Чабанний В.Я. та ін. Паливо-мастильні матеріали, технічні рідини та системи їх забезпечення (укр)

Подождите немного. Документ загружается.

Газоподібне паливо

151

Газоподібне паливо, як і інші палива, поділяють на при-

родне, яке використовується в тому вигляді, в якому воно знахо-

диться в надрах землі (природний газ газових родовищ і супут-

ній) і штучне – гази, які одержують як побічний продукт при пе-

реробці нафти і твердого палива або спеціально за допомогою

газогенераторів (доменний

, коксовий, генераторний).

Залежно від фізичних властивостей гази можуть бути зрі-

джені і стиснуті. Зріджені – це гази з відносно

високою критич-

ною температурою

, при підвищенні тиску до 1,0...1,5 МПа пере-

ходять у рідкий стан. Це в основному пропан-бутанові вугле-

водні.

Критична температура

– найбільша температура, при якій

можливе існування рідини в стані рівноваги з паром. Зрідження

газу можливе тільки при його охолодженні нижче температури

критичної.

Стиснуті –

це гази з низькою критичною температурою,

які залишаються в газоподібному стані при нормальній темпе-

ратурі навіть при дуже високому тиску (до 20 МПа). До них

належать метан, окис вуглецю, водень, етилен.

Залежно від теплоти згоряння газоподібне паливо поді-

ляють на три групи:

– низькокалорійні, з теплотою згоряння до 10000 кДж/м

, до

яких відносять доменний, генераторний та інші гази.

– висококалорійні, з теплотою згоряння понад 23030 кДж/м

, до

яких відносять природні гази, які отримують із свердловин

разом з нафтою та при її переробці;

– середньокалорійні з теплотою згоряння 10000... 23030 кДж/м

до яких відносять коксовий, світильний на інші гази;

Горючі гази можуть бути поділені на дві групи:

– гази з низькою критичною температурою, які не перехо-

дять в рідкий стан при нормальній температурі під дією висо-

кого тиску;

– гази з відносно високою критичною температурою, які

не переходять в рідкий стан навіть

під дією високого тиску.

В ДВЗ використовують стиснений, зріджений і генера-

І.М. Осипов

152

торні гази. В сільськогосподарському виробництві для техноло-

гічних і побутових цілей найбільш широко використовують

природний газ.

5.2. Характеристика і асортимент газоподібного палива

З усіх видів газоподібного палива найпоширеніші

природні гази, які поділяють на дві групи: гази газових родовищ

і супутні, які добуваються разом з нафтою.

Природні гази чисто газових середовищ

за складом і те-

пловою цінністю відрізняються між собою незначно (табл. 1.22).

Головною їх складовою є метан – СН

Таблиця 1.22

Склад природних газів газових родовищ, % за об’ємом

Компоненти, % за об’ємом Q

Родовище

СН

СО

S МДж/кг

Урицьке 91,2 2,8 0,9 0,6 0,7 0,5 3,3 37,1

Елшанське 93,4 2,1 0,8 0,4 0,3 0,3 2,7 36,5

Газлінське 93,0 3,1 0,7 0,6 - 0,1 2,5 36,8

Щебелинське 93,3 4,0 0,6 0,4 0,3 0,1 1,3 37,8

Ставро-

польське

98,7 0,3 0,1 0,1

Сліди

0,1 0,7 35,8

Дашавське 98,3 0,3 0,1 0,2 - 0,1 1,0 35,8

Березовське 95,1 1,1 0,3 - - 0,4 3,0 35,3

Для природного газу, який надходить по трубопроводу,

нормується тільки вміст шкідливих домішок: сірководню,

аміаку, смол, пилу, вологи тощо. За сортами і марками їх не

поділяють. Природний газ має низьку критичну температуру

(-161

С при атмосферному тиску і – 82

С при тиску 4,6 МПа).

Тому навіть при високому тиску він знаходиться в газопо-

Газоподібне паливо

153

дібному стані і його називають стиснутим. До таких газів від-

носять і деякі штучні. Характеристика стиснутих газів, що

поставляються споживачам, наведена в таблиці 1.23.

Таблиця 1.23

Характеристика стиснутих газів

Тип газу

Показник

Природній

Коксовий

мета-

лізований

Коксовий

збагачений

Теплота згоряння, кДж/м

, не

менше

29000 27000 22000

Вміст компонентів, %:

- метану

- водню

80...97

Більше 65

Менше12

Вміст домішок, г/м

, не

більше:

- сірководню

- смоли і пилу

0,02

0,001

0,02

0,001

0,02

0,001

Пари води в газі, що

знаходиться в балоні:

- влітку

- взимку

7,0

0,5

7,0

0,5

7,0

0,5

Супутній нафтопромисловий газ,

крім метану містить

більш важкі газоподібні вуглеводні, кількість яких залежить від

складу нафти того чи іншого родовища. В багатьох випадках

газовий фактор (кількість газу м

на одну тону нафти) дуже

високий (50...100 м

). Вуглеводні з числом атомів вуглецю 1...4,

що входять у склад нафти, при нормальних умовах, перебувають

у газоподібному стані, їх уловлюють при добуванні нафти.

Теплота згоряння супутнього нафтопромислового газу вище,

ніж газів газових родовищ, але його використовують головним

чином як сировину для хімічної і нафтохімічної промисловості.

І.М. Осипов

154

Зріджений газ

широко використовують для газозабез-

печення сільської місцевості і районів, що не підключені до га-

зової мережі, а також як паливо в котельно-побутових і неве-

ликих теплоустановках (у теплицях, на тваринницьких комплек-

сах тощо).

Зріджений газ

– це газоподібні вуглеводні які легко

конденсуються при стисканні.

Основним компонентом зрідженого газу є

пропан

– важ-

кий газ (густина по відношенню до повітря 1,52). Він створює

оптимальну величину тиску насиченої пари, що особливо важ-

ливо для зниження маси газових балонів транспортних устано-

вок.

Етан

– газ, що за густиною близький до повітря. Одержують

його з супутніх нафтових газів, входить до складу зріджених газів у

незначній кількості, але підвищує загальний тиск насиченої пари і

тим самим забезпечує в зимовий період надлишковий тиск, який

необхідний для нормальної роботи газобалонних установок.

Бутан

має два ізомери (густина за повітрям в межах

2,06...2,09). Його одержують з тих же нафтопромислових газів, що і

пропан. Він являється найбільш висококалорійним компонентом

зріджених газів. При температурі – 0,5

С і нормальному атмо-

сферному тиску бутан переходить у рідкий стан, що не дозволяє

його використовувати в зимовий період для комунально-побутових

потреб.

Пентан

– важкий газ (густина за повітрям 2,67). У більшості

випадків знаходиться в рідкому залишку і при t = 20

С не повинен

перевищувати 1,0...2,0% об’єму зрідженого газу, тому, що він різко

знижує пружність парів і підвищує точку роси.

Зрідженні гази відповідно до ГОСТ 20448-80 (табл. 1.24)

випускає промисловість таких марок СПБТЗ – суміш пропану і

бутану технічна зимова; СПБТЛ – суміш пропану і бутану

технічна літня; БТ – бутан технічний.

Газоподібне паливо

155

Таблиця 1.24

Характеристика зріджених газів

Марка газу

Показник

СПБТЗ СПБТЛ БТ

Масова частка компонентів, %

сума:

а) метану, етану, етилену,

не більше

б) пропану, пропилену, не

менше

в) бутану і бутиленів:

- не менше

- не більше

не нор-

мується

не нор-

мується

не нор-

мується

Рідкий залишок (у тому числі

вуглеводні С

і вище) при 20

С,

% за об’ємом, не більше

1 2 2

Надлишковий тиск насиченої

пари, МПа:

- при 45

С, не більше

- при 20

С, не менше

1,6

0,16

1,6

Масова частка сірководню і

меркаптанової сірки, %, не

більше:

у тому числі сірководню

0,015

0,003

0,015

0,003

0,015

0,003

Вміст вільної води і лугів Відсутність

Поділ зріджених газів на зимові і літні прийнято у зв’язку

із зменшенням пружності пари зріджених газів при низьких

температурах. Тому для підтримки необхідного тиску в сис-

темах газозабезпечення в складі зимової газової суміші повинно

бути більше пропану. Зріджений газ надходить до споживачів у

цистернах або тонкостінних балонах під тиском 1,6

МПа.

Штучне газоподібне паливо

можна одержати шляхом

газифікації твердого палива або його сухою перегонкою. За

І.М. Осипов

156

допомогою газифікації і сухої перегонки твердих палив одер-

жують: генераторний газ, змішаний, водяний, напівкоксовий,

коксовий, світильний та інші гази.

5.3. Застосування газоподібного палива у ДВЗ

Газ у вигляді палива використовують головним чином для

автомобільних двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ) у стисну-

тому або розрідженому виді. Для газобалонних автомобілів

використовують тільки високо – і середньо калорійні гази в

стиснутому або рідкому стані, оскільки тільки вони забезпе-

чують досягнення необхідних техніко-економічних показників

автомобіля.

Використання газоподібного палива для ДВЗ має

переваги

в порівнянні з рідкими паливами:

- зменшується токсичність відпрацьованих газів, що при

сучасній концентрації автомобілів суттєво оздоровлює навко-

лишнє середовище;

- збільшується в середньому на 35...45% моторесурс дви-

гуна і в 2...3 рази строк роботи моторного масла, оскільки газо-

повітряна суміш не змиває масляної плівки із дзеркал циліндрів;

- висока детонаційна

стійкість газоподібного палива доз-

воляє підвищити ступінь стиску двигуна та відповідно його

потужність до 15% і паливну економічність до 12%;

- поліпшуються розподіл паливної суміші між цилін-

драми двигуна і сумішоутворення, що також впливає на підви-

щення потужності двигуна.

Зауважимо також легкість перебудови карбюраторного

двигуна для роботи на газі.

Проте ці переваги не

завжди повністю реалізуються вна-

слідок зменшення наповнення циліндрів, оскільки для роботи на

газ переводять карбюраторні двигуни, рідше дизелі, а не викори-

стовують спеціальні газові двигуни. Крім того переведення

двигунів для роботи на газоподібному паливі пов’язано з рядом

факторів:

- ціна автомобіля зростає із-за наявності додаткової газо-

вої апаратури;

Газоподібне паливо

157

- металоємність газобалонних автомобілів збільшується на

65...160 кг, а при використанні стиснутого газу – на 400...950 кг,

залежно від кількості і маси балонів високого тиску, що

призводить до зниження вантажопідйомності на 14...18%;

- трудомісткість технічного обслуговування і ремонту

газобалонних автомобілів при використанні зрідженого газу

збільшується на 3...5%, а при використанні стиснутого – на

12...15%;

- при використанні

стиснутого газу пробіг автомобіля на

одній заправці скорочується на 40...45%.

Стиснуті гази

для газобалонних автомобілів стандарти-

зовані зі наступними видами: природний, коксовий, збагачений.

В таблиці 1.23 наведені основні показники цих газів.

Головним пальним компонентом газів є метан СН

. У

природному газі вміст метану складає 90...98%, у коксовому

металізованому – не менше 65%, у коксовому збагаченому – не

менше 50%.

У газоподібному паливі, як і у рідкому, небажано

присутності сірководню Н

S, який викликає корозійний знос

газової апаратури та деталей двигуна. Дуже негативно впливає

присутність в газі сполучення CN, яке у з’єднанні з водою

утворює синильну кислоту, у результаті чого на стінках балонів

виникають малі міжкристалічні щілини, які приводять до їх

руйнування. Як і для рідкого палива, небажано присутності у

газі смолянистих

сполук, механічних домішок, вологи. В загалі

на автомобілі ставлять циліндричні балони, розраховані на

робочий тиск 20 МПа. У одному такому балоні об’ємом 50л (по

воді) утримується 10 м

газу при нормальних умовах.

Переведення стандартних карбюраторних двигунів на

газоподібне паливо супроводжується деяким зниженням їх

потужності. Це відображають швидкісні характеристики двигу-

нів автомобілів ГАЗ–53А та ЗИЛ–130, показані на рисунку 1.39.

Зменшення потужності пов’язано зі зменшенням темпера-

тури згоряння газоповітряної суміші у порівнянні з бензиновою,

а також із зниженням коефіцієнту

наповнення горючої суміші

циліндрів двигуна. Однак збільшення ступеня стиску газових

І.М. Осипов

158

двигунів практично вирівнює експлуатаційні властивості авто-

мобілів, працюючих на бензині та газі.

Зріджений природний газ.

Основними компонентами

цього виду палива є метан (90...97%) і азот (3...4%). Його

застосування як моторного палива дає можливість використати

великий енергетичний потенціал газових родовищ. Разом з тим

зрідження метану, який має температуру кипіння нижче –160

С,

пов’язане з відповідними труднощами. Крім того для його

зберігання і транспортування необхідна спеціальна термо-

статична тара з вакуумом або іншою надійною термоізоляцією.

При заправці рідким метаном може виникнути забруднення

навколишнього середовища: при зрідженні різко збільшується

його вартість; втрати метану від випаровування, навіть в умовах

вакуумної ізоляції складають 7,0...8,0% на добу

, причому це не

тільки втрати палива, але і різке збільшення ризику пожежі і

вибуху. В той же час об’єм рідкого метану в 3 рази менший, ніж

об’єм стиснутого при 20 МПа газу, а маса термостатичних

балонів у 8 разів менша маси балонів стиснутого газу. Но-

мінальний тиск в кріогенному балоні, залежно

від конструкції,

становить 0,07...0,7 МПа.

Рис. 1.39. Зміна потужності N

та крутного моменту М

двигунів

автомобілів ЗИЛ-130 (криві 1) та ГАЗ-53А (криві 2) в залежності від

числа обертів колінчастого валу двигуна при роботі на бензині

(суцільні лінії) та на стиснутому газі (штрихові лінії)

Газоподібне паливо

159

Фізико-хімічні властивості зрідженого природного газу

приведена в таблиці 1.25.

Таблиця 1.25

Фізико-хімічні властивості зрідженого природного газу

Показники Значення

показників

Густина при температурі 0

С, і тиску

0,1013 МПа, Н/м

7,00

Температура,

- кипіння

- затвердіння

- 161,74

- 182,5

Критичний тиск, МПа 4,73

Критична температура,

С - 82,61

Відносна густина за повітрям 0,554

Молярна маса, кг/моль 16,043

Зріджене газоподібне паливо

– це пропан-бутанові суміші

газів, які мають теплоту згоряння біля 46,0 мДж/м

. Зріджені

гази можна транспортувати в звичайних і автомобільних ци-

стернах. Для заправки ними автомобілів використовують прості

і дешеві газонаповнювальні і пересувні установки.

Зріджений пропан-бутановий газ має максимальний тиск

1,6 МПа, для його зберігання і транспортування на борту авто-

мобіля використовують балони місткістю до 250 дм

. Балони

заповнюють зрідженим газом не більше 90% об’єму (врахову-

ється можливе теплове розширення газу). Решту (10%) займає

газоподібна фаза, яка використовується для пуску холодного

двигуна.

Відповідно до ГОСТ 27578-87 “Гази вуглеводні зріджені

для автомобільного транспорту” зріджені гази випускають двох

марок: ПА – пропан автомобільний, рекомендується використо-

вувати при температурі до мінус 20...35

С; ПБА – пропан-бутан

автомобільний, рекомендується використовувати при темпера-

турі до мінус 20

С. Фізико-хімічні показники цих газів при-

ведені в таблиці 1.26.

І.М. Осипов

160

Таблиця 1.26

Фізико-хімічні показники зріджених газів

Марка

Показники

ПА ПБА

Масова частка компонентів, %:

- метан і етан

- пропан

- вуглеводні С

(і вище)

- не насичені вуглеводні, не більше

Об’ємна частка рідкого залишку при 40

Надлишковий тиск насиченої пари, МПа:

- при 45

С, не більше

- при мінус 35

С, не менше

- при мінус 20

С, не менше

Масова частка сірки і сірчистих сполук, %

- не більше

- у тому числі сірководню, не більше

Вміст вільної води і лугів

Не нормуються

90±10 50±10

Не нормується

Відсутність

1,6

0,07 -

- 0,07

0,01

0,003

Відсутність

5.4. Суть процесу газифікації. Використання генераторного

газу

Газифікація –

високотемпературний процес взаємодії

вуглецю палива з окислювачами, який проводиться з метою

одержання горючих газів Н

, СО, СН

. Окислювачами, які іноді

називають газифікуючими агентами, можуть бути кисень (або

збагачене ним повітря), водяні пари, діоксид вуглецю або суміш

указаних речовин. Залежно від співвідношення вихідних реаген-

тів, температури, тривалості реакцій та інших факторів можна

одержати газові суміші самого різного складу.

Газифікація відбувається в газогенераторах, шляхом про-

пускання повітря через розжарений

шар твердого палива, яке

знаходиться в газогенераторі. Розрізняють три процеси гази-

фікації: прямий, обернений і горизонтальний. Схематично весь