Топлината на горене се определя от химичния състав на горимото вещество. Химичните елементи, съдържащи се в горимото вещество, са обозначени с приетите символи ОТ , Х , ОТНОСНО , н , С, а пепелта и водата са символи НОИ Усъответно.
Енциклопедичен YouTube
-
1 / 5
Топлината на горене може да бъде свързана с работната маса на горимия материал Q P (\displaystyle Q^(P)), тоест на горимо вещество във формата, в която то влиза в потребителя; към сухо вещество Q C (\displaystyle Q^(C)); към горимата маса на материята Q Γ (\displaystyle Q^(\Gamma)), тоест към горимо вещество, което не съдържа влага и пепел.
Разграничаване по-високо ( Q B (\displaystyle Q_(B))) и по-ниско ( Q H (\displaystyle Q_(H))) топлина на горене.
Под по-висока калоричностразбират количеството топлина, което се отделя при пълното изгаряне на веществото, включително топлината на кондензация на водната пара при охлаждане на продуктите от горенето.
Нетна калорична стойностсъответства на количеството топлина, което се отделя при пълно изгаряне, без да се отчита топлината на кондензация на водната пара. Нарича се още топлината на кондензация на водните пари латентна топлина на изпаряване (кондензация).
По-ниската и по-високата калоричност са свързани чрез съотношението: Q B = Q H + k (W + 9 H) (\displaystyle Q_(B)=Q_(H)+k(W+9H)),
където k е коефициент, равен на 25 kJ/kg (6 kcal/kg); W - количеството вода в горимото вещество,% (тегловно); H е количеството водород в горимото вещество, % (масови).
Изчисляване на топлината на горене
По този начин по-високата калоричност е количеството топлина, отделено при пълното изгаряне на единица маса или обем (за газ) на горимо вещество и охлаждане на продуктите от горенето до температурата на точката на оросяване. При изчисленията на топлотехниката общата калоричност се приема за 100%. Латентната топлина на изгаряне на газа е топлината, която се отделя при кондензацията на водните пари, съдържащи се в продуктите на горенето. Теоретично може да достигне 11%.
На практика не е възможно продуктите от горенето да се охладят до пълна кондензация и поради това се въвежда понятието нетна калоричност (QHp), което се получава чрез изваждане от по-високата калоричност на топлината на изпаряване на водната пара, както се съдържа в веществото и образувано при неговото изгаряне. 2514 kJ/kg (600 kcal/kg) се изразходват за изпаряване на 1 kg водна пара. Нетната калоричност се определя по формулите (kJ / kg или kcal / kg):
QHP = QBP − 2514 ⋅ ((9 HP + WP) / 100) (\displaystyle Q_(H)^(P)=Q_(B)^(P)-2514\cdot ((9H^(P)+W^ (P))/100))(за твърдо)
QHP = QBP − 600 ⋅ ((9 HP + WP) / 100) (\displaystyle Q_(H)^(P)=Q_(B)^(P)-600\cdot ((9H^(P)+W^ (P))/100))(за течно вещество), където:
2514 - топлина на изпаряване при 0 °C и атмосферно налягане, kJ/kg;
H P (\displaystyle H^(P))И W P (\displaystyle W^(P))- съдържанието на водород и водна пара в работното гориво, %;
9 е коефициент, който показва, че при изгаряне на 1 kg водород в комбинация с кислород се образуват 9 kg вода.
Топлината на горене е най-голяма важна характеристикагориво, тъй като определя количеството топлина, получено при изгаряне на 1 kg твърдо или течно гориво или 1 m³ газообразно горивов kJ/kg (kcal/kg). 1 kcal = 4,1868 или 4,19 kJ.
Нитната калоричност се определя експериментално за всяко вещество и е референтна стойност. Може да се определи и за твърди и течни материали, с известен елементен състав, чрез изчисление в съответствие с формулата на Д. И. Менделеев, kJ / kg или kcal / kg:
QHP = 339 ⋅ CP + 1256 ⋅ HP − 109 ⋅ (OP − SLP) − 25,14 ⋅ (9 ⋅ HP + WP) (\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)))
QHP = 81 ⋅ CP + 246 ⋅ HP − 26 ⋅ (OP + SLP) − 6 ⋅ WP (\displaystyle Q_(H)^(P)=81\cdot C^(P)+246\cdot H^(P) -26\cdot (O^(P)+S_(L)^(P))-6\cdot W^(P)), където:
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))- съдържанието на въглерод, водород, кислород, летлива сяра и влага в работната маса на горивото в % (масови).
За сравнителни изчисления се използва така нареченото конвенционално гориво, което има специфична топлина на изгаряне, равна на 29308 kJ / kg (7000 kcal / kg).
В Русия топлинни изчисления(например, изчисляване на топлинния товар за определяне на категорията на помещение за опасност от експлозия и пожар) обикновено се извършват според най-ниската калоричност, в САЩ, Великобритания, Франция - според най-високата. В Обединеното кралство и Съединените щати, преди въвеждането на метричната система, специфичните топлинни стойности бяха измерени в британски топлинни единици (BTU) на фунт (lb) (1Btu/lb = 2,326 kJ/kg).
Вещества и материали Нетна калорична стойност Q H P (\displaystyle Q_(H)^(P)), MJ/kg Бензин 41,87 Керосин 43,54 Хартия: книги, списания 13,4 Дърво (пръти W = 14%) 13,8 Естествен каучук 44,73 Поливинилхлориден линолеум 14,31 Каучук 33,52 щапелни влакна 13,8 Полиетилен 47,14 стиропор 41,6 Памукът е разхлабен 15,7 Пластмасов 41,87 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 различават по количественото съдържание на окислителя в тях, който се използва за отделяне на топлинна енергия.
IN широк смисългоривото е енергиен носител, тоест потенциален вид потенциална енергия.
Класификация
В момента горивата се разделят според агрегатното им състояние на течни, твърди, газообразни.
Трудно естествен видвключват камък и дърва за огрев, антрацит. Брикети, кокс, термоантрацит са разновидности на изкуствено твърдо гориво.
Течностите включват вещества, които съдържат вещества от органичен произход. 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, газообразните горива съдържат въглероден диоксид и въглероден окис s, сероводород, азот, водна пара, кислород.
Индикатори за гориво
Основният индикатор за изгаряне. Формулата за определяне на калоричността се разглежда в термохимията. разпредели " референтно гориво“, което предполага калоричността на 1 килограм антрацит.
Битовото гориво за отопление е предназначено за изгаряне в отоплителни уреди 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, че показва количеството топлина, което се образува при пълното изгаряне на гориво с обем 1 m 3 или маса от един килограм.
За измерване на тази стойност се използват J / kg, J / m 3, калория / m 3. За да определите топлината на горене, използвайте метода на калориметрия.
С увеличение специфична топлинаизгаряне на гориво, специфичният разход на гориво намалява и кое полезно действиеостава същата стойност.
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
По-високата и по-ниската калоричност се свързва с агрегатното състояние на водата в веществата, получени след изгарянето на горивото.
Брутната калоричност е количеството топлина, освободено при пълното изгаряне на дадено вещество. Тази стойност включва топлината на кондензация на водната пара.
По-ниската работна калоричност 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
По-високата и по-ниската калоричност са свързани със следната връзка:
Q B = Q H + k(W + 9H)
където W е тегловното количество (в %) вода в горимото вещество;
H е количеството водород (масови %) в горимото вещество;
k - коефициент 6 kcal/kg
Методи за изчисление
По-високата и по-ниската калоричност се определя по два основни метода: изчислен и експериментален.
Калориметрите се използват за 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 стойността на нейната топлина на изгаряне чрез промяна на нейната температура.
Тази техника се счита за проста и ефективна, тя предполага само познаване на данните от техническия анализ.
При метода на изчисление най-високата и най-ниската калоричност се изчисляват по формулата на Менделеев.
Q p H \u003d 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 ви позволява да направите предварителни изчисления, за да определите 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 каменни въглища, след това се образува антрацит. Основните източници на образуване на твърдо гориво са листата, дървесината и иглите. Умиращи, части от растенията, когато са изложени на въздух, се унищожават от гъбички, образувайки 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. Органична част е тази част, от която е образувана органична материя: водород, въглерод, азот, кислород. В допълнение към тези химични елементи, той съдържа баласт: влага, пепел.
Технологията на пещта включва разпределяне на работна, суха, както и горима маса на изгорено гориво. Работната маса се нарича гориво в оригиналната му форма, доставена на потребителя. Сухото тегло е състав, в който няма вода.
Състав
Най-ценните компоненти са въглеродът и водородът.
Тези елементи се намират във всеки вид гориво. В торфа и дървесината процентът на въглерод достига 58 процента, в черните 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 на всяко гориво. Контактувайки 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 на изгаряне. Изгаряне на азот, съдържащ се в свободни или обвързана формав продуктите на горенето, се счита за вредни примеси, така че количеството му е ясно ограничено.
Сярата е включена в състава на горивото под формата на сулфати, сулфиди, а също и като газове от серен диоксид. Когато се хидратират, серните оксиди образуват сярна киселина, която разрушава котелно оборудване, влияе негативно върху растителността и живите организми.
Ето защо сярата е химичният елемент, чието присъствие в естественото гориво е крайно нежелателно. Попадайки в работното помещение, серните съединения причиняват значително отравяне на обслужващия персонал.
Има три вида пепел в зависимост от нейния произход:
- първичен;
- втори;
- третичен.
Първичната форма се образува от минералните вещества, съдържащи се в растенията. Вторичната пепел се образува в резултат на поглъщане на растителни остатъци от пясък и пръст по време на формирането.
Третичната пепел се оказва част от горивото в процеса на добив, съхранение, а също и транспортирането му. При значително отлагане на пепел има намаляване на топлопреминаването върху нагревателната повърхност на котелния агрегат, намалява количеството топлопреминаване към водата от газове. Страхотно количествопепелта влияе негативно върху работата на котела.
Най-накрая
Значително влияние 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 въглищата, торфът 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.
Зависи от химичен съставИма три етапа в образуването на твърди горива: торф, лигнит, въглища.
Естественото дърво се използва в малки котелни инсталации. Използват се предимно дървесни стърготини, 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 калоричността 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 бъдат най-ефективни и евтини за използване в конкретна ситуация.
ФИЗИЧЕСКИ И ХИМИЧНИ СВОЙСТВА НА ПРИРОДНИТЕ ГАЗОВЕ
В природни газовеняма цвят, мирис, вкус.
Основните показатели на природните газове включват: състав, топлина на изгаряне, плътност, температура на горене и запалване, граници на експлозивност и налягане на експлозия.
Природните газове от находищата на чист газ се състоят главно от метан (82-98%) и други въглеводороди.
Горим газ съдържа горими и негорими вещества. Горимите газове включват: въглеводороди, водород, сероводород. Незапалими вещества включват: въглероден диоксид, кислород, азот и водна пара. Съставът им е нисък и възлиза на 0,1-0,3% CO 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.
Калоричната 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 зависи изцяло от неговия състав и е в рамките на c = 0,73-0,85 kg/m3.
Най-важната характеристикана всеки горим газ е топлинната мощност, т.е. Максимална температурапостига се при пълно изгаряне на газа, ако необходимото количество въздух за горене отговаря точно на химичните формули на горене, а началната температура на газа и въздуха е нула.
Топлинният капацитет на природните газове е около 2000 -2100 °C, метана - 2043 °C. Действителната температура на горене в пещите е много по-ниска от топлинната 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 тя е в диапазона 645-700 °C.
Всички запалими газове са експлозивни, способни да се запалят с открит пламък или искра. Разграничаване долна и горна концентрационна граница на разпространение на пламъка , т.е. долната и горната концентрация, при която е възможна експлозия на сместа. Долната граница на експлозивност на газовете е 3÷6%, горната граница е 12÷16%.
Експлозивни граници.
Газовъздушна смес, съдържаща количеството газ:
до 5% - не гори;
от 5 до 15% - избухва;
повече от 15% - изгаря при подаване на въздух.
Налягането по време на експлозия на природен газ е 0,8-1,0 MPa.
Всички горими газове могат да причинят отравяне на човешкото тяло. Основните токсични вещества са: въглероден окис (CO), сероводород (H 2 S), амоняк (NH 3).
Природният газ няма миризма. За да се определи изтичането, газът се одоризира (т.е. придават му специфична миризма). Извършването на одоризация се извършва чрез използване на етил меркаптан. Извършване на одоризация в газоразпределителни станции (GDS). Когато 1% от природен газ навлезе във въздуха, миризмата му започва да се усеща. Практиката показва това среден курсетил меркаптан за одоризация на природен газ, който влиза в градските мрежи, трябва да бъде 16 g на 1000 m3 газ.
В сравнение с твърдите и течните горива, природният газ печели по много начини:
Относителна евтиност, която се обяснява с повече лесният начиндобив и транспорт;
Без пепел и отстраняване на твърди частици в атмосферата;
Висока топлина на горене;
Не се изисква подготовка на горивото за изгаряне;
Улеснява се работата на обслужващите работници и се подобряват санитарно-хигиенните условия на тяхната работа;
Улеснява автоматизацията на работните процеси.
Поради възможни течове чрез течове в газопроводни връзки и арматура, използването на природен газ изисква специално внимание и предпазливост. 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.
Според произхода си природните газове се делят на две групи: сухи и мастни.
СухаГазовете са газове от минерален произход и се намират в области, свързани с настояща или минала вулканична дейност. Сухите газове се състоят почти изключително само от метан с незначителни количества баластни съставки (азот, въглероден двуокис) и имат калоричност Qн=7000÷9000 kcal/nm3.
мазнигазовете придружават нефтените находища и обикновено се натрупват в горните слоеве. По своя произход мастните газове са близки до петрола и съдържат много лесно кондензиращи се въглеводороди. Калорична стойносттечни газове Qн=8000-15000 kcal/nm3
Предимствата на газообразните горива включват лекотата на транспортиране и горене, липсата на влага на пепел и значителната простота на котелното оборудване.
Както и природни газовесе използват и изкуствени горими газове, получени при преработката 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 се делят на богати и бедни, със средна калоричност съответно 4500 kcal/m3 и 1300 kkam3. Състав на газове: водород, метан, други въглеводородни съединения CmHn, сероводород H 2 S, негорими газове, въглероден диоксид, кислород, азот и малко количество водна пара. Баласт - азот и въглероден диоксид.
По този начин съставът на сухо газообразно гориво може да бъде представен като следната смес от елементи:
CO + H 2 + ∑CmHn + H 2 S + CO 2 + O 2 + N 2 \u003d 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 \u003d 100%.
Топлина на горене суха газообразно гориво kJ / m3 (kcal / m3) на 1 m3 газ при нормални условия се определя, както следва:
Qn = 0,01,
Където Qi е калоричността на съответния газ.
Топлината на изгаряне на газообразно гориво е дадена в таблица 3.
Доменен газобразувани при топене на желязо 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. Добивът 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 обуславя ниските му топлинни характеристики (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 повиши.
феросплав газобразувани при топенето на феросплави в пещи за редуциране на руда. Отработените газове от затворени пещи могат да се използват като гориво SER (вторични енергийни ресурси). В отворени фурни поради свободен достъпвъздушен газ гори отгоре. Добивът и съставът на феросплавния газ зависят от класа на стопилката
сплав, състав на заряда, 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 газобразувани при топене на стомана в кислородни конвертори. Газът се състои главно от въглероден окис, неговият добив и състав по време на топене се променят значително. След пречистване съставът на газа е приблизително както следва: 70-80% CO; 15-20% CO2; 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 по време на коксуването на въглищния шихт. 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 ; 0,3-0,6 O2; 23,5-26,5 СН4; 5,5-7,7 CO; 1,8-2,6 CO2. Топлината на горене е 17-17,6 MJ / m ^ 3, максималната температура на продуктите от горенето е 2070 0 С.
5. ТЕРМИЧЕН БАЛАНС НА ГОРЕНЕТО
Помислете за методи за изчисляване на топлинния баланс на горивния процес 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 ГОРЕНЕ
Химичните реакции са придружени от отделяне или поглъщане на топлина. При отделяне на топлина реакцията се нарича екзотермична, а когато се абсорбира, се нарича ендотермична. Всички реакции на горене са екзотермични, а продуктите на горенето са екзотермични съединения.
Топлината, която се отделя (или абсорбира) по време на химическа реакция, 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. Топлина 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 на веществото. Един мол е такова количество вещество, което съдържа 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 дадено вещество.
Например, относителното молекулно тегло на кислорода (O 2 ) е 32, въглеродния диоксид (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 се използва не 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 на експлозия, скоростта на разпространение на пламъка и други характеристики. Калоричната стойност на горивото се определя 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. Тези устройства измерват общата топлина В 0 , освободен по време на изгарянето на проба гориво с тегло м. Калорична стойност Q gсе намира по формулата
Връзка между топлината на горене и
калоричност на горивотоЗа да се установи връзка между топлината на горене и калоричността на дадено вещество, е необходимо да се запише уравнението за химическата 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 азот, халогениди и други незапалими елементи се отделят в свободна форма.
горим газ
Като пример ще изчислим калоричността на метана CH 4, за която топлината на горене е равна на Q g=882.6 .
Определете молекулното тегло на метана в съответствие с неговата химична формула (CH 4):
М=1∙12+4∙1=16 g/mol.
Определете калоричността на 1 kg метан:
Нека намерим обема на 1 kg метан, като знаем неговата плътност ρ = 0,717 kg / m 3 при нормални условия:
.Определете 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 дадени в съответната справочна литература. Нека дадем таблица със стойности за калоричността на някои газообразни вещества (Таблица 5.1). Стойност Вв тази таблица е дадено в MJ / m 3 и в kcal / m 3, тъй като 1 kcal = 4,1868 kJ често се използва като единица за топлина.
Таблица 5.1
Калорична стойност на газообразните горива
Вещество
ацетилен
В
Горимо вещество - течно или твърдо
Като пример ще изчислим калоричността на етилов алкохол C 2 H 5 OH, за която топлината на горене Q g= 1373,3 kJ/mol.
Определете молекулното тегло на етиловия алкохол в съответствие с неговата химична формула (C 2 H 5 OH):
М = 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 горими вещества. В табл. 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
Течно гориво, масло
В
Таблица 5.3
Калорична стойност на твърди горива
Вещество
прясно дърво
дървесина суха
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 (еквивалентната формула на горивото), тоест процента 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, която се образува както поради наличието на влага в горивото, така и при изгарянето на водорода. Отпадъчните продукти от горенето напускат промишленото предприятие при температура над температурата на точката на оросяване. Следователно топлината, която се отделя при кондензацията на водните пари, не може да се използва полезно и не трябва да се взема предвид при топлинните 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 (масови %) съдържание на съответните елементи в горивния състав е посочено в скоби.
Тази формула отчита топлината на реакциите на екзотермично горене на въглерод, водород и сяра (със знак плюс). Кислородът, който е част от горивото, частично замества кислорода във въздуха, така че 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%.
Нетна калорична стойност Q n(MJ / m 3) сухи горими газове могат да бъдат изчислени с достатъчна точност 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[CH 4 ] + 0.5[С 2 Н 2 ] + 0.234[Н 2 S ]…, (5.2)
където процентното (об.%) 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 нетната калоричност на генераторния газ 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/m3.
Помислете за 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 състав на въглищата
Нека заменим дадените 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.
Нека определим количеството дърва за огрев, необходимо за загряване на 50 литра вода от 10 ° C до 100 ° C, ако 5% от топлината, отделена по време на горенето, се изразходва за отопление, и топлинният капацитет на водата от\u003d 1 kcal / (kg ∙ град) или 4,1868 kJ / (kg ∙ град). 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 според 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 загряване на вода са необходими около 22 кг дърва за огрев.
Класификация на горими газове
За газоснабдяването на градове и промишлени предприятия се използват 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.
Природните газове се извличат от кладенци на чисто газови находища или нефтени находища заедно с нефт. Газовете от нефтените 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 постоянство на състава и калоричността.
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 в специални газови инсталации - или се получават като страничен продукт от изгарянето на въглища в металургичните заводи, както и в петролните рафинерии.
Газовете, произведени от въглища, се използват у нас за градско газоснабдяване в много ограничени количества, като специфичното им тегло непрекъснато намалява. В същото време нараства производството и потреблението на втечнени въглеводородни газове, получени от свързани нефтени газове в газобензиновите заводи и нефтените рафинерии при рафинирането на нефт. Течните въглеводородни газове, използвани за градско газоснабдяване, се състоят главно от пропан и бутан.
Състав на газовете
Видът на газа и неговият състав до голяма степен предопределят обхвата на газа, схемата и диаметрите на газовата мрежа, проектните 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. При използване на газ в промишлени инсталации от голямо значение са температурата на горене и скоростта на разпространение на пламъка и постоянството на състава на газовото гориво.Съставът на газовете, както и техните физико-химични свойства, зависят преди всичко от вида и метода на получаване газове.
Горимите газове са механични смеси от различни газове<как горючих, так и негорючих.
Горимата част на газообразното гориво включва: водород (H 2) - газ без цвят, вкус и мирис, по-ниската му калоричност е 2579 kcal / nm 3 \метан (CH 4) - безцветен газ без вкус и мирис, е основната горима част от природните газове, по-ниската му калоричност е 8555 kcal / nm 3;въглероден оксид (CO) - безцветен газ без вкус и мирис, получен при непълно изгаряне на каквото и да е гориво, много токсичен, по-ниска калоричност 3018 kcal / nm 3;тежки въглеводороди (C p N 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 се нарича баласт. Природните газове се характеризират с висока калоричност и пълно отсъствие на въглероден окис. В същото време редица находища, главно газ и нефт, съдържат много токсичен (и корозивен газ) - сероводород (H 2 S). Повечето изкуствени въглищни газове съдържат значително количество силно токсичен газ - въглероден оксид (CO ).Наличието на оксид в газа въглерод и други токсични вещества е силно нежелателно, 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, специфичната стойност на която е незначителна в процентно изражение. Въпреки това, като се има предвид, че хиляди и дори милиони кубически метри газ, общото количество на примесите достига значителна стойност. Много примеси попадат в газопроводите, което в крайна сметка води до намаляване на тяхната пропускателна способност, а понякога и до пълно спиране на газовия поток. Следователно наличието на примеси в газа трябва да се вземе предвид както при проектирането на газопроводи, както 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. Смолата е продукт на термично разлагане на гориво и придружава много изкуствени газове. При наличие на прах в газа, смолата допринася за образуването на катран-кални тапи и запушвания в газопроводите.
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 пари се съдържа в почти всички природни и изкуствени газове. Той навлиза в природни газове в самото газово находище поради контактите на газове 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. Освен това той има висок топлинен капацитет на изпаряване , влагата по време на горенето на газ отвежда значително количество топлина заедно с продуктите от горенето в атмосферата. Голямото съдържание на влага в газа също е нежелателно, тъй като кондензирането при газът се охлажда в „тежестта на движението му през тръбите, той може да създаде водни тапи в газопровода (в долните точки), които да бъдат изтрити. Това налага инсталирането на специални колектори за кондензат и изпомпването им.
Серните съединения, както вече беше отбелязано, включват сероводород, както и въглероден дисулфид, меркаптан и др. Тези съединения не само влияят неблагоприятно на човешкото здраве, но и причиняват значителна корозия на тръбите.
Други вредни примеси включват амоняк и цианидни съединения, които се намират главно във въглищните газове. Наличието на амоняк и цианидни съединения води до повишена корозия на метала на тръбите.
Наличието на въглероден диоксид и азот в горимите газове също е нежелателно. Тези газове не участват в процеса на горене, като са баласт, който намалява калоричността, което води до увеличаване на диаметъра на газопроводите и 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 Стъпки 0,3 2,7 0,576 Газли, Бухарска област 96,7 0,35 0,4" 0,1 0,45 0,575 От нефтени и газови находища (свързани) Ромашкино ................................ 18,5 6,2 4,7 0,1 11,5 1,07 7,4 4,6 ____ Стъпки 1,112 __ . Туймази ................................ 18,4 6,8 4,6 ____ 0,1 7,1 1,062 - Аши...... 23,5 9,3 3,5 ____ 0,2 4,5 1,132 - Удебелен ......................................... 2,5 . ___ . 1,5 0,721 - Syzran-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 при пълното изгаряне на единица количество гориво, се нарича калоричност (Q) или, както понякога се нарича, калоричност, или калоричност, която е една от основните характеристики на горивото.
Калоричната стойност на газовете обикновено се нарича 1 m 3,взети при нормални условия.
В техническите изчисления под нормални условия се разбира състоянието на газа при температура, равна на 0 ° C, и при налягане 760 mmHg Изкуство.Обемът на газа при тези условия се обозначава nm 3(нормален кубичен метър).
За измервания на промишлен газ в съответствие с GOST 2923-45, температурата от 20 ° C и налягането от 760 се приемат като нормални условия mmHg Изкуство.Обемът на газа, отнесен към тези условия, за разлика от nm 3ще се обадим 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.
Има по-висока (Q in) и по-ниска (Q n) калоричност. Брутната калоричност взема предвид топлината на кондензация на водната пара, образувана по време на изгарянето на горивото. Нетната калоричност не отчита топлината, съдържаща се във водната пара на продуктите от горенето, тъй като водната пара не кондензира, а се отвежда с продуктите на 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 дава водна пара по време на горене).
Когато водната пара се кондензира, се отделя топлина, равна на 539 kcal/kg.Освен това, когато кондензатът се охлажда до 0°C (или 20°C), топлината се отделя съответно в размер на 100 или 80 kcal/kg.
Общо, поради кондензацията на водна пара, топлината се отделя повече от 600 ккал/кг,което е разликата между брутната и нетната калоричност на газа. За повечето газове, използвани в градското газоснабдяване, тази разлика е 8-10%.
Стойностите на калоричността 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 условията на градовете газът се доставя по тръби на значителни разстояния. При ниска калоричност е необходимо да се доставя голямо количество. Това неизбежно води до увеличаване на диаметрите на газопроводите и в резултат на това до увеличаване на металните инвестиции и средства за изграждане на газови мрежи и впоследствие до увеличаване на оперативните 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 на газа. Флуктуациите, както вече установихме, са разрешени не повече от 10%. По-голямата промяна в калоричността на газа изисква нова настройка, а понякога и промяна на голям брой унифицирани горелки за домакински уреди, което е свързано със значителни трудности.
