1. Газообразные углеводороды. 2. Природный газ. 3. Сгорание метана

2 Содержание 1. Газообразные углеводороды стр.2 Природный газ стр.4 Плотность стр.7 Теплота сгорания стр.8 Процесс конденсации в тепловом генераторе стр.9 3. Сгорание метана стр.10 Понятия и определения стр.10 Химическая реакция стр. 11 Схематическое изображение сгорания1 m 3 метана стр.12 Треугольник сгорания стр.15 Температура и предел воспламенения стр.15 Схема диапазона воспламеняемости метана стр.16- Замечания стр.17 Теоретический воздух стр.17 Теоретические пары стр.18 Избыток и недостаток воздуха стр.18

3 1. Газообразные углеводороды Молекулы газов обладают высокой мобильностью и распространяются, занимая все имеющееся пространство. Имея равные объемы, газы реагируют пропорционально на изменения давления и температуры. пример: объем = 1 m 3 газа; увеличивая температуру в 2 раза, давление увеличивается соответственно в 2 раза. Углеводороды состоят из углерода и водорода (C и H), которые имеют свойство быстро окислятся (сгорать), выделяя при этом тепло. Их происхождение обычно связывается с процессом трансформации органических соединений животного и растительного происхождения, собравшихся в осадочных образованиях. Отложение, где образуется природный углеводород, называется первичная горная порода. В большинстве случаев первичная горная порода глиняного происхождения, реже-известкового.

4 Природные углеводороды могут классифицироваться как: - ЖИДКИЕ: нефть-сырец, из которой путем очистки получают жидкие топлива (газойль, бензин, топливное масло и т.д.), мазуты и сжиженный газ. Последний распростроаняют в баллонах различного объема, в которых газ остается в жидком состоянии за счет внутреннего давления до момента использования. -ГАЗООБРАЗНЫЕ: природный газ, состоящий главным образом из метана (CH 4 ), который не нуждается в предварительной обработке для дальнейшего использования. Существует также ряд природных углеводородов в твердом состоянии, которые здесь не рассматриваются. Природный газ добывается из-под земли, где он образуется, через специальные скважины, затем направляется на специальные обрабатывающие станции и распространяется через густую сеть трубопроводов. Состав природного газа метан этан углекислый ангидрид кислород азот

5 2. Природный газ Природный газ принято называть метаном, т.к. этот углеводород является его основным составляющим компонентом. Процент содержания метана, а также других газов зависит от месторождения, но основные характеристики газа, который добывают внутри страны либо же импортируют, остаются неизменными во избежание проблем в применении. Метан бесцветен, без запаха и нетоксичен. В виду ссвоих чистых характеристик, сгорая, выделяет практически только пары воды и углекислый ангидрид, поэтому среди первичного топлива (углеводороды и уголь) он является первоисточником чистой энергии и наименее вредным газом, имеющимся на данном этапе. Химические особенности природного газа определяются с помощью хроматографического анализа, который позволяет выявить состав. В природном газе, используемом в Италии, метан (CH 4 ) входит в состав в процентном содержании от 83% до 99%. Другие компоненты это обычно: -этан C 2 H 6 пропан C 3 H 8 бутан C 4 H 10 aзот N 2 углекислый ангидрид CO 2 Насыщенными углеводородами являются такие, в которых каждый атом углерода (C) (четырехвалентный элемент) связан с другими 4 атомами углерода (C) и/или водорода (H).

6 Первым тут представлен метан метан (CH 4 ) Все углеводороды имеют следующую схематическую формулу: C n H 2 n+2 этан (C 2 H 6 ) пропан (C 3 H 8 )

7 бутан (C 4 H 10 ) пентан (C 5 H 12 ) и т.д. Физические особенности составляющих и соответствующих пропорций. природного газа зависят от его Такие особенности могут определяться путем математических вычислений на основе состава либо путем лабораторных опытов. Объем газа может измерятся при различных давлении и температуре, но всегда выражается стандартной единицей измерения стандартный метр кубический. Исключительно для метана используются 2 различные единицы измерения объема: - нормальный метр кубический (Нм 3 )-эт о единица измерения объема газа при условиях 0 C и мбар. - стандартный метр кубический (Стм 3 )- эт о единица измерения объема газа при условиях 15 C и мбар При равном давлении (1.013 мбар атмосферное давление на уровне моря) 2 величины связаны между собой отношением абсолютных температур, например: 1 Нм 3 соответствует ( ) : 273 = 1,0549 Стм 3 при условии, что газ будет сухим, т.е. не будет содержать водяных паров.

8 Плотность Плотность газа относительно воздуха (символ d)- это отношение массы объема газа и массы равного объема воздуха, взятых в равных условиях. плотность метана = 0,55 плотность GPL = 1,56 воздух = 1

9 Теплота сгорания Теплота сгорания (символ H) представляет количество тепла, выделенного при полном сгорании 1 м 3 газа при постоянном давлении при достижении продуктами сгорания начальной температуры. Различают 2 типа теплоты сгорания: высшая (символ H s ) нижняя (символ H i ). Высшая теплота сгорания H s (Ккал/м 3 испарения водяных паров. или МДж/м 3 ) включает теплоту Нижняя теплота сгорания Hі (Ккал/м 3 или МДж/м 3 ) исключает тепло испарения водяных паров, которое, выделяясь при сгорании, обычно выходит с парами через дымоход. Разница между двумя типами теплоты сгорания очень важна: нижняя теплота сгорания представляет максимальное количество тепла, которое можно получить из метра кубическогогаза, сгоревшего в традиционных системах, в этом случае водяные пары выходит через дымоход, не конденсируясь и т.о. рассеиваясь;и высшая теплота сгорания включает в себя также ту часть тепла, которая может быть возвращена полностью или частично с помощью специальных систем (например, конденсационный котел). Измерение теплоты сгорания происходит с помощью специального измерительного прибора калориметра, который измеряет тепло, переданное жидкости (воде) от сгорания единицы объема газа.

10 Нижняя теплота сгорания метана Hі= Ккал/м. Масса объема (кг/м 3 ) - это масса единицы объема в данных условиях. В традиционном отопительном оборудовании разряженные газы содержат воду в состоянии пара, в этих случаях применяется значение нижней теплоты сгорания. В некоторых новых конденсационных системах отопления используется также скрытое тепло пара, содержащееся в отработанных газах. В этом случае разряженные газы не содержат пара и выходят в атмосферу практически сухими. Процесс конденсации в тепловом генераторе отработанные газы,охлажденные до 0-45 C ВОЗВРАТ ОТОПЛЕНИЯ ПОДАЧА ОТОПЛЕНИЯ Отработанные влажные и горячие газы Выпуск конденсата

11 Теоретическая температура сгорания-это температура продуктов сгорания, которая вычисляется прежде, чем происходит энергообмен с окружающей средой. Это теоретическое значение, т.к. не принимаются во внимание тепло, выделенное в процессе распада углекислого газа, водяных паров и излучения тепла пламенем на стенки котла. ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ НЕКОТОРЫХ ГАЗОВ СОСТАВ МАССА ОБЪЕМА, КГ/М3 ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ВЫСШАЯ, Ккал/м3 НИЖНЯЯ, Ккал/м3 МЕТАН (СН4) 0, ЭТАН (С2Н6) 1, ПРОПАН(С3Н8) 1, БУТАН(С4Н10) 2, Сгорание метана Термины и определения Сгорание-это химический процесс окисления горючего вещества и окислителя, в результате которого выделяется тепло. Горючее вещество может быть твердым, жидким или газообразным, обычно это уголь, масла, бензин, природный газ и промышленные газы. Окислителем обычно выступает воздух, или еще точнее кислород (O 2 ) в смеси с азотом (N 2 ) (21% кислорода, 79% aзота). Традиционные горючие вещества состоят в основном из углерода (С) и водорода (H 2 ). При сгорании этих двух элементов выделяются углекислый ангидрид (CO 2 ), вода (H 2 O) и естественно тепло.

12 Чтобы произошел процесс сгорания, необходимо, чтобы горючее вещество и окислитель были смешаны в определенных пропорциях, отклонение от которых сделает процесс сгорания невозможным. Химическая реакция Реакция сгорания чистого метана может быть записана в следующем виде: CH 4 + 2O 2 = C H 2 O + ТЕПЛО Используя воздух в качестве окислителя, мы можем обнаружить в его составе, как было сказано выше, азот, а также другие инертные газы, которые не участвуют активно в химической реакции, но тем не менее: CH 4 + 2O 2 + 7,52N 2 = CO 2 + 2H 2 O + 7,52N 2 + ТЕПЛО Азот, присутствующий в парах в отношении 70-75%, является обязательным, поскольку отвечает за значительную долю тепла, которое рассеивается через дымоход. Теоретическое сгорание метана: метан + кислород = углекислый газ + вода

13 Схема сгорания 1 м 3 метана КОТЕЛ С ОТКРЫТОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ ( ТИП "B" ) С ЕСТЕСТВЕННОЙ ВЫТЯЖКОЙ ПАРЫ + (II 0 ) + ІІI 0 ) +10,52 объема которых: 2,00 объемы воды (H 2 О) 1,00 объемы углекислого газа(co2) 7,52 объемы азота (N2 инертный) NB: ВОЗДУХ І = первичный воздух 9,52объемы масел ll = вторичный 2,00 объемы кислорода (O2) ІІІ = третичный 7,52 объемы азота (N 2 инертный)

14 Схема сгорания 1 м 3 метана КОТЕЛ С ЗАКРЫТОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ ( ТИП "С" ) С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ВЫТЯЖКОЙ ПАРЫ+ (II 0 ) + ВОЗДУХ 10,52 объемы к-ых: 9,52 объемы к-ых: 2,00 объемы воды (H 2 О) 2,00 объемы кислорода(o2) 1,00 объемы углекислого газа(co2) 7,52 объемы азота (N2 инертный) 7,52 объемы азота (N2 инертный) NB: ГАЗ 1,00 объемы (CH 4 )

15 Схема сгорания 1 м 3 метана КОТЕЛ С ЗАКРЫТОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ СМЕШИВАНИЕМ( ТИП "С" ) С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ВЫТЯЖКОЙ ПАРЫ ВОЗДУХ 10,52 объемы к-ых: 9,52 объемы к-ых: 2,00 объемы воды (H 2 О) 2,00 объемы кислорода(o2) 1,00 объемы углекислого газа(co2) 7,52 объемы азота (N2 инертный) 7,52 объемы азота (N2 инертный) ГАЗ 1,00 объемы (CH 4 )

16 Треугольник сгорания 1. Горючее должно находится в таком состоянии, чтобы иметь возможность взаимодействовать с кислородом. 2. Тепло должно иметь достаточный уровень для достижения температуры более низкой, нежели нужна для воспламенения горючего. 3. Кислорода должно быть достаточно для снабжения всех воспламеняющихся элементов горючего. Температура и предел возгорания Распространяющееся тепло повышает температуру окружающей смеси, возгорание которой происходит спонтанно. Далее следует определение температуры самовозгорания: это минимальная температура, которой должна достичь смесь горючееокислитель, чтобы возгорание произошло спонтанно. В ниже следующих таблицах представлены пределы возгорания и температуры самовозгорания для некоторых газов: ПРЕДЕЛЫ ВОЗГОРАНИЯ ЧИСТЫХ ГАЗОВ С ВОЗДУХОМ СОСТАВ НИЖНИЙ ПРЕДЕЛ ВОЗГОРАНИЯ % ВЫСШИЙ ПРЕДЕЛ ВОЗГОРАНИЯ % МЕТАН(СН4) 5 15 ЭТАН(С2Н6) 2,9 13 ПРОПАН(С3Н8) 2,1 9,5 БУТАН(С4Н10) 1,8 8,5 ИСТОЧНИК: i.m. LORENZ Данные таблиц являются наиболее безопасными, полученными при t 20 C. Пределы возгорания, выраженные в %, относятся к количеству газа, к-ый присутствует в смеси с воздухом

17 ТЕМПЕРАТУРА САМОВОЗГОРАНИЯ НЕКОТОРЫХ ГАЗОВ СОСТАВ C МЕТАН(СН4) 537 ЭТАН(С2Н6) 515 ПРОПАН(С3Н8) 493 БУТАН(С4Н10) 460 В случае, когда смесь горючее-окислитель находится в соответствующих пропорциях, необходимо довести ее до температуры возгорания. Это происходит путем зажигания через внешний источник тепла (спичка, комфорка, искра, электрическая дуга и т.д.). Схема диапазона воспламеняемости метана Зона полного сгорания при избытке воздуха Зона неполного сгорания при избытке газа Зона, где не происходит сгорания из-за недостатка газа Диапазон воспламеняемости Зона, где не происходит сгорания из-за избытка газа 5% газа в воздухе около 10% газа в воздухе 15% газа в воздухе Нижний предел Теоретическое сгорание Высший предел

18 Замечания Процесс сгорания связан с рядом химических реакций, в этих условиях всегда задействован кислород, поэтому идет речь также и об окислении. В горючем веществе воспламеняющиеся компоненты имеют форму сложных химических соединений. Новые вещества, которые выделяются в прцессе сгорания, называются оксидами и представляют собой отработанные газы. В процессе сгорания выделяется используемое тепло, которое также называют энергией, полученной в результате химической реакции. Метан горит неярким пламенем. СГОРАНИЕ ГОРЮЧЕГО НЕ ЗНАЧИТ РАЗРУШЕНИЕ, ЭТО СКОРЕЕ ТРАНСФОРМАЦИЯ СОДЕРЖАЩИХСЯ В НЕМ ВЕЩЕСТВ. Теоретический воздух Теретическое количество воздуха, необходимого для полного сгорания единицы объема(м 3 ) или веса горючего вещества, определяется как теоретический воздух и выражается для газообразных горючих в м 3 воздуха/ м 3 газа. Теоретически для сгорания 1 м 3 метана необходимы 9,6 м 3 воздуха, определяемого как теоретический воздух.

19 Теретические пары Под теоретическими парами понимают продукты теоретического сгорания единицы объема(м 3 ) или веса (кг) горючего вещества. В газообразных горючих теоретические пары выражаются в м 3 паров/м 3 газа, в жидких или твердых - м 3 или кг паров/кг горючего вещества. Теоретические сухие пары состоят из углекислого газа и азота, в то время как влажные содержат воду в состоянии пара. В парах, выделяемых при сгорании, присутствуют также инертные газы, содержащиеся в горючем. Также как и для теоретического воздуха, можно определить теоретические пары горючего в объеме или весе, зная его состав в процентном соотношении. Избыток и недостаток воздуха До этих пор речь шла о теоретическом сгорании, воображая, что реакция проходит в идеальных условиях. На практике же для полного сгорания горючего необходим определенный избыток воздуха для исправления несовершенного смешивания горючего и окислителя. Под избытком воздуха подразумевается процентная разница между большим количеством воздуха, использованного на практике и теоретического воздуха горючего вещества. Такое же определение может быть применено для недостатка воздуха, который указывает меньшее количество практически использованного воздуха по отношению к теоретическому воздуху. Процентное значение избытка или недостатка воздуха(ε) можно получить, зная действительное количество воздуха и силу сгорания горючего: ε = действительный воздух теоретический воздух х 100 теоретический воздух Для жидких и твердых горючих веществ необходим больший избыток воздуха, нежели для газообразных, т.к. природа газообразных горючих веществ сама по себе подразумевает более тесное взаимодействие с окислителем. Правильное использование горючего обеспечивается применением такого количества воздуха, которое будет достаточным для обеспечения полного сгорания горючего, стараясь все же обеспечить наименьший избыток воздуха. Избыток воздуха влечет уменьшение температуры пламени и т.о. теплообмена путем излучения. Кроме того, увеличиваются потери тепла через дымоход при равных

20 температурах паров с увеличением избытка воздуха, т.к. увеличивается объем воздуха, сопровождающий процесс сгорания. Также и недостаток воздуха влечет потери, что провоцирует неполное сгорание горючего вещества, что означает, что часть горючего, не имея кислорода, с которым оно может вступить в реакцию, не может выделить энергию. Для оптимального сгорания метана надо обеспечить его объемом воздуха большим 9,6 м 3, которые оказались достаточными лишь в теории, и эта разница объемов воздуха необходимого и теоретического и определяется как избыток воздуха.