Paliwa gazowe są mieszaniną gazów palnych i gazów niepalnych. Do składników palnych mieszanek gazowych
należą: metan CH4, tlenek węgla CO, wodór H2, w mniejszych ilościach amoniak NH3 i wyższe węglowodory o wzorze ogólnym CnHm.
Jako składniki niepalne, tzw. balast, występują najczęściej: dwutlenek węgla CO2, azot N2, para wodna H2O,
w mniejszych ilościach siarkowodór H2S, cyjanowodór HCN, dwutlenek siarki SO2 oraz gazy szlachetne jak hel He,
argon Ar i krypton Kr. Wiele surowych paliw zawiera również zanieczyszczenia smoliste oraz w postaci pyłu
pochodzenia mineralnego lub organicznego. Niektóre paliwa gazowe zawierają niewielkie ilości tlenu O2.
Ze względu na pochodzenie paliwa gazowe możemy podzielić na:
– naturalne, występujące samoistnie w przyrodzie lub łącznie ze złożami ropy naftowej, zaliczają się do nich gaz ziemny wysokometanowy i zaazotowany, gaz błotny, gaz z odmetanowania kopalń,
– pochodzące z przeróbki ropy naftowej, gazy płynne propan, butan
– pochodzące ze zgazowania paliw stałych, np. gaz koksowniczy, gaz świetlny, gaz generatorowy, gaz wodny, gaz wielkopiecowy, gaz wytlewny,
– pochodzące z rozkładu odpadków organicznych, np. biogaz, gaz wysypiskowy
– otrzymywane sztucznie w wyniku reakcji chemicznych, rozkładu związków chemicznych, itp., np. wodór, acetylen
Gaz koksowniczy – powstaje w wyniku odgazowania węgla w wysokiej temperaturze bez dostępu powietrza, proces uzyskiwania gazu koksowniczego nosi nazwę suchej destylacji węgla. Otrzymany gaz zawiera około 55-60% wodoru, 25% metanu i około 10% tlenku węgla, resztę stanowią w niewielkiej ilości azot, dwutlenek węgla i węglowodory. Surowy gaz zanieczyszczony jest często amoniakiem i siarkowodorem i wymaga oczyszczenia.
Gaz świetlny – zwany inaczej gazem miejskim swoją nazwę zawdzięcza zastosowaniu w przeszłości do oświetlania ulic w latarniach miejskich, zawiera mieszaninę gazów, głównie pochodzących z odgazowania węgla, ma dużą zawartość wodoru (do 60%) i tlenku węgla (do 24%), jest silnie trujący.
Gaz generatorowy – pod pojęciem tym kryje sie gaz otrzymywany w wyniku zgazowania paliw stałych (węgla, drewna, czy torfu). W Polsce szczególnie upowszechnił się gaz generatorowy otrzymywany ze zgazowania drewna, tzw. „holcgaz”. Skład gazu generatorowego jest bardzo różny w zależności od rodzaju zgazowanego paliwa, przebiegu procesu i budowy samego generatora. Wykorzystywany jest powszechnie w przemyśle.
Gaz wielkopiecowy – powstaje w wielkim piecu w procesie wytopu surówki, zawiera jako gaz palny tlenek węgla z domieszka azotu i dwutlenku węgla, przy produkcji 1 m3 surówki powstaje około 4000 m3 gazu wielkopiecowego o stosunkowo niskiej wartości opałowej, temperatura spalania to około 1400°C.
Gaz wytlewny – gaz powstający w wyniku tzw. wytlewania paliw stałych, głownie węgla, drewna, torfu, łupków bitumicznych, zachodzi w temperaturze 500-750 C w piecach wytlewniczych, skład gazów wytlewnych jest bardzo zmienny.
Parametry użytkowe paliw gazowych
Najważniejszymi kryteriami użyteczności paliw gazowych, które je charakteryzują są:
– Ciepło spalania Qs [MJ/m3] – jest to teoretyczny wskaźnik uzyskiwanego ciepła w procesie
spalania. Definiowane jest ono jako ilość ciepła uzyskiwana wskutek spalenia całkowitego
(gdy cała masa paliwa ulega spaleniu) i zupełnego (gdy nie pozostają palne składniki po
procesie spalenia) jednostki paliwa, a woda będąca w składzie spalin jest w postaci cieczy.
Temperatura paliwa przed spalaniem i po spaleniu są sobie równe. Przyjmuje się przy tym jako stan odniesienia, stan normalny substratów i produktów spalania, tj. temperaturę 0°C i ciśnienie 1 atm.
– Wartość opałowa Qw [MJ/m3] – jest to praktyczny wskaźnik uzyskiwanego ciepła wskutek
spalenia. Definiowana jest jako ilość ciepła uzyskana podczas spalenia całkowitego
i zupełnego jednostki paliwa, przy czym woda będąca w składzie spalin jest w postaci
gazowej, czyli w postaci pary wodnej. Spaliny uchodzące z komór spalania i palenisk urządzeń technicznych mają wysoką temperaturę i para wodna
uchodzi ze spalinami w postaci niewykroplonej unosząc ze sobą ciepło parowania, z tego powodu do praktycznych
obliczeń bilansowych wykorzystuje się pojęcie wartości opałowej. Wartość opałowa Qw jest liczbowo równa różnicy między ciepłem spalania Qs a ilością ciepła potrzebną do odparowania wody zawartej w paliwie oraz powstałej ze spalania wodoru z tego paliwa. Można ją określić zależnością:
Qw = Qs – rw * mw
Gdzie:
rw – ciepło skraplania pary wodnej = 2500 kJ/kg wody
mw – masa wody w [kg]
– Gęstość względna gazu d [-] – jest to stosunek gęstości danego gazu do gęstości powietrza
w tym samym ciśnieniu i temperaturze. Jeżeli d jest mniejsze od 1 – gaz jest lżejszy od
powietrza i podczas wydzielania unosi się do góry. Gdy d jest większe od 1 – gaz jest cięższy
od powietrza i zalega na dole pomieszczeń lub terenu.
– Dolna granica wybuchowości DGW [%] – jest to najmniejsza procentowa zawartość gazu
w mieszaninie z powietrzem, w której po zainicjowaniu zapłonu nastąpi wybuch.
– Górna granica wybuchowości GGW [%] – jest to największe stężenie procentowe gazu
w mieszaninie powietrza, w którym po zainicjowaniu zapłonu nastąpi wybuch. Powyżej
górnej granicy wybuchowości gazu wybuch nie nastąpi. Gaz wypali się miejscowo, ale
z braku tlenu do procesu spalania – nie dojdzie do rozprzestrzenienia się płomienia.
– Liczba Wobbe’go W [MJ/m3] – jest to liczba, którą wykorzystuje się do określenia podgrupy
paliwa gazowego, oraz podczas przestawiania palników z jednego rodzaju paliwa na drugie. Wartość liczby wobbe’go obliczamy ze wzoru:
gdzie: Qs – ciepło spalania gazu, d– gęstość względna gazu
Gaz ziemny
To mieszanka węglowodorów gazowych (etan, metan, propan), węglowodorów ciekłych oraz pewnych ilości dwutlenku węgla, azotu, wodoru, siarkowodoru, gazów szlachetnych (argon, hel).
Wyróżniamy następujące typy gazu ziemnego:
– wulkaniczny (nieorganiczny, niepalny);
– błotny ( powstający w wyniku rozkładu biologicznego, metan jest głównym składnikiem);
– właściwy (występujący wspólnie z ropą naftową).
– łupkowy (występujący w łupkach osadowych w naturalnych porach lub w materiale organicznym)
Gaz ziemny możemy także podzielić ze względu na skład. Wyróżniamy następujące gazy:
– mokry, który oprócz metanu zawiera także węglowodory wyższe;
– chudy, w skład którego w 90% wchodzi metan;
– kwaśny (zanieczyszczony siarką).
Gaz ziemny w skorupie ziemskiej występuje jako gaz lub jest związany w hydratach węglowodorów. Może także występować w formie rozpuszczonej, w wodzie podziemnej, ropie naftowej.
Zasoby
W wyniku prowadzenia prac poszukiwawczych światowe udokumentowane zasoby gazu ziemnego ciągle rosną. W okresie ostatnich 15-tu lat zwiększyły się one prawie dwukrotnie i ocenia się, że obecnie osiągnęły one poziom 150 bln m3. Światowe oceny prognostycznych zasobów gazu ziemnego w ilości 257,7 bln m3 wskazują, że udokumentowane zasoby gazu ziemnego w świecie będą nadal rosły. Wskutek wzrostu tych zasobów gaz ziemny jest najbardziej dostępnym paliwem węglowodorowym na rynku światowym.
Największe udokumentowane złoża gazu na świecie znajdują się:
- w Rosji – 48,5 bln m3,
- w Iranie – 21,0 bln m3,
- w Katarze – 9,0 bln m3,
- na Morzu Północnym – 5,38 bln m3,
- w Algierii – 3,72 bln m3.
Złoża gazu ziemnego występują na obszarze karpackim oraz w zachodniej części Niżu Polskiego; ich łączne zasoby wynoszą 147 mld m3. Poza tym, do wykorzystania są jeszcze zasoby metanu (50 mld m3) z pokładów węgla kamiennego na Górnym Śląsku. Własne wydobycie gazu ziemnego pokrywa tylko 30% zapotrzebowania krajowego, pozostałe ilości importowane są gazociągami z Rosji
Właściwości gazu ziemnego
Gaz ziemny jest bezwonny, bezbarwny i mniejszą gęstość niż powietrze. Charakterystyczny zapach gazu ziemnego jest uzyskiwany w procesie nawaniania. Tylko wtedy człowiek jest zdolny go wyczuć. Może tworzyć mieszankę wybuchową w wyniku reakcji z powietrzem. Dużą zaleta gazu ziemnego jest to, że możemy go zaliczyć do bardzo wydajnych paliw ekologicznych. W czasie jego wydobycia, a następnie transportowania są przestrzegane wszystkie zasady ochrony środowiska naturalnego. Tylko przy jego spalaniu są emitowane nieznaczne ilości szkodliwych gazów. Gazy ziemne mogą być stosowane jako bardzo dobre źródło energii, dzięki swojej kaloryczności. W gospodarstwie domowym może być wykorzystywany do podgrzewania wody, gotowania posiłków, ogrzewania domów. Człowiek jest zaopatrzony w ten surowiec siecią gazociągów przez cały rok. Nie jest konieczne magazynowanie gazu ziemnego. Urządzenia grzewcze wykorzystujące gaz ziemny są bardzo łatwe w użyciu. Nie wymagają specjalistycznej wiedzy. Gaz ziemny może występować samodzielnie, ale często spotykany jest z ropą naftową.
W Polsce rozprowadza się dwa rodzaje gazu ziemnego: około 85% stanowi gaz wysokometanowy (GZ-50), natomiast około 15 % to gaz zaazotowany (GZ-35). Gaz wysokometanowy ma ciepło spalania wynoszące 38,147 MJ/m3, jego wartość opałowa to 34,43 MJ/m3. Ten rodzaj gazu ziemnego składa się z: metanu (CH4) – 98,14%, etanu, propanu, butanu, które stanowią 0,91%, azotu (N2) – 0,84%, dwutlenku węgla (CO2) – 0,11%. Drugi rodzaj gazu, czyli gaz zaazotowany jest złożony z metanu (CH4) – 69,4%, azotu (N2) – 29,21%, oraz dwutlenku węgla (CO2) i innych składników – 1,39% . Jego wartość opałowa wynosi 25 MJ/m3, natomiast ciepło spalania ma wartość 26 MJ/m3.
Gazy ziemne według klasyfikacji PN-C-04750 „Paliwa gazowe. Klasyfikacja, oznaczenia i wymagania” należą do drugiej grupy paliw gazowych – grupa II GZ – gazy ziemne pochodzenia naturalnego. Wśród tej grupy rozróżniamy podgrupy: 25, 30, 35, 41,5 i 50. Im wyższa podgrupa – tym uzyskiwany efekt cieplny jest większy. Im niższa podgrupa – tym mniej składników palnych w paliwie, a więcej niepalnych (azotu).