9.1. Загальні відомості. Класифікація газоподібного палива.

9.2. Застосування газоподібного палива у ДВЗ.

 

Ключові слова: газоподібне паливо, етан, пентан, бутан, зріджене газоподібне палив, критична температура, двигун внутрішнього згоряння, класифікація.

 

 

9.1. Загальні відомості. Класифікація газоподібного палива

В сільськогосподарському виробництві газоподібне паливо використовується для різних технологічних (опалення теплиць, парників, тваринницьких і птахівницьких комплексів, виробничих приміщень, в сушилках тощо) і побутових цілей, а також у двигунах внутрішнього згоряння.

Газоподібне паливо – це суміш різних газів (горючих і негорючих). Основними горючими компонентами є водень (Н), окис вуглецю (СО), метан (СН₄), та газоподібні вуглеводні: етан (С₂Н₂), бутан (С₄Н₁₀). Негорючі компоненти – вуглекислий газ (СО₂), азот (N₂), кисень (О₂).

У паливному балансі України газоподібне паливо з кожним роком займає все вагоміше місце. Великі перспективи використання газу у сільському господарстві як для технологічних, так і побутових потреб. Газоподібне паливо в останні роки все ширше використовують у двигунах внутрішнього згоряння (ДВЗ).

Газоподібне паливо порівняно з іншими видами палив має такі переваги:

-                   згорає майже із теоретичною кількістю повітря, що забезпечує високий коефіцієнт корисної дії (ККД) і більшу температуру згоряння;

-                   дешеве і після вугілля найпоширеніше, з великими природними запасами;

-                   при згорянні не утворює небажаних продуктів сухої кіптяви, диму і сірчастих сполук, а також виділення значно меншої кількості продуктів, які забруднюють навколишнє середовище;

-                   легко запалюється за будь-яких температур навколишнього середовища;

-                   порівняно просто підводиться від газопроводів до об’єктів споживання та забезпечує можливість централізованого зберігання;

-                   дешевше інших видів палива;

-                   може бути використане в стиснутому і зрідженому стані, особливо у двигунах внутрішнього згоряння;

-                   має високі протидетонаційні властивості, а при згорянні не утворює конденсату, що забезпечує менший знос деталей двигуна;

-                   для зберігання газу не потрібні спеціальні складські приміщення, оскільки його транспортують газовими магістралями та в балонах.

Газоподібне паливо має й негативні властивості:

-                   утворює вибухові суміші з повітрям (природний газ, метан, водень);

-                   легко витікає через нещільності.

Крім того гази, до складу яких входить окис вуглецю (генераторний, змішаний, світильний, водяний, коксовий) дуже отруйні, тому при роботі з ними необхідно суворо дотримуватися правил технічної, особистої та протипожежної безпеки.

Газоподібне паливо, як і інші палива, поділяють на природне, яке використовується в тому вигляді, в якому воно знаходиться в надрах землі (природний газ газових родовищ і супутній) і штучне – гази, які одержують як побічний продукт при переробці нафти і твердого палива або спеціально за допомогою газогенераторів (доменний, коксовий, генераторний).

Залежно від фізичних властивостей гази можуть бути зріджені та стиснуті. Зріджені – це гази з відносно високою критичною температурою, при підвищенні тиску до 1,0...1,5 МПа переходять у рідкий стан. Це в основному пропан-бутанові вуглеводні.

Критична температура – найбільша температура, за якої можливе існування рідини в стані рівноваги з паром. Зрідження газу можливе тільки при його охолодженні нижче температури критичної.

Стиснуті гази – це гази з низькою критичною температурою, які залишаються в газоподібному стані за нормальної температури навіть при дуже високому тиску (до 20 МПа). До них належать метан, окис вуглецю, водень, етилен.

Залежно від теплоти згоряння газоподібне паливо поділяють на три групи:

-                   низькокалорійне, з теплотою згоряння до 10000 кДж/м³, до якого відносять доменний, генераторний та інші гази;

-                   висококалорійне, з теплотою згоряння понад 23030 кДж/м³, до якого відносять природні гази, які отримують із свердловин разом з нафтою та при її переробці;

-                   середньокалорійне з теплотою згоряння 10000... 23030 кДж/м³, до якого відносять коксовий, світильний на інші гази.

Горючі гази можуть бути поділені на дві групи:

-                   гази з низькою критичною температурою, які не переходять в рідкий стан за нормальної температури під дією високого тиску;

-                   гази з відносно високою критичною температурою, які не переходять в рідкий стан навіть під дією високого тиску.

В ДВЗ використовують стиснений, зріджений та генераторні гази. В сільськогосподарському виробництві для технологічних і побутових цілей найчастіше використовують природний газ. З усіх видів газоподібного палива найпоширеніші природні гази, які поділяють на дві групи: гази газових родовищ і супутні, які добуваються разом з нафтою. Природні гази чисто газових середовищ за складом і тепловою цінністю відрізняються між собою незначно. Головною їх складовою є метан – СН₄. Для природного газу, який надходить трубопроводом, нормується тільки вміст шкідливих домішок: сірководню, аміаку, смол, пилу, вологи тощо. За сортами і марками їх не поділяють.

Природний газ має низьку критичну температуру (-161 ºС при атмосферному тиску і –82 ºС при тиску 4,6 МПа). Тому навіть при високому тиску він знаходиться в газоподібному стані і його називають стиснутим. До таких газів відносять і деякі штучні. 

Супутній нафтопромисловий газ, крім метану містить більш важкі газоподібні вуглеводні, кількість яких залежить від складу нафти того чи іншого родовища. В багатьох випадках газовий фактор (кількість газу м³ на одну тону нафти) дуже високий (50...100 м³). Вуглеводні з числом атомів вуглецю 1...4, що входять у склад нафти, при нормальних умовах, перебувають у газоподібному стані, їх уловлюють при добуванні нафти.

Теплота згоряння супутнього нафтопромислового газу вища, ніж газів газових родовищ, але його використовують головним чином як сировину для хімічної та нафтохімічної промисловості.

Зріджений газ широко використовують для газозабезпечення сільської місцевості та районів, що не підключені до газової мережі, а також як паливо в котельно-побутових і невеликих теплоустановках (у теплицях, на тваринницьких комплексах тощо). Зріджений газ – це газоподібні вуглеводні, які легко конденсуються при стисканні.

Основним компонентом зрідженого газу є пропан – важкий газ (густина по відношенню до повітря 1,52). Він створює оптимальну величину тиску насиченої пари, що особливо важливо для зниження маси газових балонів транспортних установок.

Етан – газ, що за густиною близький до повітря. Одержують його з супутніх нафтових газів, входить до складу зріджених газів у незначній кількості, але підвищує загальний тиск насиченої пари і тим самим забезпечує у зимовий період надлишковий тиск, який необхідний для нормальної роботи газобалонних установок.

Бутан має два ізомери (густина за повітрям в межах 2,06...2,09). Його одержують з тих же нафтопромислових газів, що і пропан. Він являється найбільш висококалорійним компонентом зріджених газів. За температури –0,5 ºС і нормальному атмосферному тиску бутан переходить у рідкий стан, що не дозволяє його використовувати в зимовий період для комунально-побутових потреб.

Пентан – важкий газ (густина за повітрям 2,67). У більшості випадків знаходиться в рідкому залишку і при t = 20 ºС не повинен перевищувати 1,0...2,0 %  об’єму зрідженого газу, тому, що він різко знижує пружність парів.

Зрідженні гази випускає промисловість таких марок СПБТЗ – суміш пропану і бутану технічна зимова; СПБТЛ – суміш пропану і бутану технічна літня; БТ – бутан технічний.

Поділ зріджених газів на зимові та літні прийнято у зв’язку із зменшенням пружності пари зріджених газів за низьких температур. Тому для підтримки необхідного тиску в системах газозабезпечення у складі зимової газової суміші повинно бути більше пропану. Зріджений газ надходить до споживачів у цистернах або тонкостінних балонах під тиском 1,6 МПа.

Штучне газоподібне паливо можна одержати шляхом газифікації твердого палива або його сухою перегонкою. За допомогою газифікації та сухої перегонки твердих палив одержують: генераторний газ, змішаний, водяний, напівкоксовий, коксовий, світильний та інші гази.

 

9.2. Застосування газоподібного палива у ДВЗ

Газ у вигляді палива використовують головним чином для автомобільних двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ) у стиснутому або розрідженому вигляді. Для газобалонних автомобілів використовують тільки високо- і середньо калорійні гази в стиснутому або рідкому стані, оскільки тільки вони забезпечують досягнення необхідних техніко-економічних показників автомобіля.

Використання газоподібного палива для ДВЗ має переваги порівняно з рідкими паливами:

-                   зменшується токсичність відпрацьованих газів, що при сучасній концентрації автомобілів суттєво покращує стан навколишнього середовища;

-                   збільшується в середньому на 35...45 % моторесурс двигуна і в 2...3 рази строк роботи моторного масла, оскільки газоповітряна суміш не змиває масляної плівки із дзеркал циліндрів;

-                   висока детонаційна стійкість газоподібного палива дозволяє підвищити ступінь стиску двигуна та відповідно його потужність до 15 % і паливну економічність до 12 %;

-                   поліпшуються розподіл паливної суміші між циліндрами двигуна і сумішоутворення, що також впливає на підвищення потужності двигуна.

Зауважимо також легкість перебудови карбюраторного двигуна для роботи на газі.

Проте ці переваги не завжди повністю реалізуються внаслідок зменшення наповнення циліндрів, оскільки для роботи на газ переводять карбюраторні двигуни, рідше дизелі, а не використовують спеціальні газові двигуни. Крім того, переведення двигунів для роботи на газоподібному паливі пов’язано з багатьма факторами:

-                   ціна автомобіля зростає через наявність додаткової газової апаратури;

-                   металоємність газобалонних автомобілів збільшується на 65...160 кг, а при використанні стиснутого газу – на 400...950 кг, залежно від кількості та маси балонів високого тиску, що знижує вантажопідйомність на 14...18 %;

-                   трудомісткість технічного обслуговування і ремонту газобалонних автомобілів при використанні зрідженого газу збільшується на 3...5 %, а при використанні стиснутого – на 12...15 %;

-                   при використанні стиснутого газу пробіг автомобіля на одній заправці скорочується на 40...45 %.

Стиснуті гази для газобалонних автомобілів стандартизовані зі наступними видами: природний, коксовий, збагачений. Головним пальним компонентом газів є метан СН₄. У природному газі вміст метану складає 90...98 %, у коксовому металізованому – не менше 65 %, у коксовому збагаченому – не менше 50 %.

У газоподібному паливі, як і у рідкому, небажаною є  присутність сірководню Н₂S, який викликає корозійний знос газової апаратури та деталей двигуна. Дуже негативно впливає присутність в газі сполучення CN, яке у з’єднанні з водою утворює синильну кислоту, у результаті чого на стінках балонів виникають малі міжкристалічні щілини, які приводять до їх руйнування. Як і для рідкого палива, небажана присутність у газі смолянистих сполук, механічних домішок, вологи. Взагалі на автомобілі ставлять циліндричні балони, розраховані на робочий тиск 20 МПа. У одному такому балоні об’ємом 50 л (по воді) утримується 10 м³ газу при нормальних умовах. Переведення стандартних карбюраторних двигунів на газоподібне паливо супроводжується деяким зниженням їх потужності. Зменшення потужності пов’язано зі зменшенням температури згоряння газоповітряної суміші у порівнянні з бензиновою, а також із зниженням коефіцієнту наповнення горючої суміші циліндрів двигуна. Однак збільшення ступеня стиску газових двигунів практично вирівнює експлуатаційні властивості автомобілів, працюючих на бензині та газі.

Зріджений природний газ. Основними компонентами цього виду палива є метан (90...97 %) і азот (3...4 %). Його застосування як моторного палива дає можливість використати великий енергетичний потенціал газових родовищ. Разом з тим зрідження метану, який має температуру кипіння нижче -160 ºС, пов’язане з відповідними труднощами. Крім того, для його зберігання і транспортування необхідна спеціальна термостатична тара з вакуумом або іншою надійною термоізоляцією. При заправці рідким метаном може виникнути забруднення навколишнього середовища: при зрідженні різко збільшується його вартість; втрати метану від випаровування, навіть в умовах вакуумної ізоляції складають 7,0...8,0 % на добу, причому це не тільки втрати палива, але і різке збільшення ризику пожежі та вибуху. В той же час об’єм рідкого метану в 3 рази менший, ніж об’єм стиснутого при 20 МПа газу, а маса термостатичних балонів у 8 разів менша маси балонів стиснутого газу. Номінальний тиск в кріогенному балоні, залежно від конструкції, становить 0,07...0,7 МПа.

Зріджене газоподібне паливо – це пропан-бутанові суміші газів, які мають теплоту згоряння біля 46,0 мДж/м³. Зріджені гази можна транспортувати в звичайних і автомобільних цистернах. Для заправки ними автомобілів використовують прості та дешеві газонаповнювальні і пересувні установки. Зріджений пропан-бутановий газ має максимальний тиск 1,6 МПа, для його зберігання і транспортування на борту автомобіля використовують балони місткістю до 250 дм³. Балони заповнюють зрідженим газом не більше 90 % об’єму (враховується можливе теплове розширення газу). Решту (10 %) займає газоподібна фаза, яка використовується для пуску холодного двигуна.

Відповідно до ГОСТ 27578-87 «Гази вуглеводні зріджені для автомобільного транспорту» зріджені гази випускають двох марок: ПА – пропан автомобільний, рекомендується використовувати за температури до мінус 20...35 ºС; ПБА – пропан-бутан автомобільний, рекомендується використовувати за температури до мінус 20 ºС.

Газоподібне паливо із транспортних магістральних трубопроводів поступає на газорозподільні станції та після відповідної підготовки газопроводами постачається споживачам, або подається в накопичувальні резервуари для зберігання. Газ зберігається в балонах, газгольдерах і підземних сховищах. Балони для зберігання газу (пропану, бутану та ін.) виготовляються з якісних сталей і розраховані на тиск 20,15 і 10 МПа. Для розпізнавання їх фарбують у червоний колір. Пальні гази в різноманітних пропорціях з повітрям утворюють вибухові суміші, крім того деякі з них, особливо промислові, токсичні та отруйні. При вдиханні метану – основного компоненту природного газу наступає задуха. Зріджені гази, коли попадають на шкіру людини, викликають обмороження. Тому необхідно при поводженні з ними дотримуватись правил безпеки.

 

Питання для самоконтролю

 

1.     Що таке газоподібне паливо?

2.     Що таке критична температура газоподібного палива?

3.     Які основні компоненти зрідженого газоподібного палива?

4.     Які переваги використання газоподібного палива у ДВЗ?

5.     Які недоліки використання газоподібного палива у ДВЗ?

6.     Як класифікують газоподібні палива?

7.     Який нормативний документ регламентує вимоги до якості газоподібних палив?

8.     Які основні компоненти зрідженого газоподібного палива?

9.     Які види стиснутих газів?

10. Які вимоги до зберігання газоподібних палив?