Расчетный состав природного газа. Физические свойства природного газа. Состав природного газа. Характеристики основных компонент природного газа. Состав и физические свойства природного газа

Определение
Природный газ – это полезное ископаемое в газообразном состоянии. Оно используется в очень широких пределах в качестве топлива. Но сам природный газ как таковой не используется как топливо, из него выделяют его составляющие для отдельного использования.

Состав природного газа
До 98% природного газа составляет метан, также в его состав входят гомологи метана - этан, пропан и бутан. Иногда могут присутствовать углекислый газ, сероводород и гелий. Таков состав природного газа.

Физические свойства
Природный газ бесцветен и не имеет запаха (в том случае, если не имеет в своём составе сероводорода), он легче воздуха. Горюч и взрывоопасен.
Ниже приведены более подробные свойства компонентов природного газа.

Свойства отдельных составляющих природного газа (рассмотрим подробный состав природного газа)

Метан (CH4) – это бесцветный газ без запаха, легче воздуха. Горюч, но всё же его можно хранить с достаточной лёгкостью.

Этан (C2H6) – бесцветный газ без запаха и цвета, чуть тяжелее воздуха. Также горюч, но не используется как топливо.

Пропан (C3H8) – бесцветный газ без запаха, ядовит. У него имеется полезное свойство: пропан сжижается при небольшом давлении, что позволяет легко отделять его от примесей и транспортировать.

Бутан (C4H10) – по свойствам близок к пропану, но имеет более высокую плотность. Вдвое тяжелее воздуха.

Углекислый газ (CO2) – бесцветный газ без запаха, но с кислым вкусом. В отличие от других компонентов природного газа (за исключением гелия), углекислый газ не горит. Углекислый газ – один из самых малотоксичных газов.

Гелий (He) – бесцветный, очень лёгкий (второй из самых лёгкий газов, после водорода) без цвета и запаха. Крайне инертен, при нормальных условиях не реагирует ни с одним из веществ. Не горит. Не токсичен, но при повышенном давлении может вызывать наркоз, как и другие инертные газы.

Сероводород (H2S) – бесцветный тяжелый газ с запахом тухлых яиц. Очень ядовит, даже при очень маленькой концентрации вызывает паралич обонятельного нерва.
Свойства некоторых других газов, не входящих в состав природного газа, но имеющих применение, близкое к применению природного газа

Этилен (C2H4) – Бесцветный газ с приятным запахом. По свойствам близок к этану, но отличается от него меньшей плотностью и горючестью.

Ацетилен (C2H2) – чрезвычайно горючий и взрывоопасный бесцветный газ. При сильном сжатии способен взрываться. Он не используется в быту из-за очень большого риска пожара или взрыва. Основное применение – в сварочных работах.

Применение

Метан используется как горючее в газовых плитах.

Пропан и бутан – в качестве топлива в некоторых автомобилях. Также сжиженным пропаном заполняют зажигалки.

Этан в качестве горючего используют редко, основное его применение – получение этилена.

Этилен является одним из самых производимых органических веществ в мире. Он является сырьём для получения полиэтилена.

Ацетилен используется для создания очень высокой температуры в металлургии (сверка и резка металлов). Ацетилен очень горюч, поэтому в качестве топлива в автомобилях не используется, да и без этого условия его хранения должны строго соблюдаться.

Сероводород , несмотря на его токсичность, в малых количествах применяется в т.н. сероводородных ваннах. В них используются некоторые антисептические свойства сероводорода.

Основным полезным свойством гелия является его очень маленькая плотность (в 7 раз легче воздуха). Гелием заполняют аэростаты и дирижабли. Водород ещё более лёгок, чем гелий, но в то же время горюч. Большую популярность среди детей имеют воздушные шарики, надуваемые гелием.

Токсичность

Углекислый газ. Даже большие количества углекислого газа никак не влияют на здоровье человека. Однако он препятствует поглощению кислорода при содержании в атмосфере от 3% до 10% по объёму. При такой концентрации начинается удушье и даже смерть.

Гелий. Гелий абсолютно нетоксичен при нормальных условиях из-за его инертности. Но при повышенном давлении возникает начальная стадия наркоза, похожая на воздействие веселящего газа*.

Сероводород . Токсичные свойства этого газа велики. При длительном воздействии на обоняние возникает головокружение, рвота. Также парализуется обонятельный нерв, поэтому возникает иллюзия отсутствия сероводорода, а на самом деле организм его уже просто не ощущает. Отравление сероводородом наступает при концентрации 0,2–0,3 мг/м3, концентрация выше 1 мг/м3 - смертельна.

Процесс горения
Все углеводороды при полном окислении (избыток кислорода) выделяют углекислый газ и воду. Например:
CH4 + 3O2 = CO2 + 2H2O
При неполном (недостаток кислорода) - угарный газ и воду:
2CH4 + 6O2 = 2CO + 4H2O
При ещё меньшем количестве кислорода выделяется мелкодисперсный углерод (сажа):
CH4 + O2 = C + 2H2O.
Метан горит голубым пламенем, этан - почти бесцветным, как спирт, пропан и бутан - жёлтым, этилен - светящимся, угарный газ - светло-голубым. Ацетилен - желтоватым, сильно коптит. Если у Вас дома стоит газовая плита и вместо обычного голубого пламени вы видите жёлтое - знайте, это метан разбавляют пропаном.

Примечания

Гелий , в отличие от любого другого газа, не существует в твёрдом состоянии.
Веселящий газ – это тривиальное название закиси азота N2O.

Замечания и дополнения к статье - в комментарии.

Для состава газа, определяемого из среднего компонентного состава природного газа в зависимости от месторождения, необходимо рассчитать характеристики газообразного топлива. Характеристики природного газа приводятся в таблице 1.

Таблица 1 – Состав газа по объему для различных месторождений

Теплотворная способность газа – количество теплоты, которое может быть получено при полном сгорании 1 м3 газа при нормальных условиях.

Различают высшую и низшую теплотворность топлива.

Высшая теплотворная способность газа – количество теплоты, полученное при полном сгорании 1м3 газа, включающее в себя теплоту, выделяющуюся при конденсации водяных паров продуктов сгорания.

Низшая теплотворность газа - количество теплоты, полученное в процессе горения, без учета теплоты конденсации водяных паров – продуктов сгорания.

Практически при сжигании газа водяные пары не конденсируются, а удаляются с другими продуктами сгорания, поэтому расчет ведем по низшей теплотворной способности газа.

Теплота сгорания (высшая или низшая) сухого газообразного топлива (газа) определяется по формуле

, (1)

где Q c – теплота сгорания сухого газа, кДж/м 3 ;

Q 1 , Q 2 , Q k – теплота сгорания компонентов, составляющих газообразное топливо, кДж/м 3 ;

x 1 , x 2 , x 3 – объемные доли компонентов, составляющих газообразное топливо, %.

Таблица 2 – Теплота сгорания чистых горючих газов

Плотность сухого газа определяют как сумму произведений плотностей компонентов, составляющих газообразное топливо, на их объемные доли:

, (2)

где p - плотность сухого газа, кг/м 3 ;

p 1 , p 2 , … , p k – плотности компонентов, кг/м 3 .

Таблица 3 – Физические характеристики газов

Относительная плотность сухого газа по воздуху равна:

, (3)

где p в = 1,293 - плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м 3 .

Характеристики газа сводят в таблицу 4.

Таблица 4 – Характеристики газообразного топлива при нормальных физических условиях (Т=273,15 К, Р=101,325 кПа)

1.1.1. Исходные данные:

Химический состав сухого газа (в % по объему):

1.1.3.Теплота сгорания газа:

Q p н = 385,18CH вл 4 + 637,48C 2 H вл 6 + 912,3C 3 H вл 8 + 1186,46C 4 H вл 1 0 + 1460,77C 5 H вл 1 2 , кДж/нм 3

Q p н = 385,18 ⋅ 97,0 + 637,48 ⋅ 0,5 + 912,3 ⋅ 0,3 + 1186,46 ⋅ 0,1 + 1460,77 ⋅ 0,2 = 35746,69 , кДж/нм 3

Q p н = 85,55CH вл 4 + 152,26C 2 H вл 6 + 217,9C 3 H вл 8 + 283,38C 4 H вл 1 0 + 348,9C 5 H вл 1 2 , ккал/нм 3

Q p н = 85,55 ⋅ 97,0 + 152,26 ⋅ 0,5 + 217,9 ⋅ 0,3 + 283,38 ⋅ 0,1 + 348,9 ⋅ 0,2 = 8538 , ккал/нм 3 .

1.1.4.Теоретически необходимое количество сухого воздуха:

V о в = 4,762 (2CH 4 + 3,5C 2 H 6 + 5C 3 H 8 + 6,5C 4 H 10 + 8C 5 H 12)/100 , нм 3 /нм 3

V о в = 4,762 (2 ⋅ 97 + 3,5 ⋅ 0,5+ 5 ⋅ 0,3+ 6,5 ⋅ 0,1+ 8 ⋅ 0,2)/100 = 4,762 ⋅ 199,5/100 = 9,5 нм 3 /нм 3 .

1.1.5.Теоретически необходимое количество воздуха с учетом его влажности:

V о в.вл = (1+0,0016d) ⋅ V о в, нм 3 /нм 3

V о в.вл = (1+0,0016 ⋅ 10) ⋅ 9,5 = 9,65 нм 3 /нм 3 ,

где: 0,0016 = 1,293/(0,804 ⋅ 1000) представляет собой коэффициент пересчета весовых единиц влаги воздуха, выраженных в г/кг сухого воздуха, в объемные единицы – нм 3 водяных паров, содержащихся в 1 нм 3 сухого воздуха.

1.1.6. Действительное количество сухого воздуха при коэффициенте избытка воздуха α=1,2:

V α = α ⋅ V о в = 1,2 ⋅ 9,5 = 11,4 нм 3 /нм 3

1.1.7.Действительное количество атмосферного воздуха при коэффициенте избытка α=1,2:

V ′ α = α ⋅ V о в.вл = 1,2 ⋅ 9,65 = 11,58 нм 3 /нм 3

1.1.8.Количество продуктов горения при α=1,2:

V CO 2 = 0,01(СО 2 + CH 4 + 2C 2 H 6 + 3C 3 H 8 + 4C 4 H 10 + 5C 5 H 12), нм 3 /нм 3

V CO 2 = 0,01(0,1 + 97 + 2 ⋅ 0,5 + 3 ⋅ 0,3 + 4 ⋅ 0,1 + 5 ⋅ 0,2) = 1,004 нм 3 /нм 3

V H2 O = 0,01(2CH 4 + 3C 2 H 6 + 4C 3 H 8 + 5C 4 H 10 + 6C 5 H 12 + H 2 O + 0,16d ⋅ V á), нм 3 /нм 3

V H2 O = 0,01(2 ⋅ 97 + 3 ⋅ 0,5 + 4 ⋅ 0,3 + 5 ⋅ 0,1 + 6 ⋅ 0,2 + 1,0 + 0,16 ⋅ 10 ⋅ 11,4) = 2,176 нм 3 /нм 3

V N 2 = 0,01N 2 + 0,79V á , нм 3 /нм 3

V N 2 = 0,01 ⋅ 0,8 + 0,79 ⋅ 11,4 = 9,014 нм 3 /нм 3

V O 2 = 0,21(α - 1)V о в, нм 3 /нм 3

V O 2 = 0,21 ⋅ (1,2 - 1) ⋅ 9,5 = 0,399 нм 3 /нм 3

Общее количество продуктов горения:

V ДГ = V CO 2 + V H2 O + V N 2 + V O 2 , нм 3 /нм 3

V ДГ = 1,004 + 2,176 + 9,014 + 0,399 = 12,593 нм 3 /нм 3

1.1.9. Процентный состав продуктов горения:

СО 2 = 1,004 ⋅ 100/12,593 ≅ 7,973%

H 2 O = 2,176 ⋅ 100/12,593 ≅ 17,279%

N 2 = 9,014 ⋅ 100/12,593 ≅ 71,579%

O 2 = 0,399 ⋅ 100/12,593 ≅ 3,168%

Итого: 99,999% или с точностью до двух знаков после запятой – 100%.

1.1.10.Материальный баланс процесса горения на 100 нм 3 газа (перевод нм 3 каждого газа в кг производят путем умножения на его плотность ñ o , кг/нм 3).

1.1.11.Общая энтальпия продуктов горения при t в =20 °C и á в =1,2:

i общ = Q p н /V ДГ + V ′ á ⋅ i ′ в /V ДГ, кДж/нм 3 (ккал/нм 3)

i общ = 35746,69/12,593 + 11,58 ⋅ 26,38/12,593 = 2862,9 кДж/нм 3 или

i общ = 8538/12,593 + 11,58 ⋅ 6,3/12,593 = 683,8 ккал/нм 3 ,

где: i ′ в = с в ⋅ t в = 1,319 ⋅ 20 = 26,38 кДж/нм 3 или

i ′ в = с в ⋅ t в = 0,315 ⋅ 20 = 6,3 ккал/нм 3

i ′ в может быть определена также по i-t диаграмме рис. 7.1.

1.1.12.Теоретическая температура горения при α=1,2

t теор =1775 °С, по i-t диаграмме рис. 7.2.

1.1.13.Коэффициент сохранения тепла в топке:

ϕ = 1 – q 5 /100= 1 – 0,5/100 = 0,995

где: q 5 – потери тепла в окружающую среду, зависят от конструктивных особенностей топки, в примере q 5 принимаем равными 0,5%.

Характеристика метана

§ Бесцветный;

§ Нетоксичный (не ядовитый);

§ Без запаха и вкуса.

§ В состав метана входит 75% углерода, 25% водорода.

§ Удельный вес составляет 0,717кг/м 3 (легче воздуха в 2 раза).

§ Температура воспламенения – это минимальная начальная температура, при которой начинается горение. Для метана она равна 645 о.

§ Температура горения – это максимальная температура, которая может быть достигнута при полном сгорании газа, если количество воздуха, необходимого для горения, точно отвечает химическим формулам горения. Для метана она равна 1100-1400 о и зависит от условий сжигания.

§ Теплота сгорания – это количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 м 3 газа и она равна 8500 ккал/м 3 .

§ Скорость распространения пламени равна 0,67 м/сек.

Газовоздушная смесь

В которой газа находится:

До 5% не горит;

От 5 до 15% взрывается;

Свыше 15% горит при подаче дополнительного воздуха (все это зависит от соотношения объема газа в воздухе и называется пределами взрываемости )

Горючие газы не имеют запаха, для своевременного определения их в воздухе, быстрого и точного обнаружения мест утечки, газ одорируют, т.е. дают запах. Для этого используют ЭТИЛМЕРКОПТАН. Норма одоризации 16 гр на 1000 м 3 . При наличии в воздухе 1% природного газа должен ощущаться его запах.

Газ, используемый в качестве топлива, должен соответствовать требованиям ГОСТа и содержать вредных примесей на 100м 3 не более:

Сероводорода 0,0 2 г/м.куб

Аммиака 2 гр.

Синильной кислоты 5 гр.

Смолы и пыли 0,001 г/м.куб

Нафталина 10 гр.

Кислорода 1%.

Использование природного газа имеет ряд преимуществ:

· отсутствие золы и пыли и выноса твердых частиц в атмосферу;

· высокая теплота сгорания;

· удобство транспортировки и сжигания;

· облегчается труд обслуживающего персонала;

· улучшаются санитарно-гигиенические условия в котельных и прилегающих районах;

· широкий диапазон автоматического регулирования.

При использовании природного газа требуются особые меры осторожности, т.к. возможна утечка через неплотности в местах соединения газопровода и арматуры. Наличие в помещении более 20% газа вызывает удушье, скапливание его в закрытом объеме свыше 5% до 15% приводит к взрыву газовоздушной смеси. При неполном сгорании выделяется угарный газ, который даже при небольшой концентрации (0,15%) является отравляющим.

Горение природного газа

Горением называется быстрое химическое соединение горючих частей топлива с кислородом воздуха, происходит при высокой температуре, сопровождается выделением тепла с образованием пламени и продуктов сгорания. Горение бывает полным и неполным.

Полное горение – происходит при достаточном количестве кислорода. Нехватка кислорода вызывает неполное сгорание , при котором выделяется меньшее количество тепла, чем при полном, угарный газ (отравляюще действует на обслуживающий персонал), образуется сажа на поверхности котла и увеличиваются потери тепла, что приводит к перерасходу топлива, снижению КПД котла, загрязнению атмосферы.

Продуктами сгорания природного газа являются – диоксид углерода, водяные пары, некоторое количество избыточного кислорода и азот. Избыточный кислород содержится в продуктах горения только в тех случаях, когда горение происходит с избытком воздуха, а азот в продуктах сгорания содержится всегда, т.к. является составной частью воздуха и не принимает участие в горении.

Продуктами неполного сгорания газа могут быть оксид углерода, несгоревшие водород и метан, тяжелые углеводороды, сажа.

Реакция метана:

СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О

Согласно формуле для сгорания 1 м 3 метана необходимо 10 м 3 воздуха, в котором находится 2 м 3 кислорода. Практически для сжигания 1 м 3 метана необходимо больше воздуха с учетом всевозможных потерь, для этого применяется коэффициент К избытка воздуха, который = 1,05-1,1.

Теоретический объем воздуха = 10 м 3

Практический объем воздуха = 10*1,05=10,5 или 10*1,1=11

Полноту сгорания топлива можно определить визуально по цвету и характеру пламени, а так же с помощью газоанализатора.

Прозрачное голубое пламя – полное сгорание газа;

Красное или желтое с дымными полосами – сгорание неполное.

Горение регулируется увеличением подачи воздуха в топку или уменьшением подачи газа. В этом процессе используют первичный и вторичный воздух.

Вторичный воздух – 40-50% (смешивается с газом в топке котла в процессе горения)

Первичный воздух – 50-60% (смешивается с газом в горелке до горения)на горение идет газовоздушная смесь

Горение характеризует скорость распределения пламени – это скорость, с которой элемент фронта пламени распространяется относительно свежей струю газовоздушной смеси.

Скорость горения и распространения пламени зависит от:

· от состава смеси;

· от температуры;

· от давления;

· от соотношения газа и воздуха.

Скорость горения определяет одно из основных условий надежной эксплуатации котельной и его характеризует отрыв пламени и проскок.

Отрыв пламени – происходит если скорость газовоздушной смеси на выходе из горелки больше скорости горения.

Причины отрыва : чрезмерное увеличение подачи газа или чрезмерное разряжение в топке (тяга). Отрыв пламени наблюдается при розжиге и при включении горелок. Отрыв пламени приводит к загазованности топки и газоходов котла и к взрыву.

Проскок пламени – происходит если скорость распространения пламени (скорость горения) будет больше скорости истечения газовоздушной смеси из горелки. Проскок сопровождается горением газовоздушной смеси внутри горелки, горелка раскаляется и выходит из строя. Иногда проскок сопровождается хлопком или взрывом внутри горелки. При этом может быть разрушена не только горелка, но и фронтовая стенка котла. Проскок происходит при резком снижении подачи газа.

При отрыве и проскоке пламени обслуживающий персонал должен прекратить подачу топлива, выяснить и устранить причину, провентилировать топку и газоходы в течение 10-15 минут и снова разжечь огонь.

Процесс горения газообразного топлива можно разделить на 4 стадии:

1. Вытекание газа из сопла горелки в горелочное устройство под давлением с увеличенной скоростью.

2. Образование смеси газа с воздухом.

3. Зажигание образовавшейся горючей смеси.

4. Горение горючей смеси.

Газопроводы

Газ к потребителю подается по газопроводам – наружным и внутренним – на газораспределительные станции, размещенные за городом, а с них по газопроводам на газорегуляторные пункты ГРП или газорегуляторный устройства ГРУ промышленных предприятий.

Газопроводы бывают:

· высокого давления первой категории свыше 0,6 Мпа до 1,2 Мпа включительно;

· высокого давления второй категории свыше 0,3 Мпа до 0,6 Мпа;

· среднего давления третьей категории свыше 0,005 Мпа до 0,3 Мпа;

· низкого давления четвертой категории до 0,005Мпа включительно.

· МПа - означает Мега Паскаль

В котельной прокладывают газопроводы только среднего и низкого давления. Участок от распределительного газопровода сети (городской) к помещению вместе с отключающим устройством называют вводом.

Вводным газопроводом считают участок от отключающего устройства на вводе, если он установлен снаружи помещения к внутреннему газопроводу.

На вводе газа в котельную в освещенном и удобном для обслуживания месте, должна находиться задвижка. Перед задвижкой должен быть изолирующий фланец, для защиты от блуждающих токов. На каждом отводе от распределительного газопровода к котлу, предусматривается не менее 2 отключающих устройств, одно из которых устанавливается непосредственно перед горелкой. Помимо арматуры и КИП на газопроводе, перед каждым котлом, обязательно устанавливается автоматическое устройство, обеспечивающее безопасную работу котла. Для предотвращения попадания газов в топку котла, при неисправных отключающих устройствах, необходимы продувочные свечи и газопроводы безопасности с отключающими устройствами, которые при бездействующих котлах должны быть открыты. Газопроводы низкого давления красят в котельных в желтый цвет, а среднего давления в желтый с красными кольцами.

Газовые горелки

Газовые горелки - газогорелочное устройство, предназначенное для подачи к месту горения, в зависимости от технологических требований, подготовленной газовоздушной смеси или разделенного газа и воздуха, а так же для обеспечения устойчивого сжигания газообразного топлива и регулирования процесса горения.

К горелкам предъявляются следующие требования:

· основные типы горелок должны изготавливаться на заводах серийно;

· горелки должны обеспечивать пропуск заданного количества газа и полноту его сжигания;

· обеспечивать минимальное количество вредных выбросов в атмосферу;

· должны работать без шума, отрыва и проскока пламени;

· должны быть просты в обслуживании, удобны для ревизии и ремонта;

· при необходимости могли бы использоваться для резервного топлива;

· образцы вновь создаваемых и действующих горелок подлежат ГОСТ испытанию;

Главной характеристикой горелок является её тепловая мощность , под которой понимают количество теплоты, способное выделяться при полном сгорании топлива, поданного через горелку. Все данные характеристики можно найти в паспорте горелки.