ΦΥΣΙΚΟ ΑΕ ΠΕΡ1ΒΑΛΛΟΝΤΙΚ

Transcript

1 ΦΥΣΙΚΟ ΑΕ ΠΕΡ1ΒΑΛΛΟΝΤΙΚ Πτυχιακή Εργασία Του Λάζαρου Αντωνιαδη Υπέυθυνος Καθηγητής Αχιλλεας Χριστοφορ ίδης

2 ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΑΑΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΑΑΖΑΡΟΥ ΑΝΤΩΝΙΑΔΗ Πτυχιακή εργασία που υποβάλ/χται προς μερική εκπλήρωση των απαιτήσεων για την απόκτηση του πτυχίου ΤΕΧΝΟΛΟΓΠ\ netpeiv\ioy ίλί ΦΥΣΙΚΟΥ -\EPIOY.λΝΩΤΑΤΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΓΕ\ΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡ'ΠνΤλ ΚΑΒΑΛΑΣ Εγκρίθηκε από τον / την Υπεύθυνος Καθηγητής Αχιλλέας Χριστοφορίδης Ημερομηνία

3 Αέριο & Π*ριβ<ϊλλοντικές Επυι Λάζαρος Αντωνιάδης ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Ιο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Επισκόπηση του φυσικου αέριου... 2ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Υπόβαθρο Τη είναι το φυσικό αέριο Σύσταση Ο σχηματισμός του φυσικου αέριου Φυσικό αέριο κάτω από τη γη... 3ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ιστορία του Φυσικού Αέριου Ιστορία του Φυσικου Αέριου Η πρώτη χρήση του φυσικού αερίου Η πρώτη οικιακή συσκευή εκμετάλλευσης φυσικού αερίου Η πρώτη μεταφορά... 4ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ιδιότητες των Αερίων Ιδιότητες των καυσίμων αερίων Οικογένειες αέριων, ομάδες Χαρακτηριστικές ιδιότητες συνδεόμενες με την τεχνική της καύσης Πυκνότητα ρ... θερμογόνος δύναμη... Δείκτης Wobbe Επεξηγήσεις γιο II τις προσμίξεις των αερίων Υδρογονάνθρακες Νερό Οξυγόνο Μονοξείδιο του άνθρακα Διοξείδιο του άνθρακα Νέφος, σκόνη Οξείδια του αζώτου, αμμωνία, υδροκυάνιο Ενώσεις του θείου ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Καύση και ενέργεια Ισοζύγια μάζας και ενέργειας Γενικές αρχές Στοιχειομετρική καύση με καθαρό οξυγόνο Καύση απλών ουσιών... 5.Ι.2.2. Καύση ενώσεων... με αέρα Καύση Στοιχειομετρική καύση Πραγματικές ποσότητες καύσης... 6ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Χρήσεις του Φυσικού Αερίου Εισαγωγή Χρήσεις του Φ.Α. στον οικιακό τομέα Χρήση του Φυσικού Αερίου στην Βιομηχανία Ηλεκτροπαραγωγής Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας από Γεννήτρια Φυσικού Αερίου...

4 Φυσικό Αέριο Sc Περιβαλλοντικές Επιπτώ Λάζαρος Αντωνιάδης 7ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Παρελθόν Παρόν και Μέλλον του φυσικού οιερίου στην Ελλάδα Εισαγωγή Ζ Η εταιρία Λ Ε Π Λ Η εταιρεία ΛΕΠ.Α Οι θυγατρικές J. Χρηματοδότηση Μετρητικός Σταθμός Σιδηροκαστρου Κέντρα Λειτουργίας και Συντήρησης Τερματικός Σταθμός Ρεβυθουσας Σταθμός Ανεφοδιασμού Λεωφορείων Ηλεκτροπαραγωγή στην Ελλαδα Βιομηχανικός Τομέας στην Ελλαδα Αστικός τομέας στην Ελλάδα Τιμολόγια Έτους 2001 για Ηλεκτρισμό - πετρέλαιο φυσικό αέριο Ηλεκτρισμός Πετρέλαιο Φυσικό Αέριο Στόχοι ανάπτυεης ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Φυσικό Αέριο και Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις...67 Εισαγωγή...67 Εκπομπές από την καύση του φυσικού αερίου...6 Εκπομπές αερίου θερμοκηπίου...69 Αιθαλομίχλη, ποιότητα αέρα και όξινη βροχή Βιομηχανικές και ηλεκτρικές εκπομπές...73 Ρύπανση από τον τομέα μεταφορών - οχήματα φυσικού αερίου...75 Η κατάσταση του περιβάλλοντος στην Ελλάδα: βιωσιμότητα και ενσωμάτωσητ7 9ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Επίλογος Επίλογος...81

5 <ό Αέριο & Πε^βαλλοντικές Επιπτώσεις ΛάΟ*ρος Αντωνιάδης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1. Επισκόπηση του φυσικού αερίου Το φυσικό αέριο είναι μια από τις πηγές ενέργειας για πολλές από τις καθημερινές ανάγκες και τις δραστηριότητές μας. Αυτή η πτυχιακή εργασία παρέχει μια επισκόπηση για τα περισσότερα χαρακτηριστικά, χημικά, φυσικά, περιβαλλοντικά και πολλά άλλα αυτού του, ζωτικής σημασίας, αερίου. Το κεφάλαιο «υποβάθρου» περιέχει μια περιγραφή για το τι ακριβώς είναι το φυσικό αέριο, πώς διαμορφώνεται και πώς βρίσκεται στη φύση. Το κεφάλαιο «ιστορίας» παρέχει μια συνοπτική αναφορά στην ιστορία του φυσικού αερίου και εξηγεί την κατάσταση του στο έδαφος. Το κεφάλαιο των «ιδιοτήτων των καυσίμων αερίων» περιέχει φυσικές και χημικές ιδιότητες με αρκετά μεγάλη λεπτομέρεια. Το κεφάλαιο «καύση και ενέργεια» περιέχει πληροφορίες για τον τρόπο της καύσης και την διάδοση της ενέργειας με πολλούς τύπους και πίνακες. Το κεφάλαιο «χρήσεων» παρέχει πληροφορίες για πιο ακριβώς χώρο χρησιμοποιείται το φυσικό αέριο και γιατί είναι σημαντική μια τέτοια πηγή ενέργειας στην κοινωνία μας. Το κεφάλαιο «Ελλάδα και φυσικό αέριο» περιέχει πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση που επικρατεί στον Ελληνικό χώρο. Το κεφάλαιο «περιβαλλοντικών επιπτώσεων» περιέχει τιληροφορίες για της επιπτώσεις που έχει το φυσικό αέριο στο περιβάλλον σε σχέση με άλλες καύσιμες ύλες, καθώς και μια παρουσίαση της κατάστασης του περιβάλλοντος της Ελλάδας με πολιτικές και οικονομικές διαστάσεις.

6 Φυσικό Αέριο & Περιβαλλοντικές Επιπτώσε Λάζαρος Αντωνιάδη; ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Φυσικό Αέριο 2.1 Υπόβαθρο Το φυσικό αέριο είναι ένα ζωτικής σημασίας συστατικό του παγκόσμιου ισοζυγίου ενέργειας. Είναι μια από τις καθαρότερες, ασφα)^στερες, και πιο χρήσιμες πηγές ενέργειας. Παρά τη σημασία του, υπάρχουν πολλές παρερμηνείες για το φυσικό αέριο. Παραδείγματος χάριν, η λέξη "οικολογικό καύσιμο". Το Φυσικό αέριο ενώ συνήθως ομαδοποιείται, μαζί με άλλα συμβατικά καύσιμα και πηγές ενέργειας, υπάρχουν πολλά χαρακτηριστικά του που το καθιστούν μοναδικό. Παρακάτω είναι λίγες πληροφορίες για το φυσικό αέριο, τι ακριβώς είναι, πώς διαμορφώνεται, και πώς βρίσκεται στη φύση. 2.2 Τι είναι το φυσικό αέριο Το φυσικό αέριο είναι ένα αέριο «χωρίς καθόλου ενδιαφέρον», είναι άχρωμο, άμορφο, και άοσμο στην καθαρή μορφή του. Εκτός από το ότι το φυσικό αέριο είναι καύσιμο, που όταν καίγεται εκπέμπει πολύ ενέργεια, αντίθετα από άλλα συμβατικά καύσιμα, εντούτοις, το φυσικό αέριο είναι καθαρό καύσιμο και εκπέμπει τα χαμηλότερα επίπεδα επιβλαβών υποπροϊόντων στον αέρα. Χρειαζόμαστε ενέργεια συνεχώς, για να θερμάνουμε τα σπίτια μας, να μαγειρέψουμε τα τρόφιμά μας, να παράγουμε ηλεκτρική ενέργειά. Αυτή η ανάγκη για ενέργεια είναι που έχει ανυψώσει το φυσικό αέριο σε ένα επίπεδο υψηλής σημασίας στην κοινωνία μας, και στις ζωές μας. Το φυσικό αέριο έχει πολλές χρήσεις, όπως στα σπίτια, στο εμπόριο και φυσικά στην βιομηχανία. Ρ"ια περισσότερες τιληροφορίες σχετικά με τις πολλαπλές χρήσεις του φυσικού αερίου θα αναφερθούμε στο κεφάλαιο 6]. Αυτό βρίσκεται συνήθως στους υπόγειους ταμιευτήρες πετρελαίου. Εταιρίες παραγωγής φυσικού αερίου με διάφορους περίπλοκους τρόπους προσπαθούν να βρουν τους ταμιευτήρες που έχουν το φυσικό αέριο και τρυπώντας την γη με γεωτρύπανα να το εξάγουν προς επεξεργασία και εκμετάλλευση. Μερικοί υδρογονάνθρακες αφαιρούνται και πωλούνται χωριστά, συμπεριλαμβανομένου του προπανίου και του βουτανίου, έλλλες ακαθαρσίες αφαιρούνται επίσης, όπως τα σουλφίδια υδρογόνου (ο καθαρισμός του οποίου μπορεί να παραγάγει το θείο, το οποίο έπειτα πωλείται επίσης χωριστά). Μετά από τον καθαρισμό, το καθαρό φυσικό αέριο διαβιβάζεται μέσω ενός δικτύου σωληνώσεων, χιλιάδες χιλιόμετρα

7 Φυσικό Αέριο Sc Περιβαλλοντικές Επιπι Λάζαρος ΑντίιΛΛάδης μακριά. Από αυτές τις σωληνώσεις, το φυσικό αέριο παραδιδεται στο σημείο χρήσης του. Όπως άλλες μορφές της ενέργειας, το φυσικό αέριο μετριέται συνήθως και εκφράζεται στις βρετανικές θερμικές μονάδες (btu). Ένα btu είναι το ποσό φυσικού αερίου που θα παράγει αρκετή ενέργεια ώστε να αυξήσει κατά ένα βαθμό μια λίβρα νερού σε κανονική πίεση. Για να πάρετε μια ιδέα, το ένα κυβικό πόδι του φυσικού αερίου περιέχει περίπου Btus. Όταν το φυσικό αέριο παραδιδεται σε μια κατοικία, μετριέται σε θερμίδες για τους σκοπούς τιμολόγησης του. Μια θερμίδα είναι ισοδύναμη με bm s, ή ακριβώς 2,7467 κυβικά μέτρα φυσικού αερίου. 2.3 Σύσταση Το φυσικό αέριο είναι ένα μίγμα αερίων υδρογονανθράκων. Ενώ το φυσικό αέριο διαμορφώνεται πρωτίστως από μεθάνιο, μπορεί επίσης να περιλαμβάνει αιθάνιο, προπάνιο, βουτάνιο, πεντάνιο και αλλά. Η σύνθεση του φυσικού αερίου μπορεί να ποικίλει από περιοχή σε περιοχή. Παρακάτω είναι ένα διάγραμμα που περιγράφει τα συστατικά του φυσικού αερίου όπως αυτό βγαίνει από το έδαφος πριν καθαριστεί. I Χαρακτηριστική σύνθεση του φυσικού αερίου Μεθάνιο C H % Αιθάνιο CzHe Προπάνιο C 3 H % ' Βουτάνιο C 4 H 10 Διοξείδιο του άνθρακα CO2 0-8% Οξυγόνο Ο 2 0-0,2%! Αζωτο Ν 2 0-5% Σουλφίδια υδρογόνων H 2 S 0-5% Σπάνια αέρια A, He, Ne, Xe Ίχνη Στην καθαρότερη μορφή του, όπως το φυσικό αέριο που παραδιδεται στα σπίτια, είναι σχεδόν καθαρό μεθάνιο. Το μεθάνιο είναι ένα μόριο ενός ατόμου άνθρακα και τεσσάρων ατόμων υδρογόνων, και ο χημικός του τύπος είναι CH4 η μορφή του περιγράφετε στην εικόνα 1.

8 Φυσικό Αέριο & Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις Λάζαρί:^; Ανιωνιάδης Εικόνα 1 - Ένα μιόριο μεθιχνίου CFLi Το αιθάνιο, το προπάνιο, και οι άλλοι υδρογονάνθρακες που συνδέονται συνήθως με το φυσικό αέριο έχουν ελαφρώς διαφορετικούς χημικούς τύπους. Το φυσικό αέριο θεωρείται "ξηρό" όταν είναι σχεδόν καθαρό μεθάνιο, έχοντας αφαιρέσει τους περισσότερους από τους ά>^.ους υδρογονάνθρακες. Όταν άλλοι υδρογονάνθρακες είναι παρόντες, το φυσικό αέριο λέγετε "υγρό". 2.4 Ο σχηματισμός του φυσικού αερίου Το φυσικό αέριο είναι ένα απολιθωμένο καύσιμο. Όπως το πετρέλαιο και ο άνθρακας, είναι ουσιαστικά, τα υπολείμματα των φυτών των ζώων και των μικροοργανισμών που έζησαν εκατομμύρια έτη πριν. Αλλά πώς αυτοί οι ζωντανοί οργανισμοί γίνονται ένα άψυχο μίγμα αερίων; Υπάρχουν πολλές διαφορετικές θεωρίες ως προς την προέλευση των συμβατικών καύσιμων. Η ευρύτατα αποδεκτή θεωρία λέει ότι τα συμβατικά καύσιμα διαμορφώνονται όταν συμπιέζεται το οργανικό θέμα (όπως τα υπολείμματα φυτών ή ενός ζώου) κάτω από τη γη, σε πολύ υψηλή πίεση για ένα μεγάλο χρονικό διάστημα. Αυτό αναφέρεται ως θερμογενές μεθάνιο. Παρόμοιο με το σχηματισμό του πετρελαίου, το θερμογενές μεθάνιο διαμορφώνεται από τα οργανικά μόρια που είναι καλυμμένα στη λάσπη και άλλα ιζήματα. Κατά τη διάρκεια του χρόνου, όλο και περισσότερα ιζήματα καθώς λάσπη αλλά και συντρίμμια συσσωρεύονται πάνω από το οργανικό απόθεμα. Αυτά τα ιζήματα βάζουν πολύ βάρος στο οργανικό απόθεμα, το οποίο συμπιέζετε. Αυτή η συμπίεση, που συνδυάζεται με τις υψηλές θερμοκρασίες που βρίσκονται βαθιά κάτω από τη γη, χωρίζει τους δεσμούς άνθρακα στο οργανικό απόθεμα. Δεδομένου ότι αυτά πηγαίνουν βαθύτερα και βαθύτερα στον φλοιό της γης, η θερμοκρασία γίνεται όλο και υψηλότερη. Στις χαμηλές θερμοκρασίες (πιο ρηχές καταθέσεις), το περισσότερο πετρέλαιο

9 Φυσικό Αέριο & Περιβαλλοντικές Επιπτώι^ Λάζαρος ΑνταηΛοδης παράγεται σχετικά με το φυσικό αέριο. Στις υψηλότερες θερμοκρασίες, εντούτοις, δημιουργείται περισσότερο φυσικό αέριο, σε αντιδιαστολή με το πετρέλαιο. Γι αυτό το φυσικό αέριο συνδέεται συνήθως με το πετρέλαιο στους ταμιευτήρες που είναι 2 έως 3 χιλιόμετρα κάτω από τη γήινη επιφάνεια. Οι βαθύτεροι ταμιευτήρες, πολύ βαθιά, συνήθως περιέχουν πρώτιστα φυσικό αέριο, και σε πολλές περιπτώσεις, καθαρό μεθάνιο. Το φυσικό αέριο μπορεί επίσης να διαμορφωθεί μέσω του μετασχηματισμού του οργανικού θέματος από τους μικροσκοπικούς μικροοργανισμούς. Αυτός ο τύπος μεθανίου αναφέρεται ως βιογονικό μεθάνιο. Τα Methanogens, μικροσκοπικοί οργανισμοί που παράγουν μεθάνιο, χωρίζουν χημικά το οργανικό θέμα για να παραχθεί το μεθάνιο. Αυτοί οι μικροοργανισμοί βρίσκονται συνήθως στις περιοχές κοντά στην επιφάνεια της γης που δεν έχουν οξυγόνο. Αυτοί οι μικροοργανισμοί ζουν επίσης στα έντερα των περισσότερων ζώων, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων. Ο σχηματισμός του μεθανίου με αυτόν τον τρόπο πραγματοποιείται συνήθως κοντά στην επιφάνεια της γης, και το παραχθέν μεθάνιο χάνεται συνήθως στην ατμόσφαιρα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, εντούτοις, αυτό το μεθάνιο μπορεί να παγιδευτεί υπόγεια, ανακτήσιμο ως φυσικό αέριο. Ένα παράδειγμα του βιογονικού μεθανίου είναι το αέριο υλικών οδόστρωσης. Απόβλητα που περιέχουν τα υλικά οδόστρωσης παράγουν ένα σχετικά μεγάλο ποσό φυσικού αερίου, από την αποσύνθεση των υλικών αποβλήτων που περιέχουν. Οι νέες τεχνολογίες επιτρέπουν σε αυτό το αέριο να συγκομιστεί και να χρησιμοποιηθεί για να το προσθέσουν στο φυσικό αέριο. Ένας τρίτος τρόπος στον οποίο το μεθάνιο (και φυσικό αέριο) μπορεί να διαμορφωθεί είναι μέσω των αβιογονιών διαδικασιών. Εξαιρετικά βαθιά κάτω από τη γήινη επιφάνεια, υπάρχουν αέρια υδρογόνων και μόρια άνθρακα. Καθώς αυτά τα αέρια ανεβαίνουν βαθμιαία προς την επιφάνεια της γης, μπορούν να αλληλεπιδράσουν με τα μεταλλεύματα που υπάρχουν επίσης υπόγεια, με τη απουσία του οξυγόνου. Αυτή η αλληλεπίδραση μπορεί να οδηγήσει σε μια αντίδραση, που διαμορφώνει τα στοιχεία και τις ενώσεις που βρίσκονται στην ατμόσφαιρα (συμπεριλαμβανομένου του αζώτου, του οξυγόνου, του διοξειδίου του άνθρακα, του αργού, και του νερού). Έάν αυτά τα αέρια είναι κάτω από πολύ υψηλή πίεση καθώς κινούνται προς την επιφάνεια της γης, είναι πιθανό να διαμορφώσουν αποθέσεις μεθανίου, παρόμοιες με το θερμογενές μεθάνιο.

10 Φυσικί!) AtQia & Περιβαλλοντικές Επιτ Λάζαρος Αντωνιάδη; 2.5 Φυσικό αέριο κάτω από τη γη Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να παραχθεί το μεθάνιο και το φυσικό αέριο. Συνήθως αυτό βρίσκεται κάτω από την επιφάνεια της γης. Δεδομένου ότι το φυσικό αέριο έχει πολύ χαμηλή πυκνότητα, μόλις διαμορφωθεί, θα ανεβεί προς την επιφάνεια της γης μέσω των πόρων των πετρωμάτων, όπως του σχιστόλιθου και άλλων υλικών. Το περισσότερο από το μεθάνιο θα ανεβεί απλά στην επιφάνεια και θα διαλυθεί στον αέρα. Εντούτοις πολύ από το μεθάνιο θα παγιδευτεί μέσα στους γεωλογικούς σχηματισμούς κάτω από το έδαφος. Αυτοί οι σχηματισμοί είναι πορώδη πετρώματα όπου ακριβώς από πάνω τους υπάρχει ένα άλλο στεγανό ιζηματογενές πυκνότερο στρώμα πετρώματος. Αυτός ο στεγανός βράχος παγιδεύει το φυσικό αέριο κάτω από το έδαφος. Εάν αυτοί οι σχηματισμοί είναι αρκετά μεγάλοι, μπορούν να παγιδέψουν πολύ φυσικό αέριο, και να δημιουργηθεί αυτό που είναι γνωστό ως «ταμιευτήρας». Υπάρχουν διάφοροι τύποι αυτών των σχηματισμών, αλλά ο πιο κοινός είναι όταν οι στεγανές ιζηματώδεις μορφές βράχου, έχουν μορφή "θόλου", όπως μια ομπρέλα που πιάνει όλο το φυσικό αέριο που επιπλέει στην επιφάνεια. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι όπου αυτός ο θόλος μπορεί να διαμορφωθεί. Η εικόνα 2 δείχνει πώς το φυσικό αέριο και το πετρέλαιο μπορούν να παγιδευτούν κάτω από το Εικόνα 2 στεγανό ιζηματώδη βράχο, που είναι γνωστός ως αντικλινής σχηματισμός. Για να φέρει επιτυχώς αυτά τα καύσιμα στην επιφάνεια, ένα πηγάδι πρέπει να τρυπηθεί με τρυπάνι μέσω του στεγανού βράχου για να εκδώσει τα καύσιμα μέσω της πίεσης του ίδιου του κοιτάσματος. Σημειώστε ότι στους ταμιευτήρες που περιέχουν το πετρέλαιο και το αέριο, το αέριο, βρίσκεται πάνω από το πετρέλαιο και κάτω από το πετρέλαιο ένα ορισμένο ποσό νερού.

11 Φυσικό Αέριο & Περιβαλλοντί Λαγαρός Αντωνιάδϊτς ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ιστορία του Φυσικού Αερίου Το φυσικό αέριο ήταν γνωστό από αρχαιότατων χρόνων, αλλά θεωρήθηκε από πολλούς πολιτισμούς ως μια υπερφυσική εκδήλωση. Στην αρχαιότητα ο κόσμος παρατηρούσε φωτιές σε σχισμές του εδάφους τις οποίες δεν μπορούσε να εξηγήσει και δημιουργούσε διάφορες ιστορίες που συσχέτιζαν την φλόγα με θρησκευτικές παραδοχές, την μαγεία κτλ. Το φυσικό αέριο αναφέρθηκε να διαρρέει στην επιφάνεια της γης για πρώτη φορά στο Ιράν μεταξύ και Π.Χ. 3.2 Η πρώτη χρήση του φυσικού αερίου Η πρώτη χρήση του αερίου αυτού αναφέρθηκε στην Κίνα το 500 Π.Χ. όπου οι Κινέζοι ανακάλυψαν τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσουν αυτές τις διαρροές προς πλεονέκτημά τους. Βρήκαν το σημείο όπου διέρρεε φυσικό αέριο στην επιφάνεια και με διαμορφωμένες ακατέργαστες σωληνώσεις από τους βλαστούς μπαμπού μετέφεραν το αέριο, όπου χρησιμοποιήθηκε για να βράσει το νερό της θάλασσας, χωρίζοντας το αλάτι και καθιστώντας το πόσιμο. Η Μεγάλη Βρετανία ήταν η πρώτη χώρα που εμπορευματοποίησε τη χρήση του φυσικού αερίου. Γύρω στο 1785, φυσικό αέριο που παρήχθη από άνθρακα χρησιμοποιήθηκε στα σπίτια, καθώς επίσης και τους φωτεινούς σηματοδότες στους δρόμους των πόλεων. Το κατασκευασμένο φυσικό αέριο αυτού του τύπου (σε αντιδιαστολή με το αέριο φυσικής εμφάνισης) παρουσιάστηκε αρχικά στις Ηνωμένες Πολιτείες το 1816, όταν χρησιμοποιήθηκε για να ανάψει την οδό της Βα>.τιμόρης, Μέρυλαντ. Εντούτοις, αυτό το κατασκευασμένο αέριο ήταν πολύ λιγότερο αποδοτικό, και λιγότερο φιλικό προς το περιβάλλον, από το σύγχρονο φυσικό αέριο που προέρχεται από το έδαφος. Κατά τη διάρκεια του 19ου αιώνα, το φυσικό αέριο Λάμπα χρησιμοποιήθηκε σχεδόν αποκλειστικά ως πηγή φωτός, φοσικού αερίου Χωρίς μια υποδομή σωληνώσεων, ήταν δύσκολο να μεταφερθεί πολύ μακριά, ή στα σπίτια, να το χρησιμοποιήσουν για θέρμανση, ή μαγείρεμα. Το περισσότερο από το φυσικό αέριο που παρήχθη σε αυτήν την εποχή κατασκευάστηκε από τον άνθρακα. Κοντά στο τέλος του 19ου αιώνα, με την άνοδο της ηλεκτρικής ενέργειας, τα 10

12 Φικπκό Αέριο & Περιβαλλοντικές Επιπτιίχ φώτα φυσικού αερίου μετατράπηκαν σε ηλεκτρικά φώτα. Αυτό οδήγησε τους παραγωγούς του φυσικού αερίου να ψάξουν για νέες χρήσεις του προϊόντος τους. 3.2 Η πρώτη οικιακή συσκευή εκμετάλλευσης φυσικού αερίου Το 1885, ο Robert Bunsen εφηύρε αυτό που είναι τώρα γνωστό ως καυστήρας Bunsen. Κατόρθωσε να δημιουργήσει μια συσκευή που ανάμιξε το φυσικό αέριο με τον αέρα στις σωστές αναλογίες. Αυτή η συσκευή δημιουργεί μια φλόγα και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ακίνδυνα για το μαγείρεμα και τη θέρμανση. Η εφεύρεση του καυστήρα Bunsen άνοιξε νέους δρόμους για τη χρήση του φυσικού αερίου σε όλο τον κόσμο. Η εφεύρεση της θερμοκρασιακής ρύθμισης διαφόρων συσκευών όπως θερμοσίφωνες φούρνοι κ.α. επέτρεψε την καιατερη χρήση της δυνατότητας θέρμανσης του φυσικού αερίου. Εικόνα 3 - Bunsen 3.4 Η πρώτη μεταφορά Στης πρώτες γεωτρήσεις που έγιναν για την εύρεση και εκμετάλλευση υδρογονανθράκων, το παραγόμενο φυσικό αέριο αναγκάζονταν να το αφήσουν στην ατμόσφαιρα. Πολλά ατυχήματα υπήρξαν εξαιτίας του νέφους που συγκεντρωνόταν και αναγκάστηκαν να το κάψουν απευθείας με το που ανέβαινε στην επιφάνεια. Μια από τις πρώτες μεγάλες σωληνώσεις μεταφοράς φυσικού αερίου κατασκευάστηκε το Αυτή η σωλήνωση ήταν 200 χιλ. μακριά, και μετέφερε το φυσικό αέριο από τα φρεάτια στην κεντρική Indiana στην πόλη του Σικάγου. Εντούτοις, αυτή η πρώτη σωλήνωση ήταν πολύ απλή, και δεν ήταν πολύ αποδοτική στη μεταφορά του φυσικού αερίου. Πριν από τη δεκαετία του '20 ξεκίνησαν να γίνονται προσπάθειες για την δημιουργία σωληνώσεων. Παρ όλα αυτά, μετά από τον 2 παγκόσμιο πόλεμο οι τεχνικές συγκόλλησης και οι μεταλλουργικές πρόοδοι επέτρεψαν την κατασκευή πιο αξιόπιστων σωληνώσεων. Αυτή η μεταπολεμική έξαρση κατασκευής σωληνώσεων διήρκεσε κοιλά στη δεκαετία του '60, και επέτρεψε την κατασκευή χιλιάδων χιλιομέτρων σωλήνωσης σε όλο τον κόσμο. Μόλις η μεταφορά του φυσικού αερίου ήταν εφικτή, νέες χρήσεις για το φυσικό αέριο ανακαλύφθηκαν. Αυτές περιέλαβαν τη χρησιμοποίηση του φυσικού αερίου στα σπίτια. Η βιομηχανία άρχισε να χρησιμοποιεί το φυσικό αέριο στην κατασκευή και την επεξεργασία των εγκαταστάσεων. Επίσης, το φυσικό αέριο χρησιμοποιήθηκε στους λέβητες θερμότητας που

13 Φυσικό Αέριο fid ΓίΕριβαλλοντικές Επιπτώσεις χρησιμοποιήθηκαν για να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Η υποδομή μεταφορών είχε καταστήσει το φυσικό αέριο εύκολο να ληφθεΐ, και γινόταν μια όλο και περισσότερο δημοφιλής μορφή ενέργειας.

14 Φυσικό Αέ{κο & Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις Λάζαρος Αντωνιάδης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ιδιότητες των Αερίων 4.1 Ιδιότητες των καυσίμων αερίων Γ ενικά Οι ιδιότητες των καυσίμων αερίων εξαρτώνται από τη σύστασή τους. Τα καύσιμα αέρια είναι μίγματα αερίων, ενώ συνήθως περιέχουν σε μικρές ποσότητες ορισμένες προσμίξεις, αέριες υγρές ή και στερεές. Τα καύσιμα αέρια σε χαμηλές πιέσεις (μέχρι 100 mbar) και όχι χαμηλές θερμοκρασίες (θερμοκρασίες κοντά στις ατμοσφαιρικές) μπορούν με καλή ακρίβεια να αντιμετωπισθούν ως ιδανικά αέρια, ενώ υψηλές πιέσεις και χαμηλές θερμοκρασίες προκαλούν απόκλιση από την ιδανική συμπεριφορά. Οι ιδιότητες οι οποίες θα εξετασθούν στη συνέχεια μπορούν να διακριθούν σε ιδιότητες στις οποίες επιβάλλονται απαιτήσεις από κανονισμούς και σε λοιπές ιδιότητες. Οι πρώτες μπορούν και πρέπει να ρυθμίζονται από τις εταιρείες διανομής των αερίων. Οι δεύτερες, αν και επηρεάζονται από τη ρύθμιση των επιβαλλομένων απαιτήσεων και είναι επίσης σημαντικές, δεν υπόκεινται σε προδιαγραφές, ιδιοτήτων με επιβαλλόμενες τιμές, όπως θα δούμε στη συνέχεια, είναι η ανώτερη θερμογόνος δύναμη, η πυκνότητα, ο δείκτης Wobbe και οι περιεκτικότητες ορισμένων βασικών αερίων και προσμίξεων (όπως και η πίεση σύνδεσης). Λοιπές ενδιαφέρουσες ιδιότητες είναι η απόκλιση από την ιδανική συμπεριφορά, το ιξώδες, η ειδική θερμοχωρητικότητα και η θερμική αγωγιμότητα. Το ιδανικό αέριο και τα πραγματικά αέρια Το ιδανικό (ή τέλειο) αέριο είναι ένα θερμοδυναμικό πρότυπο αέριο, το οποίο έχει ορισθεί σκοπίμως για την περιγραφή της καταστατικής συμπεριφοράς των αερίων. Χαρακτηρίζεται από την έλλειψη δυνάμεων ασκουμένων μεταξύ των μορίων των αερίων και από την παραδοχή μηδενικού όγκου των μορίων. Τα πραγματικά αέρια, φυσικό αέριο, αποτελούνται από μόρια τα οποία εξασκούν ελκτικές δυνάμεις μεταξύ τους, ενώ καταλαμβάνουν δεδομένο όγκο. Οι δυνάμεις μεταξύ των μορίων μειώνονται, όταν αυξάνουν οι αποστάσεις μεταξύ τους, δηλαδή όταν το αέριο έχει χαμηλή πίεση και άρα είναι αραιό, ενώ οι δυνάμεις αυξάνουν, όταν το αέριο έχει υψηλή πίεση. Επίσης σε χαμηλές θερμοκρασίες, λόγω της χαμηλής κινητικής ενέργειας των μορίων, οι ελκτικές δυνάμεις επικρατούν. Έτσι, όταν η 13

15 Φυίχκό Αέριο & Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις Λάζαρος Αντωνιάδης πίεση του αερίου είναι χαμηλή και η θερμοκρασία του υψηλή, τότε η συμπεριφορά του πλησιάζει εκείνη του ιδανικού αερίου. Οι ιδιότητες ενός αερίου, οι οποίες δεν εξαρτώνται από τη μορφή του, παριστούν την κατάστασή του. Η κατάσταση μιας ποσότητας ενός ιδανικού αερίου χαρακτηρίζεται από τα μεγέθη: - απόλυτη πίεση ρ, - απόλυτη θερμοκρασία Τ και - όγκος V, τα οποία ονομάζουμε καταστατικά μεγέθη. Θερμοκρασία αερίου θ μετριέται σε C. Μεταξύ της απόλυτης θερμοκρασίας Τ σε Kelvin και της μετρούμενης θερμοκρασίας θ υφίσταται η ακόλουθη σχέση: θ = Τ - Τ Τ = 273,15 [Κ] (Kelvin) (4.1) Απόλυτη πίεση ρ ενός αερίου προκύπτει από την ατμοσφαιρική πίεση pamb και την υπερπίεοη (ή ενεργό πίεση) pe, την οποία μετρούν τα όργανα μέτρησης της πίεσης Ρ = Pamb + Pe [ Ρα = N/m^ (Pascal) (4.2) Απόλυτη πίεση ρ λαμβάνει μόνον θετικές τιμές, ενώ η υπερπίεση μπορεί να έχει και αρνητικές τιμές, οπότε ομιλούμε για υποπίεση. Η μονάδα μέτρησης της πίεσης Ρα είναι πολύ μικρή και γι' αυτό χρησιμοποιούνται πολλαπλάσιά της, το bar για υψηλές πιέσεις και το mbar για χαμηλές πιέσεις: 1 bar = 10^ Ρα, 1 mbar = 100 Ρα = 1 hpa Συνολική πίεση ενός αερίου συντίθεται από τις μερικές πιέσεις των συστατικών του αερίων, αν πρόκειται για μίγμα. Αν το αέριο είναι υγρό, δηλαδή περιέχει υδρατμούς, και πρέπει να δοθεί μόνον η πίεση του ξηρού αερίου, τότε πρέπει να αφαιρεθεί η μερική πίεση των υδρατμών ρο: Ρξ pamb + Pe - ρο (4.3) Συχνά η μερική πίεση των υδρατμών δίνεται με τη μορφή: ρο = φ.ρϊ (4.4) όπου φ η σχετική υγρασία ps η πίεση κορεσμού. Η πίεση κορεσμού των υδρατμών ρ., είναι μονοσήμαντη συνάρτηση της θερμοκρασίας. Στον πίνακα 4.1 δίνεται η πίεση κορεσμού των υδρατμών για θερμοκρασίες O-20' C. Ορισμένες ιδιότητες των αερίων, π.χ. η πυκνότητα, εξαρτώνται από την πίεση και τη θερμοκρασία λειτουργίας, δηλαδή την κατάσταση του

16 Φιχπκά Αέριο fit Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις Λάζαρος Αντωνιάδης αερίου. Η κατάσταση λειτουργίας θα χαρακτηρίζεται με τους δείκτες "ρ Τ" ή "Λ" Για τη σύγκριση μεγεθών εξαρτωμένων από την κατάσταση πρέπει να χρησμοποιείται μια κατάσταση αναφοράς κοινή για όλα, η οποία καλείται κανονική κατάσταση. Αυτή χαρακτηρίζεται με το γράμμα "η" ως δείκτη και ορίζει - κανονική πίεση ρη = 1,01325 bar (= 1013,25 mbar ή hpa) και - κανονική θερμοκρασία Τη = 273,15 Κ (=0 Q Η πίεση και η θερμοκρασία του αερίου είναι μεγέθη εντατικά, μη εξαρτώμενα από την ποσότητά του. Εντατικά μεγέθη, δηλ. εξαρτώμενα από την ποσότητα του αερίου, είναι ο όγκος V [m^ και η μάζα m [kg]. Αντί της μάζας m μπορεί να μετριέται η ποσότητα της ύλης η σε kmol. 1 kmol ουσίας έχει μάζα ίση με τη μοριακή μάζα της ουσίας Μ, οπότε m = η Μ, ενώ για το ιδανικό αέριο καταλαμβάνει το μοριακό όγκο Vm, ο οποίος σε κανονικές συνθήκες είναι Vm,n = 22,41 m^/kmol (ακριβέστερα 22,41383) πίνακας 4.1 Πίεση κορεσμού υδρατμών. ρ σε C 0 F F F 6 8 jlo jl2 '14 1 \ρ. 6,11 7,05 8,13 p,72 9,34 10,73 12,28 il4,02 15,98 θ σε C il8 20 \p,cb mbar17,05 18,17 20,63 K,38 ; 1 : i Οι μοριακές μάζες ορισμένων αερίων δίνονται στον πίνακα 4.2. Για το ιδανικό αέριο τα ανωτέρω μεγέθη συνδέονται με την καταστατική εξίσωση (η οποία είναι γνωστή και ως Νόμος των τελείων αερίων) pv = nrt (4.5) ή ρυ=ηζκτ (4.6) όπου R η παγκόσμια σταθερά των αερίων με τιμή 8.314,41 J/kmol*K (ή 8,314 kj/kmol*k). Τα πραγματικά αέρια ή μίγματα αερίων παρουσιάζουν συμπεριφορά, η οποία αποκλίνει από εκείνη του ιδανικού αερίου. Το μέγεθος της απόκλισης εξαρτάται από τη σύσταση του αερίου καθώς και από την πίεση και τη θερμοκρασία. Για να ληφθεί υπ' όψη η απόκλιση εισάγεται στην καταστατική εξίσωση ένας διορθωτικός συντελεστής, ο παράγων πραγματικού αερίου Ζ

17 Φιχπκό Αέριο & Γΐίριβαλλσντικές Ε«τιτώ (4.7) η-λ-7' οπότε pv = nzrt (4.8) Στον πίνακα 4.2 δίνονται τιμές του Ζ για την κανονική κατάσταση για ορισμένα αέρια της δημόσιας διανομής. Για την αναγωγή στην κανονική κατάσταση μπορεί να χρησιμοποιείται ο συντελεστής συμπιεστότητας Κ. Με αυτόν η πραγματική συμπεριφορά στην κατάσταση λειτουργίας ανάγεται στην κανονική κατάσταση Κρ,τ = Ζρ,τ / Ζη (4.9) Ο συντελεστής συμπιεστότητας Κ προφανώς εξαρτάται από τη σύσταση του αερίου καθώς και από την πίεση και τη θερμοκρασία. Ο Κ λαμβάνει τιμές μικρότερες ή μεγαλύτερες από 1, ενώ τη μεγαλύτερη απόκλιση παρουσιάζουν τα πολυατομικά αέρια. Για την αυτόματη αναγωγή στην κανονική κατάσταση ενός όγκου αερίου μετρημένου στην κατάσταση λειτουργίας πολλές φορές χρησιμοποιείται ο καταστατικός συντελεστής, συμβολιζόμενος με το Ζ, ο οποίος ορίζεται Ζ = Τη Ρ,~Φ'Ρ> 1 (4.10) η,τ ρ,τ J ^ Ρ,- φ Ρ. 1 Ρ. κ (4.11) Πίνακας 4.2 Παράγων πραγματικού αερίου Ζη για 0 C και ρ=1,01325 αέρια πυ/^ης φυσικά αέρια ομάδα L ομάδα Η 1 ομάδα A ομάδα Β Wo =12,4 kwh/m3 Wo=15,0 kwh/m3 0,9995 i 0,9997 0,9975 0,9967 ;

18 Πίνακας 4 JΦυσβοές ΛάτιτίΒ; οφίοη'. Οι τιλιές αε παρένθεση cnjianuw I'm η ουσία σιη\ κανονική Ktniiomiai είναι σε υγρή ^ιop(pή Αέριο χημικός τύπος μάζα Μ kg/kmol μοριακός όγκος Vm,n., Γπ ΛαιχιΙ τητα P, ^ σχετική ττυκνότητσ σταθερά αερίου R kj/m^k Ανώτερη θερμογόνος Δύναμη Η, MJ/m kwivm MJ/kg κατώτερη θερμογόνος διααμη Η., MJ/m kwh/ni MJ/kq Μεθάνιο CH4 16,043 22,360 0,7175 0,5549 0, ,819 11,058 55,498 35,883 9,965 50,013 Αιθάνιο C2H6 30,069 22,191 1,3550 1,0480 0, ,293 19,520 51,877 64,345 17,869 47,487 ' Προπάνιο CiHg 44,096 21,928 2,0110 1,5550 0, ,242 28,115 50,345 93,215 25,886 46,354 Κϋνονικό βουτάνιο C4H.0 58,123 21,461 2,7080 2,0940 0, ,061 37,229 49, ,810 34,382 45,715 ίσοβουτάνιο CiHio 58,123 21,550 2,6970 2,0860 0, ,119 36,967 49,356 ί2ϊ2,9ϊ0 34,132 45,571 Κανονικό πεντάνιο C5H0 72,150 (20,900) (3,4520) (2,6700) (0,3978) (169,190) (46,984) 49,011 (156,. ;60) (43,477) 45,352 Κανονικό εξάνιο C6H.4 86,177 (20,100) (4,2900) (3,3150) (0,4137) (208,700) (57,956) 48,678 (193,380) (53,702) 45,104 Κανονικό Επτάνιο C7H ,203 (18,300) (5,4800) (4,2350) (0,4543) (265,220) (73,652) 48,437 (245,990) (68,311) 44,924 Αιθυλένιο C2H4 28,054 22,245 1,2611 0,9753 0, ,414 17,610 50,283 59,457 16,5ίΐ 47,146 Προπένιο CjHe 42, ,781 Βουτάνιο 1 C4H8 56,107 21,587 2,5990 2,0100 0, ,863 34,952 48,426 Τί 7,710" 32,688 45,288 Ακετυλένω C2H2 26,038 22,226 1,1715 0,9060 0, ,473 16,238 49,912 56,493 15,688 48,222 Βενζόλιο CfiHe 78,113 (20,900) (3,7400) (2,8900) (0,3978) (157,970) (43,868) 42,266 (151,650) (42,113) 40,576 Γολουόλιο C7H8 92,140 (18,900) (4,8800) (3,7700) (0,4399) (208,890) (58,009) 42,847 (199,570 (55,421) 40,937 ΥδρογόΐΌ H2 2,^58 22,428 0, ,0695 0, ,745 3, ,800 10,783 2, ,972 Μονοξ. άνθρακα CO 28, ll5050 0,9671 0, ;633 3,508 10,103 12,633 3,508 ιο,ιογ" Υδρατμός H20 18,0152 (21,100) (0,8540) (0,6600) (6,3940) Αζωτο N2 28,0134 ^, ,2504 0,9671 0,3711 Οξυγόνο 02 31, l ,4290 l,i ,3713 Λιοξ. άνθρακα C02 44,0098 ^, ,9770 1,5290 ' 0,3735 Αέρας 2S; ,400 1,2930 1,0000 0,3712

19 Φυσικό Αέριο 6c Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις Λάζαρος ΑντοΛΛοδης Η αναγωγή στην κανονική κατάσταση είναι αναγκαία για να υπάρχει κοινή βάση αναφοράς, επειδή η κατάσταση (πίεση και θερμοκρασία) υπόκειται σε μεταβολές. Τα πραγματικά αέρια παρουσιάζουν κανονικό μοριακό όγκο νμημιμ διαφορετικό από εκείνο του ιδανικού αερίου. Οι τιμές των μοριακών ό-/κων πραγματικών αερίων δίνονται στον πίνακα Οικογένειες αερίων, ομάδες Διεθνώς, τα διατιθέμενα σε δημόσια διανομή καύσιμα αέρια, που έχουν σε μεγάλη έκταση, κοινές ιδιότητες καύσης συμπεριλαμβάνονται σε οικογένειες αερίων. Εφ' όσον απαιτείται, για λόγους της τεχνικής των συσκευών, οι οικογένειες αερίων διαιρούνται σε ομάδες. Η ελληνική Τεχνική Οδηγία ΤΟΤΈΕ 2471/86 διακρίνει τρεις οικογένειες αέριων καυσίμων, όπως και το ευρωπαϊκό πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ 437. Οι Γερμανικοί κανόνες για τα καύσιμα αέρια εισάγουν και μια τέταρτη οικογένεια. Η 1η οικογένεια αερίων περιλαμβάνει αέρια πλούσια σε υδρογόνο. Αυτή διαιρείται ανάλογα με το δείκτη Wobbe (βλέπε παρακάτω) στην ομάδα A (συνήθως αντιστοιχούν τα αέρια πόλης (Stadtgas, Town gas)) και στην ομάδα Β (συνήθως αντιστοιχούν τα τηλεαέρια (Femgas, Grid gas)). Από τις δύο ομάδες μόνον η ομάδα A έχει πλέον σημασία μέσα στα πλαίσια της ΕΕ. Η 2η οικογένεια αερίων περιλαμβάνει αέρια πλούσια σε μεθάνιο. Αυτά είναι τα φυσικά αέρια, δηλαδή γαιαέρια προερχόμενα από φυσική ύπαρξη, συνθετικά φυσικά αέρια (SNG = Synthetic (ή Substitude) Natural Gas) καθώς και τα εναλλακτικά τους αέρια. Διαιρείται ανάλογα με το δείκτη Wobbe στην ομάδα L "Low'" (με δείκτη Wobbe χαμηλής τιμής), στην ομάδα Η "high" (με δείκτη Wobbe υψηλής τιμής) και στην ομάδα Έ. Η 3η οικογένεια αερίων περιλαμβάνει υγραέρια, διαιρούμενα στις ομάδες Β/Ρ, Ρ και Β. Αυτά δεν περιλαμβάνονται στο αντικείμενο του παρόντος, ούτε στο πεδίο ισχύος της ΤΟΤΕΈ 2471/86 και των γερμανικών κανόνων TRGI. Η 4η οικογένεια αερίων περιλαμβάνει μίγματα υδρογονανθράκων-αέρα, τα οποία παρασκευάζονται από υγραέρια ή κατ' αναλογία φυσικό αέριο και αέρα.

20 <X>\joovi Αέριο & Περιβαλλοντικές Εηιπτώ Λά^ίρος Αντωνιάδη; Τα καύσιμα αέρια διακρίνονται σε βασικά, εναλ/.ακτικά και πρόσθετα αέρια: - Τα βασικά αέρια είναι τα αέρια τα οποία συνήθως διανέμονται σε μια περιοχή τροφοδοσίας. - Τα εναλλακτικά αέρια είναι μίγματα αερίων, τα οποία, παρ' ότι η σύστασή τους και ενδεχομένως τα χαρακτηριστικά δεδομένα τους αποκλίνουν από εκείνα του βασικού αερίου, για την ίδια πίεση αερίου και αμετάβλητη ρύθμιση της συσκευής παρουσιάζουν μια συμπεριφορά καύσης ισότιμη προς εκείνη του βασικού αερίου. - Τα πρόσθετα αέρια είναι μίγματα αερίων, τα οποία διαφέρουν ουσιαστικά από το βασικό αέριο ως προς τη σύσταση και τα χαρακτηριστικά δεδομένα της τεχνικής της καύσης. Αυτά μπορούν να προστεθούν στο βασικό αέριο σε περιορισμένες ποσότητες, όπου η απαίτηση για ισότιμη συμπεριφορά του μίγματος στον καυστήρα καθορίζει το ύψος της προστιθέμενης ποσότητας. 4.3 Χαρακτηριστικές ιδιότητες συνδεόμενες με την τεχνική της καύσης. Με τον όρο χαρακτηριστικές ιδιότητες συνδεόμενες με την τεχνική της καύσης εννοείται το σύνολο των χαρακτηριστικών δεδομένων, τα οποία καθορίζουν τη συμπεριφορά καύσης ενός αερίου και την ισχύ ενός καυστήρα. Αυτές είναι: - η πυκνότητα, - η θερμογόνος δύναμη και - ο δείκτης Wobbe Πρόκειται για ιδιότητες οι οποίες έχουν κάποιες απαιτήσεις με βάση τους κανονισμούς Πυκνότητα ρ Η πυκνότητα ρ ενός αερίου είναι το πηλίκο της μάζας m προς τον όγκο ν στην πίεση ρ και τη θερμοκρασία Τ. Μονάδα μέτρησης είναι kg/m^. Διακρίνουμε - την πυκνότητα λειτουργίας και - την κανονική πυκνότητα. Η πυκνότητα λειτουργίας ρρ.τα = ρλ εξαρτάται από το είδος του αερίου και τις συνθήκες, και άρα είναι μεταβλητό μέγεθος, και υπολογίζεται σύμφωνα με την εξίσωση Ρ,.τ = (418)

21 Φυσικό Αέριο &c Περιβαλλοντικές Em Λάζαρος Αντωνιάδης Η κανονική πυκνότητα ρ, ενός αερίου είναι η πυκνότητά του στην κανονική κατάσταση Ρ η = ^ (4.19) Εξαρτάται μόνον από το είδος του αερίου. Τιμές της κανονικής πυκνότητας για ορισμένα αέρια δίνονται στον πίνακα 4.3. Αν ένα αέριο έχει θερμοκρασία και πίεση οι οποίες απέχουν από το σημείο συμπύκνωσης, και άρα η συμπεριφορά του μπορεί να αποδοθεί από το Νόμο των ιδανικών αερίων, τότε η πυκνότητα ρρ,τ μπορεί να υπολογισθεί με καλή προσέγγιση _ j n _ ρ Μ (4.20) RT Στην τεχνική των αερίων χρησιμοποιείται συχνά η σχετική πυκνότητα. Η σχετική πυκνότητα d ενός αερίου είναι ο λόγος της πυκνότητάς του προς εκείνη του ξηρού αέρα στην ίδια θερμοκρασία και στην ίδια πίεση d = ρ ιέριο /ρ ιέρας (4-21) Η αριθμητική τιμή της σχετικής πυκνότητας d μπορεί να αναφέρεται σε μια καθορισμένη κατάσταση ρ,τ του αερίου και του αέρα που δρα να είναι μεταβλητό μέγεθος. Για να έχει σταθερή τιμή, είναι ανοιγμένη στην κανονική κατάσταση d = ρ η,ιζέριο /Q η,ιιέρας (4.22) θερμογόνος δύναμη Η θερμογόνος δύναμη είναι η κύρια ενεργειακή ιδιότητα μιας ουσίας. Μας δίνει πληροφορίες για την ποσότητα θερμότητας, η οποία εκ>.ύεται κατά την πλήρη καύση της μονάδας ποσότητας της ουσίας. (Ορθότερα από θερμοδυναμική άποψη η εκλυόμενη ενέργεια θα. έπρεπε να ονομάζεται ενθαλπία καύσης). Μετριέται σε ειδικές συσκευές κα/.ούμενες θερμιδόμετρα. Η θερμογόνος δύναμη (Η) είναι ένας συλλογικός χαρακτηρισμός για την ανώτερη θερμογόνο δύναμη Ηο και την κατώτερη θερμογόνο δύναμη IT. Η ανώτερη και η κατώτερη θερμογόνος δύναμη ενός αερίου σύμφωνα με τα πρότυπα (π.χ. το DIN 51850) δίνονται από την αρνητική τιμή της ενθαλπίας αντίδρασης (ΔΗ)π, η οποία εκλύεται κατά την καύση του αερίου υπό σταθερή πίεση ρ= 1,01325 bar. Η θερμοκρασία των προϊόντων της αντίδρασης μετά την καύση είναι ίση με τη θερμοκρασία των συστατικών, τα οποία συμμετέχουν στην καύση, πριν από αυτήν. Αυτή η θερμοκρασία αναφοράς έχει διεθνώς καθορισθεί στους 25 C. Η ανώτερη θερμογόνος δύναμη Ηο παριστάνει τη θερμότητα, η οποία εκλύεται με βάση τις προηγούμενες αναφερόμενες συνθήκες για πλήρη 20

22 Φυσικό Αέριο & Περιβαλλοντικές Επιπτι Λάζαρος Αντωνιάδης καύση ενός ξηρού αερίου με καθαρό αέριο οξυγόνο, όταν ως προϊόντα της καύσης εμφανίζονται μόνον διοξείδιο του άνθρακα CO2 (αέριο), νερό Η2Ο (υγρό), άζωτο N? (αέριο) και διοξείδιο του θείου SO2 (αέριο). Κατώτερη θερμογόνος δύναμη Hu παριστάνει τη θερμότητα, η οποία εκλύεται υπό τις προηγουμένως αναφερόμενες συνθήκες για πλήρη καύση ενός ξηρού αερίου με καθαρό αέριο οξυγόνο, όταν ως προϊόντα της καύσης εμφανίζονται μόνον διοξείδιο του άνθρακα COi (αέριο), νερό Η2Ο (αέριο), άζωτο Ν2 (αέριο) και διοξείδιο του θείου SO2 (αέριο). Σύμφωνα με το πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ 437 ως θερμοκρασία αναφοράς προτείνεται να υιοθετηθεί η θερμοκρασία των 15 C. Επίσης αντί του δείκτη Ο θα χρησιμοποιείται ο δείκτης s και αντί του δείκτη υ ο δείκτης ί. Η ανώτερη και η κατώτερη θερμογόνος δύναμη ενός αερίου δίνονται σε kwh/m^ ή σε kj/m^ και NTj/m^, ενώ ο προσδιορισμός σε kj/kg (συμβατός με το Διεθνές Σύστημα Μονάδων SI) ή σε kj/kmol χρησιμοποιείται λιγότερο στην τεχνική των αερίων. Τιμές της ανώτερης και κατώτερης θερμογόνου δύναμης δίνονται στον πίνακα 4.3 για τα σημαντικότερα καύσιμα αέρια. Η διαφορά μεταξύ ανώτερης και κατώτερης θερμογόνου δύναμης προκύπτει από την ενθαλπία (θερμότητα) εξάτμισης του νερού. Εκ τούτου η διαφορά εμφανίζεται μόνον για αέρια, στα οποία κατά την καύση παράγεται υδρατμός. Η ανώτερη θερμογόνος δύναμη περιέχει την ενθαλπία εξάτμισης (ή συμπύκνωσης) ΛΗν της ποσότητας νερού που παράγεται κατά την καύση. Η αριθμητική τιμή της στους 25 C είναι ΛΗν =2442kJ/kgή ΑΗν,η = 1963kJ/m3ή ΔΗν,α> =44,0M [/kmol Πίνακας 4.4 Λόγος ανώτερης και κατώτερης θερμογόνου δύναμης μονάδα αέριο πόλης φ. αέριο L φ. αέριο Η προπάνιο βουτάνιο Ηο kwh/m3 5,48 9,78 11,46 28,28 37,22 Ηυ kwh/m3 4,87 8,83 10,35 25,99 ' 34,31 f=h ^/Huu, 1,13 1,11 1,11 1,09 1,09 Ηο - Hu = Xvu>AHvu> (4.23) όπου Χν,η η ποσότητα υγρασίας, η οποία παράγεται κατά την καύση 1 αερίου. Ο λόγος ανώτερης και κατώτερης θερμογόνου δύναμης f = εξαρτάται από την περιεκτικότητα του καυσίμου σε υδρογόνο. Για

23 Φυσικό Αέριο fic Περιβαλλοντι Λάζαρος Αντωνιάδης καθαρό υδρογόνο έχει τιμή 1,182 ενώ για τον άνθρακα είναι 1. Για τα σημαντικότερα καύσιμα αέρια η τιμή του δίνεται στο πίνακα?.4 Όπως αναφέραμε, η ανώτερη και η κατώτερη θερμογόνος δύναμη ενός αερίου δίνονται σε kwh/m^ ή σε Επειδή ο όγκος είναι ένα μέγεθος εξαρτώμενο από την κατάσταση, ο προσδιορισμός της κατάστασης είναι απαραίτητος Έτσι ορίζονται - οι Ηο,η και Huj, ανοιγμένες στην κανονική κατάσταση και - οι Ηο,η και Ηι^, ανοιγμένες στην κατάσταση λειτουργίας με προσδιορισμό των ρ και Τ. Η ανώτερη και η κατώτερη θερμογόνος δύναμη λειτουργίας μπορούν να υπολογισθούν από τις αντίστοιχες κανονικές με αναγωγή στην πραγματική κατάσταση από την άποψη της πίεσης της θερμοκρασίας και της περιεκτικότητας σε υγρασία. Π.χ. Η = Η ^ Ρ ι ρί σε mbar (4.24) " " 273,15 +( Στη συμβατική τεχνική της καύσης καταβαλλόταν η προσπάθεια με κατασκευαστικά και λειτουργικά μέτρα να μην προκύπτει συμπύκνωση των υδρατμών για να αποφεύγεται η διάβρωση. Έτσι όλες οι συσκευές καύσης στερεών και υγρών καυσίμων καθώς και οι περισσότερες συσκευές καύσης αέριων καυσίμων σχεδιάζονται έτσι, ώστε να μην προκύπτει συμπύκνωση των υδρατμών. Γι' αυτόν το λόγο στους ενεργειακούς υπολογισμούς χρησιμοποιείται η κατώτερη θερμογόνος δύναμη. Σε ορισμένες, όμως, συσκευές καύσης αέριων καυσίμων, ειδικά σχεδιασμένες, εκμεταλλευόμαστε την ενθαλπία συμπύκνωσης των υδρατμών. Στους ενεργειακούς υπολογισμούς αυτών των συσκευών χρησιμοποιείται η ανώτερη θερμογόνος δύναμη Η,> Φυσικά, αν σε συσκευές καύσης αέριων καυσίμων εκμεταλλευόμαστε την ενθαλπία συμπύκνωσης των υδρατμών, ο βαθμός απόδοσης θα είναι μεγαλύτερος. Ο αναγνώστης συνιστάται να προσέχει κατά τη σύγκριση των καυσίμων. Είναι σύνηθες φαινόμενο οι πωλητές αέριων καυσίμων και υγραερίων, για να προπαγανδίσουν τα καύσιμά τους, εμφανίζοντάς τα ως ενεργειακά τιλουσιότερα, να δίνουν ως ενέργεια καύσης την ανώτερη θερμογόνο δύναμη, χωρίς φυσικά να το εξηγούν, ενώ στις αντίστοιχες συσκευές δεν προβλέπεται συμπύκνωση. Για να βοηθηθεί ο αναγνώστης δίνεται ο συγκριτικός πίνακας 4.5. Η επιλογή του κατάλληλου για την περίπτωση καυσίμου πρέπει να είναι αποτέλεσμα τεχνικοοικονομικής μελέτης.

24 Φυσικό Αέριο & Περιβαιλλοντικές Επιπτώι Πίνακας 4.5 Σύγκριση κατώτερων θερμογόνων δυνάμεω' διαφόρων καοσίμων Hu Iελ. πετρέλοϊϊο μαζούτ τιροπάνιο ^βουτάνιο I μεθάνιο φ. αέριο Η kj/kq kw h / kg kwh/m^ 34,31 * Μέσες τιμές Δείκτης Wobbe Για τη θερμοροή, η οποία εξέρχεται από το ακροφύσιο ενός καυστήρα αερίου, καθοριστική είναι η θερμική φόρτιση CQB. Ενώ για τη ρύθμιση των συσκευών η θερμική ισχύς υπολογίζεται Q b.u = VnHuo. = ν,\ή.λ (4.25) γενικά στην τεχνική της καύσης, όπως π.χ. στο θέμα εναλλακτικότητας, χρησιμοποιείται ο ορισμός με βάση την ανώτερη θερμογόνο δύναμη. Qb = ΥοΉο^ = VB'fio.B (4.26) Από τη ρευστομηχανική μάς είναι γνωστό, ότι για πραγματική ροή με τριβές η παροχή η εξερχόμενη από το ακροφύσιο υπολογίζεται (βλέπε το σχήμα 4.1) Σχήμα. 4.1 Ροή σε ακροφύσιο αερίου. (4.27) οπού A η διατομή του ακροφυσίου α συντελεστής ακροφυσίου ρ πυκνότητα αερίου ρ1 πίεση αερίου P»mb ατμοσφαιρική πίεση Η διαφορά ρ1 - pamb προφανώς εκφράζει την υπερπίεση του αερίου ρυ,ι στο ακροφύσιο. Έτσι η θερμική φόρτιση προκύπτει (4.28)

25 Φυσικό Αέριο & Περιβαλλοντι Λά^ϊρος Αντωνιάδη; Με αντικατάσταση της πυκνότητας ρ μέσω της σχετικής πυκνότητας d, η ανωτέρω εξίσωση μετασχηματίζεται ^ 2;?, Q, = A a \ - ^ ^ (4.29) \Paspa, Vd Με σταθερή την (υπερ)πίεση του ακροφυσίου pu,i, η παράσταση είναι σταθερή κ Qn = const Jd η θερμική φόρτιση της συσκευής θα υπολογίζεται - const (4.30) εξαρτώμενη μόνον από το μέγεθος Wo, το οποίο είναι το πηλίκο της ανώτερης θερμογόνου δύναμης Ηο και της τετραγωνικής ρίζας της σχετικής πυκνότητας d και καλείται ανώτερος δείκτης Wobbe. Συνήθως δίνεται ανοιγμένος στην κανονική κατάσταση. (4.31) Ομοίως ισχύει για τον κατώτερο δείκτη Wobbe, ο οποίος είναι το πηλίκο της κατώτερης θερμογόνου δύναμης και της τετραγωνικής ρίζας της σχετικής πυκνότητας d ^ (4.32) Jd Ο δείκτης Wobbe, επειδή η σχετική πυκνότητα d είναι αδιάστατη, έχει τις ίδιες μονάδες μέτρησης με τη θερμογόνο δύναμη: kwli/m-\ Ο δείκτης Wobbe θεωρείται ως χαρακτηριστική τιμή για τη θερμική φόρτιση: Καύσιμα αέρια με διαφορετική σύσταση αλλά με τον ίδιο δείκτη Wobbe αποδίδουν υπό την ίδια πίεση (πίεση ροής) στον καυστήρα κατά προσέγγιση την ίδια θερμική φόρτιση. Αν ένα αέριο 1 αντικατασταθεί από ένα αέριο 2, η θερμική φόρτιση θα μεταβληθεί ανιάλογα προς το λόγο των δεικτών Wobbe (4.33) Επειδή η πίεση του δικτύου και άρα η πίεση σύνδεσης των συσκευών μπορεί να διακυμαίνεται μέσα σε κάποια όρια, έχει εισαχθεί ένας διευρυμένος δείκτης W'obbe W o,e, W^e Ο διευρυμένος δείκτης Wobbe λαμβάνει υπ' όψη εκτός από τα υλικά μεγέθη, τα οποία ήδη εμπεριέχονται

26 Φυσικό Αέριο Sc ΓΪΕριβαλλτΛτακές Επιπτώσεις Λάζαρος Αντωνιάδης στο δείκτη Wobbe, και την πίεση ροής pe (σε mbar) ως προς την επίδρασή της στη ροή του αερίου και επομένως στη θερμική φόρτιση (4-34) Πίνακας 4.6 Σύσταση % κ.ο. (ενδεικτική) διαφόρων καύσιμα των αερίων. αέρια αέριο αέριο Wo =12,0 Wo =15,0 Ρωσικό φ. Αλγερινό φ. πόλης A πόλης B kwh/m3 kwh/m^ αέριο αέριο διοξειδ. άνθρακα C ,02 2,02 max 3 άζωτο Ν ,67 0,65 max 5 0,2 + 1,4 ο ^ ό νο θ2 max 0,02 υδρογόνο Η ιονοξ. άνθρακα CO 18 6 ιεθάνιο CN ,60 85,6 min 85 85,65 + αιθάνιο C2H6 2,96 7,93 max 7 3,2 + 8,5 (αιθυλένιο C2N4 προπάνιο CjH* 0,07 2,76 max 3 max 3 προπάνιο CjH6 2 2 Βουτάνιο C4H,o 0,02 0,82 max 2 max 1,22 πεντάνιο CsHi: 0,01 0,17 max 1 εξάνιο CfiHw 0,03 επτάνιο C7H14 0,01 βενζόλιο CeHc - 0,01

27 Φυσικτ!» Αέριο 6c ίϋριβαλα/^ντι Λάζαρος Αντωνιάδη; Πίνακας 4.7 Φυσικές ιδιότητες διαφόρων καυσίμων αερίων (ενδεικτικές). αέριο I αέριο IWo =12,0! W =15,0! πόλης A I πόληςβ kwh/m3; kwh/m3 Μοριακή μάζα kg/kmo^ 13,400 j 11,323 18,525 19,049 μοριακός ογκος m^/kmo 22,348 22,350 ^ 22,340 kg/m^ 0,505 0,8285 ; 0,8527 σχετ. πυκνότητα σταθερό αερίου kj/m^k 0,372 ; 0,372 ανώτερη Θερμογόνος kwh/m 12,206 δύναμη Iv^/m 18,211 I 10,598 35,860 κατώτερη γόνος δύναμη MJ/m 16,343 I 17,414 δείκτης Wobbe 12,443 15,030 MJ/m3 26,743 44,797 54,109 kwh/m 11,230 13,602 ]Vq/m3 23,999 27,856 40,430 ; 48,967 κατ αναλογία K.e = K.n (4-35) Ως πίεση σύνδεσης pc Θεωρείται η πίεση ροής στη σύνδεση με τη συσκευή αερίου μετρούμενη σε mbar. Επίσης σε ορισμένες περιπτώσεις για λόγους σύγκρισης χρησιμοποιείται ο σχετικός δείκτης Wobbe. Με το σχετικό δείκτη W'obbe Wojd ή κατ' αναλογία Wujti ανάγεται ο δείκτης Wobbe ενός αερίου σε εκείνο του μεθανίου. Ως αδιάστατος αριθμός δίνει την άμεση σύγκριση διαφόρων καυσίμων αερίων. Ο σχετικός δείκτης Wobbe του μεθανίου είναι εξ ορισμού εκ τούτου Wo.rd =1 Στους πίνακες 2.6 και ί.7 δίνονται οι συστάσεις και οι ιδιότητες ορισμένων αερίων. 4.4 Επεξηγήσεις για τα συστατικά και τις προσμίξεις των αερίων. Κύρια συστατικά του φυσικού αερίου όπου διανέμεται, καθώς και άλλων καύσιμων αερίων, είναι π.χ. το υδρογόνο, το μεθάνιο ή τα υγραέρια. Σε αυτά είναι δυνατό να εμπεριέχονται μια σειρά προσμίξεων οι οποίες μπορούν να είναι τόσο αέριες όσο και στερεές.

28 Φυσοώ Αέριο & Περιβίϊλλοντικές Emu Υδρογονάνθρακες Η περιεκτικότητα σε ανώτερους κεκορεσμένους και ακόρεστους καθώς και σε αρωματικούς υδρογονάνθρακες στο αέριο πρέπει να περιορίζεται, επειδή σε διαφορετική περίπτωση παρουσιάζονται προβλήματα στη διανομή των αερίων και στη συμπεριφορά καύσης. Η επιτρεπόμενη για μια άψογη καύση συγκέντρωση εξαρτάται από το είδος των υδρογονανθράκων, αλλά και από την περιεκτικότητα του αερίου σε υδρογόνο και οξυγόνο. Το διοξείδιο του άνθρακα ευνοεί σε σύγκριση με το άζωτο την καύση των ακόρεστων και αρωματικών υδρογονανθράκων, ιδιαίτερα στους καυστήρες διάχυσης. Τα αέρια της 1ης οικογένειας καίγονται άψογα με συγκεντρώσεις μέχρι 10 % σε βενζολικούς υδρογονάνθρακες, όταν το κλάσμα όγκου του υδρογόνου είναι τουλάχιστον 50%. Για χαμηλότερη περιεκτικότητα υδρογόνου πρέπει ενδεχομένως να μειωθεί η συγκέντρωση σε βενζολικούς υδρογονάνθρακες ή να αυξηθεί η περιεκτικότητα του οξυγόνου. Με τον όρο βενζολικοί υδρογονάνθρακες εννοείται το άθροισμα των υγρών στη θερμοκρασία δωματίου υδρογονανθράκων, οι οποίοι προσδιορίζονται χρωματογραφικά ως C5+ Με τον όρο "ναφθοιλίνη" εννοείται το άθροισμα των αρωματικών υδρογονανθράκων, οι οποίοι προσδιορίζονται αναλυτικά ως πικρικοί. Τα αέρια της 2ης οικογένειας μπορούν ανάλογα με την προέλευση και τη διεργασία προετοιμασίας τους να περιέχουν σε συνθήκες λειτουργίας συμπυκνώσιμους υδρογονάνθρακες και μεταξύ αυτών και αρωματικούς υδρογονάνθρακες. Κατά την εκτόνωση του αερίου κάτω από την πίεση της διεργασίας προετοιμασίας μπορούν αυτοί να διαχωριστούν υπό ορισμένες καταστάσεις λειτουργίας (αναδρομική συμπύκνωση). Τα μίγματα αερίου / αέρα τα οποία περιέχουν υγραέριο θα πρέπει να έχουν βασικά τέτοια σύσταση, ώστε να αποκλείεται συμπύκνωση υπό τις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας οι οποίες επικρατούν στις εγκαταστάσεις διανομής. Η συμπύκνωση υδρογονανθράκων καθορίζεται από το είδος και την ποσότητα των συμπυκνώσιμων συστατικών καθώς και από την πίεση και τη θερμοκρασία. Ο περιορισμός επιτυγχάνεται γενικά με καθορισμό του σημείου συμπύκνωσης, δηλαδή μιας θερμοκρασίας επάνω από την οποία για μια καθορισμένη πίεση ή κατ' αναλογία για μια περιοχή πιέσεων δεν πρέπει να εμφανισθεί καθόλου συμπύκνωση Νερό Τα αέρια τα ευρισκόμενα υπό υψηλή και μέση πίεση πρέπει κατά το δυνατό να είναι ξηρά, δηλαδή να παρουσιάζουν μια σχετική υγρασία κάτω από 60%, για να αποφευχθούν διάβρωση και σχηματισμός υδριτών των αερίων. Συνήθως τίθεται περιορισμός της υγρασίας κατά κανόνα με προσδιορισμό του σημείου δρόσου, δηλαδή μιας θερμοκρασίας επάνω από την οποία 27

29 Φυσικί!/ Αέριο & ΓΙεριββλλοντικές Επιπτώσεις για μια καθορισμένη πίεση δεν πρέπει να εμφανισθεί καθόλου συμπύκνωση νερού Οξυγόνο Στα αέρια τα οποία περιέχουν υδρατμό το οξυγόνο άρά διαβρωτικά. Η επιτρεπόμενη περιεκτικότητα του οξυγόνου εξαρτάται από τη σχετική υγρασία του αερίου. Το ανώτερο όριο τιμών μπορεί να παραβιασθεί, αν χρησιμοποιηθούν μίγματα υδρογονανθράκων-αέρα ως εναλ^^ακτικά ή πρόσθετα αέρια Μονοξείδιο του άνθρακα Η περιεκτικότητα του CO εξαρτάται από την πρώτη ύλη και τις συνθήκες λειτουργίας της εγκατάστασης παραγωγής του αερίου. Σε υφιστάμενες εγκαταστάσεις μπορεί να παραβιασθεί η κατευθυντήρια τιμή. Τα αέρια από εγκαταστάσεις πυρόλυσης και εξαέρωσης του άνθρακα πρέπει να έχουν ένα κλάσμα όγκου του CO κάτω από 3% Διοξείδιο του άνθρακα Το διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να υπάρχει είτε λόγω της διεργασίας παραγωγής του αερίου είτε εκ φύσεως. Σε υγρά αέρια το διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να ευνοήσει τη διάβρωση. Για την παρεμπόδισή της πρέπει, προφανώς, να προτιμηθεί ξήρανση του αερίου αντί της απομάκρυνσης του0 θ 2 (π.χ. με απορρόφηση) Νέφος, σκόνη Η παρουσία νέφους (πίσσα, λάδι, γλυκόλη ή άλ/υχ μη πτητικά υγρά) στο αέριο εξαρτάται από την εφαρμοζόμενη μέθοδο προετοιμασίας. Επίσης οι εγκαταστάσεις συμπιεστών μπορούν κατά περίπτωση να προκαλέσουν παρουσία νέφους λαδιού. Αν για την άρση των διαρροών σε συνδέσεις με μούφες και για τη δέσμευση σκόνης σε δίκτυο σωληνώσεων προστεθούν στα αέρια υγρά με τη μορφή νέφους (ψεκασμός), τότε η προστιθέμενη ποσότητα πρέπει να περιορισθεί τόσο, ώστε να μην επηρεασθούν αρνητικά οι ιδιότητες καύσης των αερίων και η λειτουργία των συσκευών αερίου. Η σκόνη μπορεί να εισχωρήσει κατά την παραγωγή του αερίου. Περαιτέρω δεν μπορεί να αποφευχθεί πλήρως η δημιουργία σκόνης λόγω της χημικής μετατροπής και της διάβρωσης μέσα στους αγωγούς (σκουριές). Για την απομάκρυνση ή κατακράτηση της σκόνης πρέπει να προβλέπονται μέτρα στην αναγκαία έκταση (π.χ. φίλτρα). Στα συστήματα διανομής ο σχηματισμός σκόνης μπορεί να περιορισθεί με τη μη υπέρβαση των κατευθυντηρίων τιμών για προσμίξεις των αερίων, οι οποίες ευνοούν τη διάβρωση. Τεχνικά καθαρό αέριο σημαίνει ότι τα συμπυκνώματα, το νέφος και η σκόνη απομακρύνονται σε τέτοιο βαθμό, ώστε να είναι εγγυημένη η 28

30 Φυσικά!) Αέριο & Περιβαλλ/Λτηκές Επιπτώ- Λάζαιρος Αντωνιάδης λειτουργία των συσκευών αερίου και των διατάξεων των σχετικών με τα αέρια, κανονικής ή ειδικής κατασκευής. Προς το παρόν δεν είναι δυνατός ένας ακριβής έλεγχος των περιεκτικοτήτων σε νέφος και σκόνη και άρα ο καθορισμός οριακών τιμών Οξείδια του αζώτου, αμμωνία, υδροκυάνιο Τα αέρια της 1ης οικογένειας αερίων μπορούν να περιέχουν οξείδια του αζώτου, αμμωνία και υδροκυάνιο, οι περιεκτικότητες των οποίων προκύπτουν από τη σύσταση των πρώτων υλών και από τις συνθήκες λειτουργίας των εγκαταστάσεων παραγωγής των αερίων. Αν χρησιμοποιηθεί κάποιο απαέριο (π.χ. καυσαέριο) ως πρόσθετο αέριο για τη ρύθμιση της κατάστασης, τότε πρέπει να προσεχθεί η περιεκτικότητα σε οξείδια του αζώτου Ενώσεις του θείου Οι θειούχες προσμίξεις των αερίων είναι υδρόθειο, σουλφίδιο του διοξειδίου του άνθρακα, διθειάνθρακας και λοιπά οργανικό σουλφίδιο, δισουλφίδια, μερκαπτάνες και θειοφένια. Η περιεκτικότητα σε ενώσεις του θείου στα παραγόμενα αέρια εξαρτάται από την χρησιμοποιούμενη πρώτη ύλη και από τον καθαρισμό του αερίου, ενώ στα φυσικά αέρια από τις πηγές των αερίων καθώς και από τη μέθοδο προετοιμασίας. Η περιεκτικότητα των αερίων σε θείο επηρεάζει τη διάρκεια ζωής των σωληνώσεων και των διατάξεων κατανάλωσης. Για το λόγο αυτό πρέπει να είναι περιορισμένη για όλα τα καύσιμα αέρια. Οι εκ φύσεως περιεχόμενες σε ορισμένα φυσικά αέρια ποσότητες θειούχου μερκαπτάνης υπόκεινται σε διακυμάνσεις. Προβλέπεται σ' αυτή την υπόθεση να συλλέγουν και να εκτιμηθούν περαιτέρω εμπειρίες. Η μέγιστη τιμή για την περιεκτικότητα σε θειούχο μερκαπτάνη της 2ης οικογένειας αερίων μπορεί ενδεχομένως να μεταβληθεί. Η μέγιστη τιμή για το υδρόθειο των 5 mg/m^ στα αέρια της 2ης οικογένειας προς το παρόν δεν μπορεί ακόμη να τηρηθεί σε εξαιρετικές καταστάσεις για όλα τα φυσικά αέρια. Η τιμή αυτή επιτρέπεται τότε για σύντομο χρονικό διάστημα να παραβιασθεί μέχρι και κατά 5 mg/m^ (ακραία τιμή 10 mg/m^).

31 Φυσον!> Αέ(χο & ίΐ (Λβαλλτ^ντικες Επιπτώσεις Λάζ«ίΧ>ς Αντωνιόδης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Καύση και ενέργεια 5.1 Ισοζύγια μάζας και ενέργειας Γενικές αρχές Ως καύοτη χαρακτηρίζεται η χημική αντίδραση καύσιμων ουσιών με οξυγόνο. Η καύση συνοδεύεται από έκλυση θερμότητας και άρα υψηλές θερμοκρασίες. Διατηρείται όσο υπάρχουν επαρκείς ποσότητες καυσίμου και οξυγόνου. Στη συνέχεια α ασχοληθούμε με τον υπολογισμό αυτών των ποσοτήτων καυσίμου και οξυγόνου, καθώς και των εκλυόμενων ποσοτήτων θερμότητας. Η εξίσωση της καύσης μπορεί να γραφεί σε γενική μορφή: Καύσιμο + Οξυγόνο ^ Προϊόντα καύσης + Θερμότητα Το απαραίτητο για την καύση οξυγόνο κατά κανόνα λαμβάνεται από τον ατμοσφαιρικό αέρα και μόνον σε ειδικές εφαρμογές (π.χ. αυτογενής συγκόλληση), όπου απαιτούνται πολύ υψηλές θερμοκρασίες, χρησιμοποιείται καθαρό οξυγόνο. Τα καύσιμα συστατικά των καυσίμων είναι κυρίως το υδρογόνο Ηι και ο άνθρακας C και δευτερευόντως το θείο S, το οποίο όμως, όπως θα αναλύσουμε σε επόμενη παράγραφο, είναι ανεπιθύμητο. Στα καύσιμα πιθανώς περιέχονται και ορισμένα συστατικά τα οποία δεν καίγονται, τα καλούμενα αδρανή, όπως π.χ. άζωτο, νερό (υδρατμός) ή διοξείδιο του άνθρακα. Επίσης είναι πιθανό να περιέχεται και οξυγόνο, είτε φυσικής προέλευσης, είτε πρόσθετο. Τα αέρια καύσιμα, σε σύγκριση με τα στερεό και τα υγρά καύσιμα, έχουν το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτούν κάποια διαδικασία προετοιμασίας τους (π.χ. άλεση για τα στερεά ή σταγονιδιοποίηση για τα υγρά). Αρκεί μια καλή ανάμιξη με τον αέρα καύσης, η οποία μπορεί να γίνει με σχετικώς απλά κατασκευαστικά μέτρα. Τα αέρια προϊόντα της καύσης θα τα ονομάζουμε καυσαέρια. Ο αναγνώστης μπορεί να τα συναντήσει στη βιβλιογραφία και ως κάπνα αέρια (κυρίως αν περιέχουν σκόνη, αιθάλη και πίσσα) ή ως απαέρια (κυρίως τα καθαρά). Τα αέρια καύσιμα είναι σχεδόν πάντοτε μίγματα καύσιμων αερίων και συνήθως δίνεται η σύσταση τους σε κλάσματα όγκου φ, (τα οποία, όπως αποδεικνύεται, για τα ιδανικά αέρια είναι ίσα με τα μοριακά κλάσματα χ,). ΦΕΟ + ΦΗε + ΦΕΗ4 + ΣΦΕχΗν + ΦΕΟ: + ΦΟ: + ΦΚ > + ΦΗ.Ο = 1 (5.1) 30