القيمة الحرارية للغاز الطبيعي أعلى وأقل. الوقود الغازي
كل يوم، عند تشغيل الموقد على موقد المطبخ، قليل من الناس يفكرون في المدة التي بدأ فيها إنتاج الغاز. بدأ تطورها في بلدنا في القرن العشرين. قبل ذلك، تم العثور عليه ببساطة أثناء استخراج المنتجات البترولية. القيمة الحراريةإن إمدادات الغاز الطبيعي كبيرة جدًا لدرجة أن هذه المادة الخام اليوم لا يمكن الاستغناء عنها، ولم يتم تطوير نظائرها عالية الجودة بعد.
سيساعدك جدول القيمة الحرارية على اختيار الوقود لتدفئة منزلك
مميزات الوقود الأحفوري
يعد الغاز الطبيعي من الوقود الأحفوري المهم الذي يحتل مكانة رائدة في موازين الوقود والطاقة في العديد من البلدان. من أجل توفير الوقود للمدن والمؤسسات التقنية المختلفة، فإنها تستهلك الغازات القابلة للاشتعال المختلفة، لأن الغاز الطبيعي يعتبر خطيرا.
ويعتقد أنصار البيئة أن الغاز هو أنظف أنواع الوقود، فعند حرقه تنبعث منه كميات أقل بكثير المواد السامةمن الحطب والفحم والنفط. يستخدم هذا الوقود يوميا من قبل الناس ويحتوي على مادة مضافة مثل الرائحة، ويضاف في المنشآت المجهزة بنسبة 16 ملليغرام لكل ألف متر مكعب من الغاز.
أحد المكونات المهمة للمادة هو الميثان (حوالي 88-96٪)، والباقي عبارة عن مواد كيميائية أخرى:
- البيوتان.
- كبريتيد الهيدروجين؛
- البروبان.
- نتروجين؛
- الأكسجين.
في هذا الفيديو سنلقي نظرة على دور الفحم:
كمية الميثان في الوقود الطبيعييعتمد بشكل مباشر على إيداعه.
يتكون نوع الوقود الموصوف من مكونات هيدروكربونية وغير هيدروكربونية. يتكون الوقود الأحفوري الطبيعي في المقام الأول من غاز الميثان، والذي يتضمن البيوتان والبروبان. وبصرف النظر عن المكونات الهيدروكربونية، يحتوي الوقود الأحفوري الموصوف على النيتروجين والكبريت والهيليوم والأرجون. وتوجد الأبخرة السائلة أيضًا، ولكن فقط في حقول الغاز والنفط.
أنواع الودائع
هناك عدة أنواع من رواسب الغاز. وهي مقسمة إلى الأنواع التالية:
- غاز؛
- زيت.
هُم سمة مميزةهو محتوى الهيدروكربون. تحتوي رواسب الغاز على ما يقرب من 85-90٪ من المادة الحالية، ولا تحتوي حقول النفط على أكثر من 50٪. أما النسب المتبقية فتشغلها مواد مثل البيوتان والبروبان والزيت.
العيب الكبير في إنتاج النفط هو التخلص منه أنواع مختلفةإضافات يستخدم الكبريت كشوائب في المؤسسات التقنية.
استهلاك الغاز الطبيعي
ويستخدم البيوتان كوقود في محطات وقود السيارات، كما تستخدم مادة عضوية تسمى البروبان لإعادة تعبئة القداحات. الأسيتيلين مادة شديدة الاشتعال وتستخدم في اللحام وقطع المعادن.
يستخدم الوقود الأحفوري في الحياة اليومية:
- أعمدة؛
- موقد غاز؛
يعتبر هذا النوع من الوقود هو الأكثر تكلفة وغير ضارة، والعيب الوحيد هو الانبعاثات ثاني أكسيد الكربونعندما تحترق في الغلاف الجوي. يبحث العلماء في جميع أنحاء الكوكب عن بديل للطاقة الحرارية.
القيمة الحرارية
القيمة الحرارية للغاز الطبيعي هي كمية الحرارة المتولدة عند حرق وحدة الوقود بشكل كافٍ. يشار إلى كمية الحرارة المنبعثة أثناء الاحتراق بواحد متر مكعبتؤخذ في الظروف الطبيعية.
يتم قياس السعة الحرارية للغاز الطبيعي بالمؤشرات التالية:
- سعر حراري/نانومتر 3؛
- سعر حراري / م 3.
هناك قيمة حرارية عالية ومنخفضة:
- عالي. يأخذ في الاعتبار حرارة بخار الماء المتولدة أثناء احتراق الوقود.
- قليل. ولا يأخذ في الاعتبار الحرارة الموجودة في بخار الماء، لأن هذه الأبخرة لا تتكثف، ولكنها تغادر مع منتجات الاحتراق. وبسبب تراكم بخار الماء فإنه يشكل كمية من الحرارة تعادل 540 سعرة حرارية/كجم. بالإضافة إلى ذلك، عندما يبرد المكثف، تخرج الحرارة من 80 إلى مائة سعرة حرارية/كجم. بشكل عام، بسبب تراكم بخار الماء، يتكون أكثر من 600 سعرة حرارية/كجم، وهذه هي السمة المميزة بين إنتاج الحرارة العالية والمنخفضة.
بالنسبة للغالبية العظمى من الغازات المستهلكة في نظام توزيع الوقود في المناطق الحضرية، فإن الفرق يعادل 10٪. ومن أجل تزويد المدن بالغاز، يجب أن تكون قيمته الحرارية أكثر من 3500 سعرة حرارية/نم3. ويفسر ذلك حقيقة أن الإمداد يتم عبر خط أنابيب لمسافات طويلة. وإذا كانت القيمة الحرارية منخفضة، فإن عرضها يزداد.
إذا كانت القيمة الحرارية للغاز الطبيعي أقل من 3500 كيلو كالوري/نانومتر3، فإنه يستخدم في الغالب في الصناعة. ولا يلزم نقله لمسافات طويلة، ويصبح الاحتراق أسهل بكثير. تتطلب التغييرات الخطيرة في القيمة الحرارية للغاز تعديلاً متكررًا واستبدالًا في بعض الأحيان كمية كبيرةالشعلات الموحدة لأجهزة الاستشعار المنزلية، الأمر الذي يؤدي إلى صعوبات.
ويؤدي هذا الوضع إلى زيادة أقطار خطوط أنابيب الغاز، فضلا عن زيادة تكاليف المعادن وتركيب الشبكة وتشغيلها. العيب الكبير للوقود الأحفوري منخفض السعرات الحرارية هو المحتوى الضخم من أول أكسيد الكربون، مما يزيد من مستوى التهديد أثناء تشغيل الوقود وصيانة خطوط الأنابيب، وكذلك المعدات.
الحرارة المنبعثة أثناء الاحتراق، والتي لا تتجاوز 3500 كيلو كالوري / نانومتر 3، غالبا ما تستخدم في الإنتاج الصناعيحيث ليس من الضروري نقله لمسافة طويلة ويتسبب في احتراقه بسهولة.
تعرض الجداول الحرارة النوعية للكتلة لاحتراق الوقود (السائل والصلب والغازي) وبعض المواد الأخرى القابلة للاحتراق. تم أخذ أنواع الوقود التالية بعين الاعتبار: الفحم، الحطب، فحم الكوك، الخث، الكيروسين، الزيت، الكحول، البنزين، الغاز الطبيعي، إلخ.
قائمة جداول:
أثناء التفاعل الطارد للحرارة لأكسدة الوقود، تتحول طاقته الكيميائية إلى طاقة حرارية مع إطلاق كمية معينة من الحرارة. النتيجة طاقة حراريةوتسمى عادة حرارة احتراق الوقود. يعتمد ذلك على تركيبته الكيميائية والرطوبة وهو العامل الرئيسي. تشكل حرارة احتراق الوقود لكل 1 كجم من الكتلة أو 1 م 3 من الحجم كتلة الاحتراق أو الحرارة النوعية الحجمية.
الحرارة النوعية لاحتراق الوقود هي كمية الحرارة المنبعثة أثناء الاحتراق الكامل لوحدة الكتلة أو الحجم من الوقود الصلب أو السائل أو الغازي. في النظام الدولي للوحدات، يتم قياس هذه القيمة بـ J/kg أو J/m 3.
يمكن تحديد الحرارة النوعية لاحتراق الوقود تجريبياً أو حسابها تحليلياً.تعتمد الطرق التجريبية لتحديد القيمة الحرارية على القياس العملي لكمية الحرارة المنبعثة عند احتراق الوقود، على سبيل المثال في مقياس السعرات الحرارية المزود بمنظم حرارة وقنبلة احتراق. للوقود مع المعروف التركيب الكيميائييمكن تحديد الحرارة النوعية للاحتراق باستخدام صيغة مندليف.
هناك درجات حرارة محددة أعلى وأدنى للاحتراق.القيمة الحرارية الأعلى هي أقصى عددالحرارة المنبعثة أثناء الاحتراق الكامل للوقود، مع مراعاة الحرارة المنبعثة من تبخر الرطوبة الموجودة في الوقود. أقل حرارة احتراق أقل من أعلى قيمة بكمية حرارة التكثف التي تتشكل من رطوبة الوقود والهيدروجين من الكتلة العضوية والذي يتحول إلى ماء أثناء الاحتراق.
لتحديد مؤشرات جودة الوقود، وكذلك في الحسابات الحرارية عادة ما تستخدم حرارة احتراق محددة أقلوالتي تعتبر من أهم الخصائص الحرارية والأداءية للوقود وهي موضحة في الجداول أدناه.
الحرارة النوعية لاحتراق الوقود الصلب (الفحم، الحطب، الخث، فحم الكوك)
يعرض الجدول قيم الحرارة النوعية لاحتراق الوقود الصلب الجاف في البعد MJ/kg. يتم ترتيب الوقود في الجدول حسب الاسم حسب الترتيب الأبجدي.
من بين أنواع الوقود الصلب التي تم أخذها في الاعتبار، يتمتع فحم الكوك بأعلى قيمة حرارية - تبلغ حرارة احتراقه النوعية 36.3 ميجا جول/كجم (أو في وحدات النظام الدولي 36.3·10 6 جول/كجم). وبالإضافة إلى ذلك، فإن حرارة الاحتراق العالية هي سمة من سمات الفحم، والأنثراسايت، فحموالفحم البني .
تشمل أنواع الوقود ذات كفاءة الطاقة المنخفضة الخشب والحطب والبارود وخث الطحن والصخر الزيتي. على سبيل المثال، الحرارة النوعية لاحتراق الحطب هي 8.4...12.5، والحرارة النوعية لاحتراق البارود هي 3.8 ميجا جول/كجم فقط.
| وقود | |
|---|---|
| أنثراسايت | 26,8…34,8 |
| الكريات الخشبية (الكريات) | 18,5 |
| الحطب الجاف | 8,4…11 |
| حطب البتولا الجاف | 12,5 |
| فحم الكوك الغاز | 26,9 |
| فحم الكوك الانفجار | 30,4 |
| شبه فحم الكوك | 27,3 |
| مسحوق | 3,8 |
| لائحة | 4,6…9 |
| الصخر الزيتي | 5,9…15 |
| وقود الصواريخ الصلب | 4,2…10,5 |
| الخث | 16,3 |
| الخث الليفي | 21,8 |
| الخث المطحون | 8,1…10,5 |
| فتات الخث | 10,8 |
| الفحم البني | 13…25 |
| الفحم البني (قوالب) | 20,2 |
| الفحم البني (الغبار) | 25 |
| الفحم دونيتسك | 19,7…24 |
| فحم | 31,5…34,4 |
| فحم | 27 |
| فحم الكوك | 36,3 |
| الفحم كوزنتسك | 22,8…25,1 |
| الفحم تشيليابينسك | 12,8 |
| فحم إيكيباستوز | 16,7 |
| فريستورف | 8,1 |
| الخبث | 27,5 |
الحرارة النوعية لاحتراق الوقود السائل (الكحول والبنزين والكيروسين والزيت)
يوجد جدول للحرارة النوعية لاحتراق الوقود السائل وبعض السوائل العضوية الأخرى. تجدر الإشارة إلى أن أنواع الوقود مثل البنزين ووقود الديزل والزيت تتميز بإطلاق حرارة عالية أثناء الاحتراق.
الحرارة النوعية لاحتراق الكحول والأسيتون أقل بكثير من وقود المحركات التقليدية. بالإضافة إلى ذلك، فإن وقود الصواريخ السائل له قيمة حرارية منخفضة نسبيًا، ومع الاحتراق الكامل لـ 1 كجم من هذه الهيدروكربونات، سيتم إطلاق كمية من الحرارة تساوي 9.2 و13.3 ميجا جول، على التوالي.
| وقود | حرارة الاحتراق النوعية MJ/kg |
|---|---|
| الأسيتون | 31,4 |
| البنزين A-72 (GOST 2084-67) | 44,2 |
| بنزين الطيران B-70 (GOST 1012-72) | 44,1 |
| البنزين AI-93 (GOST 2084-67) | 43,6 |
| البنزين | 40,6 |
| وقود الديزل الشتوي (GOST 305-73) | 43,6 |
| وقود الديزل الصيفي (GOST 305-73) | 43,4 |
| وقود الصواريخ السائل (الكيروسين + الأكسجين السائل) | 9,2 |
| كيروسين الطيران | 42,9 |
| الكيروسين للإضاءة (GOST 4753-68) | 43,7 |
| زيلين | 43,2 |
| زيت الوقود عالي الكبريت | 39 |
| زيت الوقود منخفض الكبريت | 40,5 |
| زيت الوقود منخفض الكبريت | 41,7 |
| زيت الوقود الكبريتي | 39,6 |
| كحول الميثيل (الميثانول) | 21,1 |
| ن- كحول البوتيل | 36,8 |
| زيت | 43,5…46 |
| زيت الميثان | 21,5 |
| التولوين | 40,9 |
| الروح البيضاء (غوست 313452) | 44 |
| أثلين كلايكول | 13,3 |
| الكحول الإيثيلي (الإيثانول) | 30,6 |
الحرارة النوعية لاحتراق الوقود الغازي والغازات القابلة للاحتراق
يتم عرض جدول للحرارة النوعية لاحتراق الوقود الغازي وبعض الغازات الأخرى القابلة للاحتراق في البعد MJ/kg. ومن بين الغازات التي تم أخذها بعين الاعتبار، فهو يتمتع بأعلى كتلة من حرارة الاحتراق النوعية. سيؤدي الاحتراق الكامل لكيلوجرام واحد من هذا الغاز إلى إطلاق 119.83 ميجا جول من الحرارة. كما أن الوقود مثل الغاز الطبيعي له قيمة حرارية عالية - تبلغ الحرارة النوعية لاحتراق الغاز الطبيعي 41...49 ميجا جول/كجم (بالنسبة للغاز النقي تبلغ 50 ميجا جول/كجم).
| وقود | حرارة الاحتراق النوعية MJ/kg |
|---|---|
| 1- البيوتين | 45,3 |
| الأمونيا | 18,6 |
| الأسيتيلين | 48,3 |
| هيدروجين | 119,83 |
| الهيدروجين، خليط مع الميثان (50% H2 و50% CH4 بالوزن) | 85 |
| الهيدروجين، خليط مع الميثان وأول أكسيد الكربون (33-33-33% بالوزن) | 60 |
| الهيدروجين، خليط مع أول أكسيد الكربون (50% H2 50% CO2 بالوزن) | 65 |
| غاز الفرن العالي | 3 |
| فرن غاز كوكا | 38,5 |
| غاز الهيدروكربون المسال غاز البترول المسال (البروبان-البيوتان) | 43,8 |
| الأيزوبيوتان | 45,6 |
| الميثان | 50 |
| ن- البيوتان | 45,7 |
| ن-الهكسان | 45,1 |
| ن-بنتان | 45,4 |
| الغاز المصاحب | 40,6…43 |
| غاز طبيعي | 41…49 |
| البروبادين | 46,3 |
| البروبان | 46,3 |
| البروبيلين | 45,8 |
| البروبيلين، خليط مع الهيدروجين وأول أكسيد الكربون (90%-9%-1% بالوزن) | 52 |
| الإيثان | 47,5 |
| الإيثيلين | 47,2 |
الحرارة النوعية لاحتراق بعض المواد القابلة للاحتراق
يتم توفير جدول للحرارة النوعية لاحتراق بعض المواد القابلة للاحتراق (الخشب والورق والبلاستيك والقش والمطاط وغيرها). وتجدر الإشارة إلى المواد ذات الحرارة العالية المنبعثة أثناء الاحتراق. وتشمل هذه المواد: المطاط أنواع مختلفةوالبوليسترين (الرغوة) والبولي بروبيلين والبولي إيثيلين.
| وقود | حرارة الاحتراق النوعية MJ/kg |
|---|---|
| ورق | 17,6 |
| جلدي | 21,5 |
| الخشب (القضبان التي تحتوي على نسبة رطوبة 14٪) | 13,8 |
| الخشب في أكوام | 16,6 |
| خشب البلوط | 19,9 |
| خشب الصنوبر | 20,3 |
| الخشب الأخضر | 6,3 |
| خشب الصنوبر | 20,9 |
| كابرون | 31,1 |
| منتجات الكاربوليت | 26,9 |
| ورق مقوى | 16,5 |
| مطاط ستايرين بوتادين SKS-30AR | 43,9 |
| المطاط الطبيعي | 44,8 |
| مطاط صناعي | 40,2 |
| اس كي اس المطاط | 43,9 |
| مطاط الكلوروبرين | 28 |
| مشمع البولي فينيل كلوريد | 14,3 |
| طبقة مزدوجة من مشمع البولي فينيل كلورايد | 17,9 |
| مشمع البولي فينيل كلورايد على أساس اللباد | 16,6 |
| مشمع البولي فينيل كلورايد ذو القاعدة الدافئة | 17,6 |
| مشمع البولي فينيل كلوريد القائم على القماش | 20,3 |
| مشمع مطاطي (ريلين) | 27,2 |
| البارافين البارافين | 11,2 |
| رغوة البوليسترين PVC-1 | 19,5 |
| رغوة بلاستيكية FS-7 | 24,4 |
| رغوة بلاستيكية FF | 31,4 |
| البوليسترين الموسع PSB-S | 41,6 |
| رغوة البولي يوريثان | 24,3 |
| اللوح الليفي | 20,9 |
| كلوريد البوليفينيل (PVC) | 20,7 |
| البولي | 31 |
| البولي بروبلين | 45,7 |
| البوليسترين | 39 |
| البولي إيثيلين عالي الضغط | 47 |
| البولي إيثيلين منخفض الضغط | 46,7 |
| ممحاة | 33,5 |
| روبيرويد | 29,5 |
| قناة السخام | 28,3 |
| القش | 16,7 |
| قَشَّة | 17 |
| الزجاج العضوي (زجاج شبكي) | 27,7 |
| تكستوليت | 20,9 |
| تول | 16 |
| تي ان تي | 15 |
| قطن | 17,5 |
| السليلوز | 16,4 |
| ألياف الصوف والصوف | 23,1 |
مصادر:
- GOST 147-2013 الوقود المعدني الصلب. تحديد القيمة الحرارية الأعلى وحساب القيمة الحرارية الأقل.
- GOST 21261-91 المنتجات البترولية. طريقة تحديد القيمة الحرارية الأعلى وحساب القيمة الحرارية الأقل.
- GOST 22667-82 الغازات الطبيعية القابلة للاشتعال. طريقة حسابية لتحديد القيمة الحرارية والكثافة النسبية ورقم Wobbe.
- غوست 31369-2008 الغاز الطبيعي. حساب القيمة الحرارية والكثافة والكثافة النسبية ورقم Wobbe على أساس تكوين المكون.
- Zemsky G. T. الخصائص القابلة للاشتعال للمواد غير العضوية والعضوية: كتاب مرجعي M.: VNIIPO، 2016 - 970 ص.
الخصائص الفيزيائية والكيميائية للغازات الطبيعية
الغازات الطبيعية ليس لها لون ولا رائحة ولا طعم.
تشمل المؤشرات الرئيسية للغازات الطبيعية: التركيب والقيمة الحرارية والكثافة ودرجة حرارة الاحتراق والاشتعال وحدود الانفجار وضغط الانفجار.
تتكون الغازات الطبيعية المستخرجة من حقول الغاز النقي بشكل رئيسي من غاز الميثان (82-98%) والمواد الهيدروكربونية الأخرى.
يحتوي الغاز القابل للاحتراق على مواد قابلة للاشتعال وغير قابلة للاشتعال. تشمل الغازات القابلة للاحتراق: الهيدروكربونات والهيدروجين وكبريتيد الهيدروجين. وتشمل الغازات غير القابلة للاشتعال: ثاني أكسيد الكربون والأكسجين والنيتروجين وبخار الماء. تركيبتها منخفضة وتبلغ 0.1-0.3% C02 و1-14% N2. بعد الاستخراج، تتم إزالة غاز كبريتيد الهيدروجين السام من الغاز، والذي يجب ألا يتجاوز محتواه 0.02 جم / م 3.
حرارة الاحتراق هي كمية الحرارة المنبعثة أثناء الاحتراق الكامل لـ 1 م 3 من الغاز. يتم قياس حرارة الاحتراق بـ كيلو كالوري / م 3، كيلو جول / م 3 من الغاز. القيمة الحرارية للغاز الطبيعي الجاف هي 8000-8500 كيلو كالوري/م3.
القيمة المحسوبة على أساس نسبة كتلة المادة إلى حجمها تسمى كثافة المادة. يتم قياس الكثافة بالكيلوجرام / م 3. تعتمد كثافة الغاز الطبيعي بشكل كامل على تركيبته وتقع في النطاق c = 0.73-0.85 كجم/م3.
الميزة الأكثر أهميةأي غاز قابل للاحتراق هو الحرارة الناتجة، أي أقصى درجة حرارة يتم تحقيقها أثناء الاحتراق الكامل للغاز، إذا كانت كمية الهواء المطلوبة للاحتراق تتوافق تمامًا مع الصيغ الكيميائية للاحتراق، وكانت درجة الحرارة الأولية للغاز والهواء صفرًا.
يبلغ الناتج الحراري للغازات الطبيعية حوالي 2000 -2100 درجة مئوية، والميثان - 2043 درجة مئوية. درجة حرارة الاحتراق الفعلية في الأفران أقل بكثير من الحرارة الناتجة وتعتمد على ظروف الاحتراق.
درجة حرارة الاشتعال هي درجة حرارة خليط الهواء والوقود الذي يشتعل عنده الخليط بدون مصدر اشتعال. بالنسبة للغاز الطبيعي، تتراوح درجة حرارته بين 645-700 درجة مئوية.
جميع الغازات القابلة للاشتعال قابلة للانفجار ويمكن أن تشتعل إذا تعرضت للهب المكشوف أو الشرارة. يميز حد التركيز الأدنى والأعلى لانتشار اللهب ، أي. التركيز السفلي والعلوي الذي يمكن عنده انفجار الخليط. الحد الأدنى للانفجار للغازات هو 3÷6%، والحد الأعلى 12÷16%.
حدود المتفجرة.
خليط غاز-هواء يحتوي على الكمية التالية من الغاز:
ما يصل إلى 5٪ - لا يضيء؛
من 5 إلى 15% - ينفجر؛
أكثر من 15% - يحترق عند إمداد الهواء.
الضغط أثناء انفجار الغاز الطبيعي هو 0.8-1.0 ميجا باسكال.
جميع الغازات القابلة للاشتعال يمكن أن تسبب التسمم لجسم الإنسان. المواد السامة الرئيسية هي: أول أكسيد الكربون (CO)، كبريتيد الهيدروجين (H 2 S)، الأمونيا (NH 3).
الغاز الطبيعي ليس له رائحة. ومن أجل اكتشاف التسرب، يتم شم الغاز (أي إعطاؤه رائحة معينة). تتم عملية الروائح باستخدام إيثيل مركابتان. تتم عملية الروائح في محطات توزيع الغاز (GDS). عندما يدخل 1% من الغاز الطبيعي إلى الهواء، تبدأ رائحته بالظهور. وتبين الممارسة أن متوسط معدل إيثيل مركبتان لرائحة الغاز الطبيعي الذي يدخل شبكات المدينة يجب أن يكون 16 جرامًا لكل 1000 متر مكعب من الغاز.
بالمقارنة مع الوقود الصلب والسائل، يتمتع الغاز الطبيعي بالعديد من المزايا:
الرخص النسبي، وهو ما أوضحه أكثر الطريق السهلالتعدين والنقل.
لا يوجد رماد أو إطلاق جزيئات صلبة في الغلاف الجوي؛
قيمة حرارية عالية
لا يلزم تحضير الوقود للاحتراق؛
تسهيل عمل عمال الخدمة وتحسين الظروف الصحية والصحية لعملهم؛
تم تبسيط شروط أتمتة عمليات العمل.
بسبب التسربات المحتملة من خلال التسربات في توصيلات وتركيبات خطوط أنابيب الغاز، فإن استخدام الغاز الطبيعي يتطلب عناية وحذرًا خاصين. يمكن أن يؤدي اختراق أكثر من 20٪ من الغاز إلى الغرفة إلى الاختناق، وإذا كان موجودا في حجم مغلق، فإن 5 إلى 15٪ يمكن أن يسبب انفجار خليط الغاز والهواء. الاحتراق غير الكامل ينتج مادة سامة أول أكسيد الكربونثاني أكسيد الكربون، والذي يؤدي حتى بتركيزات صغيرة إلى تسمم أفراد الخدمة.
تنقسم الغازات الطبيعية حسب مصدرها إلى مجموعتين: الجافة والدهنية.
جافالغازات هي غازات ذات أصل معدني وتوجد في المناطق المرتبطة بالنشاط البركاني الحالي أو الماضي. تتكون الغازات الجافة بشكل حصري تقريبًا من الميثان مع محتوى ضئيل من مكونات الصابورة (النيتروجين وثاني أكسيد الكربون) ولها قيمة حرارية Qn = 7000÷9000 كيلو كالوري/نانومتر3.
سمينتصاحب الغازات حقول النفط وتتراكم عادة في الطبقات العليا. الغازات الرطبة، من حيث أصلها، قريبة من النفط وتحتوي على العديد من الهيدروكربونات القابلة للتكثيف بسهولة. القيمة الحرارية للغازات السائلة Qn=8000-15000 سعرة حرارية/nm3
تشمل مزايا الوقود الغازي سهولة النقل والاحتراق، وغياب الرماد والرطوبة، والبساطة الكبيرة لمعدات الغلايات.
جنبا إلى جنب مع الغازات الطبيعيةكما يتم استخدام الغازات الاصطناعية القابلة للاشتعال التي يتم الحصول عليها أثناء المعالجة الوقود الصلبأو نتيجة تشغيل المنشآت الصناعية كغازات نفايات. تتكون الغازات الصناعية من الغازات القابلة للاشتعال الناتجة عن الاحتراق غير الكامل للوقود وغازات الصابورة وبخار الماء وتنقسم إلى غنية وفقيرة، ويبلغ متوسط قيمتها الحرارية 4500 كيلو كالوري/م3 و1300 كيلو كالوري/م3 على التوالي. تركيب الغازات: الهيدروجين والميثان والمركبات الهيدروكربونية الأخرى CmHn وكبريتيد الهيدروجين H2S والغازات غير القابلة للاشتعال وثاني أكسيد الكربون والأكسجين والنيتروجين وكمية صغيرة من بخار الماء. الصابورة - النيتروجين وثاني أكسيد الكربون.
وهكذا يمكن تمثيل تركيبة الوقود الغازي الجاف على أنها خليط من العناصر التالية:
CO + H 2 + ∑CmHn + H 2 S + CO 2 + O 2 + N 2 =100%.
يتم التعبير عن تركيبة الوقود الغازي الرطب على النحو التالي:
CO + H 2 + ∑CmHn + H 2 S + CO 2 + O 2 + N 2 + H 2 O = 100%.
حرارة الاحتراق جاف يتم تحديد الوقود الغازي كيلو جول / م 3 (كيلو كالوري / م 3) لكل 1 م 3 من الغاز في الظروف العادية على النحو التالي:
كيو = 0.01،
حيث Qi هي حرارة احتراق الغاز المقابل.
وترد القيمة الحرارية للوقود الغازي في الجدول 3.
انفجار الغازتشكلت أثناء صهر الحديد الزهر أفران الانفجار. يعتمد إنتاجه وتركيبه الكيميائي على خصائص الشحنة والوقود وطريقة تشغيل الفرن وطرق تكثيف العملية وعوامل أخرى. ويتراوح إنتاج الغاز من 1500-2500 م3 لكل طن من الحديد الزهر. تبلغ حصة المكونات غير القابلة للاحتراق (N 2 و CO 2) في غاز الفرن العالي حوالي 70٪، مما يحدد أدائه الحراري المنخفض (القيمة الحرارية المنخفضة للغاز هي 3-5 ميجا جول / م 3).
عند حرق غاز الفرن العالي، تكون درجة الحرارة القصوى لمنتجات الاحتراق (دون مراعاة فقدان الحرارة واستهلاك الحرارة لتفكك ثاني أكسيد الكربون وH2O) هي 400-1500 درجة مئوية. إذا تم تسخين الغاز والهواء قبل الاحتراق يمكن زيادة درجة حرارة منتجات الاحتراق بشكل ملحوظ.
غاز السبائك الحديديةيتم تشكيلها أثناء صهر السبائك الحديدية في أفران اختزال الخام. يمكن استخدام الغاز المنبعث من الأفران المغلقة كوقود SER (موارد الطاقة الثانوية). في الأفران المفتوحة، بسبب حرية الوصول إلى الهواء، يحترق الغاز في الأعلى. يعتمد إنتاج وتكوين غاز السبائك الحديدية على درجة صهره
السبائك، تكوين الشحنة، وضع تشغيل الفرن، قوته، إلخ. تكوين الغاز: 50-90% ثاني أكسيد الكربون، 2-8% H2، 0.3-1% CH4، O2<1%, 2-5% CO 2 , остальное N 2 . Максимальная температура продуктов сгорания равна 2080 ^0 C. Запылённость газа составляет 30-40 г/м^3 .
محول الغازتتشكل أثناء صهر الفولاذ في محولات الأكسجين. يتكون الغاز بشكل رئيسي من أول أكسيد الكربون، ويختلف إنتاجه وتركيبه بشكل كبير أثناء الصهر. بعد التنقية، يكون تكوين الغاز تقريبًا كما يلي: 70-80% CO؛ 15-20% ثاني أكسيد الكربون؛ 0.5-0.8% يا 2؛ 3-12% ن2. حرارة احتراق الغاز هي 8.4-9.2 ميجا جول/م3. تصل درجة حرارة الاحتراق القصوى إلى 2000 درجة مئوية.
غاز الكوكتشكلت أثناء فحم الكوك من خليط الفحم. في المعادن الحديدية يتم استخدامه بعد استخراج المنتجات الكيميائية. يعتمد تكوين غاز فرن فحم الكوك على خصائص شحنة الفحم وظروف فحم الكوك. الأجزاء الحجمية للمكونات الموجودة في الغاز تقع ضمن الحدود التالية %: 52-62H 2 ; 0.3-0.6 يا 2؛ 23.5-26.5 الفصل 4؛ 5.5-7.7 ثاني أكسيد الكربون؛ 1.8-2.6 ثاني أكسيد الكربون . حرارة الاحتراق هي 17-17.6 ميجا جول/م^3، أقصى درجة حرارة لمنتجات الاحتراق هي 2070 درجة مئوية.
ينقسم الوقود الغازي إلى طبيعي وصناعي وهو عبارة عن خليط من الغازات القابلة للاشتعال وغير القابلة للاشتعال ويحتوي على كمية معينة من بخار الماء وأحيانا الغبار والقطران. يتم التعبير عن كمية وقود الغاز بالمتر المكعب في الظروف العادية (760 ملم زئبق و0 درجة مئوية)، ويتم التعبير عن التركيب كنسبة مئوية من حيث الحجم. يُفهم تكوين الوقود على أنه تكوين الجزء الغازي الجاف.
وقود الغاز الطبيعي
وقود الغاز الأكثر شيوعًا هو الغاز الطبيعي، الذي يحتوي على قيمة حرارية عالية. أساس الغاز الطبيعي هو الميثان الذي يتراوح محتواه بين 76.7 و 98٪. تشتمل المركبات الهيدروكربونية الغازية الأخرى على الغاز الطبيعي من 0.1 إلى 4.5%.
الغاز المسال هو أحد منتجات تكرير النفط - ويتكون بشكل أساسي من خليط من البروبان والبيوتان.
الغاز الطبيعي (CNG، NG): الميثان CH4 أكثر من 90%، الإيثان C2 H5 أقل من 4%، البروبان C3 H8 أقل من 1%
الغاز المسال (LPG): البروبان C3 H8 أكثر من 65%، البيوتان C4 H10 أقل من 35%
تشتمل تركيبة الغازات القابلة للاشتعال على: الهيدروجين H2 والميثان CH4 والمركبات الهيدروكربونية الأخرى CmHn وكبريتيد الهيدروجين H2S والغازات غير القابلة للاشتعال وثاني أكسيد الكربون CO2 والأكسجين O2 والنيتروجين N2 وكمية قليلة من بخار الماء H2O. مو صفي C وH تميز مركبات الهيدروكربونات المختلفة، على سبيل المثال الميثان CH 4 ر = 1 و ن= 4 للإيثان C 2 N ب ر = 2و ن= ب، الخ.
تكوين الوقود الغازي الجاف (النسبة المئوية من حيث الحجم):
CO + H 2 + 2 C m H n + ح 2 ق + ثاني أكسيد الكربون 2 + أو 2 + ن 2 = 100%.
يتكون الجزء غير القابل للاحتراق من وقود الغاز الجاف - الصابورة - من النيتروجين N وثاني أكسيد الكربون CO 2.
يتم التعبير عن تركيبة الوقود الغازي الرطب على النحو التالي:
CO + H 2 + Σ C m H n + ح 2 ق + ثاني أكسيد الكربون 2 + يا 2 + ن 2 + ح 2 يا = 100%.
يتم تحديد حرارة الاحتراق، كيلوجول/م (كيلو كالوري/م3)، 1 م3 من الغاز الجاف النقي في الظروف العادية على النحو التالي:
س ن ق = 0.01،
حيث Qso، Q n 2، Q c m n n Q n 2 س. - حرارة احتراق الغازات الفردية الموجودة في الخليط، كيلو جول/م 3 (كيلو كالوري/م 3)؛ ثاني أكسيد الكربون، ح 2،سم ح ن، ح 2 ق - المكونات التي يتكون منها خليط الغاز % من حيث الحجم.
القيمة الحرارية لـ 1 م3 من الغاز الطبيعي الجاف في الظروف العادية لمعظم الحقول المحلية هي 33.29 - 35.87 ميجا جول/م3 (7946 - 8560 كيلو كالوري/م3). وترد خصائص الوقود الغازي في الجدول 1.
مثال.حدد القيمة الحرارية الدنيا للغاز الطبيعي (في الظروف العادية) بالتركيبة التالية:
ح 2 ق = 1%؛ CH 4 = 76.7%؛ ج 2 ح 6 = 4.5%; ج 3 ح 8 = 1.7%; ج 4 ح 10 = 0.8%; ج5 ح12 = 0.6%.
باستبدال خصائص الغازات من الجدول 1 في الصيغة (26)، نحصل على:
س نس = 0.01 = 33981 كيلوجول/م3 أو
س نس = 0.01 (5585.1 + 8555 76.7 + 15 226 4.5 + 21 795 1.7 + 28 338 0.8 + 34 890 0.6) = 8109 سعرة حرارية / م 3.
الجدول 1. خصائص الوقود الغازي
|
غاز |
تعيين |
حرارة الاحتراقس ن ق |
|
|
كيلوجول/م3 |
سعر حراري/م3 |
||
| هيدروجين | ن، | 10820 | 2579 |
| أول أكسيد الكربون | شركة | 12640 | 3018 |
| كبريتيد الهيدروجين | ح 2 س | 23450 | 5585 |
| الميثان | الفصل 4 | 35850 | 8555 |
| الإيثان | ج2ح6 | 63 850 | 15226 |
| البروبان | ج3ح8 | 91300 | 21795 |
| البيوتان | ج4ح10 | 118700 | 22338 |
| البنتان | ج5ح12 | 146200 | 34890 |
| الإيثيلين | ج2ح4 | 59200 | 14107 |
| البروبيلين | ج3ح6 | 85980 | 20541 |
| بوتيلين | ج4ح8 | 113 400 | 27111 |
| البنزين | ج6ح6 | 140400 | 33528 |
تستهلك الغلايات من النوع DE من 71 إلى 75 م3 من الغاز الطبيعي لإنتاج طن واحد من البخار. تكلفة الغاز في روسيا اعتبارا من سبتمبر 2008. هو 2.44 روبل لكل متر مكعب. لذلك، فإن طن البخار سيكلف 71 × 2.44 = 173 روبل 24 كوبيل. التكلفة الحقيقية لطن البخار في المصانع لغلايات DE لا تقل عن 189 روبل لكل طن من البخار.
تستهلك الغلايات من النوع DKVR من 103 إلى 118 مترًا مكعبًا من الغاز الطبيعي لإنتاج طن واحد من البخار. الحد الأدنى للتكلفة المقدرة لطن البخار لهذه الغلايات هو 103 × 2.44 = 251 روبل 32 كوبيل. التكلفة الحقيقية للبخار في المصانع لا تقل عن 290 روبل للطن.
كيف يتم حساب الحد الأقصى لاستهلاك الغاز الطبيعي للغلاية البخارية DE-25؟ هذه هي الخصائص التقنية للغلاية. 1840 مكعب في الساعة. ولكن يمكنك أيضًا الحساب. 25 طن (25 ألف كجم) يجب ضربها بالفرق بين أنتالبية البخار والماء (666.9-105) وكل هذا مقسوما على كفاءة الغلاية 92.8% وحرارة احتراق الغاز. 8300. وهذا كل شيء
وقود الغاز الاصطناعي
تعتبر الغازات الصناعية القابلة للاحتراق وقودًا ذا أهمية محلية لأنها تحتوي على قيمة حرارية أقل بكثير. عناصرها الرئيسية القابلة للاحتراق هي أول أكسيد الكربون CO والهيدروجين H2. وتستخدم هذه الغازات ضمن منطقة الإنتاج حيث يتم الحصول عليها كوقود للمحطات التكنولوجية ومحطات الطاقة.
جميع الغازات الطبيعية والاصطناعية القابلة للاشتعال قابلة للانفجار ويمكن أن تشتعل في اللهب المكشوف أو الشرارة. هناك حدود انفجارية دنيا وعليا للغاز، أي. أعلى وأدنى تركيز له في الهواء. ويتراوح الحد الأدنى للانفجار للغازات الطبيعية من 3% إلى 6%، والحد الأعلى من 12% إلى 16%. جميع الغازات القابلة للاشتعال يمكن أن تسبب التسمم لجسم الإنسان. المواد السامة الرئيسية للغازات القابلة للاشتعال هي: أول أكسيد الكربون CO، كبريتيد الهيدروجين H2S، الأمونيا NH3.
الغازات الطبيعية القابلة للاشتعال والغازات الصناعية عديمة اللون (غير مرئية) وعديمة الرائحة، مما يجعلها خطيرة إذا دخلت إلى داخل غرفة المرجل من خلال التسربات في تجهيزات أنابيب الغاز. لتجنب التسمم، يجب معالجة الغازات القابلة للاشتعال باستخدام مادة ذات رائحة كريهة.
إنتاج أول أكسيد الكربون في الصناعة عن طريق تغويز الوقود الصلب
وللأغراض الصناعية، يتم الحصول على أول أكسيد الكربون عن طريق تحويل الوقود الصلب إلى غاز، أي تحويله إلى وقود غازي. بهذه الطريقة يمكنك الحصول على أول أكسيد الكربون من أي وقود صلب - الفحم الأحفوري، الخث، الحطب، إلخ.
تظهر عملية تغويز الوقود الصلب في تجربة معملية (الشكل 1). بعد ملء الأنبوب الحراري بقطع من الفحم، نقوم بتسخينه بقوة ونسمح للأكسجين بالمرور من مقياس الغاز. نمرر الغازات الخارجة من الأنبوب من خلال غسالة بها ماء الجير ثم نشعلها في النار. يصبح ماء الجير غائما ويحترق الغاز بلهب مزرق. يشير هذا إلى وجود ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون CO في منتجات التفاعل.
يمكن تفسير تكوين هذه المواد من خلال حقيقة أنه عندما يتلامس الأكسجين مع الفحم الساخن، يتأكسد الأخير أولاً إلى ثاني أكسيد الكربون: ج + يا 2 = ثاني أكسيد الكربون 2
بعد ذلك، يمر ثاني أكسيد الكربون عبر الفحم الساخن، ويتحول جزئيًا إلى أول أكسيد الكربون: ثاني أكسيد الكربون 2 + ج = 2CO
أرز. 1. إنتاج أول أكسيد الكربون (تجربة مخبرية).
في الظروف الصناعية، يتم تحويل الوقود الصلب إلى غاز في أفران تسمى مولدات الغاز.
ويسمى الخليط الناتج من الغازات بغاز المولد.
يظهر جهاز مولد الغاز في الشكل. وهي عبارة عن أسطوانة فولاذية يبلغ ارتفاعها حوالي 5 موقطرها حوالي 3.5 م،مبطنة من الداخل بالطوب الحراري. يتم تحميل مولد الغاز بالوقود من الأعلى؛ من الأسفل، يتم توفير الهواء أو بخار الماء بواسطة مروحة من خلال الشبكة.
يتفاعل الأكسجين الموجود في الهواء مع الكربون الموجود في الوقود لتكوين ثاني أكسيد الكربون، الذي يرتفع عبر طبقة الوقود الساخن، ويختزل بواسطة الكربون إلى أول أكسيد الكربون.
إذا تم نفخ الهواء فقط في المولد، فإن النتيجة هي غاز يحتوي على أول أكسيد الكربون ونيتروجين الهواء (بالإضافة إلى كمية معينة من ثاني أكسيد الكربون والشوائب الأخرى). يسمى هذا الغاز المولد بغاز الهواء.
إذا تم نفخ بخار الماء في مولد باستخدام الفحم الساخن، فإن التفاعل يؤدي إلى تكوين أول أكسيد الكربون والهيدروجين: ج + ح 2 يا = كو + ح 2
ويسمى هذا الخليط من الغازات بغاز الماء. يحتوي غاز الماء على قيمة حرارية أعلى من غاز الهواء، حيث أن تكوينه، إلى جانب أول أكسيد الكربون، يتضمن أيضًا غازًا ثانيًا قابلاً للاشتعال - الهيدروجين. غاز الماء (غاز التوليف)، أحد منتجات تغويز الوقود. يتكون غاز الماء بشكل أساسي من ثاني أكسيد الكربون (40%) والهيدروجين (50%). يعتبر غاز الماء وقودًا (حرارة الاحتراق 10500 كيلوجول/م3، أو 2730 كيلو كالوري/مجم) وفي نفس الوقت مادة خام لتخليق كحول الميثيل. ومع ذلك، لا يمكن إنتاج غاز الماء لفترة طويلة، لأن تفاعل تكوينه يكون ماصًا للحرارة (مع امتصاص الحرارة)، وبالتالي يبرد الوقود الموجود في المولد. للحفاظ على الفحم في حالة ساخنة، يتم حقن بخار الماء في المولد بالتناوب مع حقن الهواء، والذي من المعروف أن الأكسجين الموجود فيه يتفاعل مع الوقود لإطلاق الحرارة.
في الآونة الأخيرة، أصبح انفجار الأكسجين البخاري يستخدم على نطاق واسع لتغويز الوقود. إن النفخ المتزامن لبخار الماء والأكسجين من خلال طبقة الوقود يسمح للعملية بالعمل بشكل مستمر، مما يزيد بشكل كبير من إنتاجية المولد وإنتاج الغاز الذي يحتوي على نسبة عالية من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون.
مولدات الغاز الحديثة هي أجهزة قوية للتشغيل المستمر.
لمنع الغازات القابلة للاشتعال والسامة من اختراق الغلاف الجوي عند تزويد مولد الغاز بالوقود، يتم تصنيع أسطوانة التحميل مزدوجة. بينما يدخل الوقود إلى حجرة واحدة من الأسطوانة، يتم سكب الوقود في المولد من حجرة أخرى؛ وعندما تدور الأسطوانة تتكرر هذه العمليات، ولكن يبقى المولد معزولاً عن الغلاف الجوي طوال الوقت. يتم التوزيع الموحد للوقود في المولد باستخدام مخروط يمكن تركيبه على ارتفاعات مختلفة. عندما يتم خفضه، يسقط الفحم بالقرب من مركز المولد، وعندما يتم رفع المخروط، يتم رمي الفحم بالقرب من جدران المولد.
تتم إزالة الرماد من مولد الغاز بشكل آلي. يتم تدوير الشبكة المخروطية الشكل ببطء بواسطة محرك كهربائي. في هذه الحالة، يتم إزاحة الرماد نحو جدران المولد، وباستخدام أجهزة خاصة، يتم تفريغه في صندوق الرماد، حيث يتم إزالته بشكل دوري.
تم إضاءة مصابيح الغاز الأولى في سانت بطرسبرغ في جزيرة أبتيكارسكي عام 1819. تم الحصول على الغاز المستخدم عن طريق تغويز الفحم. كان يطلق عليه الغاز المضيء.
العالم الروسي العظيم D. I. أعرب منديليف (1834-1907) لأول مرة عن فكرة أن تحويل الفحم إلى غاز يمكن أن يتم مباشرة تحت الأرض دون رفعه. لم تقدر الحكومة القيصرية هذا الاقتراح من مندليف.
فكرة التغويز تحت الأرض كانت مدعومة بحرارة من قبل لينين. ووصفه بأنه "أحد الانتصارات العظيمة للتكنولوجيا". تم تنفيذ عملية التغويز تحت الأرض لأول مرة من قبل الدولة السوفيتية. قبل الحرب الوطنية العظمى، كانت المولدات تحت الأرض تعمل في أحواض الفحم في منطقة دونيتسك وموسكو في الاتحاد السوفيتي.
ويرد في الشكل 3 فكرة عن إحدى طرق التغويز تحت الأرض. يتم وضع بئرين في خط الفحم، وهما متصلان أدناه بواسطة قناة. يتم إشعال الفحم في مثل هذه القناة بالقرب من أحد الآبار ويتم توفير الانفجار هناك. تتفاعل منتجات الاحتراق، التي تتحرك على طول القناة، مع الفحم الساخن، مما يؤدي إلى تكوين غاز قابل للاحتراق كما هو الحال في المولد التقليدي. ويأتي الغاز إلى السطح من خلال البئر الثاني.
يستخدم الغاز المنتج على نطاق واسع لتسخين الأفران الصناعية - أفران فحم الكوك المعدنية وكوقود في السيارات (الشكل 4).
أرز. 3. مخطط تغويز الفحم تحت الأرض.
يتم تصنيع عدد من المنتجات العضوية، مثل الوقود السائل، من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون في غاز الماء. الوقود السائل الاصطناعي هو وقود (البنزين بشكل أساسي) يتم الحصول عليه عن طريق التوليف من أول أكسيد الكربون والهيدروجين عند درجة حرارة 150-170 درجة مئوية وضغط يتراوح بين 0.7 - 20 MN/m2 (200 كجم/سم2)، في وجود محفز (النيكل، الحديد والكوبالت). تم تنظيم أول إنتاج للوقود السائل الاصطناعي في ألمانيا خلال الحرب العالمية الثانية بسبب نقص النفط. لا يستخدم الوقود السائل الاصطناعي على نطاق واسع بسبب تكلفته العالية. يستخدم غاز الماء لإنتاج الهيدروجين. وللقيام بذلك، يتم تسخين غاز الماء الممزوج ببخار الماء في وجود عامل محفز ونتيجة لذلك يتم الحصول على الهيدروجين بالإضافة إلى الهيدروجين الموجود بالفعل في غاز الماء: CO + H2O = CO2 + H2
5. التوازن الحراري للاحتراق
دعونا نفكر في طرق حساب التوازن الحراري لعملية احتراق الوقود الغازي والسائل والصلب. يأتي الحساب لحل المشكلات التالية.
· تحديد حرارة الاحتراق (القيمة الحرارية) للوقود.
· تحديد درجة حرارة الاحتراق النظرية.
5.1. حرارة الاحتراق
التفاعلات الكيميائية مصحوبة بإطلاق أو امتصاص الحرارة. عندما يتم إطلاق الحرارة، يسمى التفاعل طاردًا للحرارة، وعندما يتم امتصاص الحرارة، يسمى التفاعل ماصًا للحرارة. جميع تفاعلات الاحتراق طاردة للحرارة، ومنتجات الاحتراق عبارة عن مركبات طاردة للحرارة.
تسمى الحرارة المنطلقة (أو الممتصة) أثناء التفاعل الكيميائي بحرارة التفاعل. في التفاعلات الطاردة للحرارة تكون إيجابية، وفي التفاعلات الماصة للحرارة تكون سلبية. يكون تفاعل الاحتراق مصحوبًا دائمًا بإطلاق الحرارة. حرارة الاحتراق س ز(J/mol) هي كمية الحرارة المنبعثة أثناء الاحتراق الكامل لمول واحد من المادة وتحويل المادة القابلة للاحتراق إلى منتجات الاحتراق الكامل. المول هو وحدة SI الأساسية لكمية المادة. المول الواحد هو كمية المادة التي تحتوي على نفس عدد الجزيئات (الذرات والجزيئات وما إلى ذلك) الموجودة في 12 جم من نظير الكربون 12. كتلة كمية من المادة تساوي 1 مول (الكتلة الجزيئية أو المولية) تتطابق عدديًا مع الكتلة الجزيئية النسبية لهذه المادة.
على سبيل المثال، الوزن الجزيئي النسبي للأكسجين (O 2) هو 32، وثاني أكسيد الكربون (CO 2) هو 44، والأوزان الجزيئية المقابلة ستكون M = 32 جم/مول وM = 44 جم/مول. وبالتالي فإن المول الواحد من الأكسجين يحتوي على 32 جرامًا من هذه المادة، والمول الواحد من ثاني أكسيد الكربون يحتوي على 44 جرامًا من ثاني أكسيد الكربون.
في الحسابات الفنية، ليست حرارة الاحتراق هي التي تستخدم في أغلب الأحيان. س ز، والقيمة الحرارية للوقود س(ي/كجم أو ي/م3). القيمة الحرارية للمادة هي كمية الحرارة المنبعثة أثناء الاحتراق الكامل لـ 1 كجم أو 1 م 3 من المادة. بالنسبة للمواد السائلة والصلبة، يتم الحساب لكل 1 كجم، وبالنسبة للمواد الغازية - لكل 1 م 3.
إن معرفة حرارة الاحتراق والقيمة الحرارية للوقود ضرورية لحساب درجة حرارة الاحتراق أو الانفجار وضغط الانفجار وسرعة انتشار اللهب وغيرها من الخصائص. يتم تحديد القيمة الحرارية للوقود إما تجريبيا أو عن طريق الحساب. عند تحديد القيمة الحرارية تجريبيًا، يتم حرق كتلة معينة من الوقود الصلب أو السائل في قنبلة مسعرية، وفي حالة الوقود الغازي، في مسعر غازي. هذه الأجهزة تقيس الحرارة الكلية س 0 تم إطلاقه أثناء احتراق عينة من وزن الوقود م. القيمة الحرارية س زتم العثور عليه بواسطة الصيغة
العلاقة بين حرارة الاحتراق و
القيمة الحرارية للوقود
لإنشاء علاقة بين حرارة الاحتراق والقيمة الحرارية للمادة، من الضروري كتابة معادلة التفاعل الكيميائي للاحتراق.
ناتج الاحتراق الكامل للكربون هو ثاني أكسيد الكربون:
ج + O2 → CO2.
ناتج الاحتراق الكامل للهيدروجين هو الماء :
2H2 +O2 →2H2O.
ناتج الاحتراق الكامل للكبريت هو ثاني أكسيد الكبريت:
S +O 2 →SO 2.
في هذه الحالة، يتم إطلاق النيتروجين والهالوجينات وغيرها من العناصر غير القابلة للاحتراق بشكل حر.
مادة قابلة للاحتراق - الغاز
على سبيل المثال، دعونا نحسب القيمة الحرارية للميثان CH 4، الذي تساوي حرارة احتراقه س ز=882.6 .
· لنحدد الوزن الجزيئي للميثان طبقاً لصيغته الكيميائية (CH 4):
M=1∙12+4∙1=16 جم/مول.
· لنحدد القيمة الحرارية لـ 1 كجم من الميثان:
· لنوجد حجم 1 كجم من الميثان، بمعرفة كثافته ρ=0.717 كجم/م3 في الظروف العادية:
.
· لنحدد القيمة الحرارية لـ 1 م3 من الميثان:
يتم تحديد القيمة الحرارية لأي غازات قابلة للاحتراق بالمثل. بالنسبة للعديد من المواد الشائعة، تم قياس حرارة الاحتراق والقيم الحرارية بدقة عالية وتم تقديمها في الأدبيات المرجعية ذات الصلة. فيما يلي جدول بالقيم الحرارية لبعض المواد الغازية (الجدول 5.1). ضخامة سفي هذا الجدول يتم تقديمه بوحدة MJ/m 3 ووحدة kcal/m 3، حيث أن 1 kcal = 4.1868 kJ غالبًا ما يستخدم كوحدة للحرارة.
الجدول 5.1
القيمة الحرارية للوقود الغازي
|
مادة |
الأسيتيلين |
|||||
|
س |
||||||
مادة قابلة للاحتراق - سائلة أو صلبة
على سبيل المثال، دعونا نحسب القيمة الحرارية للكحول الإيثيلي C2H5OH، حيث تكون حرارة احتراقه س ز= 1373.3 كيلوجول/مول.
· نحدد الوزن الجزيئي للكحول الإيثيلي طبقاً لصيغته الكيميائية (C2H5OH):
M = 2∙12 + 5∙1 + 1∙16 + 1∙1 = 46 جم/مول.
دعونا نحدد القيمة الحرارية لـ 1 كجم من الكحول الإيثيلي:
يتم تحديد القيمة الحرارية لأي مواد قابلة للاحتراق سائلة وصلبة بالمثل. في الجدول 5.2 و 5.3 تظهر القيم الحرارية س(MJ/kg وkcal/kg) لبعض السوائل والمواد الصلبة.
الجدول 5.2
القيمة الحرارية للوقود السائل
|
مادة |
كحول الميثيل |
الإيثانول |
زيت الوقود، النفط |
||||
|
س |
|||||||
الجدول 5.3
القيمة الحرارية للوقود الصلب
|
مادة |
الشجرة طازجة |
الخشب الجاف |
الفحم البني |
الخث الجاف |
أنثراسايت، فحم الكوك |
||
|
س |
|||||||
صيغة مندليف
إذا كانت القيمة الحرارية للوقود غير معروفة، فيمكن حسابها باستخدام الصيغة التجريبية التي اقترحها D.I. مندليف. للقيام بذلك، تحتاج إلى معرفة التركيب العنصري للوقود (صيغة الوقود المكافئة)، أي النسبة المئوية لمحتوى العناصر التالية فيه:
الأكسجين (O)؛
الهيدروجين (ح)؛
الكربون (ج)؛
الكبريت (S)؛
رماد (أ) ؛
الماء (ث).
تحتوي منتجات احتراق الوقود دائمًا على بخار الماء الذي يتشكل بسبب وجود الرطوبة في الوقود وأثناء احتراق الهيدروجين. تغادر منتجات حرق النفايات المنشأة الصناعية عند درجة حرارة أعلى من نقطة الندى. ولذلك فإن الحرارة المنبعثة أثناء تكثيف بخار الماء لا يمكن استخدامها بشكل مفيد ولا ينبغي أن تؤخذ بعين الاعتبار في الحسابات الحرارية.
عادة ما يتم استخدام القيمة الحرارية الصافية للحساب س نالوقود الذي يأخذ في الاعتبار فقدان الحرارة مع بخار الماء. للوقود الصلب والسائل القيمة س نيتم تحديد (MJ/kg) تقريبًا بواسطة صيغة Mendeleev:
س ن=0.339+1.025+0.1085 – 0.1085 – 0.025, (5.1)
حيث تتم الإشارة إلى النسبة المئوية (بالوزن%) لمحتوى العناصر المقابلة في تركيبة الوقود بين قوسين.
تأخذ هذه الصيغة في الاعتبار حرارة تفاعلات الاحتراق الطاردة للحرارة للكربون والهيدروجين والكبريت (مع علامة زائد). الأكسجين الموجود في الوقود يحل محل الأكسجين الموجود في الهواء جزئيًا، لذلك يتم أخذ الحد المقابل في الصيغة (5.1) بعلامة الطرح. عندما تتبخر الرطوبة، يتم استهلاك الحرارة، وبالتالي فإن المصطلح المقابل الذي يحتوي على W يؤخذ أيضًا بعلامة الطرح.
أظهرت مقارنة البيانات المحسوبة والتجريبية حول القيمة الحرارية لأنواع الوقود المختلفة (الخشب، الخث، الفحم، النفط) أن الحساب باستخدام صيغة مندليف (5.1) يعطي خطأ لا يتجاوز 10٪.
صافي القيمة الحرارية س نيمكن حساب (MJ/m3) من الغازات الجافة القابلة للاحتراق بدقة كافية كمجموع منتجات القيمة الحرارية للمكونات الفردية ومحتوى النسبة المئوية في 1 م3 من الوقود الغازي.
س ن= 0.108[Н 2 ] + 0.126[СО] + 0.358[СН 4 ] + 0.5[С 2 Н 2 ] + 0.234[Н 2 S ]…, (5.2)
حيث تتم الإشارة إلى النسبة المئوية (الحجم٪) لمحتوى الغازات المقابلة في الخليط بين قوسين.
في المتوسط، تبلغ القيمة الحرارية للغاز الطبيعي حوالي 53.6 ميجا جول/م3. في الغازات القابلة للاحتراق المنتجة صناعيا، يكون محتوى الميثان CH4 ضئيلا. المكونات الرئيسية القابلة للاشتعال هي الهيدروجين H2 وأول أكسيد الكربون CO. ففي غاز فرن فحم الكوك على سبيل المثال يصل محتوى الهيدروجين إلى (55 ÷ 60)%، وتصل القيمة الحرارية المنخفضة لهذا الغاز إلى 17.6 ميجا جول/م3. يحتوي غاز المولد على CO ~ 30% و H2 ~ 15%، بينما القيمة الحرارية المنخفضة لغاز المولد هي س ن= (5.2÷6.5) ميجا جول/م3. محتوى ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين في غاز الفرن العالي أقل؛ ضخامة س ن= (4.0÷4.2) ميجا جول/م3.
دعونا نلقي نظرة على أمثلة لحساب القيمة الحرارية للمواد باستخدام صيغة مندليف.
دعونا نحدد القيمة الحرارية للفحم، الذي يظهر تركيبه العنصري في الجدول. 5.4.
الجدول 5.4
التركيب العنصري للفحم
· لنعوض بتلك الواردة في الجدول. 5.4 البيانات في صيغة مندليف (5.1) (لا يتم تضمين النيتروجين N والرماد A في هذه الصيغة، لأنها مواد خاملة ولا تشارك في تفاعل الاحتراق):
س ن=0.339∙37.2+1.025∙2.6+0.1085∙0.6–0.1085∙12–0.025∙40=13.04 ميجا جول/كجم.
دعونا نحدد كمية الحطب اللازمة لتسخين 50 لترا من الماء من 10 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية، إذا تم استهلاك 5% من الحرارة المنطلقة أثناء الاحتراق للتدفئة، والسعة الحرارية للماء مع=1 سعرة حرارية/(كجم∙درجة) أو 4.1868 كيلوجول/(كجم∙درجة). ويرد التركيب الأولي للحطب في الجدول. 5.5:
الجدول 5.5
التركيب العنصري للحطب
|
· لنجد القيمة الحرارية للحطب باستخدام صيغة مندليف (5.1): س ن=0.339∙43+1.025∙7–0.1085∙41–0.025∙7= 17.12 ميجا جول/كجم. · لنحدد كمية الحرارة المستهلكة في تسخين الماء عند حرق 1 كجم من الحطب (مع الأخذ في الاعتبار أن 5٪ من الحرارة (أ = 0.05) المنبعثة أثناء الاحتراق يتم إنفاقها على تسخينها): س 2 = أ س ن=0.05·17.12=0.86 ميجا جول/كجم. · لنحدد كمية الحطب اللازمة لتسخين 50 لتراً من الماء من 10 درجات مئوية إلى 100 درجة مئوية:
وبالتالي، هناك حاجة إلى حوالي 22 كجم من الحطب لتسخين المياه. |
كلغ.
