Горючий газ относится к энергетическому топливу, которое по своему фазовому состоянию наиболее подготовлено к сжиганию.
Различие в физико-химических и теплотехнические свойствах газообразного топлива обусловлено происхождением или технологией получения и связанной с этим, разницей в составе горючих компонентов (СО, Н2, СH4
CnH2m+2), а также наличием балластных компонентов и вредных примесей (Н2O, СO2, N2, O2, H2S, HCN, CS2).
Оптимизация газообразного топлива перед сжиганием сводится к замеру и анализу химических и физических характеристик; подготовке к сжиганию и облагораживанию; приведению рабочих и физических параметров к оптимальным условиям; проверке возможности взаимозаменяемости.
Химические и физические характеристики газа стандартного состава определяются по нормативным документам, а для газа произвольного состава определяются по лабораторному анализу пробы. В этом разделе будут рассмотрены вопросы подготовки, облагораживания, приведения параметров к рабочим условиям и проверки возможностей взаимозаменяемости газов.
Самым дешевым способом транспортировки является трубопровод. Ограниченность сечений транспортных труб газа и постоянное стремление увеличить количество транспортируемого газа требует увеличения давления. Если паспортное давление газа для грелочных устройств меньше, чем давление в трубопроводе, то применяются редукцирующие установки (ГРУ или ГРП) [26]. Кроме давления, к паспортным значениям должна быть приведена и температура газа. При наземной прокладке трубопроводов добиться выполнения этого условия простыми средствами не удается и приходится прибегать к сезонной регулировке автоматики горения или к переходу на сезонные режимные графики ручного регулирования. Оптимальной, с этой точки зрения, является подземная прокладка трубопроводов транспортировки газов в легкодоступных тоннелях.
Водяные пары, содержащиеся в газах, при определенных условиях приводит к образованию гидратов, а при конденсации и замерзании — образованию ледяных пробок (особенно в наземных трубопроводах). Зачастую на объекте приходится использовать регуляторные станции для сепарации влаги или организовывать сушку газа. Следует иметь в виду, что содержание влаги в насыщенных газах зависит от температуры и давления. В табл. 4 приведены данные об изменении влажности газа при давлении до 294 Па в диапазоне температур —30°С... +30 °С. Многие природные газы не имеют вредных компонентов, а во многих попутных и даже в синтетических газах их весьма мало. Однако даже при малых концентрациях вредные газы чрезвычайно токсичны и агрессивны.
Таблица 4
Давление, Па | Влажность, г/м3, при температуре, °С | ||||||
—30 | —20 | —10 | 0 | +10 | + 20 | + 30 | |
9,8 | 0,30 | 0,83 | 2,11 | 4,95 | 9,90 | 19,0 | 35,2 |
49,0 | 0,06 | 0,17 | 0,42 | 0,99 | 1,98 | 3,80 | 7,04 |
98,0 | 0,03 | 0.08 | 0,21 | 0,50 | 0,99 | 1,90 | 3,52 |
294,0 | 0,01 | 0,03 | 0,07 | 0,17 | 0,33 | 0,64 | 1,17 |
В первую очередь это сероводород (H2S), концентрация которого непосредственно зависит от содержания в газе серы (S). В 1 м3 газа H2S не должно быть 0,02 г, а также сероуглерод CS2. Удалять эти примеси можно промывкой газа водой, пропусканием газа через известковые или угольные фильтры. Наряду с сернистыми газами в горючем газе содержатся цианистые соединения (в основном цианисто-водородные или синильная кислота HCN). Основой для образования кислоты HCN является топливный азот. При сжигании HCN сгорает с образованием оксидов NOx. Наличие HCN вызывает сильную коррозию железа, меди, цинка, олова и их сплавов, и продукты коррозии заносят трубопроводы и газовые распределителе горелок. Очистка от HCN производится оксидами железа.
Одним из приемов подготовки газа к сжиганию является смешение низкокалорийного газа или балласта газами, имеющими высокую теплоту сгорания. Этот прием рациональней всего применять, если сжигание низкокалорийного или высококалорийного газа с помощью существующих горелочных устройств осуществить нельзя. Средняя необходимая оптимальная теплота сгорания смеси получается лишь при строгой регулировке смесителя.
Возможность сжигания любого газа в горелочных устройствах должна быть предварительно оценена.
Проблема взаимозаменяемости горючих газов уже давно исследуется за рубежом (еще. с начала XIX века), где довольно часто осуществлялся переход от сжигания одних синтетических газов к сжиганию других синтетических природных газов и наоборот. В отечественной практике возможность взаимозаменяемости горючих газов энергетического значения стала изучаться значительно позднее и даже сейчас в основном оценивается расчетом с после дующей реконструкцией и исследованием опытных образцов горелок. Такой путь оценки трудоемок, что говорит в пользу предварительной оценки принципиальной возможности взаимозаменяемости газов одним из перечисленных способов: экспериментальным, при помощи испытания сжигания газа в небольших опытных горелках; аналитическим (при помощи критериев взаимозаменяемости); графическим (при помощи диаграммы заменяемости Дельбурга).
Оценив же возможность взаимозаменяемости газов, выполняют пересчет по простой расчетной схеме и лишь на головном объекте снимают фактические рабочие характеристики горелки.
Опытные горелки — это эталонные приборы (Отто, Сако-Шака, Газ де Франс и др.), с их помощью сравнивают характеристики пламени при сжигании различных газов и оценивают влияние свойств этих газов на горение.
Аналитический способ сводится к определению и сопоставлению шести критериев: теплопроизводительности
(число Воббе), уровней рабочих давлений, пределов отрыва факела, пределов проскока пламени, образования продуктов химического и механического газа.
При графическом способе проверки используется диаграмма Дельбурга, заранее построенная для большого количества уже исследованных горючих газов.
В стандарты и руководящие указания многих стран один из критериев взаимозаменяемости — число Воббе включен как самостоятельный показатель. Различают низшее WH и высшее WB число Воббе в зависимости от того, какая теплота сгорания газа принята при его вычислении. По физическому смыслу число Воббе W — это удельная теплопроизводительность горелки неизменных конструктивных размеров (Fμ=const) при постоянном режиме эксплуатации (gPr/pa=const). С помощью числа Воббе удобно контролировать комплексное влияние на теплопроизводительность горелки теплоты сгорания и плотности газа. Применение числа Воббе увеличивает оперативность и точность контроля за качеством горючих газов при их производстве и сжигании. В последние годы число Воббе пытаются усовершенствовать — появилось расширенное; дополнительное; исправленное (введены коэффициенты k, зависящие от состава газа). Однако чаще всего число W используется в виде выражения:
