Тема 2 Горючие газы
1) Состав газообразного топлива и его основные физико-химические свойства
2) Классификация горючих газов
3) Требования, предъявляемые к горючим газам, используемым для газо-
снабжения городов, населенных пунктов и промышленных предприятий.
Количество часов - 4 часа
Количество лекций - две (лекции 2-3)
Лекция 2
1) Состав газообразного топлива и его основные физико-химические свойства.
Топливо - это вещество, которое при окислении выделяет большое количество тепловой энергии.
Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов, содержащую некоторое количество примесей. К горючим газам относятся углеводороды, водород и оксид углерода (угарный газ). Негорючие компоненты - это азот, диоксид углерода (углекислый газ) и кислород. К примесям относят водяные пары, сероводород, пыль, нафталин, аммиак и др. Негорючие газы и примеси составляют балласт газообразного топлива.
К горючим компонентам газообразного топлива относятся следующие вещества:
Метан СН4 - бесцветный, нетоксичный газ без запаха и вкуса. В состав метана входит 25 % водорода и 75 % углерода (по массе). При атмосферном давлении и температуре 111 К метан сжижается и его объем уменьшается почти в 600 раз. Сжиженный метан является перспективным топливом для многих отраслей народного хозяйства.и концентрации метана в воздухе более 10 % вызывает удушье.
Кроме метана в горючих газах могут содержаться этан – С2Н6 пропан - С3Н8, бутан - С4Н10, пентан - С5Н12 - углеводороды метанового ряда, которые носят название алканов, то есть насыщенных углеводородов. Общая формула алканов – СnН2n+2- Свойства их аналогичны свойствам метана. Пропан, бутан и пентан тяжелее воздуха, при концентрации в воздухе более 10 % и при вдыхании более 2 мин начинается головокружение, а затем наступает удушье. С увеличением числа атомов в молекуле тяжёлых углеводородов возрастают их плотность и теплота сгорания.
Оксид углерода CO (угарный газ) - бесцветный газ, без запаха и вкуса. Оксид углерода оказывает на организм человека токсичное воздействие, так как легко вступает в соединение с гемоглобином крови. Влияние концентрации СО на организм человека показано в таблице 1. Вследствие малого объёма продуктов горения CO на каждый куб. метр их приходиться меньше чем на 1 куб. метр продуктов горения углеводородов. Поэтому продукты горения CO нагреваются до более высокой температуры (1 CO - образует 2,88 м3 продуктов сгорания).
Водород Н2 - бесцветный нетоксичный газ без вкуса и запаха. Водород отличается высокой реакционной способностью, водородно-воздушные смеси имеют широкие пределы воспламенения и весьма взрывоопасны.
В негорючую часть газообразного топлива входит азот и углекислый газ.
Азот N2 - бесцветный газ без запаха и вкуса. Азот практически не реагирует с кислородом, поэтому при расчётах процесса горения его рассматривают как инертный газ.
Таблица 1Физиологическое воздействие оксида углерода CO на организм человека.
-
Содержание СО
Длительность и характер
воздействия
об. %
мг / л
0,01
0,125
В течение нескольких часов не оказывает воздействия
0,05
0,625
В течении 1 часа нет заметного воздействия
0,1
1,25
Через 1 час наблюдается головная боль, тошнота , недомогание
0,5
6,25
Через 20 - 30 мин. оказывает смертельное воздействие
Углекислый газ СО2 - бесцветный газ, тяжелее воздуха. Имеет слегка кисловатый запах и вкус. Концентрация в воздухе в пределах 4-5% приводит к сильному раздражению органов дыхания; 10% - ная концентрация СО2 в воздухе вызывает сильное отравление. При сильном охлаждении СО2 застывает в белую снегообразную массу. Твёрдый СО2 (сухой лёд) широко используется для хранения скоропортящихся продуктов.
Кислород О2 - без запаха, цвета и вкуса. Содержание кислорода в газе понижает теплоту сгорания и делает газ взрывоопасным. Поэтому содержание кислорода в газе не должно быть более 1% по объёму.
К вредным примесям относят сероводород.
Сероводород Н2 - газ с сильным и неприятным запахом, обладает высокой токсичностью. Сероводород является газообразной кислотой и, воздействуя на металлы, образует сульфиды. При сжигании газа Н2 сгорает и образует сернистый газ, вредный для здоровья. Содержание Н2 не должно превышать 2г на 100 м3 газа.
К основным характеристикам газообразного топлива относят: теплоту сгорания, плотность, число Воббе.
Теплотой сгорания топлива называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы топлива при постоянном давлении (Для газобразного топлива за единицу измерения принят 1 м3).
Различают низшую теплоту сгорания, Qн, и высшую - Qв.
Высшая теплота сгорания газового топлива соответствует условию, при котором водяные пары продуктов сгорания доводятся до жидкого состояния. В реальных условиях сжигания газа водяные пары не конденсируются, а находятся в парообразном состоянии. Понятие высшей теплоты сгорания относится только к тем газам, которые при сгорании выделяют водяные пары. Разница между Qн и Qв составляет 2514 кДж на каждый кг водяных паров, т.е
, кДж/м3,
где
-
объём водяных паров в продуктах сгорания
при сжигании 1 м3
газа.
Почти все основные характеристики газового топлива могут быть определены, если известен его состав, по свойствам простых газов -компонентов смеси. Основные характеристики газов приведены в таблицах 2 и 3.
Теплоту сгорания смеси простых горючих газов подсчитывают по формуле
,
кДж/м3,
где ri - содержание горючих компонентов смеси, % по объему;
Qiн(в)- теплота сгорания каждого отдельного компонента, кДж/м3. ( Принимается по таблице 3)
Таблица 2 Физические характеристики газов
-
Газ
Химиче- ская формула
Молекулярная масса
Молеку-
лярный объем прн 0°С 101,3 кПа, м3/кмоль
Плотность при О °С , 101,3 кПа,
кг/ м3
Относительная
плотность
по воздуху
Азот
N2
28.016
22,4
1.2505
0,9673
Ацетилен
С3H3
26.038
22,24 1.1707
0,9055
Водород
Н2
2,016
22,43
0.08999
0,0695
Водяной пар
Н2О
18,016
(23,45)
(0.768)
0.5941
Воздух (без СО2)
—
28,96
22,4
1.2928
1
Диоксид серы
502
64,066
21.89
2,9263
2,2635
Диоксид углерода
СО2
44,011
22.26
1,9768
1,5291
Кислород
О2
32
22,39
1,429
1,1053
Оксид углерода
СО
28,011
22.41
1,25
0,9669
Сероводород
Н25
34,082
22,14
1,5392
1,1906
Метан
СН4
16,043
22,38
0,7168
0,5545
Этан
С2Н6
30,07
22,18
1.3566
1,049
Пропан
С3Н8
44,097
21.84
2.019
1,562
Н-бутан
С4Н10
58,124
21,5
2,703
2,09]
Изобутан
С4Н10
58,124
21.78
2,668
2,064
Пентан
С5Н12
72.151
—
3,221
2,491
Плотность газообразного топлива при температуре 0 0С и давлении 101,3 кПа определяется по формуле
,
кг/м3,
где ri - плотность отдельной компоненты газообразного топлива при температуре 0 0С и давлении 101,3 кПа, кг/м3 (принимаются по таблице 2);
ri - содержание отдельной компоненты газообразного топлива, % по объему.
Относительная плотность газа по воздуху определяется по формуле
Таблица 3 Теплота сгорания чистых горючих газов
|
Теплота сгорания |
||||||
Газ |
высшая |
низшая |
высшая |
низшая |
высшая |
низшая |
|
|
кДж/кмоль |
кДж/кг |
кДж/м3 при 0 0С и 101,3 кПа |
||||
Ацетилен |
1308560 |
1264600 |
50240 |
48570 |
58910 |
56900 |
|
Водород |
286060 |
242940 |
141900 |
120080 |
12770 |
10800 |
|
Оксид углерода |
283170 |
283170 |
10090 |
10090 |
12640 |
12640 |
|
Сероводород |
553780 |
519820 |
16540 |
15240 |
25460 |
23490 |
|
Метан |
890990 |
803020 |
55560 |
50080 |
39860 |
35840 |
|
Этан |
1560960 |
1429020 |
51920 |
47520 |
70420 |
63730 |
|
Пропан |
2221500 |
2045600 |
50370 |
46390 |
101740 |
93370 |
|
Н-Бутан |
2880400 |
2660540 |
49570 |
45760 |
133980 |
123770 |
|
Изобутан |
2873580 |
2653720 |
49450 |
45680 |
131890 |
121840 |
|
Пентан |
3549610 |
3277750 |
49200 |
45430 |
158480 |
146340 |
|
Число Воббе, представляет собой отношение теплоты сгорания к корню квадратному из относительной плотности газа по воздуху.
Число Воббе ( низшее или высшее ) определяют по формулам, кДж/м3
, кДж/м3,
, кДж/м3,
где Qн и Qв - низшая и высшая теплота сгорания газового топлива, кДж/м3;
rг - плотность газа при нормальных условиях, кг/м3.
Если газовое топливо является влажным, то производят пересчет теплоты сгорания и плотности топлива, которые были определены по сухому составу, по следующим формулам пересчета
,
кДж/м3,
.
кДж/м3,
,
кг/м3,
где к- коэффициент пересчета, определяемый по формуле
,
где d - влагосодержание газа, выраженное в кг на I м3 сухого газа при температуре 0°С и давлении 101,3 кПа.
Принадлежность всех углеводородов, составляющих горючую часть газового топлива, к одному гомологическому ряду позволяет упростить ряд важнейших зависимостей, выражающих теплофизические свойства природного газа, и определить их, не зная содержания отдельных компонентов в нем . Это возможно благодаря тому, что углеводороды метанового ряда (алканы) имеют общую формулу CnH2n+2n, где n - так называемое углеродное число.
Углеродное число сравнительно просто может быть определено с помощью газоанализатора с дожиганием или же подсчитано по известному объемному составу природного газа по формуле
,
где CH4, C2H6 и т.д. - содержание углеводородов в сухом газе, %.
Величина n всегда больше единицы и может быть дробной.
Основные характеристики сухого природного газа могут быть подсчитаны по следующим формулам:
высшая теплота сгорания, кДж/м3
Qв=(295,3n + 102,6)r,
низшая теплота сгорания, кДж/м3
Qн= (276,5 n + 81,7)r,
плотность (в нормальных условиях), кг/м3
,
газовая постоянная, Дж/(кг К)
,
кажущаяся молекулярная масса
,
Объемная теплоемкость при постоянном давлении (для диапазона температур 0 - 50°С), кДж/(м8 К)
,
покаэатель адиабаты
,
кинематическая вязкость, м2/с
,
Объём газа измеряется в м3. В связи с тем , что объём газов значительно изменяется при нагревании , охлаждении и сжатии для сравнения количеств газа их приводят к нормальным и стандартным условиям .
Нормальные условия: температура 0 оС и давление 101325 Па (760 мм рт ст) . Объем газа при данных условиях может быть определен по формуле
м3/ч.
Стандартные условия: температура 20 0С и давление 101325 Па. Объем газа при данных условиях может быть определен по формуле
м3/ч.
где Pt - абсолютное давление газа в момент изменения , Па .
t - температура газа , .
Vt - объём газа при заданном давлении Pt и температуре t .
При изменении расхода газа по расходомерам .
,
м3/ч,
где
іи
Для влажного газа .
, м3/ч;
, м3/ч,
где Pпар - упругость водяных паров , Па , при температуре t , 0С .
-
объём влажного газа, м3/ч
.
Нормальные условия используются при гидравлических расчётах газопроводов , стандартные - при расчётах за газ .
Лекция 3