Горючая масса нефтепромысловых газов, как и природного газа, состоит из метана и его гомологов. Однако в нефтепромысловых газах содержится меньше метана и значительно больше этана, пропана, бутана и пентана. Поэтому теплота сгорания горючей углеводородной массы нефтепромысловых газов значительно выше, чем природных газов.
Содержание азота в нефтепромысловых газах значительно колеблется. Помимо азота, в них содержится обычно небольшое количество двуокиси углерода, а в нефтепромысловом газе, добываемом в месторождениях с сернистой нефтью, содержится сероводород.
Состав нефтепромысловых газов некоторых месторождений СССР приведен в табл. 104.
Добыча нефтепромыслового газа характеризуется следующими цифрами II] (в млрд. мэ):
17.8 18.9 19,6 |
1950 г. 1,7 1966 г
1958 г. 5,4 1967 г
1960 г.. 14,2 1968 г
1965 г.. 16,5
До настоящего времени не весь нефтепромысловый газ полностью собирается и используется. В 1967 г. доля используемого газа была доведена до 70 %. В дальнейшем намечено увеличить долю используемого нефтепромыслового газа до 83—85% [139].
Месторождение |
Горизонт |
Состав газа, % |
Удельный вес по воздуху |
||||||||
СШ |
С2н. |
С„н. |
С, н10 |
С5н, а |
С, Си |
Нгв |
Со* |
N. |
|||
Туймаэинское |
Угленосный |
30,0 |
13,0 |
14,3 |
6,3 |
3,3 |
М |
0,7 |
1,0 |
30,0 |
1,08 |
Туймазинское |
Девонский |
39,5 |
20,0 |
18,5 |
7,7 |
2,8 |
1,4 |
— |
0,1 |
10,0 |
1,08 |
Мухановское |
Кунгурсюй |
57,5 |
15,0 |
11,0 |
8,0 |
4,0 |
1,5 |
3,0 |
0,96 |
||
Муханопское |
Девонский |
42,7 |
20,0 |
19,5 |
0,5 |
2,9 |
— |
0,2 |
5,2 |
1,07 |
|
Ромашкинское |
Девонек* й |
40,0 |
16,5 |
18,0 |
7,5 |
3,8 |
1,1 |
— |
0,1 |
10,0 |
1,10 |
Шугурооское |
Угленосный |
23,7 |
12,0 |
10,0 |
2,8 |
1,5 |
1,0 |
2,0 |
1,0 |
46,0 |
1,02 |
Содержащиеся в нефтепромысловом газе углеводороды от С2Нв до С5Н12 являются ценным сырьем для химической промышленности.
Неоднородность углеводородного состава нефтепромысловых газов и различное содержание азота обусловливают значительное различие в теплоте сгорания нефтепромысловых газов. Но поскольку с увеличением теплоты ■сгорания соответственно возрастает и объем продуктов сгорания, энтальпия
1 м:> продуктов сгорания нефтепромысловых газов, их жаропроизводитель — ность и величина К02тах меняются в весьма малой степени. Данные о составе некоторых нефтепромысловых газов и их теплотехнических характеристиках, приведенные в табл. 104 и 105, иллюстрируют указанное положение.
Так, теплота сгорания газа Туймазинского месторождения (Башкирская АССР) колеблется от 11 200 до 14 200 ккал/нм3, т. е. в пределах 27% по отношению к наименьшей теплоте сгорания газа, а жаропроизводительность туй — .мазипского газа колеблется от 2010 до 2050°, т. е. в пределах 2% по отношению к наименьшей жаропроизводительности газа. Энтальпия, т. е. теплота сгорания, отнесенная к 1 нм3 сухих продуктов горения (в стехиометрическом объеме воздуха) Р, колеблется от 970 до 1000 ккал/нм3, т. е. в пределах 3%, или в девять раз меньше, чем колебания теплоты сгорания ()в.
Теплота сгорания мухановского газа (Куйбышевско-Бугурусланский нефтяной район) колеблется от 13 240 до 14 650 ккал/нм3, т. е. в пределах 10% до отношению к наименьшей теплоте сгорания газа. Теплота сгорания, отнесенная к 1 нм3 сухих продуктов горения, колеблется от 990 до 1000 ккал/нм3, т. е. в пределах 0,5%, или в 20 раз меньше, чем колебания теплоты сгорания газа <2н. Теплота сгорания попутного газа Шугуровского месторождения, содержащего 46% азота, на 46% ниже теплоты сгорания газа Ромашкинского месторождения, однако энтальпия 1 .и3 сухих продуктов сгорания Шугуров — ского газа ниже только на 4%, а жаропроизводительность на 5%.
В соответствии с этим подсчеты располагаемого тепла и потерь тепла с уходящими газами и вследствие неполноты сгорания можно выполнять на основе рассмотренных обобщенных характеристик продуктов сгорания.
В табл. 106 приведены состав продуктов полного сгорания нефтепромысловых газов с 1Ю2гпах около 13% при различных коэффициентах избытка воздуха а и разбавления продуктов сгорания к, а также калориметрические температуры горения £кал [163].
Подсчеты располагаемого тепла продуктов сгорания нефтепромыслового гао и иотери тепла. Располагаемое тепло продуктов сгорания и потери тепла с уходящими газами можно подсчитать по формулам (XXIV.1) и (XXIV.2), значения величины Z приведены в табл. 107; потери тепла вследствие химической неполноты горения нефтепромыслового газа можно подсчитать по формуле
40СО+30Н. + 100СН,
^ СОа -|- СО + СИ, ‘ (ААУ.1)
Ч *< НС |
НС |
|
||
|
||
|
||
|
||
|
||
|
||
|
||
|
||
|
||
Ъз |
СВ & 3 И ? |
—а |
СО |
** |
Н-*- |
||
00 |
Ю |
О |
N5 |
ГО |
|
Со О |
І • О |
СЛ О |
О |
8 |
8 |
Сл
"о
Теплотворная способность С? Р, ккал/нм*
Теоретический объем воздуха V*, им*/пм*
00 |
Со 05 |
Теоретический объем сухих продуктов сгорания Ус< г, пм3/нм*
СО О |
05 О |
Теоретический объем влажных продуктов сгорания
У^, им*/им9
Отношение объемов сухих и влажных продуктов сгорания В
|
|
|
|
|
|
|
|
Го ГчО ГС> го
TOC o "1-5" h z о о о о о
00 оо О0 00 £ч
О о о о о
Жаропроиэводительность при сжигании в абсолютно сухом воздухе *тах’ °С
І-ь. |
Го |
N5 |
ГС |
N5 |
Ю |
О |
О |
О |
О |
О |
О |
СІ |
С->» |
||||
О |
О |
О |
О |
О |
О |
Жаропроияводительнооть при сжигании в воздухе, содержащем 1% влаги
Я02 ;пах сухих продунтов сгорания, %
Состав сухих продуктов полі ого сгорания, % |
Коэффициент |
Калориметрическая температура горс — иия /ка °С |
Состав сухих продуп — тсв полного сгорании, % |
Коэффициент |
І І С о Ю 1. А 5 Я ОГ ч 5 с «0 ? 5 Їм £ 33 |
||||
1Ю3 |
0* |
Я ‘£ 2 с П і — — * У, > ~ 5 * а° Г. с С О |
СЗ Р* Сс о 5 д |
Й0г |
0, |
1 Разоавленип сухих продуктов сгорания к |
Избытка воздуха а |
||
13,0 |
0,0 |
87,0 |
1,00 |
1,00 |
2040 |
8,8 |
6,8 |
84,4 |
1,48 |
1,44 |
1570 |
12,8 |
0,3 |
8(’>, 9 |
1,01 |
1,01 |
2060 |
8,6 |
7,1 |
84,3 |
1,51 |
1,46 |
1540 |
12,6 |
0,6 |
86,7 |
1,03 |
1,03 |
2030 |
8,4 |
7,4 |
84,2 |
1,55 |
1,50 |
1510 |
12,4 |
1,0 |
86,6 |
1,05 |
1,04 |
2010 |
8,2 |
7,7 |
84,1 |
1,58 |
1,53 |
1490 |
12,2 |
1,3 |
86,5 |
1,06 |
1,05 |
1990 |
8,0 |
8,1 |
83,9 |
1,62 |
1,56 |
1470 |
12,0 |
1,6 |
86,4 |
1,08 |
1,07 |
1Г60 |
7,8 |
8,4 |
83,8 |
1,67 |
1,61 |
1430 |
11,8 |
1,9 |
86,3 |
1,10 |
1,09 |
1930 |
7,6 |
8,7 |
83,7 |
1,71 |
1,65 |
1400 |
11,6 |
2,2 |
86,2 |
1,12 |
1,11 |
1900 |
7,4 |
0,0 |
83,6 |
1,76 |
1,68 |
1370 |
11,4 |
2,6 |
86,0 |
1,14 |
1,13 |
1880 |
7,2 |
9,4 |
83,4 |
1,81 |
1,74 |
1330 |
11,2 |
2,9 |
85,9 |
1,16 |
1,15 |
1850 |
7,0 |
9,7 |
83,3 |
1,86 |
1,73 |
1300 |
11,0 |
3,2 |
85,8 |
1,18 |
1,16 |
1840 |
6,8 |
10,0 |
83,2 |
1,91 |
1,83 |
1270 |
10,8 |
3,5 |
85,7 |
1,20 |
1,18 |
1820 |
6,6 |
10,3 |
83,1 |
1,97 |
1,88 |
1240 |
10,6 |
3.9 |
85,5 |
1,23 |
1,21 |
1800 |
6,4 |
10,7 |
82,9 |
2,03 |
1 ,Р4 |
1220 |
10,4 |
4,2 |
85,4 |
1,25 |
1,23 |
1780 |
6,2 |
11,0 |
82,8 |
2,10 |
2,00 |
1200 |
10,2 |
4,5 |
85,3 |
1,27 |
1,25 |
1760 |
6,0 |
11,3 |
82,7 |
2,17 |
2,06 |
1180 |
10,0 |
4,8 |
85,2 |
1,30 |
1,27 |
1740 |
5,8 |
11,6 |
82„6 |
2,24 |
2,13 |
1150 |
9,8 |
5,1 |
85,1 |
1,33 |
1,30 |
1710 |
5,6 |
12,0 |
82,4 |
2,32 |
2,20 |
1120 |
9,6 |
5,5 |
84,9 |
1,35 |
1,32 |
1680 |
5,4 |
12,3 |
82,3 |
2,41 |
2,28 |
1080 |
9,4 |
5,8 |
84,8 |
1,38 |
1,35 |
1650 |
5,2 |
12,6 |
82,2 |
2,50 |
2,37 |
1050 |
9,2 |
6,1 |
84,7 |
1,41 |
1,37 |
1630 |
5,0 |
12,9 |
82,1 |
2,60 |
2,46 |
1010 |
9,0 |
6,4 |
84,6 |
1,44 |
1,40 |
1600 |
Примечание» В02 тах сухих продуктов полного сгорания попутных нефтепромысловых газов ~13,0%. |
Аналогичной формуле (XXIV.5) для подсчета потерь тепла вследствие неполноты горения природного газа, но с несколько отличными коэффициентами.
Помимо формулы (XXV.!), справедливой только для нефтепромыслового газа, можно пользоваться другими, более общими формулами, а именно: формулой, пригодной для всех углеводородных газов, кроме ацетилена,
?з = (ЗСО 2,5Н2 8,5СН4)й%
Или универсальной формулой
= (3020 СО + 2580 Н2 + 8550СН4)к: Р%.
Коэффициент использования нефтепромыслового газа подсчитывают по формуле
К. и.т. = 100 — (д2 + 9з)%.
Подсчет 1.
Состав продуктов сгорания нефтепромыслового газа И02 = 9,0; 02 = 6,2; СО = 0,3; Н2 = 0,2; СНЛ = 0,1; N.. — 74,2%. Температура [‘уходящих [газов равна 600°, воздуха 30°.
Проверить правильность анализа уходящих газов, подсчитать потери тепла с уходящими газами и вследствие химической неполноты горения, определить коэффициент использования топлива в установке.
Таблиц а 107 Значения величины 2 длп пэпутны* нефтепромысловых гл;юв
|
1. По табл. 106 в продуктах полного сгорапия нефтепромыслового газа при содержании 1Юа = 9,0% должно содержаться около 6,4% кислорода. Поэтому содержание его в продуктах сгорания в количестве 6,2% не вызывает возражений.
Поскольку в продуктах горения содержатся наряду с НОг и 02 продукты неполного сгорания (СО, Н2 и СН4),— проводим проверочный подсчет Н02п1ах по формуле
НО _ (ИОг 4-СО+СН.) 100
2а* 100 — 4,76 (Ог — 0,4С!0 — 0,2 Нг — 1.ВСН1) “
_____________ (9.0+0,3 + 0,1)100_________________
_100-4,76(6,2-0,4.0,3-0,2.0,2- 1,6-0,1) — 1,5’и °’
Поскольку 1Ю*тах продуктов горения соответствует его значению для нефтепромысловых газов, анализ продуктов сгорания не вызывает возражений.
2. Потери тепла с уходящими газами определяем по формуле
92 = 0,01 ‘(1у т-1в)г%.
При содержании в продуктах сгорания 9,4% углеродсодержащях газов и температуре 600° величина Ъ для нефтепромысловых газов по табл. 107 равна 5,45. Следовательно,
Дг = 0,01 (600 — 30) 5,45 = 31,0%.
3. Потери тепла вследствие химической неполноты горения по формуле (XXV.1) для нефтепромыслового газа равны
40.0,3 + 30.0,2 + 110-0,1 „ ,
9з= 9,0+ 0,3+0,1 =3,1%.
4. Коэффициент использования нефтепромыслового газа в установке равен
Сжижештые газы состоят из легкокопденсирующихся при сжатии газообразных углеводородов. Основными их компонентами являются пропан и бутан.
Сжиженные газы применяют в химической технологии, а также в качестве топлива в коммунально-бытовых и небольших промышленных установках и выпускают в соответствии с ГОСТ 10196-62 трех марок: 1) технический пропаи, 2) технический бутан и 3) смесь технических пропана и бутана.
Технический пропан должен содержать не менее 93% С3Н0 Ц-С3Н*, не более 4% С2Н6 + С2Н4 и не более ЗУ С4Н10 + С4Н8 при отсутствии СйН12 и СВН10.
В техническом бутане должно содержаться не менее 93% С4Н10 + С4Н8, не более 3% С5Н12-|- С5Н10 и не более 4% С3Н8 4- С3Нв при отсутствии С3Нв и С2Н4.
В смеси технических пропана и бутана должно содержаться не более
4% С2Н6 + С2Н4 и не более 3% С5Н12 + С5Н10.
Предусматривается наличие жидкого остатка не более 2% по объему в техническом пропане при температуре минус 20°, а в остальных газах при плюс 20°. В 100 м3 газа может содержаться не более 5 е Н23. При содержании п воздухе 0,5% газа должен ощущаться его запах.
Сжиженные газы хранят и транспортируют в виде жидкости, а сжигают в газообразном состоянии.
Топливо поступает к потребителям в цистернах или тонкостенных баллонах, заполненных сжиженным газом, над уровнем которого скопляется газовая фаза.
Перед сжиганием сжиженный газ регазифицируют. Регазификацию в промышленных установках осуществляют путем снижения давления в хранилищах вследствие отвода газовой фазы к горелкам и подогрева жидкой фазы. У мелких потребителей регазификацию осуществляют только путем снижения давления газовой фазы при открывании вентиля баллона и отборе газа в горелки.
Сжижеппый газ широко используют для газоснабжения сельской местности и районов, не подключенных к газовым сетям. Его также применяют для повышения теплоты сгорания различных видов газообразного топлива. Так, в Великобритании для покрытия пиковых нагрузок к коксовому газу добавляют 10—15% технического пропана [164].
Поскольку перевод горелок на пропан или бутан требует только смены сопел, сжиженный газ можно использовать в качестве резервного топлива для обеспечения бесперебойной подачи газа квалифицированным промышленным потребителям в случае кратковременных перебоев в подаче сетевого газа.
Производство и потребление сжиженных газов быстро возрастают.
В СССР в 1967 г. произведено более 3,5 млн. т сжиженных газов. Две трети этого количества использовано в химической технологии, а остальной газ — преимущественно в качестве бытового топлива. В 1967 г. сжиженный газ поставлялся 5 млн. потребителей [139].
Теплота сгорания 1 нм3 бутана превышает теплоту сгорания пропаиа приблизительно па 30%. Поэтому теплота сгорания сжиженных газов может меняться в значительной степени. Однако обобщенные характеристики сжиженных газов остаются практически постоянными [6].
В табл. 108 приведены соотношения С02 и 02 в продуктах полного сгорания сжиженных газов, а также значения коэффициентов разбавления сухих продуктов горения к и избытка воздуха ос. В этой же таблице дана калориметрическая температура горения сжижепных газов при сжигании с различным избытком воздуха [165].
Потери тепла с уходящими газами и физическое тепло продуктов сгорания сжиженных газов можно подсчитать по формулам (Х.16) и (Х.17) или по
Таблица 108 Состав и теплотехнические характеристики продуктов полного сгорания сжиженных газ<;в
|
Примечание. С02 тах сухвк продуктов полного сгорания сжиженных газов ~14,0%. |
Значении величины 2 длп сжиженных гадов
|
Солее удобной формуле (Х.20) и вспомогательной расчетной табл. 109, составленной для сжиженных газов.
Потери тепля вследствие химической неполноты горения можно установить по формуле
„ __ 42СО 4- 35Н? + 120СН.1 п/ о
Ч* = ——- СО. + СО+СН4— %- (ХХУ.^)
Коэффициент использования сжиженного газа подсчитывают по формуле к. и.т. = 100 — + д3)°4.
Подсчет 1.
Прп сжигании сжиженного газа получены продукты сгорания следующего состава: С02 — 10,2; 02 — 5,4; СО — 0,4; Н., — 0,2; СН4 — 0,1; Л, — 83,7%.
Температура уходящих газов 250°, температура воздуха 20°.
Проверить правильность анализа продуктов сгорания, подсчитать потери тепла с уходящими газами и вследствие химической неполноты горения, определить коэффициент использования сжиженного газа в установке.
1.В продуктах полного сгорания сжиженного газа при наличии 10,2% С02 должно содержаться около 5,7% Ог (см. табл. 108). Следовательно, расхождение между содержанием кислорода по данным анализа продуктов сгорания и по справочной таблице невелико.
Поскольку в продуктах сгорания содержатся СО, Н2 и СН4, т. е. имеет место неполнота сгорания, а табл. 108 составлена для продуктов полного сгорания сжиженного’
Гп _ (С02 + С0 + СП.,). 100
2 шах 100 —4,76(Ог —0,4с0 —0,2Нг- 1 ,ССН1) —
____________ (10,2 + 0,4+0,1)100______________ „с-
_ 100 —4,76(5,4 —0,4-0,4 —0,2-0,2— 1,6-0,1) ~ ‘
Полученное в результате проверки значение С02тах близко к табличному для сжиженных газов, поэтому данные анализа продуктов сгорания не вызывают замечаний.
2. Потери тепла с уходящими газами подсчитываем по формуле
?2=0,01 («,. г —?в) Я»’
При содержании в продуктах сгорания сжиженного газа 10,7% (С02 + СО + СГ14) и температуре продуктов сгорания 250° величина Ъ по расчетной табл. 109 равна 4,95. Следовательно,
= 0,01 (250-20) 4,95 11,4%.
3. Потери тепла вследствие химической неполноты горения по формуле (XXV.2) для
Сжиженного газа равны
42-0,4 -1- 35-0,2 + 120-0,1 73 = 10,2 + 1,4+0,1 =3-3°/о.
4. Коэффициент использования тепла сжиженного газа в установке равен
;.и. т. = 100 — (11,4 + 3,3) = 85,3%.