Газоподібне паливо: короткий опис, характеристики, способи виробництва, застосування

Газоподібне паливо відомо ще з середини 19 століття. Саме тоді відомий інженер Ленуар побудував свій перший газовий двигун внутрішнього згоряння. Цей апарат був примітивним і працював без попереднього стиснення камери згоряння. Сучасні двигуни не входять з ним ні в яке порівняння. Сьогодні застосування газоподібного палива не обмежується лише автомобілями. Цей екологічний, дешевий і доступний вид палива активно завойовує все нові і нові ніші і активно використовується у всіх галузях народного господарства. У цій статті дається опис, характеристики палива. У загальних рисах розповідається про способи їх виробництва і застосування.

Загальна інформація

Під газоподібним паливом розуміється речовина, яка легко займається. Це його якість і корисна властивість застосовується в різних галузях науки і техніки. Наприклад, все частіше і активніше населення і промисловість використовують котли на газоподібному паливі. У цьому паливі в різних кількостях можуть бути присутні оксиди (діоксиди) вуглецю, пари вуглекислого газу, а також такі елементи, як азот, водень кисень та інші домішки. Сучасні апарати, що працюють на газоподібному паливі, досить чутливі до хімічного складу робочого газу. Якщо він не буде відповідати нормам, рекомендованим виробником, то техніка, швидше за все, вийде з ладу і буде потрібен дорогий ремонт.

Усі речовини, що входять до складу газів, можна розділити на горючі та негорючі. Першими, крім метану, є етан, пропан і бутан. Вибухонебезпечними і, відповідно, пальними є оксид вуглецю і водень. Водень є особливо небезпечним. Саме з цієї причини його не рекомендують зберігати в газових балонах. Найкраще рішення полягає в придбанні водневого генератора. Цей пристрій виділяє водень з дистильованої води в міру необхідності. Таким чином, загроза детонації великого обсягу газу усувається.

Держава є монополістом у сфері оптової торгівлі рідким і газоподібним паливом. Це свідчить про стратегічно важливе значення даного виду сировини.

Класифікація палива за походженням

Як і рідке, газоподібне паливо може видобуватися в якості корисної копалини, а може вироблятися в штучних умовах. У першому випадку таке паливо називається природним, а в другому — штучним.

Фахівці зафіксували відмінності в складі рідкого і газоподібного палива, видобутих з різних регіонів. Через відмінності в хімічному складі виникають і незначні відмінності в кількості тепла, що виділяється при згорянні. Природне газоподібне паливо практично повністю (на 95-99%, залежно від родовища) складається з так званого метану (хімічна формула — СН4₎. Таке паливо називається природним газом. І це найдешевше на сьогодні джерело енергії. Саме з цієї причини цей вид енергоресурсів активно використовується у всіх галузях народного господарства. Однак всі переваги затьмарюються низьким рівнем безпеки апаратів, що працюють на газоподібному паливі. У ЗМІ регулярно з’являються тривожні новини про аварії і людські жертви в результаті порушення правил експлуатації газових установок.

До штучних видів газоподібного палива відносять речовини, одержувані в результаті переробки твердого або рідкого палива. Найбільш поширеними і популярними його видами є коксовий крекінговий гази. У цю групу можна також включити світильний, водяний і змішаний види палива. Залежно від хімічного складу конкретного газу, рівень виділення теплоти при згорянні варіюється в широкому діапазоні. Такі речовини є особливо вибухонебезпечними. З цієї причини їх рекомендується змішувати перед спалюванням з природним газом. Цей захід на порядок підвищує безпеку експлуатації апаратів, що працюють на газоподібному паливі. Ці маніпуляції проводяться на спеціально обладнаних базах. Потім такий газ постачається кінцевому користувачеві в балонах або іншим способом. Але незважаючи на те, що така суміш є менш небезпечною, з нею все ж необхідно поводитися вкрай обережно, з дотриманням всіх норм і правил роботи з судинами під тиском і техніки безпеки. І це не єдина небезпека. Ця речовина є токсичною, і її вдихання може викликати серйозні наслідки і навіть призвести до летального результату.

Класифікація палива за призначенням

Паливо в газоподібному вигляді використовується як в теплових установках, так і в двигунах внутрішнього згоряння. Відповідно за цією ознакою воно може бути поділеним на моторне паливо і паливо котельно-пічне.

В якості котельно-пічного палива традиційно використовується природний газ. В рідкісних випадках застосовують штучне паливо. Цей же вид палива, лише з деякими добавками, застосовується і для заправки автомобілів.

Опис природного газу

Важко переоцінити значимість цієї корисної копалини для економіки нашої держави та економічного розвитку світу в цілому. Багато автомобілів, котли на газоподібному паливі, електростанції та теплоелектроцентралі використовують саме його. Виходячи з прогнозованих цін на блакитне паливо (так іноді називають природний газ) верстаються бюджети держав.

Більш ніж на 90% цей газ складається з молекул метану (СН₄). Крім метану в природному газі містяться і бутан з пропаном, азот, вуглекислий газ, водяні пари та інші домішки (вони вважаються шкідливими). У незначних кількостях природний газ містить також інертні гази (гелій та інші). Вважається, що останні роблять сприятливий вплив на машини, прилади і механізми, що працюють на газі, а також покращують фізику процесів горіння палива. Про придатність палива до використання, про його якість судять за відсотковим вмістом вуглеводневих компонентів.

Природний газ є не тільки цінним видом палива, а й сировиною для цілого ряду галузей промисловості. Так, з метану, який у ньому міститься, великі хімічні комбінати виробляють водень. Для протікання такої реакції потрібно його окислити. Крім водню з нього виробляють ацетилен. На основі цих речовин виробляють всілякі альдегіди, метиловий спирт (дуже токсична і небезпечна речовина), аміак, ацетон, оцтову кислоту тощо. Однак факт залишається фактом — основною сферою застосування природного газу є спалювання газоподібного палива з метою в різних приводних механізмах (двигуни машин) і котельнях.

Основні властивості газів

Всі гази (не тільки паливо) об’єднує порівняно незначний показник щільності. Для розглянутих природного газу і його штучних аналогів його значення тримається в районі 0,8 кілограма на метр кубічний. Щільність скрапленого газоподібного палива дещо вища і становить приблизно 2,3 кілограма на метр кубічний.

Гази здебільшого є токсичними речовинами. Токсичність зростає в міру збільшення вмісту оксидів вуглецю і сполук сірки з воднем в газі. При вмісті одного і більше відсотків описаних шкідливих газів в атмосфері людина за три хвилини вдихне летальну дозу отруйної речовини.

Розглянуті гази є вибухонебезпечними. Причому з підвищенням відсоткового вмісту окису вуглецю і водню небезпека детонації зростає. Цікава особливість: при вмісті цих речовин більш ніж 74% ймовірність детонації газу практично дорівнює нулю.

Основні характеристики палива

При порівняльному аналізі того чи іншого виду палива фахівці оперують наступними поняттями: волога палива, вміст сірки, зола (залишок), що виділяється теплота згоряння і жаровиробничість.

Під жаровиробництвом розуміється температура, достатня для процесу горіння при мінімальному вмісті кисню. При цьому не здійснюється додатковий підігрів ні повітря, ні горючої суміші.

Твердий залишок поле згоряння палива називається золою. Вона вже не може горіти. Шлак — це та ж зола, тільки після оплавлення. Утворення цієї речовини негативно позначається на роботі всієї системи, забиває паливну апаратуру. Тому даний показник важливо враховувати при проектних роботах.

Важливим показником є волога. Вона негативно впливає на характеристики палива. Її присутність викликає збільшення обсягів вихлопів, зменшення коефіцієнта корисної дії установки.

Продукти згоряння сірки та її сполук викликають і активізують корозійні процеси на поверхнях сталевих частин двигунів і вихлопних систем. Крім того, вони негативно впливають на навколишнє середовище і здоров’я людини. Тому цей показник також дуже важливо враховувати.

Теплота згоряння — дуже важлива характеристика. Вона враховується при розрахунку і проектуванні обладнання і дозволяє визначити витрату палива. Ця величина визначається експериментально. Для цих цілей використовується спеціальний калориметр. Спалюється свідомо відома кількість (маса) палива і фіксується зміна температури води калориметра. Далі достатньо підставити у формулу отримані відомості і підрахувати теплоту згоряння.

Попутний газ

Якщо природний газ видобувається з бурових свердловин, то попутний є побічним продуктом нафтовидобутку. Вміст метану в такому газі дещо менший, ніж у традиційному природному. Однак при згорянні газоподібного палива виділяється порівнянне тепло.

Побічний газ (попутний) виробляється також металургійними комбінатами. На цих підприємствах пальне виділяється в печах. Це так звані коксовий і доменний гази. Як правило, ці гази спалюються на місці (подаються в піч або в котельню станцію). Аналогічний побічний продукт виробляється в глибоких шахтах, що часто призводить до катастроф.

Отримання газу методом сухої перегонки

Штучний газ виходить шляхом додаткової обробки твердого (рідкого) палива. Таким чином можна отримати так званий генераторний газ і газ сухої перегонки.

При сухій перегонці паливо розкладається під впливом високих температур. При цьому необхідно виключити доступ окислювача (повітря). Після низки етапів вихідне паливо розкладається на власне газ, з’єднання смоли і кокс. Точний склад утворених продуктів залежить від вихідного складу палива та умов протікання процесу (насамперед від температури).

Процес перегонки, який протікає при високих температурах (в районі 1000 — 1100 градусів Цельсія), називається коксуванням. Продуктами розпаду в такому випадку є власне газ (коксовий) і кокс. Щільність і теплота згоряння отриманого газу порівняно невеликі (0,5 кілограм на метр в кубі і 16000 кілоджоулів на метр кубічний відповідно). Одна тонна кам’яного вугілля при такій обробці перетворюється на 350 кубічних метрів газу. Цей показник може різнитися і залежить від умов проведення процесу і від хімічного складу та походження вихідної сировини (вугілля).

Існує і низькотемпеолог на суха перегонка. Вона полягає в обробці твердого палива температурами в районі 500 градусів за Цельсієм. Газу при такому методі утворюється мінімальна кількість (не більше 30 метрів кубічних з однієї тонни сировини). Основний продукт в даному випадку — смола, яка в подальшому використовується у виробництві моторних масел і палив.

Отримання газу шляхом газифікації твердого палива

Один з поширених методів отримання газоподібного палива — так звана газифікація. Вона полягає в хіміко-термічній обробці твердого палива (спільному впливі високих температур і хімічній обробці). Атоми вуглецю, що міститься в твердому паливі, взаємодіють і вступають в реакцію з водою і пором, утворюючи газ (паливо). У процесі газифікації протікає і суха перегонка. Газогенератор — це прилад для газифікації твердих видів палива (насамперед — вугілля). Цей пристрій виробляє такі речовини: метан, водень і чадний газ. Крім озвучених газів виробляються і негорючі речовини (двоокис вуглецю, кисень з азотом і водяної пар).

Конструкцій газогенераторів — величезна безліч. Схема і перелік вузлів залежить в першу чергу, від виду вихідної сировини. У загальному випадку він являє собою циліндр з металевими стінками. У ньому є отвори для вентиляції (надходження повітря) і для виходу вироблюваного газу. Подача повітря здійснюється примусово, з використанням потужних вентиляторів. Конструкцією повинен бути передбачений люк для оператора. Паливо завантажується через дах. Таким чином, зовні цей агрегат до болю нагадує всім відому «буржуйку». Однак є одна відмінність — відсутність димаря.

Газогенератор — лише основа всієї установки, ядро, так би мовити. Якщо подивитися на схеми подібного обладнання, то стане зрозуміло, що всі інші вузли і пристрої призначені для приведення газу в нормальний стан (очищення, охолодження і так далі).

Переваги застосування та використання газу

Склад газоподібного палива дозволяє ефективно використовувати його як альтернативу традиційним бензину, мазуту і дизелю. Запаси нафти виснажуються. За підрахунками фахівців, її вистачить не кілька десятиліть. Запасів газу набагато більше. Таким чином, активне впровадження та використання газової апаратури у всіх галузях народного господарства дозволить якщо не вирішити, то принаймні, відстрочити гостру проблему дефіциту вуглеводневої сировини.

Другим, і досить важливою перевагою є відносна чистота продуктів згоряння газу в порівнянні з вихлопами бензинових агрегатів. Іншими словами машини і механізми, що працюють на газоподібному паливі, більш екологічні і не так сильно забруднюють навколишнє середовище. У мегаполісах і великих містах ця проблема стоїть особливо гостро. Тому влада прагне перевести весь парк міського громадського транспорту на нові екологічні стандарти.

Третя перевага — можливість підлаштовувати роботу двигуна під особисті потреби і переваги, регулюючи склад суміші. У перспективі це дозволить не переплачувати зайві гроші.

Четверта перевага полягає в збільшенні корисного терміну експлуатації двигуна і збільшенні часу між повною заміною моторної олії. Адже газ, на відміну від нафтопродуктів, не видаляє мастило (масло) з поверхонь деталей механізму (двигуна).

П’яте — газова суміш має набагато більшу детонаційну здатність, порівняно з традиційним паливом. Це дозволяє значно підвищити потужність двигуна транспортного засобу.

Шосте — на відміну від твердого і рідкого, газоподібне паливо не потрібно розігрівати перед впорськом. Це позитивно позначається як на надійності всієї системи, так і на всіх без винятку показниках роботи.

Сьома перевага: із застосуванням газу в циліндри стає більш рівномірним. Таким чином, підвищується плавність ходу і роботи рушійних механізмів, зменшується знос високонавантажених частин.

На жаль, далеко не завжди всі описані переваги досягаються. Найчастіше власники транспортних засобів переводять на газове паливо бензинові двигуни з метою економії коштів на різниці у вартості палива. Однак двигун проектувався під бензин або дизель. Звідси і не дуже злагоджена робота всіх частин. Інженери прорахували, що при переведенні автомобіля з бензину на газ двигун втрачає близько 20 відсотків своєї потужності. Щоб компенсувати втрати, багато власників збільшують ступінь стиснення простору камери спалювання. Це значно скорочує термін служби двигуна. Інший захід — встановлення системи турбонаддуву. Але в цей захід доведеться вкласти значні грошові кошти. Робота двигуна або котельні на рідкому і газоподібному паливі демонструє зовсім різні показники ефективності. Причому перевага далеко не на боці твердих видів палива.