книги из ГПНТБ / Чепель В.М. Сжигание газов в топках котлов и печей и обслуживание газового хозяйства предприятий

20 Глава I

температура газа при этом останется без изменения. И, наобо­ рот, если, например, сжатому газу, находящемуся при давле­ нии в 10 атм, дать свободно расшириться, увеличив объем его в 10 раз, давление газа уменьшится в 10 раз. Свойство газов сжиматься под действием давления используется для транспор­ тирования их по газопроводам. Так, например, в дальние маги­ стральные газопроводы горючие газы подаются под давлением до 60 атм, т. е. сжатые при помощи газовых насосов-компрес­ соров в 60 раз. Стремясь расшириться, сжатый газ двигается по газопроводу и- проходит расстояния в сотни километров, посте­ пенно теряя свое давление и увеличивая свой объем. При созда­ нии запасов горючих газов хранение их осуществляют, умень­ шая объем сжатием до 7 атм и более.

Выше было сказано, что газы способны сильно расширяться при нагревании. Эта зависимость объема газов от их температуры

п р и н а г р е в а н и и е г о н а 1°С.

Таким образом, если 1 ж3 газа, взятого, например, при 0° С, нагреть на 1° С и дать ему свободно расширяться, он увеличит свой объем на V273 часть, а это значит, что при нагревании на 273° С объем газа увеличится против объема при 0° С уже в два раза, т. е. станет 2 ж3, при нагревании еще на 273° С, т. е. всего на 546° С, объем газа возрастет уже в 3 раза против объема при 0° С, т. е. станет 3 ж3, и так далее.

С каждым повышением температуры газа на 273° С он будет увеличивать свой объем на единицу. Если же нагреть газ, находя­ щийся в закрытом сосуде, то он, стремясь расшириться, повысит свое давление на стенки ыа 1 атм при нагревании его на каждые 273° С. Например, разрушения, которые получаются при взрывах горючих газов в дымоходах котлов и печей или газопроводах, есть результат резкого повышения давления продуктов сгорания газов на их стенки вследствие расширения газов от нагревания до высокой температуры в момент взрыва.

По этой же причине следует предохранять от нагревания сосуды, находящиеся под давлением газов. Например, баллоны

скислородом, ацетиленом или другими газами должны храниться

впрохладном месте, при перевозках в летнее время укрываться

брезентом и т. д.

Из изложенного выше о некоторых свойствах газов следует сделать вывод, что состояние любого газа всегда определяется его давлением, объемом и температурой. Если изменить давление газа или его температуру, то и объем его должен измениться. Если изменяется объем газа, не могут не измениться его давление и температура.

природе, можно разложить на более простые. Например, обыч­ ную воду при помощи электрического тока можно разложить на два газа — водород и кислород. Однако разложить водород и кислород или получить из них какие-либо другие вещества нельзя. Следовательно, вода является сложным веществом, а во­ дород и кислород, из которых она состоит, — простые вещества. Простые вещества в химии называются элементами. В настоящее

вал их в свою знаменитую таблицу. При этом он предсказал открытие ряда новых элементов и их свойств, хотя в то время они не были известны. Последующие открытия подтвердили гениаль­ ное предвидение Д. И. Менделеева.

Каждый элемент имеет свой вес и свойства, отличные от дру­ гих элементов. При изучении свойств веществ было установлено, что молекулы любого вещества состоят из еще более мелких ча­ стиц, называемых а т о м а м и . Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов этого вещества. Молекулы слож­ ных веществ состоят из атомов тех элементов, которые при хими­ ческом соединении образовали это сложное вещество. Так, напри­ мер, каждая молекула водорода состоит из двух атомов водорода, а молекула сложного вещества — воды — из двух атомов водо­ рода и одного атома кислорода.

Молекула углекислого газа (продукта сгорания топлива) состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода. При недостатке воздуха, а следовательно, и при недостатке кисло­ рода образуется продукт неполного сгорания углерода — окись

из двух атомов водорода, одного атома серы и четырех атомов кислорода.

При химических соединениях различныхпростых веществ их атомы соединяются между собой и образуют молекулы слож­ ного вещества, обладающего совершенно новыми свойствами, отличными от свойств веществ, из которых получено данное сложное вещество. Так, например, водород является горючим газом, а кислород — газом, поддерживающим горение. При их соединении образуется вода, которая не горит, горение не под­ держивает и является жидким веществом.

При разложении сложного вещества его молекулы, состоящие из различных атомов, распадаются на более простые молекулы, состоящие из атомов одного или нескольких элементов. При этом

22 Глава I

сложные вещества разлагаются на более простые, имеющие свои собственные новые свойства. Так, например, обычную соль, называемую в химии хлористым натрием, которую мы ежедневно употребляем в пищу, можно при помощи электрического тока разложить на два элемента: ядовитый газ хлор и металл натрий. Последний можно сохранить лишь в керосине, так как иа воздухе

с кислородом воздуха, образует новые вещества, являющиеся продуктами сгорания. В основном при горении горючих газов происходит соединение углеводородов с кислородом, причем образуются новые вещества — углекислый газ и водяные пары.

Химическое соединение простых веществ между собой всегда происходит в строго определенных объемных п весовых отноше­ ниях.

Так, при образовании воды каждые два атома водорода могут соединиться только с одним атомом кислорода, образуя одну молекулу воды.

Таким образом, каждое вещество имеет вполне определенный постоянный химический состав. Прп этом вес полученной воды будет всегда равен весу водорода и кислорода, пошедших на ее образование. То же будет и прп сгорании топлива. Например, для сжигания 1 нм3 природного газа весом в 0,8 кг требуется примерно 9 нм3 воздуха, который весит 11,6 кг. Следовательно, продукты сгорания, или топочные газы, будут иметь вес, равный

щ е с т в , п о л у ч е н н ы х в р е з у л ь т а т е э т о г о с о е ­ д и н е н и я .

Этот закон носит название закона сохранения веществ. Он был открыт еще в 1760 г. великим русским ученым М. В. Ломо­ носовым.

Для облегчения записи химических превращений, происхо­ дящих с веществами, в химии приняты международные обозна­ чения атомов простых веществ латинскими буквами — первыми буквами их латинского названия.

Так, например, водород обозначается буквой «Н» (произно­ сится «аш»), кислород — буквой «О» (произносится «о»), моле­ кула воды — НгО («аш два о»).

Молекула одного из основных газов, входящих в состав газо­ образного топлива, метана — СШ («це аш четыре»).

Основной элемент, входящий в состав метана и некоторых других горючих газов, углерод — обозначается буквой С. Моле­ кула углекислого газа — СО2 («це о два»).

При неполном' горении и недостатке кислорода образуется окись углерода — СО («це о»).

Зная, какой буквой обозначается тот или иной элемент, можно по начертанию формулы определить, например, что в состав молекулы воды входят два атома водорода и один атом кислорода,

ав состав молекулы углекислого газа входят один атом углерода

идва атома кислорода.

Глава II

ГОРЮЧИЕ ГАЗЫ И ИХ СВОЙСТВА Естественные горючие газы

Все горючие газы, употребляемые как топливо в топках кот­ лов и печей, а также и в бытовых газовых приборах, по своему происхождению разделяются на е с т е с т в е н н ы е и и с к у с ­

ст в е н н ы е .

Кестественным газам относятся природные газы', добываемые из недр земли, а к искусственным относятся газы, получаемые на газовых заводах из твердого и жидкого топлива.

По данным науки, природные газы и нефть образовались в результате разложения органических веществ (остатков расти­ тельного и животного миров), погребенных в осадочных пористых породах, какими являются песчаники и известняки. В современ­ ном представлении о происхождении нефти и природных газов в природе большая роль отводится биохимическим процессам, особенно в первой стадии разложения органического вещества.

Скопления природных газов образуются обычно в верхних частях различных пустот, имеющихся в земной коре, в складках горных пород, над слоем нефти, из которой газ выделяется

(рис. 4).

Имеются и так называемые чисто газовые месторождения природных газов, где газ добывается без признаков нефти.

Образование таких месторождений связано, очевидно, со спо­ собностью газов, имеющих большую подвижность, перемещаться в пористых породах земной коры на значительное расстояние от истинного места своего образования. Разведка газовых место­ рождений и добыча природного газа производятся путем бурения скважин на глубину залегания газоносного слоя.

Давление газа в скважинах, из которых он стремится вы­ рваться на земную поверхность, зависит от глубин скважин и достигает десятков и сотен атмосфер. В начале действия сква­

носного слоя, давление в скважинах понижается.

Природный газ может быть получен попутно с нефтью, в кото­ рой он бывает растворен в количестве от 10 до 50% от веса добы­ ваемой нефти. В этом случае выделение газа из нефти и его ула­ вливание производится при снижении давления выходящей изскважины нефти в специальных металлических резервуарах — сепараторах или траппах, в которые нефть поступает из сква­ жины. Полученный таким образом газ называется «попутным»-

исернистые газы, в которых сернистые соединения достигают 1 %

иболее. Так, например, Бугурусланский природный газ имеет

содержаиие сероводорода 1 %, а Ишимбаевский попутный — до 5%. В большинстве остальных месторождений природные газы не содержат сернистых соединений или содержат их «следы».

При транспортировании природных газов на дальние расстоя­ ния по магистральным газопроводам газы должны быть очищены от сероводорода, углекислоты, влаги и песка, увлеченных ими из скважин, о чем подробнее см. в разделе «Очистка горючих газов».

Природные газы газоконденсатных месторождений и попут­ ные газы, содержащие в себе ценные примеси — сжиженные газы и бензин, освобождаются от них или на специальных газобензиновых заводах, входящих в число головных сооружений

26 Глава II

газопромыслов, или путем, «вымораживания» их, т. е. охлажде­ ния газа и снижения его давления с высокого, даваемого сква­ жиной (200—250 ати) до 85—100 ати, в процессе которого тем­ пература газа может быть снижена с +30 до —20° С. При этом из газа удаляется и влага.

После очистки газов они направляются в магистральный газопровод для следования к месту потребления, при этом если их давление превышает 55—6.0 ати, поддерживаемое в дальних магистральных газопроводах, его понижают до указанного давле­ ния, а если давление будет ниже, его повышают при помощи головной компрессорной станции промысла.

На трассе газопровода через 120—160 км устанавливаются промежуточные компрессорные станции, повышающие давление транспортируемого газа, падение которого обычно не допускается ниже 25—30 ати. Компрессорные станции газопроводов обору­ дуются газомоторнымп поршневыми компрессорами или газо­ турбинными приводами компрессоров, которые экономичнее газо­ моторных компрессоров на 20—25 %..

Природный газ по количеству выделяемого им при сгорании тепла относится к высококалорийным газам.

В СССР в настоящее время насчитывается до 170 мест добычи природного газа: в районах Поволжья, Украины, Краснодар­ ского края, Северного Кавказа, Закавказья, Средней Азии, Урала, Сибири, Якутии, Башкирской АССР, Коми АССР и др.

Наиболее крупными запасами природного горючего газа рас­ полагают СССР, США и Румыния. Значительные месторождения

Искусственные горючие газы

Искусственные газы получаются из твердого и жидкого то­ плива. Распространенным способом получения искусственных го­ рючих газов является способ «сухой перегонки» жирных каменных углей. Способ «сухой перегонки» заключается в нагревании из­ мельченного угля без доступа воздуха до температуры 900— 1100° в специальных печах. При этом процессе горючие летучие вещества, имеющиеся в топливе, выделяются из него, образуя собой горючий газ, отсасываемый из камер печи специальным вентилятором — эксгаустером, а кусочки твердого углерода спла­ вляются вместе, образуя основной продукт сухой перегонки — кокс. Кокс является необходимым топливом для металлургиче­ ских печей. Газ, полученный таким способом, называется коксо­ вым газом. Из одной тонны каменного угля можно получить коксового газа 300—350 м 3.

Коксовые пета представляют собой ряд узких камер, сделан­ ных из огнеупорного кирпича (шамотного, дииаса), заполняемых топливом и плотно закрытых. В простенках между камерами сжигается отопительный газ, чем достигается необходимый на­ грев топлива и разложение его на газ и кокс. Периодически, через 13—14 час., в течение которых происходит процесс выделе­ ния из топлива летучих горючих газов, из камер производится удаление кокса и они вновь заполняются свежим топливом.

Подобным же образом горючие газы могут быть получены и из других видов твердого топлива и, в частности, из сланцев. Сланец является низкосортным многозольным топливом (содер­ жание золы до 65%), сжигание которого связано со значитель­ ными трудностями. Однако если подвергнуть сланец «сухой перегонке» при температуре 1000—1100°, то около 75% его орга­ нической массы способно перейти в горючий газ, в то время как в каменных углях переходит в газ ие более 30%. Из одной тонны сланца можно получить 350—400 м 3 горючих газов.

В сланцевых печах (вертикальных) процесс получения газа идет непрерывно, благодаря тому, что образующийся кокс спу­ скается вниз камер, где и выпускается наружу по мере наполне­ ния. Сверху же камер также непрерывно идет загрузка их топли­ вом. Все эти процессы механизированы. Газообразное топливо из камер печей направляется в различные устройства, в которых газ охлаждается, очищается от вредных примесей и осушается. Затем газ подвергается сжатию при помощи газовых насосов — компрессоров — до определенного давления, с которым поступает в магистральный газопровод для следования к месту потребления или поступает в газгольдеры (газохранилища), из которых уже затем расходуется по назначению. Подробнее о вредных приме­ сях газов и их очистке будет сказано ниже, после ознакомления читателя с составом горючих газов и их свойствами. Получение газа методом «сухой перегонки» может производиться и при тем­ пературе в 500—550° С. В этом случае выход газа будет незна­ чителен — в пределах 25—100 м 3 с 1 т угля, а основным продук­ том перегонки будут смолы, идущие на выработку моторных то­ плив, и полукокс.

Сланцевым газом, вырабатываемым на газосланцевых за­ водах в Эстонской ССР и Ленинградской области, снабжаются гг. Ленинград, Сланцы, Кохтла-Ярве, Таллин. По мере поступле­ ния природного газа в г. Ленинград, с 1959—1965 гг. сланцевый газ будет направляться в Эстонскую ССР.

Газообразное топливо может быть получено также путем «безостаточной» газификации твердого топлива, т. е. путем пре­ вращения в газ его горючей части, летучей и твердой. Процесс безостаточной газификации топлива производится в установках, называемых газогенераторами, а получаемый в них газ называется

тонн топлива в сутки. Малые газогенераторы, устанавливаемые на автомашинах, тракторах, работающих в лесных районах, топливом для которых обычно служат древесные чурки, обеспе­ чивают работу их двигателей вместо бензина генераторным газом.

Если при сухой перегонке топлива в коксовых печах оно на­ гревалось теплом отопительного газа, то в газогенераторах на­ гревание загружаемого в него топлива и разложение его на ле­ тучие газы и кокс происходит за счет тепла, получаемого от сго­ рания кокса самого топлива.

Горенне кокса толстым слоем происходит в нижней части газо­ генератора при недостатке воздуха, в результате чего одним из основных продуктов его сгорания получается тоже горючий газ — окись углерода.

Горючие газы отсасываются в верхней части газогенератора и направляются на очистку. По мере сгорания кокса и оседания слоя топлива газогенератор периодически загружается сверху свежим топливом.

Процесс получения горючих газов в газогенераторах произ­ водится различно с применением не только воздушного дутья» но и с добавлением к нему водяного пара, кислорода и их смесей; в результате генераторные газы могут быть получены различного состава и качества и разделяются на «воздушный» и «паровоздуш­ ный», «водяной», «парокислородный» и другие генераторные газы. Полученные таким образом генераторные газы подвергаются очистке, так же как и коксовый газ.

Вследствие того, что большинство генераторных газов способно давать сравнительно немного тепла и содержит в себе значительное количество негорючих и ядовитых газов, они в чистом виде в го­ родские газовые сети не подаются, а только добавляются к другим

Генераторные газы могут быть получены и методом подзем­

Подземная газификация заключается в превращении залежей каменных углей в горючий газ непосредственно под землей путем; сжигания части угля, для чего по одной скважине к огневому штреку в пласте угля нагнетается воздух, иногда обогащаемый кислородом, а по другому каналу отбирается газ, как указанона рис. 5. Развитие подземной газификации углей даст возмож­