ВЕДЕНИЕ
Известно много видов горючих газов, отличающихся друг от друга химическим составом, физическими свойствами и теплотой сгорания, которые используют в качестве топлива для разнообразных термических процессов. Для газоснабжения городов применяют только те искусственные и природные газы объемная теплота сгорания которых составляет не менее 1,5- 1,7 МДж/м3. Объясняется это тем, что газы, характеризующиеся содержанием небольшого количества тепла в единице объема и имеющие, как правило, большую плотность, требуют высоких металловложений и капитальных, затрат на сооружение газовых сетей. При этом удорожается и усложняется аппаратура по учету и использованию горючих газов и несколько снижается ее к. п. д. Недостаток горючих газов с низкой теплотой сгорания - содержание в них значительного количества окиси углерода.
Газы с одинаковой теплотой сгорания могут иметь разный химический состав и разную жаропроизводительность, а газы с одинаковой жаропроизводительностью - разные состав и калорийность. По данной причине наиболее правильной будет классификация горючих газов по способу их производства. В этом случае горючие газы могут быть разделены на четыре основные группы. К первой группе относят газы сухой перегонки, получаемые при нагревании твердого и жидкого топлив без доступа воздуха, ко второй - газы безостаточной газификации, получаемые при нагревании твердого или жидкого топлива с частичным сжиганием его в потоке воздуха, кислорода или их смесей с водяным паром. Третью группу составляют природные горючие газы, добываемые из чисто газовых или газонефтяных месторождений, четвертую - жидкие газы, выделяемые из природных газов или получаемые искусственно на заводах-термической переработки твердых и жидких топлив.
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГАЗОВ И МЕРЫБЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ОБРАЩЕНИИ С НИМИ
Для газоснабжения городов в основном применяются природный и сжиженный газы, главные преимущества которых перед другими видами топлива - высокая теплота сгорания, относительная дешевизна и гигиеничность.
Природный газ добывается из газовых месторождений или попутно с добычей нефти (попутный газ) и является продуктом разложения органических веществ без доступа воздуха. С мест добычи природный газ под высоким давлением транспортируется по магистральным газопроводам к потребителям.
Газовое топливо - смесь различных газов. Та часть газов, которая может гореть, называется горючей (метан, этан, пропан, бутан, водород, окись углерода и другие тяжелые углеводороды), а та, которая не горит,- балластом (азот, углекислый газ, водяные пары и др.). Сероводород, содержащийся в значительных количествах в некоторых природных и попутных нефтяных газах, - вредная примесь; в результате его сгорания образуется очень ядовитый и активный в отношении коррозии сернистый газ. Главная составная часть природных газов - метан. В зависимости от месторождения содержание метана в природном газе может быть различным (813-98%), В связи с этим меняется теплота сгорания и плотность газа.
Горение топлива - химический процесс соединения его горючих компонентов с кислородом воздуха. Этот процесс протекает в определенных количественных соотношениях. При низких температурах процессы соединения горючих газов с кислородом воздуха протекают очень медленно. С повышением температуры скорость реакций окисления возрастает. При температуре, называемой температурой воспламенения, процесс медленного окисления переходит в самопроизвольный процесс горения. Температура воспламенения характеризует момент перехода от медленной реакции окисления к быстрому процессу горения. Температура воспламенения метана 650-750° С.
Начавшийся процесс горения подожженной газовоздушной смеси будет продолжаться самостоятельно, если количество тепла, выделяющегося при горении, достаточно для того, чтобы нагревать вновь поступающую к месту горения смесь до-температуры ее воспламенения. Если в смеси будет слишком мало газа или недостаточно воздуха, то тепла, выделяющегося при горении, не хватят для нагревания газа и воздуха и начавшееся горение смеси прекратится.
Природный газ горит при определенном соотношении его с воздухом в составе газовоздушной смеси. Для полного сгорания 1 м3 газа теоретически требуется около 10 м3 воздуха. Воспламенение природного газа происходит в том случае, когда содержание его в газовоздушной смеси составляет 3,8-15%. Газовоздушная смесь с такой концентрацией природного газа при определенных условиях взрывоопасна. Так, если в каком-то объеме (помещении, топке теплового агрегата, котловане и т. д.) содержится подобная смесь газа с воздухом, то при внесении в него огня или другого источника теплового излучения (искра при включении электроосвещения) может произойти взрыв.
Минимальное содержание газа в смеси с воздухом, при котором идет процесс самопроизвольного горения (без притока тепла извне), называется нижним пределом взрываемости. Максимальное содержание газа в смеси с воздухом, выше которого смесь становится негорючей, называется верхним пределом взрываемости. Если содержание горючего газа в газовоздушной смеси ниже нижнего предела взрываемости, смесь при зажигании не горит и не взрывается. В этом случае около запала смесь может гореть, но процесс самопроизвольного горения не наступает и при удалении запала (источника тепла извне) горение прекращается. Если содержание горючего газа в газовоздушной смеси выше верхнего предела взрываемости; то в закрытом объеме такая смесь также не горит и не взрывается:
Наиболее опасными в отношении взрыва следует считать те горючие газы, которые имеют самые низкие значения нижних пределов взрываемости и прочих равных условиях самые низкие температуры воспламенения; При близких значениях нижних пределов взрываемости газов наиболее опасным из чих следует считать тот газ у которого шире диапазон ниже температура воспламенения. При повышении температуры газовоздушных смесей пределы их взрываемости расширяются: нижний снижается, верхний растет. Газовоздушная смесь, нагретая до температуры воспламенения, может гореть при любом соотношении объемов-газов и воздуха.
Взрывы газовоздушных смесей могут происходить только при содержании газа в воздухе в интервале между нижним и верхним пределами взрываемости. Взрыв - это быстрое сгорание газовоздушной смеси в замкнутом объеме. Образующиеся при взрыве нагретые сжатые газы, расширяясь, могут привести к разрушению установки и помещения, в котором он произошел. Возникающее при взрыве давление зависит в основном от температуры продуктов горения, которая в этих условиях^ бывает очень высокой, например, водорода - 2-210 С, окиси углерода - 2468° С, метана - 2065° С, природного газа-1830° С, коксового газа-1885° С. Давления, возникающие при взрыве газовоздушных смесей, обычно не превышают 10 кгс/см2.
Возникающая при взрыве ударная или взрывная волна может привести к детонациям. Детонация - это особый вид распространения пламени. Скорость детонации очень высока (несколько тысяч метров в секунду). При детонации газовоздушные смеси быстро разогреваются в результате сжатия их ударной волной, движущейся перед фронтом пламени, здесь возникают наибольшие взрывные давления (20 кгс/см2), а следовательно, и наиболее Сильные разрушения газопроводов и помещений. Детонация бывает только при определенном составе газовоздушных смесей. Пределы детонации в газовоздушных смесях значительно меньше пределов их воспламеняемости. Сжиженные газы представляют собой углеводородные органические соединения или их смеси, которые при обычных условиях находятся в газообразном состоянии, при повышении давления превращаются в жидкость, а при снижении его легко испаряются. Источник получения сжиженного газа - попутные газы нефтяных месторождений и продукты переработки нефти. Сжиженный газ производится на специальных заводах, с которых по трубопроводам или в цистернах он поступает на газораздаточные станции, а оттуда к потребителям.
Основные углеводородные соединения, входящие в состав сжиженных газов, - пропан и бутан. Кроме того, в их состав в небольших количествах могут входить этан, пентан, этилен, пропилен, и бутилен.
Основная особенность сжиженных углеводородных газов заключается в том, что они хранятся и транспортируются в жидком, а используются в" газообразном состоянии.
Бутаны без регазификации могут применяться в качестве топлива только при положительных температурах, так как при отрицательных температурах упругость их паров меньше атмосферного давления. При высоких положительных температурах целесообразно применять бутаны, а не пропан, так как при одинаковой температуре давление насыщенных паров бутанов примерно в 3 раза ниже, чем у пропана. Это позволяет хранить жидкую фазу бутанов при обычных температурах (до 40° С) в резервуарах, рассчитанных на давление 7 кгс/см2, и при температуре до 80° С в резервуарах, рассчитанных на давление 16 кгс/см2
Сжиженные углеводородные газы являются насыщенными (кипящими жидкостями) при наличии свободной поверхности жидкой фазы. При этом всегда возникает двухфазная система (жидкость-пар), причем давление паров изменяется в зависимости от температуры жидкой фазы и может достигать значительной величины в зависимости от температуры среды. В связи с этим при разрыве аппарата или трубопровода в них продолжительное время (до полного освобождения от жидкой фазы) поддерживается давление, что создает для окружающих объектов опасность значительно большую, чем при разрыве нефтепровода или газопровода природного газа, в которых давление при "разрыве быстро снижается до нуля.
Паровая фаза сжиженных углеводородных газов по плотности значительно тяжелее воздуха. Плотность паров сжиженных газов при 0° С и 760 мм. рт. ст. колеблется в пределах от 2 до 2,7 кг/м3. Паровая фаза сжиженных газов не рассеивается в атмосфере, поднимаясь вверх (подобно природному газу), а стелется по поверхности земли или полу помещения (подобно СО2 и другим тяжелым газам), стекая в пониженные места и заполняя все углубления, встречающиеся на пути.
Сжиженные углеводородные газы при атмосферном давлении не обладают токсическим (отравляющим) воздействием на организм человека, так как они мало растворяются в крови, но» попадая в воздух, сжиженные газы смешиваются с ним, вытесняют и- уменьшают содержание кислорода в воздухе. Человек, находящийся в такой атмосфере, будет испытывать кислородное голодание, а при значительных концентрациях сжиженного газа в воздухе может погибнуть от удушья. Вдыхание в течение 10 мин воздуха, содержащего 1 % пропана или бутана, не вызывает никаких симптомов отравления. Двухминутное вдыхание воздуха с 10%-ным содержанием сжиженных газов вызывает головокружение. Пропилен обладают наркотическими свойствами. При вдыхании воздуха; с 15%-ным содержанием пропилена через 30 мин наступает потеря сознания, с 24%-ным содержанием- сознание теряется через 3 мин, с 35-40%-ным содержанием - через 20 с. В связи с этим все компоненты сжиженных газов включены в список вредных для человеческого организма веществ. Санитарными нормами установлена предельно допустимая концентрация их в воздухе рабочей зоны производственных помещений, равная 300 мг/йг44 пересчете на С). Эти нормы должны соблюдаться также в рабочей зоне наружных установок. Подобная концентрация примерно в 15-18 раз ниже нижнего предела взрываемости. Опасное воздействие на человека сжиженных газов значительно возрастает, если они содержат сероводород и другие сернистые соединения, являющиеся сильными ядами. При содержании сероводорода в воздухе от 0,15 до 0,23 мг/л через несколько часов у человека появляются симптомы легкого отравления, при 0,31 кг/л -через 5-8 мин наступает сильное раздражение оболочек глаз, носа и горла. Дальнейшее повышение концентрации от 0,77 до 1,08 мг/л вызывает через 1 ч серьезное отравление, а при достижении концентрации 1,54-4,62 мг/л наступает смерть. "
Использование сжиженных газов основано на горении их в смеси с воздухом. Бесконтрольное сгорание сжиженных газов-в помещениях или на открытых площадках приводит к пожарам. Пожары и взрывы сжиженных углеводородных газов представляют опасность для жизни людей, строений и оборудования. Взрыв газовоздушной смеси возникает при воспламенении и горении ее в ограниченном пространстве (производственном помещении, подвале, канале, резервуаре, топке котла «ли печи и т.д.). Горение смеси в этих условиях сопровождается нагреванием и расширением газов, что приводит к быстрому повышению давления, которое, в свою очередь, вызывает разрушение строительных конструкций. Нагретые газы образуют очаги пожара. При взрыве газовоздушной смеси скорость распространения пламени обычно достигает нескольких сотен метров в секунду. Человек воспринимает это явление как мгновенное.
Пожарная опасность сжиженных газов характеризуется жаропроизводительностью, которая превышает 2000° С и обеспечивает измеренную приборами температуру пламени в пределах 1830-1925° С, значительной теплотой, выделяемой при сгорании газовоздушной смеси, низкими пределами воспламенения и низкой температурой самовоспламенения, большой потребностью в воздухе при сгорании и большим количеством образующихся продуктов сгорания.
Даже кратковременное (от долей секунд до нескольких секунд) прикосновение пламени вызывает тяжелые ожоги открытых частей тела человека. Длительное воздействие пламени приводит к пожарам и разрушению несгораемых металлических и железобетонных конструкций (Незащищенные металлические конструкции рушатся через 15-20). При взрыве газовоздушной смеси в помещении образуется большое количество нагретых газов, в результате увеличения объема которых повышается давление. Максимальное Давление при взрыве газовоздушных смесей может достигать 8,58 кгс/см2. Такое давление, возникающее внутри помещений, не выдерживают строительные конструкции. В первую очередь разрушаются окна и двери. Если газы не успевают выйти в образовавшиеся отверстия, разрушаются перекрытия и стены.
Фактический объем (в м3) газа (паровой фазы) от испарения 1 м8 жидкости (жидкой фазы) при 0°С и 760 мм рт. ст. для пропана составляет 269, мзо-бутана - 229, я-бутана - 235. Вследствие этого выход газа в атмосферу при разрыве трубопроводов или аппаратов и даже при утечке газа через неплотности создает угрозу быстрой загазованности помещений.
Пары сжиженных газов бесцветны и не имеют запаха. Это затрудняет обнаружение газа в помещениях в случае его утечки. Согласно требованиям государственного стандарта запах газа должен ощущаться при объемной доле его в воздухе 0,5%. Для придания сжиженному газу специфического запаха в него добавляют сильно пахнущие вещества- одоранты, например технический этил-меркаптан. Одоризация сжиженных углеводородных газов бытового и коммунально-бытового назначения производится на газоперерабатывающих, нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах. При массовой доле пропана в сжиженном газе до 60% включительно и бутана и других газов более 40% норма одоризации - 60 г этилмеркаптана на 1 т сжиженного газа; пропана свыше 60%, бутана и других газов до 40%- 90 г/т.
Заводы-изготовители производят одоризацию в потоке газа путем введения одоранта в трубопроводы, по которым газ перекачивается из резервуаров на наливные железнодорожные эстакады.
Периодически, а также в случае поступления рекламаций на заводах-изготовителях проводится проверка интенсивности запаха одоризованных сжиженных газов (после отпуска каждых 10 тыс. т газа) органолептическим и физико-техническим методами. На предприятиях, потребляющих сжиженные углеводородные газы для бытовых целей (горгазы, облгазы), проверку интенсивности запаха одоранта в газе проводят не реже одного раза в квартал.
Органолептическая проверка интенсивности запаха одорированных сжиженных газов проводится пятью испытателями с оценкой по пятибалльной шкале: 0 - отсутствие запаха; 1-запах очень слабый, неопределенный; 2 - запах слабый, но определенный; 3 - запах умеренный; 4 - запах сильный; 5 - запах очень сильный, нетерпимый. Органолептическая проверка интенсивности запаха одорированных сжиженных газов проводится в специально оборудованной комнате - камере с температурой 20±4° С, в которой объемная доля сжиженных газов в воздухе должна составлять 0,4%, что соответствует Vs нижнего предела взрываемости. Газ выпускается в камеру из газового пространства баллона или пробоотборника, заполненных не менее чем на 75% своего объема, и перемешивается с воздухом с помощью вентиляторов. Запах считается достаточным, если не менее трех испытателей дадут оценку интенсивности не ниже 3-балов.
Если запах окажется недостаточным, то проводится оценка другой пробы газа пятью незаинтересованными испытателями.
Одновременно выполняется физико-химический анализ на содержание этилмеркаптана в углеводородной газовой смеси одним из следующих методов: хромотографическим, нефелометрическим, кондуктометрическим, методом бромных индексов, иодометрическим.
При наличии у сжиженных углеводородных газов бытового назначения собственного специфического запаха норма одоризации может быть уменьшена. Рекомендуемая норма одоризации устанавливается из условия обеспечения интенсивности запаха в 3 балла. На каждый балл запаха в одорируемый газ должно быть введено от 60:3=20 до 90:3=30 г этилмеркаптана на 1 т жидкой углеводородной смеси. Разница между 3 баллами и средним баллом собственного запаха сжиженного газа дает недостающий балл интенсивности запаха. Норма одоризации сжиженных углеводородных смесей определяется путем умножения недостающего балла интенсивности запаха на удельный расход одоранта на 1 балл (от 20 до 30 г на 1 т жидких углеводородов).