Какво е гориво?

Това е един компонент или смес от вещества, които са способни на химични трансформации, свързани с отделянето на топлина. Различни видовегоривата се отличават с количественото съдържание на окислител в тях, който се използва за отделяне на топлинна енергия.

V широк смисългоривото е енергиен носител, тоест потенциален вид потенциална енергия.

Класификация

Понастоящем видовете горива се подразделят според агрегатното им състояние на течни, твърди и газообразни.

До твърдо естествени видовевключват камък и дърва за огрев, антрацит. Брикети, кокс, термоантрацит са видове изкуствено твърдо гориво.

Веществата, които съдържат вещества от органичен произход, се класифицират като течности. Основните им компоненти са: кислород, въглерод, азот, водород, сяра. Изкуственото течно гориво ще бъде разнообразие от смоли, мазут.

Това е смес от различни газове: етилен, метан, пропан, бутан. В допълнение към тях, газообразното гориво съдържа въглероден диоксид и въглероден окис, сероводород, азот, водна пара, кислород.

Индикатори за гориво

Основният индикатор за изгаряне. Формула за определяне калорична стойностразглеждат в термохимията. разпредели " еквивалентно гориво“, което предполага топлината на изгаряне на 1 килограм антрацит.

Битовото гориво за отопление е предназначено за изгаряне в отоплителни устройства с ниска мощност, които се намират в жилищни помещения, топлинни генератори, използвани в селско стопанствоза сушене на фураж, консервиране.

Специфичната топлина на изгаряне на горивото е такава стойност, която показва количеството топлина, което се образува при пълно изгаряне на гориво с обем 1 m 3 или маса от един килограм.

За да измерите тази стойност, използвайте J / kg, J / m 3, калория / m 3. Калориметрията се използва за определяне на калоричността.

При увеличаване специфична топлинаизгаряне на гориво, специфичният разход на гориво намалява и кое полезно действиеостава непроменен.

Топлината на изгаряне на веществата е количеството енергия, освободено при окисляването на твърдо, течно, газообразно вещество.

Определя се от химичния състав, както и от агрегатното състояние на горимото вещество.

Характеристики на продуктите от горенето

Най-високата и най-ниската топлина на горене се свързва със състоянието на агрегатиране на водата в веществата, получени след изгаряне на горивото.

Най-високата калоричност е количеството топлина, отделяно при пълното изгаряне на дадено вещество. Тази стойност включва и топлината на кондензация на водната пара.

Най-ниската работна топлина на горене е стойността, която съответства на отделянето на топлина по време на горене, без да се отчита топлината на кондензация на водната пара.

Латентната топлина на кондензация е стойността на енергията на кондензацията на водната пара.

Математическа връзка

Най-високите и най-ниските калорични стойности са свързани със следната връзка:

Q B = Q H + k (W + 9H)

където W е тегловното количество (в %) вода в горимо вещество;

H е количеството водород (масови %) в горимото вещество;

k е коефициент 6 kcal / kg

Методи за изчисление

Най-високата и най-ниската топлина на горене се определя по два основни метода: изчислен и експериментален.

Калориметрите се използват за извършване на експериментални изчисления. Първо в него се изгаря проба гориво. Топлината, която ще се отдели в този случай, се абсорбира напълно от водата. Имайки представа за масата на водата, е възможно да се определи чрез промяната в нейната температура, стойността на нейната топлина на изгаряне.

Тази техника се счита за проста и ефективна, тя предполага само притежаването на информация за данните от техническия анализ.

В метода на изчисление най-високата и най-ниската топлина на горене се изчисляват по формулата на Менделеев.

Q p H = 339C p + 1030H p -109 (O p -S p) - 25 W p (kJ / kg)

Той отчита съдържанието на въглерод, кислород, водород, водна пара, сяра в работния състав (в проценти). Количеството топлина по време на горенето се определя, като се вземе предвид еталонното гориво.

Топлината на изгаряне на газ позволява да се направят предварителни изчисления и да се определи ефективността на използването на определен вид гориво.

Характеристики на произхода

За да разберем колко топлина се отделя при изгарянето на определено гориво, е необходимо да имаме представа за неговия произход.

В природата има различни вариантитвърди горива, които се различават по състав и свойства.

Формирането му се извършва на няколко етапа. Първо се образува торф, след това се получават кафяви и битуминозни въглища, след това се образува антрацит. Основните източници на образуване на твърдо гориво са листата, дървесината и боровите иглички. Отмирайки, части от растенията, когато са изложени на въздух, се унищожават от гъбички и образуват торф. Натрупването му се превръща в кафява маса, след което се получава кафяв газ.

В високо наляганеи температура, кафявият газ се превръща във въглища, след което горивото се натрупва под формата на антрацит.

Освен органична материя, в горивото има допълнителен баласт. Частта, която е образувана от органична материя: водород, въглерод, азот, кислород. В допълнение към тези химични елементи, той съдържа баласт: влага, пепел.

Технологията на пещта предполага освобождаването на работна, суха и горима маса от изгорено гориво. Работната маса се нарича гориво в оригиналната му форма, доставена на потребителя. Сухата маса е състав, който не съдържа вода.

Състав

Най-ценните компоненти са въглеродът и водородът.

Тези елементи се намират във всеки вид гориво. В торфа и дървесината процентът на въглерода достига 58 процента, в битуминозните и кафявите въглища - 80%, а в антрацита достига 95 процента от теглото. В зависимост от този индикатор се променя количеството топлина, отделена по време на изгарянето на горивото. Водородът е вторият най-важен елемент във всяко гориво. Свързвайки се с кислорода, той образува влага, което значително намалява топлинната стойност на всяко гориво.

Процентът му варира от 3,8 в нефтени шисти до 11 в мазут. Кислородът, който е част от горивото, действа като баласт.

Не генерира топлина химичен елемент, следователно, се отразява негативно на стойността на топлината от неговото изгаряне. Изгаряне на азот, съдържащ се в свободни или обвързана формав продуктите на горенето се счита за вредни примеси, поради което количеството му е ясно ограничено.

Сярата е включена в горивото под формата на сулфати, сулфиди, а също и като серни газове. Когато се хидратират, серните оксиди образуват сярна киселина, която разрушава котелно оборудване, влияе негативно върху растителността и живите организми.

Ето защо сярата е онзи химичен елемент, чието присъствие в естествено горивое силно нежелателно. Ако попадне в работното помещение, серните съединения причиняват значително отравяне на обслужващия персонал.

Има три вида пепел, в зависимост от нейния произход:

• първичен;
• втори;
• третичен.

Първичният вид се образува от минерали, които се намират в растенията. Вторичната пепел се образува в резултат на навлизането на растителни остатъци от пясък и пръст по време на образуването.

Третичната пепел е включена в състава на горивото по време на добив, съхранение и транспорт. При значително отлагане на пепел се наблюдава намаляване на топлопреминаването върху нагревателната повърхност на котелния агрегат и количеството топлопредаване на водата от газове намалява. Страхотно количествопепелта влияе негативно върху работата на котела.

Накрая

Значителен ефект върху горивния процес на всеки вид гориво оказва летливи вещества... Колкото по-голяма е тяхната мощност, толкова по-голям ще бъде обемът на фронта на пламъка. Например, въглища, торф, лесно се запалват, процесът е придружен от незначителни топлинни загуби. Коксът, който остава след отстраняването на летливите примеси, съдържа само минерални и въглеродни съединения. В зависимост от характеристиките на горивото количеството топлина варира значително.

В зависимост от химичния състав има три етапа на образуване на твърдо гориво: торф, кафяви въглища, въглища.

Естествената дървесина се използва в малки котелни инсталации. Използват основно чипс, дървени стърготини, плочи, кора, а самите дърва за огрев се използват в малки количества. В зависимост от вида на дървесината, количеството отделена топлина варира значително.

С намаляването на топлината на изгаряне дървата за огрев придобиват определени предимства: бърза запалимост, минимално съдържание на пепел и липса на следи от сяра.

Надеждната информация за състава на естествените или синтетичните горива, тяхната калоричност е отличен начин за извършване на термохимични изчисления.

В момента има реална възможност да се идентифицират онези основни опции за твърди, газообразни, течни горива, които ще станат най-ефективните и евтини за използване в конкретна ситуация.

Газовото гориво се разделя на естествено и изкуствено и представлява смес от горими и негорими газове, съдържащи определено количество водна пара, а понякога и прах и катран. количество газово горивоизразено в кубични метри при нормални условия (760 mm Hg и 0 ° C), и съставът като обемен процент. Съставът на горивото се разбира като състава на неговата суха газообразна част.

Природен газ гориво

Най-разпространеното газово гориво е природният газ, който има висока калоричност. Основата на природния газ е метанът, чието съдържание е 76,7-98%. Други газообразни въглеводородни съединения са включени в състава на природния газ от 0,1 до 4,5%.

Втечнен газрафиниран нефтопродукт - състои се предимно от смес от пропан и бутан.

Природен газ (CNG, NG): метан CH4 над 90%, етан C2 H5 по-малко от 4%, пропан C3 H8 по-малко от 1%

Втечнен газ (LPG): пропан C3 H8 повече от 65%, бутан C4 H10 по-малко от 35%

Съставът на горимите газове включва: водород H 2, метан CH 4, други въглеводородни съединения C m H n, сероводород H 2 S и негорими газове, въглероден диоксид CO2, кислород O 2, азот N 2 и не значителна сумаводна пара Н 2 О. Индекси ми NSпри C и H характеризират съединения на различни въглеводороди, например за метан CH 4 t = 1 и н= 4, за етан C 2 H b t = 2и н= b и т.н.

Състав на сухо газообразно гориво (обемни проценти):

CO + H 2 + 2 C m H n + H 2 S + CO 2 + O 2 + N 2 = 100%.

Негоримата част на сухото газово гориво - баласт - е азот N и въглероден диоксид CO 2.

Съставът на мокрото газообразно гориво се изразява по следния начин:

CO + H 2 + Σ C m H n + H 2 S + CO 2 + O 2 + N 2 + H 2 O = 100%.

Топлината на горене, kJ / m (kcal / m 3), 1 m 3 чист сух газ при нормални условия се определя, както следва:

Q n c = 0,01,

където Qco, Q n 2, Q s m n n Q n 2 с. - топлина на изгаряне на отделни газове, включени в сместа, kJ / m 3 (kcal / m 3); CO, H 2, Cm H n, H 2 S - компоненти, които изграждат газова смес,% от обема.

Топлината на изгаряне на 1 m3 сух природен газ при нормални условия за повечето домашни находища е 33,29 - 35,87 MJ / m3 (7946 - 8560 kcal / m3). Характеристиките на газообразните горива са показани в таблица 1.

Пример.Определете нетната калоричност на природния газ (при нормални условия) със следния състав:

H2S = 1%; СН4 = 76.7%; C2H6 = 4.5%; C3H8 = 1.7%; C4H10 = 0.8%; C5H12 = 0,6%.

Замествайки характеристиките на газовете от Таблица 1 във формула (26), получаваме:

Q ns = 0,01 = 33981 kJ / m 3 или

Q ns = 0,01 (5585,1 + 8555 76,7 + 15 226 4,5 + 21 795 1,7 + 28 338 0,8 + 34 890 0,6) = 8109 kcal / m 3.

Маса 1. Характеристики на газообразните горива

Газ	Обозначаване	Топлина на горене Q n s
		KJ / m3	Kcal / m3
водород	H,	10820	2579
Въглероден окис	CO	12640	3018
Водороден сулфид	H 2 S	23450	5585
метан	CH 4	35850	8555
етан	C2H6	63 850	15226
пропан	C 3 H 8	91300	21795
бутан	C4H10	118700	22338
пентан	C5H12	146200	34890
етилен	C 2 H 4	59200	14107
Пропилен	C3H6	85980	20541
бутилен	C 4 H 8	113 400	27111
Бензол	C6H6	140400	33528

Котлите DE консумират от 71 до 75 m3 природен газ, за ​​да произведат един тон пара. Цената на газа в Русия за септември 2008 г е 2,44 рубли за кубичен метър. Следователно един тон пара ще струва 71 × 2,44 = 173 рубли 24 копейки. Реална стойносттона пара във фабриките е най-малко 189 рубли на тон пара за котли DE.

Котлите DKVR консумират от 103 до 118 m3 природен газ за производство на един тон пара. Минималната прогнозна цена на тон пара за тези котли е 103 × 2,44 = 251 рубли 32 копейки. Реалната цена на парата във фабриките е най-малко 290 рубли на тон.

Как да изчислим максималната консумация на природен газ за парен котел DE-25? то технически спецификациибойлер. 1840 куба на час. Но можете да изчислите. 25 тона (25 хиляди кг) трябва да се умножат по разликата между енталпиите на пара и вода (666,9-105) и всичко това трябва да се раздели на ефективността на котела от 92,8% и топлината на изгаряне на газа. 8300. и всичко

Гориво с изкуствен газ

Изкуствените горими газове са горива местно значение, тъй като имат значително по-ниска калоричност. Основните им горивни елементи са въглероден окис CO и водород H2. Тези газове се използват в производството, където се произвеждат като гориво за технологични и електроцентрали.

Всички естествени и изкуствени горими газове са експлозивни и могат да се възпламенят при открит огън или искра. Прави се разлика между долната и горната граница на експлозивност на газ, т.е. най-високият и най-ниският процент от неговата концентрация във въздуха. Долната граница на експлозивност на природните газове варира от 3% до 6%, а горната - от 12% до 16%. Всички запалими газове могат да отровят човешкото тяло. Основните токсични вещества на горимите газове са: въглероден оксид CO, сероводород H2S, амоняк NH3.

Природните горими газове, както и изкуствените, са безцветни (невидими), без мирис, което ги прави опасни при проникване във вътрешността на котелното чрез течове в газовата арматура. За да се избегне отравяне, запалимите газове трябва да се третират с одорант без мирис.

Получаване на въглероден окис CO в промишлеността чрез газификация на твърдо гориво

За промишлени цели въглеродният оксид се получава чрез газифициране на твърдо гориво, тоест превръщането му в газообразно гориво. Така че можете да получите въглероден окис от всяко твърдо гориво - изкопаеми въглища, торф, дърва за огрев и т.н.

Процесът на газификация на твърдо гориво е показан в лабораторен експеримент (фиг. 1). Чрез напълване на огнеупорната тръба с парчета дървени въглища, нека го загреем силно и да оставим кислорода да премине от газомера. Оставете газовете, излизащи от тръбата, да преминат през бутилка за измиване с варова вода и след това да се запалят. Варовата вода става мътна, газът гори със синкав пламък. Това показва наличието на CO2 диоксид и въглероден оксид CO в реакционните продукти.

Образуването на тези вещества може да се обясни с факта, че когато кислородът влезе в контакт с горещи въглища, последните първо се окисляват до въглероден диоксид: C + O 2 = CO 2

След това, преминавайки през горещи въглища, въглеродният диоксид се редуцира частично от него до въглероден оксид: CO 2 + C = 2CO

Ориз. 1. Получаване на въглероден окис (лабораторен експеримент).

V промишлени условиягазификацията на твърдо гориво се извършва в пещи, наречени газогенератори.

Получената газова смес се нарича производителен газ.

Устройството за генератор на газ е показано на фигурата. Това е стоманен цилиндър около 5 ми диаметър около 3,5 м,облицовани отвътре огнеупорни тухли... Газогенераторът се зарежда с гориво отгоре; отдолу въздухът или водната пара се подава от вентилатор през решетката.

Кислородът във въздуха реагира с въглерода в горивото, образувайки въглероден диоксид, който, докато се издига през горещия горивен слой, се редуцира от въглерод до въглероден оксид.

Ако в генератора се вдухва само въздух, тогава се получава газ, който в състава си съдържа въглероден окис и азот на въздуха (както и определено количество CO 2 и други примеси). Този генераторен газ се нарича въздушен газ.

Ако водната пара се издуха в генератора с горещи въглища, тогава в резултат на реакцията се образуват въглероден оксид и водород: C + H 2 O = CO + H 2

Тази газова смес се нарича воден газ. Водният газ има по-висока калоричност от въздушния, тъй като наред с въглеродния оксид съдържа и втори горим газ - водород. Воден газ (синтетичен газ), един от продуктите на газификацията на горивата. Водният газ се състои главно от CO (40%) и H2 (50%). Водният газ е гориво (калоричност 10 500 kJ/m3, или 2730 kcal/mg) и в същото време суровина за синтеза на метилов алкохол. Воден газ обаче не може да се получи дълго време, тъй като реакцията на неговото образуване е ендотермична (с абсорбция на топлина) и следователно горивото в генератора се охлажда. За да поддържат въглищата светещи, инжектирането на водна пара в генератора се редува с впръскване на въздух, чийто кислород е известно, че реагира с горивото, за да генерира топлина.

V последните временаза газификация на горивото започва широко да се използва парокислородно бластиране. Едновременното продухване на водна пара и кислород през горивния слой позволява процесът да се извършва непрекъснато, да се увеличи значително производителността на генератора и да се получи газ с високо съдържание на водород и въглероден оксид.

Съвременните газови генератори са мощни непрекъснати устройства.

Така че, когато горивото се подава към газогенератора, горими и отровни газовене е проникнал в атмосферата, зареждащият барабан е направен двоен. Докато горивото влиза в едното отделение на барабана, другото отделение разлива горивото в генератора; когато барабанът се върти, тези процеси се повтарят, докато генераторът остава изолиран от атмосферата през цялото време. Равномерното разпределение на горивото в генератора се осъществява с помощта на конус, който може да се монтира на различни височини. Когато се спусне, въглищата лягат по-близо до центъра на генератора, когато конусът е повдигнат, въглищата се хвърлят по-близо до стените на генератора.

Отстраняването на пепелта от газогенератора е механизирано. Конусовидната решетка се върти бавно от електрически двигател. В този случай пепелта се измества към стените на генератора и чрез специални устройства се изсипва в кутията за пепел, откъдето периодично се отстранява.

Първите газови фенери са запалени в Санкт Петербург на остров Аптекарски през 1819 година. Използваният газ е получен чрез газификация на въглища. Наричаше се лампов газ.

Големият руски учен Д. И. Менделеев (1834-1907) е първият, който изрази идеята, че газификацията на въглищата може да се извърши директно под земята, без да се издига. Царското правителство не оцени това предложение на Менделеев.

Идеята за подземна газификация беше горещо подкрепена от В. И. Ленин. Той го нарече „една от големите победи на технологиите“. Подземната газификация е извършена за първи път от съветската държава. Още преди Великата отечествена война в Съветския съюз работеха подземни генератори във въглищните басейни на Донецк и Московска област.

Идеята за един от методите за подземна газификация е дадена на фигура 3. Във въглищния пласт са положени два кладенеца, които са свързани отдолу с канал. В такъв канал близо до един от кладенците се запалват въглища и там се доставят издухани. Продуктите от горенето, движещи се по канала, взаимодействат с горещи въглища, в резултат на което се образува горим газ, както в конвенционален генератор. Газът излиза на повърхността през втория кладенец.

Генераторният газ се използва широко за отопление на индустриални пещи – металургични, коксови пещи и като гориво в автомобили (фиг. 4).

Ориз. 3. Схема на подземна газификация на въглища.

Редица органични продукти се синтезират от водород и въглероден оксид воден газ, например течно гориво. Синтетично течно гориво - гориво (главно бензин), получено чрез синтез от въглероден окис и водород при 150-170 g Целзий и налягане 0,7 - 20 MN / m2 (200 kgf / cm2), в присъствието на катализатор (никел, желязо , кобалт). Първото производство на синтетични течни горива е организирано в Германия по време на Втората световна война поради недостиг на петрол. Синтетичното течно гориво не е широко разпространено поради високата си цена. Воден газ се използва за производство на водород. За това водният газ, смесен с водна пара, се нагрява в присъствието на катализатор и в резултат на това се получава водород в допълнение към този, който вече присъства във водния газ: CO + H 2 O = CO 2 + H 2

5. ТЕРМИЧЕН БАЛАНС НА ГОРЕНЕТО

Нека разгледаме методи за изчисляване на топлинния баланс на процеса на горене на газообразни, течни и твърди горива... Изчислението се свежда до решаване на следните задачи.

· Определяне на топлината на изгаряне (калорична стойност) на горивото.

· Определяне на теоретичната температура на горене.

5.1. ТОПЛИНА НА ГОРИНЕ

Химичните реакции са придружени от отделяне или поглъщане на топлина. Когато топлината се отделя, реакцията се нарича екзотермична, а когато се абсорбира, се нарича ендотермична. Всички реакции на горене са екзотермични, а продуктите на горене са екзотермични.

Освобождава се (или абсорбира) при изтичане химическа реакциятоплината се нарича топлина на реакцията. При екзотермични реакции е положителен, при ендотермични реакции е отрицателен. Реакцията на горене винаги е придружена от отделяне на топлина. Чрез топлината на горене Q g(J / mol) е количеството топлина, което се отделя при пълното изгаряне на един мол вещество и превръщането на горимо вещество в продукти от пълно изгаряне. Молът е основната SI единица за количеството материя. Един мол е количеството на веществото, в което има толкова частици (атоми, молекули и т.н.), колкото има атоми в 12 g от изотопа въглерод-12. Масата на количество от вещество, равно на 1 мол (молекулна или моларна маса), числено съвпада с относителното молекулно тегло на това вещество.

Например, относителното молекулно тегло на кислорода (O2) е 32, въглероден двуокис(CO 2) е 44, а съответните молекулни тегла ще бъдат M = 32 g / mol и M = 44 g / mol. Така един мол кислород съдържа 32 грама от това вещество, а един мол CO 2 съдържа 44 грама въглероден диоксид.

При техническите изчисления често не се използва топлината на горене. Q g, и калоричността на горивото В(J / kg или J / m 3). Калоричната стойност на веществото е количеството топлина, което се отделя при пълното изгаряне на 1 kg или 1 m 3 вещество. За течни и твърди вещества изчислението се извършва на 1 kg, а за газообразни вещества - на 1 m 3.

Познаването на топлината на изгаряне и калоричността на горивото е необходимо за изчисляване на температурата на горене или експлозия, налягането по време на експлозия, скоростта на разпространение на пламъка и други характеристики. Калоричната стойност на горивото се определя или експериментално, или чрез изчисление. При експерименталното определяне на калоричността дадена маса твърдо или течно гориво се изгаря в калориметрична бомба, а в случай на газообразно гориво в газов калориметър. С помощта на тези устройства се измерва общата топлина В 0, освободен при изгарянето на горивна проба с маса м... Калорична стойност Q gсе намира по формулата

Връзката между топлината на горене и
калоричност на горивото

За да се установи връзка между топлината на горене и калоричността на дадено вещество, е необходимо да се запише уравнението на химичната реакция на горене.

Продуктът от пълното изгаряне на въглерода е въглероден диоксид:

C + O 2 → CO 2.

Продуктът от пълното изгаряне на водорода е вода:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O.

Продуктът от пълното изгаряне на сярата е серен диоксид:

S + O 2 → SO 2.

В същото време в свободна форма се отделят азот, халогени и други незапалими елементи.

Горимо вещество - газ

Като пример, нека изчислим калоричността на метана CH 4, за която топлината на горене е Q g=882.6 .

· Определете молекулно теглометан в съответствие със своя химична формула(CH 4):

M = 1 ∙ 12 + 4 ∙ 1 = 16 g / mol.

Нека определим калоричността на 1 кг метан:

Нека намерим обема на 1 kg метан, като знаем неговата плътност ρ = 0,717 kg / m 3 при нормални условия:

.

· Нека определим калоричността на 1 m 3 метан:

По подобен начин се определя и калоричността на всички горими газове. За много често срещани вещества калоричните стойности и калоричните стойности са измерени с висока точност и са изброени в съответната справочна литература. Ето таблица с калоричността на някои газообразни вещества(Таблица 5.1). Количеството Вв тази таблица е дадено в MJ / m 3 и в kcal / m 3, тъй като често 1 kcal = 4,1868 kJ се използва като единица за топлина.

Таблица 5.1

Калорична стойност газообразни горива

Вещество			ацетилен
В

Запалимо вещество - течно или твърдо

Като пример, нека изчислим калоричността на етилов алкохол C 2 H 5 OH, за който топлината на горене е Q g= 1373,3 kJ / mol.

Определяме молекулното тегло на етиловия алкохол в съответствие с неговата химична формула (C 2 H 5 OH):

M = 2 ∙ 12 + 5 ∙ 1 + 1 ∙ 16 + 1 ∙ 1 = 46 g / mol.

Определете калоричността на 1 kg етилов алкохол:

По подобен начин се определя калоричността на всякакви течни и твърди горива. Таблица 5.2 и 5.3 показват калоричността В(MJ / kg и kcal / kg) за някои течни и твърди вещества.

Таблица 5.2

Калорична стойност на течните горива

Вещество		Метилов алкохол	етанол			Мазут, масло
В

Таблица 5.3

Калорична стойност на твърди горива

Вещество		Дървото е прясно	Суха дървесина	Кафяви въглища	Сух торф	Антрацит, кокс
В

Формулата на Менделеев

Ако калоричността на горивото е неизвестна, тогава тя може да бъде изчислена с помощта на емпиричната формула, предложена от D.I. Менделеев. За да направите това, трябва да знаете елементния състав на горивото (еквивалентна формула на горивото), тоест процентното съдържание на следните елементи в него:

Кислород (О);

Водород (Н);

Въглерод (C);

Сяра (S);

Пепел (А);

Вода (W).

Продуктите от горенето на горивата винаги съдържат водна пара, образуван както поради наличието на влага в горивото, така и по време на изгарянето на водород. Отпадъчните продукти от горенето напускат промишленото предприятие при температури над температурата на точката на оросяване. Следователно топлината, която се отделя при кондензацията на водна пара, не може да се използва полезно и не трябва да се взема предвид при топлинни изчисления.

За изчислението обикновено се използва нетната калоричност. Q nгориво, което отчита топлинните загуби с водна пара. За твърди и течни горива, стойността Q n(MJ / kg) се определя приблизително по формулата на Менделеев:

Q n=0.339+1.025+0.1085 – 0.1085 – 0.025, (5.1)

където процентното (тегл.%) съдържание на съответните елементи в горивния състав е посочено в скоби.

Тази формула отчита топлината на екзотермичните реакции на изгаряне на въглерод, водород и сяра (със знак плюс). Кислородът, който е част от горивото, частично замества кислорода във въздуха, поради което съответният член във формула (5.1) се приема със знак минус. Когато влагата се изпари, топлината се изразходва, така че съответният член, съдържащ W, също се взема със знак минус.

Сравнението на изчислените и експерименталните данни за калоричността на различни горива (дърва, торф, въглища, нефт) показа, че изчислението по формулата на Менделеев (5.1) дава грешка, която не надвишава 10%.

Чиста калорична стойност Q n(MJ / m 3) сухи горими газове с достатъчна точност могат да бъдат изчислени като сума от произведенията на калоричността на отделните компоненти и тяхното процентно съдържание в 1 m 3 газообразно гориво.

Q n= 0,108 [Н 2] + 0,126 [СО] + 0,358 [СН 4] + 0,5 [С 2 Н 2] + 0,234 [Н 2 S] ..., (5.2)

където процентното (обемно%) съдържание на съответните газове в сместа е посочено в скоби.

Средната калоричност на природния газ е приблизително 53,6 MJ / m 3. В изкуствено произведените горими газове съдържанието на CH 4 метан е незначително. Основните горими компоненти са водород H2 и въглероден окис CO. В коксовия газ, например, съдържанието на H 2 достига (55 ÷ 60)%, а нетната калоричност на този газ достига 17,6 MJ / m 3. В генераторния газ съдържанието на CO ~ 30% и H 2 ~ 15%, докато по-ниската калоричност на генераторния газ е Q n= (5,2 ÷ 6,5) MJ / m 3. В доменния газ съдържанието на CO и H 2 е по-малко; величина Q n= (4,0 ÷ 4,2) MJ / m 3.

Нека разгледаме примери за изчисляване на калоричността на веществата по формулата на Менделеев.

Нека определим калоричността на въглищата, чийто елементен състав е даден в табл. 5.4.

Таблица 5.4

Елементарен съставвъглища

· Заместител, даден в табл. 5.4 данни във формулата на Менделеев (5.1) (азот N и пепел А не са включени в тази формула, тъй като те са инертни вещества и не участват в реакцията на горене):

Q n= 0,339 ∙ 37,2 + 1,025 ∙ 2,6 + 0,1085 ∙ 0,6–0,1085 ∙ 12–0,025 ∙ 40 = 13,04 MJ / kg.

Определете количеството дърва за огрев, необходимо за загряване на 50 литра вода от 10 ° C до 100 ° C, ако отоплението консумира 5% от топлината, отделена по време на горенето, и топлинния капацитет на водата с= 1 kcal / (kg ∙ deg) или 4,1868 kJ / (kg ∙ deg). Елементният състав на дървата за огрев е даден в табл. 5.5:

Таблица 5.5

Елементарен състав на дърва за огрев

	Нека намерим калоричността на дървата за огрев по формулата на Менделеев (5.1): Q n= 0,339 ∙ 43 + 1,025 ∙ 7–0,1085 ∙ 41–0,025 ∙ 7 = 17,12 MJ / kg. Определете количеството топлина, изразходвано за нагряване на вода при изгаряне на 1 кг дърва за огрев (като се вземе предвид факта, че 5% от топлината (a = 0,05), отделена по време на горенето, се изразходва за нагряването й): В 2 = а Q n= 0,05 17,12 = 0,86 MJ / kg. Определете количеството дърва за огрев, необходимо за загряване на 50 литра вода от 10 ° C до 100 ° C: килограма. Така за затопляне на водата са необходими около 22 кг дърва.

Класификация на горимия газ

За газоснабдяване на градовете и промишлени предприятияизползват се различни горими газове, които се различават по произход, химичен състав и физични свойства.

По произход горимите газове се делят на естествени или естествени и изкуствени, произведени от твърди и течни горива.

Природни газовесе извличат от кладенци на чисто газови находища или нефтени находища по пътя с нефт. Газовете от нефтени находища се наричат ​​свързани газове.

Газовете от чисти газови находища се състоят главно от метан с малко съдържание на тежки въглеводороди. Те се характеризират с постоянен състав и калоричност.

Свързаните газове, заедно с метана, съдържат значително количество тежки въглеводороди (пропан и бутан). Съставът и калоричността на тези газове варират значително.

Изкуствените газове се произвеждат на специални газови заводи- или се получава като страничен продукт при изгаряне на въглища в металургични заводи, както и в петролни рафинерии.

Газовете, произведени от въглища, се използват у нас за градско газоснабдяване в много ограничени количества, като техният дял непрекъснато намалява. В същото време нараства производството и потреблението на втечнени въглеводородни газове, получени от свързани нефтени газове в газобензиновите заводи и в нефтените рафинерии при рафинирането на нефт. Втечнените нефтени газове, използвани за градско газоснабдяване, се състоят предимно от пропан и бутан.

Състав на газа

Видът на газа и неговият състав до голяма степен определят обхвата на приложение на газа, схемата и диаметрите на газовата мрежа, дизайнерските решения за газови горелки и отделни газопроводни възли.

Разходът на газ зависи от калоричността, а оттам и от диаметрите на газопроводите и условията за изгаряне на газ. Когато газът се използва в промишлени инсталации, температурата на горене и скоростта на разпространение на пламъка и постоянството на състава на газовото гориво са много важни.Съставът на газовете, както и физикохимични свойствате зависят преди всичко от вида и метода на получаване на газове.

Горимите газове са механични смеси от различни газове.<как го­рючих, так и негорючих.

Горимата част на газообразното гориво включва: водород (Н 2) -газ без цвят, вкус и мирис, неговата нетна калоричност е 2579 kcal / nm 3 \метанът (CH 4) е безцветен газ без вкус и мирис, той е основната горима част от природните газове, неговата нетна калоричност е 8555 kcal / nm 3;въглероден оксид (CO) е газ без цвят, вкус или мирис, оказва се поради непълно изгаряне на каквото и да е гориво, той е много отровен, нетна калоричност 3018 kcal / nm 3;тежки въглеводороди (C p H t),С това име<и формулой обозначается целый ряд углеводородов (этан - С2Н 6 , пропан - С 3 Нв, бутан- С4Н 10 и др.), низшая теплотворная способность этих газов колеблется от 15226 до 34890 kcal / nm *.

Негоримата част на газообразното гориво включва: въглероден диоксид (CO 2), кислород (O 2) и азот (N 2).

Негоримата част на газовете обикновено се нарича баласт. Природните газове се характеризират с висока топлинна стойност и пълно отсъствие на въглероден окис. В същото време (няколко находища, предимно газово-нефтени, съдържат много отровен (и корозивно корозивен газ) - сероводород (H 2 S). Повечето изкуствени въглищни газове съдържат значително количество силно токсичен газ - въглероден окис (CO). Наличието на оксид в газа въглерод и други токсични вещества са силно нежелателни, тъй като те усложняват производството на оперативна работа и увеличават опасността при използване на газ. В допълнение към основните компоненти, съставът на газовете включва различни примеси , чиято специфична стойност в процентно изражение е незначителна дори милиони кубически метра газ, общото количество примеси достига значителна стойност. , и по време на работа.

Количеството и съставът на примесите зависят от метода на производство или добив на газ и степента на неговото пречистване. Най-вредните примеси са прах, катран, нафталин, влага и серни съединения.

Прахът се появява в газа по време на производство (извличане) или при транспортиране на газ по тръбопроводи. Катранът е продукт на термично разлагане на гориво и се свързва с много изкуствени газове. При наличие на прах в газа, смолата допринася за образуването на катран-кални тапи и запушвания на газопроводи.

Нафталинът често се среща в изкуствените въглищни газове. При ниски температури нафталинът се утаява в тръбите и заедно с други твърди и течни примеси намалява площта на потока на газопроводите.

Влагата под формата на пара се намира в почти всички природни и изкуствени газове. Той навлиза в природни газове в самото газово находище в резултат на газови контакти с водната повърхност, а изкуствените газове се насищат с вода по време на производствения процес.Наличието на влага в газа в значителни количества е нежелателно, тъй като намалява калоричността стойност на газа. , влагата по време на горене на газ отнася значително количество топлина заедно с продуктите на горенето в атмосферата. точки) да бъдат изтрити. Това налага инсталирането на специални кондензатоуловители и тяхното евакуиране.

Серните съединения, както вече беше отбелязано, включват сероводород, както и въглероден дисулфид, меркаптан и др. Тези съединения не само имат пагубен ефект върху човешкото здраве, но и причиняват значителна корозия на тръбите.

Сред другите вредни примеси трябва да се отбележат амонячни и цианидни съединения, които се намират главно във въглищните газове. Наличието на амоняк и цианидни съединения води до повишена корозия на метала на тръбата.

Наличието на въглероден диоксид и азот в горимите газове също е нежелателно. Тези газове не участват в процеса на горене, тъй като са баласт, който намалява калоричността, което води до увеличаване на диаметъра на газопроводите и до намаляване на икономическата ефективност от използването на газообразно гориво.

Съставът на газовете, използвани за градско газоснабдяване, трябва да отговаря на изискванията на GOST 6542-50 (Таблица 1).

маса 1

Средните стойности на състава на природните газове от най-известните находища в страната са представени в табл. 2.

От газови находища (сухи)

Западна Украйна. ... ...	81,2	7,5	4,5	3,7	2,5	- .	0,1	0,5	0,735
Шебелинское ................................	92,9	4,5	0,8	0,6	0,6	____ .	0,1	0,5	0,603
Ставрополска област. ...	98,6	0,4	0,14	0,06		-	0,1	0,7	0,561
Краснодарски край. ...	92,9		0,5	-	0,5	_	0,01	0,09	0,595
Саратов ................................	93,4	2,1	0,8	0,4	0,3	Следи	0,3	2,7	0,576
Газли, Бухарска област	96,7		0,35	0,4"			0,1	0,45	0,575
От газови и нефтени находища (свързани)
Ромашкино .................................			18,5	6,2	4,7		0,1	11,5	1,07
				7,4	4,6	____	Следи		1,112	__ .
Туймази ................................			18,4	6,8	4,6	____	0,1	7,1	1,062	-
Пепел ......		23,5		9,3	3,5	____	0,2	4,5	1,132	-
Дебел .......... .............................				2,5		. ___ .		1,5	0,721	-
Сизранско масло .................................	31,9	23,9 -	5,9	2,7	0,8	1,7	1,6	31,5	0,932	-
Ишимбай ................................	42,4		20,5	7,2	3,1	2,8			1,040	_
Андижан. ..............................	66,5	16,6	9,4	3,1	3,1	0,03	0,2	4,17	0,801 ;

Калорична стойност на газовете

Количеството топлина, отделяно по време на пълното изгаряне на единица от количеството гориво, се нарича калоричност (Q) или, както понякога казват, калоричност или калоричност, която е една от основните характеристики на горивото .

Калоричната стойност на газовете обикновено се отнася до 1 m 3,взети при нормални условия.

При технически изчисления нормалните условия означават състоянието на газа при температура, равна на 0 ° С, и при налягане 760 mmHg Изкуство.Обемът на газа при тези условия се обозначава nm 3(нормален кубичен метър).

За промишлени измервания на газ в съответствие с GOST 2923-45, нормалните условия се приемат като температура от 20 ° C и налягане от 760 mmHg Изкуство.Обемът газ, приписан на тези условия, за разлика от nm 3ще звънна м 3 (кубичен метър).

Калорична стойност на газовете (Q))изразено в kcal / nm eили в kcal / m 3.

За втечнените газове калоричността се отнася до 1 килограма.

Правете разлика между по-висока (Q in) и по-ниска (Q n) калоричност. Брутната калоричност взема предвид топлината на кондензация на водната пара, генерирана по време на изгарянето на горивото. Нетната калоричност не отчита топлината, съдържаща се във водната пара на продуктите от горенето, тъй като водните сандъци не кондензират, а се отвеждат с продуктите от горенето.

Понятията Q in и Q n се отнасят само за онези газове, при горенето на които се отделя водна пара (тези понятия не се отнасят за въглеродния оксид, който не отделя водна пара по време на горене).

При кондензация на водна пара се отделя топлина, равна на 539 ккал/кг.Освен това, когато кондензатът се охлажда до 0 ° C (. Или 20 ° C), съответно, топлината се отделя в размер на 100 или 80 ккал/кг.

Общо повече от 600 топлина се отделят поради кондензация на водна пара. ккал/кг,което е разликата между брутната и нетната калоричност на газа. За повечето газове, използвани в градското газоснабдяване, тази разлика е 8-10%.

Калоричните стойности на някои газове са дадени в табл. 3.

За градско газоснабдяване в момента се използват газове, които като правило имат калоричност най-малко 3500 kcal / nm 3.Това се обяснява с факта, че в градски условия газът се доставя по тръби на значителни разстояния. Ако калоричността е ниска, трябва да се подава в големи количества. Това неминуемо води до увеличаване на диаметрите на газопроводите и в резултат на това до увеличаване на металните инвестиции и средства за изграждане на газови мрежи, както и в следното: и до увеличаване на експлоатационните разходи. Съществен недостатък на нискокалоричните газове е, че в повечето случаи те съдържат значително количество въглероден окис, което увеличава опасността при използване на газ, както и при обслужване на мрежи и инсталации.

Газ с калоричност под 3500 kcal / nm 3най-често се използва в индустрията, където не се изисква транспортирането му на дълги разстояния и е по-лесно да се организира изгарянето. За градско газоснабдяване е желателно да има постоянна калоричност. Флуктуациите, както вече установихме, са разрешени не повече от 10%. Голяма промяна в калоричността на газа изисква нова настройка, а понякога и промяна на голям брой стандартизирани горелки на домакински уреди, което е свързано със значителни трудности.

ФИЗИЧНИ И ХИМИЧНИ СВОЙСТВА НА ПРИРОДНИ ГАЗОВЕ

Природните газове нямат цвят, мирис, вкус.

Основните показатели на природните газове включват: състав, топлина на изгаряне, плътност, температури на горене и запалване, граници на експлозия и налягане на експлозия.

Природните газове от находищата на чист газ се състоят главно от метан (82-98%) и други въглеводороди.

Горим газ съдържа запалими и незапалими вещества. Горимите газове включват: въглеводороди, водород, сероводород. Незапалими включват: въглероден диоксид, кислород, азот и водна пара. Съставът им е нисък и възлиза на 0,1-0,3% C0 2 и 1-14% N 2. След екстракция от газа се извлича токсичен газ, сероводород, чието съдържание не трябва да надвишава 0,02 g / m3.

Топлинната стойност е количеството топлина, отделено при пълното изгаряне на 1 m3 газ. Топлината на горене се измерва в kcal / m3, kJ / m3 газ. Калоричната стойност на сухия природен газ е 8000-8500 kcal / m 3.

Стойността, изчислена чрез съотношението на масата на веществото към неговия обем, се нарича плътност на веществото. Плътността се измерва в kg / m3. Плътността на природния газ напълно зависи от неговия състав и е в диапазона c = 0,73-0,85 kg / m3.

Най-важната характеристика на всеки горим газ е неговият топлинен капацитет, тоест максималната температура, достигната по време на пълното изгаряне на газа, ако необходимото количество въздух за горене съвпада точно с химичните формули на горене и началната температура на газа и въздухът е нула.

Отоплителната мощност на природните газове е около 2000 -2100 ° C, метана - 2043 ° C. Действителната температура на горене в пещите е значително по-ниска от отоплителната мощност и зависи от условията на горене.

Температурата на запалване е температурата на сместа въздух-гориво, при която сместа се запалва без източник на запалване. За природния газ той е в диапазона 645-700 ° C.

Всички запалими газове са експлозивни, могат да се запалят от открит огън или искра. Разграничаване долна и горна концентрационна граница на разпространение на пламъка , т.е. долна и горна концентрация, при която е възможна експлозия на сместа. Долната граница на експлозивност на газовете е 3 ÷ 6%, горната е 12 ÷ 16%.

Експлозивни граници.

Въздушно-газова смес, съдържаща количеството газ:

до 5% - не гори;

от 5 до 15% - избухва;

повече от 15% - изгаря при подаване на въздух.

Налягането на експлозия на природния газ е 0,8-1,0 MPa.

Всички запалими газове могат да причинят отравяне на човешкото тяло. Основните токсични вещества са: въглероден окис (CO), сероводород (H 2 S), амоняк (NH 3).

Природният газ е без мирис. За да се определи изтичането, газът се одоризира (т.е. му се придава специфична миризма). Одоризацията се извършва чрез използване на етил меркаптан. Одоризацията се извършва в газоразпределителни станции (GDS). Когато 1% от природния газ попадне във въздуха, миризмата му започва да се усеща. Практиката показва, че средната норма на етил меркаптан за одоризиране на природен газ, доставян в градските мрежи, трябва да бъде 16 g на 1000 m3 газ.

В сравнение с твърдите и течните горива, природният газ има много предимства:

Относителна евтиност, която се обяснява с по-лесния начин на добив и транспорт;

Липса на пепел и отстраняване на твърди частици в атмосферата;

Висока калоричност;

Не се изисква подготовка на горивото за изгаряне;

Улеснява работата на обслужващите работници и подобрява санитарно-хигиенните условия на работата си;

Улеснени са условията за автоматизиране на работните процеси.

Поради възможни течове чрез течове във връзките на газопровода и връзките на клапаните, използването на природен газ изисква специални грижи и внимание. Проникването на повече от 20% от газа в помещението може да доведе до задушаване, а ако присъства в затворен обем от 5 до 15%, може да предизвика експлозия на газовъздушната смес. При непълно изгаряне се отделя токсичен въглероден окис CO, който дори при ниски концентрации води до отравяне на обслужващия персонал.

По своя произход природните газове се делят на две групи: сухи и мазни.

СухаГазовете са класифицирани като газове от минерален произход и се намират в области, свързани с настояща или минали вулканична дейност. Сухите газове се състоят почти изключително от един метан с незначително съдържание на баластни компоненти (азот, въглероден диоксид) и имат калоричност Qн = 7000 ÷ 9000 kcal / nm3.

Мазнигазовете придружават нефтените находища и обикновено се натрупват в горните слоеве. Мастните газове са подобни по произход на маслото и съдържат много лесно кондензиращи се въглеводороди. Калорична стойност на течни газове Qн = 8000-15000 kcal / nm3

Предимствата на газообразните горива включват лекота на транспортиране и изгаряне, липса на влага от пепел, значителна простота на котелното оборудване.

Наред с природните газове се използват и изкуствени горими газове, получени при преработката на твърди горива, или в резултат на работата на промишлени предприятия като отпадъчни газове. Изкуствените газове се състоят от горими газове с непълно изгаряне на гориво, баластни газове и водни пари и са разделени на богати и бедни, със средна калоричност съответно 4500 kcal / m3 и 1300 kcam3. Състав на газове: водород, метан, други въглеводородни съединения CmHn, сероводород H 2 S, негорими газове, въглероден диоксид, кислород, азот и малко количество водна пара. Баластът е азот и въглероден диоксид.

По този начин съставът на сухото газообразно гориво може да бъде представен като следната смес от елементи:

CO + H 2 + ∑CmHn + H 2 S + CO 2 + O 2 + N 2 = 100%.

Съставът на мокрото газообразно гориво се изразява по следния начин:

CO + H 2 + ∑CmHn + H 2 S + CO 2 + O 2 + N 2 + H 2 O = 100%.

Топлина на горене суха газообразно гориво kJ / m3 (kcal / m3) на 1 m3 газ при нормални условия се определя, както следва:

Qн = 0,01,

Където Qi е топлината на изгаряне на съответния газ.

Калоричната стойност на газообразното гориво е показана в Таблица 3.

Доменен газобразувани при топенето на чугун в доменни пещи. Неговият добив и химичен състав зависят от свойствата на заряда и горивото, режима на работа на пещта, методите за интензифициране на процеса и други фактори. Доходът на газ варира от 1500-2500 m 3 на тон чугун. Делът на негоримите компоненти (N 2 и CO 2) в доменния газ е около 70%, което определя неговата ниска топлинна ефективност (най-ниската калоричност на газа е 3-5 MJ / m 3).

При изгаряне на доменния газ максималната температура на продуктите от горенето (без топлинните загуби и консумацията на топлина за дисоциация на CO 2 и H 2 O) е 400-1500 0 C. Ако газът и въздухът се нагряват преди горенето, температурата на продуктите от горенето може значително да се увеличи.

Феросплав газсе образува при топенето на феросплави в рудоредуциращи пещи. Газът, изпускан от затворени пещи, може да се използва като гориво RER (вторични енергийни ресурси). В открити пещи, поради свободния достъп на въздух, газът изгаря отгоре. Добивът и съставът на феросплавния газ зависят от класа на стопилката

сплав, състав на шихта, режим на работа на пещта, нейната мощност и др. Състав на 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 .

Конвертор на газобразувани при топене на стомана в кислородни конвертори. Газът се състои главно от въглероден окис, неговият добив и състав се променят значително по време на топенето. След почистване газовият състав е приблизително както следва: 70-80% CO; 15-20% CO 2; 0,5-0,8% O2; 3-12% N 2. Топлината на изгаряне на газа е 8,4-9,2 MJ / m 3. Максималната температура на горене достига 2000 0 С.

Коксов газобразуван при коксуване на въглищна шихта. В черната металургия се използва след добива на химически продукти. Съставът на коксовия газ зависи от свойствата на въглищната маса и условията на коксуване. Обемните фракции на компонентите в газа са в следните граници, %: 52-62H 2; 0,3-0,602; 23,5-26,5 СН4; 5,5-7,7 CO; 1,8-2,6 CO 2. Топлината на горене е 17-17,6 MJ / m ^ 3, максималната температура на продуктите от горенето е 2070 0 С.