Газообразное топливо известно еще с середины 19 века. Именно тогда известный инженер Ленуар построил свой первый газовый двигатель внутреннего сгорания. Этот аппарат был примитивным и работал без предварительного сжатия камеры сгорания. Современные двигатели не входят с ним ни в какое сравнение. Сегодня применение газообразного топлива не ограничивается лишь автомобилями. Этот экологичный, дешевый и доступный вид топлива активно завоевывает все новые и новые ниши и активно используется во всех отраслях народного хозяйства. В данной статье дается описание, характеристики топлива. В общих чертах рассказывается о способах их производства и применении.
Общие сведения
Под газообразным топливом понимается вещество, которое легко воспламеняется. Это его качество и полезное свойство применяется в различных отраслях науки и техники. Например, все чаще и активнее население и промышленность используют котлы на газообразном топливе. В этом топливе в различных количествах могут присутствовать оксиды (диоксиды) углерода, пары углекислого газа, а также такие элементы, как азот, водород кислород и другие примеси. Современные аппараты, работающие на газообразном топливе, весьма чувствительны к химическому составу рабочего газа. Если он не будет соответствовать нормам, рекомендованным производителем, то техника, скорее всего, выйдет из строя и потребуется дорогостоящий ремонт.
Все вещества, входящие в состав газов, можно разделить на горючие и негорючие. Первыми, помимо метана, являются этан, пропан и бутан. Взрывоопасными и, соответственно, горючими являются оксид углерода и водород. Водород является особо опасным. Именно по этой причине его не рекомендуют хранить в газовых баллонах. Лучшее решение заключается в приобретении водородного генератора. Это устройство выделяет водород из дистиллированной воды по мере необходимости. Таким образом, угроза детонации большого объема газа устраняется.
Государство является монополистом в сфере оптовой торговли жидким и газообразным топливом. Это свидетельствует о стратегически важном значении данного вида сырья.
Классификация топлива по происхождению
Как и жидкое, газообразное топливо может добываться в качестве полезного ископаемого, а может производиться в искусственных условиях. В первом случае такое топливо называется естественным, а во втором – искусственным.
Специалисты зафиксировали различия в составе жидкого и газообразного топлива, добытых из разных регионов. Из-за различий в химическом составе возникают и незначительные отличия в количестве выделяемого тепла при сгорании. Природное газообразное топливо практически полностью (на 95-99 %, в зависимости от месторождения) состоит из так называемого метана (химическая формула – СН4). Такое топливо называется природным газом. И это самый дешевый на сегодня источник энергии. Именно по этой причине этот вид энергоресурсов активно используется во всех отраслях народного хозяйства. Однако все преимущества затмеваются низким уровнем безопасности аппаратов, работающих на газообразном топливе. В СМИ регулярно появляются тревожные новости об авариях и человеческих жертвах в результате нарушения правил эксплуатации газовых установок.
К искусственным видам газообразного топлива относят вещества, получаемые в результате переработки твердого или жидкого топлива. Наиболее распространенными и популярными его видами являются коксовый крекинговый газы. В эту группу можно также включить светильный, водяной и смешанный виды топлива. В зависимости от химического состава конкретного газа, уровень выделения теплоты при сгорании варьируется в широком диапазоне. Такие вещества являются особо взрывоопасными. По этой причине их рекомендуется смешивать перед сжиганием с природным газом. Эта мера на порядок повышает безопасность эксплуатации аппаратов, работающих на газообразном топливе. Эти манипуляции проводятся на специально оборудованных базах. Затем такой газ поставляется конечному пользователю в баллонах или иным способом. Но несмотря на то, что такая смесь является менее опасной, с ней все же необходимо обращаться крайне осторожно, с соблюдением всех норм и правил работы с сосудами под давлением и техники безопасности. И это не единственная опасность. Данное вещество является токсичным, и его вдыхание может вызвать серьезные последствия и даже привести к летальному исходу.
Классификация топлива по назначению
Топливо в газообразном виде используется как в тепловых установках, так и в двигателях внутреннего сгорания. Соответственно по этому признаку оно может быть поделенным на моторное топливо и топливо котельно-печное.
В качестве котельно-печного топлива традиционно используется природный газ. В редких случаях применяют искусственное топливо. Этот же вид топлива, лишь с некоторыми добавками, применяется и для заправки автомобилей.
Описание природного газа
Трудно переоценить значимость этого полезного ископаемого для экономики нашего государства и экономического развития мира в целом. Многие автомобили, котлы на газообразном топливе, электростанции и теплоэлектроцентрали используют именно его. Исходя из прогнозируемых цен на голубое топливо (так иногда называют природный газ) верстаются бюджеты государств.
Более чем на 90 % этот газ состоит из молекул метана (СН4). Помимо метана в природном газе содержатся и бутан с пропаном, азот, углекислый газ, водяные пары и другие примеси (они считаются вредными). В незначительных количествах природный газ содержит также инертные газы (гелий и другие). Считается, что последние оказывают благоприятное воздействия на машины, приборы и механизмы, работающие на газе, а также улучшают физику процессов горения топлива. О пригодности топлива к использованию, о его качестве судят по процентному содержанию углеводородных компонентов.
Природный газ является не только ценным видом топлива, но и сырьем для целого ряда отраслей промышленности. Так, из метана, который в нем содержится, крупные химические комбинаты вырабатывают водород. Для протекания такой реакции нужно его окислить. Помимо водорода из него вырабатывают ацетилен. На основе этих веществ производят всевозможные альдегиды, метиловый спирт (очень токсичное и опасное вещество), аммиак, ацетон, уксусную кислоту и так далее. Однако факт остается фактом – основной сферой применения природного газа является сжигание газообразного топлива с целью в различных приводных механизмах (двигатели машин) и котельных устройствах.
Основные свойства газов
Все газы (не только топливо) объединяет сравнительно незначительный показатель плотности. Для рассматриваемых природного газа и его искусственных аналогов его значение держится в районе 0,8 килограмма на метр кубический. Плотность сжиженного газообразного топлива несколько выше и составляет примерно 2,3 килограмма на метр кубический.
Газы в большинстве своем являются токсичными веществами. Токсичность возрастает по мере увеличения содержания оксидов углерода и соединений серы с водородом в газе. При содержании одного и более процентов описанных вредных газов в атмосфере человек за три минуты вдохнет летальную дозу отравляющего вещества.
Рассматриваемые газы являются взрывоопасными. Причем с повышением процентного содержания окиси углерода и водорода опасность детонации возрастает. Интересная особенность: при содержании этих веществ более чем 74% вероятность детонации газа практически равна нулю.
Основные характеристики топлива
При сравнительном анализе того или иного вида топлива специалисты оперируют следующими понятиями: влага топлива, содержание серы, зола (остаток), выделяемая теплота сгорания и жаропроизводительность.
Под жаропроизводительностью понимается температура, достаточная для процесса горения при минимальном содержании кислорода. При этом не осуществляется дополнительный подогрев ни воздуха, ни горючей смеси.
Твердый остаток поле сгорания топлива называется золой. Она уже не может гореть. Шлак – это та же зола, только после оплавления. Образование этого вещества негативно сказывается на работе всей системы, забивает топливную аппаратуру. Поэтому данный показатель важно учитывать при проектных работах.
Важным показателем является влага. Она негативно влияет на характеристики топлива. Ее присутствие вызывает увеличение объемов выхлопов, уменьшению коэффициента полезного действия установки.
Продукты сгорания серы и ее соединений вызывают и активизируют коррозионные процессы на поверхностях стальных частей двигателей и выхлопных систем. Кроме того, они оказывают негативное воздействие на окружающую среду и здоровье человек. Поэтому этот показатель также очень важно учитывать.
Теплота сгорания – очень важная характеристика. Она учитывается при расчете и проектировании оборудования и позволяет определить расход топлива. Данная величина определяется экспериментально. Для этих целей используется специальный калориметр. Сжигается заведомо известное количество (масса) топлива и фиксируется изменение температуры воды калориметра. Далее достаточно подставить в формулу полученные сведения и подсчитать теплоту сгорания.
Попутный газ
Если природный газ добывается из буровых скважин, то попутный является побочным продуктом нефтедобычи. Содержание метана в таком газе несколько меньше, чем в традиционном природном. Однако при сгорании газообразного топлива выделяется сопоставимое тепло.
Побочный газ (попутный) вырабатывается также металлургическими комбинатами. На этих предприятиях горючее выделяется в печах. Это так называемые коксовый и доменный газы. Как правило, эти газы сжигаются на месте (подаются в печь или в котельную станцию). Аналогичный побочный продукт вырабатывается в глубоких шахтах, что часто приводит к катастрофам.
Получение газа методом сухой перегонки
Искусственный газ получается путем дополнительной обработки твердого (жидкого) топлива. Таким образом можно получить так называемый генераторный газ и газ сухой перегонки.
При сухой перегонке топливо разлагается под воздействием высоких температур. При этом необходимо исключить доступ окислителя (воздуха). После ряда этапов, исходное топливо разлагается на собственно газ, соединения смолы и кокс. Точный состав образованных продуктов зависит от исходного состава топлива и условиях протекания процесса (прежде всего от температуры).
Процесс перегонки, который протекает при высоких температурах (в районе 1000 – 1100 градусов Цельсия), называется коксованием. Продуктами распада в таком случае являются собственно газ (коксовый) и кокс. Плотность и теплота сгорания полученного газа сравнительно невелики (0,5 килограмм на метр в кубе и 16000 килоджоулей на метр кубический соответственно). Одна тонна каменного угля при такой обработке преобразуется в 350 кубических метров газа. Этот показатель может разниться и зависит от условий проведения процесса и от химического состава и происхождения исходного сырья (угля).
Существует и низкотемпературная сухая перегонка. Она заключается в обработке твердого топлива температурами в районе 500 градусов по Цельсию. Газа при таком методе образуется минимальное количество (не более 30 метров кубических с одной тонны сырья). Основной продукт в данном случае – смола, которая в дальнейшем используется в производстве моторных масел и топлив.
Получение газа путем газификации твердого топлива
Один из распространенных методов получения газообразного топлива – так называемая газификация. Она заключается в химико-термической обработки твердого топлива (совместном воздействии высоких температур и химической обработке). Атомы углерода, содержащегося в твердом топливе, взаимодействуют и вступают в реакцию с водой и паром, образуя газ (топливо). В процессе газификации протекает и сухая перегонка. Газогенератор – это прибор для газификации твердых видов топлива (прежде всего – угля). Это устройство вырабатывает следующие вещества: метан, водород и угарный газ. Помимо озвученных газов вырабатываются и негорючие вещества (двуокись углерода, кислород с азотом и водяной пар).
Конструкций газогенераторов – огромное множество. Схема и перечень узлов зависит в первую очередь, от вида исходного сырья. В общем случае он представляет собой цилиндр с металлическими стенками. В нем имеются отверстия для вентиляции (поступления воздуха) и для выхода вырабатываемого газа. Подача воздуха осуществляется принудительно, с использованием мощных вентиляторов. Конструкцией должен быть предусмотрен люк для оператора. Топливо загружается через крышу. Таким образом, внешне этот агрегат до боли напоминает всем известную «буржуйку». Однако есть одно отличие – отсутствие дымохода.
Газогенератор – лишь основа всей установки, ядро, так сказать. Если посмотреть на схемы подобного оборудования, то станет понятно, что все остальные узлы и устройства предназначены для приведения газа в нормальное состояние (очистка, охлаждение и так далее).
Преимущества применения и использования газа
Состав газообразного топлива позволяет эффективно использовать его как альтернативу традиционным бензину, мазуту и дизелю. Запасы нефти истощаются. По подсчетам специалистов, ее хватит не несколько десятилетий. Запасов газа гораздо больше. Таким образом, активное внедрение и использование газовой аппаратуры во всех отраслях народного хозяйства позволит если не решить, то по крайней мере, отсрочить острую проблему дефицита углеводородного сырья.
Вторым, и весьма важным преимуществом является относительная чистота продуктов сгорания газа по сравнению с выхлопами бензиновых агрегатов. Иными словами машины и механизмы, работающие на газообразном топливе, более экологичные и не так сильно загрязняют окружающую среду. В мегаполисах и крупных городах эта проблема стоит особенно остро. Поэтому власти стремятся перевести весь парк городского общественного транспорта на новые экологические стандарты.
Третье преимущество – возможность подстраивать работу двигателя под личные потребности и предпочтения, регулируя состав смеси. В перспективе это позволит не переплачивать лишние деньги.
Четвертое преимущество заключается в увеличении полезного срока эксплуатации двигателя и увеличении времени между полной заменой моторного масла. Ведь газ, в отличие от нефтепродуктов, не удаляет смазку (масло) с поверхностей трущихся деталей механизма (двигателя).
Пятое - газовая смесь имеет гораздо большую детонационную способность, по сравнению с традиционным топливом. Это позволяет значительно повысить мощность двигателя транспортного средства.
Шестое - в отличие от твердого и жидкого, газообразное топливо не нужно разогревать перед впрыском. Это положительно сказывается как на надежности всей системы, так и на всех без исключения показателях работы.
Седьмое преимущество: с применением газа впрыск в цилиндры становится более равномерным. Таким образом, повышается плавность хода и работы движущих механизмов, уменьшается износ высоконагруженных частей.
К сожалению, далеко не всегда все описанные преимущества достигаются. Чаще всего владельцы транспортных средств переводят на газовое топливо бензиновые двигатели с целью экономии средств на разнице в стоимости топлива. Однако двигатель проектировался под бензин или дизель. Отсюда и не очень слаженная работа всех частей. Инженеры просчитали, что при переводе автомобиля с бензина на газ двигатель теряет около 20 процентов своей мощности. Чтобы компенсировать потери, многие владельцы увеличивают степень сжатия пространства камеры сжигания. Это значительно сокращает срок службы двигателя. Другая мера – установка системы турбонаддува. Но в это мероприятие придется вложить значительные денежные средства. Работа двигателя или котельной на жидком и газообразном топливе демонстрирует совершенно разные показатели эффективности. Причем преимущество далеко не на стороне твердых видов топлива.
