Классификация горючих газов, применяемых для газоснабжения

Для газоснабжения городов и населенных пунктов применяются различные горючие газы. Эти газа различаются как по теплотворной способности, так и по своему составу и физическим свойствам. Отдельные горючие газы используются лишь для газоснабжения промышленных объектов. Для газоснабжения городов и населенных пунктов применяют горючие газы с низшей теплотой сгорания Q_н не менее 14…16 МДж / м ³.

Горючие газы подразделяются как по происхождению, так и по способу их производства. Исходя из этого, горючие газы можно разделить на пять групп.

В первую группу входит природный газ, который добывается из чисто газовых или газонефтяных месторождений.

Во вторую группу входят сжиженные углеводородные газы (СУГ), которые выделяются из нефтяных газов или получаются на нефтеперерабатывающих заводах в результате крекинга нефти.

В третью группу входят пиролизные газы, главным образом коксовый и сланцевый, которые получаются в результате термической переработки твердого или жидкого топлива без доступа воздуха.

В четвертую группу входят газы так называемой безостаточной газификации твердого или жидкого топлива. Эти газы получаются также как и входящие в третью группу в результате термической обработки топлива. Однако в этом случае подается некоторое количество воздуха или пара. Это доменный и генераторный газы. Особенностью этих газов является то, что в них содержится большое количество окиси углерода CO. Кроме того, эти газы отличаются низкой теплотворной способностью (Q_н = 4 Мдж / м ³), вследствие чего они не применяются для газоснабжения городов и населенных пунктов.

В пятую группу относят водород, который считается топливом будущего. Он получается в результате электролиза воды. Низшая теплота сгорания водорода составляет Q_н = 10.783 МДж / м ³. Это меньше, чем это предусмотрено для газов, использующихся для газоснабжения городов и населенных пунктов (14…16 МДж / м ³), однако использование его принесет преимущества с энергетической и экономической точки зрения.

Невозможность использования водорода в качестве топлива для газоснабжения городов в настоящее время продиктована тем, что для его транспортировки требуются значительно большие диаметры газопроводов, чем, например, для природного газа. Поэтому широкое применение водорода для нужд городов будет осуществлено в случае значительного снижения стоимости электроэнергии, которая необходима для электролиза воды.

Известно, что любая классификация зависит от точки зрения авторов. Она включает в себя характеристику, принятую за основу. Если учесть тот факт, что газовая промышленность республики Беларусь все более тесно связывается с промышленностью так называемого дальнего зарубежья, возникает целесообразность классификации горючих газов, принятой в Западной Европе. В качестве характеристики там приняты способы добычи или получения горючих газов, а не параметры обусловливающие возможности их применения. Основным параметром, характеризующим горючие газы, является высшее число Воббе. Выше было отмечено, что высшее число Воббе можно представить в следующем виде:

Wо_в = (4.1)

Горючие газы, применяемые для газоснабжения городов и населенных пунктов можно разделить на четыре семейства. Некоторые группы, в свою очередь, подразделяются на подгруппы.

В первое семейство входят пиролизные газы. Для газоснабжения городов они используются лишь в тех случаях, когда населенный пункт расположен вне области снабжения природным газом.

Наряду с коксовым газом, который получается при коксовании каменного угля, используются также технологические процессы, связанные с термическим разложением углеводородов (бензина, метанола, газа нефтеперерабатывающего завода), горючих газов и растительного сырья.

Горючие газы первого семейства характеризуются большим содержанием водорода. Следовательно, скорости распространения пламени велики. Сгорание происходит в коротком высокотемпературном пламени, а для горения требуется сравнительно небольшое количество воздуха. При конструировании газогорелочных устройств необходимо учесть, что пламя в процессе горения этих газов является неустойчивым по отношению к проскоку через огневые отверстия в коллектор. Кроме того, в состав горючих газов первого семейства может входить некоторое количество вредных веществ (сероуглерода, аммиака, синильной кислоты, нафталина, пыли, кислорода, влаги). Содержание большинства их нормируется ГОСТом. Очистка от указанных вредных веществ связана с большими затратами. Большое содержание окиси углерода в горючем газе предполагает создание условий для устранения утечек газа, которые могут вызвать отравление обслуживающего персонала газоиспользующих установок, а также потребителей. Газы этого семейства содержат 40…67 % водорода. Высшее число Воббе составляет 6.4…9.3 кВт × ч / м ³.

Для стран СНГ газоснабжение городов и населенных пунктов горючими газами, входящими в первое семейство имеет лишь историческое значение.

Второе семейство включает в себя такие горючие газы как природные и попутные газы. Они составляют основу систем дальнего газоснабжения многих стран мира. От газовых месторождений эти газы транспортируются по магистральным газопроводам непосредственно потребителям. В последние годы все более широко развивается и транспортировка природного газа в жидком виде (сжиженный природный газ) через моря и океаны. Сокращенно он обозначается СПГ.

Второе семейство, в свою очередь, подразделяется на две группы. Первая группа называется группа L (от английского слова low – низкий). В нее входят горючие газы с числом Воббе от 10.5 до 13.0 кВт × ч / м ³. В качестве номинального для этой группы горючих газов принимается значение числа Воббе равное 12.4 кВт×ч / м ³. Вторая группа называется группой H (от английского слова high – высокий). В эту группу входят горючие газы с числом Воббе от 12.8 до 15.7 кВт×ч / м ³. Номинальным значением для этой группы является число Воббе равное 15.0 кВт×ч / м ³.

Во втором семействе основным горючим компонентом является метан. Скорость распространения пламени метана значительно ниже скорости распространения пламени водорода. Вследствие чего для полного сгорания метана требуется подвод большого количества воздуха (порядка 10 м ³/ м ³). При конструировании газогорелочных устройств необходимо учитывать тот факт, что фронт пламени очень легко отрывается от огневых отверстий. В этой связи у большинства газовых горелок предусмотрены специальные стабилизирующие устройства.

В системах газоснабжения этого семейства могут устанавливаться смесительные установки, которые поставляют дополнительное количество газа, необходимое для покрытия пиковых нагрузок. В этих установках происходит смешение сжиженных углеводородных газов с воздухом и затем газовоздушная смесь подается в системы газоснабжения города. Для обеспечения качественной работы газоиспользующих установок необходимо подбирать состав газовоздушной смеси таким, чтобы число Воббе соответствовало номинальному значению или было несколько меньше его.

Как правило, газы второго семейства не имеют запаха. Поэтому для обнаружения утечек газа обонянием его одорируют, т.е. добавляют к нему некоторое количество дурно пахнущих веществ. Как правило, это соединения углеводородов с серой. Необходимо обеспечить такую добавку одорантов, при которой бы в среднем ощущалась утечка газа при концентрации его в воздухе в пять раз меньше опасной.

Газы, входящие во второе семейство поступают из газовых месторождений в головные сооружения, в которых происходит их осушка, очистка от механических примесей и обессеривание. Следует отметить, что в газах, поступающих в системы газоснабжения городов, суммарное содержание серы не должно превышать значение 150 мг/м ³, а кислорода – 3 % объемных.

Газы, входящие во второе семейство обеспечивают наибольшую эффективность работы газоиспользующих установок. Кроме того, их применение является наиболее целесообразным с экологической точки зрения.

В третье семейство горючих газов входят смеси пропана и бутана. Они получили название сжиженные углеводородные газы и обозначаются сокращенно СУГ. Необходимо иметь в виду, что в СУГ, используемых в быту доля бутана не должна превышать значение 60 % (по весу), а суммарное содержание ненасыщенных углеводородов (пропилен, бутилен) не превышало 5% (по весу).

Газы, входящие в это семейство, как правило, не содержат вредных веществ и поэтому их целесообразно использовать в быту, так же как и газы второго семейства.

В четвертое семейство входят смеси природного газа с воздухом и СУГ с воздухом. Эти смеси используются, главным образом, при переводе систем газоснабжения городов с искусственного газа на природный газ. При сгорании этих смесей фронт пламени отрывается от огневых отверстий легче, чем при сгорании газов первого семейства. Это происходит из-за того, что в данных горючих смесях отсутствует водород, у которого скорость распространения пламени имеет очень высокое значение. Поэтому при эксплуатации газоиспользующих установок, использующих смеси природного газа с воздухом и СУГ с воздухом также необходимо предусмотреть стабилизаторы пламени. Число Воббе для смесей, входящих в это семейство составляет 7 кВт×ч / м ³.

Газы четвертого семейства особого практического интереса не представляют.

Отметим, что приведенная классификация не охватывает все типы горючих газов. В частности ею не охвачены водород; газы получаемые при сжигании мусора и шлама на очистных сооружениях; биогаз.

Анализируя физико-химические показатели природных газов в соответствии с ГОСТ 5542-87 с приведенными выше нормами, существующими в Германии, можно сделать вывод о том, что по некоторым показателям в странах СНГ требования к чистоте горючих газов значительно строже. Так, например, суммарное содержание серы 56 мг / м ³ против 150 мг / м ³, а содержание кислорода 1 % вместо 3 %.

Физико-химические свойства сжиженных газов для коммунально-бытовых нужд регламентируются ГОСТ 20448-80*. В соответствии с ним предусмотрено предельное содержание отдельных компонентов в смеси для лета и зимы. Так, например, летом содержание бутана не должно превышать 60 %, а зимой его значение должно быть не более 20 %. Этим же стандартом предусмотрено также, что сумма метана, этана и этилена в летний период года не должна превышать 6 % (по массе), в то время как зимой – 4 %. Такие компоненты СУГ как пропан и пропилен для лета не нормируются, а для зимы они должны составлять не менее 75 %. Величина серосодержащих веществ, входящих в газовую смесь, не должна превышать 0.015 %.