Характеристика горючих газов

Общие сведения о топливе

Эффективность использования того или иного вида топлива в качестве источника тепловой энергии связана с условиями его сжига­ния, добычи, хранения и транспортировки, а также с обеспечением безопасности.

Все эти условия зависят от физико-химических, теплотехнических и эксплуатационных свойств (характеристик) топлива.

Физико-химические свойства - плотность, вязкость, влажность. Они определяют, главным образом, условия, связанные с добычей, хранением и транспортировкой топли­ва. Кроме того, к этой группе свойств относятся характеристики, определяющие общие условия сжигания, к которым относят теплоту сгорания, пределы и температуру воспламенения, скорость распространения пламени.

Частные условия сжигания топлива, зависящие от конструктив­ных особенностей теплогенерирующих элементов тепловых аппаратов, описываются теплотехническими характеристиками, к которым относятся: теоретическая температура горения, теоретический и действительный объем воздуха, объемы продуктов сгорания, образу­ющихся при горении в расчетных (теоретических) и реальных усло­виях.

К эксплуатационным характеристикам относятся те, которые связаны с обеспечением безопасной эксплуатации оборудования, использующего данный вид топлива. К этим характеристикам относят­ся рабочее давление, цвет, запах, токсичность, механические загряз­нения, возможность самовоспламенения или взрыва.

Все указанные виды характеристик определяются составом топли­ва и динамикой изменения состава в процессе транспортировки, хранения и подготовки к сжиганию.

В состав топлива главным образом входят углерод (С) и сера (S) в различных соединениях с водородом (H₂) и кислородом (О₂), способ­ные вступать в экзотермическую реакцию окисления (горения).

Кроме того, в состав топлива входят элементы, составляющие внутренний балласт (кислород О₂ и водород H₂) и внешний балласт (вода Н₂О и зола А); к балласту также относят диоксиды серы SО₂ и углерода СО₂. Газоoбразные вещества, выделяемые в процессе горения без доступа воздуха (0₂, Н₂, СO, CO₂, N2 и др.), называются летучими компонентами топлива, а оставшаяся после их удаления твердая горючая часть - коксом.

Газообразное топливо. Большое значение в топливно-энергетичес­ком балансе страны имеют природный газ, а также искусственные горючие газы, получаемые в ходе промышленных процессов. Газ является топливом для большинства действующих в стране тепловых электростанций и паровых котлов средней и малой мощности, а также тепловых технологических аппаратов пищевой промышленности и общественного питания.

Природный газ является более дешевым источником теплоты, чем электроэнергия; стоимость единицы теплоты при сжигании газа в 3...7 раз меньше, чем при электронагреве.

В связи с тем, что темпы ежегодного прироста мощности, потребля­емой электротепловым оборудованием предприятий общественного питания, опережают темпы ежегодного прироста электроэнергии, следует особое внимание уделять развитию газового оборудования.

Природными называют газы, заключенные в недрах земной коры. Эти газы получаются из буровых скважин, а также выделяются в ходе вулканических и других естественных выбросов. Наибольшее значение имеют природные горючие газы, которые состоят преимущественно из углеводородов.

В состав природных газов кроме углеводородного метанового ряда С_nН_n+2 входят также углекислый газ (CO₂), сероводород (H₂S), азот (N₂) и редкие газы.

Из углеводородных газов преобладающим компонентом является метан (СН₄). Другие компоненты, такие, как этан (С₂Н₆), пропан (C₃H₈), бутан (С₄Н₁₀), пентан (С₅Н₁₂) и др., находятся в сравнительно меньших количествах.

При нормальном атмосферном давлении все члены гомологического ряда углеводородов от метана до пентана находятся в газообразном состоянии, а от С₆Н₁₄ до С₁₅Н₃₂ – в жидком, и от С₁₆Н₃₄ и выше – в твердом.

В промышленном масштабе природный газ добывают из буровых скважин попутно с нефтью или из чисто газовых скважин.

Природные газы, состоящие в основном из метана (от 90 до 98 %) и добываемые из чисто газовых месторождений, не содержащих нефти, считаются сухими газами, а газы, содержащие кроме метана большое количество легко конденсирующихся тяжелых углеводородов – жирными.

Искусственные горючие газы являются продуктом промышленной переработки каменного угля, торфа, сланцев, нефти, дерева или побочным продук­том доменного производства.

По способу производства искусственные горючие газы подразде­ляются на следующие основные группы: коксовые и полукоксовые, а также генераторные газы, получаемые в процессе газификации бурых углей.

Из-за наличия в искусственных газах большого количества СО все они ядовиты. От других ядовитых веществ горючие газы очищаются на заводах..

По этой причине в массовом порядке искусственные газы в общественном питании не применяют.

Сжиженные газы. Состоят из газообразных углеводородов, легко конденсирующихся при сжатии. Основными их компонентами являются пропан и бутан. В промышленном масштабе выпускают сжиженные газы трех марок: 1) технический пропан; 2) технический бутан; 3) смесь технического пропана и технического бутана.

Технический пропан содержит не менее 93 % С₃Н₈ + С₃Н₆, не более 4 % С₂Н₆ + С₂Н₄ и не более 3 % С₄Н₁₀ + С₄Н₈ при отсутствии С₅Н₁₂и С₅Н₁₀.

В техническом бутане содержится не менее 93 % C₄H₁₀ + С₄Н₈, не более 3 % С₅Н₁₂ + С₅Н₁₀ и не более 4 % С₃Н₈ + С₃Н₆ при отсутствии С₂Н₆ и С₂Н₄.

В смеси технического пропана и бутана должно содержаться не более 4 % С₂Н₆ + С₂Н₄ и не более 3 % С₅Н₁₂ + С₅Н₁₀.

Сжиженные газы хранят и транспортируют к потребителю в цистернах или баллонах, а сжигают в газообразном состоянии.

Физико-химические свойства горючих газов.

Горючие газы представляют собой смеси горючих и негорючих моногазов. Характеристики газов определяются физико-химическими свойствами и объемной долей их компонентов. Расчеты основных характеристик газа производятся на основании закона Дальтона, согласно которому общее давление газовой смеси Р_см складывается из суммы парциальных давлений Р_i. При этом под парциальным давлением понимается такое давление, которое создал бы отдельный моногаз, занимая тот же объем, что и газовая смесь, при той же самой температуре, т. е.

, (4.75)

Из данного закона и уравнения Клапейрона – Менделеева для идеальных газов , то при Т = const, можно записать

,

,

,

, (4.76)

где V_см - общий объем газа;

V₁, V₂, V₃,..., V_i — парциальные объемы;

Р_см — общее давление.

Под парциальным объемом в данном случае понимается такой объем, который занимал бы моногаз, находясь при тех же давлении и температуре, что и газовая смесь.

Указанные соотношения, строго говоря, справедливы для идеальных газовых смесей, к которым с некоторым приближением можно отнести горючие природные газы на базе метана и газы на базе водоро­да и оксида углерода, находящиеся при невысоком давлении.

Для сухих горючих газов с плотностью меньшей или близкой к плотности воздуха для определения связи между параметрами сос­тояния можно воспользоваться уравнениями, справедливыми для идеальных газов.

Плотность смеси газов. При нормальных условиях (0 °Си давление 760 мм рт. ст. (101,3 кПа)) плотность смеси газов ρ_см0 определяется по формуле

, (4.77)

где ρ_см – плотность моногазов, входящих в газовую смесь, при нормальных условиях, кг/м³;

r _i – объемное содержание отдельных моногазов в смеси, %.

При температуре и давлении, отличающихся от нормальных, плотность газовой смеси ρ_см можно вычислить, используя соотношение:

, (4.78)

где Р _см – избыточное давление газовой смеси, кПа;

t – температура газовой смеси, °С.

Плотность газовой смеси по отношению к воздуху (относительная плотность газа по воздуху) при нормальных условиях определяется по формуле

, (4.79)

где S – относительная плотность газа по воздуху;

ρ_в – плотность воздуха при 0 °С (ρ_в = 1,293 кг/м³).

Молекулярная масса смеси. Значение молекулярной массы смеси N_см (кг/моль) вычисляется по формуле

N_см =22,4 ρ_{см о ,} (4.80)

Вязкость. Различают два вида вязкости: кинематическую и динамическую. Они взаимосвязаны следующим образом:

ν = μ/ρ, (4.81)

где ν – коэффициент кинематической вязкости, м²/с;

μ – коэффициент динамической вязкости, Па∙с;

ρ – плотность, м³/кг.

Вязкость газовых смесей не подчиняется простому правилу аддитивности, особенно при значительном содержании тяжелых углеводородов, и может быть определена достаточно точно только экспериментально.

Влажность газов. При добыче природного газа и промышленном получении искусственных газов в их состав входит большое количество водяных паров, значительная часть которых удаляется при сушке. Содержание водяных паров в газовоздушной смеси характеризует влажность газа. Различают абсолютную и относительную влажность.

Абсолютной влажностью называется физическая величина, численно равная массе водяных паров, содержащихся в единице объема. Измеряется абсолютная влажность в граммах или килограммах на кубический метр.

Относительной влажностью называется физическая величина, численно равная отношению фактической абсолютной влажности газа к максимально возможной, характеризующей состояние насыщения (максимальной влажности) при данной температуре.

Относительная влажность выражается в процентах и может быть также определена как отношение парциального давления водяного пара в газовой смеси Р_Н2О к давлению насыщения пара Р_S при той же температуре:

φ = (Р_Н2О / Р_S)/100. (4.82)

Пределы воспламенения. Воспламенение горючего газа возможно только в смеси с воздухом при определенном соотношении компонентов.

Нижний предел воспламенения - минимальная концентрация горючего газа в газовоздушной смеси, при которой горение уже возможно.

Верхний предел воспламенения - максимальная концентрация газа в газовоздушной смеси, при которой горение еще возможно.

Теплота сгорания газов. Под теплотой сгорания газа понимают количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 м³ газа, поступающего в горелку при нормальных условиях. При сгорании водородсодержащих компонентов газа образуются сильно перегретые водяные пары, так как температура горения более 1000 °С.

Примером может служить реакция горения метана

. (4.83)

Количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании 1 м³ газа, взятого при нормальных условиях, за вычетом теплоты конден­сации и переохлаждения водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, называется низшей рабочей теплотой сгорания газа (), а с учетом этой теплоты – высшей ().

Низшая и высшая теплоты сгорания газа связаны между собой соотношением

(4.84)

где и – соответственно низшая и высшая теплоты сгорания, Дж/м³;

– масса водяных паров, образующихся при полном сгорании 1 м³ газа, кг/м³;

r – теплота парообразования воды при соответствующем парциальном давлении водяных паров в продуктах сгорания, Дж/м³;

с_р – изобарная теплоемкость воды, Дж/(кг∙К);

t_s, t_K – температуры соответственно конденсации и охлажденного конденсата, °С.

Расчет аппаратов предприятий общественного питания произво­дится по низшей рабочей теплоте сгорания, так как конденсация водяных паров в газоходах недопустима из-за их интенсивной корро­зии.

Низшая теплота сгорания смеси сухих горючих газов определяется по составу и теплоте сгорания отдельных моногазов:

(4.85)

где и – теплота сгорания соответственно смеси и i -го компонента, МДж/м³;

r_i — объемное содержание компонента в газовой смеси, %.

Теплотехнические характеристики горючих газов. К теплотехническим характеристикам горючих газов относятся: теоретические и действительные объемы воздуха и продуктов сгорания, коэффициент избытка воздуха.

Данные физические величины определяют теплоту продуктов сгорания в смеси с воздухом, вносимую в топочные камеры и газоходы тепловых аппаратов.

Теоретический объем воздуха. Минимальный объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 м³ газа, поступающего в камеру сгорания при нормальных условиях, называют теоретическим объемом воздуха.

Вычислить теоретический объем воздуха можно, исходя из потреб­ности в кислороде для реакции окисления (горения) моногазов с учетом объемного содержания кислорода в воздухе.

(4.86)

где 20,9% – объемная доля кислорода в атмосферном воздухе;

V_0i – объем кислорода, необходимый для полного сгорания 1 м³ i- гo моногаза при нормальных условиях;

r_i – объемное содержание i- го моногаза в смеси, %.

Примером реакции горения являются реакции окисления метана и его гомологов, составляющих более 90 % объема большинства природ­ных газов.

Из первого уравнения видно, что для сгорания 1 м³ метана необходимо 2 м³ О₂ и т. д.

В обобщенном виде эта реакция может быть записана

(4.87)

где т – количество атомов углерода;

n – количество атомов водорода.

С учетом других горючих компонентов газовой смеси и кислорода, входящего в состав газа, уравнение приобретает вид:

(4.88)

Как видно из реакции горения, в результате сгорания газа образуются диоксид углерода СО₂ и водяные пары Н₂О. Кроме этих продуктов также образуются другие двухатомные газы: SO₂, CO и т. д.. Их объемная доля в продуктах сгорания ничтожна, и в практических расчетах этими величинами можно пренебречь. Кроме указанных продуктов сгорания в продуктах сгорания присутствует азот N₂, составляющий около 79 % объема воздуха и не участвующий в реакциях горения, т. е.

(4.89)

где V_г^о – общий теоретический объем продуктов сгорания газа, м³/м³;

– теоретический объем СО₂ в продуктах сгорания, м³/м³;

– теоретический объем азота в продуктах сгорания, м³/м³;

– теоретический объем водяных паров в продуктах сгорания, м³/м³.

Азот и диоксид углерода составляют объем сухих продуктов сгорания:

(4.90)

(4.91)

Теоретический объем водяных паров можно вычислить по уравнению, которое получается из анализа уравнений горения горючих моногазов, аналогично тому, как это было сделано для определения теоретического объема воздуха.

Например, из уравнения окисления метана следует, что при сгорании 1 м³ метана получается 2 м³ паров Н-0 и т. д. Поэтому

, (4.92)

где d_г – абсолютная влажность природного газа, г/м³;

d_в — абсолютная влажность воздуха, г/м³.

Слагаемые 0,124∙ d_г и 0,124 d_в·V_o учитывают объемы водяных паров, поступающих в продукты сгорания с природным газом и воздухом.

Так же может быть получено уравнение для вычисления теоретического объема трехатомных газов по объему диоксида углерода в продуктах сгорания:

(4.93)

Теоретический объем двухатомных продуктов сгорания определяется азотом, составляющим 79 % объема воздуха, и азотом, входящим в состав природного газа:

(4.94)

В действительности даже при самом тщательном перемешивании газа и воздуха нельзя осуществить полный контакт между молекулами горючего газа и воздуха, что предопределяет необходимость несколько большем количестве воздуха для полного сгорания газа при реальных условиях; этот объем воздуха называется действительных объемом воздуха.

Коэффициент, численно равный отношению действительного объема воздуха к теоретическому, называется коэффициентом избытка воздуха:

(4.95)

Коэффициент избытка воздуха всегда больше 1; чем выше качест­во приготовления газовоздушной смеси, тем меньше α_д.

Поскольку действительный объем воздуха больше теоретического, то за счет водяных паров, поступающих в продукты сгорания с дополнительным объемом воздуха (α_д – 1) Vo, увеличивается объем водяных паров, а за счет объемов азота и кислорода увеличивается объем сухих продуктов сгорания

(4.96)

(4.97)

Действительный объем продуктов сгорания складывается из действительных объемов сухих продуктов сгорания и водяных паров

(4.98)

Скорость распространения пламени. Это скорость, с которой прогревается ламинарно-текущая газовоздушная смесь до температуры воспламенения.

Под температурой воспламененияпонимается минимальная температура газовоздушной смеси, при которой при кратковременном воздействии внешнего источника пламени начинается процесс окисления (горения) и продолжается самопроизвольно без последующего подвода теплоты.

Теоретическую температуру горения можно вычислить по формуле, получаемой из уравнения теплового баланса топки:

(4.99)

где t_т – теоретическая температура горения;

η _т – к. п. д. топки, учитывающий потери теплоты топкой в окружающую среду Q₅^т и на разогрев конструкции Q₆^т;

α_т – коэффициент избытка воздуха в топке;

V₀ – теоретический объем воздуха;

с_в, t_B – соответственно теплоемкость и температура воздуха;

Σ V_ic_i – общая теплоемкость продуктов сгорания.

. (4.100)

Энтальпия продуктов сгорания. Определяется из уравнения

, (4.101)

где , , – действительные объемы соответственно трехатомных, двухатомных продуктов сгорания и водяных паров, м³/м³ (способ вычисления см. выше);

, , – средняя объемная теплоемкость трехатомных, двухатомных продуктов сгорания и водяных паров в интервале температур от 0 до t °C, Дж/(Дм^3.К);

t, t_B – соответственно температура продуктов сгорания и воздуха, °С;

α – коэффициент избытка воздуха;

V₀ — теоретический объем воздуха, м³/м³;

с_в - теплоемкость воздуха, Дж/(м³ • К).

Для различных значений α и температур продуктов сгорания t вычисляется энтальпия I и строится I –t диаграмма. Такая диаграмма является базой для расчета газовых тепловых аппаратов.

Эксплуатационные характеристики природных газов.

При использовании природного газа в качестве топлива следует иметь в виду, что в этом случае имеют место повышенная пожарная опасность, опасность взрыва газовоздушной смеси.

Пожарная опасность связана с факельным способом сжигания газа и наличием открытого огня.

Взрывоопасность возникает при аварийном загасании горелок. При утечках газа образуется газовоздушная смесь, находящаяся в покое без движения. При воспламенении этой смеси происходит взрыв.

Взрыв возможен только в определенном диапазоне концентраций газа в газовоздушной смеси; минимальная граница этого диапазона называется нижним пределомвзрываемости, а максимальная – верхним пределомвзрываемости.

Природные газы лишены запаха и прозрачны, поэтому органолептически утечку газа определить невозможно.

С этой целью им искусственно придается устойчивый резкий специфический запах. Этот эффект достигается за счет незначительных добавок меркаптанов (метилмеркаптана или этилмеркаптана) – эфиров, способных одоризировать газы даже в том случае, если в них содержится 1/500 000 000 доля объема.

Природный газ на предприятия общественного питания подается по газопроводам к горелкам при низком избыточном давлении, не превышающем 5000 Па, и опасности механического разрушения системы не возникает.

К важнейшим эксплуатационным характеристикам относится не только величина, но и постоянство давления газа перед горелкой, так как от этих параметров зависят скорость истечения топлива из сопла, а следовательно, форма и размер пламени. Постоянство состава газа предопределяет постоянство теплоты сгорания. Резкие колебания состава топлива ухудшают работу теплогенерирующих устройств, приводят к недожогу топлива, загрязнению окружающей среды.

При снабжении горючим газом населенных пунктов колебания значений теплоты сгорания, которая должна быть не ниже 12,5 МДж/м³, не должны превышать 10 %, так как в противном случае необходимо изменять конструктивные параметры газовых горелок.

Топливо может оказывать токсичное действие на человека, поэтому оценка токсичности является важной эксплуатационной характеристикой. При этом воздействовать на человека могут как компоненты топлива, так и продукты его сгорания. Наиболее сильными ядами являются оксид углерода, сероводород, сернистый газ, аммиак и цианистый водород. Сетевой газ, как правило, не имеет этих включений, но может оказывать удушающее воздействие. Предельная допустимая концентрация оксида углерода в воздухе рабочей зоны промышленных предприятий не должна превышать 0,03 мг/дм³, а в воздухе жилых помещений - 0,002 мг/дм³. При организованном отводе продуктов сгорания в соответствии с санитарными нормами в их составе должно быть не более 0,15 % объема горючих газов (СО + Н₂ + СН₄). Для защиты от воздействия сероводорода, который обладает отравляющим действием, а продукты его сгорания – большой коррозийной активностью, все поверхности нагрева должны быть нагреты выше темпера­туры точки росы, а омывающие их продукты сгорания иметь перегрев не менее 80 °С, т. е. удаляться из аппарата с температурой не менее 180 °С.

Дата добавления: 2015-06-30