книги из ГПНТБ / Итинская, Н. И. Топливо, смазочные материалы и технические жидкости учеб. пособие

Глава V

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ГАЗООБРАЗНЫХ ТОПЛИВАХ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

§ 1. Тепловая ценность газообразных топлив

Все газообразные топлива делят на два вида — есте­ ственные и искусственные. В состав горючей части входят горючие газы — окись углерода (СО), водород (Н2), ме­ тан (СН4), пропан (С,Н8), бутан (С4Н 10) и др. Газообразные углеводороды с числом углеродных атомов больше еди­ ницы (тяжелее метана), но меньше пяти (пентан — жид­ кость) принято обозначать общей формулой С„Нт и на­ зывать тяжелыми углеводородами. В состав тяжелых углеводородов могут входить как насыщенные парафи­ новые газообразные углеводороды (этан, пропан), так и ненасыщенные непредельные углеводороды (пропен, бутен и др.). Балластом газообразного топлива являются негорючие газы: пары воды (Н20), азот (N2), углекислый газ (СОг), кислород (О.), сернистый газ (S02) и др.

Тепловая ценность горючих составляющих газооб­ разных топлив разная, что видно из реакции сгорания:

СО 0 2 —>• С02+68 200 ккал (285 623 кДж),

т. е. 1 кмоль СО вступает в реакцию с Ог кмоля 0 2, об­ разуя 1 кмоль С02 и выделяя указанное количество тепла.

1 кмоль любого газа при нормальных условиях (0° и давление 760 мм рт. ст.) занимает объем 22,4 м3. Следова­ тельно, при сгорании 1 м3 СО выделится тепла:

= 3045 ккал/м3, или 12 751,05 кДж/м3.

На сгорание 1 кмоля водорода также требуется V2 кмо­ ля кислорода и при этой реакции выделяется тепло:

Н 2+ -|-02-^-Н20Н-57 810 ккал, или 242 039,15 кДж, а при

57 810

сгорании 1 м3 водорода выделяется ^ - =2580 ккал/м3,

или 10 805,32 кДж/м3.

160

На сгорание 1 нмоля метана требуется 2 кмоля кисло­ рода и выделяется очень большое количество тепла!

СН4+ 2 0 2-*-С02+ Н 2О+190 320 ккал, или 796 831,776 кДж,

Для сжигания более тяжелых газообразных углево­ дородов требуется еще большее количество кислорода. Для расчета примем этилен С2Н4, реакция сгорания кото­ рого будет С2Н4 + 302-^С02+ 2 Н 20+310 328 ккал, или

1 309 281,27 кДж, а при сгорании 1 м3 С2Н4 выделяется

большее количество тепла, чем при сгорании окиси угле­ рода и водорода.

Если известен состав газообразного топлива, то его теплоту сгорания можно подсчитать по следующим фор­ мулам:

Q llk газ = 30,4 (СО+ Н2) + 95,05СН4 + 152,4С„Нгоккал/м»;

(32) <?££■ газ = 30,400 + 25,8Н2 + 85СН4 + 143С„НМккал/м3 (33

или

QCVX. газ = 127.51СО + 108,05Н2 + 355,73СН4 +

В приведенных формулах (32, 33, 34) состав газа нужно брать в объемных процентах при 0° и 760 мм рт. ст.

Если в газообразном топливе содержатся пары воды, то количество выделяемого тепла на влажное топливо пересчитывают по формуле:

относятся воздушный генераторный, смешанный, домен­ ный, рудничный газы, к среднекалорийным (2500—

чается его расход, затем поступает в газгольдер 5 (вырав­ нивается пульсация газа) и далее иа сжигание в газовую горелку 7 (во время проведения опыта горелку закреп­ ляют выше, внутри камеры калориметра). Тепло, полу­ ченное от сгорания газа, через стенки камеры сгорания передается воде, проходящей через калориметр. Поря­ док проведения опыта тот же, что и при определении теплоты сгорания бензина.

Прежде чем подсчитывать теплоту сгорания, нужно количество израсходованного за опыт газа привести к нор­ мальным условиям, т. е. к 0° и давлению 760 мм рт. ст.:

V = -----—? 2- 3-____ мз

водорода топлива и собранного за опыт (qr), нужно пере­ считать на расход газа, приведенный к нормальным ус­

температуры отходящих газов от комнатной (как и для

где А — масса воды, прошедшей через калориметр за время опыта, кг;

^гор — средняя (за опыт) температура горячей воды, град;

^хол — средняя (за опыт) температура холодной воды, град;

F0 — расход газа за опыт, приведенный к нормаль­

§ 2. Количество воздуха, необходимое

для сгорания газообразного топлива

При подсчете теоретически необходимого количества воздуха для сгорания 1 м3 газообразного топлива прини­ маем, что в состав газа входят окись углерода (СО), водо­ род (Н2), метан (СН4), тяжелые углеводороды (СлНт) и кислород (02). Все компоненты даны в объемных про­

центах. Из реакции сгорания С О + у 0 2^ С 0 2 видно,

что для сжигания 1 объема (моля) СО требуется 0,5 объема (моля) 0 2, такое же количество кислорода нужно и для сгорания 1 объема Н 2. Для полного сгорания 1 объема СН4 или другого газообразного углеводорода с общей фор­

мулой CnHm необходимо п-f-^-объемов кислорода. Возь­

мем для примера бутан С8Н8 и напишем реакцию сгорания: C3H8- f 502—-+3C02-f-4H20. У бутана п —3, т = 8. Коли­

чество объемов (молей) кислорода будет З + А ^

4

Если в составе газообразного топлива содержится кис­ лород, то при горении он будет вступать в реакцию с го­ рючими компонентами газа, следовательно, кислорода из воздуха для горения требуется меньше. В оконча­ тельном виде формула для подсчета теоретически необ­

ходимого количества воздуха для сгорания газообразного топлива будет иметь вид:

ггаз 0>5(СО+Н2)+(Л-)-^ ) с„Ни- 0 2 ытеор--------------- ------- 21--------------------м3/м3, (40)

164

где СО, Н 2, С„Нт, 0 2 — состав газа, % по объему; 21 — содержание кислорода в воздухе, % по объему.

Обычно достичь полного сгорания газообразного топ­ лива с расчетным количеством воздуха трудно, требуется небольшой его избыток. Примерные значения а (коэффи­ циента избытка воздуха) 1,03—1,08. Если происходит полное сгорание газа с расчетным количеством воздуха, то говорят, что сгорает нормальная горючая смесь

§3. Естественное газообразное топливо

Кестественным видам газообразных топлив относятся нефтяные газы — легкие газообразные углеводороды, улавливаемые при добыче нефти, и природные газы чисто газовых месторождений. Природный газ — самое деше­ вое топливо, что делает его чрезвычайно перспективным для использования в различных отраслях народного хо­ зяйства. Природные газы относятся к высококалорийным топливам, развивающим при сгорании высокую темпера­ туру, так как сгорают с небольшим избытком воздуха. Легко осуществляется подача, дозировка, регулировка и перемешивание газа с воздухом. Газ сгорает полностью,

не дает смол и копоти, не оставляет зольных остатков и не образует коррозийно-активных сернистых соеди­

нений.

Хранение природного газа централизованно, что очень удобно для потребителей, так как не нужно иметь индиви­ дуальных специальных складских помещений. К горел­ кам потребителя газ поступает по газопроводам. Ис­ пользование газовых магистралей особенно удобно для районов, удаленных от месторождений жидких и твердых видов топлив.

Основной недостаток природных газов — их высокая взрывоопасность. Как при малых, так и при больших концентрациях газа в воздухе образуется взрывоопасная смесь (СН4, Н 2), примерно от 3—4 до 15—20% (по объему) смесь взрывоопасна. Небольшая плотность, легкая утеч­ ка через различные неплотности, отсутствие запаха требуют внимательного обращения и соблюдения правил технической и пожарной безопасности при пользовании газом.

165

Одним из средств снижения взрывоопасности является смешивание природных с некоторыми искусственными га­ зами (крекинговый, светильные), у которых меньше пре­ делы взрываемости, поэтому часто к потребителям по­ ступают смешанный — двойной или тройной газ. Природ­ ные газы не обладают ни цветом, ни запахом, их часто одоризуют (добавляют в небольшом количестве сильно пахучие газообразные вещества), что позволяет обнару­ жить скопление газа при его утечке.

Несмотря на то, что громадные месторождения газа в СССР имеются в различных районах, по составу природ­ ные газы довольно близки. Основным горючим компонен­ том является метан (около 90%), что и обусловливает вы­ сокую взрывоопасность. В отдельных месторождениях содержание метана снижается до 77 %, а в некоторых доходит до 98%. Обычно тяжелые углеводороды состав­ ляют отдельные проценты, а водород — доли процентов. Содержание негорючих компонентов (балласта) колеб­ лется от долей процента до 10—15% (по объему), в основ­ ном это азот и небольшие количества углекислого газа.

166

Средний состав и теплота сгорания природных газов

Природный газ с каждым годом занимает все больший удельный вес в топливном балансе страны. Открываются новые месторождения в Сибири, Якутии, на Сахалине, Украине, в Туркменской и Узбекской республиках. Строят новые магистральные газопроводы, расширяются сети газопроводов, разводящих газ к мелким коммунальным потребителям. Природный газ поступает не только в круп­ ные города и промышленные центры, но и к сельскохо­ зяйственным потребителям. Меняется география газовой индустрии. Так, если в 1958 г. на долю восточных районов страны приходилось около 1,0% общей добычи газа, то в настоящее время эти районы дают примерно половину всего добываемого газа.

§ 4. Сжиженные газы

Нефтяные газы, сопутствующие добыче нефти, в основ­ ном состоят из пропано-бутановых фракций, т. е. угле­ водородов, содержащих по 3 и 4 углеродных атома. Эти

мышленности. Углеводороды, содержащие С3 и С4, имеют высокие критические температуры. При обычных усло­ виях (20°, 760 мм рт. ст.) они находятся в газообразном состоянии, но при небольшом избыточном давлении (для пропана 12—14 кгс/см2, а бутана 5 кгс/см2) или при понижении температуры превращаются в жидкость.

Сжиженные газы удобно транспортировать в специ­ альных железнодорожных или автомобильных цистернах и баллонах, которые заполняют на газонаполнительных станциях под давлением 12—16 кгс/см2.

Сжиженные газы широко применяются (в теплицах, парниках, на животноводческих фермах и т. д.), особен­ но в тех районах, где еще нет магистральных трубопрово­ дов природного газа.

Все шире они используются и как топливо грузовых автомобилей. Перевод автомобиля с жидкого топлива на газообразное дает ряд преимуществ: легче осуществляется процесс смесеобразования, двигатели работают с пони­ женными значениями коэффициента избытка воздуха. Образующаяся газовоздушная смесь более однородна по

167

составу, что обеспечивает лучшую работу и более высокую приемистость двигателя. Полностью сгорает топливо, нет конденсата, а следовательно, и разжижения масла, в ре­ зультате снижается износ цилиндро-поршневой группы двигателя и уменьшается расход топлива. Конструкция системы питания проще, чем при использовании жидких топлив.

Все сорта сжиженных газов относятся к высококало­ рийному топливу (<2НИЗ=10 700—11 200 ккал/ кг). Теплота сгорания нормальной рабочей смеси (840—850 ккал/м3) несколько выше, чем у бензина, поэтому при переводе ав­ томобиля на сжиженный газ мощность его не снижается. Высокая детонационная стойкость сжиженных газов (ок­ тановые числа не ниже 80 единиц) позволяет использо­ вать их в двигателях с более высокими степенями сжатия, что значительно улучшает динамические качества авто­ мобиля.

В соответствии с требованиями ГОСТ 10196—62 вы­ пускается три марки сжиженных газов: пропан техниче­ ский, бутан технический и смесь технических пропана и

108

бутана. Пропан лучше применять зимой, а бутан — летом. Состав газов и некоторые их свойства приведены в таб­ лице 18.

На газонаполнительных станциях газы подвергают очистке от сероводорода для уменьшения коррозийного износа емкостей и деталей двигателя, а в холодное время года — и осушке от паров воды. При заполнении емко­ стей (баллонов) их заправляют не более чем на 90% объе­ ма, чтобы над жидкостью всегда оставалось пространство для скопления испаряющихся газов. Обычно баллон имеет два вентиля — вверху и внизу, запускается холод­ ный двигатель более легкими фракциями, находящимися в газовом пространстве, после прогрева двигателя его питание переводят на жидкость, которую отбирают из нижней части баллона.

§ 5. Искусственное газообразное топливо

Искусственные газы получают при переработке твер­ дых или жидких топлив. В зависимости от вида топлива и способов его переработки можно получать разные по калорийности и составу газы. Высококалорийные газы обычно получают как сопутствующие при некоторых спо­ собах термической переработки нефти (крекинговые газы). При сухой перегонке твердых топлив образуются газы средней калорийности, а при газификации твердого топ­ лива — низкокалорийные.

Сущность процесса газификации заключается в про­ пуске воздуха через раскаленные слои топлива (воздуш­ ный генераторный газ); паров воды и воздуха (смешанный газ) или только паров воды (водяной газ).

Состав и теплота сгорания газов, получаемых при раз­ личных процессах газификации, приведены в таблице 19.

Светильный газ получают при высокотемпературном разложении твердого топлива без доступа воздуха на специальных газовых заводах. Температура процесса за­ висит от вида топлива: для торфа и древесины около 550°, для ископаемых углей, сланцев около 1000°. Особенно выгодно подвергать разложению низкокалорийные, мало­ ценные сорта твердых топлив на месте их добычи (горю­ чие сланцы, бурые угли), а получаемый газ транспор­ тировать к потребителю по газопроводам.

Теплота сгорания светильного газа около 4000— 4500 ккал/м3. В его составе 52% водорода, 25—30% мета-

169