Курсовая_1 / Chabannyi_Pal_mast_Mater_kn1

Газоподібне паливо

Газоподібне паливо, як і інші палива, поділяють на природне, яке використовується в тому вигляді, в якому воно знаходиться в надрах землі (природний газ газових родовищ і супутній) і штучне – гази, які одержують як побічний продукт при переробці нафти і твердого палива або спеціально за допомогою газогенераторів (доменний, коксовий, генераторний).

Залежно від фізичних властивостей гази можуть бути зріджені і стиснуті. Зріджені – це гази з відносно високою критичною температурою, при підвищенні тиску до 1,0...1,5 МПа переходять у рідкий стан. Це в основному пропан-бутанові вуглеводні.

Критична температура – найбільша температура, при якій можливе існування рідини в стані рівноваги з паром. Зрідження газу можливе тільки при його охолодженні нижче температури критичної.

Стиснуті – це гази з низькою критичною температурою, які залишаються в газоподібному стані при нормальній температурі навіть при дуже високому тиску (до 20 МПа). До них належать метан, окис вуглецю, водень, етилен.

Залежно від теплоти згоряння газоподібне паливо поділяють на три групи:

–низькокалорійні, з теплотою згоряння до 10000 кДж/м3, до яких відносять доменний, генераторний та інші гази.

–висококалорійні, з теплотою згоряння понад 23030 кДж/м3, до яких відносять природні гази, які отримують із свердловин разом з нафтою та при її переробці;

–середньокалорійні з теплотою згоряння 10000... 23030 кДж/м3, до яких відносять коксовий, світильний на інші гази;

Горючі гази можуть бути поділені на дві групи:

–гази з низькою критичною температурою, які не переходять в рідкий стан при нормальній температурі під дією високого тиску;

–гази з відносно високою критичною температурою, які не переходять в рідкий стан навіть під дією високого тиску.

В ДВЗ використовують стиснений, зріджений і генера-

151

І.М. Осипов

торні гази. В сільськогосподарському виробництві для технологічних і побутових цілей найбільш широко використовують природний газ.

5.2.Характеристика і асортимент газоподібного палива

Зусіх видів газоподібного палива найпоширеніші природні гази, які поділяють на дві групи: гази газових родовищ

ісупутні, які добуваються разом з нафтою.

Природні гази чисто газових середовищ за складом і те-

пловою цінністю відрізняються між собою незначно (табл. 1.22). Головною їх складовою є метан – СН4.

Таблиця 1.22

Склад природних газів газових родовищ, % за об’ємом

Для природного газу, який надходить по трубопроводу, нормується тільки вміст шкідливих домішок: сірководню, аміаку, смол, пилу, вологи тощо. За сортами і марками їх не поділяють. Природний газ має низьку критичну температуру (-161 0С при атмосферному тиску і – 82 0С при тиску 4,6 МПа). Тому навіть при високому тиску він знаходиться в газопо-

152

Газоподібне паливо

дібному стані і його називають стиснутим. До таких газів відносять і деякі штучні. Характеристика стиснутих газів, що поставляються споживачам, наведена в таблиці 1.23.

Таблиця 1.23

Характеристика стиснутих газів

Супутній нафтопромисловий газ, крім метану містить більш важкі газоподібні вуглеводні, кількість яких залежить від складу нафти того чи іншого родовища. В багатьох випадках газовий фактор (кількість газу м3 на одну тону нафти) дуже високий (50...100 м3). Вуглеводні з числом атомів вуглецю 1...4, що входять у склад нафти, при нормальних умовах, перебувають у газоподібному стані, їх уловлюють при добуванні нафти. Теплота згоряння супутнього нафтопромислового газу вище, ніж газів газових родовищ, але його використовують головним чином як сировину для хімічної і нафтохімічної промисловості.

153

І.М. Осипов

Зріджений газ широко використовують для газозабезпечення сільської місцевості і районів, що не підключені до газової мережі, а також як паливо в котельно-побутових і невеликих теплоустановках (у теплицях, на тваринницьких комплексах тощо). Зріджений газ – це газоподібні вуглеводні які легко конденсуються при стисканні.

Основним компонентом зрідженого газу є пропан – важкий газ (густина по відношенню до повітря 1,52). Він створює оптимальну величину тиску насиченої пари, що особливо важливо для зниження маси газових балонів транспортних установок.

Етан – газ, що за густиною близький до повітря. Одержують його з супутніх нафтових газів, входить до складу зріджених газів у незначній кількості, але підвищує загальний тиск насиченої пари і тим самим забезпечує в зимовий період надлишковий тиск, який необхіднийдлянормальноїроботигазобалоннихустановок.

Бутан має два ізомери (густина за повітрям в межах 2,06...2,09). Його одержують з тих же нафтопромислових газів, що і пропан. Він являється найбільш висококалорійним компонентом зріджених газів. При температурі – 0,5 0С і нормальному атмосферному тиску бутан переходить у рідкий стан, що не дозволяє його використовувати в зимовий період для комунально-побутових потреб.

Пентан – важкий газ (густина за повітрям 2,67). У більшості випадків знаходиться в рідкому залишку і при t = 20 0С не повинен перевищувати 1,0...2,0% об’єму зрідженого газу, тому, що він різко знижуєпружністьпарівіпідвищуєточкуроси.

Зрідженні гази відповідно до ГОСТ 20448-80 (табл. 1.24) випускає промисловість таких марок СПБТЗ – суміш пропану і бутану технічна зимова; СПБТЛ – суміш пропану і бутану технічна літня; БТ – бутан технічний.

154

Газоподібне паливо

Таблиця 1.24

Характеристика зріджених газів

Поділ зріджених газів на зимові і літні прийнято у зв’язку із зменшенням пружності пари зріджених газів при низьких температурах. Тому для підтримки необхідного тиску в системах газозабезпечення в складі зимової газової суміші повинно бути більше пропану. Зріджений газ надходить до споживачів у цистернах або тонкостінних балонах під тиском 1,6 МПа.

Штучне газоподібне паливо можна одержати шляхом газифікації твердого палива або його сухою перегонкою. За

155

І.М. Осипов

допомогою газифікації і сухої перегонки твердих палив одержують: генераторний газ, змішаний, водяний, напівкоксовий, коксовий, світильний та інші гази.

5.3. Застосування газоподібного палива у ДВЗ

Газ у вигляді палива використовують головним чином для автомобільних двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ) у стиснутому або розрідженому виді. Для газобалонних автомобілів використовують тільки високо – і середньо калорійні гази в стиснутому або рідкому стані, оскільки тільки вони забезпечують досягнення необхідних техніко-економічних показників автомобіля.

Використання газоподібного палива для ДВЗ має переваги

впорівнянні з рідкими паливами:

-зменшується токсичність відпрацьованих газів, що при сучасній концентрації автомобілів суттєво оздоровлює навколишнє середовище;

-збільшується в середньому на 35...45% моторесурс двигуна і в 2...3 рази строк роботи моторного масла, оскільки газоповітряна суміш не змиває масляної плівки із дзеркал циліндрів;

-висока детонаційна стійкість газоподібного палива дозволяє підвищити ступінь стиску двигуна та відповідно його потужність до 15% і паливну економічність до 12%;

-поліпшуються розподіл паливної суміші між циліндрами двигуна і сумішоутворення, що також впливає на підвищення потужності двигуна.

Зауважимо також легкість перебудови карбюраторного двигуна для роботи на газі.

Проте ці переваги не завжди повністю реалізуються внаслідок зменшення наповнення циліндрів, оскільки для роботи на газ переводять карбюраторні двигуни, рідше дизелі, а не використовують спеціальні газові двигуни. Крім того переведення двигунів для роботи на газоподібному паливі пов’язано з рядом факторів:

-ціна автомобіля зростає із-за наявності додаткової газової апаратури;

156

Газоподібне паливо

-металоємність газобалонних автомобілів збільшується на 65...160 кг, а при використанні стиснутого газу – на 400...950 кг, залежно від кількості і маси балонів високого тиску, що призводить до зниження вантажопідйомності на 14...18%;

-трудомісткість технічного обслуговування і ремонту газобалонних автомобілів при використанні зрідженого газу збільшується на 3...5%, а при використанні стиснутого – на

12...15%;

-при використанні стиснутого газу пробіг автомобіля на одній заправці скорочується на 40...45%.

Стиснуті гази для газобалонних автомобілів стандартизовані зі наступними видами: природний, коксовий, збагачений.

Втаблиці 1.23 наведені основні показники цих газів.

Головним пальним компонентом газів є метан СН4. У природному газі вміст метану складає 90...98%, у коксовому металізованому – не менше 65%, у коксовому збагаченому – не менше 50%.

У газоподібному паливі, як і у рідкому, небажано присутності сірководню Н2S, який викликає корозійний знос газової апаратури та деталей двигуна. Дуже негативно впливає присутність в газі сполучення CN, яке у з’єднанні з водою утворює синильну кислоту, у результаті чого на стінках балонів виникають малі міжкристалічні щілини, які приводять до їх руйнування. Як і для рідкого палива, небажано присутності у газі смолянистих сполук, механічних домішок, вологи. В загалі на автомобілі ставлять циліндричні балони, розраховані на робочий тиск 20 МПа. У одному такому балоні об’ємом 50л (по воді) утримується 10 м3 газу при нормальних умовах.

Переведення стандартних карбюраторних двигунів на газоподібне паливо супроводжується деяким зниженням їх потужності. Це відображають швидкісні характеристики двигунів автомобілів ГАЗ–53А та ЗИЛ–130, показані на рисунку 1.39.

Зменшення потужності пов’язано зі зменшенням температури згоряння газоповітряної суміші у порівнянні з бензиновою, а також із зниженням коефіцієнту наповнення горючої суміші циліндрів двигуна. Однак збільшення ступеня стиску газових

157

І.М. Осипов

двигунів практично вирівнює експлуатаційні властивості автомобілів, працюючих на бензині та газі.

Зріджений природний газ. Основними компонентами цього виду палива є метан (90...97%) і азот (3...4%). Його застосування як моторного палива дає можливість використати великий енергетичний потенціал газових родовищ. Разом з тим зрідження метану, який має температуру кипіння нижче –160 0С, пов’язане з відповідними труднощами. Крім того для його зберігання і транспортування необхідна спеціальна термостатична тара з вакуумом або іншою надійною термоізоляцією. При заправці рідким метаном може виникнути забруднення навколишнього середовища: при зрідженні різко збільшується його вартість; втрати метану від випаровування, навіть в умовах вакуумної ізоляції складають 7,0...8,0% на добу, причому це не тільки втрати палива, але і різке збільшення ризику пожежі і вибуху. В той же час об’єм рідкого метану в 3 рази менший, ніж об’єм стиснутого при 20 МПа газу, а маса термостатичних балонів у 8 разів менша маси балонів стиснутого газу. Номінальний тиск в кріогенному балоні, залежно від конструкції, становить 0,07...0,7 МПа.

Рис. 1.39. Зміна потужності Nе та крутного моменту Мк двигунів автомобілів ЗИЛ-130 (криві 1) та ГАЗ-53А (криві 2) в залежності від числа обертів колінчастого валу двигуна при роботі на бензині (суцільні лінії) та на стиснутому газі (штрихові лінії)

158

Газоподібне паливо

Фізико-хімічні властивості зрідженого природного газу приведена в таблиці 1.25.

Таблиця 1.25

Фізико-хімічні властивості зрідженого природного газу

Зріджене газоподібне паливо – це пропан-бутанові суміші газів, які мають теплоту згоряння біля 46,0 мДж/м3. Зріджені гази можна транспортувати в звичайних і автомобільних цистернах. Для заправки ними автомобілів використовують прості і дешеві газонаповнювальні і пересувні установки.

Зріджений пропан-бутановий газ має максимальний тиск 1,6 МПа, для його зберігання і транспортування на борту автомобіля використовують балони місткістю до 250 дм3. Балони заповнюють зрідженим газом не більше 90% об’єму (враховується можливе теплове розширення газу). Решту (10%) займає газоподібна фаза, яка використовується для пуску холодного двигуна.

Відповідно до ГОСТ 27578-87 “Гази вуглеводні зріджені для автомобільного транспорту” зріджені гази випускають двох марок: ПА – пропан автомобільний, рекомендується використовувати при температурі до мінус 20...35 0С; ПБА – пропан-бутан автомобільний, рекомендується використовувати при температурі до мінус 20 0С. Фізико-хімічні показники цих газів приведені в таблиці 1.26.

159

І.М. Осипов

Таблиця 1.26

Фізико-хімічні показники зріджених газів

5.4. Суть процесу газифікації. Використання генераторного газу

Газифікація – високотемпературний процес взаємодії вуглецю палива з окислювачами, який проводиться з метою одержання горючих газів Н2, СО, СН4. Окислювачами, які іноді називають газифікуючими агентами, можуть бути кисень (або збагачене ним повітря), водяні пари, діоксид вуглецю або суміш указаних речовин. Залежно від співвідношення вихідних реагентів, температури, тривалості реакцій та інших факторів можна одержати газові суміші самого різного складу.

Газифікація відбувається в газогенераторах, шляхом пропускання повітря через розжарений шар твердого палива, яке знаходиться в газогенераторі. Розрізняють три процеси газифікації: прямий, обернений і горизонтальний. Схематично весь

160