Газовое топливо. Виды газообразных топлив

Газовое топливо – это горючие газы, основное свое применение находят для сжигания в отопительных котлах и установках.

Газообразное топливо находит широкое применение в разных отраслях народного хозяйства, в энергетике для выработки тепловой энергии (сжигается непосредственно в отопительных котлах для нагрева теплоносителя), а также в качестве замены бензина на двигателях внутреннего сгорания. В качестве топлива природный газ используется и для нагревания отходов и мусора в мусороперерабатывающих установках и на мусоросжигательных заводах.

Рис. 1. Детальная классификация и состав двух видов газообразного топлива

Газовое топливо условно можно разделить на естественное (природное) и искусственное.

Естественный газ, называемый природный газ, добывают из недр земли.

Искусственный газ получают путем переработки горючих компонентов, которые имеются в составе угля, торфа, дров, нефти, газов. Например, при перегонке сухой нефти получают нефтяной газ, светильный газ получают путем нагревания каменного угля, древесины или торфа без доступа кислорода, генераторный газ (воздушный и водяной) получают путем термического воздействия на перерабатываемое топливо в генераторе с участием воздуха и/или водяного пара. При воздействии на карбид кальция водой получают – ацетилен. Доменный газ получается при плавке чугуна в доменных печах, он является побочным продуктом доменного производства. Нагревание специальных коксующихся сортов угля без доступа кислорода способствует выработке коксового газа, с протеканием данного процесса в коксовых печах.

Преимущества использования газового топлива:

• для горения газового топлива в топку нет необходимости вводить большой избыток окислителя, за счет чего коэффициент полезного действия (КПД) котла повышается;
• при сгорании газового топлива не образуется нежелательных продуктов сухой перегонки и сернистых соединений, копоти и дыма;
• легко транспортируется по газопроводам к удаленным потребителям и может храниться централизованно;
• легко воспламеняется, практически при любой температуре окружающего воздуха;
• требует сравнительно небольших затрат при добыче, а значит, является по сравнению с другими видами топлив более дешевым видом топлива;
• при хранении может находится как в сжатом, так и в сжиженном виде (например, для ДВС);
• обладает высокими противодетонационными свойствами;
• при сгорании не образует конденсата, что обеспечивает значительное уменьшение износа деталей машин.

Недостатки использования газового топлива:

• имеет отравляющее действие;
• легко образует взрывчатую смесь при смешении с воздухом;
• легко протекает через неплотности соединений;
•  требуется соблюдение повышенных мер безопасности при работе с газовым топливом.

1. Природный газ

Природный газ – это смесь углеводородных соединений и небольших количеств неуглеводородов, существующих в газообразной форме или в растворе с нефтью в природных подземных пластах.

Его обычно относят к подкатегориям, таким как попутный газ (получаемый с месторождений, на которых добываются как жидкие, так и газообразные углеводороды), растворенный газ или непопутный газ (получаемый с месторождений, на которых добываются только углеводороды в газообразной форме). К газам данных категорий относят: метан (СН₄), получаемый из угольных шахт, газ сточных вод и природный газ, сжиженный для транспортировки. В данные категории не включены: газ, используемый для повышения упругости паров и для повторного нагнетания, а также газ, сжигаемый в факеле, выпускаемый или теряемый каким-либо другим образом и потери имеющие место в процессе извлечения жидких веществ, полученных из природного газа.

Рис. 2. Горение природного газа

Природный газ является полезным ископаемым. В земных недрах (в пластовых условиях залегания) природный газ в основном находится в газообразном состоянии – в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений. Также природный газ встречается в растворенном состоянии в нефти или воде. При нормальных условиях (101,325 кПа и 20 °C) природный газ находится только в газообразном состоянии. Также природный газ может находиться в кристаллическом состоянии в виде естественных газогидратов.

Природный газ, как и нефть, также стал известен человеку очень давно. В предгорьях Малого Кавказа за 6000 лет до н. э. горели «вечные огни». Данные «вечные огни» образовывались в местах выходов газа на поверхность от случайного воспламенения. Понятно, что происхождение всех этих огней сразу приписывали высшим силам, в том числе и природным явлениям, когда над землей, либо над водой казалось бы из ничего возникало пламя.

Гораздо более зрелищный эффект дают выбросы воспламенившегося газа из грязевых «вулканов» залпом. Об одном из таких выбросов можно судить по наблюдениям наших дней. Так 15 ноября 1958 года во время «извержения» грязевого вулкана банки Макарова-отмели, находящейся в море на расстоянии около 25 км от Баку, высота первоначально вырвавшегося и воспламенившегося столба газа достигала нескольких километров. В последующем горящее пламя имело высоту около 500 м и диаметр около 120 м. Мощное извержение продолжалось около суток.

Глубина залегания природного газа составляет от 1000 метров до нескольких километров. Одной из сверхглубоких скважин считается приток газа с глубины более 6000 метров недалеко от города Новый Уренгой. В недрах газ находится в микроскопических пустотах (порах). Поры соединены между собой микроскопическими каналами – трещинами, по этим каналам газ поступает из пор с высоким давлением в поры с более низким давлением до тех пор, пока не окажется в скважине. Движение газа в пласте подчиняется определенным законам.

Как было сказано ранее в основном газ добывают посредством пробуренных в земле скважин. Эти скважины бурят по возможности более равномерно по всей территории месторождения. Это делается для равномерного падения пластового давления в залежах газа. Если этого не делать, то возможны перетеки газа между областями месторождения, а также преждевременное обводнение залежи. Подъем газа с глубины протекает естественным образом. Он выходит за счет того, что в залежах природный газ находится под давлением, многократно превышающем атмосферное. Таким образом, движущей силой является разность давлений в пласте и системе сбора.

В 2005 году в России объем добычи природного газа составил 548 млрд м³. Внутренним потребителям было поставлено 307 млрд. м³ через 220 региональных газораспределительных организаций. На территории России расположено 24 хранилища природного газа. Протяженность магистральных газопроводов России составляет 155 тыс. км.

В 2009 году США впервые обогнали Россию не только по объему добытого газа (624 млрд м³ против 582,3 млрд м³), но и по объему добычи товарного газа, то есть идущего на продажу контрагентам. Это объясняется ростом добычи сланцевого газа (т. н. сланцевая революция). В 2010 году Россия вернула себе лидерство в объемах добываемого газа, нарастив добычу до 647 млрд м³. США же, напротив, снизили добычу до 619 млрд м³. В 2011 году, согласно данным ЦДУ ТЭК РФ, добыча газа в России составила 670,5 млрд м³.

В связи с большими масштабами добычи газ в США потребляется преимущественно в качестве топлива. Несмотря на высокий уровень развития нефтехимии, для покрытия всех ее потребностей в сырье достаточно было бы не более 6-7% от общего потребления природного газа. Но около половины необходимого сырья нефтехимия получает в виде нефтезаводского газа и около четверти – в виде жидкого газа. Поэтому в нефтехимии расходуется лишь немногим более 1,5 % от общего потребления природного газа США, а включая расход жидкого газа, – около 3 %.

Природный газ (метан) находит широкое применение для производства метанола, ацетилена, аммиака, цианистого водорода и других важнейших полупродуктов для органического синтеза.

Природный газ является основным сырьем для производства аммиака. Примерно три четверти всего аммиака используется для производства азотных удобрений – основного вида минеральных удобрений. Рост производства азотных удобрений обусловлен интенсивным строительством магистральных газопроводов после окончания второй мировой войны, это позволило расположить производства минеральных удобрений в непосредственной близости к районам их потребления.

В послевоенное время население многих стран испытывало необходимость в увеличении объемов производства продуктов питания. Применение минеральных удобрений в этот период позволило снизить издержки на выращивание многих продуктов сельского хозяйства. Сегодня наиболее эффективным методом капитальных вложений в сельское хозяйство в США считается расширение использования удобрений. Таким образом, развитие газовой промышленности способствовало прогрессу сельскохозяйственного производства.

Цианистый водород, который получают из аммиака, наряду с ацетиленом служит исходным сырьем для производства синтетических волокон. Из ацетилена, например, в США вырабатываются различные пласты-каты, которые широко применяют в быту и промышленности; ацетилен также используется для производства ацетатного шелка. Метанол является важнейшим полуфабрикатом, применяемым для производства пластмасс.

2. Газогенераторный газ

Газогенераторный газ – это газ, производимый путем карбонизации или полной газификации нефтяных продуктов с обогащением или без обогащения.

К таким газам относят все виды газа, производимых предприятиями, основной целью которых является производство промышленного газа. Также к генераторным газам относят и газ, производимый путем крекинга природного газа и путем риформинга и простого смешивания газов. К генераторным газам относят и газы, полученные в газогенераторах и газификаторах, работающих на угле и древесине.

Рис. 3. Цепь реакций при термическом крекинге парафиновых углеводородов (по Тиличееву и Немцову)

3. Коксовый газ

Коксовый газ – это горючий газ, образующийся в процессе коксования каменного угля, то есть при нагревании его без доступа воздуха до 900-1100 °С. В коксовом газе содержится много ценных веществ, например, водород, метан, оксиды углерода, пары каменно-угольной смолы, бензол, аммиак, сероводород и др. Отводящаяся через газосборник, для улавливания и переработки, парогазовая смесь выделившихся летучих продуктов (до 25 % от общей массы перерабатываемого угля) подвергают охлаждению впрыскиванием воды (от 70 до 80 °C), что обеспечивает разделения летучих продуктов. При этом из паровой фазы выделяется большая часть смол, дальнейшее охлаждение парогазовой смеси проводят в кожухотрубчатых холодильниках (до 25-35 °C).

Конденсаты объединяют и отстаиванием выделяют надсмольную воду (аммиачная вода) и каменноугольную смолу. Далее сырой коксовый газ последовательно очищают от аммиака и сероводорода, промывают поглотительным маслом (для улавливания сырого бензола и фенола), серной кислотой (для улавливания пиридиновых оснований). Очищенный коксовый газ (14-15 % от общей массы перерабатываемого угля) используют в качестве топлива для обогрева батареи коксовых печей и для других целей.

Рис. 4. Разделение коксового газа на составляющие

В самом начале использования технологии коксования углей, получаемый при этом побочный продукт – коксовый газ использовался для освещения, приготовления пищи и обогрева. Развитие производства газа шло параллельно с промышленной революцией и урбанизацией, а производство побочных продуктов, каменноугольных смол и аммиака, были важным сырьем для химических красителей и химической промышленности. Все виды искусственных красителей были изготовлены из коксового газа и смолы.

Рис. 5. Использование коксового газа (Авдеевский Коксохимический завод)

В настоящее время коксовый газ применяется как топливо на металлургических заводах, в коммунальном хозяйстве и как химическое сырье. Используют его и как топливо в промышленных печах, газовых двигателях, как сырье в химической промышленности. Из коксового газа выделяют

водород, необходимый для синтеза аммиака методом фракционированной конденсации при низких температурах. Получающаяся при этом этиленовая фракция служит сырьем для различных синтезов.

Примесь сероводорода в коксовом газе нежелательна и в тех случаях, когда газ используют в качестве топлива, и тогда, когда он является химическим сырьем. Поэтому коксовый газ очищают от сероводорода. Для очистки газов применяют различные методы.

К методам сухой очистки относится метод очистки газа болотной рудой. Таким методом можно удалить сероводород практически полностью, до содержания сероводорода 0,02 г/м³. Поэтому в тех случаях, когда необходима тщательная очистка газа, например при использовании его в быту, прибегают сначала к мокрой, а затем к сухой очистке.

Вакуум – содовый метод очистки коксового газа от сероводорода заключается в следующем. Газ подается в скруббер, который орошается 4-5%-ным раствором соды при 30 °С. Сероводород, а вместе с ним углекислота и синильная кислота, присутствующая в газе в небольших количествах (0,5- 1,2 г/м³), абсорбируются, образуя соли.

4. Колошниковый газ

Колошниковый газ – это побочный продукт доменных печей, восстановленный на выходе из печи.

Вместе с газом из доменной печи выносится значительное количество пыли, содержание которой при плавке на подготовленной руде составляет 30-40 г/м³, а при применении пылеватых руд достигает 50-100 г/м³. Применение в качестве топлива газа, загрязненного пылью, для многих современных горелок и агрегатов недопустимо. Поэтому газ очищают от пыли до остаточной концентрации 0,01-0,02 г/м³.

Газ подвергают последовательно грубой, полутонкой и тонкой очистке. При грубой очистке пыль осаждают в результате увеличения объема газа и снижения его скорости, когда газ переходит из меньшего сечения в большее. Это происходит в пылеуловителях с радиальным подводом газа и циклонах с тангенциальным подводом газа. В этих пылеуловителях осаждается до 80 % всей пыли и содержание пыли уменьшается до 1-4 г/м³.

Рис. 6. Колошниковый газ горит

Рис. 7. Колошниковый газ в структурной схеме плавки чугуна

Полутонкую очистку газа обычно осуществляют в мокрых пылеуловителях, например в скрубберах, в которых газ проходит через деревянные насадки, а навстречу ему движется поток воды, разбрызгиваемой форсунками. Пыль захватывается водой и уносится вместе с ней. Производительность скрубберов составляет более 25 тыс. м³ газа в час при расходе воды до 0,0027 м³/м³ газа. Степень очистки при работе печей на низком давлении – около 0,5 г/м³, а при высоком давлении достигает 0,05 г/м³.

Тонкую очистку газа осуществляют чаще всего по мокрому способу в электрофильтрах или дезинтеграторах и иногда сухим способом в фильтрах из тканей или синтетических материалов.

5. Биогаз

Биогаз – это газ, получаемый водородным или метановым брожением биомассы.

Метановое брожение биомассы происходит под воздействием трех видов бактерий. В цепочке выработки биогаза последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид – бактерии гидролизные, второй – кислотообразующие, третий – метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида. Одной из разновидностей биогаза является биоводород, где конечным продуктом жизнедеятельности бактерий является не метан, а водород.

Рис. 8. Заводы производящие биогаз

Человечество научилось использовать биогаз очень давно. В 1 тысячелетии до н. э. на территории современной Германии уже существовали примитивные биогазовые установки. Алеманам, населявшим заболоченные земли бассейна Эльбы, чудились Драконы в корягах на болоте. Они полагали, что горючий газ, скапливающийся в ямах на болотах – это дыхание Дракона. Чтобы задобрить Дракона, в болото бросали жертвоприношения и остатки пищи. Люди верили, что Дракон приходит ночью и его дыхание остается в ямах. Алеманы додумались шить из кожи тенты, накрывать ими болото, отводить газ по кожаным же трубам к своему жилищу и сжигать его для приготовления пищи. Оно и понятно, ведь сухие дрова найти было трудно, а болотный газ (биогаз) отлично решал эту проблему.

Первая задокументированная биогазовая установка была изготовлена и построена в Бомбее (Индия, 1859 год). В 1895 году биогаз активно применяли в Великобритании для уличного освещения. В 1930 году, с развитием микробиологии, были обнаружены бактерии, участвующие в процессе производства биогаза.

Рис. 9. Модель биогазовой установки по сравнению с человеком

В СССР основные исследования начались в 40-х годах прошлого века. В 1948-1954 гг. была разработана и построена первая лабораторная установка. В 1981 году при Госкомитете по науке и технике была создана специализированная секция по программе развития биогазовой отрасли. В рамках чего в Запорожском конструкторско-технологическом институте сельскохозяйственного машиностроения были построены 10 комплектов оборудования. Из современников в области биогаза отметились Andreas Krieg, Torsten Fischer, Walder Schmid. Биогаз используют в качестве топлива для производства: электроэнергии, тепла или пара, или в качестве автомобильного топлива.

Рис. 10. Схема применения биогаза

Биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах. Биогазовая установка может заменить ветеринарно-санитарный завод, т. е. падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства мясо-костной муки.

Рис. 11. Схема получения биогаза из навоза

Ведущее место по производству и применению биогаза среди промышленно развитых стран по относительным показателям принадлежит Дании – биогаз занимает почти 18 % в ее общем энергобалансе. По абсолютным показателям по количеству средних и крупных установок ведущее место занимает Германия – 8000 установок. В Западной Европе более половины всех птицеферм отапливаются биогазом.