Газообразное топливо: Свойства, классификация и применение

В иерархии энергетических ресурсов газообразное топливо занимает особое положение, превосходя по ключевым термодинамическим и эксплуатационным показателям как жидкие (нефтепродукты), так и все виды твёрдого топлива. Его фундаментальное преимущество заключается в высокой теплотворной способности, или калорийности. Этот показатель обусловлен особенностями химического строения: в отличие от твёрдого топлива или сложных углеводородных молекул нефти, при сгорании газа не требуется затрачивать значительную энергию на разрыв прочных межатомных углерод-углеродных связей. Энергия высвобождается более эффективно и полно.

Ещё одним критически важным преимуществом является гомогенность смесеобразования. Газ, в силу своего агрегатного состояния, идеально смешивается с окислителем (воздухом), формируя однородную топливовоздушную смесь. Это позволяет осуществлять процесс сгорания с минимально необходимым коэффициентом избытка воздуха. Как следствие, значительно снижаются непроизводительные потери теплоты, идущие на нагрев балластного азота и избыточного кислорода, что напрямую повышает КПД тепловой установки. Кроме того, возможность предварительного подогрева газа перед подачей в камеру сгорания позволяет достигать более высоких температур пламени, что является ключевым фактором для многих металлургических и промышленных процессов. Нельзя не отметить и логистическое удобство: магистральные газопроводы представляют собой высокоэффективный и экономичный способ транспортировки энергоресурса на тысячи километров.

К основным и наиболее значимым видам газообразного топлива, используемым в современной промышленности и энергетике, относятся: природный газ, генераторные газы, коксовый газ и перспективное водородное топливо.

1. Промышленные горючие газы из твердого топлива

Промышленные газы, получаемые из твердого сырья (угля, торфа, сланцев), исторически стали первым шагом к масштабному использованию газообразного топлива. Основным методом их получения является процесс газификации.

Генераторные газы — это продукты высокотемпературной газификации твёрдого топлива, которая заключается в его неполном окислении. Процесс реализуется в специализированных агрегатах — газогенераторах. Конструктивно газогенератор представляет собой вертикальную шахтную печь, в которую сверху непрерывно или периодически загружается твёрдое топливо. Снизу, в зону горения, подаётся дутьё — воздух, кислород, водяной пар или их смеси. В зависимости от состава дутья получаемый газ классифицируют на несколько типов.

1.1. Воздушный газ

Этот тип газа образуется при подаче в генератор атмосферного воздуха. В нижних слоях топливной загрузки, при высокой температуре, углерод полностью окисляется:

Данная реакция является экзотермической, что приводит к выделению большого количества тепла и разогреву зоны горения до температур 1400-1600 °С. Образовавшийся диоксид углерода, проходя через вышележащие раскалённые слои угля, вступает в реакцию восстановления:

В итоге, основной горючий компонент воздушного газа — оксид углерода (II), или угарный газ (CO). Существенным недостатком является высокое содержание балластного азота (до 50-60%), который поступает вместе с воздухом, что обуславливает низкую теплотворную способность этого газа.

1.2. Паровоздушный (смешанный) газ

Для повышения калорийности генераторного газа в дутьё добавляют водяной пар. В этом случае, наряду с вышеописанными реакциями, протекает эндотермическая реакция взаимодействия углерода с паром:

В результате в составе газа, помимо CO и N₂, появляется второй горючий компонент — водород (H₂), что существенно увеличивает его теплотворную способность. Смешанный газ является наиболее распространённым и экономически целесообразным видом искусственного горючего газа для промышленных нужд.

1.3. Водяной газ

При продувке водяного пара через раскалённый кокс или уголь получают водяной газ, состоящий преимущественно из CO и H₂ (до 86% в сумме). Из-за высокой калорийности и отсутствия балластного азота он используется не столько как топливо, сколько в качестве ценного сырья в химической промышленности для синтеза метанола, аммиака и других органических продуктов (синтез-газ).

1.4. Коксовый газ

Коксовым газом называют летучие продукты, выделяющиеся в процессе коксования каменного угля — его нагрева до 900-1100 ºC в специальных печах без доступа воздуха. Основной целью процесса является получение металлургического кокса, а коксовый газ — это ценный побочный продукт. После очистки от смол, аммиака и бензольных углеводородов, он находит широкое применение как в чистом виде, так и в смеси с природным газом. Основные потребители — мартеновские и доменные печи в металлургии, печи в стекольной и керамической промышленности, а также городское коммунальное хозяйство. Состав газа вариативен, но усредненные значения представлены в таблице 1.

Таблица 1

Усредненный компонентный состав очищенного коксового газа

1.5. Подземная газификация угля

Идея превращения угольных пластов в горючий газ непосредственно в месте их залегания, без трудоемкого шахтного способа добычи, была впервые научно обоснована великим русским учёным Д.И. Менделеевым еще в 1888 году. Этот процесс, известный как подземная газификация угля (ПГУ), предполагает бурение скважин, создание в пласте зоны горения и подачу дутья для получения генераторного газа, который затем выводится на поверхность. Несмотря на очевидные преимущества, технология сталкивается с рядом сложных гидрогеологических и технологических проблем, но остаётся перспективным направлением для разработки труднодоступных угольных месторождений.

2. Газообразное автомобильное топливо (Газомоторное топливо)

Наряду с традиционными жидкими топливами, в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) всё более широкое применение находят газообразные альтернативы. Автомобильная промышленность серийно производит газобаллонные автомобили (ГБА), которые особенно востребованы в сегменте городского коммерческого и общественного транспорта. Перевод автопарка на газ позволяет комплексно решать как экономические, так и экологические задачи.

2.1. Ключевые преимущества и недостатки газомоторного топлива

Использование газа в качестве моторного топлива сопряжено с рядом весомых преимуществ, но также имеет и определенные недостатки, которые необходимо учитывать.

Преимущества:

• Экономическая эффективность: Стоимость газового топлива (как метана, так и пропан-бутана) в большинстве стран значительно ниже стоимости бензина, что обеспечивает быструю окупаемость установки газобаллонного оборудования (ГБО).
• Экологичность: Выхлопные газы при работе на газе содержат значительно меньше токсичных компонентов: оксида углерода (CO) — в 2-3 раза, оксидов азота (NOx) — на 20-30%, а сажи и соединений серы — практически отсутствуют.
• Увеличение ресурса двигателя: Газ не смывает масляную пленку со стенок цилиндров и не разжижает моторное масло в картере. Это приводит к снижению износа деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) на 35-40% и увеличению срока службы моторного масла в 2-3 раза.
• Высокая детонационная стойкость: Октановое число природного газа достигает 105-110 единиц, что полностью исключает детонационное сгорание. Это позволяет безопасно повышать степень сжатия в двигателе, увеличивая его мощность и топливную экономичность.
• Стабильность работы ДВС: Газ обеспечивает более равномерное распределение топливовоздушной смеси по цилиндрам, что делает работу двигателя более плавной и стабильной.

Недостатки:

• Снижение мощности: При работе на газе мощность двигателя снижается на 10-20% из-за меньшей плотности газовоздушной смеси по сравнению с бензиновой. Это приводит к некоторому ухудшению динамических характеристик автомобиля.
• Уменьшение полезного объема: Газовые баллоны занимают существенное место в багажнике или на раме автомобиля, что снижает его грузоподъемность и полезное пространство.
• Первоначальные затраты: Установка сертифицированного ГБО требует значительных начальных инвестиций.
• Ограниченная сеть заправочных станций: Хотя сеть газовых заправок (АГНКС и АГЗС) постоянно развивается, она все еще уступает по плотности сети традиционных АЗС.

Сырьем для производства автомобильного газового топлива служат природные и попутные нефтяные газы. В зависимости от физического состояния в баллоне автомобиля, топливо делится на два основных типа.

2.2. Классификация автомобильных газовых топлив

Выбор типа газового топлива (сжатый или сжиженный) определяется его физическими свойствами, в первую очередь — критической температурой. Если она ниже типичных температур эксплуатации, газ применяют в сжатом виде, если выше — его можно хранить в сжиженном состоянии при относительно низком давлении.

• Компримированный (сжатый) природный газ (КПГ): Основным компонентом является метан (CH₄). Его критическая температура составляет -82 °С, поэтому при обычных температурах он не может быть сжижен давлением. Его хранят в специальных толстостенных баллонах под высоким давлением — около 20 МПа (200 атмосфер).
• Сжиженный нефтяной газ (СНГ) или Газ сжиженный нефтяной (ГСН): Представляет собой смесь пропана (C₃H₈) и бутана (C₄H₁₀). Критические температуры этих газов (+97 °С для пропана и +152 °С для бутана) значительно выше температуры окружающей среды. Это позволяет хранить их в сжиженном состоянии в более лёгких баллонах при относительно невысоком давлении — до 1,6 МПа (16 атмосфер).

2.3. Эксплуатационные требования к газомоторным топливам

Для обеспечения надежной и эффективной работы двигателя к газовым топливам предъявляется ряд строгих требований:

• Высокая теплота сгорания и гомогенность смесеобразования с воздухом.
• Высокая детонационная стойкость для предотвращения аномального сгорания.
• Минимальное содержание смолистых веществ, механических примесей и воды во избежание нагарообразования и замерзания топливной аппаратуры.
• Отсутствие компонентов, вызывающих коррозию деталей топливной системы и окисление моторного масла.
• Стабильность состава и свойств при хранении и транспортировке.
• Для СНГ: обеспечение необходимого давления насыщенных паров в широком диапазоне температур (от -30 до +45 °С) для надежного запуска и работы двигателя.
• Для СНГ: полная испаряемость без образования жидкого остатка при редуцировании давления.

3. Ассортимент и стандартизация газомоторных топлив в РФ

Качество и компонентный состав газовых топлив строго регламентируются государственными стандартами, что обеспечивает безопасность и надежность их применения.

3.1. Сжиженные нефтяные газы (СНГ)

Качество автомобильного СНГ в Российской Федерации регламентируется межгосударственным стандартом ГОСТ 34858-2022 «Газы углеводородные сжиженные топливные. Технические условия». Этот стандарт предусматривает три марки газа, различающиеся по компонентному составу в зависимости от климатических условий эксплуатации:

• ПТ (пропан-бутан технический) — летняя марка.
• ПА (пропан автомобильный) — зимняя марка.
• ПБА (пропан-бутан автомобильный) — всесезонная марка.

Таблица 2

Основные физико-химические показатели сжиженных газов по ГОСТ 34858-2022 (примерные данные)

Поскольку компоненты СНГ не имеют запаха, для своевременного обнаружения утечек газ в обязательном порядке одорируют — добавляют пахучее вещество, как правило, этилмеркаптан (C₂H₅SH) в крайне малых, но легко ощутимых концентрациях.

Важнейшей мерой безопасности при эксплуатации СНГ является ограничение степени заполнения баллона. Из-за высокого коэффициента объемного расширения жидкости, баллоны заполняют не более чем на 80-85% их геометрического объема. Современная запорная арматура оснащена мультиклапаном с отсекателем, который автоматически прекращает заправку при достижении этого уровня.

3.2. Сжатый (компримированный) природный газ (КПГ)

Качество КПГ для двигателей внутреннего сгорания регламентируется стандартом ГОСТ 27577-2022 «Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания. Технические условия».

Метан, как основной компонент КПГ, обладает рядом уникальных свойств. Он содержит максимальное количество водорода на один атом углерода, что обеспечивает высокую теплотворную способность и экологическую чистоту сгорания. Однако его высокая температура воспламенения (635-645 °С) и эффект резкого охлаждения при расширении (эффект Джоуля-Томсона) создают определенные трудности. Для надежного запуска ДВС и предотвращения обмерзания газового редуктора, система питания КПГ обязательно включает в себя эффективный подогрев газа (обычно от системы охлаждения двигателя) и требует тщательной осушки газа от влаги на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях (АГНКС).

Таблица 3

Основные характеристики КПГ по ГОСТ 27577-2022

3.3. Газовые конденсаты

Газовые конденсаты — это жидкая смесь углеводородов, которая конденсируется из природных газов при их добыче и снижении давления. По своим физико-химическим свойствам они близки к дизельным топливам и могут использоваться в дизельных двигателях, особенно в районах их добычи, без сложной многостадийной переработки. Применение газоконденсатного топлива позволяет снизить зависимость от традиционного дизеля, однако требует небольшой перенастройки топливной аппаратуры для компенсации его меньшей плотности и вязкости.

Таблица 4

Сравнительные показатели качества дизельных и газоконденсатных топлив

4. Перспективные виды и альтернативные топлива

В условиях ужесточения экологических норм и поиска путей снижения зависимости от нефтяного сырья, активно ведутся исследования и внедрение альтернативных видов топлива. Главная их цель — снижение токсичности выхлопных газов и экономия невозобновляемых ресурсов.

4.1. Синтетические спирты (Метанол и Этанол)

Синтез жидких топлив из ненефтяного сырья — одно из ключевых направлений развития энергетики. Наиболее перспективными являются метиловый спирт (метанол, СН₃ОН) и этиловый спирт (этанол, С₂Н₅ОН).

• Метанол может производиться из природного газа, угля, биомассы, бытовых отходов.
• Этанол получают преимущественно из сельскохозяйственных культур с высоким содержанием сахара или крахмала (сахарный тростник, кукуруза, пшеница).

Спирты характеризуются высоким октановым числом (более 100), что позволяет повышать степень сжатия ДВС. Однако их теплотворная способность почти вдвое ниже, чем у бензина, что требует увеличения подачи топлива и вместимости топливных баков. Серьезными проблемами также являются их высокая коррозионная активность по отношению к некоторым материалам топливной системы и высокая токсичность метанола. Наиболее рациональным применением сегодня считается использование спиртов в качестве высокооктановых добавок к бензину (например, смесь М15, содержащая 15% метанола).

4.2. Метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ)

МТБЭ (СН₃ОС₄Н₉) — это кислородосодержащая добавка (оксигенат), используемая для повышения октанового числа бензина и улучшения полноты его сгорания. Добавка 10-15% МТБЭ позволяет заменить токсичный тетраэтилсвинец и получить неэтилированный высокооктановый бензин, соответствующий современным экологическим стандартам. МТБЭ улучшает полноту сгорания, снижая выбросы CO.

4.3. Водород (H₂)

Водород рассматривается как идеальное, абсолютно чистое топливо будущего. При его сгорании в кислороде образуется только вода (H₂O), а вредные выбросы (кроме оксидов азота, образующихся при высоких температурах из воздуха) отсутствуют. Удельная теплотворная способность водорода в 2,8 раза выше, чем у бензина. Однако широкое внедрение водорода сдерживается рядом фундаментальных проблем:

• Производство: Энергозатратность и высокая стоимость получения чистого водорода (особенно «зелёного» — методом электролиза с использованием возобновляемых источников энергии).
• Хранение на борту: Водород имеет крайне низкую плотность. Для хранения достаточного запаса его необходимо либо сжимать до сверхвысоких давлений (70 МПа), либо сжижать при криогенной температуре (-253 °С), либо использовать сложные системы хранения в связанных состояниях (металлогидриды).
• Материаловедение: Водород обладает высокой проникающей способностью и может вызывать водородное охрупчивание металлов, что предъявляет особые требования к материалам баков и топливопроводов.

Перспективным направлением является использование водорода в качестве добавки к традиционным топливам, что позволяет значительно улучшить процесс сгорания и снизить токсичность выхлопа без кардинального изменения конструкции ДВС.

Таблица 5

Сравнительные физико-химические свойства различных автомобильных топлив

5. Интересные факты о газообразном топливе

• Первый ДВС работал на газе: Первый коммерчески успешный двигатель внутреннего сгорания, созданный Этьеном Ленуаром в 1860 году, работал на светильном газе (смеси водорода, метана и угарного газа), который подавался из городской сети.
• Газогенераторные автомобили: Во время Второй мировой войны из-за острой нехватки бензина широкое распространение получили автомобили, оснащенные газогенераторными установками, которые вырабатывали горючий газ из древесных чурок (дров).
• Газ в космосе: Титан, крупнейший спутник Сатурна, является единственным телом в Солнечной системе, кроме Земли, где на поверхности существуют стабильные резервуары с жидкостью. Эти «моря» и «реки» состоят из жидкого метана и этана.
• Природный одорант: Некоторые природные газы в месторождениях уже содержат сернистые соединения, придающие им характерный «запах газа». Однако для стандартизации и гарантии безопасности газ почти всегда одорируют искусственно.

6. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем принципиальная разница между КПГ (метан) и СНГ (пропан-бутан)?

Основное различие в агрегатном состоянии при хранении. Метан (КПГ) хранится в газообразном виде под очень высоким давлением (~200 атм). Пропан-бутан (СНГ) хранится в жидком виде под низким давлением (~10-15 атм). Это определяет тип баллонов (тяжелые и прочные для метана, более легкие для пропан-бутана) и сложность/стоимость оборудования.

Почему при работе на газе падает мощность двигателя?

Это связано с физикой. Газ в газообразном состоянии занимает больший объем в цилиндре, вытесняя часть воздуха (окислителя). В результате в том же объеме цилиндра сгорает меньше топлива, и выделяется меньше энергии. Для бензина, который впрыскивается в виде мелкодисперсной жидкости, этот эффект выражен слабее. Падение мощности составляет в среднем 10-20%.

Безопасна ли эксплуатация автомобиля на газе?

Да, при условии использования сертифицированного оборудования и его установки в специализированных центрах. Современные газовые баллоны обладают огромным запасом прочности, а системы ГБО оснащены многоуровневой системой защиты, включающей скоростные, электромагнитные и пожарные клапаны, которые мгновенно перекрывают подачу газа в случае аварии или обрыва магистрали.

Что выгоднее устанавливать: метан или пропан-бутан?

Выбор зависит от типа автомобиля и интенсивности эксплуатации. Установка ГБО под метан (КПГ) значительно дороже, но сам метан, как правило, дешевле пропан-бутана в пересчете на единицу энергии. Поэтому метан экономически более целесообразен для коммерческого транспорта с большими годовыми пробегами (грузовики, автобусы, такси). Для легковых автомобилей с умеренными пробегами чаще выбирают более дешевую в установке пропан-бутановую систему (СНГ).

Можно ли перевести на газ дизельный двигатель?

Да, можно. Наиболее распространена газодизельная схема, при которой в цилиндр подается газовоздушная смесь, воспламеняющаяся от запальной дозы дизельного топлива, впрыскиваемого штатной форсункой. Это позволяет замещать до 60-70% дизельного топлива более дешевым и экологичным газом, сохраняя при этом высокий крутящий момент и КПД дизельного цикла.

Заключение

Газообразное топливо играет и будет играть в обозримом будущем одну из ключевых ролей в мировой энергетике. Его уникальные физико-химические свойства обеспечивают высокую эффективность и экологическую чистоту сгорания, делая его предпочтительным выбором для стационарной энергетики, промышленности и всё в большей степени для транспорта. Развитие технологий, связанных с компримированным и сжиженным природным газом, позволяет рассматривать его как важнейшее «переходное» топливо на пути к будущей водородной или электрической энергетике. Совершенствование стандартов, расширение заправочной инфраструктуры и государственная поддержка способствуют дальнейшему росту популярности газомоторного топлива как экономически и экологически оправданной альтернативы традиционным нефтепродуктам.

• Об авторе
• Недавние публикации

Александр Лавриненко

Ведущий инженер-технолог и эксперт по производственной оптимизации в Современные технологии производства

Александр Лавриненко — инженер-технолог с более чем 25-летним опытом в машиностроении, энергетике, строительстве и автоматизации производства. Получил степень магистра в области металлургии в МГТУ, специализируясь на современных методах обработки металлов и аддитивных технологиях.
Регулярно публикую материалы о передовых методах обработки и сварки материалов, а также освещаю новинки в сфере производства,материаловедения, строительства и др.

Александр Лавриненко недавно публиковал (посмотреть все)

• Технологии автоматизации в обработке давлением: валковые подачи, ГПМ, обрабатывающие центры и линии резки. - 09.09.2025
• Современное гибочное оборудование: технологии, виды, применение - 09.09.2025
• Оборудование и технологии листовой штамповки для мелкосерийного производства - 09.09.2025