Факультет

Студентам

Посетителям

Газовые топлива, используемые в сельском хозяйстве

Для газоснабжения села применяются природные и сжиженные углеводородные газы.

Эти газы состоят в основном из углеводородов. Углеводороды — органические соединения, которые содержат в основном два химических элемента — C (углерод) и H (водород).

Простейшим из углеводородов является метан CH4 — основной компонент природного газа. Четырехвалентный атом углерода связан с четырьмя атомами водорода.

В состав сжиженных газов входят более сложные углеводороды. Наряду с нормальными углеводородами существуют так называемые изомерные соединения. Элементарный состав их такой же, как и нормальных углеводородов, отличаются они только взаимным расположением атомов. Несмотря на то, что эти соединения имеют одинаковое количество атомов углерода и водорода, структурное расположение их в молекулах различное.

Пропан и бутан являются основными углеводородами, входящими в состав сжиженных газов. С увеличением числа углеродных атомов в молекуле углеводорода удельный вес последнего возрастает, температура кипения увеличивается.

При использовании сжиженных газов, а также при их хранении и транспортировке необходимо знать основные физико-химические свойства как отдельных углеводородов, так и их смесей.

Большое значение имеет знание молекулярного и удельного весов газов. Молекулярный вес определяется несложно; так как атомный вес углерода равен 12, а водорода — 1, то молекулярный вес пропана (С3Н8) — 12 X 3 + 1 X 8 = 44, этилена (С3Н4) равен 12 X 2 + 1 X 4 = 28. Таким же образом определяются молекулярные веса и других углеводородов, входящих в состав сжиженных газов.

Природные газы

Природные газы добываются из недр земли из газовых месторождений. Много газа добывается попутно с добычей нефти, в этом случае он называется попутным.

Главной составной частью природных газов является метан, кроме того в их составе содержатся этан, бутан, пропан, азот, углекислота и т. д.

Основными особенностями природных газов являются их высокая теплота сгорания, постоянство их состава, низкое содержание балластных и вредных примесей.

Температура воспламенения метана 645° С.

Пределы взрываемости смеси этого газа с воздухом от 5 до 15%. Это значит, что уже при содержании 5% природного газа в газовоздушной смеси может произойти взрыв.

Основные требования, предъявляемые к природным газам, применяемым для коммунально-бытового потребления, определяются ГОСТ 5542—50.

Согласно этому ГОСТ содержание кислорода в газе допускается не более 1 % по объему. Запах газа должен ощущаться при содержании его в воздухе не более 1/5 от нижнего предела воспламеняемости. Для этого в природный газ добавляют сильно пахучее вещество (этилмеркаптан) в количестве 16 г на 1000 м3 газа.

Сжиженные газы

За последнее время в нашей стране большое внимание уделяется сжиженным углеводородным газам.

Сжиженным газом называются углеводороды или их смеси, которые при нормальной температуре из газообразного состояния превращаются при небольшом повышении давления в жидкость, а при снижении давления — легко испаряются.

Основными источниками получения сжиженного газа являются попутные газы, получаемые при разработке нефтяных месторождений, и продукты переработки нефти.

В состав сжиженных газов, полученных из природных и попутных нефтяных газов, входят насыщенные углеводороды: пропан С3Н8 и бутан С4Н10, а также в небольшом количестве этан С2Н8 и пентан С5Н12.

Сжиженные газы, полученные из продуктов нефтепереработки, содержат как насыщенные, так и ненасыщенные углеводороды: этилен С2Н4, пропилен С2Н6 и бутилены С4Н8.

При использовании сжиженного газа приходится иметь дело с жидкой и паровой фазами. Удельный вес жидкой фазы по отношению к воде, может быть различен в зависимости от состава газа и колеблется от 0,495 до 570 кГ/м3. Значит, жидкая фаза газа примерно в два раза легче воды.

Удельный вес паровой фазы обычно берется по отношению к воздуху и в зависимости от состава газа бывает равным. 1,6—2,5 кг/л. Следовательно, пары сжиженного газа примерно в два раза тяжелее воздуха. Зная удельный вес газа, выраженный в кГ/м3, можно определить относительный удельный вес газа по воздуху.

По составу сжиженные газы могут быть различными, поэтому при расчетах необходимо знать удельный вес смеси.

Сжиженные газы в емкостях находятся под избыточным давлением. Если из замкнутого сосуда производить отбор паров сжиженного газа, то давление в нем будет снижаться, а сжиженный газ — испаряться. Давление, создаваемое парами сжиженного газа в замкнутом сосуде, зависит от температуры. С увеличением температуры будет увеличиваться количество паров сжиженного газа и, следовательно, их давление также будет расти.

В первую очередь будет происходить испарение более легких углеводородов, входящих в состав сжиженного газа. Различные газы, входящие в состав сжиженного газа, имеют различную упругость паров при одинаковой Температуре. Так, например, давление паров чистого пропана зимой при температуре —20° С равно 2,5 ата, а летом при температуре +25° С оно составляет 9,7 ата.

Чтобы не создавать излишне высокие давления в резервуарах и баллонах, в летнее время целесообразно применять «летнюю фракцию» — пропано-бутановую смесь, состоящую примерно из 50% пропана и 50% бутана. В зимнее время желательно иметь смесь примерно следующего состава: 75—85% пропана и 25—15% бутана.

Исходя из всего этого можно сделать вывод, что в холодное время года можно использовать газ, обладающий большей упругостью паров, а в летнее время — с меньшей упругостью паров.

Так как жидкая фаза сжиженных газов обладает высоким коэффициентом теплового расширения, т. е. она сильно расширяется при повышении температуры, то следует опасаться возможности разрыва емкости расширяющейся жидкой фазой. Поэтому сосуды, используемые для транспортировки и хранения сжиженных газов, должны наполняться не более чем на 85% их объема.

Сжиженный газ имеет большую теплоту сгорания; часто говорят, что газ обладает большой теплотворной способностью или большой калорийностью.

Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Высшей теплотой сгорания называется количество тепла, которое выделяется при полном сжигании 1 нм3 газа с учетом дополнительного количества тепла, образующегося при конденсации водяных паров продуктов сгорания. Низшей теплотой сгорания называется количество тепла, которое выделяется при полном сжигании 1 нм3 газа без учета скрытой теплоты парообразования водяных паров, т. е. тогда, когда эти пары не конденсируются при использовании газа.

Важную роль при сжигании газов имеют расчеты необходимого количества кислорода и воздуха.

Зная теплоту сгорания того или иного газа, можно примерно подсчитать расход воздуха на горение, имея в виду, что расход этот пропорционален величине теплоты сгорания газа, причем на каждые 1000 ккал необходимо около 1,13 нм3 воздуха.

На практике количество воздуха, подводимое для сгорания, превышает величину теоретического расхода. Количество воздуха берется с коэффициентом, называемым коэффициентом избытка воздуха (альфа), который в горелках находится в пределах от 1,05 до 1,15. Это значит, что практически воздуха в горелки подается на 5—15% больше, чем нужно по теоретическим расчетам.

В зависимости от количества первичного воздуха, подаваемого в горелку, изменяется внешний вид пламени. В том случае, если для горения будет воздуха недостаточно и пламя будет мутное и желтого цвета, происходит неполное сгорание и образование сажи на поверхностях установленной посуды. При полном сгорании газа пламя на горелке имеет голубой цвет без следов желтых языков. В том случае, если в газовоздушной смеси слишком мало газа, а воздуха слишком много, такая смесь гореть не будет, так как выделяющегося тепла недостаточно для нагрева этой смеси до температуры воспламенения. Для нормального протекания процесса горения необходимо, чтобы количества газа и воздуха находились в определенных пределах, называемых пределами воспламеняемости или пределами взрываемости.

Взрыв — это явление мгновенного сгорания газовоздушной смеси. Возникающее при взрыве давление может доходить до 7—8 кГ/см2, если газовоздушная смесь до взрыва находилась при нормальном атмосферном давления. Наименьшее процентное содержание газа, при котором возможно воспламенение, называется нижним пределом взрываемости. Верхним пределом взрываемости называется такое содержание газа в воздухе, выше которого воспламенение вследствие недостатка кислорода не произойдет.

Требования, предъявляемые к сжиженным газам, используемым для бытового потребления, установлены ГОСТ 10196—62. Согласно этому ГОСТ сжиженный газ должен выпускаться трех марок: а) пропан технический — газ, состоящий главным образом из пропана или пропана и пропилена; б) бутан технический — газ, состоящий главным образом из бутана или из бутана и бутиленов; в) смесь технических пропана и бутана — газ, состоящий главным образом из пропана и бутана или из пропана, пропилена, бутана и бутиленов.

Сжиженный углеводородный газ перед отпуском должен быть принят техническим контролем предприятия-поставщика. Поставщик должен гарантировать соответствие сжиженного углеводородного топливного газа требованиям стандарта.

Биологический газ

В ряде стран за последнее время получили распространение установки для получения биологического газа. Поскольку этот газ получается в основном из продуктов отхода животноводства, при рассмотрении вопросов газификации сельской местности на нем следует остановиться подробнее.

При скармливании растений скоту часть органического вещества (60—70%) не перерабатывается и уходит в навоз.

При существующих способах хранения и внесения навоза в почву для удобрения потери азота и других питательных веществ в нем достигают 50 и более процентов.

Одним из эффективных способов сокращения потерь является комплексное использование навоза и растительных отходов для получения удобрений и горючего газа путем метанового сбраживания их в биогазовых установках.

В Советском Союзе первая опытно-производственная биогазовая установка была построена и пущена в эксплуатацию в опытном хозяйстве Запорожского филиала Всесоюзного научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства.

Работу установки можно представить следующим образом. Навозная масса из коровника канатно-скреперным транспортом по закрытым каналам подается в навозоприемник. В навозоприемнике установлена лопастная мешалка для перемешивания массы перед забором ее насосом. Доведенная до влажности 90% навозная масса фекальным насосом (4НФ) подается в мерный резервуар, а из него

таким же насосом в распределительный бак сырого навоза и далее самотеком поступает в бродильные камеры. Сброженная масса давлением подаваемого сырого навоза вытесняется в бак сброженного навоза, а из него самотеком поступает в открытое навозохранилище. Выборка массы из хранилища и вывоз ее на поля производится жижеразбрасывателями АНЖ-2 и РЖ-1,7.

Выделенный в результате брожения газ собирается в верхней части бродильной камеры и по газопроводу, проходя через сероочистку, поступает в газгольдер, а затем к потребителям.

В Запорожском филиале ВИЭСХ на газе работали паровой котел, снабжающий потребителей фермы паром, плита в столовой и резервная электростанция с газовым двигателем Г-50 и генератором СГ-30.

Эта установка была рассчитана на переработку навоза от 100 коров с годовым выходом жидких удобрений влажностью 92—93% 3175 т и биогаза 81760 м3.

Проектными институтами Гипрогорстрой Грузинской ССР, Гипросельстрой МСХ СССР и Молдгипрострой разработаны проекты биогазовых установок на 100, 200 и 400 голов крупного рогатого скота.

В результате 20-месячной опытнохозяйственной эксплуатации и проведенных лабораторных и полевых опытов Запорожским филиалом ВИЭСХ установлено, что наибольший суточный выход газа (180—190 м3) на навозе крупного рогатого скота достигался при суточной загрузке, равной 4—4,5% объема камер, при влажности 92%, температуре брожения 32—34° С и применении для подстилки измельченной соломы в количестве 3 кг на голову скота. Поддержание постоянной температуры брожения достигалось путем впуска пара в камеры. Снижение температуры массы в камерах с 32 до 28° С уменьшило выход газа на 10—15%.

Длительность сбраживания массы составляла 20—22 дня, однако было установлено, что целесообразнее сократить этот срок до 15—16 дней, т. е. применять суточную загрузку 6,5—7% объема камер. При этом степень разложения органического вещества уменьшается, качество удобрений улучшается, суточный выход газа с объема камер увеличивается, а производительность установки повысится.

Проведенными опытами установлено, что эффективность жидких органических удобрений, полученных путем метанового брожения, выше, чем навоза штабельного хранения, и не уступает эффективности минеральных удобрений.

Важным положительным свойством метанового сбраживания навоза является его обеззараживающее действие против ряда болезнетворных бактерий, гельминтов и семян сорных трав. Кроме того, сброженный навоз не имеет запаха, свойственного обычному навозу, и не привлекает мух.

Анализами, проведенными Институтом биологии Академии наук СССР им. А. И. Баха и Запорожским филиалом ВИЭСХ, установлено, что в 1 л сброженного навоза после 20 дней метанового сбраживания содержится 250—300 мкг витамина В12, а в высушенном плотном остатке — 7—8 мкг в 1 г.

Исследования, проведенные в зарубежных странах и в СССР, не являются еще исчерпывающими для выбора наивыгоднейших условий протекания процесса брожения и выхода газа; они должны явиться предметом дальнейших опытных работ.

Отвержденные газы

Институтом горючих ископаемых Академии наук СССР проведены работы по отверждению сжиженных газов, в основном бутана.

Отвержденное топливо — это прочные ячеистые, брикеты белого и желтого цвета, содержащие в ячейках по весу около 90—95% сжиженных газов, а остальные 5—10% вещества, образующие мелкоячеистую структуру брикета. Удельный вес брикетов близок к удельному весу сжиженного газа.

Отверждение сжиженных газов может осуществляться разными способами: адсорбцией их на пористом материале, сгущением при помощи некоторых желатинизирующих веществ (агар-агара, мыла, желатины и т. д.) или химическим воздействием таких веществ на эмульсию углеводорода в водном растворе эмульгатора (природного или синтетического высокомолекулярного соединения).

В последнее время предлагают отверждение углеводородов путем тщательного перемешивания их с растворами метилделлюлозы, желатины или казеина.

В Архангельском институте водорослей проводились работы по широкому использованию альгината (С6Н7O6) — вещества, извлекаемого из морских водорослей для получения пеноподобных масс. В 1950 г. были опубликованы данные о хранении углеводородов в твердом состоянии в пилюлях из коллоидного альгината. Для этого углеводороды эмульгируют в водном растворе альгината, готовую эмульсию пропускают через формы с соответствующими отверстиями и через концентрированный раствор хлористого кальция. При этом раствор преобразуется в полутвердые гелеобразные шарики, которые представляют собой индивидуальные микроскопические капельки жидкости, заключенные в оболочки коагулированного альгината. Промытые водой и затем высушенные шарики готовы к потреблению.

За рубежом в последнее время большое распространение получил метод отверждения углеводородов капсулированном, при котором получаются шарики с прозрачной оболочкой, имеющие диаметр около 5 мм. Оболочка капсул, наполненных углеводородами сжиженных газов, изготовляется из полиэтилена, желатины или альгината.

Из капсул сжиженные газы легко извлекаются при раздавливании их прессом и центрифугой. Оболочка составляет всего 2% от веса капсулы.

Перевод жидких углеводородов в твердое состояние осуществляется путем получения высококонцентрированной эмульсии, которую затем отверждают.

Для получения отвержденных топлив используют эмульгаторы, в состав которых входят высокомолекулярные соединения: мочевино-формальдегидная смола, поливиниловый спирт и казеин.

Мочевино-формальдегидная смола образует с водой вязкий раствор. При добавлении щавелевой кислоты она переходит в твердое состояние, приобретая достаточную механическую прочность для образования оболочек.

Пленки, образующие ячейки, должны быть не только прочными, но и достаточно эластичными. Этому требованию удовлетворяют пленки из отвержденного поливинилового спирта.

Повышение эластичности пленок достигается также путем добавки пластификатора, например, глицерина. Однако его количество должно быть ограничено, так как увеличение доли пластификатора снижает прочность пленок и затрудняет вскрытие ячеек и отделение жидкого топлива.

Механическая прочность брикетов зависит как от свойств оболочек, так и от размеров ячеек. Брикеты, состоящие из мелких ячеек одинакового размера, имеют большую прочность, чем из разных ячеек.

Для предохранения брикета от внешних повреждений и уменьшения потери горючего за счет испарения на его поверхность наносят слой раствора поливинилового спирта, который после высыхания образует на брикете прочную пленку.

Брикеты весом 800, 400 и 200 г упаковывают в коробки из плотной бумаги или картона, и в таком виде они поступают к потребителю.

Брикет поджигают спичкой, и он горит ровным пламенем, которое легко гасится. Если брикет погашен, то его несгоревшая часть может быть затем снова использована. Брикеты можно хранить годами в любых климатических условиях.

При усовершенствовании метода регенерации отвержденное топливо в дальнейшем будет широко использоваться в различных областях народного хозяйства. Особенно удобно использовать этот вид топлива в сельском хозяйстве, в частности в полевых станах тракторных бригад.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: