Горючие газы – вещества с низким порогом теплоты сгорания. Это основной компонент газообразного топлива, которое используется для газоснабжения городов, в промышленности и других сферах жизнедеятельности. Физико-химические характеристики таких газов зависят от наличия в их составе негорючих компонентов и вредных примесей.
Виды и происхождение горючих газов
Горючие газы содержат метан, пропан, бутан, этан, водород и окись углерода, иногда с примесями гексана и пентана. Их получают двумя способами – из природных месторождений и искусственным путем. Газы природного происхождения – топливо, результат естественного биохимического процесса разложения органики. Большинство залежей расположены на глубине менее 1,5 км и состоят преимущественно из метана с малыми примесями пропана, бутана и этана. С увеличением глубины залегания растет процентное содержание примесей. Добывается из природных залежей или в качестве сопутствующих газов нефтяных месторождений.
Чаще всего залежи природного газа сконцентрированы в осадочных породах (песчаники, галечники). Покрывающими и подстилающими слоями служат плотные глинистые породы. В качестве подошвы в основном выступают нефть и вода. Искусственные – горючие газы, получаемые вследствие термической переработки различного вида твердых топлив (кокс и др.) и производные продукты нефтепереработки.
Основным компонентом природных газов, добываемых в сухих месторождениях, является метан с небольшим количеством пропана, бутана и этана. Природный газ характеризуется постоянством состава, относится к категории сухих. Состав газа, получаемый при нефтепереработке и из смешанных газонефтяных залежей, непостоянен и зависит от величины газового фактора, природы нефти и условий раздела нефтегазовых смесей. В него входит значительное количество пропана, бутана, этана, а также другие легкие и тяжелые углеводороды, содержащиеся в нефти, вплоть до керосиновых и бензиновых фракций.
Добыча горючих природных газов заключается в извлечении его из недр, сбор, удаление лишней влаги и подготовку к транспортировке потребителю. Особенность добычи газа состоит в том, что на всех стадиях от пласта до конечного потребителя весь процесс герметизирован.
Горючие газы и их свойства
Жаропроизводительность – максимальная температура, выделяемая при полном сгорании сухого газа в теоретически необходимом количестве воздуха. При этом выделяемое тепло расходуется на нагревание продуктов сгорания. Для метана этот параметр в °С равен 2043, бутана – 2118, пропана – 2110.
Температура воспламенения – наименьшая температура, при которой происходит самопроизвольный процесс воспламенения без воздействия внешнего источника, искры или пламени, за счет теплоты выделяемой частицами газа. Этот параметр особенно важен для определения допустимой температуры поверхности аппаратов, используемых в опасных зонах, которая не должна превышать температуру воспламенения. Для такой аппаратуры присваивается температурный класс.
Температура вспышки – наименьшая температура, при которой выделяется достаточное количество паров (на поверхности жидкости) для воспламенения от наименьшего пламени. Это свойство не стоит обобщать с температурой воспламенения, поскольку эти параметры могут разниться в значительной степени.
Плотность газа/пара. Определяется в сравнении с воздухом, чья плотность равна 1. Плотность газа < 1 – растет, > 1 – падает. Например, для метана этот показатель равен 0,55.
Опасность горючих газов
Горючие газы представляют опасность тремя своими свойствами:
- Горючесть. Существует риск возникновения пожара, связанный с неконтролируемым воспламенением газа;
- Токсичность. Риск отравления газом или продуктами его горения (угарный газ);
- Удушение вследствие дефицита кислорода, который может быть замещен другим газом.
Процесс горения представляет собой химическую реакцию, в которую входит кислород. При этом выделяется энергия в виде теплоты, пламени. Воспламеняющим веществом выступает газ. Процесс горения газа возможен при наличии трех факторов:
- Источник воспламенения.
- Горючие газы.
- Кислород.
Целью противопожарной защиты является исключение как минимум одного из факторов.
Метан
Это бесцветный легкий горючий газ без запаха. Нетоксичен. Метан составляет 98% всех природных газов. Считается основным, определяющим свойства природного газа. На 75% состоит из углерода и на 25% из водорода. Масса куб. метра – 0,717 кг. Сжижается при температуре 111 К, при этом его объем уменьшается в 600 раз. Обладает низкой реакционной способностью.
Пропан
Газ пропан – горючий газ, без цвета и запаха. Обладает большей реакционной способностью, чем метан. Содержание в природном газе 0,1-11% по массе. В попутных газах из смешанных газонефтяных месторождений до 20%, в продуктах переработки твердых топлив (бурых и каменных углей, каменноугольной смолы) до 80%. Газ пропан используется в различных реакциях для получения этилена, пропилена, низших олефинов, низших спиртов, ацетона, муравьиной и пропионовой кислоты, нитропарафинов.
Бутан
Горючий газ без цвета, со своеобразным запахом. Бутан газ легко сжимаем и летуч. Содержится в нефтяном газе до 12% по объему. Также получатся в результате крекинга нефтяных фракций и лабораторным путем по реакции Вюрца. Температура замерзания -138 оС. Как и все углеводородные газы, пожароопасен. Вреден для нервной системы, при вдыхании вызывает дисфункцию дыхательного аппарата. Бутан (газ) обладает наркотическими свойствами.
Этан
Этан – газ без цвета и запаха. Представитель углеводородов. Дегидрирование при 550-6500 С приводит к этилену, свыше 8000 С – к ацетилену. Содержится в природных и попутных газах до 10%. Выделяется низкотемпературной ректификацией. Значительные объемы этана выделяются при крекинге нефти. В лабораторных условиях получают по реакции Вюрца. Является основным сырьем для получения винилхлорида и этилена.
Водород
Прозрачный газ без запаха. Нетоксичен, в 14,5 раз легче воздуха. По виду водород не отличается от воздуха. Обладает высокой реакционной способностью, широкими пределами воспламенения, весьма взрывоопасен. Входит в состав едва ли не всех органических соединений. Наиболее трудно сжимаемый газ. Свободный водород в природе встречается крайне редко, но в виде соединений очень распространен.
Окись углерода
Бесцветный газ, без вкуса и запаха. Масса 1 куб. м – 1,25 кг. Содержится в высококалорийных газах наряду с метаном и другими углеводородами. Увеличение доли окиси углерода в горючем газе понижает теплоту сгорания. Оказывает токсическое влияние на человеческий организм.
Применение горючих газов
Горючие газы обладают высокой теплотой сгорания, а потому являются высокоэкономичным энергетическим топливом. Широко применяются для коммунально-бытовых нужд, на электростанциях, в металлургии, стекольной, цементной и пищевой промышленности, в качестве автомобильного топлива, при производстве строительных материалов.
Использование горючих газов в качестве сырья для производства таких органических соединений как формальдегид, метиловый спирт, уксусная кислота, ацетон, ацетальдегид, обусловлено наличием в их составе углеводородов. Метан, как основной компонент горючих природных газов, широко применяется для производства различных органических продуктов. Для получения аммиака и различного рода спиртов используется синтез-газ – продукт конверсии метана кислородом или водяным паром. Пиролизом и дегидрогенизацией метана получают ацетилен, наряду с водородом и сажей. Водород, в свою очередь, используется для синтеза аммиака. Горючие газы, и в первую очередь этан, применяют при получении этилена и пропилена, которые в дальнейшем используются в качестве сырья для производства пластмасс, искусственных волокон и синтетических каучуков.
Перспективным видом топлива для многих сфер народного хозяйства является сжиженный метан. Использование сжиженных газов во многих случаях дает большую экономическую выгоду, позволяя снизить материалозатраты на транспортировку и решить проблемы газоснабжения в отдельных районах, позволяет создавать запасы сырья для нужд химической промышленности.
