Paliwa gazowe - ebook

PRZEDMOWA

Historyczne ukierunkowanie bilansu paliwowego Polski w stronę paliwa stałego powoduje znaczne problemy techniczne, ekonomiczne i ekologiczne dla kraju, również w skali międzynarodowej. Polski rząd ogłosił szeroki program zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego państwa poprzez dywersyfikację dostawy gazu ziemnego z różnych źródeł i kierunków dzięki efektywnemu wykorzystaniu terminalu LNG na polskim wybrzeżu i powstaniu nowych połączeń transgranicznych. W związku z tym w najbliższych latach jest przewidywany intensywny rozwój branży zaopatrzenia w gaz.

Dlatego wyzwaniem dla polskiego gazownictwa staje się zaawansowane technologicznie, efektywne i przyjazne środowisku przekierowanie krajowej energetyki cieplnej i gospodarki komunalnej na paliwo gazowe. Jest to najliczniejsza i bardzo rozproszona grupa urządzeń techniki cieplnej, która obecnie charakteryzuje się niską sprawnością i znacznym wpływem na zanieczyszczenie środowiska naturalnego. Spaliny z tych urządzeń odprowadzane są do atmosfery przez niskie kominy, tuż nad dachami budynków. Problem globalnego ocieplenia i ciążące nad Polską zobowiązania w zakresie zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych także mają istotne znaczenie. Spalanie gazu ziemnego zapewnia prawie dwukrotnie mniejszą emisję CO2 w porównaniu z węglem kamiennym.

Projektowanie i eksploatacja sieci i instalacji gazowych oraz urządzeń do spalania gazu jest zadaniem niezmiernie odpowiedzialnym. Podjęte przez projektanta lub pracownika zakładu gazowniczego decyzje mogą zaważyć na zdrowiu, a nawet na życiu mieszkańców, użytkowników, odbiorców gazu, którymi wszyscy jesteśmy, chociaż często nie zdajemy sobie z tego sprawy. Na etapie projektowania, doboru i eksploatacji urządzeń, w których gaz jest wykorzystywany (takich jak kotły, piece, palniki) są podejmowane decyzje o sprawności i ekologiczności zużycia paliwa, co ma bezpośredni wpływ na koszty energii, stopień zanieczyszczenia środowiska naturalnego i bezpieczeństwo człowieka. Dlatego trudno sobie wyobrazić specjalistę w dziedzinie gazyfikacji, który słabo orientuje się w zagadnieniach związanych ze spalaniem paliw gazowych i nie zna teoretycznych podstaw procesów zachodzących przy spalaniu paliwa.

Systematyczne badania procesów spalania prowadzone w Polsce mają istotne osiągnięcia o uznaniu międzynarodowym. Jednak te badania o charakterze fundamentalnym są poświęcone głównie technice kotłowej i silnikowej. Natomiast podręczniki dla inżynierów nie zawierają z reguły wystarczającej wiedzy o spalaniu paliwa, efektywności i ekologiczności jego wykorzystania. Poradniki producentów urządzeń gazowych opisują tylko zagadnienia związane z doborem i stosowaniem ich produktów, lecz nie zawierają pełnego zakresu podstaw teoretycznych, niezbędnych do kształcenia inżynierów gazownictwa – jednego z najbardziej dynamicznie rozwijających się działów nauki i techniki. Mam nadzieję, że tę lukę choćby częściowo wypełni, niewielka ze względu na jej objętość monografia, którą szanowny Czytelnik trzyma przed sobą.

Monografia przeznaczona jest dla bardzo szerokiego grona czytelników: naukowców w dziedzinie spalania paliw, specjalistów zajmujących się projektowaniem, budową i eksploatacją sieci i instalacji gazowych, rozdziałem lub przesyłaniem gazu, jak również dla specjalistów odpowiedzialnych za planowanie rozwoju systemów gazowniczych. Książka wypełni także poważny brak w literaturze źródłowej dla studentów inżynierii środowiska i pokrewnych studiów inżynierskich i magisterskich. Może ona również wzbogacić wiedzę uczniów szkół zawodowych i techników uczących się przedmiotów zawodowych związanych z zaopatrzeniem w gaz. Ze względu na poruszane w monografii zagadnienia, można nieco umownie podzielić ją na trzy części. W rozdziałach 1–5 szczegółowo omówiono właściwości gazów palnych, streszczono niezbędną wiedzę z zakresu teorii spalania i wybuchu. W rozdziałach 6 i 7 rozpatrzono kwestie sprawnego i bezpiecznego spalania gazu w urządzeniach bytowych i przemysłowych oraz podstawową wiedzę dotyczącą konstrukcji i zasad działania palników gazowych. W rozdziałach 8 i 9 przedstawiono zagadnienia, które są szczególnie ważne w eksploatacji instalacji i urządzeń gazowych czyli zmniejszenie emisji szkodliwych składników spalin do atmosfery oraz obliczenia sprawności zużycia paliwa.

Przy opracowaniu monografii autor starał się zachować równowagę w przekazaniu informacji między podstawami teoretycznymi a ich praktycznym zastosowaniem do obliczeń i projektowania. Dlatego w książce nie zabrakło przykładów obliczeniowych, rozwiązań rozpatrywanych zagadnień, zamieszczono również tablice niezbędne do obliczeń.

Podczas opracowania książki trudno jest nadążyć za bardzo szybkim postępem technicznym w technice gazowej, dlatego brak tu szczegółowych informacji z zakresu materiałoznawstwa, konkretnych konstrukcji palników i urządzeń gazowych. Najnowsze wiadomości na ten temat czytelnicy mogą znaleźć w materiałach informacyjnych i poradnikach producentów.

Wyrazy szacunku i uznania należą się świętej pamięci panu prof. Nikołajowi Staskiewiczowi, którego wieloletnie doświadczenie naukowe i dydaktyczne zostało wykorzystane w monografii. Siebie nadal uważam jedynie za Jego grzecznego i oddanego ucznia.

Panu redaktorowi Adamowi Filutowskiemu serdecznie dziękuję za przyjęcie propozycji wydania książki, przychylność i cenne rady w trakcie skomplikowanego procesu wydawniczego.

Aleksander Szkarowski

Koszalin, marzec 2020 r.1 WŁAŚCIWOŚCI PALIW GAZOWYCH

1.1. Podstawowe pojęcia i definicje

Paliwem gazowym (inaczej gazem palnym) nazywamy mieszaniny gazów (palnych i niepalnych), które wskutek swego składu chemicznego i powinowactwa do tlenu ulegają szybkiemu utlenieniu w trakcie reakcji spalania z wydzielaniem dużej ilości ciepła. Gazy palne wykorzystuje się także w technice, jako surowiec chemiczny.

Skład paliw gazowych w większości przypadków podaje się w procentach objętościowych (% obj.) lub w udziałach objętościowych (wartość bezwymiarowa stukrotnie mniejsza od składu wyrażonego w procentach). Sumaryczny skład gazu podany w procentach objętościowych (% obj.) równa się 100%, natomiast suma udziałów objętościowych wszystkich składników równa się 1,0. Rzadziej stosuje się skład masowy, przeważnie przy podaniu zawartości składników szkodliwych i trujących, np. , . Każdy składnik gazu najczęściej oznaczamy literą C z odpowiednim dolnym indeksem, np.:

lub .

Jest także dopuszczalny uproszczony sposób zapisu składu:

lub .

Za jednostkę ilości gazu w większości obliczeń przyjmuje się 1 m3 w warunkach normalnych, czyli pod ciśnieniem absolutnym 101 325 Pa i w temperaturze 0°C (273,15 K). W obliczeniach komercyjnych mogą występować inne warunki, które są omawiane w charakterystykach urządzeń do pomiaru przepływu gazu.

Ciśnienie absolutne (bezwzględne) pa jest to ciśnienie gazu liczone od próżni absolutnej, której przyporządkowuje się wartość równą zeru. Z punktu widzenia termodynamicznego jest to całkowite ciśnienie, które powoduje nieuporządkowany ruch cząsteczkowy gazu (ruch Browna). W praktyce ciśnienie absolutne rozumie się jako sumę algebraiczną ciśnienia barometrycznego (atmosferycznego) pb i nadciśnienia p:

(1.1)

Ciśnieniem barometrycznym nazywamy absolutne ciśnienie panujące w otoczeniu miejsca, w którym znajduje się gaz, np. w otoczeniu rurociągu, armatury, urządzenia gazowego itp. W technice nie zawsze takim otoczeniem jest atmosfera, dlatego potoczny termin ciśnienie atmosferyczne jest mniej pożądany.

Nadciśnienie stanowi różnicę między ciśnieniem absolutnym a barometrycznym i tę właśnie wartość pokazuje każdy ciśnieniomierz:

p = pa – pb

(1.1*)

Natomiast w przypadku, gdy ciśnienie absolutne gazu jest mniejsze od barometrycznego, stosuje się termin podciśnienie (próżnia). Podciśnienie h równa się różnicy ciśnienia barometrycznego i absolutnego:

h = p – pa

(1.2)

Ciepłem spalania nazywamy energię wydzielającą się po całkowitym i zupełnym spaleniu l m3 paliwa gazowego (do ostatecznych produktów utleniania). W gazownictwie odróżniamy górne i dolne ciepło spalania.

Górne ciepło spalania Qg uzyskuje się w warunkach, w których wodę będącą produktem spalania w całości doprowadza się do postaci cieczy, czyli produkty spalania są schładzane do temperatury gazu i powietrza przed spalaniem.

Dolne ciepło spalania Qd odpowiada warunkom, w których woda powstała w wyniku spalania pozostaje w spalinach w postaci pary. Zatem dolne ciepło spalania jest zawsze mniejsze od górnego o wartość ciepła parowania (skroplenia) powstałej pary wodnej (blisko 2,5 MJ na każdy kilogram H2O).

W potocznym języku technicznym górne ciepło spalania przyjęto określać jako ciepło spalania, natomiast dolne ciepło spalania jako wartość opałowa. Wartość opałowa jest miarą ilości ciepła, jaką dysponujemy, doprowadzając gaz do urządzenia grzewczego. Wyjątek stanowią tzw. kotły kondensacyjne i inne urządzenia techniki cieplnej, w których następuje schładzanie spalin poniżej temperatury punktu rosy i wykroplenie zawartej w nich pary wodnej. W tym przypadku mamy do dyspozycji górne ciepło spalania gazu.

Gęstość gazu ρ jest to masa l m3 gazu w warunkach normalnych. Natomiast gęstość względna gazu jest stosunkiem gęstości bezwzględnych gazu i powietrza i stanowi wartość bezwymiarową. Uwzględniając, że gęstość powietrza w warunkach normalnych wynosi 1,293 kg/m3, mamy:

(1.3)

Liczba Wobbego (ang. Wobbe index) W, (w literaturze zagranicznej spotykamy oznaczenia Wo, WI lub Iw) jest związana z wielkością górnego ciepła spalania gazu Qg i jego gęstością względną wzorem:

(1.4)

Wskaźnik ten charakteryzuje zamienność paliw gazowych z zachowaniem konstrukcji i mocy cieplnej urządzenia. Gazy o zbliżonej wartości W przy spalaniu za pomocą palnika o jednakowej średnicy dyszy zapewniają jednakową moc cieplną urządzenia.

1.2. Skład paliw gazowych

Rozpatruje się przede wszystkim suchy skład gazu, ponieważ jest on niezależny od warunków dostawy i magazynowania paliwa. Charakterystyki gazu odpowiadające jego składowi suchemu oznaczamy przez górny indeks „s”, na przykład: , , , . W rzeczywistości gaz nigdy nie bywa całkowicie suchy, dlatego w praktyce często występuje zagadnienie przeliczenia charakterystyk gazu na jego skład roboczy (z uwzględnieniem wilgotności), co oznaczamy przez górny indeks „r”, czyli: , , , . W tym celu, w zależności od wilgotności gazu d , określamy najpierw współczynnik przeliczeniowy:

(1.5)

Teraz wszystkie charakterystyki gazu mogą być przeliczone na skład roboczy (wilgotny) według wzorów:

(1.6)

(1.7)

(1.8)

Wyjątek stanowi udział objętościowy wody w składzie gazu wilgotnego, który określa się ze wzoru:

(1.9)

1.2.1. Charakterystyka składników paliw gazowych

Rzeczywisty (wilgotny) skład gazu palnego można wyrazić schematycznym wzorem przedstawionym na rys. 1.1.

Rys. 1.1. Umowny skład paliwa gazowego

W składzie suchym tego samego gazu brakuje pary wodnej. Składniki palne stanowią istotną część gazu (palną), składniki niepalne wraz z domieszkami stanowią część nieużyteczną, czyli balast. Tlen, będąc składnikiem niepalnym, traktowany jest jako użyteczny, gdyż bierze udział w reakcjach spalania, przyspieszając je i zmniejszając potrzebę dostarczania tlenu z zewnątrz.

Składniki palne

Węglowodory nasycone (tzw. rząd parafinowy) stanowią główną część palną gazów węglowodorowych i mają ogólny wzór chemiczny CnH2n–2. Pierwszy w tej grupie to metan (CH4), następne – etan (C2H6), propan (C3H8), butan (C4H10), pentan (C5H12) itd. Metan jest głównym składnikiem palnym wszystkich gazów ziemnych. Ze wzrostem masy molowej węglowodorów rośnie także ich wartość opałowa, gęstość i zdolność do skraplania się.

Węglowodory nasycone, charakteryzujące się wysoką wartością opałową, nie mają koloru i zapachu i nie są toksyczne. W dużych stężeniach wywierają jednak słabe działanie narkotyczne (węglowodory o dużych cząsteczkach).

Węglowodory nienasycone (CnH2n) w znacznych ilościach wchodzą w skład gazów skroplonych. Węglowodory tego rzędu – etylen (C2H4), propylen (C3H6), butylen (C4H8) – mają właściwości fizyczne na ogół podobne do właściwości węglowodorów nasyconych.

Wodór (H2) wchodzi przeważnie w skład gazów sztucznych. Jest to nietoksyczny gaz palny bezbarwny i bezwonny, nie ma smaku. Jest bardzo aktywny w reakcjach spalania.

Tlenek węgla(II) (СО), potocznie – tlenek węgla, to gaz palny bezbarwny i bezwonny, niemający smaku. Jest cięższy od powietrza i bardzo toksyczny. W dużych ilościach wchodzi w skład gazów sztucznych. Powstaje także przy niezupełnym spalaniu paliwa.

Siarkowodór (H2S) – bezbarwny gaz palny o charakterystycznym zapachu zgniłych jaj. Może wchodzić w skład gazów sztucznych i źle oczyszczonego gazu ziemnego. Zarówno sam siarkowodór, jak i produkty jego spalania (tlenki siarki SO2 i SO3) są toksyczne, niszczą metale i w połączeniu z żelazem mogą tworzyć tzw. związki piroforyczne, zdolne do samozapalenia się w powietrzu.

Składniki niepalne

Tlenek węgla(IV) (CO2), potocznie – dwutlenek węgla, jest gazem bezbarwnym i bezwonnym, o słabym smaku kwaśnym. Właściwości toksyczne przejawia tylko w dużych stężeniach (powyżej 5% obj.). Ze względu na aktywność chemiczną jest zaliczany do gazów inertnych (obojętnych). Jest jednym z tzw. gazów cieplarnianych.

Azot (N2) – gaz bezbarwny i bezwonny, niemający smaku. Nie ma właściwości toksycznych, gdyż jest podstawowym składnikiem powietrza. W wysokiej temperaturze tworzy bardzo toksyczne tlenki azotu.

Tlen (O2) – gaz bezbarwny i bezwonny, niemający smaku. Nie pali się, jednak podtrzymuje spalanie: bierze udział w reakcjach spalania jako główny czynnik utleniający. W obecności wilgoci przyczynia się do korozji gazociągów metalowych i armatury. W nieznacznych ilościach wchodzi w skład niektórych gazów sztucznych.

Domieszki

Amoniak (NH3) – bezbarwny gaz palny o charakterystycznym ostrym zapachu. Jest szkodliwą domieszką niektórych gazów sztucznych.

Związki cyjanowe, w pierwszej kolejności cyjanowodór (НСN), mogą powstawać w gazach koksowniczych w wyniku reakcji węgla paliwowego z amoniakiem. W warunkach pokojowych cyjanowodór jest bezbarwnym łatwo parującym płynem o bardzo dużych właściwościach toksycznych i korozyjnych. Z wodą tworzy słaby kwas cyjanowodorowy, którego sole noszą nazwę cyjanków.

Para wodna może występować w gazie każdego rodzaju, zwłaszcza przy niewystarczającym stopniu osuszenia. Pod wysokim ciśnieniem może łączyć się z ciężkimi węglowodorami, tworząc związki krystaliczno-hydratowe, przypominające wyglądem śnieg lub cząsteczki lodu. Mogą przyczyniać się one do zatkania przewodów gazowych i naruszenia normalnej pracy urządzeń.

Naftalen, smoły i pyły występują przeważnie przy złym oczyszczaniu gazu, osadzają się na wewnętrznych ściankach gazociągów, zmniejszając ich przekrój, przyczyniają się do przedwczesnego zanieczyszczenia filtrów, armatury i urządzeń gazowych.

1.2.2. Właściwości trujące paliw gazowych

Gazy palne mogą mieć niebezpieczne właściwości, zależne od zawartości składników trujących lub toksycznych, do których należą CO2, CO i H2S.

Tlenek węgla(IV) CO2 jest szkodliwy dla organizmu ludzkiego, jeżeli jego stężenie w powietrzu wynosi powyżej 3% obj.

Tlenek węgla(II) CO, zwany potocznie czadem, jest bardzo toksycznym związkiem chemicznym już w stężeniu powyżej 0,2 g/m3 (0,016% obj.). Natomiast przy stężeniu 0,5 g/m3 (0,04% obj.) śmierć następuje po upływie kilku godzin, a w przypadku większych stężeń – prawie natychmiast. CO, wiążąc się z hemoglobiną¹, odbiera krwi zdolność transportowania tlenu, więc śmierć następuje wskutek porażenia funkcji oddychania i krążenia.

Siarkowodór H2S jest nawet bardziej niebezpiecznym związkiem: w stężeniu > 0,1 g/m3 (0,0066% obj.) powoduje zatrucie, a stężenie 0,2 g/m3 (0,013% obj.) powoduje śmierć po upływie kilku godzin, natomiast 0,05% obj. – po 30 min.

Jak już wspomniano, propan, butan oraz większość wyższych węglowodorów mają pewne właściwości narkotyczne. Ich działanie jest osłabione w wyniku małej rozpuszczalności we krwi, ale przy stężeniu tych składników w powietrzu powyżej 10% obj. mogą one wywoływać zatrucie objawiające się bólem głowy, wymiotami i ogólnym osłabieniem.

Pozostałe składniki paliw gazowych nawet, jeśli nie są trujące, przy znacznym ich stężeniu w powietrzu (powyżej 10% obj.) powodują, że organizm człowieka nie otrzymuje niezbędnej ilości tlenu do oddychania, a więc pośrednio te gazy mogą być przyczyną uduszenia się człowieka.

W tablicy 1.1 podano właściwości fizyczne ważniejszych składników gazów palnych.

Tablica 1.1. Właściwości fizyczne ważniejszych składników gazów palnych

+------------------+----------------+-------------+-----------------+------------------+--------------------------------------------------+-----------------+-----------------+
| Nazwa gazu | Wzór chemiczny | Masa molowa | Gęstość | Gęstość względna | Współczynnik lepkości dynamicznej × 106 | Ciepło spalania | Wartość opałowa |
| | | | | | | | |
+------------------+----------------+-------------+-----------------+------------------+--------------------------------------------------+-----------------+-----------------+
| Metan | CH4 | 16,043 | 0,7175 | 0,5549 | 10,22 | 39,831 | 35,894 |
+------------------+----------------+-------------+-----------------+------------------+--------------------------------------------------+-----------------+-----------------+
| Etan | C2H6 | 30,070 | 1,3551 | 1,0481 | 8,51 | 70,330 | 64,38 |
+------------------+----------------+-------------+-----------------+------------------+--------------------------------------------------+-----------------+-----------------+
| Propan | C3H8 | 44,097 | 2,0098 | 1,5545 | 7,46 | 101,15 | 93,11 |
+------------------+----------------+-------------+-----------------+------------------+--------------------------------------------------+-----------------+-----------------+
| n-butan | C4H10 | 58,123 | 2,7091 | 2,0953 | 6,86 | 134,11 | 123,86 |
+------------------+----------------+-------------+-----------------+------------------+--------------------------------------------------+-----------------+-----------------+
| izo-butan | C4H10 | 58,123 | 2,7068 | 2,0953 | 6,92 | 133,57 | 123,33 |
+------------------+----------------+-------------+-----------------+------------------+--------------------------------------------------+-----------------+-----------------+
| Propen | C3H6 | 42,081 | 1,9138 | 1,4802 | 7,75 | 93,60 | 87,59 |
+------------------+----------------+-------------+-----------------+------------------+--------------------------------------------------+-----------------+-----------------+
| Wodór | H2 | 2,0159 | 0,0899 | 0,0696 | 8,35 | 12,752 | 10,782 |
+------------------+----------------+-------------+-----------------+------------------+--------------------------------------------------+-----------------+-----------------+
| Tlenek węgla(II) | CO | 28,010 | 1,2505 | 0,9672 | 16,59 | 12,64 | 12,64 |
+------------------+----------------+-------------+-----------------+------------------+--------------------------------------------------+-----------------+-----------------+
| Azot | N2 | 28,0135 | 1,2504 | 0,9671 | 16,52 | - | - |
+------------------+----------------+-------------+-----------------+------------------+--------------------------------------------------+-----------------+-----------------+
| Tlen | O2 | 31,9988 | 1,4290 | 1,1053 | 19,11 | - | - |
+------------------+----------------+-------------+-----------------+------------------+--------------------------------------------------+-----------------+-----------------+
| Tlenek węgla(IV) | CO2 | 44,010 | 1,9768 | 1,5289 | 13,75 | - | - |
+------------------+----------------+-------------+-----------------+------------------+--------------------------------------------------+-----------------+-----------------+
| Powietrze suche | - | 28,9626 | 1,292923 | 1,0000 | 17,08 | - | - |
+------------------+----------------+-------------+-----------------+------------------+--------------------------------------------------+-----------------+-----------------+