обратная плотности r, определяющая отношение объема газа (м³) к его массе (кг), измеряется в кубических метрах на килограмм (м³/кг).

Давление – физическая величина, характеризующая интенсивность нормальных (перпендикулярных к поверхности) сил, с которыми одно тело действует на поверхность другого. В газовой среде давление связано с передачей импульса при столкновениях находящихся в тепловом движении молекул газа друг с другом или с поверхностью граничащих с газом тел. В СИ единица измерения давления – паскаль (Па). Паскаль равен давлению, вызываемому силой 1Н (ньютон), равномерно распределенной по нормальной (вертикальной) к ней поверхности площадью 1 м². Удобно использовать Па×10, т. е даПА так как давление выраженное в даПа равно величине давления выраженному в мм. рт. ст. На практике еще действующей единицей давления является техническая атмосфера (1 атм), равная в системе МКГСС давлению 1 кгс на поверхность 1 см² (1 кгс/см²). Многие страны пользуются единицей давления – бар. Соотношения наиболее употребляемых в теплотехнике единиц, включая единицы давления, приводятся в табл. 4.

Для паров и газов различают избыточное P _и, абсолютное P _аи парциальное P _пдавление. Причем абсолютное давление включает в себя избыточное давление (измеренное манометром) и барометрическое (атмосферное давление на данный момент).

Поскольку топливные газы практически всегда являются смесями отдельных (идеальных) газов, не вступающих между собой в химические соединения, то каждый идеальный газ, входящий в смесь, распространяется по всему объему смеси и имеет свое давление, называемое парциальным. Согласно закону Дальтона общее давление смеси равно сумме давлений отдельных газов, образующих эту смесь

 

P _a = P ₁ + P₂ +...+ P_n.

 

Таблица 4