Вопрос № 2. Газовое топливо (30 мин.)

Газовое топливо делится на природное и искусственное и представляет собой смесь горючих и негорючих газов, содержащую некоторое количество водяных паров, а иногда пыли и смолы. Количество газового топлива выражают в кубических метрах при нормальных условиях (760 мм рт. ст. и 0°С), а состав — в процентах по объему. Под составом топлива понимают состав его сухой газообразной части.

Наиболее распространенное газовое топливо — это природный газ, обладающий высокой теплотой сгорания. Основой природного газа является метан, содержание которого 76,7-98%. Другие газообразные соединения углеводородов входят в состав природного газа от 0,1 до 4,5%. Сжиженный газ - продукт переработки нефти - состоит в основном из смеси пропана и бутана.

Химический состав газа для промышленного применения в газоэлектрогенераторах:

Природный газ: метан CH₄ более 90%, этан C₂H₆ менее 4%, пропан C₃H₈ менее 1%

Сжиженный газ: пропан C₃H₈ более 65%, бутан C₄H₁₀ менее 35%.

В состав горючих газов входят: водород Н₂, метан СН₄, Другие углеводородные соединения С_mН_n, сероводород Н₂S и негорючие газы, двуокись углерода СО₂, кислород О₂, азот N₂ и незначительное количество водяных паров Н₂О.

Состав сухого газообразного топлива (в процентах по объему):

СО + Н₂ + Σ С_mН_n + Н₂S + СO₂ + O₂ + N₂ = 100%.

Негорючую часть сухого газового топлива — балласт — составляют азот N₂ и двуокись углерода СО₂.

Состав влажного газообразного топлива выражают следующим образом:

СО + Н₂ + Σ С_mН_n + Н₂S + СО₂ + O₂ + N₂ + Н₂О = 100%.

Теплота сгорания 1 м³ сухого природного газа при нормальных условиях для большинства отечественных месторождений составляет 33,29 - 35,87 МДж/м³.

Таблица 1. Характеристика газообразного топлива

Газ	Обозначение	Теплота сгорания Qн кДж/м3
Водород	Н2,	10820
Окись углерода	СО	12640
Сероводород	Н2S	23450
Метан	СН4	35850
Этан	С2Н6	63 850
Пропан	С3Н8	91300
Бутан	С4Н10	118700
Пентан	С5Н12	146200
Этилен	С2Н4	59200
Пропилен	С3Н6	85980
Бутилен	С4Н8	113 400
Бензол	С6Н6	140400

Показатели пожарной опасности углеводородных топлив

Показатель	Метан	Пропан	Бутан	Бензиновые пары (для сравнения)
КПР, % по объему	5-14	2.4-9.5	1.9-8.6	1.5-6
Температура самовоспламенения при атмосферном давлении, С	650	550	500	300
Температура пламени при атмосферном давлении, С	1300	990	990	750
Скорость горения, см/с	40	48	42	40
Скорость распространения в воздухе, см/с	~0.51	~0.34	-	~0.17
Максимальная энергия зажигания, кДж	0.28	0.25	0.25	~0.24
Максимальное давление взрыва, МПа	0.72	0.86	0.86

Получение генераторных газов

Получение окиси углерода в промышленности газификацией твердого топлива

Для промышленных целей окись углерода получают путём газификации твёрдого топлива, т. е. превращения его в газообразное т опливо. Так можно получить окись углерода из любого твёрдого топлива — ископаемых углей, торфа, дров и т. д.

Процесс газификации твердого топлива показан на лабораторном опыте (рис.1). Заполнив тугоплавкую трубку кусочками древесного угля, сильно нагреем её и будем пропускать кислород из газометра. Выходящие из трубки газы пропустим через промывалку с известковой водой и затем подожжём. Известковая вода мутится, газ горит синеватым пламенем. Это указывает на наличие двуокиси и окиси углерода в продуктах реакции.

Образование этих веществ можно объяснить тем, что при соприкосновении кислорода с раскалённым углем последний сначала окисляется в двуокись углерода: С + О₂ = СO₂

Затем, проходя через раскалённый уголь, двуокись углерода частично восстанавливается им до окиси углерода: СО₂ + С = 2СO

В промышленных условиях газификацию твёрдого топлива осуществляют в печах, называемых газогенераторами.

Образующаяся смесь газов называется генераторным газом.

Устройство генератора газа показано на рисунке. Он представляет собой стальной цилиндр высотой около 5 м и диаметром примерно 3,5 м, футерованный внутри огнеупорным кирпичом. Сверху генератор загружается топливом; снизу через колосниковую решётку вентилятором подаётся воздух или водяной пар.

Кислород воздуха реагирует с углеродом топлива, образуя двуокись углерода, которая, поднимаясь вверх через слой раскалённого топлива, восстанавливается углеродом до окиси углерода.

Если в генератор вдувать только воздух, то получается газ, который в своём составе содержит окись углерода и азот воздуха (а также некоторое количество СО₂ и других примесей) . Такой генераторный газ называется в оздушным газом.

Если же в генератор с раскалённым углем вдувать водяной пар, то в результате реакции образуются окись углерода и водород:

С + Н₂О = СO + Н₂

Эта смесь газов называется водяным газом. Водяной газ обладает более высокой теплотворной способностью, чем воздушный, так как в его состав наряду с окисью углерода входит и второй горючий газ — водород. Водяной газ (синтез газ), один из продуктов газификациии топлив. Водяной газ состоит главным образом из СО (40%) и Н₂ (50%). Водяной газ - это топливо (теплота сгорания 10 500 кДж/м³) и одновременно сырье для синтеза метилового спирта. Водяной газ, однако, нельзя получать продолжительное время, так как реакция образования его эндотермическая, и поэтому топливо в генераторе остывает. Чтобы поддерживать уголь в раскалённом состоянии, вдувание водяного пара в генератор чередуют с вдуванием воздуха, кислород которого, как известно, реагирует с топливом с выделением тепла.

В последнее время для газификации топлива стали широко применять парокислородное дутьё. Одновременное продувание через слой топлива водяного пара и кислорода позволяет вести процесс непрерывно, значительно повышать производительность генератора и получать газ с высоким содержанием водорода и окиси углерода.

Великий русский учёный Д. И. Менделеев впервые высказал идею о том, что газификацию каменного угля можно производить непосредственно под землёй, не поднимая его наружу.

Подземную газификацию осуществило впервые Советское государство. Уже до Великой Отечественной войны в Советском Союзе работали подземные генераторы в Донецком и Подмосковном угольных бассейнах.

Представление об одном из способов подземной газификации даёт рисунок 3. В угольный пласт прокладывают две скважины, которые внизу соединяют каналом. Уголь поджигают в таком канале у одной из скважин и подают туда дутьё. Продукты горения, двигаясь по каналу, взаимодействуют с раскалённым углем, в результате чего образуется горючий газ как и в обычном генераторе. Газ выходит на поверхность через вторую скважину.

Генераторный газ широко применяется для обогрева промышленных печей — металлургических, коксовых и в качестве топлива в автомобилях.

Рис. 3. Схема подземной газификации каменного угля.

Из водорода и окиси углерода водяного газа синтезируют ряд органических продуктов, например жидкое топливо. Синтетическое жидкое топливо - горючее (в основном бензин), получаемое синтезом из окиси углерода и водорода при 150-170⁰С и давлении 0,7 - 20 МПа в присутствии катализатора (никель, железо, кобальт). Первое производство синтетического жидкого топлива организовано в Германии во время 2-й Мировой войны в связи с нехваткой нефти. Широкого распространения синтетическое жидкое топливо не получило из-за его высокой стоимости. Водяной газ используют для производства водорода. Для этого водяной газ в смеси с водяным паром нагревают в присутствии катализатора и в результате получают водород дополнительно к уже имеющемуся в водяном газе: СО + Н₂О = СO₂ + Н₂

Из полученной смеси удаляют двуокись углерода, растворяя её в воде под давлением. Водород применяют для синтеза аммиака и для других целей.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ (5 мин.)

Преподаватель подводит итоги занятия. По результатам работы курсантов (студентов) и проведенного опроса он определяет степень усвоения материала и предварительно оценивает работу каждого из обучающихся.

Курсантам (студентам), сдавшим работы в ходе занятия, по результатам их проверки и предварительных итогов преподаватель объявляет окончательную оценку. Остальным слушателям (курсантам) преподаватель объявляет, что оценки будут доведены после проверки работ, и ставит задачу дежурному собрать разработанные документы и литературу; дает задание курсантам (студентам) на самостоятельную работу

Задание на самоподготовку (обучающиеся переписывают его в тетрадь).