1. Склад та основні властивості горючих газів

Газ як високоефективний енергоносій широко використовується нині як у побуті, так і на виробництві. У порівнянні з твердим та рідким паливом використання газу має низку переваг, а саме: високий коефіцієнт корисної дії газового обладнання, повнота та бездимність згоряння, зручність зберігання та транспортування, простота газових пальників і камер згоряння та ін.

У побуті та в промисловості використовують в основному природний газ, який добувають із газових або газонафтових родовищ. Значно рідше використовують штучні гази, які отримують у процесі термічної переробки рідкого чи твердого палива. Властивості газу як палива визначаються його складовими частинами, а саме: кількістю горючих газів і баластових домішок. Горюча частина газу складається переважно із вуглеводів (метан, етан, пропан, бутан, пентан), водню та оксиду вуглецю.

Вміст метану в природних газах складає 93–98% і тому його властивості практично повністю визначають властивості природного газу. До баластової частини газу відносять сірководень, аміак, водяні пари, нафталін, пил, азот, кисень та ін. Значна кількість баластних домішок у горючих газах знижує теплотворну здатність газу та збільшує його питому вагу, що вимагає додаткових капітальних та експлуатаційних витрат (необхідність очищення газу, завищення діаметрів трубопроводів, збільшення втрат напору).

Крім того, до складу газу входять токсичні речовини (сірководень, оксид вуглецю та ін.), що вимагає певних заходів безпеки, а саме: не допускати витоків газу, забезпечити повноту його згоряння та відвід продуктів згоряння, запобігати утворенню вибухонебезпечних концентрацій.

Основні компоненти горючої частини природного газу:

Метан СН4 – нетоксичний газ без кольору, запаху та смаку. Маса 1 нм3 метану рівна 0,717 кг. При зниженні температури переходить у рідкий стан (зріджений газ) і його об’єм зменшується майже в 600 разів, що дуже зручно під час вирішення питань зберігання та транспортування. Питома теплота згоряння метану складає 35880–39820 кДж/м3, при згорянні 1 нм3 метану утворюється 10,52 м3 продуктів згоряння Поряд з метаном, як правило, присутні вуглеводи метанового ряду (С2Н6 – етан, С3Н8 – пропан, С4Н10 – бутан та інші).

Оксид вуглецю CO, також немає кольору, запаху та смаку, але на відміну від метану токсично впливає на людей, бо легко вступає в реакцію з гемоглобіном крові. При вмісті в повітрі 0,04% CO приблизно 30% гемоглобіну крові вступає в хімічне з’єднання з оксидом вуглецю, при 0,1%–50%, при 0,4% більше 80%. Оксид вуглецю відноситься до високотоксичних газів і тому знаходитись у приміщенні, де в повітрі є 0,2% CO, протягом однієї години шкідливо для організму, а при концентраціях CO в повітрі 0,5% знаходитись у приміщенні навіть протягом 5-ти хвилин небезпечно для життя. Гранично допустима концентрація CO в повітрі приміщення під час використання газу для комунально-побутових потреб складає 0,2 г на 100 м3.

Водень Н2 – нетоксичний газ без кольору, запаху та смаку. Маса 1 нм3 водню рівна 0,09 кг. Питома теплота згоряння водню складає 12750 кДж/м3, при згорянні утворюється 2,88 м3 продуктів згоряння.

До баластової частини природного газу відносять певні елементи.

Азот N2 – газ густиною 1,25 г/м3, без кольору, запаху та смаку, який практично не реагує з киснем і не враховується при розрахунках процесу горіння. Вміст азоту в природних газах може коливатися в широких межах.

Вуглекислий газ СО2 – токсичний газ густиною 1,98 г/м3, без кольору, з кислуватим смаком та запахом. При концентраціях СО2 в повітрі 4–5% виникає сильне подразнення органів дихання, а при 10%ній концентрації має місце важке отруєння. Вуглекислий газ важче повітря в 1,53 раза.

 Кисень О2 – газ густиною 1,43 г/м3, без кольору, запаху та смаку. Присутність кисню в газі знижує питому теплоту згоряння і робить його вибухонебезпечним. Тому вміст кисню в газі не повинен бути більшим 1% від об’єму.

 До шкідливих домішок відносять такі гази:

Сірководень H2S – токсичний газ без кольору з сильним запахом тухлих яєць. Сірководень діє на метали з утворенням сульфідів, що призводить до інтенсивної корозії газопроводів та обладнання, особливо при присутності в газі Н2О та О2. Під час згоряння сірководень утворює сірчаний газ, який дуже шкідливий для здоров’я і агресивний до металу. Маса сірководню рівна 1,54 кг/м3, допустима концентрація в газі – 2г H2S на 100 м3 газу;

Ціанистоводнева (синильна) кислота HCN – рідина без кольору з температурою кипіння 26°С. Внаслідок такої низької температури кипіння знаходиться в горючих газах в газоподібному стані. Синильна кислота сильно отруйна, викликає швидку корозію заліза, міді, олова, цинку та їх сплавів. Максимальна гранична концентрація (в перерахунку на HCN) – 5 г на кожні 100 м3 газу.

Оскільки природні гази практично не мають кольору, запаху та смаку, то для того, щоб своєчасно виявити витоки, всі горючі гази, які направляються в міські газопроводи, підлягають одоризації, тобто їм надають різкого, відмінного від всіх побутових, специфічного запаху. За цим запахом горючі гази легко виявити навіть за незначних концентрацій у повітрі приміщень. Одоризація газів здійснюється спеціальними одорантами, які мають сильний запах. Найчастіше для цього застосовують етил меркаптан, за якого запах газу відчувається навіть тоді, коли його концентрація у приміщенні набагато менша за нижню межу вибуховості. Продукти згоряння одорантів запаху не мають. Для одоризації 1000 м3 природного газу потрібно близько 16 г (19 мл) одоранту.

До основних фізико-хімічних властивостей горючих газів, що мають практичне застосування під час розрахунку, проектування та конструювання обладнання та систем газопостачання, відносять: тиск, питому вагу, в’язкість, теплотворну здатність, температуру горіння та запалювання, швидкість поширювання полум’я. Залежно від максимального робочого тиску газорозподільні мережі за ДБН В. 2.5-20:2018 “Газопостачання” поділяють на газопроводи:

-    високого тиску 1 категорії............................. від 0,6 до 1,2 МПа;

-    теж саме, для зріджених вуглеводневих газів..........від 0,6 до 1,6 МПа;

-     високого тиску 2 категорії............................. від 0,3 до 0,6 МПа;

-     середнього тиску.......................................... від 0,005 до 0,ЗМПа;

-      низького тиску......................................... до 0,005 МПа включно.

Питома вага (для газів ототожнюють з об’ємною вагою) суміші горючих газів залежить від їх складу і може коливатись в межах 0,65– 1,2 кг/м3. Переважно питома вага природного газу складає 0,73– 0,87 кг/м3.

Температура горіння – це температура, яку отримують вироби під час спалювання газоподібного палива.

Температура горіння залежить від складу суміші газів, способу спалювання, надлишку повітря і знаходиться в межах 1100–2600°С. Температура запалювання для суміші горючих газів величина непостійна і залежить від процентного вмісту газоповітряної суміші, повноти перемішування газу з повітрям, конструкції пальників, розмірів топкового об’єму та ін.

Швидкість поширення полум’я має важливе значення під час конструювання газових пальників, бо суттєво впливає на повноту згоряння газу, проскакування полум’я, зниження ККД, шумне згасання та ін.