7.1.1 Свойства горючих газов

Горючими газами принято называть газы, используемые в качестве топлива при выработке тепла в различных технических устройствах. Эти газы применяют как топливо для энергетических машин (например, около 10% перекачиваемого газа идет на сжатие в камерах сгорания ГТ агрегатов КС), для паровых котлов ТЕС и ТЕЦ, котельных, а также для бытовых нужд (нагрев воды, приготовление пищи, отопление).

В качестве горючих газов используются как природный газ, так и искусственно получаемые газы.

Основной характеристикой горючих газов является так называемая низшая теплотворная способность (с учетом наличия водяных паров и продуктов сгорания) QH, ккал/м3. Поскольку горючие газы, это смесь углеводородных и других газов то для горючих газов как для смеси:

, ккал/м3,

где  - низшая теплотворная способность і-й составляющей в пересчете на 1% компонента;

, % - содержания і-го компонента в смеси в объемных процентах.

Жаропроизводительность – это температура, достигаемая при сгорании газового топлива

,

где V – удельный объем продуктов сгорания, ккал/кг∙оС.

Например, значения жаропроизводительности для метана – 2043оС, этана - 2097 оС, пропана - 2116 оС.

Из формулы для жаропроизводительности следует, что чем больше , тем больше температура, но это не всегда так, поскольку в знаменателе величина V. Например, для метана  = 8555 ккал/м3, а для СО всего – 3020 ккал/кг, Ср для СО = 1,04 кДж/кгК, Ср для СН4 = 2,164 кДж/кгК. Но температура будет выше при сгорании СО, так как для этого газа требуется меньший объем смеси для поддержания горения. Горючие газы различного происхождения имеют различные характеристики, поэтому для расчетов используют так называемое условное топливо, имеющее  = 7000 ккал/м3 (29288 кДж/кг).

Различные газы могут быть охарактеризованы с помощью теплового эквивалента. Например для метана тепловой эквивалент равен

 м3,

т.е. 1 м3 метана эквивалентен 1,22 м3 условного топлива.

В зависимости от концентрации газа в окружающей атмосфере воздуха смесь приобретает те или иные свойства, крайне важные для правильного использования газа и эксплуатации газовых приборов.

Для закрытого объема (пространства, помещения) характерны следующие свойства и их проявления (рис. 7.1):

 

Рисунок 7.1 – Шкала пределов опасных концентраций природного газа

Температура воспламенения газовой смеси равна от 500 до 600оС, скорость распространения огня равна 0,67 м/сек.

Для своевременного обнаружения присутствия газа в помещении в газ добавляют специальные ароматизаторы – одоранты. Обычно применяют этилмеркаптан в соотношении 16 г на 1000 м3 газа. Даже при однопроцентной концентрации газа его запах уже слышен.

Допускается подача неодорированого газа для промышленных установок при условии подачи газа вне населенного пункта и при условии, что помещения, в которых установлено газовое оборудование, оснащены сигнализаторами загазованности.

Положительные свойства газового топлива:

1) высокая калорийность, большой топливный эквивалент;

2) высокая жоропроизводительность;

3) хорошая транспортабельность;

4) процесс горения легко автоматизировать;

5) чистота сгорания, хорошие условия для обслуживающего персонала;

6) повышается КПД и производительность тепловых установок;

7) хорошая экология;

8) возможность перехода на другие виды топлива.

Недостатки:

1) взрывоопасность в смеси с воздухом;

2) способность отрицательно влиять на живые организмы (токсичность и удушье).

 

Особенности горения газов

Горение газов – реакция окисления, т.е. соединение с кислородом.

Формулы горения для составляющих углеводородных газов:

- для метана

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О;

- для этана

С2Н6 + 3,5О2 = 2СО2 + 3Н2 +О;

- для пропана

С3Н8 + 5О2 = 3СО2 +4Н2О;

- для бутана

С4Н10 + 6,5О2 = 4СО2 +5Н2О и т.д.

Т.к. воздух состоит из 79% N2 и 21% О2 по объему, то на единицу объема сжигаемого кислорода требуется 100:21=4,79 ед. объема воздуха, при этом с воздухом в зону горения поступает 79:21=3,76 ед. объема N2.

Более полно реакцию горения метана можно записать в виде:

СН4 + 2О2 + 2∙3,76 N2 = СО2 +2Н2О + 7,52 N2,

т.е. для сжигания 1 м3 метана требуется 9,52 м3 воздуха и при этом образуется 2 м3 водяных паров.

Количество необходимого для сжигания газов воздуха зависит от их теплотворной способности. В среднем на каждые 1000 ккал газа нужно 1,1 м3 воздуха. Наименьшее потребленное количество воздуха для полного сгорания газа называется теоретическим расходом воздуха. В действительности воздуха подается несколько больше:

.

Коэффициент избытка воздуха обычно равен  = 1,05-1,2, его величина зависит от эффективности топочного устройства. Нужно стремиться, чтобы  был минимальным, т.к имеет место эффект охлаждения горения избыточным воздухом.

Воздух для горения бывает первичный – поступает в горелку смешения с газом, и вторичный – поступает в зону горения не в смеси, а отдельно.

Сгорание бывает полное и неполное. При полном сгорании природного газа продуктами сгорания являются СО2, N2, пары Н2О. Если в продуктах сгорания содержится О2, то сгорание происходит с избытком воздуха. Продуктами неполного сгорания могут быть также СО, Н2, СН4, тяжелые углеводы, сажа.

Потери тепла при сгорании горючих газов:

q1 – с уходящими газами;

q2 – вследствие неполноты сгорания.

Коэффициент использования горючего газа:

.

КПД тепловой установки:

,

где q3  – потери тепла в окружающую среду.