Теплота згоряння визначається хімічним складом горючої речовини. Хімічні елементи, що містяться в горючій речовині, позначаються прийнятими символами З , Н , Про , N , S, а зола та вода - символами Аі Wвідповідно.
Енциклопедичний YouTube
-
1 / 5
Теплота згоряння може бути віднесена до робочої маси палива Q P (\displaystyle Q^(P)), тобто до горючої речовини у тому вигляді, в якому вона надходить до споживача; до сухої маси речовини Q C (\displaystyle Q^(C)); до паливної маси речовини Q Γ (\displaystyle Q^(\Gamma )), тобто до горючої речовини, що не містить вологи та золи.
Розрізняють вищу ( Q B (\displaystyle Q_(B))) та нижчу ( Q H (\displaystyle Q_(H))) теплоту згоряння.
Під найвищою теплотою згоряннярозуміють кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні речовини, включаючи теплоту конденсації водяної пари при охолодженні продуктів згоряння.
Нижча теплота згоряннявідповідає тій кількості теплоти, що виділяється при повному згорянні, без урахування теплоти конденсації водяної пари. Теплоту конденсації водяної пари також називають прихованою теплотою пароутворення (конденсації).
Найнижча та вища теплота згоряння пов'язані співвідношенням: Q B = Q H + k (W + 9 H) (\displaystyle Q_(B)=Q_(H)+k(W+9H)),
де k - коефіцієнт, що дорівнює 25 кДж/кг (6 ккал/кг); W - кількість води в пальній речовині, % (за масою); Н - кількість водню в пальній речовині, % (за масою).
Розрахунок теплоти згоряння
Таким чином, найвища теплота згоряння - це кількість теплоти, що виділилася при повному згорянні одиниці маси або об'єму (для газу) паливної речовини та охолодженні продуктів згоряння до температури точки роси. У теплотехнічних розрахунках найвища теплота згоряння приймається як 100%. Прихована теплота згоряння газу - це теплота, що виділяється при конденсації водяної пари, що містяться в продуктах згоряння. Теоретично вона може досягати 11%.
На практиці не вдається охолодити продукти згоряння до повної конденсації, і тому введено поняття нижчої теплоти згоряння (QHp), яку отримують, віднімаючи з вищої теплоти згоряння теплоту пароутворення водяної пари як містяться в речовині, так і при його спалюванні. На пароутворення 1 кг водяної пари витрачається 2514 кДж/кг (600 ккал/кг). Найнижча теплота згоряння визначається за формулами (кДж/кг або 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 твердої речовини)
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 рідкої речовини), де:
2514 - теплота пароутворення при температурі 0 °C та атмосферному тиску, кДж/кг;
H P (\displaystyle H^(P))і W P (\displaystyle W^(P))- вміст водню та водяної пари в робочому паливі, %;
9 - коефіцієнт, що показує, що при згорянні 1 кг водню у поєднанні з киснем утворюється 9 кг води.
Теплота згоряння є найважливішою характеристикою палива, оскільки визначає кількість тепла, одержуваного при спалюванні 1 кг твердого чи рідкого палива чи 1 м³ газоподібного палива кДж/кг (ккал/кг). 1 ккал = 4,1868 чи 4,19 кДж.
Нижча теплота згоряння визначається експериментально кожної речовини і є довідковою величиною. Також її можна визначити для твердих і рідких матеріалів, за відомого елементарного складу, розрахунковим способом відповідно до формули Д. І. Менделєєва, кДж/кг або ккал/кг:
Q H P = 339 ⋅ C P + 1256 ⋅ H P − 109 ⋅ (OP − S L P) − 25.14 ⋅ (9 ⋅ H P + W P) (\displaystyle Q_(H)^(P)=339\cdot C^(P) cdot H^(P)-109\cdot (O^(P)-S_(L)^(P))-25.14\cdot (9\dot H^(P)+W^(P)))
Q H P = 81 ⋅ C P + 246 ⋅ H P − 26 ⋅ (OP + S L P) − 6 ⋅ W P (\displaystyle Q_(H)^(P)=81cdot C^(P)+246\cdot H^(P) -26\cdot (O^(P)+S_(L)^(P))-6\cdot W^(P)), де:
C P (\displaystyle C_(P)), H P (\displaystyle H_(P)), OP (\displaystyle O_(P)), S L P (\displaystyle S_(L)^(P)), W P (\displaystyle W_(P))- вміст у робочій масі палива вуглецю, водню, кисню, летючої сірки та вологи у % (за масою).
Для порівняльних розрахунків використовується так зване Паливо, умовне, що має питому теплоту згоряння, рівну 29308 кДж/кг (7000 ккал/кг).
У Росії її теплові розрахунки (наприклад, розрахунок теплового навантаження визначення категорії приміщення з вибухопожежної і пожежної небезпеки ) зазвичай ведуть за нижчою теплоті згоряння, США, Великобританії, Франції - за вищою. У Великобританії та США до впровадження метричної системи заходів питома теплота згоряння вимірювалася в британських теплових одиницях (BTU) на фунт (lb) (1Btu/lb = 2,326 кДж/кг).
Речовини та матеріали Нижча теплота згоряння Q H P (\displaystyle Q_(H)^(P)), МДж/кг Бензин 41,87 Гас 43,54 Папір: книги, журнали 13,4 Деревина (бруски W = 14%) 13,8 Каучук натуральний 44,73 Лінолеум полівінілхлоридний 14,31 Гума 33,52 Волокно штапельне 13,8 Поліетилен 47,14 Пінополістирол 41,6 Бавовна розпушена 15,7 Пластмаса 41,87 До речовин органічного походження відноситься паливо, яке при горінні виділяє певну кількість теплової енергії. Вироблення тепла має характеризуватись високим ККД та відсутністю побічних явищ, зокрема, речовин, шкідливих для здоров'я людини та навколишнього середовища.
Для зручності завантаження в топку деревний матеріал розрізають на окремі елементи довжиною до 30 см. Щоб підвищити ефективність їх використання, дрова повинні бути максимально сухими, а процес горіння - відносно повільним. За багатьма параметрами для опалення приміщень підходять дрова з таких листяних порід, як дуб і береза, ліщина та ясен, глід. Через високий вміст смоли, підвищену швидкість горіння і низьку теплотворність хвойні дерева в цьому плані значно поступаються.
Слід розуміти, що величину показника теплотворності впливає щільність деревини.
Це природний матеріал рослинного походження, що видобувається з осадової породи.
У такому вигляді твердого палива містяться вуглецю та інші хімічні елементи. Існує розподіл матеріалу на типи залежно від його віку. Наймолодшим вважається буре вугілля, за ним іде кам'яне, а старше всіх інших типів – антрацит. Віком пального речовини визначається і його вологість, яка більшою мірою присутня у молодому матеріалі.
В процесі горіння вугілля відбувається забруднення навколишнього середовища, а на колосниках котла утворюється шлак, що створює певною мірою перешкоду для нормального горіння. Наявність сірки у матеріалі також є несприятливим для атмосфери чинником, оскільки у повітряному просторі цей елемент перетворюється на сірчану кислоту.
Однак, споживачі не повинні побоюватися за своє здоров'я. Виробники цього матеріалу, дбаючи про приватних клієнтів, прагнуть зменшити вміст сірки. Теплота згоряння може відрізнятися навіть у межах одного типу. Різниця залежить від характеристик підвиду та вмісту у ньому мінеральних речовин, а також географії видобутку. Як тверде паливо зустрічається не тільки чисте вугілля, а й низькозбагачений вугільний шлак, пресований в брикети.
Пелетами (паливними гранулами) називається тверде паливо, створене промисловим шляхом із деревних та рослинних відходів: стружки, кори, картону, соломи.
Подрібнена до стану потерті сировина висушується і засипається в гранулятор, звідки виходить у вигляді гранул певної форми. Для додавання масі в'язкості застосовують рослинний полімер – лігнін. Складність виробничого процесу та високий попит формують вартість пелетів. Матеріал використовується у спеціально облаштованих котлах.
Різновиди палива визначаються залежно від того, з якого матеріалу вони перероблені:
- кругляка дерев будь-яких порід;
- соломи;
- торфу;
- соняшникова лушпиння.
Серед переваг, які мають паливні гранули, варто відзначити такі якості:
- екологічність;
- нездатність до деформації та стійкість до грибка;
- зручність зберігання навіть просто неба;
- рівномірність та тривалість горіння;
- щодо невисока вартість;
- можливість використання для різних опалювальних приладів;
- відповідний розмір гранул для автоматичного завантаження спеціально обладнаний котел.
Брикети
Брикетами називається тверде паливо, багато в чому схоже з пелетами. Для їх виготовлення використовуються ідентичні матеріали: тріска, стружка, торф, лушпиння та солома. Під час виробничого процесу сировина подрібнюється та за рахунок стиснення формується у брикети. Цей матеріал відноситься до екологічно чистого палива. Його зручно зберігати навіть на свіжому повітрі. Плавне, рівномірне та повільне горіння цього палива можна спостерігати як у камінах та печах, так і в опалювальних котлах.
Розглянуті вище різновиди екологічного твердого палива є гарною альтернативою для отримання тепла. Порівняно з викопними джерелами теплової енергії, що неблаготворно впливають при горінні на навколишнє середовище і є, крім того, не відновлюваними, альтернативне паливо має явні переваги та відносно невисоку вартість, що є важливим для споживачів деяких категорій.
У той же час пожежна небезпека таких видів палива значно вища. Тому потрібно вжити деяких заходів безпеки щодо їх зберігання та використання вогнестійких матеріалів для стін.
Рідке та газоподібне паливо
Що стосується рідких та газоподібних горючих речовин, то ситуація тут така.
Щодня включаючи пальник на кухонній плиті, мало хто замислюється над тим, наскільки давно почали видобувати газ. У нашій країні його розробка було розпочато у ХХ столітті. Перед цим його просто знаходили при добуванні нафтопродуктів. Теплотворна здатність природного газу настільки велика, що сьогодні ця сировина просто незамінна, а її якісні аналоги ще не розроблені.
Таблиця теплотворності допоможе підібрати паливо для опалення будинку
Особливість пального викопного
Природний газ - це важлива палива, що займає провідні позиції в паливно-енергетичних балансах багатьох держав. З метою постачання паливом міста та всіляких технічних підприємств споживають різний горючий газ, оскільки природний вважається небезпечним.
Екологи вважають, що газ - це чисте паливо, при згорянні він випускає набагато менше отруйних речовин, ніж дрова, вугілля, нафту. Це паливо щодня використовується людьми і містить таку добавку, як одорант, її додавання відбувається на обладнаних установках у співвідношенні 16 міліграм на 1 тисячу кубометрів газу.
Важливою складовою є метан (приблизно 88-96%), решта - це інші хімічні речовини:
- бутан;
- сірководень;
- пропан;
- азот;
- кисень.
У цьому відео розглянемо роль вугілля:
Кількість метану в природному паливі залежить від його родовища.
Описуваний вид палива складається з вуглеводневих та невуглеводневих компонентів. Природне пальне викопне - це насамперед метан, що включає в себе бутан і пропан. Крім вуглеводневі компоненти, в описуваному паливному копалині є азот, сірка, гелій і аргон. А також зустрічаються рідкі пари, але лише у газонафтових родовищах.
Види покладів
Зазначається наявність кількох різновидів покладів газу. Вони поділяються на такі види:
- газові;
- нафтові.
Їхньою відмінністю є вміст вуглеводню. У газових покладах міститься приблизно 85-90% представленої речовини, у нафтових родовищах міститься не більше ніж 50%. Інші відсотки займають такі речовини, як бутан, пропан і нафту.
Величезним недоліком нафтового зародження вважається його промивання від різноманітних добавок. Сірка як домішка експлуатується на технічних підприємствах.
Споживання природного газу
Бутан споживається як паливо на заправках для машин, а органічна речовина, що має назву «пропан», застосовують для заправки запальничок. Ацетилен є високогорючою речовиною і використовується при зварюванні та при різанні металу.
Пальне викопне застосовується в побуті:
- колонки;
- газова плита;
Таке паливо вважається найбільш бюджетним і нешкідливим, єдиним мінусом є викид вуглекислого газу при спалюванні в атмосферу. Вчені усієї планети шукають заміну теплової енергії.
Теплотворна здатність
Теплотворною здатністю газу називається величина тепла, що утворюється при достатньому вигорянні одиниці величини палива. Кількість теплоти, що виділяється під час згоряння, відносять до одного кубічного метра, взятого в природних умовах.
Теплова здатність природного газу вимірюється у таких показниках:
- ккал/нм 3;
- ккал/м3.
Існує висока та низька теплотворна здатність:
- Висока. Розглядає теплоту водяної пари, що виникає при спалюванні палива.
- Низька. Не враховує тепло, що міститься у водяних парах, оскільки такі пари не піддаються конденсації, а йдуть із продуктами горіння. Через скупчення водяної пари утворює кількість тепла, що дорівнює 540 ккал/кг. До того ж при охолодженні конденсату виходить тепло від 80 до 100 ккал/кг. Загалом, за рахунок накопичення водяної пари утворюється більше 600 ккал/кг, це і є відмінною рисою між високою та низькою теплопродуктивністю.
Для переважної більшості газів, що споживаються у міській системі розподілу палива, різниця дорівнює 10%. Для того щоб забезпечити міста газом, його теплотворність має бути більшою за 3500 ккал/нм 3 . Пояснюється це тим, що подача здійснюється трубопроводом на великі відстані. Якщо теплотворність мала, його подача збільшується.
Якщо теплотворність газу менше 3500 ккал/нм 3, його частіше застосовують у промисловості. Його не потрібно переправляти на довгі відрізки шляху, і здійснити горіння набагато легше. Серйозні зміни теплотворної здатності газу потребують частого регулювання, а часом і заміни великої кількості стандартизованих пальників побутових датчиків, що призводить до труднощів.
Така ситуація призводить до збільшення діаметрів газопроводу, а також збільшуються витрати на метал, прокладання мереж та експлуатацію. Великим недоліком низькокалорійних горючих копалин є величезний вміст чадного газу, у зв'язку з цим збільшується рівень загрози при експлуатації палива та техобслуговуванні трубопроводу, у свою чергу, як і обладнання.
Тепло, що виділяється при горінні, не перевищує 3500 ккал/нм 3 , найчастіше застосовують у промисловому виробництві, де не доводиться перекидати його на велику довжину і легко утворювати згоряння.
5.ТЕПЛОВИЙ БАЛАНС ГОРІННЯ
Розглянемо методи розрахунку теплового балансу процесу горіння газоподібних, рідких та твердих палив. Розрахунок зводиться до вирішення наступних завдань.
· Визначення теплоти горіння (теплотворної спроможності) палива.
· Визначення теоретичної температури горіння.
5.1. ТЕПЛОТА ГОРІННЯ
Хімічні реакції супроводжуються виділенням чи поглинанням теплоти. При виділенні теплоти реакція називається екзотермічною, а при поглинанні – ендотермічною. Всі реакції горіння є екзотермічними, а продукти горіння належать до екзотермічних сполук.
Тепло, що виділяється (або поглинається) при протіканні хімічної реакції, називається теплотою реакції. В екзотермічних реакціях вона є позитивною, в ендотермічних – негативною. Реакція горіння завжди супроводжується виділенням теплоти. Теплотою горіння Q г(Дж/моль) називається кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні одного моля речовини та перетворенні паливної речовини на продукти повного горіння. Моль є основною одиницею кількості речовини у системі СІ. Один моль - це така кількість речовини, в якій знаходиться стільки ж частинок (атомів, молекул і т.д.), скільки міститься атомів в 12 г ізотопу вуглецю-12. Маса кількості речовини, що дорівнює 1 молю (молекулярна або молярна маса) чисельно збігається з відносною молекулярною масою даної речовини.
Наприклад, відносна молекулярна маса кисню (O 2) дорівнює 32, вуглекислого газу (CO 2) дорівнює 44, а відповідні молекулярні маси дорівнюють M =32 г/моль і M =44 г/моль. Таким чином, в одному молі кисню міститься 32 грами цієї речовини, а в одному молі CO 2 міститься 44 грами вуглекислого газу.
У технічних розрахунках найчастіше використовується не теплота горіння Q г, а теплотворна здатність палива Q(Дж/кг чи Дж/м 3). Теплотворною здатністю речовини називається кількість теплоти, що виділяється за повного згоряння 1 кг або 1 м 3 речовини. Для рідких та твердих речовин розрахунок проводиться на 1 кг, а для газоподібних – на 1 м3.
Знання теплоти горіння та теплотворної здатності палива необхідне розрахунку температури горіння чи вибуху, тиску під час вибуху, швидкості поширення полум'я та інших характеристик. QТеплотворна здатність палива визначається або експериментальним або розрахунковим способами. При експериментальному визначенні теплотворної здатності задана маса твердого або рідкого палива спалюється у калориметричній бомбі, а у разі газоподібного палива – у газовому калориметрі. За допомогою цих приладів вимірюється сумарна теплота 0 , що виділяється при згорянні навішування палива масою m . Величина теплотворної здатності Q г
знаходиться за формулою
Зв'язок між теплотою горіння татеплотворною здатністю палива
Для встановлення зв'язку між теплотою горіння та теплотворною здатністю речовини необхідно записати рівняння хімічної реакції горіння.
Продуктом повного горіння вуглецю є діоксид вуглецю:
С+О 2 →СО 2 .
Продуктом повного горіння водню є вода:
2Н 2 +О 2 →2Н 2 О.
Продуктом повного горіння сірки є діоксид сірки:
S +О 2 →SO 2 .
При цьому виділяються у вільному вигляді азот, галоїди та інші негорючі елементи.
Горюча речовина – газ . Величина теплотворної здатності=882.6 .
Як приклад проведемо розрахунок теплотворної здатності метану CH 4 для якого теплота горіння дорівнює
· Визначимо молекулярну масу метану відповідно до його хімічної формули (СН 4):
М=1∙12+4∙1=16 г/моль.
· Визначимо теплотворну здатність 1 кг метану:
.· Знайдемо об'єм 1 кг метану, знаючи його щільність ρ=0.717 кг/м 3 за нормальних умов:
· Визначимо теплотворну здатність 1 м 3 метану: QАналогічно визначається теплотворна здатність будь-яких горючих газів. Для багатьох поширених речовин значення теплоти горіння та теплотворної здатності були виміряні з високою точністю та наведені у відповідній довідковій літературі. Наведемо таблицю значень теплотворної спроможності деяких газоподібних речовин (табл. 5.1). Величина
у цій таблиці наведена в МДж/м 3 і ккал/м 3 , оскільки часто як одиниця теплоти використовується 1 ккал = 4.1868 кДж.
Таблиця 5.1
Теплотворна здатність газоподібних палив
Речовина
Q
Ацетилен
Як приклад проведемо розрахунок теплотворної здатності етилового спирту З 2 Н 5 ОН, для якого теплота горіння . Величина теплотворної здатності= 1373.3 кДж/моль.
· Визначимо молекулярну масу етилового спирту відповідно до його хімічної формули (С 2 Н 5 ОН):
М = 2∙12 + 5∙1 + 1∙16 + 1∙1 = 46 г/моль.
· Визначимо теплотворну здатність 1 кг етилового спирту:
Аналогічно визначається теплотворна здатність будь-яких рідких та твердих горючих. У табл. 5.2 та 5.3 наведено значення теплотворної здатності Q(МДж/кг та ккал/кг) для деяких рідких та твердих речовин.
Таблиця 5.2
Теплотворна здатність рідких палив
Теплотворна здатність газоподібних палив
Метиловий спирт
Етиловий спирт
Мазут, нафта
Q
Таблиця 5.3
Теплотворна здатність твердих палив
Теплотворна здатність газоподібних палив
Дерево свіже
Дерево сухе
Буре вугілля
Торф сухий
Антрацит, кокс
Q
Формула Менделєєва
Якщо теплотворна здатність палива невідома, її можна розрахувати за допомогою емпіричної формули, запропонованої Д.І.
Менделєєвим. Для цього необхідно знати елементарний склад палива (еквівалентну формулу палива), тобто відсотковий вміст у ньому наступних елементів:
Кисню (О);
Гідрогену (Н);
Вуглецю (С);
Сірки (S);
Золи (А);
Води (W).
У продуктах згоряння палив завжди містяться пари води, що утворюються через наявність вологи в паливі, так і при згорянні водню. Відпрацьовані продукти згоряння залишають промислову установку при температурі вище за температуру точки роси. Тому тепло, яке виділяється при конденсації водяної пари, не може бути корисно використане і не повинно враховуватися при теплових розрахунках. Для розрахунку зазвичай застосовується нижча теплотворна здатність Q н палива, яке враховує теплові втрати з парами води. Для твердих та рідких палив величина Q н
палива, яке враховує теплові втрати з парами води. Для твердих та рідких палив величина=0.339+1.025+0.1085 – 0.1085 – 0.025, (5.1)
(МДж/кг) приблизно визначається за формулою Менделєєва:
де у дужках зазначено відсоткове (мас. %) вміст відповідних елементів у складі палива.
У цій формулі враховується теплота екзотермічних реакцій горіння вуглецю, водню та сірки (зі знаком «плюс»). Кисень, що входить до складу палива, частково заміщає кисень повітря, тому відповідний член у формулі (5.1) береться зі знаком мінус. При випаровуванні вологи теплота витрачається, тому відповідний член, що містить W, береться також зі знаком мінус.
Порівняння розрахункових та дослідних даних по теплотворній здатності різних палив (дерево, торф, вугілля, нафта) показало, що розрахунок за формулою Менделєєва (5.1) дає похибку, що не перевищує 10%. палива, яке враховує теплові втрати з парами води. Для твердих та рідких палив величина(МДж/м 3) сухих горючих газів з достатньою точністю може бути розрахована як сума творів теплотворної здатності окремих компонентів та їх відсоткового вмісту 1 м 3 газоподібного палива.
палива, яке враховує теплові втрати з парами води. Для твердих та рідких палив величина= 0.108[Н 2 ] + 0.126[З] + 0.358[СН 4 ] + 0.5[З 2 Н 2 ] + 0.234[Н 2 S ]…, (5.2)
де у дужках зазначено відсоткове (об'єм. %) вміст відповідних газів у складі суміші.
У середньому теплотворна здатність газу становить приблизно 53.6 МДж/м 3 . У штучно одержуваних горючих газах вміст метану СН 4 незначний. Основними горючими складовими є водень Н 2 і оксид вуглецю. У коксувальному газі, наприклад, вміст Н 2 доходить до (55 60)%, а нижча теплотворна здатність такого газу досягає 17.6 МДж/м 3 . У генераторному газі вміст СО ~ 30% та Н 2 ~15%, при цьому нижча теплотворна здатність генераторного газу палива, яке враховує теплові втрати з парами води. Для твердих та рідких палив величина= (5.2÷6.5) МДж/м 3 . У доменному газі вміст СО та Н 2 менше; величина палива, яке враховує теплові втрати з парами води. Для твердих та рідких палив величина= (4.0÷4.2) МДж/м 3 .
Розглянемо приклади розрахунку теплотворної здатності речовин за формулою Менделєєва.
Визначимо теплотворну здатність вугілля, елементний склад якого наведено у табл. 5.4.
Таблиця 5.4
Елементний склад вугілля
· Підставимо наведені в табл. 5.4 дані у формулу Менделєєва (5.1) (азот N і зола A до цієї формули не входять, оскільки є інертними речовинами і не беруть участь у реакції горіння):
палива, яке враховує теплові втрати з парами води. Для твердих та рідких палив величина=0.339∙37.2+1.025∙2.6+0.1085∙0.6–0.1085∙12–0.025∙40=13.04 МДж/кг.
Визначимо кількість дров, необхідну для нагрівання 50 літрів води від 10°С до 100°С, якщо на нагрівання витрачається 5% теплоти, що виділяється при горінні, а теплоємність води з=1 ккал/(кг∙град) або 4.1868 кДж/(кг∙град). Елементний склад дров наведено у табл. 5.5:
Таблиця 5.5
Елементний склад дров
· Знайдемо теплотворну здатність дров за формулою Менделєєва (5.1):
палива, яке враховує теплові втрати з парами води. Для твердих та рідких палив величина=0.339∙43+1.025∙7–0.1085∙41–0.025∙7= 17.12 МДж/кг.
· Визначимо кількість теплоти, що витрачається на нагрівання води, при згорянні 1 кг дров (з урахуванням того, що на її нагрівання витрачається 5% теплоти (a = 0.05), що виділяється при горінні):
Q 2 =a палива, яке враховує теплові втрати з парами води. Для твердих та рідких палив величина= 0.05 · 17.12 = 0.86 МДж / кг.
· Визначимо кількість дров, необхідне для нагрівання 50 літрів води від 10 ° С до 100 ° С:
кг.Таким чином, для нагрівання води потрібно близько 22 кг дров.
Газове паливо ділиться на природне і штучне і є сумішшю горючих і негорючих газів, що містить деяку кількість водяної пари, а іноді пилу і смоли. Кількість газового палива виражають у кубічних метрах за нормальних умов (760 мм рт. ст. та 0°С), а склад – у відсотках за обсягом. Під складом палива розуміють склад його сухої газоподібної частини.
Природне газове паливо
Найбільш поширене газове паливо - це природний газ, що має високу теплоту згоряння. Основою газу є метан, вміст якого 76,7-98%. Інші газоподібні сполуки вуглеводнів входять до складу газу від 0,1 до 4,5%.
Зріджений газ продукт переробки нафти - складається в основному із суміші пропану та бутану.
Природний газ (CNG, NG): метан CH4 більше 90%, етан C2 H5 менше 4%, пропан C3 H8 менше 1%
Зріджений газ (LPG): пропан C3 H8 більше 65%, бутан C4 H10 менше 35%
До складу горючих газів входять: водень Н 2 метан СН 4 Інші вуглеводневі сполуки С m Н n сірководень Н 2 S і негорючі гази двоокис вуглецю СО2 кисень О 2 азот N 2 і незначна кількість водяних парів Н 2 О. Індекси mі ппри С і Н характеризують сполуки різних вуглеводнів, наприклад, для метану СН 4 т = 1 та n= 4, для етану З 2 Н б т = 2і n= б і т.д.
Склад сухого газоподібного палива (у відсотках за обсягом):
СО + Н 2 + 2 С m Н n + Н 2 S + СО 2 + O 2 + N 2 = 100%.Негорючу частину сухого газового палива - баласт - складають азот N і двоокис вуглецю 2 .
Склад вологого газоподібного палива виражають так:
СО + Н 2 + Σ З m Н n + Н 2 S + СО 2 + O 2 + N 2 + Н 2 О = 100%.
Теплоту згоряння, кДж/м (ккал/м 3), 1 м 3 чистого сухого газу за нормальних умов визначають наступним чином:
Q н з = 0,01,
де Qсо, Q н 2 Q з m н n Q н 2 s. - теплота згоряння окремих газів, що входять до складу суміші, кДж/м3 (ккал/м3); СО, Н 2 , Cm Н n , Н 2 S - компоненти, що становлять газову суміш, % за обсягом.
Теплота згоряння 1 м3 сухого газу за нормальних умов більшості вітчизняних родовищ становить 33,29 - 35,87 МДж/м3 (7946 - 8560 ккал/м3). Характеристика газоподібного палива наведено у таблиці 1.
приклад.Визначити нижчу теплоту згоряння природного газу (за нормальних умов) наступного складу:
Н2S = 1%; СН 4 = 76,7%; 2 Н 6 = 4,5%; З 3 Н 8 = 1,7%; 4 Н 10 = 0,8%; З 5 Н 12 = 0,6%.
Підставляючи у формулу (26) характеристики газів з таблиці 1, отримаємо:
Q нс = 0,01 = 33 981 кДж/м 3 або
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 .
Таблиця 1. Характеристика газоподібного палива
Газ
Позначення
Теплота спалювання Q н з
КДж/м3
Ккал/м3
Водень Н, 10820 2579 Окис вуглецю СО 12640 3018 Сірководень Н 2 S 23450 5585 Метан СН 4 35850 8555 Етан З 2 Н 6 63 850 15226 Пропан З 3 Н 8 91300 21795 Бутан З 4 Н 10 118700 22338 Пентан З 5 Н 12 146200 34890 Етилен З 2 Н 4 59200 14107 Пропілен З 3 Н 6 85980 20541 Бутілен З 4 Н 8 113 400 27111 Бензол З 6 Н 6 140400 33528 Котли типу ДЕ споживають від 71 до 75 м3 газу на отримання однієї тонни пари. Вартість газу у Росії на вересень 2008р. складає 2,44 рубля за кубометр. Отже, тонна пари коштуватиме 71×2,44 = 173 руб 24 коп. Реальна вартість тонни пари на заводах становить для котлів ДЕ не менше 189 рублів за тонну пари.
Котли типу ДКВР споживають від 103 до 118 м3 газу на отримання однієї тонни пари. Мінімальна розрахункова вартість тонни пари цих котлів становить 103 × 2,44 = 251 крб 32 коп. Реальна вартість пари по заводах становить щонайменше 290 рублів за тонну.
Як розрахувати максимальну витрату природного газу на паровий котел ДЕ-25? Це технічна характеристика казана. 1840 кубиків на годину. Але можна розрахувати. 25 тонн (25 тис кг) треба помножити на різницю ентальпій пари та води (666,9-105) і все це розділити на к.п.д котла 92,8% та теплоту згоряння газу. 8300. і все
Штучне газове паливо
Штучні гази є паливом місцевого значення, оскільки мають значно меншу теплоту згоряння. Основними горючими елементами є окис вуглецю СО і водень Н2. Ці гази використовують у межах того виробництва, де вони виходять як паливо технологічних та енергетичних установок.
Усі природні та штучні горючі гази є вибухонебезпечними, здатні спалахувати на відкритому вогні або іскрі. Розрізняють нижню і верхню межу вибуху газу, тобто. найбільшу та найменшу відсоткову його концентрацію у повітрі. Нижня межа вибуху природних газів коливається від 3% до 6%, а верхня - від 12% до 16%. Усі горючі гази здатні викликати отруєння організму людини. Основними отруйними речовинами горючих газів є: окис вуглецю, Сірководень H2S, аміак NH3.
Природні горючі гази, і штучні безбарвні (невидимі), немає запаху, що робить їх небезпечними під час проникнення у внутрішнє приміщення котельні через нещільності газопровідної арматури. Щоб уникнути отруєння, горючі гази слід обробляти одорантом - речовиною з неприємним запахом.
Одержання окису вуглецю СО у промисловості газифікацією твердого палива
Для промислових цілей окис вуглецю отримують шляхом газифікації твердого палива, тобто перетворення його на газоподібне паливо. Так можна отримати окис вуглецю з будь-якого твердого палива - викопного вугілля, торфу, дров і т.д.
Процес газифікації твердого палива показано на лабораторному досвіді (рис.1).
Заповнивши тугоплавку трубку шматочками деревного вугілля, сильно нагріємо її і пропускатимемо кисень з газометра. Гази, що виходять з трубки, пропустимо через промивалку з вапняною водою і потім підпалимо. Вапняна вода мутиться, газ горить синюватим полум'ям. Це вказує на наявність двоокису СО2 та окису вуглецю у продуктах реакції. Утворення цих речовин можна пояснити тим, що при зіткненні кисню з розпеченим вугіллям останній спочатку окислюється двоокис вуглецю:
З + Про 2 = СО 2 Потім, проходячи через розжарене вугілля, вуглекислий газ частково відновлюється до окису вуглецю:
СО 2 + С = 2СО
Мал. 1. Отримання оксиду вуглецю (лабораторний досвід).
У промислових умовах газифікацію твердого палива здійснюють у печах, які називають газогенераторами.
Суміш газів, що утворюється, називається генераторним газом. Пристрій генератора газу показано малюнку. Він є сталевим циліндром висотою близько 5м та діаметром приблизно 3,5м,
футерований усередині вогнетривкою цеглою. Зверху газогенератор завантажується паливом; знизу через колосникову решітку вентилятором подається повітря або водяна пара.
Кисень повітря реагує з вуглецем палива, утворюючи вуглекислий газ, який піднімаючись вгору через шар розжареного палива, відновлюється вуглецем до окису вуглецю.
Якщо в генератор вдувати тільки повітря, то виходить газ, який у своєму складі містить окис вуглецю та азот повітря (а також деяку кількість 2 та інших домішок) . Такий генераторний газ називається повітряним газом. Якщо ж у генератор з розпеченим вугіллям вдувати водяну пару, то в результаті реакції утворюються окис вуглецю і водень:
Ця суміш газів називається водяним газом. Водяний газ має більш високу теплотворну здатність, ніж повітряний, тому що до його складу поряд з окисом вуглецю входить і другий горючий газ - водень.
Водяний газ (синтез газ), один із продуктів газифікації палив. Водяний газ складається головним чином із СО (40%) та Н2 (50%).
Водяний газ - це паливо (теплота згоряння 10500 кДж/м3, або 2730 ккал/мг) і одночасно сировина для синтезу метилового спирту. Водяний газ, однак, не можна отримувати тривалий час, тому що реакція утворення його ендотермічна (з поглинанням теплоти), і тому паливо в генераторі остигає. Щоб підтримувати вугілля в розжареному стані, вдування водяної пари в генератор чергують із вдуванням повітря, кисень якого, як відомо, реагує з паливом із виділенням тепла.
Останнім часом для газифікації палива почали широко застосовувати парокисневе дуття. Одночасне продування через шар палива водяної пари та кисню дозволяє вести процес безперервно, значно підвищувати продуктивність генератора та отримувати газ з високим вмістом водню та окису вуглецю.
Сучасні газогенератори – це потужні апарати безперервної дії.
Щоб при подачі палива до газогенератора горючі та отруйні гази не проникали в атмосферу, завантажувальний барабан роблять подвійним. Коли паливо надходить в одне відділення барабана, з іншого відділення паливо висипається в генератор; при обертанні барабана ці процеси повторюються, генератор весь час залишається ізольованим від атмосфери. Рівномірне розподілення палива в генераторі здійснюється за допомогою конуса, який може встановлюватися на різній висоті. Коли його опускають, вугілля лягає ближче до центру генератора, коли піднімають конус, вугілля відкидається ближче до стінок генератора.
Великий російський учений Д. І. Менделєєв (1834-1907) вперше висловив ідею у тому, що газифікацію кам'яного вугілля можна проводити безпосередньо під землею, не піднімаючи його назовні. Царський уряд не оцінив цієї пропозиції Менделєєва.
Ідею підземної газифікації палко підтримав В. І. Ленін. Він назвав її однією з великих перемог техніки. Підземну газифікацію здійснила вперше Радянська держава. Вже до Великої Вітчизняної війни у Радянському Союзі працювали підземні генератори у Донецькому та Підмосковному вугільних басейнах.
Уявлення про один із способів підземної газифікації дає рисунок 3. У вугільний пласт прокладають дві свердловини, які з'єднують внизу каналом. Вугілля підпалюють у такому каналі біля однієї зі свердловин і подають туди дмухання. Продукти горіння, рухаючись каналом, взаємодіють з розпеченим вугіллям, у результаті утворюється горючий газ як і звичайному генераторі. Газ виходить на поверхню через другу свердловину.
Генераторний газ широко застосовується для обігріву промислових печей - металургійних, коксових та як паливо в автомобілях (рис. 4).
Мал. 3. Схема підземної газифікації кам'яного вугілля.
З водню та окису вуглецю водяного газу синтезують ряд органічних продуктів, наприклад рідке паливо. Синтетичне рідке паливо - пальне (в основному бензин), одержуване синтезом з окису вуглецю та водню при 150-170 гр Цельсія та тиск 0,7 - 20 МН/м2 (200 кгс/см2), у присутності каталізатора (нікель, залізо, кобальт ). Перше виробництво синтетичного рідкого палива організовано у Німеччині під час 2-ї Світової війни у зв'язку з нестачею нафти. Широкого поширення синтетичне рідке паливо не набуло через його високу вартість. Водяний газ використовують із виробництва водню. Для цього водяний газ у суміші з водяною парою нагрівають у присутності каталізатора і в результаті отримують водень додатково до наявного у водяному газі: СО+Н 2 Про=СО 2 +Н 2