В состав газообразного топлива входят горючие и негорючие газы.
Физико-химические и теплотехнические характеристики газового топлива обусловлены различием в составе горючих компонентов и наличием в газе негорючих газообразных компонентов (балластов) и вредных примесей.
К горючим компонентам газообразного топлива относятся следующие вещества.
Метан СН4. Бесцветный нетоксичный газ без запаха и вкуса. В состав метана входит 75% углерода и 25% водорода; 1нм3 его имеет массу 0,717кг. При атмосферном давлении и температуре 111К метан сжижается и его объём уменьшается почти в 600 раз. Сжиженный метан является перспективным топливом для многих отраслей народного хозяйства. Использование и транспортирование сжиженного природного газа в ряде случаев даёт большой экономический эффект, позволяет значительно снизить металозатраты на сооружение газопроводов. И тем самым помогает решить проблемы, связанные с резервированием газоснабжения в отдельных районах страны и созданием запасов сырья для химической промышленности.
Вследствие содержания в метане 25% водорода (по массе), имеется большое различие между высшей и низшей теплотой сгорания. Высшая теплота сгорания метана Qв составляет 39820 кДж/м3, 9510 ккал/м3 и 212860 ккал/моль; низшая Qн – соответственно 35880 кДж/м3, 8570 ккал/м3 и 191820 ккал/моль.
Содержание метана в природных газах достигает до 98%, поэтому его свойства практически полностью определяют свойства природных газов.
Сгорание метана в воздухе протекает по уравнению:
CH4 + 2O2 + 7,52N2 = CO2 + 2H2O + 7,52N2.
В результате сгорания образуется 10,52нм3 продуктов горения.
Метан обладает сравнительно низкой реакционной способностью. Это объясняется тем, что на разрыв четырёх связей в молекуле метана требуется большая затрата энергии. Кроме метана в горючих газах могут содержаться этан С2Н2, пропан С3Н8, бутан С4Н10.
Углеводороды метанового ряда имеют общую формулу: CnH2n+2 , где n – углеродное число, равное 1 (для метана), 2 (для этана), 3 (для пропана).
Структура молекул:
Н Н Н Н Н Н
Н С Н Н С С Н Н С С С Н
Н Н Н Н Н Н
метан этан пропан
С увеличением числа атомов в молекуле тяжёлых углеводородов возрастает их плотность и теплота сгорания.
Оксид углерода СО. Бесцветный газ, без запаха и вкуса; масса 1нм3 составляет 1,25кг.; теплота сгорания 13250 кДж/м3, 3016 ккал/нм3 или 67590 ккал/моль. В высококалорийных газах, содержащих метан и другие углеводороды, увеличение процентного содержания оксида углерода понижает теплоту сгорания газа: 1нм3 оксида углерода сгорает в теоретически необходимом количестве воздуха по уравнению:
CO + 0,5O2 + 1,88N2 = CO2 + 1,88N2
и образует 2,88нм3 продуктов горения.
Вследствие малого объёма продуктов горения оксида углерода на каждый м3 их приходится тепла, чем на 1м3 продуктов горения углеводородов. Поэтому продукты горения оксида углерода нагреваются до более высокой температуры, хотя теплота сгорания оксида углерода ниже, чем у углеводородов.
Оксид углерода оказывает токсическое воздействие на организм человека, так как легко вступает в соединение с гемоглобином крови. Предельно допустимая концентрация СО в воздухе помещения при использовании газа для коммунально-бытовых нужд составляет 2мг/м3.
Водород Н2. Бесцветный нетоксичный газ, без вкуса и запаха. Масса 1нм3 равна 0,09кг. Он в 14,5 раз легче воздуха. Теплота сгорания водорода составляет: Qв – 12750кДж/м3, 3040ккал/м3 и 68260ккал/моль; Qн - 10790 кДж/м3, 2580 ккал/м3 и 57740 ккал/моль. 1нм3 водорода, сгорая в теоретически необходимом количестве воздуха, образует 2,88нм3 продуктов горения. Реакция горения выражается следующей формулой:
H2 + 0,5O2 + 1,88N2 = H2 + 1,88N2
Водород отличается высокой реакционной способностью, водородно-воздушные смеси имеют широкие пределы воспламенения и весьма взрывоопасны.
В негорючую часть газообразного топлива входят азот и углекислый газ.
Азот N2. Двухатомный бесцветный газ без запаха и вкуса. Масса 1нм3 азота равна 1,25 кг. Атомы азота соединены между собой в молекуле тройной связью, на разрыв этой связи расходуется 170,2тыс. ккал/моль. Теплота разрыва связи настолько велика, что взаимодействие молекулярного азота и кислорода с образованием закиси азота сопровождается затратой большого количества тепла. Азот практически не реагирует с кислородом, поэтому при расчетах процесса горения его рассматривают как инертный газ. Содержание азота в различных газах колеблется в значительных пределах.
Углекислый газ СО2. Бесцветный газ, тяжёлый, малореакционный при низких температурах. Имеет слегка кисловатый запах и вкус. Концентрация СО2 в воздухе в пределах 4-5% приводит к сильному раздражению органов дыхания; 10%-ная концентрация СО2 в воздухе вызывает сильное отравление. Масса 1нм3 СО2 составляет 1,98 кг. Углекислый газ тяжелее воздуха в 1,53 раз.
Углекислый газ при температуре -200С и давлении 5,8МПа превращается в жидкость, которую можно перевозить в стальных баллонах. При сильном охлаждении СО2 застывает в белую снегообразную массу. Твердый СО2 (сухой лёд) широко используется для хранения скоропортящихся продуктов.
Кислород О2. Газ без запаха, цвета и вкуса. Масса 1нм3 кислорода составляет 1,43 кг. Содержание кислорода в газе понижает его теплотворную способность и делает газ взрывоопасным. Поэтому содержание кислорода в газе не должно быть более 1% по объёму.
К вредным примесям относится сероводород.
Сероводород H2S. Тяжёлый запах с сильным неприятным запахом, напоминающим запах тухлых яиц. Сероводород обладает высокой токсичностью. Масса 1нм3 сероводорода равна 1,54 кг. Сероводород является газообразной кислотой и, воздействуя на металлы, образует сульфиды. Поэтому сероводород сильно коррозирует газопроводы, особенно при одновременном содержании в газе H2S, H2O и O2. При сжигании газа сероводород сгорает и образует сернистый газ, вредный для здоровья. Содержание сероводорода не должно превышать 2гр. на 100м3 газа.
Все природные газы бесцветны и в большинстве своём не имеют запаха. Поэтому в случае утечки их из газопроводов в различных помещениях и сооружениях может образоваться газовая смесь, которая остаётся незаметной.
Для того, чтобы утечки газа были своевременно обнаружены, горючие газы, направляемые в городские газопроводы, одоризируют, т.е. придают им резкий специфический запах, по которому их легко обнаружить даже при незначительных концентрациях в воздухе помещений. Наиболее часто в качестве одоранта применяют элилмеркоптан. При этом запах природных топливных газов для коммунально-бытового назначения должен ощущаться при содержании 1% в воздухе. Запах сжиженных углеводородных газов должен ощущаться при содержании их в воздухе 0,5% по объёму.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему