Технология использования сжатых газов (стр. 20 )

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 м 3 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 a = 1,05-1,2, его величина зависит от эффективности топочного устройства. Нужно стремиться, чтобы a 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.

7.1.2 Определение искусственных горючих газов

Газообразные углеводородные соединения, получаемые искусственным путем, называются искусственными горючими газами. Сырьем для получения искусственных горючих газов являются различные топлива природного происхождения (каменный и бурый угли, торф, горючие сланцы, древесина, растительные массы, отходы животноводства), жидкие (нефть, нефтепродукты) и газообразные вещества (продукты химических, нефтехимических, металлургических и других производств).

Следует отметить, что к числу искусственных горючих газов относят не только газы, полученные преднамеренно, как конечный продукт, но и горючие газы, получаемые в некоторых технологических процессах как побочный, попутный продукт. К первой группе относятся генераторные газы, получаемые газификацией твердых топлив, биогазы – продукт разложения биомассы. Ко второй группе относятся коксовый газ, образующийся при производстве кокса и нефтезаводские газы – продукт термического разложения нефти, газы металлургических производств (доменной, конверторный и др.).

Использование искусственных горючих газов в настоящее время, характеризующееся энергетическим кризисом, представляет собой мощную альтернативу потреблению природных топлив – газа и нефти, объем потребления которых достиг огромных размеров, приближая реальную угрозу истощения мировых запасов. Тем более что для производства искусственных горючих газов применяются энергосберегающие технологии, использующие побочные продукты и отходы различных производств (химия, нефте - и коксохимия, металлургия, деревообработка, сельское хозяйство). Сегодня эти технологии совершенствуются, доводятся до промышленного использования. Активно ведутся работы по разработке принципиально новых технологий, таких как, например, получение моторных топлив из сельскохозяйственных культур – рапса, сахарного тростника.

Перспективным является изобретение украинскими учеными способа репродукции метана из продуктов сгорания природного газа. В специальном реакторе углекислый газ продуктов сгорания природного газа с помощью сверхсовременных технологий вступают в соединение с водородом, получаемым из воды, с образованием метана. При этом происходит репродукция метана почти в том же самом количестве. Выделяющееся тепло может быть полезно использовано. Очень важным является полное связывание углекислого газа, создающего парниковый эффект.

Для промышленного производства искусственных газов применяется ряд известных технологий. Основные из них рассмотрены ниже.

Искусственные горючие газы получают термической переработкой твердых и жидких топлив. Распространенными способами переработки твердых топлив являются коксование и газификация, а для жидких нефтепродуктов – крекинг. Термическая переработка топлив характеризуется значительными затратами на подготовку топлива и сооружение специальных установок, большими затратами тепла на технологический процесс, необходимостью очистки и переработки получаемых газов. Использование горючих газов определяется их жаропроизводительностью. В зависимости от жаропроизводительности искусственные газы можно разбить на три группы.

В первую группу входят газы с малым содержанием балласта и жаропроизводительностью выше 2000оС. Эти газы позволяют создавать высокотемпературные технологические процессы. Вторая группа включает газы, содержащие от 20 до 70% балласта. Их жаропроизводительность находится в пределах от 1500 до 1800оС. Эти газы целесообразно использовать в средне - и низкотемпературных процессах. Третью группу составляют газы, содержащие более 70% балласта, имеющие жаропроизводительность ниже 1200оС. Эти газы можно использовать в смеси с другими газами первой и второй групп. Энергетическая классификация искусственных газов в зависимости от их жаропроизводительности приведена в табл. 7.1.

Таблица 7.1 – Состав и теплотехнические характеристики искусственных газов из твердых топлив

Газ	Состав, % (обьема)	Теплота сгорания низшая, ккал/м3	Жаропроиз-водитель- ность (с учетом влаги воздуха),оС
H2	CH4	CmHn	CO	CO2	O2	N2
Высокой жаропроизводительности
Коксовый из камен- ных углей	58	25	2	7	3	0,2	4	4300	2090
Коксовый из сланцев	38,6	23,7	5,7	10,9	18,8	0,3	2	4800	2100
Генератор- ный пароки- слородный	59,1	9,85	1,02	21,2	1,9	0,3	2,25	3280	2150
Генератор- ный водяной	48	0,5	-	38,5	6	0,2	6,4	2500	2180
Средней жаропроизводительности
Генератор- ный паровоз- душный из бурого угля	13	2	0,3	30	5	0,2	50,4	1460	1720
Доменный	2,7	0,3	-	28	10,5	-	58,5	940	1470
Низкой производительности
Газ бурых уг- лей подзем- ной газифи- кации	18	1	-	8	-	-	71	870	1200

7.2 Газификация твердых топлив. Получение генераторного газа

7.2.1 Исторический очерк

Доменные печи для выплавки чугуна представляли первые виды приборов для получения горючей смеси азота и окиси углерода, потому что колошниковые газы, из таких печей выходящие, прежде не собиравшиеся, а прямо на месте сжигавшиеся, оказались способными питать топку паровых котлов и воздухонагревательных печей. Особые устройства для получения горючего газа того же рода, как из доменных печей, получили практическое применение в середине ХIX столетия, во Франции и в Германии. Первые усилия были направлены преимущественно к тому, чтобы при помощи генераторов пользоваться такими низшими, малопригодными для заводского дела видами топлива, каковы торф, хвоя, опилки
и т. п. Оказалось, что с ними можно получить генераторный газ, достоинством не уступающий тому, который образуется коксом и дровами, и дающий при прямом сжигании температуры не ниже, а выше доставляемых древесным топливом. Это уже обратило внимание на генераторный газ. Но в 70-х годах начали широко применять генераторный газ для регенеративных печей, в которых теплота продуктов горения применяется для предварительного нагрева воздуха и генераторного газа, потому что при таком способе применения стало экономически выгодно получать при их помощи повышенные температуры, достаточные для прямой плавки стали.