Тема 1.1. Состав природных газов

Физико-химические и теплотехнические характеристики природных газов обусловлены различием в составе горючих компонентов и наличием в газе негорючих газообразных компонентов (балластов) и вредных примесей.

К горючим компонентам относят следующие вещества.

Метан СН₄ Содержание метана в природных газах достигает 98%, и его свойства практически полностью определяют свойства природных газов.

В состав метана входит 75% углерода и 25% водорода; 1 м³ метана имеет массу 0,717 кг. При атмосферном давлении и температуре 111 К метан сжижается и его объем уменьшается в 600 раз. Использование и транспортирование сжиженного газа дает большой экономический эффект, позволяет значительно снизить затраты на сооружение газопроводов и помогает решить проблемы, связанные с резервированием газоснабжения в отдельных районах и созданием запасов сырья для промышленности.

Вследствие содержания в метане 25% водорода (по массе) имеется большое различие между высшей и низшей теплотой сгорания.

Высшая теплота сгорания метана Q_B составляет 39820 кДж/м³, 9510 ккал/м³; низшая Q_H - соответственно 35880 кДж/м³, 8570 ккал/м³.

Метан обладает сравнительно низкой реакционной способностью, так как на разрыв четырех связей в молекуле метана требуются большие затраты энергии. Кроме метана в горючих газах могут содержаться этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀. Углеводороды метанового ряда имеют общую формулу С_nН_2n+2, где n - углеродное число, равное 1 (для метана), 2 (для этана) и 3 (для пропана). Структура молекул этих углеводородов может быть представлена в следующем виде:

Структура молекул углеводородов

С увеличением числа атомов в молекуле тяжелых углеводородов возрастают их плотность и теплота сгорания.

Оксид углерода СО - бесцветный газ без запаха и вкуса; масса 1 м³ составляет 1,25 кг; теплота сгорания 13250 кДж/м³,3016 ккал/м³. В газах, содержащих метан и другие углеводороды, увеличение процентного содержания оксида углерода понижает теплоту сгорания газа. Оксид углерода оказывает на организм человека токсическое воздействие, так как легко вступает в соединение с гемоглобином крови. В таблице ниже показано влияние оксида углерода на организм человека при различных его концентрациях в воздухе.

Физиологическое воздействие оксида углерода СО на организм человека

Водород Н₂ - бесцветный нетоксичный газ без вкуса и запаха, масса 1 м³ равна 0,09 кг. Он в 14,5 раза легче воздуха, отличается высокой реакционной способностью; водородно-воздушные смеси имеют широкие пределы воспламенения и весьма взрывоопасны.

Теплота сгорания водорода составляет: Q_B - 12750 кДж/м³, 3040 ккал/м³; Q_H - соответственно 10790 кДж/м³, 2580 ккал/м³. Сгорая в теоретически необходимом количестве воздуха, 1 м³ водорода образует 2,88 м³ продуктов горения.

В негорючую часть газообразного топлива входят азот и диоксид углерода.

Азот N₂ - двухатомный бесцветный газ без запаха и вкуса, масса 1 м³ азота равна 1,25 кг. Атомы азота соединены между собой в молекуле тройной связью, на разрыв этой связи расходуется 170200 ккал/моль. Азот практически не реагирует с кислородом, поэтому при расчетах процесса горения его рассматривают как инертный газ.

Диоксид углерода С0₂ - бесцветный газ, тяжелый и слабореакционный при низких температурах, имеет слегка кисловатый запах и вкус. Концентрация С0₂ в воздухе в пределах 4-5% приводит к сильному раздражению органов дыхания; 10 %-ная концентрация С0₂ в воздухе вызывает сильное отравление. Масса 1 м³ С0₂ составляет 1,98 кг. Диоксид углерода тяжелее воздуха в 1,53 раза, при температуре -20 °С и давлении 5,8 МПа превращается в жидкость, которую можно перевозить в стальных баллонах.

В горючих газах могут содержаться также сероводород и кислород.

Сероводород H₂S - тяжелый газ с сильным и неприятным запахом, напоминающим запах тухлых яиц, обладает высокой токсичностью. Масса 1 м³ сероводорода равна 1,54 кг; является газообразной кислотой и, воздействуя на металлы, образует сульфиды. Поэтому он сильно корродирует газопроводы, особенно при одновременном содержании в нем H₂S, Н₂0 и 0₂. При сжигании газа сероводород образует сернистый газ, вредный для здоровья. Содержание сероводорода не должно превышать 2 г на 100 м³ газа.

Кислород 0₂ - газ без запаха, цвета и вкуса, масса 1 м³ кислорода составляет 1,43 кг. Содержание кислорода в газе понижает его теплотворную способность и делает газ взрывоопасным. Поэтому содержание кислорода в газе не должно быть более 1 % по объему.

Все природные газы в большинстве своем не имеют запаха. Чтобы утечки газа были своевременно обнаружены, горючие газы одоризируют, то есть придают им специфический запах, по которому их легко обнаружить даже при незначительных концентрациях в воздухе помещений. Наиболее часто в качестве одоранта применяют этилмеркоптан.