Теплота сгорания природного газа мдж м3. Теплотворная способность газов
Теплота сгорания определяется химическим составом горючего вещества. Содержащиеся в горючем веществе химические элементы обозначаются принятыми символами С , Н , О , N , S , а зола и вода - символами А и W соответственно.
Энциклопедичный YouTube
-
1 / 5
Теплота сгорания может быть отнесена к рабочей массе горючего вещества Q P {\displaystyle Q^{P}} , то есть к горючему веществу в том виде, в каком оно поступает к потребителю; к сухой массе вещества Q C {\displaystyle Q^{C}} ; к горючей массе вещества Q Γ {\displaystyle Q^{\Gamma }} , то есть к горючему веществу, не содержащему влаги и золы.
Различают высшую ( Q B {\displaystyle Q_{B}} ) и низшую ( Q H {\displaystyle Q_{H}} ) теплоту сгорания.
Под высшей теплотой сгорания понимают то количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании вещества, включая теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания.
Низшая теплота сгорания соответствует тому количеству теплоты, которое выделяется при полном сгорании, без учёта теплоты конденсации водяного пара. Теплоту конденсации водяных паров также называют скрытой теплотой парообразования (конденсации) .
Низшая и высшая теплота сгорания связаны соотношением: Q B = Q H + k (W + 9 H) {\displaystyle Q_{B}=Q_{H}+k(W+9H)} ,
где k - коэффициент, равный 25 кДж/кг (6 ккал/кг); W - количество воды в горючем веществе, % (по массе); Н - количество водорода в горючем веществе, % (по массе).
Расчёт теплоты сгорания
Таким образом, высшая теплота сгорания - это количество теплоты, выделившейся при полном сгорании единицы массы или объема (для газа) горючего вещества и охлаждении продуктов сгорания до температуры точки росы. В теплотехнических расчетах высшая теплота сгорания принимается как 100 %. Скрытая теплота сгорания газа - это теплота, которая выделяется при конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Теоретически она может достигать 11 %.
На практике не удается охладить продукты сгорания до полной конденсации, и потому введено понятие низшей теплоты сгорания (QHp), которую получают, вычитая из высшей теплоты сгорания теплоту парообразования водяных паров как содержащихся в веществе, так и образовавшихся при его сжигании. На парообразование 1 кг водяных паров расходуется 2514 кДж/кг (600 ккал/кг). Низшая теплота сгорания определяется по формулам (кДж/кг или ккал/кг):
Q H P = Q B P − 2514 ⋅ ((9 H P + W P) / 100) {\displaystyle Q_{H}^{P}=Q_{B}^{P}-2514\cdot ((9H^{P}+W^{P})/100)} (для твердого вещества)
Q H P = Q B P − 600 ⋅ ((9 H P + W P) / 100) {\displaystyle Q_{H}^{P}=Q_{B}^{P}-600\cdot ((9H^{P}+W^{P})/100)} (для жидкого вещества), где:
2514 - теплота парообразования при температуре 0 °C и атмосферном давлении, кДж/кг;
H P {\displaystyle H^{P}} и W P {\displaystyle W^{P}} - содержание водорода и водяных паров в рабочем топливе, %;
9 - коэффициент, показывающий, что при сгорании 1 кг водорода в соединении с кислородом образуется 9 кг воды.
Теплота сгорания является наиболее важной характеристикой топлива, так как определяет количество тепла, получаемого при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газообразного топлива в кДж/кг (ккал/кг). 1 ккал = 4,1868 или 4,19 кДж.
Низшая теплота сгорания определяется экспериментально для каждого вещества и является справочной величиной. Также её можно определить для твердых и жидких материалов, при известном элементарном составе, расчётным способом в соответствии с формулой Д. И. Менделеева, кДж/кг или ккал/кг:
Q H P = 339 ⋅ C P + 1256 ⋅ H P − 109 ⋅ (O P − S L P) − 25.14 ⋅ (9 ⋅ H P + W P) {\displaystyle Q_{H}^{P}=339\cdot C^{P}+1256\cdot H^{P}-109\cdot (O^{P}-S_{L}^{P})-25.14\cdot (9\cdot H^{P}+W^{P})}
Q H P = 81 ⋅ C P + 246 ⋅ H P − 26 ⋅ (O P + S L P) − 6 ⋅ W P {\displaystyle Q_{H}^{P}=81\cdot C^{P}+246\cdot H^{P}-26\cdot (O^{P}+S_{L}^{P})-6\cdot W^{P}} , где:
C P {\displaystyle C_{P}} , H P {\displaystyle H_{P}} , O P {\displaystyle O_{P}} , S L P {\displaystyle S_{L}^{P}} , W P {\displaystyle W_{P}} - содержание в рабочей массе топлива углерода, водорода, кислорода, летучей серы и влаги в % (по массе).
Для сравнительных расчётов используется так называемое Топливо условное , имеющее удельную теплоту сгорания, равную 29308 кДж/кг (7000 ккал/кг).
В России тепловые расчёты (например, расчёт тепловой нагрузки для определения категории помещения по взрывопожарной и пожарной опасности ) обычно ведут по низшей теплоте сгорания, в США, Великобритании, Франции - по высшей. В Великобритании и США до внедрения метрической системы мер удельная теплота сгорания измерялась в британских тепловых единицах (BTU) на фунт (lb) (1Btu/lb = 2,326 кДж/кг).
Вещества и материалы Низшая теплота сгорания Q H P {\displaystyle Q_{H}^{P}} , МДж/кг Бензин 41,87 Керосин 43,54 Бумага: книги, журналы 13,4 Древесина (бруски W = 14%) 13,8 Каучук натуральный 44,73 Линолеум поливинилхлоридный 14,31 Резина 33,52 Волокно штапельное 13,8 Полиэтилен 47,14 Пенополистирол 41,6 Хлопок разрыхленный 15,7 Пластмасса 41,87 5.ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ГОРЕНИЯ
Рассмотрим методы расчета теплового баланса процесса горения газообразных, жидких и твердых топлив. Расчет сводится к решению следующих задач.
· Определение теплоты горения (теплотворной способности) топлива.
· Определение теоретической температуры горения.
5.1. ТЕПЛОТА ГОРЕНИЯ
Химические реакции сопровождаются выделением или поглощением теплоты. При выделении теплоты реакция называется экзотермической, а при поглощении – эндотермической. Все реакции горения являются экзотермическими, а продукты горения относятся к экзотермическим соединениям.
Выделяемая (или поглощаемая) при протекании химической реакции теплота называется теплотой реакции. В экзотермических реакциях она положительна, в эндотермических – отрицательна. Реакция горения всегда сопровождается выделением теплоты. Теплотой горения Q г (Дж/моль) называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании одного моля вещества и превращении горючего вещества в продукты полного горения. Моль является основной единицей количества вещества в системе СИ. Один моль – это такое количество вещества, в котором находится столько же частиц (атомов, молекул и т.д.), сколько содержится атомов в 12 г изотопа углерода–12. Масса количества вещества, равного 1 молю (молекулярная или молярная масса) численно совпадает с относительной молекулярной массой данного вещества.
Например, относительная молекулярная масса кислорода (O 2) равна 32, углекислого газа (CO 2) равна 44, а соответствующие молекулярные массы будут равны M =32 г/моль и M =44 г/моль. Таким образом, в одном моле кислорода содержится 32 грамма этого вещества, а в одном моле CO 2 содержится 44 грамма углекислого газа.
В технических расчетах чаще используется не теплота горения Q г , а теплотворная способность топлива Q (Дж/кг или Дж/м 3). Теплотворной способностью вещества называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг или 1 м 3 вещества. Для жидких и твердых веществ расчет проводится на 1 кг, а для газообразных – на 1 м 3 .
Знание теплоты горения и теплотворной способности топлива необходимо для расчета температуры горения или взрыва, давления при взрыве, скорости распространения пламени и других характеристик. Теплотворная способность топлива определяется либо экспериментальным, либо расчетным способами. При экспериментальном определении теплотворной способности заданная масса твердого или жидкого топлива сжигается в калориметрической бомбе, а в случае газообразного топлива – в газовом калориметре. С помощью этих приборов измеряется суммарная теплота Q 0 , выделяющаяся при сгорании навески топлива массой m . Величина теплотворной способности Q г находится по формуле
Связь между теплотой горения и
теплотворной способностью топливаДля установления связи между теплотой горения и теплотворной способностью вещества необходимо записать уравнение химической реакции горения.
Продуктом полного горения углерода является диоксид углерода:
С+О 2 →СО 2 .
Продуктом полного горения водорода является вода:
2Н 2 +О 2 →2Н 2 О.
Продуктом полного горения серы является диоксид серы:
S +О 2 →SO 2 .
При этом выделяются в свободном виде азот, галоиды и другие негорючие элементы.
Горючее вещество – газ
В качестве примера проведем расчет теплотворной способности метана CH 4 , для которого теплота горения равна Q г =882.6 .
· Определим молекулярную массу метана в соответствии с его химической формулой (СН 4):
М=1∙12+4∙1=16 г/моль.
· Определим теплотворную способность 1 кг метана:
· Найдем объем 1 кг метана, зная его плотность ρ=0.717 кг/м 3 при нормальных условиях:
.· Определим теплотворную способность 1 м 3 метана:
Аналогично определяется теплотворная способность любых горючих газов. Для многих распространенных веществ значения теплоты горения и теплотворной способности были измерены с высокой точностью и приведены в соответствующей справочной литературе. Приведем таблицу значений теплотворной способности некоторых газообразных веществ (табл. 5.1). Величина Q в этой таблице приведена в МДж/м 3 и в ккал/м 3 , поскольку часто в качестве единицы теплоты используется 1 ккал = 4.1868 кДж.
Таблица 5.1
Теплотворная способность газообразных топлив
Вещество
Ацетилен
Q
Горючее вещество – жидкость или твердое тело
В качестве примера проведем расчет теплотворной способности этилового спирта С 2 Н 5 ОН, для которого теплота горения Q г = 1373.3 кДж/моль.
· Определим молекулярную массу этилового спирта в соответствии с его химической формулой (С 2 Н 5 ОН):
М = 2∙12 + 5∙1 + 1∙16 + 1∙1 = 46 г/моль.
· Определим теплотворную способность 1 кг этилового спирта:
Аналогично определяется теплотворная способность любых жидких и твердых горючих. В табл. 5.2 и 5.3 приведены значения теплотворной способности Q (МДж/кг и ккал/кг) для некоторых жидких и твердых веществ.
Таблица 5.2
Теплотворная способность жидких топлив
Вещество
Метиловый спирт
Этиловый спирт
Мазут, нефть
Q
Таблица 5.3
Теплотворная способность твердых топлив
Вещество
Дерево свежее
Дерево сухое
Бурый уголь
Торф сухой
Антрацит, кокс
Q
Формула Менделеева
Если теплотворная способность топлива неизвестна, то ее можно рассчитать с помощью эмпирической формулы, предложенной Д.И. Менделеевым. Для этого необходимо знать элементарный состав топлива (эквивалентную формулу топлива), то есть процентное содержание в нем следующих элементов:
Кислорода (О);
Водорода (Н);
Углерода (С);
Серы (S );
Золы (А);
Воды (W ).
В продуктах сгорания топлив всегда содержатся пары воды, образующиеся как из-за наличия влаги в топливе, так и при сгорании водорода. Отработанные продукты сгорания покидают промышленную установку при температуре выше температуры точки росы. Поэтому тепло, которое выделяется при конденсации водяных паров, не может быть полезно использовано и не должно учитываться при тепловых расчетах.
Для расчета обычно применяется низшая теплотворная способность Q н топлива, которая учитывает тепловые потери с парами воды. Для твердых и жидких топлив величина Q н (МДж/кг) приближенно определяется по формуле Менделеева:
Q н =0.339+1.025+0.1085 – 0.1085 – 0.025, (5.1)
где в скобках указано процентное (масс. %) содержание соответствующих элементов в составе топлива.
В этой формуле учитывается теплота экзотермических реакций горения углерода, водорода и серы (со знаком «плюс»). Кислород, входящий в состав топлива, частично замещает кислород воздуха, поэтому соответствующий член в формуле (5.1) берется со знаком «минус». При испарении влаги теплота расходуется, поэтому соответствующий член, содержащий W , берется также со знаком «минус».
Сравнение расчетных и опытных данных по теплотворной способности разных топлив (дерево, торф, уголь, нефть) показало, что расчет по формуле Менделеева (5.1) дает погрешность, не превышающую 10%.
Низшая теплотворная способность Q н (МДж/м 3) сухих горючих газов с достаточной точностью может быть рассчитана как сумма произведений теплотворной способности отдельных компонентов и их процентного содержания в 1 м 3 газообразного топлива.
Q н = 0.108[Н 2 ] + 0.126[СО] + 0.358[СН 4 ] + 0.5[С 2 Н 2 ] + 0.234[Н 2 S ]…, (5.2)
где в скобках указано процентное (объем. %) содержание соответствующих газов в составе смеси.
В среднем теплотворная способность природного газа составляет примерно 53.6 МДж/м 3 . В искусственно получаемых горючих газах содержание метана СН 4 незначительно. Основными горючими составляющими являются водород Н 2 и оксид углерода СО. В коксовальном газе, например, содержание Н 2 доходит до (55 ÷ 60)%, а низшая теплотворная способность такого газа достигает 17.6 МДж/м 3 . В генераторном газе содержание СО ~ 30% и Н 2 ~15%, при этом низшая теплотворная способность генераторного газа Q н = (5.2÷6.5) МДж/м 3 . В доменном газе содержание СО и Н 2 меньше; величина Q н = (4.0÷4.2) МДж/м 3 .
Рассмотрим примеры расчета теплотворной способности веществ по формуле Менделеева.
Определим теплотворную способность угля, элементный состав которого приведен в табл. 5.4.
Таблица 5.4
Элементный состав угля
· Подставим приведенные в табл. 5.4 данные в формулу Менделеева (5.1) (азот N и зола A в эту формулу не входят, поскольку являются инертными веществами и не участвуют в реакции горения):
Q н =0.339∙37.2+1.025∙2.6+0.1085∙0.6–0.1085∙12–0.025∙40=13.04 МДж/кг.
Определим количество дров, необходимое для нагрева 50 литров воды от 10° С до 100° С, если на нагревание расходуется 5% теплоты, выделяемой при горении, а теплоемкость воды с =1 ккал/(кг∙град) или 4.1868 кДж/(кг∙град). Элементный состав дров приведен в табл. 5.5:
Таблица 5.5
Элементный состав дров
· Найдем теплотворную способность дров по формуле Менделеева (5.1):
Q н =0.339∙43+1.025∙7–0.1085∙41–0.025∙7= 17.12 МДж/кг.
· Определим количество теплоты, расходуемое на нагрев воды, при сгорании 1 кг дров (с учетом того, что на ее нагрев расходуется 5% теплоты (a =0.05), выделяемой при горении):
Q 2 =a Q н =0.05·17.12=0.86 МДж/кг.
· Определим количество дров, необходимое для нагрева 50 литров воды от 10° С до 100° С:
кг.Таким образом, для нагрева воды требуется около 22 кг дров.
В таблицах представлена массовая удельная теплота сгорания топлива (жидкого, твердого и газообразного) и некоторых других горючих материалов. Рассмотрено такое топливо, как: уголь, дрова, кокс, торф, керосин, нефть, спирт, бензин, природный газ и т. д.
Перечень таблиц:
При экзотермической реакции окисления топлива его химическая энергия переходит в тепловую с выделением определенного количества теплоты. Образующуюся тепловую энергию принято называть теплотой сгорания топлива. Она зависит от его химического состава, влажности и является основным . Теплота сгорания топлива, отнесенная на 1 кг массы или 1 м 3 объема образует массовую или объемную удельную теплоты сгорания.
Удельной теплотой сгорания топлива называется количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы или объема твердого, жидкого или газообразного топлива. В Международной системе единиц эта величина измеряется в Дж/кг или Дж/м 3 .
Удельную теплоту сгорания топлива можно определить экспериментально или вычислить аналитически. Экспериментальные методы определения теплотворной способности основаны на практическом измерении количества теплоты, выделившейся при горении топлива, например в калориметре с термостатом и бомбой для сжигания. Для топлива с известным химическим составом удельную теплоту сгорания можно определить по формуле Менделеева .
Различают высшую и низшую удельные теплоты сгорания. Высшая теплота сгорания равна максимальному количеству теплоты, выделяемому при полном сгорании топлива, с учетом тепла затраченного на испарение влаги, содержащейся в топливе. Низшая теплота сгорания меньше значения высшей на величину теплоты конденсации , который образуется из влаги топлива и водорода органической массы, превращающегося при горении в воду.
Для определения показателей качества топлива, а также в теплотехнических расчетах обычно используют низшую удельную теплоту сгорания , которая является важнейшей тепловой и эксплуатационной характеристикой топлива и приведена в таблицах ниже.
Удельная теплота сгорания твердого топлива (угля, дров, торфа, кокса)
В таблице представлены значения удельной теплоты сгорания сухого твердого топлива в размерности МДж/кг. Топливо в таблице расположено по названию в алфавитном порядке.
Наибольшей теплотворной способностью из рассмотренных твердых видов топлива обладает коксующийся уголь — его удельная теплота сгорания равна 36,3 МДж/кг (или в единицах СИ 36,3·10 6 Дж/кг). Кроме того высокая теплота сгорания свойственна каменному углю, антрациту, древесному углю и углю бурому.
К топливам с низкой энергоэффективностью можно отнести древесину, дрова, порох, фрезторф, горючие сланцы. Например, удельная теплота сгорания дров составляет 8,4…12,5, а пороха — всего 3,8 МДж/кг.
Удельная теплота сгорания твердого топлива (угля, дров, торфа, кокса)
Топливо Антрацит 26,8…34,8 Древесные гранулы (пиллеты) 18,5 Дрова сухие 8,4…11 Дрова березовые сухие 12,5 Кокс газовый 26,9 Кокс доменный 30,4 Полукокс 27,3 Порох 3,8 Сланец 4,6…9 Сланцы горючие 5,9…15 Твердое ракетное топливо 4,2…10,5 Торф 16,3 Торф волокнистый 21,8 Торф фрезерный 8,1…10,5 Торфяная крошка 10,8 Уголь бурый 13…25 Уголь бурый (брикеты) 20,2 Уголь бурый (пыль) 25 Уголь донецкий 19,7…24 Уголь древесный 31,5…34,4 Уголь каменный 27 Уголь коксующийся 36,3 Уголь кузнецкий 22,8…25,1 Уголь челябинский 12,8 Уголь экибастузский 16,7 Фрезторф 8,1 Шлак 27,5 Удельная теплота сгорания жидкого топлива (спирта, бензина, керосина, нефти)
Приведена таблица удельной теплоты сгорания жидкого топлива и некоторых других органических жидкостей. Следует отметить, что высоким тепловыделением при сгорании отличаются такие топлива, как: бензин, дизельное топливо и нефть.
Удельная теплота сгорания спирта и ацетона существенно ниже традиционных моторных топлив. Кроме того, относительно низким значением теплоты сгорания обладает жидкое ракетное топливо и — при полном сгорании 1 кг этих углеводородов выделится количество теплоты, равное 9,2 и 13,3 МДж, соответственно.
Удельная теплота сгорания жидкого топлива (спирта, бензина, керосина, нефти)
Топливо Удельная теплота сгорания, МДж/кг Ацетон 31,4 Бензин А-72 (ГОСТ 2084-67) 44,2 Бензин авиационный Б-70 (ГОСТ 1012-72) 44,1 Бензин АИ-93 (ГОСТ 2084-67) 43,6 Бензол 40,6 Дизельное топливо зимнее (ГОСТ 305-73) 43,6 Дизельное топливо летнее (ГОСТ 305-73) 43,4 Жидкое ракетное топливо (керосин + жидкий кислород) 9,2 Керосин авиационный 42,9 Керосин осветительный (ГОСТ 4753-68) 43,7 Ксилол 43,2 Мазут высокосернистый 39 Мазут малосернистый 40,5 Мазут низкосернистый 41,7 Мазут сернистый 39,6 Метиловый спирт (метанол) 21,1 н-Бутиловый спирт 36,8 Нефть 43,5…46 Нефть метановая 21,5 Толуол 40,9 Уайт-спирит (ГОСТ 313452) 44 Этиленгликоль 13,3 Этиловый спирт (этанол) 30,6 Удельная теплота сгорания газообразного топлива и горючих газов
Представлена таблица удельной теплоты сгорания газообразного топлива и некоторых других горючих газов в размерности МДж/кг. Из рассмотренных газов наибольшей массовой удельной теплотой сгорания отличается . При полном сгорании одного килограмма этого газа выделится 119,83 МДж тепла. Также высокой теплотворной способностью обладает такое топливо, как природный газ — удельная теплота сгорания природного газа равна 41…49 МДж/кг (у чистого 50 МДж/кг).
Удельная теплота сгорания газообразного топлива и горючих газов (водород, природный газ, метан)
Топливо Удельная теплота сгорания, МДж/кг 1-Бутен 45,3 Аммиак 18,6 Ацетилен 48,3 Водород 119,83 Водород, смесь с метаном (50% H 2 и 50% CH 4 по массе) 85 Водород, смесь с метаном и оксидом углерода (33-33-33% по массе) 60 Водород, смесь с оксидом углерода (50% H 2 50% CO 2 по массе) 65 Газ доменных печей 3 Газ коксовых печей 38,5 Газ сжиженный углеводородный СУГ (пропан-бутан) 43,8 Изобутан 45,6 Метан 50 н-Бутан 45,7 н-Гексан 45,1 н-Пентан 45,4 Попутный газ 40,6…43 Природный газ 41…49 Пропадиен 46,3 Пропан 46,3 Пропилен 45,8 Пропилен, смесь с водородом и окисью углерода (90%-9%-1% по массе) 52 Этан 47,5 Этилен 47,2 Удельная теплота сгорания некоторых горючих материалов
Приведена таблица удельной теплоты сгорания некоторых горючих материалов ( , древесина, бумага, пластик, солома, резина и т. д.). Следует отметить материалы с высоким тепловыделением при сгорании. К таким материалам можно отнести: каучук различных типов, пенополистирол (пенопласт), полипропилен и полиэтилен.
Удельная теплота сгорания некоторых горючих материалов
Топливо Удельная теплота сгорания, МДж/кг Бумага 17,6 Дерматин 21,5 Древесина (бруски влажностью 14 %) 13,8 Древесина в штабелях 16,6 Древесина дубовая 19,9 Древесина еловая 20,3 Древесина зеленая 6,3 Древесина сосновая 20,9 Капрон 31,1 Карболитовые изделия 26,9 Картон 16,5 Каучук бутадиенстирольный СКС-30АР 43,9 Каучук натуральный 44,8 Каучук синтетический 40,2 Каучук СКС 43,9 Каучук хлоропреновый 28 Линолеум поливинилхлоридный 14,3 Линолеум поливинилхлоридный двухслойный 17,9 Линолеум поливинилхлоридный на войлочной основе 16,6 Линолеум поливинилхлоридный на теплой основе 17,6 Линолеум поливинилхлоридный на тканевой основе 20,3 Линолеум резиновый (релин) 27,2 Парафин твердый 11,2 Пенопласт ПХВ-1 19,5 Пенопласт ФС-7 24,4 Пенопласт ФФ 31,4 Пенополистирол ПСБ-С 41,6 Пенополиуретан 24,3 Плита древесноволокнистая 20,9 Поливинилхлорид (ПВХ) 20,7 Поликарбонат 31 Полипропилен 45,7 Полистирол 39 Полиэтилен высокого давления 47 Полиэтилен низкого давления 46,7 Резина 33,5 Рубероид 29,5 Сажа канальная 28,3 Сено 16,7 Солома 17 Стекло органическое (оргстекло) 27,7 Текстолит 20,9 Толь 16 Тротил 15 Хлопок 17,5 Целлюлоза 16,4 Шерсть и шерстяные волокна 23,1 Источники:
- ГОСТ 147-2013 Топливо твердое минеральное. Определение высшей теплоты сгорания и расчет низшей теплоты сгорания.
- ГОСТ 21261-91 Нефтепродукты. Метод определения высшей теплоты сгорания и вычисление низшей теплоты сгорания.
- ГОСТ 22667-82 Газы горючие природные. Расчетный метод определения теплоты сгорания, относительной плотности и числа Воббе.
- ГОСТ 31369-2008 Газ природный. Вычисление теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава.
- Земский Г. Т. Огнеопасные свойства неорганических и органических материалов: справочник М.: ВНИИПО, 2016 — 970 с.
Газовое топливо делится на природное и искусственное и представляет собой смесь горючих и негорючих газов, содержащую некоторое количество водяных паров, а иногда пыли и смолы. Количество газового топлива выражают в кубических метрах при нормальных условиях (760 мм рт. ст. и 0°С), а состав - в процентах по объему. Под составом топлива понимают состав его сухой газообразной части.
Природное газовое топливо
Наиболее распространенное газовое топливо - это природный газ, обладающий высокой теплотой сгорания. Основой природного газа является метан, содержание которого 76,7-98%. Другие газообразные соединения углеводородов входят в состав природного газа от 0,1 до 4,5%.
Сжиженный газ продукт переработки нефти - состоит в основном из смеси пропана и бутана.
Природный газ (CNG, NG): метан CH4 более 90%, этан C2 H5 менее 4%, пропан C3 H8 менее 1%
Сжиженный газ (LPG): пропан C3 H8 более 65%, бутан C4 H10 менее 35%
В состав горючих газов входят: водород Н 2 , метан СН 4 , Другие углеводородные соединения С m Н n , сероводород Н 2 S и негорючие газы, двуокись углерода СО2, кислород О 2 , азот N 2 и незначительное количество водяных паров Н 2 О. Индексы m и п при С и Н характеризуют соединения различных углеводородов, например для метана СН 4 т = 1 и n = 4, для этана С 2 Н б т = 2 и n = б и т. д.
Состав сухого газообразного топлива (в процентах по объему):
СО + Н 2 + 2 С m Н n + Н 2 S + СO 2 + O 2 + N 2 = 100%.Негорючую часть сухого газового топлива - балласт - составляют азот N и двуокись углерода СО 2 .
Состав влажного газообразного топлива выражают следующим образом:
СО + Н 2 + Σ С m Н n + Н 2 S + СО 2 + O 2 + N 2 + Н 2 О = 100%.
Теплоту сгорания, кДж/м (ккал/м 3), 1 м 3 чистого сухого газа при нормальных условиях определяют следующим образом:
Q н с = 0,01 ,
где Qсо, Q н 2 , Q с m н n Q н 2 s. - теплота сгорания отдельных газов, входящих в состав смеси, кДж/м 3 (ккал/м 3); СО, Н 2 , Cm Н n , Н 2 S - компоненты, составляющие газовую смесь, % по объему.
Теплота сгорания 1 м3 сухого природного газа при нормальных условиях для большинства отечественных месторождений составляет 33,29 - 35,87 МДж/м3 (7946 - 8560 ккал/м3). Характеристика газообразного топлива приведена в таблице 1.
Пример. Определить низшую теплоту сгорания природного газа (при нормальных условиях) следующего состава:
Н 2 S = 1%; СН 4 = 76,7%; С 2 Н 6 = 4,5%; С 3 Н 8 = 1,7%; С 4 Н 10 = 0,8%; С 5 Н 12 = 0,6%.
Подставляя в формулу (26) характеристики газов из таблицы 1, получим:
Q нс = 0,01 = 33981 кДж/м 3 или
Q нс = 0,01 (5585,1 + 8555 76,7 + 15 226 4,5 + 21 795 1,7 + 28 338 0,8 + 34 890 0,6) = 8109 ккал/м 3 .
Таблица 1. Характеристика газообразного топлива
Газ
Обозначение
Теплота сгорания Q н с
КДж/м3
Ккал/м3
Водород Н, 10820 2579 Окисьуглерода СО 12640 3018 Сероводород Н 2 S 23450 5585 Метан СН 4 35850 8555 Этан С 2 Н 6 63 850 15226 Пропан С 3 Н 8 91300 21795 Бутан С 4 Н 10 118700 22338 Пентан С 5 Н 12 146200 34890 Этилен С 2 Н 4 59200 14107 Пропилен С 3 Н 6 85980 20541 Бутилен С 4 Н 8 113 400 27111 Бензол С 6 Н 6 140400 33528 Котлы типа ДЕ потребляют от 71 до 75 м3 природного газа на получение одной тонны пара. Стоимость газа в России на сентябрь 2008г. составляет 2,44 рубля за кубометр. Следовательно, тонна пара будет стоить 71 × 2,44 = 173 руб 24 коп. Реальная стоимость тонны пара на заводах составляет для котлов ДЕ составляет не менее 189 рублей за тонну пара.
Котлы типа ДКВР потребляют от 103 до 118 м3 природного газа на получение одной тонны пара. Минимальная расчетная стоимость тонны пара для этих котлов составляет 103 × 2,44 = 251 руб 32 коп. Реальная же стоимость пара по заводам составляет не менее 290 рублей за тонну.
Как рассчитать максимальный расход природного газа на паровой котел ДЕ-25? Это техническая характеристика котла. 1840 кубиков в час. Но можно и расчитать. 25 тонн (25 тыс кг) надо умножить на разность энтальпий пара и воды (666,9-105) и всё это разделить на к.п.д котла 92,8% и теплоту сгорания газа. 8300. и все
Искусственное газовое топливо
Искуственные горючие газы являются топливом местного значения, поскольку имеют значительно меньшую теплоту сгорания. Основными горючими элементами их являются окись углерода СО и водород Н2. Эти газы используют в пределах того производства, где они получаются в качестве топлива технологических и энергетических установок.
Все природные и искусственные горючие газы являются взрывоопасными, способны воспламеняться на открытом огне или искре. Различают нижний и верхний предел взрываемости газа, т.е. наибольшую и наименьшую процентную его концентрацию в воздухе. Нижний предел взрываемости природных газов колеблется от 3% до 6%, а верхний - от 12% до 16%. Все горючие газы способны вызывать отравление организма человека. Основными отравляющими веществами горючих газов являются: окись углерода СО, сероводород H2S, аммиак NH3.
Природные горючие газы, так и искусственные бесцветны (невидимы), не имеют запаха, что делает их опасными при проникновении во внутреннее помещение котельной через неплотности газопроводной арматуры. Во избежание отравления горючие газы следует обрабатывать одорантом - веществом с неприятным запахом.
Получение окиси углерода СО в промышленности газификацией твердого топлива
Для промышленных целей окись углерода получают путём газификации твёрдого топлива, т. е. превращения его в газообразное топливо. Так можно получить окись углерода из любого твёрдого топлива - ископаемых углей, торфа, дров и т. д.
Процесс газификации твердого топлива показан на лабораторном опыте (рис.1). Заполнив тугоплавкую трубку кусочками древесного угля, сильно нагреем её и будем пропускать кислород из газометра. Выходящие из трубки газы пропустим через промывалку с известковой водой и затем подожжём. Известковая вода мутится, газ горит синеватым пламенем. Это указывает на наличие двуокиси СО2 и окиси углерода СО в продуктах реакции.
Образование этих веществ можно объяснить тем, что при соприкосновении кислорода с раскалённым углем последний сначала окисляется в двуокись углерода: С + О 2 = СО 2
Затем, проходя через раскалённый уголь, углекислый газ частично восстанавливается им до окиси углерода: СО 2 + С = 2СО
Рис. 1. Получение окиси углерода (лабораторный опыт).
В промышленных условиях газификацию твёрдого топлива осуществляют в печах, называемых газогенераторами.
Образующаяся смесь газов называется генераторным газом.
Устройство генератора газа показано на рисунке. Он представляет собой стальной цилиндр высотой около 5 м и диаметром примерно 3,5 м, футерованный внутри огнеупорным кирпичом. Сверху газогенератор загружается топливом; снизу через колосниковую решётку вентилятором подаётся воздух или водяной пар.
Кислород воздуха реагирует с углеродом топлива, образуя углекислый газ, который, поднимаясь вверх через слой раскалённого топлива, восстанавливается углеродом до окиси углерода.
Если в генератор вдувать только воздух, то получается газ, который в своём составе содержит окись углерода и азот воздуха (а также некоторое количество СО 2 и других примесей) . Такой генераторный газ называется воздушным газом.
Если же в генератор с раскалённым углем вдувать водяной пар, то в результате реакции образуются окись углерода и водород: С + Н 2 О = СO + Н 2
Эта смесь газов называется водяным газом. Водяной газ обладает более высокой теплотворной способностью, чем воздушный, так как в его состав наряду с окисью углерода входит и второй горючий газ - водород. Водяной газ (синтез газ), один из продуктов газификациии топлив. Водяной газ состоит главным образом из СО (40%) и Н2 (50%). Водяной газ - это топливо (теплота сгорания 10 500 кДж/м3, или 2730 ккал/мг) и одновременно сырье для синтеза метилового спирта. Водяной газ, однако, нельзя получать продолжительное время, так как реакция образования его эндотермическая (с поглощением теплоты), и поэтому топливо в генераторе остывает. Чтобы поддерживать уголь в раскалённом состоянии, вдувание водяного пара в генератор чередуют с вдуванием воздуха, кислород которого, как известно, реагирует с топливом с выделением тепла.
В последнее время для газификации топлива стали широко применять парокислородное дутьё. Одновременное продувание через слой топлива водяного пара и кислорода позволяет вести процесс непрерывно, значительно повышать производительность генератора и получать газ с высоким содержанием водорода и окиси углерода.
Современные газогенераторы - это мощные аппараты непрерывного действия.
Чтобы при подаче топлива в газогенератор горючие и ядовитые газы не проникали в атмосферу, загрузочный барабан делают двойным. В то время как топливо поступает в одно отделение барабана, из другого отделения топливо высыпается в генератор; при вращении барабана эти процессы повторяются, генератор же всё время остаётся изолированным от атмосферы. Равномерное распределение топлива в генераторе осуществляется при помощи конуса, который может устанавливаться на различной высоте. Когда его опускают, уголь ложится ближе к центру генератора, когда конус поднимают, уголь отбрасывается ближе к стенкам генератора.
Удаление золы из газогенератора механизировано. Колосниковая решётка, имеющая конусовидную форму, медленно вращается электродвигателем. При этом зола смещается к стенкам генератора и особыми приспособлениями сбрасывается в зольный ящик, откуда периодически удаляется.
Первые газовые фонари зажглись в Санкт-Петербурге на Аптекарском острове в 1819 году. Газ, который применялся, получали путем газификации каменного угля. Он назывался светильным газом.
Великий русский учёный Д. И. Менделеев (1834-1907) впервые высказал идею о том, что газификацию каменного угля можно производить непосредственно под землёй, не поднимая его наружу. Царское правительство не оценило этого предложения Менделеева.
Идею подземной газификации горячо поддержал В. И. Ленин. Он назвал её «одной из великих побед техники». Подземную газификацию осуществило впервые Советское государство. Уже до Великой Отечественной войны в Советском Союзе работали подземные генераторы в Донецком и Подмосковном угольных бассейнах.
Представление об одном из способов подземной газификации даёт рисунок 3. В угольный пласт прокладывают две скважины, которые внизу соединяют каналом. Уголь поджигают в таком канале у одной из скважин и подают туда дутьё. Продукты горения, двигаясь по каналу, взаимодействуют с раскалённым углем, в результате чего образуется горючий газ как и в обычном генераторе. Газ выходит на поверхность через вторую скважину.
Генераторный газ широко применяется для обогрева промышленных печей - металлургических, коксовых и в качестве топлива в автомобилях (рис. 4).
Рис. 3. Схема подземной газификации каменного угля.
Из водорода и окиси углерода водяного газа синтезируют ряд органических продуктов, например жидкое топливо. Синтетическое жидкое топливо - горючее (в основном бензин), получаемое синтезом из окиси углерода и водорода при 150-170 гр Цельсия и давлении 0,7 - 20 МН/м2 (200 кгс/см2), в присутствии катализатора (никель, железо, кобальт). Первое производство синтетического жидкого топлива организовано в Германии во время 2й Мировой войны в связи с нехваткой нефти. Широкого распространения синтетическое жидкое топливо не получило из-за его высокой стоимости. Водяной газ используют для производства водорода. Для этого водяной газ в смеси с водяным паром нагревают в присутствии катализатора и в результате получают водород дополнительно к уже имеющемуся в водяном газе: СО+Н 2 О=СО 2 +Н 2
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ
У природных газов отсутствует цвет, запах, вкус.
К основные показателям природных газов относятся: состав, теплота сгорания, плотность, температура горения и воспламенения, границы взрываемости и давление при взрыве.
Природные газы чисто газовых месторождений в основном состоят из метана (82-98 %) и других углеводородов.
В составе горючего газа имеются горючие и негорючие вещества. К горючим газам относятся: углеводороды, водород, сероводород. К негорючим относятся: углекислый газ, кислород, азот и водяной пар. Состав их невысок и составляет 0,1-0,3% С0 2 и 1-14% N 2 . После добычи из газа извлекают токсичный газ сероводород, содержание которого не должно превышать 0,02 г/м3.
Теплота сгорания - это количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 м3 газа. Измеряется теплота сгорания в ккал/м3, кДж/м3 газа. Теплота сгорания сухого природного газа составляет 8000-8500 ккал/м 3 .
Величина рассчитываемая отношением массы вещества к его же объему называется плотностью вещества. Измеряется плотность в кг/м3. Плотность природного газа полностью зависит от его состава и находится в пределах с = 0,73-0,85 кг/м3.
Важнейшей особенностью любого горючего газа является жаропроизводительность, т. е. максимальная температура достигаемая при полном сгорании газа, если необходимое количество воздуха для горения точно соответсвует химическим формулам горения, а изначальная температура газа и воздуха равняется нулю.
Жаропроизводительность природных газов составляет около 2000 -2100 °С, метана - 2043 °С. Действительная температура горения в топках значительно ниже жаропроизводительности и зависит от условий сжигания.
Температурой воспламенения называется температура топливовоздушной смеси, смесь при которой загорается без источника воспламенения. Для природного газа она находится в пределах 645-700 °С.
Все горючие газы являются взрывоопасными, способны воспламеняться при открытом огне или искре. Различают нижний и верхний концентрационный предел распространения пламени , т.е. нижнюю и верхнюю концентрацию при которой возможен взрыв смеси. Нижний предел взрываемости газов составляет 3÷6 %, верхний 12÷16%.
Границы взрываемости .
Газовоздушная смесь, имеющая в составе количество газа:
до 5 % - не горит;
от 5 до 15 % - взрывается;
больше 15 % - горит при подаче воздуха.
Давление при взрыве природного газа составляет 0,8-1,0 МПа.
Все горючие газы способны вызывать отравления организма человека. Основными отравляющими веществами являются: окись углерод (СО), сероводород (H 2 S), аммиак (NH 3).
У природного газа отсутствует запах. Для того чтобы определить утечку газ одоризируют (т.е. придают ему специфический запах). Проведение одоризации осуществляется путем использования этилмеркаптана. Осуществляют одоризацию на газораспределительных станциях (ГРС). При попадании в воздух 1% природного газа начинает ощущаться его запах. Практика показывает, что средняя норма этилмеркаптана для одоризации природного газа, который поступает в городские сети, должна составлять 16 г на 1 000 м3 газа.
По сравнению с твердым и жидким топливом природный газ выигрывает по многим параметрам:
Относительная дешевизна, которая объясняется более легким способом добычи и транспорта;
Отсутствие золы и выноса твердых частиц в атмосферу;
Высокая теплота сгорания;
Не требуется подготовки топлива к сжиганию;
Облегчается труд обслуживающих работников и улучшение санитарно-гигиенических условий его работы;
Облегчаются условия автоматизации рабочих процессов.
Из-за возможных утечек через неплотности в соединениях газопровода и в местах присоединения арматуры использование природного газа требует особой внимательности и осторожности. Проникновение в помещение более 20 % газа может привести к удушью, а при наличии его в закрытом объеме от 5 до 15 % может вызвать взрыв газовоздушной смеси. При неполном сгорании образуется токсичный угарный газ СО, который даже при небольших концентрациях приводит к отравлению обслуживающего персонала.
По своему происхождению природные газы делятся на две группы: сухие и жирные.
Сухие газы относятся к газам минерального происхождения и находятся в районах, связанных с настоящей или прошлой деятельностью вулканов. Сухие газы состоят почти исключительно из одного метана с ничтожным содержанием балластных составляющих (азота, углекислого газа) и имеют теплотворную способность Qн=7000÷9000 ккал/нм3.
Жирные газы сопутствуют нефтяным месторождениям и скапливаются обычно в верхних пластах. По своему происхождению жирные газы близки к нефти и содержат в своем составе много легко конденсирующихся углеводородов. Теплотворная способность жидких газов Qн=8000-15000 ккал/нм3
К преимуществам газообразного топлива следует отнести легкость транспортировки и сжигания, отсутствие золы влаги, значительная простота котельного оборудования.
Наряду с природными газами используются и искусственные горючие газы, получаемые при переработке твердых топлив, или в результате работы промышленных установок как отходящие газы. Искусственные газы состоят из из горючих газов неполного сгорания топлива, балластных газов и водяных паров и разделяются на богатые и бедные, имеющие среднюю теплотворность 4500 ккал/м3 и 1300 ккам3 соответственно. Состав газов: водород, метан, прочие углеводородные соединения CmHn, сероводород H 2 S, негорючие газы, двуокись углерода, кислород, азот и незначительное количество водяных паров. Балласт – азот и двуокись углерода.
Таким образом состав сухого газообразного топлива можно представить как следующую смесь элементов:
СО + Н 2 + ∑CmHn + H 2 S + СO 2 + O 2 + N 2 =100%.
Состав влажного газообразного топлива выражают следующим образом:
СО + Н 2 + ∑CmHn + H 2 S + СO 2 + O 2 + N 2 + Н 2 О=100%.
Теплоту сгорания сухого газообразного топлива кДж/м3 (ккал/м3) на 1 м3 газа при нормальных условиях определяют следующим образом:
Qн= 0,01 ,
Где Qi – теплота сгорания соответствующего газа.
Теплота сгорания газообразного топлива приведена в таблице 3.
Доменный газ образуется при выплавке чугуна в доменных печах. Его выход и химсостав зависят от свойств шихты и топлива, режима работы печи, способов интенсификации процесса и других факторов. Выход газа колеблется в пределах 1500-2500 м 3 на тонну чугуна. Доля негорючих компонентов (N 2 и CO 2) в доменном газе составляет около 70%, что и обуславливает его низкие теплотехнические показатели (низшая теплота сгорания газа равна 3-5 МДж/м 3).
При сжигании доменного газа максимальная температура продуктов сгорания (без учёта тепловых потерь и расхода теплоты на диссоциацию CO 2 и H 2 O) равна 400-1500 0 C. Если перед сжиганием газ и воздух подогреть, то температуру продуктов сгорания можно значительно повысить.
Ферросплавный газ образуется при выплавке ферросплавов в рудовосстановительных печах. Газ, отходящий из закрытых печей, можно использовать в качестве топливных ВЭР (вторичные энергетические ресурсы). В открытых печах в связи со свободным доступом воздуха газ сгорает на колошнике. Выход и состав ферросплавного газа зависит от марки выплавляемого
сплава, состава шихты, режима работы печи, её мощности и т.п. Состав газа: 50-90% CO, 2-8% H 2 , 0,3-1% CH 4 , O 2 <1%, 2-5% CO 2 , остальное N 2 . Максимальная температура продуктов сгорания равна 2080 ^0 C. Запылённость газа составляет 30-40 г/м^3 .
Конвертерный газ образуется при выплавке стали в кислородных конвертерах. Газ состоит в основном из оксида углерода, выход и состав его в течение плавки значительно изменяются. После очистки состав газа примерно таков: 70-80% CO; 15-20% CO 2 ; 0,5-0,8% O 2 ; 3-12% N 2 .Теплота сгорания газа составляет 8,4-9,2 МДж/м 3 . Максимальная температура сгорания достигает 2000 0 С.
Коксовый газ образуется при коксовании угольной шихты. В чёрной металлургии он используется после извлечения химических продуктов. Состав коксового газа зависит от свойств угольной шихты и условий коксования. Объёмные доли компонентов в газе находятся в следующих пределах, %: 52-62H 2 ; 0,3-0,6 O 2 ; 23,5-26,5 CH 4 ; 5,5-7,7 CO; 1,8-2,6 CO 2 . Теплота сгорания равна 17-17,6 МДж/м^3 , максимальная температура продуктов сгорания – 2070 0 С.