Газоснабжение

Міністерство  освіти і науки України

 

Національна металургійна академія України

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

з курсу «Газопостачання» для студентів спеціальності 6.070800 «Екологія»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дніпропетровськ

НМетАУ

2005

 

Конспект лекцій з курсу “Газопостачання” для  студентів спеціальності 6.070800 “Екологія”/ Уклад. І.І. Іванов. – Дніпропетровськ: Національна металургійна академія України, 2005. -    с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Укладач:

І.І. Іванов, канд. техн. наук, доцент

 

 

 

 

 

Відповідальний  за випуск завідувач кафедрою ІЕ та ОП В.П. Бобилєв, канд.. техн. наук, проф..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема 1. Класифікація та характеристика газового палива.

 

Вступ. Роль газового палива у паливно - енергетичному  балансі. Ефективність використання та класифікація газового палива. Характеристика горючих газів. Вимоги до газового палива.

 

Енергопостачання базується  сьогодні і буде базуватися на найближчі  роки у основному на органічному  паливі – вугіллі, горючих газах, нафті, які покривають зараз біля 90% світового споживання енергії.

Газове паливо широко використовується у побуті, у різних галузях промисловості, у енергетиці, у сільському господарстві і т.д. У загальному енергетичному  балансі держави частка газу становить  біля 30%. Причому біля 60% його споживає промисловість. Найбільш енергоємними галузями є чорна та кольорова  металургія, енергетика, хімічна та машинобудівельна промисловість, промисловість  будівельних матеріалів.

Переваги газового палива:

1)Собівартість видобутку природного  газу у 10 ¸ 15 разів є нижчою, ніж вугілля, що видобувається у шахтах, і у 3 ¸ 4 рази дешевше, ніж вугілля, що видобувається відкритим способом. Транспортування газу здійснюється самим дешевим трубопровідним транспортом, що у багато разів дешевше за перевезень палива залізницею.

2)Простота та надійність роботи  пристроїв для спалення газу.

3)Можливість автоматизації процесів  горіння газового палива у  технологічних агрегатах.

4)Відсутність золи, викидів пилу, низький рівень оксидів сірки  при спаленні газу.

До недоліків газового палива слід віднести вибухонебезпечність та токсичність.

У чорній металургії з використанням  природного газу випускається біля 85% чавуну, 90% мартенівської сталі, 45% прокату. Більше 50% загальної потреби у  паливі чорної металургії покривається за рахунок газового палива. З цієї кількості приблизно 25% складає природний  газ, біля 10% та 15% - коксовий і доменний. Споживання природного газу на технологічні потреби 80 ¸ 81%, на енергетичні – 19 ¸ 20%. Біля 85% доменних печей використовують природний газ для зниження витрати коксу, що має велику вартість. Перевід мартенівських печей на опалення природним газом замість мазуту дозволив скоротити енерговитрати на отримання сталі на 10%. 100% вогнетривів випускаються з використанням природного газу.

У балансі кольорової металургії частка природного газу складає біля 30%, з  них до 70% витрачається у технологічних  процесах, а інші 30% - у енергетичних цілях.

У хімічній та нафтохімічній промисловості  використовують біля 10% усього природного газу. Біля 57% його використовують як хімічну  сировину, приблизно 20% - на технологічні процеси, біля 23% - у енергетичних цілях. З природного газу продукується біля 90% синтетичного аміаку для отримання  добрів, азотної кислоти, соди та інших  продуктів. Частка природного газу у  виробництві метанолу складає 85%. Метанол  потім використовують для отримання  синтетичних матеріалів, розчинників. На базі зрідженого природного газу виробляється ацетилен, водень, фармацевтичні препарати, каучук, спирти, що дозволяє зекономити харчові продукти. Наприклад, для  виробництва 1 тони синтетичного каучуку  треба 9 тон зерна, або 22 тони картоплі, або 30 тон цукрових буряків, або 5 тон  зрідженого газу.

У машинобудуванні на технологічні потреби використовують біля 30% газу, на енергетичні – 70%. При використанні газу замість мазуту продуктивність нагрівальних печей зростає на 10 ¸ 12%.

Промисловість будівельних  матеріалів споживає біля 15% від промислового споживання газу. З використанням  природного газу виробляється більше 60% цементу, скла, кераміки, цегли. На технологічні потреби витрачається 82% газу і на енергетичні – 18%. Перевід печей  цементної промисловості з твердого палива на газове підвищує їх продуктивність на 7 ¸ 10%, собівартість цементу знижується на 30%.

На електростанціях та в котельних  за рахунок природного газу покривається біля 25% загальної витрати палива, причому в котельних установках ця частка складає більше 35% і ККД  котлоагрегатів досягає 80 ¸ 87%.

З екологічної точки зору, горючі гази є самим чистим паливом, при  їх спалюванні виділяється у 3 ¸ 4 рази менше шкідливих речовин, ніж при спаленні рідкого палива, і у 6 ¸ 8 раз менше, ніж при горінні твердого палива.

Газопостачання міст, інших населених  пунктів дозволяє знизити викиди у атмосферу з продуктами згоряння пилу, сірчаних газів, оксидів азоту. Це призводить до оздоровлення повітряного  басейну та покращує санітарно-гігієнічні умови життя населення.

Поряд з природним газом широко використовуються у промисловості  штучні гази, у першу чергу, коксовий, доменний, генераторний, конвертерний, феросплавний. На рис. 1 для прикладу наведена спрощена схема газового балансу  металургійного комбінату.

Газове паливо за походженням поділяється  на природне та штучне. До природного відносять  природний газ, що видобувається  з газових та газоконденсатних родовищ, та нафтопромисловий газ. Штучні гази отримують при переробці твердого або рідкого палива, або у якості попутного продукту деяких виробництв.

Природний газ являє собою суміш  вуглеводнів, причому основним компонентом  є метан , вміст якого до 97 ¸ 98%. У ньому також утримується у невеликій кількості СО₂, азот, водяна пара та пил. У деяких природних газах є сірководень, вміст якого звичайно не перевищує 3 ¸ 4%. Перед подачею споживачам з нього видаляють сірководень та вологу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гази газоконденсатних родовищ  утримують високомолекулярні вуглеводні. Зі свердловини ці гази надходять  до установки уловлювання конденсату, тобто газового бензину, а потім  сухий газ, у основному, знову  закачується у газоносний пласт  для підтримання у ньому тиску.

Нафтопромисловий газ утримується  у розчиненому вигляді у нафти  і при виході її на поверхню та зниженні тиску він з неї виділяється. З нього також виділяють цінні  хімічні продукти та вуглеводні, що легко зріджуються.

Гази, що зріджуються, являють собою  суміш вуглеводнів, у основному  пропан - бутанової групи з невеликими домішками більш важких вуглеводнів. Їх отримують з нафтопромислових газів, з газоконденсатних родовищ, з газів переробки нафти. З  підвищення тиску або зниженням  температури вони перетворюються у  рідину і у такому вигляді транспортуються, а при атмосферному тиску переходять у газоподібний стан.

До штучних газів відносяться  коксовий, генераторний, доменний, конверторний, феросплавний та деякі інші гази.

Коксовий утворюється у коксохімічному виробництві у якості побічного  продукту при виробництві коксу, а доменний – при виплавці чавуну. Побічними продуктами технологічних  процесів є також феросплавний газ, що утворюється у дугових електропечах при виробництві феросиліцію, силікомарганцу, ферохрому, феромарганцу, силікохрому, і конверторний газ, що утворюється  у період інтенсивної продувки металу киснем.

Генераторний газ є продуктом  термічної переробки твердого або  рідкого палива у присутності  окислювача. При цьому практично  уся горюча маса палива переходить у газову фазу. Його отримують у  газогенераторах при використанні у якості окислювача повітря, кисню, водяної пари або діоксиду вуглецю.

У залежності від нижчої теплоти  згоряння горючі гази поділяються на групи:

1.З підвищеною теплотою згоряння (> 31,4 МДж/м³). Це природний, нафтопромисловий, зріджений гази.

2.З середньою теплотою згоряння (12,6 ¸ 31,4 МДж/м³). Це коксовий, сланцевий, генераторний при подаванні на газифікацію суміші водяної пари та кисню.

3.З низькою теплотою згоряння (< 12,6 МДж/м³).Це доменний, генераторний при подаванні повітря на газифікацію, феросплавний, конвертерний гази.

У залежності від температури горіння  гази поділяються на 5 груп:

1.З температурою горіння вище 2000⁰С (природний, нафтопромисловий, зріджений, коксовий сланцевий). Їх використовують у високотемпературних процесах.

2.З температурою горіння 1700 ¸ 2000⁰С (коксо – доменний газ з 50% кожного з компонентів, генераторний газ). Їх використовують у середньо температурних процесах.

3.З температурою горіння 1400 ¸ 1700⁰С, наприклад, доменний, що використовують у середньо - та низькотемпературних процесах.

4.З температурою горіння 750 ¸ 1400⁰С. Це різні скидні гази – вагранкові, виробництва технічного вуглецю, продувні, які звичайно не утилізуються.

5.З температурою горіння менш, ніж 750⁰С. Ці гази у якості палива не використовуються.

У табл. 1 наведена характеристика окремих  промислових газів.

Таблиця 1.

Усереднена характеристика промислових  газів.

Газ	Склад газу, % об.							Густина газу, кг/м3	Нижча теплота згоряння, МДж/м3
	Н2	СО	СН4	СmHn	СО2	N2	О2
Природний	2	0,6	93	0,4	0,3	3,2	0,5	0,85	34,1
Нафтопромисловий	-	-	50	43,4	-	6,6	-	1,095	43,04
Напівкоксовий	23,5	6,5	51,5	4,5	7	5,5	1,5	0,764	24,65
Коксовий	57	6	24	3	3	7	-	0,342	17,6
Сланцевий	24,7	10	16,2	5	16,4	26,8	0,7	1,04	13,85
Генераторний змішаний	13	27,6	0,6	-	6	53,2	0,2	1,141	5,15
Генераторний при подаванні  пари та кисню	53,4	23,1	15,3	2,7	1,9	2,3	0,3	0,576	15,7
Доменний	3	30	-	-	9	58	-	1,283	4,1
Підземної газифікації	16	11	2	0,2	19,4	51	0,4	1,195	3,9

 

До газового палива висуваються  вимоги з огляду на умови забезпечення надійності, безпеки та ефективності роботи газотранспортних засобів та агрегатів газоспоживання.

Одна з головних вимог – вміст  механічних домішок (пилу) у газовому паливі не повинен перевищувати нормативне значення. Наприклад, максимальний вміст  пилу у газі на опалення коксових батарей  та кауперів доменних печей не повинен  перевищувати 4 мг/м³. Заростання пилом регенераторів цих агрегатів призводить до різкого зниження підігріву компонентів горіння та продуктивності коксових та доменних печей. Для нагрівальних печей вміст пилу не повинен перевищувати 10 мг/м³, а для котлоагрегатів – 20 мг/м³.

Окрім пилу, деякі гази, особливо коксовий, утримують інші механічні домішки: пару смол, бензолу, нафталін, інші речовини. Їх уловлюють та використовують як сировину для хімічної промисловості. Спалення недостатньо очищеного  від сірчаних сполук коксового газу у мартенівських печах призводить до зростання вмісту сірки у металі. Опалення таким газом нагрівальних печах призводить до підвищення угару  металу. При транспортуванні нафталін та сірчані сполуки накопичуються  у газопроводах та арматурі, особливо узимку, закупорюють їх, руйнують метал  газопроводів за рахунок сірчаної корозії.

Вміст водяної пари у газовому паливі повинен бути мінімальним. При спаленні вологого газу теплота витрачається на випаровування вологи, що зменшує  кількість тепла палива, що корисно  використовується на проведення технологічного процесу. Окрім того, волога сприяє корозії трубопроводів та арматури, руйнує вогнетривку кладку печей. Для  запобігання накопичення конденсату його регулярно видаляють з газопроводів.

Тиск та теплота згоряння газу на спалення повинні бути стабільними. Оптимальні величини тиску та теплоти  згоряння вибирають у залежності від виду технологічного агрегату та конструкції пальників. Відхилення від заданих параметрів газу призводить до порушень у технологічному процесі  та аварійним ситуаціям. Наприклад, зменшення тиску газу викликає скорочення витрати газу у пальники, зниження теплової потужності агрегату та його продуктивності. Підвищення тиску може призвести до відриву полум’я від пальників, накопичення газу у печі, аваріям, що супроводжуються вибухами та отруєнням людей.

Підвищення теплоти згоряння відносно заданої призводить до хімічного  недопалу газу, появі у продуктах  спалення горючих компонентів. Зниження теплоти згоряння веде до зниження температури у робочому об’ємі, у продуктах згоряння з’являється багато надлишкового повітря, що знижує економічність роботи агрегату.