Физико-химические свойств природного газа: состав, плотность и особенностей горения

Природный газ - невидимый труженик современной цивилизации. Благодаря уникальному сочетанию свойств, он обеспечивает теплом и энергией миллионы домов и предприятий. Но что же скрыто за прозрачной завесой этого газа? Давайте заглянем внутрь и попробуем разгадать его физико-химические тайны. Это поможет нам использовать природный газ еще эффективнее.

Состав природного газа: основные компоненты

Физико-химические свойства природного газа во многом определяются его составом. По данным различных источников, основу природного газа составляет метан - от 70 до 98%. Это легкий газ без цвета и запаха, основное горючее вещество.

Кроме метана, в составе газа присутствуют его гомологи - этан, пропан, бутан. Их содержание невелико - от следов до 10-15%. Эти газы также обладают высокой горючестью. Природный газ содержит также другие вещества, не являющиеся углеводородами:

• азот (N2) - до 5-10%
• углекислый газ (CO2) - до 8%
• гелий (He) - до 0,5%
• сероводород (H2S) - следы
• водород (H2) - следы

Эти газы снижают теплотворную способность топлива. Кроме того, некоторые из них токсичны (H2S) или коррозионно-активны (CO2).

Физические свойства природного газа

Рассмотрим основные физические свойства природного газа. Во-первых, это отсутствие цвета, запаха и вкуса. Чистый метан не имеет никаких признаков, по которым его можно обнаружить.

При нормальном давлении и температуре плотность природного газа составляет около 0,73 кг/м3. Это почти в 2 раза меньше, чем у воздуха. Поэтому газ легче воздуха и стремится вверх.

Охлаждая газ до температуры минус 161°C, его можно перевести в жидкое состояние. При этом объем газа уменьшается почти в 600 раз! Это позволяет легко транспортировать и хранить сжиженный газ.

Еще одно важное свойство - высокая теплотворная способность природного газа. Полное сгорание 1 м3 газа выделяет 8600-12000 ккал тепла. Это почти в 2 раза больше, чем у каменного угля и в 3-4 раза больше, чем у дров!

Химические реакции горения газа

Рассмотрим теперь химические свойства природного газа, связанные с его горением. Полное окисление метана можно записать так:

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O

Как видно из уравнения, в результате образуются углекислый газ и вода. Происходит окисление атомов углерода и водорода с выделением большого количества энергии.

Теоретически при полном сгорании 1 м3 метана температура может подняться до 2000°C! Однако на практике максимальная температура пламени составляет около 1300-1500°C.

Влияние состава газа на горение

На практическую температуру горения влияет состав газа. Чем выше в нем доля инертных компонентов типа азота или углекислого газа, тем процесс горения менее эффективен.

Кроме того, для полного сгорания требуется избыток воздуха. Оптимальный коэффициент избытка воздуха для природного газа составляет около 1,1. При меньших значениях возможно неполное окисление с образованием токсичного оксида углерода (II).

Определение состава и свойств газа

Для контроля качества природного газа определяют:

• Состав газа хроматографическим методом
• Теплотворную способность сжиганием в калориметре
• Плотность пикнометрически или с помощью датчиков
• Температуру горения с пирометрами или термопарами

По значению этих показателей судят о пригодности газа для использования в различных целях.

Безопасность применения газа

Физико-химические свойства природного и сжиженного газа определяют правила его безопасного использования. Газовоздушные смеси взрывоопасны в интервале концентраций газа от 5 до 15 об.%. Поэтому важно контролировать концентрацию и предотвращать утечки.

Транспортировка газа

Одним из важных аспектов использования природного газа является его транспортировка от месторождений к потребителям. Основные способы транспортировки:

1. По газопроводам под высоким давлением
2. Морским транспортом в сжиженном виде
3. Железнодорожным транспортом в сжиженном виде

Преимуществами трубопроводного транспорта являются относительная дешевизна и простота. Однако требуются большие начальные инвестиции в инфраструктуру.

Хранение природного газа

Для хранения больших объемов газа используют подземные хранилища - пустые пласты или соляные каверны. Их емкость может достигать десятков миллиардов кубометров.

К достоинствам подземного хранения относят:

• Большой рабочий объем
• Постоянство температуры и давления
• Относительно низкая стоимость

Помимо этого разрабатываются технологии хранения газа в газогидратном состоянии, однако пока они не получили широкого применения.

Переработка и использование

Помимо целей энергетики, природный газ активно используется в качестве ценного химического сырья. Основные направления переработки:

1. Производство водорода
2. Синтез аммиака для удобрений
3. Получение метанола

Развиваются также технологии превращения газа в жидкие углеводороды - бензин, дизельное топливо. Это позволит более эффективно использовать ресурсы природного газа.

Экологические аспекты

С экологической точки зрения природный газ - наиболее чистый вид органического топлива. По сравнению с углем и нефтью, при сжигании газа образуется гораздо меньше вредных веществ.

Однако даже при использовании газа необходимо соблюдать определенные природоохранные нормы и правила. Это позволит минимизировать ущерб окружающей среде.