4.4 Технология переработки и потребительские свойства газового топлива

4.4.1 Состав и свойства газового топлива

В топливном балансе страны газовое топливо занимает сущес­твенное место. С каждым годом его потребление возрастает не только в промышленности, но и во всех отраслях народного хозяй­ства. Газовое топливо используется как высококалорийное топли­во и сырье для получения синтетических каучуков, волокон, плас­тмасс, ацетилена, спиртов и т.д. Оно имеет ряд существенных пре­имуществ по сравнению с другими видами топлива: широко рас­пространено, дешево, имеются его большие запасы, легко осущес­твляется дозировка и регулировка с воздухом. Многие газы обла­дают высокой тепловой ценностью. При сгорании они развивают высокую температуру, полностью сгорают с небольшим коэффи­циентом избытка воздуха. Газовое топливо очень удобно в исполь­зовании: в помещениях сохраняется чистота, так как при его сгора­нии не выделяются копоть и смолы, не остается золы, а продукты сгорания почти не содержат веществ, вредных для окружающей живой природы. Хранение газового топлива централизовано, что удобно для потребления - не нужны индивидуальные складские помещения, специальные хранилища.

Основной недостаток многих видов газового топлива - их высокая взрывоопасность (природные газы, водород, метан). Легкая утечка горючих газов через мельчайшие неплотности тре­бует внимания и осторожности при использовании. Те газы, в сос­тав которых входит окись углерода (генераторный, доменный), сильно ядовиты. Сжиженные газы, попадая на кожу человека, вызывают обмораживание. Однако соблюдение правил техничес­кой и противопожарной безопасности, а также выполнение реко­мендуемых мер, делает эксплуатацию газовых установок надеж­ной и безопасной.

В состав горючей части газообразного топлива входят горючие газы: метан, пропан, бутан, окись углерода, водород и др. Бал­ластом газового топлива являются негорючие газы: пары воды, азот, углекислый газ, кислород и др.

Важнейшими характеристиками газового топлива являются: теплота сгорания; плотность; концентрированные пределы взрываемости топлив с воздухом.

По теплоте сгорания газовые топлива значительно отличают­ся друг от друга и делятся на три группы:

низкокалорийные газы (генераторный, доменный, смешан­ный и др.), выделяющие до 10 000 кДж/м³ (до 2500 ккал/ м³);

среднекалорийные газы (коксовый, водяной, светильный и др.), при их сгорании выделяется 10 000-20 000 кДж/м³ (2500-5000 ккал/ м³);

высококалорийные газы (природные и попутные газы, различные крекинговые и другие газы, получаемые при переработке нефти), выделяющие более 2000 кДж/м³ (более 5000 ккал/ м³).

Плотность газового топлива определяют как выбор размеров газохранения при заданном давлении в них и количества запасаемой энергии, так и возможность скопления газа в верхних и нижних частях помещений, колодцев при возникновении утечек газового топлива из газопроводов.

Концентрированные пределы взрываемости смесей газового топлива с воздухом характеризуют интервалы концентраций, в которых эти смеси способны взрываться при соприкосновении с открытым пламенем. В наиболее широких интервалах концентраций взрывоопасны смеси водорода, этилена и окиси углерода с воздухом.

Все газы топлива делят на два вида: естественные и искусственные.

К естественным газовым топливам относят природные газы чисто газовых месторождений, а также легкие газообразные углеводороды, улавливаемые при добыче нефти: попутные газы. Основными компонентами природного газа являются предельные углеводороды: метан (82-98%), этан (до 6%), пропан (до 5%), бутан (до 1%). В попутных газах метана содержится 40-85%, этана и пропана до 20% каждого.

К искусственному газовому топливу относят горючие газы, образующиеся при переработке жидких и твердых топлив путем газификации, пиролиза и крекинга. Искусственные горючие газы могут являться целевым или побочным продуктом переработки. Получают их или с целью замены низкосортного твердого, жидкого топлива получаемым высококачественным горючим газом или с целью сокращения выбросов в атмосферу вредных примесей соединений серы, так как провести очистку газа от соединений серы значительно проще, чем освободить от серы твердое и жидкое топливо.

Эффективность и особенности применения газовых топлив обуславливается составом и свойствами их углеводородной части.

В зависимости от физических свойств углеводородной части все газовые топлива условно делят на две группы: сжатые и сжиженные газы.

Сжатые газы- это горючие газы с низкой критической температурой (критическая температура- предельная температура равновесного сосуществования двух фаз (жидкости и ее пара), выше которой может существовать лишь одна), которые остаются в газообразном состоянии не только при нормальных условиях (20ºС; 0,1 МПа), но и при очень высоком давлении (до 20 МПа). В своем составе сжатые газы содержат метан, водород, окись углерода. Теплота, выделяемая при сгорании 1 см³ водорода и оки­си углерода, низкая (около 10 000 кДж/м³), поэтому эти состав­ляющие невыгодно использовать для получения сжатых газов. Обычно сжатию подвергают природные газы (основной компо­нент метан) с теплотой сгорания 39 600 кДж/м³.

Выпускают три вида сжатых газов:

природный, теплота сгорания- 29 000 кДж/м³;

коксовый метанизированный, теплота сгорания- 27 000 кДж/м³;

коксовый обогащенный /теплота сгорания- 22 000 кДж/м³.

В сжатых газах ограничивается содержание влаги: в зимнее время оно не должно быть выше 0,5 г /м³, в летнее - не более 7,0 г /м³. Не допускается присутствие даже небольших коли­честв коррозионно-агрессивных соединений: сероводорода, кис­лорода, смол и пыли, цианистых соединений.

Сжатые газы используют как топливо для грузовых авто­мобилей, но широкого распространения они не имеют. При пе­реводе двигателей с жидкого топлива на сжатые газы на 10-20 % снижается их мощность вследствие уменьшения на­полнения цилиндров, а также снижается грузоподъемность автомобиля. Газ, сжатый до высокого давления, требует для хранения тяжелых баллонов (масса 60-70 кг). Обычно на ав­томобиле устанавливают шесть таких последовательно соеди­ненных баллонов, емкость каждого по 10 м³ газа при нормаль­ных условиях.

Сжиженные газы - это газы с относительно высокой крити­ческой температурой: при повышении давления до 1,0-1,5 МПа переходят в жидкое состояние. В основном они содержат пропан-бутановые углеводороды с 3- и 4-углеродными атомами (табл. 4.5.).

Сжиженные газы выпускают трех марок:

пропан технический, теплота сгорания- 45 000 кДж/м³;

бутан технический, теплота сгорания- 46 000 кДж/м³;

смесь пропан-бутановых фракций, теплота сгорания - 45 500 кДж/м³.

В техническом пропане не менее 93,0 % (по объему) пропановых фракций, в техническом бутане не менее 93,0 % бутановых фракций. Остальные 7 % состоят из смеси более легких газооб­разных углеводородов: этана, этилена, пропилена, бутилена, пентана, амилена. Допустимое содержание сероводорода в сжи­женных газах - не более 5 г/100 м³. Поскольку природные сжиженные газы не обладают ни цветом, ни запахом, в них до­бавляют в небольших количествах газообразные вещества с сильным запахом, что позволяет обнаружить скопление газа при утечке.

Табл. 4.5.. Требования к качеству сжиженных газов. ГОСТ 21443-75

Показатель	Норма
	Пропан технический	Бутан технический	Смесь пропан-бутан техническая
Углеводородный состав, массовая доля компонентов, %:
метан-этан, не более	2,0	-	4,0
пропан, не более	-	1,0	-
не менее	95,0	-	40,0
В том числе:
нормальный бутан, не менее	-	96,0	-
изобутан, не более	-	2,0	-
непредельные углеводороды, не более	2,0	Отсутствует	2,0
Жидкий остаток (в том числе уг­леводороды С5 и выше) при 20 °С, объемная доля, не более	Отсутствует	2,0	2,0
Давление насыщенных паров при 45 "С, МПа (кгс/см2), не более	1,6 (16)	0,6 (6,0)	1,6 (16)
Массовая доля общей серы (для неодорированного газа), %, не бо­лее	0,01	0,005	0,01
Испытание на медную пластинку (для неодорированного газа)	Выдерживает
Содержание свободной воды	Отсутствует
Содержание щелочи	Отсутствует

Сжиженные газы удобны как топливо для автомобильных двигателей, для обеспечения коммунально-бытовых и производ­ственных нужд, так как их можно хранить и транспортировать в баллонах, .цистернах, рассчитанных на небольшие давления.

При работе двигателя на газовом топливе снижается износ де­талей, уменьшается интенсивность коррозии. Горючие газы обла­дают высокой детонационной стойкостью, их октановое число 85-100 ед., двигатель может работать с более высокой степенью сжатия, а значит экономичнее.

Одним из важнейших преимуществ работы двигателей на газе является существенное снижение токсичности выхлопных газов по сравнению с бензином. Так, если при работе на бензине в выхлопных газах может содержаться до 3 % различных несгоревших углеводородов, то при использовании сжиженного газа только 0,5-0,6 %. Особенно заметно уменьшается (в десятки раз) коли­чество токсичных ароматических, полициклических и олефиновых углеводородов.

Несмотря на серьезные преимущества газового топлива, коли­чество газобаллонных автомобилей пока невелико из-за ограни­ченного числа газонаполнительных станций и сравнительно не­большого радиуса пробега автомобиля. Кроме того, пропанбутановые фракции являются ценным сырьем нефтехимической про­мышленности.