6 Формирование аналогов опорного знания мысленными образами

Аналогом технического использования твердого топлива является его сжигание для получения тепловой энергии.

Тепловым генератором теплоэлектростанции (ТЭС) является паровой котел с поверхностями нагрева для производства пара из непрерывно поступающей в него воды путем использования теплоты, выделяющейся при сжигании топлива. Питательная вода подогревается до температуры насыщения, испаряется, а выделившийся из кипящей (котловой) воды насыщенный пар перегревается дымовыми газами в газоходах котла.

При сжигании топлива образуются продукты сгорания, которые на поверхностях нагрева отдают теплоту воде и пару, называемой рабочим телом. После поверхностей нагрева продукты сгорания при относительно низкой температуре удаляются из котла через дымовую трубу в атмосферу. В результате горения твердого топлива остаются зола и шлак, которые также удаляются из котла.

При работе парогенератора часть тепла Q₁ расходуется на производство пара, а другая – теряется с уходящими газами, шлаком, передается в окружающую среду процессами теплообмена или вовсе не используется из-за химического и механического недожога топлива. При отсутствии достаточного количества окислителя при сжигании топлива (низкий коэффициент избытка воздуха) возникает оксид углерода, который является газообразным топливом.

Лекция 3 «Газообразное топливо и его переработка»

1 Формирование исходных знаний

Природные газы скапливаются в горных породах земной коры, образуя газоносные пласты. Такими поводами являются пористые структуры (песчаники, известняки и др.). Газоносные пласты сверху и снизу ограничены газонепроницаемыми породами [7].

Газообразные топлива – это смесь различных газов, как метан, этилен, и других углеводородов. Также в состав газообразного топлива входят оксид углерода, диоксид углерода или углекислого газа, азот, водород, сероводород, кислород и другие газы, а также водяные пары.

Газообразное топливо бывает природное и искусственное. Природный газ добывают из чисто газовых месторождений, попутный газ нефтяных месторождений, газ конденсатных месторождений, шахтный метан и т.д. При переработки первичного топлива получают искусственные газы, как доменный и коксовый газы следует рассматривать как горючие ВЭР.

2 Изучение нового материала

Для добычи газа проводят бурение скважин до газоносного пласта. При этом применяются те же способы бурения скважин, как и при добычи нефти.

Разделяют три типа добываемых природных газов:

-газы из чисто газовых месторождений без признаков нефти. Образование таких месторождении связано со способностью газов перемещаться в пористых породах на значительные расстояния от истинного месторождения; газы чисто газовых месторождений имеют постоянный состав с высоким содержанием метана СН₄ (до 99 %) и небольшим содержанием тяжелых углеводородов С_mН_n,

- попутный газ, извлекаемый из недр совместно с нефтью, в которой он бывает растворен. Добыча такого газа может составлять 10…50 % массы добываемой нефти, выделение газа из нефти и его улавливание возможно при снижении давления выходящей из скважины нефти в специальных металлических резервуарах – сепараторах или траппах попутные газы не отличаются значительные количества (более 20 %) других углеводородов;

-газ газоконденсатных месторождений содержит некоторые компоненты находящиеся в сжиженном состоянии(пропан С₃ Н₈, бутан С₄ Н₁₀, пентан С₅ Н₁₂, гексан С₆ Н₁₄ и т.д.).

Природные газы газоконденсатных месторождений и попутные газы, содержащие сжиженные газы, освобождаются от них на специальных газобензиновых заводах, входящих в число головных предприятии газопромыслов [7].

Природные газы на промыслах до направления их в магистральные газопроводы очищаются от токсичного газа - сероводорода Н₂S влаги и песка, увлекаемых газовым фонтаном из скважины [5].

Газообразное топливо обладает рядом преимуществ по сравнению с твердым и жидким топливом, которые обусловлены его свойствами. При сгорании газа можно довести до минимума потерю теплоты с уходящими в дымовую трубу продуктами горения; при сгорании газа не образуется зола, шлак, золопылеунос. Газ можно транспортировать самым дешевым видом транспорта — трубопроводом. Газообразное топливо находит широкое применение в промышленности, а также в качестве бытового топлива и топлива для автотранспорта.

Главными направлениями переработки природных газов являются пиролиз (на ацетилен, водород и газовую сажу), неполное окисление (до окиси углерода), хлорирование (с целью получения хлорсодержащих растворителей. Уделяется особенно большое внимание химической переработке природных газов [5]. 

Промышленный процесс переработки природного газа, заключающийся в отделении всех углеводородов, кроме метана. Процесс осушки газа имеет цель предотвратить выпадение конденсата в газопроводах или отделение бутана, пропана и этана, так как, будучи выделенные, они стоят дороже, чем другие составляющие газа. 

Промышленный процесс переработки природного газа, заключающийся в отделении фракций более или менее тяжелых, чем азот, который в нем содержится. Процесс состоит в получении коммерческого газа с более высокой калорийной способностью и исключении транспорта инертного газа. 

В процессе переработки природных газов на газобензиновых заводах промышленные хроматографы применяются для определения метана и этилена в легком углеводородном конденсате, определения примесей этана, бутана и изобутана в продуктовом пропане на выходе пропановой колонны [7]. 

Основным компонентом природного газа является метан СН4; кроме того, в газе разных месторождений содержатся небольшие количества азота N2, высших углеводородов СnНm , диоксида углерода СО2 . В процессе добычи природного газа его очищают от сернистых соединений, но часть их (в основном сероводород) может оставаться как балластный газ [8].

Искусственное газообразное топливо используется на промышлен-ных предприятиях, технология производства основной продукции которых связана с выработкой горючего газа (горючие ВЭР). Это в первую очередь металлургические и коксохимические заводы. Выход колошникового газа при доменном производстве чугуна составляет 235 кг условного топлива на 1 т чугуна. При суточном выпуске доменной печью 4000 т чугуна только одна такая печь может выдать около 6-6,5 млн. м³ газа [7] .

Другим источником искусственного газа являются коксовые печи. Коксовый газ, получаемый в таких печах, имеет большое значение в топливном балансе страны. При ежегодной выработке около 80-85 млн. т кокса получается более 25 млрд. м³ коксового газа. Искусственные газы используются в качестве топлива и сырья, полностью замещающих мазут и природный газ.

Наибольшая теплота сгорания доменного газа составляет 6900 кДж/м³ при выплавке ферромарганца с обогащением дутья кислородом; наименьшая около 3000 кДж/м³ при выплавке передельного чугуна.

Влажность доменного газа составляет 3–4 %. Газ такого состава покидает доменную печь с температурой 200–350 °С через газоотводы на колошнике доменной печи и называется колошниковый. Он проходит газоочистку и используется в качестве газообразного топлива.

Коксовый газ, получают одновременно с коксом в печах коксохимических заводов, при сухой перегонке каменного угля в пределах температур от 900 до 1200°С. Коксовый газ используют для отопления коксовых печей, высокотемпературных металлургических печей и для бытовых целей.

Примерный состав коксового газа (в % по объёму): Н₂ – 55-60, СН₄ – 20-30, СО – 5-7, СО₂ – 2-3, N₂ – 4, ненасыщенных углеводородов – 2-3, О₂ – 0,4-0,8). Выход коксовального газа зависят от состава и качества угля и режима коксования. В зависимости от этих факторов выход коксового газа колеблется в пределах от 300 до 330 нм³/т сухой шихты, или от 400 до. 450 нм³/т получаемого кокса [7].

Очищенный коксовый газ, называемый обратным, используется как топливо, а также в качестве сырья для синтеза аммиака.