2014-02-05
5347
Классификация газовых топлив
Для снабжения потребителей топливом используют различные горючие газы, свойства которых изменяются в широких пределах. Газовые топлива в зависимости от их происхождения могут быть разделены на две основные категории:
а) природные газы (иногда их называют также естественными газами), добываемые из недр земли;
б) искусственные горючие газы, получаемые термической переработкой, т. е. разложением в результате нагревания твердых и жидких топлив.
Природные газы в свою очередь подразделяются на два вида:
а) собственно природные газы, добываемые из чисто газовых или газоконденсатных месторождений;
б) попутные нефтяные газы, добываемые одновременно с нефтью.
Искусственные горючие газы также подразделяются на два основных вида:
а) газы, получаемые путем термической переработки твердых и жидких топлив нагревом без доступа воздуха;
б) газы, получаемые путем газификации твердых и жидких топлив с подводом воздуха или кислорода, а часто и водяного пара. Иногда искусственные горючие газы получают также путем переработки (реформирования) высококалорийных природных и попутных газов.
|
|
|
Отдельно следует рассматривать применяемые в газоснабжении углеводородные газы: пропан, нормальный бутан и изобутан. Эти газы транспортируют и хранят в сжиженном виде, поэтому их обычно называют жидкими или, правильнее, сжиженными газами. Сжиженные газы могут быть получены из некоторых попутных нефтяных газов или из газов, образующихся при переработке нефти и нефтяных продуктов. Таким образом, сжиженные газы могут быть как природного, так и искусственного происхождения. Наконец, используют, особенно в сельском хозяйстве, так называемый биологический газ (биогаз), состоящий преимущественно из метана и углекислоты и получающийся в результате брожения органических отходов сельского хозяйства: навоза, ботвы растений, соломы и т. п.
В природных газах из газовых и газоконденсатных месторождений, во-первых, преобладает простейший из предельных углеводородов метан (до 98 % об.), а содержание других углеводородов весьма невелико. Во-вторых, они обычно содержат малое количество негорючих компонентов (азот и углекислота). В-третьих, в них практически полностью отсутствует окись углерода, и в этой связи нет опасности отравления.
Нефтяные попутные газы имеют более сложный состав. Метан, входящий в его состав играет меньшую роль, чем в природном газе, поскольку в большинстве случаев в оценке их свойств преобладающее значение имеют более сложные и тяжелые углеводороды.
Небольшое содержание балластной части в природных углеводородах обуславливает их большую теплоту сгорания (7500 – 9000 ккал/м3 значения приведены для низшей теплоты сгорания), а для попутных газов ввиду присутствия тяжелых углеводородов ещё выше (10000 – 1500 ккал/м3).
|
|
|
Искусственные горючие газы, получаемые различными процессами термической переработки без доступа воздуха твердых топлив (каменного и бурого углей, сланцев и торфа), имеют разнообразные свойства, определяемые как видом топливного сырья, так и характером процесса, применяемого для производства газа. Как правило, эти горючие газы содержат значительное количество балласта в виде углекислоты и азота. Содержание балласта в газе зависит от содержания кислорода и азота в исходном топливе.
С теплотехнической точки зрения благоприятной особенностью искусственных горючих газов является высокое содержание водорода, которое обычно бывает тем более значительным, чем выше температура процесса переработки топлива. Важная особенность таких газов – присутствие в их составе окиси углерода, определяющей их токсические (ядовитые) свойства. Из-за наличия водорода и окиси углерода, а также содержания в них балласта они имеют более низкую теплоту сгорания, чем газы первой группы, обычно в пределах 3500 - 4500 ккал/м3.
При термической переработке топлива без доступа воздуха в газ и жидкие продукты переходит лишь летучая часть топливного сырья, а нелетучая остается в виде твердого остатка, называемого полукоксом или коксом, в зависимости от способа переработки исходного твердого топлива.
Искусственные горючие газы, получаемые путем газификации в газогенераторах твердых топлив воздухом или кислородом и водяным паром, как правило, имеют менее сложный состав, чем газы сухой перегонки. Они имеют высокое содержание окиси углерода, что делает их токсичными и опасными для использования в системах городского газоснабжения.
Горючие газ, получаемые при газификации воздухом имеют низшую теплоту сгорания от 900 до 1700 ккал/м3 (повышенное содержание азота и углекислого газа). При газификации твердого топлива воздухом, обогащенного кислородом, или же чистым кислородом теплота сгорания повышается до 2500 - 3500 ккал/м3 (более меньшее содержание азота).
По теплоте сгорания горючие газы условно подразделяют на три категории:
1) высококалорийные с теплотой сгорания 7500 ккал/м3. К ним относятся природные и попутные газы, газы пиролиза и нефтепереработки, сжиженные газы. Они не токсичные или малотоксичные, с малым содержанием балластных примесей.
2) среднекалорийные газы с теплотой сгорания в пределах от 3000 до 7500 ккал/м3. К ним относятся газы коксования или полукоксования, газы, получаемые переработкой горючих сланцев в камерных печах и т.п. Они токсичны, со значительным содержанием водорода и окиси углерода, повышенным количеством балласта.
3) низкокалорийные газы с теплотой сгорания от 3000 ккал/м3 и ниже. К ним относятся искусственные газы, получаемые при газификации твердых топлив воздухом, кислородом или водяным паром. К этой категории относятся доменный газ, газы подземной газификации углей, генераторные газы, водяной газ. Они высокотоксичные, с высоким содержанием окиси углерода. Могут использоваться в качестве добавки к высококалорийным газам для их разбавления и регулирования теплоты сгорания на необходимом уровне.
В таблице 2 приведены основные параметры, характеризующие состав, теплоту сгорания и плотность базовых газовых топлив.
Таблица 2. Примерные характеристики типичных
газовых топлив
| Газ | Содержание в сухом газе, % объемный | Низшая теплота сгорания, ккал/м3 | Относительная плотность | |||||
| СН4 | Сm Нn | Н2 | СО | СО2 | 02+N2 | |||
| Природный | 92 - 98 | 0,8 - 5,5 | - | - | - | 0,4 - 3,5 | 8500 - 8800 | 0,56- 0,60 |
| Попутный нефтяной | 40 - 70 | 15 - 50 | - | - | - | 10 - 12 | 10000 - 15000 | 0,90- 1,10 |
| Сжиженный углеводо- родный | - | - | - | - | - | 22000 - 28000 | 1,55 - 2,00 | |
| Коксовый * | 23,5 - 26,5 | 1,9 - 2,7 | 56 - 62 | 5.5 - 7,7 | 1,8 - 2,6 | 2,3 - 6,6 | 4150 - 4400 | 0,35 |
| Доменный * | - | - | 1 - 10 | 23 - 28 | 10 - 21 | 40 - 60 | 725 - 1100 | 1,00 |
| Сланцевый (бытовой) | 5 16,5 | 4,9 | 24,8 | 9,5 | 16,2 | 28,1 | 0,76 |
Требования к качеству газового топлива
|
|
|
Для нормального и безопасного использования газового топлива очень важно, чтобы его основные параметры - теплота сгорания, скорость распространения пламени и плотность были, возможно, более постоянными и не изменялись в сколько-нибудь значительных пределах.
Изменение теплоты сгорания, которое указывает на изменение состава газа, требует дополнительной регулировки или переделки и даже замены газовых горелок. Изменение скорости распространения пламени может вызвать такие опасные нарушения горения, как проскок пламени в горелку или даже отрыв пламени от горелки. Изменение плотности газа приводит к нарушению гидравлического режима в системе газоснабжения: при увеличении плотности потери давления газа в газопроводах возрастают, при уменьшении - снижаются. Кроме того, изменение плотности газа влияет и на условия инжекции воздуха газом в инжекционных газовых горелках, что может повлечь за собой неполноту сгорания со всеми ее нежелательными последствиями. Во избежание нарушений в работе, газовых горелок при изменении теплоты сгорания и плотности газа необходимо, чтобы сохранялось постоянным отношение высшей теплоты сгорания газа к величине корня квадратного из относительной плотности газа. Это отношение называется числом Воббе (W) и выражается следующей формулой:
где Qв - высшая теплота сгорания газа, ккал/м3;
S - относительная плотность газа (воздух = 1).
Число Воббе позволяет судить о взаимозаменяемости газов, т. е. если числа Воббе для двух газов одинаковы, то эти газы могут считаться в известных пределах взаимозаменяемыми.
Несмотря на разнообразие состава и физико-химические свойств различных видов газового топлива, все они при использовании в городском газовом хозяйстве должны удовлетворять следующим общим требованиям, предусмотренным ГОСТ 5542 – 87 (таблица 3).
|
|
|
Таблица 3. Физико-химические показатели природных горючих газов промышленного и коммунально-бытового назначения (ГОСТ 5542-87)
| Показатели | Норматив |
| 1. Теплота сгорания низшая, МДж/м3, не менее (при температуре 20 0С и давлении 0,1 МПа) | 31,8 |
| 2. Область значений числа Воббе, высшего, МДж/м3 | 41,2 - 54,5 |
| 3. Допускаемое отклонение числа Воббе от номинального значения, % не более | ± 5,0 |
| 4. Концентрация сероводорода, г/м3, не более | 0,020 |
| 5. Концентрация меркаптановой серы, г/м3, не более | 0,036 |
| 6. Доля кислорода в газе, объём. %, не более | 1,000 |
| 7. Масса механических примесей в 1 м3, г, не более | 0,001 |
| 8. Интенсивность запаха газа при объёмной доле 1,0%, балл, не менее | 3,0 |
Примечание: пункты данного ГОСТа 2, 3, 8 действуют только на газ коммунально-бытового назначения. Для потребителей промышленного назначения по п. 8 – производят согласование с потребителем. Номинальное значение числа Воббе устанавливают в пределах нормы показателя п. 2, по согласованию с потребителем для отдельных газораспределительных систем.
Качество подаваемого в газопровод природного газа регламентируется по ОСТ 51.40 – 93 по следующим показателям:
- точка росы по влаге - показатель, который определяет условия безгидратного транспорта природного газа, обеспечивающего повышение надежности работы КИП и А, снижение коррозионного износа магистральных газопроводов, компрессорных станций и технологического оборудования;
- точка росы по углеводородам – показатель, характеризующий условия дальнего транспорта природного газа в однофазном состоянии, определяющий верхний предел извлечения газового конденсата в промысловых условиях (см. таблицу 4).
Таблица 4.Физико-химические показатели природных газов,
поставляемых и транспортируемых по магистральным
газопроводам по ОСТ 51.40-93 от 01.10.93
| Показатели | Значения для макроклиматических районов | |||
| умеренный | холодный | |||
| 01.05-30.09 | 01.10-30.04 | 01.05-30.09 | 01.10-30.04 | |
| Точка росы газа по влаге, 0С, не выше | минус три | минус пять | минус десять | минус двадцать |
| Точка росы газа по углеводородам, 0С, не выше | ||||
| Концентрация сероводорода, г/м3, не более | 0,007 | 0,007 | 0,007 | 0,007 |
| Концентрация меркаптановой серы, г/м3, не более | 0,016 | 0,016 | 0,016 | 0,016 |
| Концентрация кислорода в газе, объём. % | 0,5 | 0,5 | 1,0 | 1,0 |
| Теплота сгорания, низшая, МДж/м3 | 32,5 | 32,5 | 32,5 | 32,5 |
| Содержание механических примесей и труднолетучих жидкостей | Оговаривается отдельно в соглашениях на поставку газа с ПХГ, ГПЗ и промыслов |
Примечание: 1. Климатические районы по ГОСТ 16350-80 "Климат, районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей"; 2. Для газов, в которых содержание углеводородов С5 +выс не превышает 1,0 г/м3, точка росы по углеводородам для данного ГОСТ не нормируется. Допускается поставка в отдельные газопроводы газа с более высоким содержанием сероводорода и меркаптанов.
Данный стандарт распространяется на горючие природные и нефтяные товарные газы, которые поступают с газовых и нефтяных промыслов, а также газоперерабатывающих заводов и подземных хранилищ газа. Действие этого стандарта не распространяется на природные газы поступаемые для промысловой обработки, а также газа на ''собственные нужды''.
Контроль за качеством поставляемой продукции производится в соответствии со стандартами на природный газ периодически или непрерывно (таблица 5).
Таблица 5. Периодичность проведения исследований
газа, поступающего в магистральный газопровод
| Показатели | Сроки проведения испытаний на газы | ||
| Не содержащие соединений серы | Содержащие | ||
| Сероводород | Сероводород и меркаптаны | ||
| Содержание парообразной влаги | Не реже одного раза в сутки | Не реже одного раза в сутки | Не реже одного раза в сутки |
| Температура конденсации углеводородов | Не реже одного раза в неделю | Не реже одного раза в неделю | Не реже одного раза в неделю |
| Содержание сероводорода | один раз в год | один раз в неделю | два раза в неделю |
| Содержание меркаптановой серы | Не реже одного раза в неделю | По требованию | Не реже одного раза в неделю |
| Содержание механических примесей | По требованию | По требованию | По требованию |
| Содержание кислорода | По требованию | По требованию | По требованию |
| Компонентный состав | Не реже одного раза в месяц | Не реже одного раза в месяц | Не реже одного раза в месяц |
Влагонасыщенность газа при его поступлении в городские сети не должна быть больше максимального насыщения при температуре зимой +20 0С, летом +35 0С. Запах должен ощущаться при содержании в воздухе 1% природного газа.
Причины, по которым нормированы эти важные показатели свойств газа,сводится к следующему. Газовые горелки приборов рассчитываются и регулируются на определенную величину теплоты сгорания газа. Эта величина должна быть, возможно, более постоянной для обеспечения нормального и полного сгорания газа, а также для предотвращения отрыва пламени от горелок и попадания несгоревшего газа в воздух помещения.
Сероводород, сам по себе очень ядовитый газ, в результате сгорания образует сернистый газ, также очень вредный для человеческого организма, кроме того, он вызывает коррозию металлических, особенно медных, частей газовых ванных колонок и водогрейных аппаратов. Аммиак разрушительно действует на части аппаратуры и арматуры, изготовленные из цветного металла. Смола и пыль осаждаются в газопроводах, газовых счетчиках и газовой аппаратуре, засоряя и выводя их из строя. Нафталин при понижении температуры газа осаждается в виде твердых частиц в газопроводах, тем самым постепенно уменьшает свободное сечение труб, что может привести к их полному забиванию
Наличие кислорода в газе способствует внутренней коррозии металла газопровода, а при значительном повышении содержания кислорода в газе может возникнуть опасность взрыва. Иногда в практике газоснабжения используют смеси горючих газов (преимущественно сжиженных) с воздухом, который подмешивают для снижения калорийности газа ''Правила безопасности в газовом хозяйстве'' Госгортехнадзора РФ допускают подачу населенным пунктам и отдельным предприятиям попутного нефтяного газа при содержании в нем воздуха не более 60 обьёмн. %. Во всех таких случаях содержание кислорода в газе должно постоянно строго контролироваться во избежание образования взрывоопасной газовоздушной смеси (оно должно быть не более 12,6 %).
Цианистые соединения, в частности цианистый водород НСN, являются чрезвычайно ядовитыми веществами, почему их содержание в газе и ограничено указанным выше пределом.
При повышенном содержании влаги в газе часть её может сконденсироваться при охлаждении, образующаяся вода способствует коррозии металла труб и, накапливаясь в низких местах газопроводов, может создавать значительные эксплуатационные трудности.
Таким образом, перед использованием для коммунально-бытовых и других целей горючие газы должны пройти соответствующую обработку, в которую входят следующие основные операции:
- охлаждение и осушка газа с целью отделения его от легкоконденсирующихся масляных, смоляных и водяных паров;
- очистка от пыли и смолы;
- улавливание из газа аммиака, бензола, нафталина и других ценных продуктов;
- очистка от серы, цианистых и других соединений;
- одоризация газа для определения его наличия в помещениях.
В газе предназначенным для коммунально-бытовых целей должно содержаться в 100 м3 не более, в гр:
- смолы и пыли 0,1;
- нафталина – летом 10, а зимой 5;
- аммиака – 2; сероводорода – 2;
- цианистых соединений - 5
Опасным свойством природных газов является их токсичность, зависящая от состава газов, способности их при соединении с воздухом образовывать взрывоопасные смеси, воспламеняющиеся от электрической искры, пламени и других источников огня.
Чистые метан и этан не ядовиты, но при недостатке кислорода в воздухе вызывают удушье.
Взрываемость.Природные газы при соединении с кислородом воздуха образуют горючую смесь, при наличии источника огня. Температура воспламенения природных газов тем меньше, чем выше молекулярная масса. Газы взрываются только при определенных концентрациях газа в газовоздушной смеси - от низшего предела взрываемости до высшего предела взрываемости. Газовоздушная смесь, в которой содержится газа меньше нижнего предела воспламеняемости, не горит и не взрывается. Смесь, в которой содержание газа больше верхнего предела воспламеняемости, то не горит, но может гореть при подводе извне тепла. С повышением давления газовоздушной смеси пределы ёе воспламеняемости сближаются.
В таблице 6 приведены значения температуры и пределов воспламеняемости горючих газов.
Таблица 6. Температуры воспламенения и пределы воспламеняемости (взрываемости) горючих газов в смеси с воздухом
| Газы | Температура воспламенения, 0С | Пределы воспламеняемости при температуре 20 0С и давлении 760 мм. рт. ст. (процент объёмный газа в газовоздушной смеси) | |
| нижний | верхний | ||
| Бутан (нормальный) | 1,7 | 8,5 | |
| Бутилен | 1,7 | 9,9 | |
| Водород | 4,0 | 75,0 | |
| Метан | 5,0 | 15,0 | |
| Окись углерода | 12,5 | 75,0 | |
| Пропан | 2,0 | 9,5 | |
| Пропилен | 2,0 | 9,7 | |
| Этан | 3,1 | 12,5 | |
| Этилен | 3,0 | 28,6 |
Пределы воспламеняемости смеси, состоящей из нескольких горючих газов, зависят от пределов воспламеняемости составных частей смеси и могут быть приближенно определены по формуле Ле - Шателье:
(6)
гдеПсм – предел воспламеняемости (нижний или верхний) смеси, объёмный процент;
a, b, c, d – содержание отдельных горючих составных частей в смешанном газе, объёмный процент;
A, B, C, D – значения пределов воспламеняемости (соответственно верхнего или нижнего, в зависимости от того, какой их них определяется) каждой отдельной составляющей части газа (согласно таблицы 6).
Для газов, содержащих значительное количество негорючих компонентов (СО2, N2), формула (6) не обеспечивает достаточно точных результатов. В этих случаях пределы воспламеняемости газов определяют опытным путем.
Сжиженные углеводородные газы помимо взрывоопасности и удушающих свойств обладают опасными специфическими свойствами:
- они находятся у потребителей в резервуарах и баллонах в жидком виде, повышение температуры в которых может вызвать значительное повышение давления, следствием чего могут быть разрывы сосудов. В результате разрывов происходит быстрое истечение и испарение газа. Распространяющийся газ может воспламениться, вызвать пожар и разрывы других баллонов и резервуаров вследствие нагрева;
- в жидком состоянии сжиженные газы обладают весьма высоким коэффициентом теплового расширения. Поэтому очень опасно переполнять баллоны и резервуары, так как сильно расширяющаяся жидкость может вызвать разрывы с теми же опасными последствиями, какие указаны выше;
- вытекающая при утечках и разрывах жидкая фаза углеводородов быстро испаряется. При этом возникает сильное охлаждение, могущее вызвать обморожение людей;
- движение сжиженных углеводородов и энергичное их перемешивание вызывают электризацию, причем заряды статического электричества могут достигать 3000 в. Столь высокие потенциалы могут вызвать электрические разряды, которые в свою очередь могут повлечь за собой воспламенения и взрывы.
