Puterea calorică mai mică a formulei de gaze naturale. Combustibil gazos

Combustibilul gazos este împărțit în natural și artificial și este un amestec de gaze inflamabile și neinflamabile care conține o anumită cantitate de vapori de apă și uneori praf și gudron. Cantitate combustibil gazos exprimat în metri cubi în condiții normale (760 mm Hg și 0 ° C), iar compoziția este exprimată procentual în volum. Compoziția combustibilului este înțeleasă ca compoziția părții sale gazoase uscate.

Combustibil cu gaze naturale

Cel mai comun combustibil gazos este gazul natural, care are o putere calorică ridicată. Baza gazelor naturale este metanul, al cărui conținut este de 76,7-98%. Alți compuși de hidrocarburi gazoase cuprind gaze naturale de la 0,1 la 4,5%.

Gaz lichefiat produs petrolier – constă în principal dintr-un amestec de propan și butan.

Gaze naturale (CNG, NG): metan CH4 mai mult de 90%, etan C2 H5 mai puțin de 4%, propan C3 H8 mai puțin de 1%

Gaz lichefiat (GPL): propan C3 H8 mai mult de 65%, butan C4 H10 mai puțin de 35%

Compoziția gazelor inflamabile include: hidrogen H2, metan CH4, Alți compuși hidrocarburi CmHn, hidrogen sulfurat H2S și gaze neinflamabile, dioxid de carbon CO2, oxigen O2, azot N2 și o cantitate mică de vapori de apă H2O. mȘi P la C și H caracterizează compuși ai diferitelor hidrocarburi, de exemplu pentru metanul CH4 t = 1 și n= 4, pentru etan C 2 N b t = 2Și n= b etc.

Compoziția combustibilului gazos uscat (procent în volum):

CO + H2 + 2 C m H n + H2S + CO2 + O2 + N2 = 100%.

Partea incombustibilă a combustibilului gazos uscat - balast - constă din azot N și dioxid de carbon CO 2 .

Compoziția combustibilului gazos umed se exprimă după cum urmează:

CO + H2 + Σ C m H n + H2S + CO2 + O2 + N2 + H20 = 100%.

Căldura de ardere, kJ/m (kcal/m3), 1 m3 de gaz pur uscat în condiții normale se determină după cum urmează:

Q n s = 0,01,

unde Qso, Q n 2, Q c m n n Q n 2 s. - căldura de ardere a gazelor individuale incluse în amestec, kJ/m 3 (kcal/m 3); CO, H2, Cm Hn, H2S - componente care alcătuiesc amestecul de gaze, % din volum.

Puterea calorică a 1 m3 de gaz natural uscat în condiții normale pentru majoritatea zăcămintelor casnice este de 33,29 - 35,87 MJ/m3 (7946 - 8560 kcal/m3). Caracteristicile combustibilului gazos sunt prezentate în tabelul 1.

Exemplu. Determinați puterea calorică inferioară a gazelor naturale (în condiții normale) din următoarea compoziție:

H2S = 1%; CH4 = 76,7%; C2H6 = 4,5%; C3H8 = 1,7%; C4H10 = 0,8%; C5H12 = 0,6%.

Înlocuind caracteristicile gazelor din tabelul 1 în formula (26), obținem:

Q ns = 0,01 = 33981 kJ/m3 sau

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/m3.

Tabelul 1. Caracteristicile combustibilului gazos

Gaz	Desemnare	Căldura de ardere Q n s
		KJ/m3	Kcal/m3
Hidrogen	N,	10820	2579
Monoxid de carbon	CO	12640	3018
Sulfat de hidrogen	H2S	23450	5585
Metan	CH 4	35850	8555
etan	C2H6	63 850	15226
propan	C3H8	91300	21795
Butan	C4H10	118700	22338
Pentan	C5H12	146200	34890
Etilenă	C2H4	59200	14107
propilenă	C3H6	85980	20541
Butilenă	C4H8	113 400	27111
Benzen	C6H6	140400	33528

Cazanele de tip DE consumă de la 71 la 75 m3 de gaz natural pentru a produce o tonă de abur. Costul gazului în Rusia din septembrie 2008. este de 2,44 ruble pe metru cub. Prin urmare, o tonă de abur va costa 71 × 2,44 = 173 ruble 24 copeici. Costul real al unei tone de abur la fabrici este pentru cazanele DE nu mai puțin de 189 de ruble pe tonă de abur.

Cazanele de tip DKVR consumă de la 103 la 118 m3 de gaz natural pentru a produce o tonă de abur. Costul minim estimat al unei tone de abur pentru aceste cazane este de 103 × 2,44 = 251 de ruble 32 de copeici. Costul real al aburului la fabrici este de nu mai puțin de 290 de ruble pe tonă.

Cum se calculează consumul maxim de gaze naturale pentru un cazan cu abur DE-25? Acest specificatii tehnice cazan 1840 cuburi pe oră. Dar poți și calcula. 25 de tone (25 mii kg) trebuie înmulțite cu diferența dintre entalpiile aburului și apei (666,9-105) și toate acestea împărțite la randamentul cazanului de 92,8% și căldura de ardere a gazului. 8300. și atât

Combustibil cu gaz artificial

Gazele combustibile artificiale sunt un combustibil de importanță locală deoarece au o putere calorică semnificativ mai mică. Principalele lor elemente combustibile sunt monoxidul de carbon CO și hidrogenul H2. Aceste gaze sunt utilizate în zona de producție unde sunt obținute ca combustibil pentru centralele tehnologice și electrice.

Toate gazele inflamabile naturale și artificiale sunt explozive și se pot aprinde într-o flacără deschisă sau scânteie. Există limite inferioare și superioare de explozie ale gazului, de ex. concentrația sa procentuală cea mai mare și cea mai scăzută în aer. Limita inferioară de explozie a gazelor naturale variază de la 3% la 6%, iar limita superioară - de la 12% la 16%. Toate gazele inflamabile pot provoca otrăvire a corpului uman. Principalele substanțe toxice ale gazelor inflamabile sunt: ​​monoxid de carbon CO, hidrogen sulfurat H2S, amoniac NH3.

Gazele naturale inflamabile și cele artificiale sunt incolore (invizibile) și inodore, ceea ce le face periculoase dacă pătrund în interiorul camerei cazanelor prin scurgeri în fitingurile conductelor de gaz. Pentru a evita otrăvirea, gazele inflamabile trebuie tratate cu un odorant - o substanță cu miros neplăcut.

Producția de monoxid de carbon CO în industrie prin gazeificarea combustibilului solid

În scopuri industriale, monoxidul de carbon se obține prin gazeificarea combustibilului solid, adică prin transformarea acestuia în combustibil gazos. Astfel, puteți obține monoxid de carbon din orice combustibil solid - cărbune fosil, turbă, lemn de foc etc.

Procesul de gazeificare a combustibilului solid este prezentat într-un experiment de laborator (Fig. 1). După ce am umplut tubul refractar cu bucăți de cărbune, îl încălzim puternic și lăsăm oxigenul să treacă de la gazometru. Să trecem gazele care ies din tub printr-o spălătorie cu apă de var și apoi să dăm foc. Apa de var devine tulbure și gazul arde cu o flacără albăstruie. Aceasta indică prezența dioxidului de CO2 și a monoxidului de carbon CO în produșii de reacție.

Formarea acestor substanțe poate fi explicată prin faptul că atunci când oxigenul intră în contact cu cărbunele fierbinte, acesta din urmă este mai întâi oxidat în dioxid de carbon: C + O2 = CO2

Apoi, trecând prin cărbunele fierbinte, dioxidul de carbon este redus parțial la monoxid de carbon: CO2 + C = 2CO

Orez. 1. Producerea monoxidului de carbon (experiment de laborator).

În condiții industriale, gazeificarea combustibilului solid se realizează în cuptoare numite generatoare de gaz.

Amestecul de gaze rezultat se numește gaz generator.

Dispozitivul generator de gaz este prezentat în figură. Este un cilindru de oțel cu o înălțime de aproximativ 5 mși un diametru de aproximativ 3,5 m, căptușită în interior cu cărămizi refractare. Generatorul de gaz este încărcat cu combustibil de sus; De jos, aerul sau vaporii de apă sunt furnizați de un ventilator prin grătar.

Oxigenul din aer reacționează cu carbonul din combustibil pentru a forma dioxid de carbon, care, urcând prin stratul de combustibil fierbinte, este redus de carbon în monoxid de carbon.

Dacă numai aer este suflat în generator, rezultatul este un gaz care conține monoxid de carbon și azot din aer (precum și o anumită cantitate de CO 2 și alte impurități). Acest gaz generator se numește gaz de aer.

Dacă vaporii de apă sunt suflați într-un generator cu cărbune fierbinte, reacția are ca rezultat formarea de monoxid de carbon și hidrogen: C + H20 = CO + H2

Acest amestec de gaze se numește apă gazoasă. Gazul de apă are o putere calorică mai mare decât gazul de aer, deoarece compoziția sa, împreună cu monoxidul de carbon, include și un al doilea gaz inflamabil - hidrogenul. Gaz de apă (gaz de sinteză), unul dintre produsele gazificării combustibililor. Gazul de apă constă în principal din CO (40%) și H2 (50%). Apa gazoasa este un combustibil (caldura de ardere 10.500 kJ/m3, sau 2730 kcal/mg) si in acelasi timp o materie prima pentru sinteza alcoolului metilic. Cu toate acestea, apa gazoasă nu poate fi produsă mult timp, deoarece reacția de formare a acestuia este endotermă (cu absorbția căldurii) și, prin urmare, combustibilul din generator se răcește. Pentru a menține cărbunele în stare fierbinte, injectarea de vapori de apă în generator este alternată cu injectarea de aer, al cărui oxigen se știe că reacţionează cu combustibilul pentru a elibera căldură.

ÎN În ultima vreme Sablarea cu abur-oxigen a început să fie utilizată pe scară largă pentru gazeificarea combustibilului. Suflarea simultană a vaporilor de apă și oxigenului prin stratul de combustibil permite procesului să ruleze continuu, crescând semnificativ productivitatea generatorului și producând gaz cu un conținut ridicat de hidrogen și monoxid de carbon.

Generatoarele moderne de gaz sunt dispozitive puternice de funcționare continuă.

Pentru a preveni pătrunderea în atmosferă a gazelor inflamabile și toxice atunci când combustibilul este furnizat generatorului de gaz, tamburul de încărcare este dublu. În timp ce combustibilul intră într-un compartiment al tamburului, combustibilul este turnat în generator dintr-un alt compartiment; atunci când tamburul se rotește, aceste procese se repetă, dar generatorul rămâne izolat de atmosferă tot timpul. Distribuția uniformă a combustibilului în generator se realizează folosind un con, care poate fi instalat la diferite înălțimi. Când este coborât, cărbunele cade mai aproape de centrul generatorului; când conul este ridicat, cărbunele este aruncat mai aproape de pereții generatorului.

Îndepărtarea cenușii din generatorul de gaz este mecanizată. Grătarul în formă de con este rotit încet de un motor electric. În acest caz, cenușa este deplasată spre pereții generatorului și, folosind dispozitive speciale, este aruncată în cutia de cenușă, de unde este îndepărtată periodic.

Primele lămpi cu gaz au fost aprinse în Sankt Petersburg pe insula Aptekarsky în 1819. Gazul utilizat a fost obținut prin gazeificarea cărbunelui. Se numea gaz iluminator.

Marele om de știință rus D.I. Mendeleev (1834-1907) a exprimat pentru prima dată ideea că gazeificarea cărbunelui poate fi efectuată direct în subteran, fără a-l ridica. Guvernul țarist nu a apreciat această propunere a lui Mendeleev.

Ideea gazificării subterane a fost susținută cu căldură de V.I. Lenin. El a numit-o „una dintre marile victorii ale tehnologiei”. Gazeificarea subterană a fost efectuată pentru prima dată de statul sovietic. Deja înainte de Marele Război Patriotic, generatoarele subterane funcționau în bazinele de cărbune din regiunea Donețk și Moscova din Uniunea Sovietică.

O idee despre una dintre metodele de gazificare subterană este dată în Figura 3. Două puțuri sunt așezate în stratul de cărbune, care sunt conectate mai jos printr-un canal. Cărbunele este aprins într-un astfel de canal lângă una dintre puțuri și explozia este furnizată acolo. Produsele de ardere, care se deplasează de-a lungul canalului, interacționează cu cărbunele fierbinte, ducând la formarea de gaz inflamabil ca într-un generator convențional. Gazul iese la suprafață prin al doilea puț.

Gazul de producție este utilizat pe scară largă pentru încălzirea cuptoarelor industriale - metalurgice, cuptoare de cocs și ca combustibil în mașini (Fig. 4).

Orez. 3. Schema gazificării subterane a cărbunelui.

O serie de produse organice, cum ar fi combustibilul lichid, sunt sintetizate din hidrogen și monoxid de carbon din apă gazoasă. Combustibilul lichid sintetic este un combustibil (în principal benzină) obținut prin sinteza din monoxid de carbon și hidrogen la 150-170 grade Celsius și o presiune de 0,7 - 20 MN/m2 (200 kgf/cm2), în prezența unui catalizator (nichel, fier, cobalt). Prima producție de combustibil lichid sintetic a fost organizată în Germania în timpul celui de-al doilea război mondial din cauza penuriei de petrol. Combustibilul lichid sintetic nu este utilizat pe scară largă datorită costului său ridicat. Apa gazoasă este folosită pentru a produce hidrogen. Pentru a face acest lucru, gazul de apă amestecat cu vaporii de apă este încălzit în prezența unui catalizator și, ca urmare, se obține hidrogen în plus față de cel deja prezent în gazul de apă: CO + H2O = CO2 + H2

Ce este combustibilul?

Acesta este o componentă sau un amestec de substanțe care sunt capabile de transformări chimice asociate cu eliberarea de căldură. Tipuri diferite combustibilii diferă prin conținutul lor cantitativ de oxidant, care este folosit pentru a elibera energie termică.

Într-un sens larg, combustibilul este un purtător de energie, adică un tip potențial de energie potențială.

Clasificare

În prezent, tipurile de combustibil sunt împărțite în funcție de starea lor de agregare în lichid, solid și gazos.

Spre solid aspect natural includ piatră și lemn de foc, antracit. Brichetele, cocs, termoantracitul sunt tipuri de combustibil solid artificial.

Lichidele includ substanțe care conțin substanțe de origine organică. Componentele lor principale sunt: ​​oxigen, carbon, azot, hidrogen, sulf. Combustibilul lichid artificial va fi o varietate de rășini și păcură.

Este un amestec de diverse gaze: etilenă, metan, propan, butan. Pe lângă acestea, combustibilul gazos conține dioxid de carbon și monoxid de carbon s, hidrogen sulfurat, azot, vapori de apă, oxigen.

Indicatoare de combustibil

Principalul indicator al arderii. Formula de determinare a puterii calorice este luată în considerare în termochimie. emit „combustibil standard”, ceea ce implică puterea calorică a 1 kilogram de antracit.

Uleiul de uz casnic este destinat arderii în dispozitive de încălzire de putere redusă, care sunt amplasate în spații rezidențiale, generatoare de căldură utilizate în agricultură pentru uscarea furajelor, conserve.

Căldura specifică de ardere a unui combustibil este o valoare care demonstrează cantitatea de căldură care este generată în timpul arderii complete a combustibilului cu un volum de 1 m 3 sau o masă de un kilogram.

Pentru măsurarea acestei valori se folosesc J/kg, J/m3, calorie/m3. Pentru determinarea căldurii de ardere se utilizează metoda calorimetriei.

La crestere căldura specifică arderea combustibilului, consumul specific de combustibil este redus, iar coeficientul acțiune utilă ramane neschimbat.

Căldura de ardere a substanțelor este cantitatea de energie eliberată în timpul oxidării unei substanțe solide, lichide sau gazoase.

Este determinată de compoziția chimică, precum și de starea de agregare a substanței combustibile.

Caracteristicile produselor de ardere

Puterile calorice mai mari și mai mici sunt legate de starea de agregare a apei în substanțele obținute în urma arderii combustibilului.

Puterea calorică mai mare este cantitatea de căldură eliberată în timpul arderii complete a unei substanțe. Această valoare include și căldura de condensare a vaporilor de apă.

Cea mai scăzută căldură de lucru de ardere este valoarea care corespunde degajării de căldură în timpul arderii fără a ține cont de căldura de condensare a vaporilor de apă.

Căldura latentă de condensare este cantitatea de energie de condensare a vaporilor de apă.

Relație matematică

Puterea calorică mai mare și mai mică sunt legate de următoarea relație:

QB = QH + k(W + 9H)

unde W este cantitatea în greutate (în %) de apă dintr-o substanță inflamabilă;

H este cantitatea de hidrogen (% din masă) din substanța combustibilă;

k - coeficient egal cu 6 kcal/kg

Metode de realizare a calculelor

Valorile calorice mai mari și mai mici sunt determinate prin două metode principale: calcul și experimental.

Calorimetrele sunt folosite pentru a efectua calcule experimentale. În primul rând, în ea este arsă o mostră de combustibil. Căldura care va fi eliberată este complet absorbită de apă. Având o idee despre masa apei, puteți determina prin modificarea temperaturii acesteia valoarea căldurii sale de ardere.

Această tehnică este considerată simplă și eficientă; necesită doar cunoașterea datelor de analiză tehnică.

În metoda de calcul, valorile calorice mai mari și mai mici sunt calculate folosind formula Mendeleev.

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

Se ia în considerare conținutul de carbon, oxigen, hidrogen, vapori de apă, sulf în compoziția de lucru (în procente). Cantitatea de căldură în timpul arderii se determină ținând cont de combustibilul echivalent.

Căldura de ardere a gazului permite efectuarea unor calcule preliminare și determinarea eficienței utilizării unui anumit tip de combustibil.

Caracteristici de origine

Pentru a înțelege cât de multă căldură este eliberată atunci când un anumit combustibil este ars, este necesar să aveți o idee despre originea acestuia.

În natură există diferite variante combustibili solizi, care diferă ca compoziție și proprietăți.

Formarea sa are loc în mai multe etape. În primul rând, se formează turba, apoi se formează cărbune maro și tare, apoi se formează antracitul. Principalele surse de formare a combustibilului solid sunt frunzele, lemnul și ace de pin. Când părți ale plantelor mor și sunt expuse la aer, ele sunt distruse de ciuperci și formează turbă. Acumularea sa se transformă într-o masă maro, apoi se obține gaz maro.

La tensiune arterială crescutăși temperatură, gazul brun se transformă în cărbune, apoi combustibilul se acumulează sub formă de antracit.

Pe lângă materia organică, combustibilul conține balast suplimentar. Organic este considerat a fi acea parte care este formată din substanțe organice: hidrogen, carbon, azot, oxigen. Pe lângă aceste elemente chimice, conține balast: umiditate, cenușă.

Tehnologia de ardere implică separarea masei de lucru, uscată și combustibilă a combustibilului ars. Masa de lucru este combustibilul în forma sa originală furnizat consumatorului. Masa uscată este o compoziție în care nu există apă.

Compus

Cele mai valoroase componente sunt carbonul și hidrogenul.

Aceste elemente sunt conținute în orice tip de combustibil. În turbă și lemn, procentul de carbon ajunge la 58 la sută, în cărbune tare și brun - 80%, iar în antracit ajunge la 95 la sută din greutate. În funcție de acest indicator, cantitatea de căldură eliberată în timpul arderii combustibilului se modifică. Hidrogenul este al doilea cel mai important element al oricărui combustibil. Când se leagă de oxigen, formează umiditate, ceea ce reduce semnificativ valoarea termică a oricărui combustibil.

Procentul său variază de la 3,8 în șisturi petroliere la 11 în păcură. Oxigenul conținut în combustibil acționează ca balast.

Nu este un element chimic generator de căldură, prin urmare afectează negativ valoarea căldurii sale de ardere. Arderea azotului conținut în liber sau formă legatăîn produsele de ardere, este considerată impurități nocive, astfel încât cantitatea sa este clar limitată.

Sulful este inclus în combustibil sub formă de sulfați, sulfuri și, de asemenea, ca gaze de dioxid de sulf. Când sunt hidratați, oxizii de sulf formează acid sulfuric, care distruge echipament cazan, afectează negativ vegetația și organismele vii.

De aceea sulful este elementul chimic a cărui prezență în combustibil natural este extrem de nedorit. Dacă compușii de sulf intră în zona de lucru, aceștia provoacă otrăvire semnificativă a personalului de operare.

Există trei tipuri de cenușă în funcție de originea sa:

• primar;
• secundar;
• terţiar

Vederea primară este formată din minerale, care sunt conținute în plante. Cenușa secundară se formează ca rezultat al reziduurilor de plante care pătrund în nisip și sol în timpul formării.

Cenușa terțiară apare în compoziția combustibilului în timpul extracției, depozitării și transportului. Cu depunerea semnificativă de cenușă, are loc o scădere a transferului de căldură pe suprafața de încălzire a unității cazanului, reducând cantitatea de transfer de căldură către apă din gaze. O cantitate mare de cenușă afectează negativ funcționarea cazanului.

In cele din urma

O influență semnificativă asupra procesului de ardere a oricărui tip de combustibil este exercitată de volatile. Cu cât puterea lor este mai mare, cu atât volumul frontului de flăcări va fi mai mare. De exemplu, cărbunele și turba se aprind ușor, procesul este însoțit de pierderi minore de căldură. Cocsul care rămâne după îndepărtarea impurităților volatile conține doar compuși minerali și de carbon. În funcție de caracteristicile combustibilului, cantitatea de căldură se modifică semnificativ.

Depinzând de compoziție chimică Există trei etape de formare a combustibilului solid: turbă, cărbune brun și cărbune.

Lemnul natural este folosit în instalațiile de cazane mici. Ei folosesc în principal așchii de lemn, rumeguș, plăci, scoarță, iar lemnul de foc în sine este folosit în cantități mici. În funcție de tipul de lemn, cantitatea de căldură generată variază semnificativ.

Pe măsură ce căldura de ardere scade, lemnul de foc capătă anumite avantaje: inflamabilitate rapidă, conținut minim de cenușă și absența urmelor de sulf.

Informații fiabile despre compoziția combustibilului natural sau sintetic, puterea calorică a acestuia, sunt într-un mod grozav efectuarea calculelor termochimice.

Apare în prezent oportunitate reală identificarea acelor opțiuni principale pentru combustibilii solizi, gazoși, lichizi care vor fi cei mai eficiente și mai ieftin de utilizat într-o anumită situație.

5. ECHILIBRUL TERMIC AL COMBUSTIEI

Să luăm în considerare metodele de calcul al bilanţului termic al procesului de ardere a gazelor, lichidelor şi combustibili solizi. Calculul se reduce la rezolvarea următoarelor probleme.

· Determinarea căldurii de ardere (puterea calorică) a combustibilului.

· Determinarea temperaturii teoretice de ardere.

5.1. Căldura de ardere

Reacțiile chimice sunt însoțite de eliberarea sau absorbția de căldură. Când căldura este eliberată, reacția se numește exotermă, iar când căldura este absorbită, se numește endotermă. Toate reacțiile de ardere sunt exoterme, iar produsele de ardere sunt compuși exotermi.

Eliberat (sau absorbit) în timpul curgerii reactie chimica căldura se numește căldură de reacție. În reacțiile exoterme este pozitiv, în reacțiile endoterme este negativ. Reacția de ardere este întotdeauna însoțită de eliberarea de căldură. Căldura de ardere Q g(J/mol) este cantitatea de căldură care este eliberată în timpul arderii complete a unui mol de substanță și transformării unei substanțe combustibile în produse de ardere completă. Molul este unitatea de bază SI a cantității unei substanțe. Un mol este cantitatea de substanță care conține același număr de particule (atomi, molecule etc.) cât există atomi în 12 g de izotop de carbon-12. Masa unei cantități de substanță egală cu 1 mol (moleculară sau Masă molară) coincide numeric cu masa moleculară relativă a unei substanțe date.

De exemplu, greutatea moleculară relativă a oxigenului (O2) este 32, dioxid de carbon(CO2) este 44, iar greutățile moleculare corespunzătoare vor fi M = 32 g/mol și M = 44 g/mol. Astfel, un mol de oxigen conține 32 de grame din această substanță, iar un mol de CO 2 conține 44 de grame de dioxid de carbon.

În calculele tehnice, nu căldura de ardere este cea mai des folosită. Q g, și puterea calorică a combustibilului Q(J/kg sau J/m3). Puterea calorică a unei substanțe este cantitatea de căldură degajată în timpul arderii complete a 1 kg sau 1 m 3 dintr-o substanță. Pentru substanțele lichide și solide, calculul se efectuează la 1 kg, iar pentru substanțele gazoase - la 1 m 3.

Cunoașterea căldurii de ardere și a puterii calorice a combustibilului este necesară pentru a calcula temperatura de ardere sau de explozie, presiunea de explozie, viteza de propagare a flăcării și alte caracteristici. Puterea calorică a combustibilului se determină fie experimental, fie prin calcul. La determinarea experimentală a puterii calorifice, o masă dată de combustibil solid sau lichid este arsă într-o bombă calorimetrică, iar în cazul combustibilului gazos, într-un calorimetru cu gaz. Aceste instrumente măsoară căldura totală Q 0 eliberat în timpul arderii unei probe de combustibil cântărit m. Valoare calorica Q g se gaseste prin formula

Relația dintre căldura de ardere și
puterea calorică a combustibilului

Pentru a stabili o legătură între căldura de ardere și puterea calorică a unei substanțe, este necesar să scrieți ecuația pentru reacția chimică de ardere.

Produsul arderii complete a carbonului este dioxidul de carbon:

C+O2 →CO2.

Produsul arderii complete a hidrogenului este apa:

2H2 +O2 →2H2O.

Produsul arderii complete a sulfului este dioxidul de sulf:

S +O2 →SO2.

În acest caz, azotul, halogenii și alte elemente incombustibile sunt eliberate în formă liberă.

Substanță combustibilă - gaz

De exemplu, să calculăm puterea calorică a metanului CH4, pentru care căldura de ardere este egală cu Q g=882.6 .

· Să determinăm greutatea moleculară a metanului în conformitate cu formula sa chimică (CH 4):

M=1∙12+4∙1=16 g/mol.

· Să determinăm puterea calorică a 1 kg de metan:

· Să aflăm volumul a 1 kg de metan, cunoscând densitatea lui ρ=0,717 kg/m3 în condiții normale:

.

· Să determinăm puterea calorică a 1 m 3 de metan:

Puterea calorică a oricăror gaze combustibile este determinată în mod similar. Pentru multe substanțe comune, căldura de ardere și valorile calorice au fost măsurate cu mare precizie și sunt date în literatura de referință relevantă. Iată un tabel cu valorile calorice ale unor substanțe gazoase (Tabelul 5.1). Magnitudinea Qîn acest tabel este dat în MJ/m 3 și în kcal/m 3, deoarece 1 kcal = 4,1868 kJ este adesea folosit ca unitate de căldură.

Tabelul 5.1

Puterea calorică a combustibililor gazoși

Substanţă			Acetilenă
Q

Substanță combustibilă - lichidă sau solidă

De exemplu, să calculăm puterea calorică a alcoolului etilic C 2 H 5 OH, pentru care căldura de ardere este Q g= 1373,3 kJ/mol.

· Să determinăm greutatea moleculară a alcoolului etilic în conformitate cu formula sa chimică (C 2 H 5 OH):

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

Să determinăm puterea calorică a 1 kg de alcool etilic:

Puterea calorică a oricărui combustibil lichid și solid este determinată în mod similar. În tabel 5.2 și 5.3 arată valorile calorice Q(MJ/kg și kcal/kg) pentru unele lichide și solide.

Tabelul 5.2

Puterea calorică a combustibililor lichizi

Substanţă		Alcool metilic	Etanol			Păcură, ulei
Q

Tabelul 5.3

Puterea calorică a combustibililor solizi

Substanţă		Copacul este proaspăt	Lemn uscat	Cărbune brun	Turba uscata	Antracit, cola
Q

formula lui Mendeleev

Dacă puterea calorică a combustibilului este necunoscută, atunci aceasta poate fi calculată folosind formula empirică propusă de D.I. Mendeleev. Pentru a face acest lucru, trebuie să cunoașteți compoziția elementară a combustibilului (formula echivalentă a combustibilului), adică conținutul procentual al următoarelor elemente din acesta:

Oxigen (O);

Hidrogen (H);

Carbon (C);

sulf (S);

Cenușă (A);

Apa (W).

Produsele de ardere a combustibilului conțin întotdeauna vapor de apă, formată atât din cauza prezenței umidității în combustibil, cât și în timpul arderii hidrogenului. Produsele de ardere reziduale părăsesc o instalație industrială la o temperatură peste punctul de rouă. Prin urmare, căldura care se eliberează în timpul condensării vaporilor de apă nu poate fi folosită în mod util și nu trebuie luată în considerare în calculele termice.

Puterea calorică netă este de obicei utilizată pentru calcul Q n combustibil, care ține cont de pierderile de căldură cu vaporii de apă. Pentru combustibilii solizi și lichizi valoarea Q n(MJ/kg) este determinată aproximativ de formula Mendeleev:

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

unde conținutul procentual (gr.%) al elementelor corespunzătoare din compoziția combustibilului este indicat în paranteze.

Această formulă ia în considerare căldura reacțiilor de combustie exotermă a carbonului, hidrogenului și sulfului (cu semnul plus). Oxigenul inclus în combustibil înlocuiește parțial oxigenul din aer, astfel încât termenul corespunzător din formula (5.1) este luat cu semnul minus. Când umiditatea se evaporă, căldura este consumată, astfel încât termenul corespunzător care conține W este luat și cu semnul minus.

O comparație a datelor calculate și experimentale privind puterea calorică a diferiților combustibili (lemn, turbă, cărbune, petrol) a arătat că calculul folosind formula Mendeleev (5.1) dă o eroare care nu depășește 10%.

Puterea calorică netă Q n(MJ/m3) de gaze combustibile uscate poate fi calculată cu suficientă precizie ca suma produselor din puterea calorică a componentelor individuale și conținutul procentual al acestora în 1 m3 de combustibil gazos.

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)

unde conținutul procentual (%) al gazelor corespunzătoare din amestec este indicat între paranteze.

În medie, puterea calorică a gazelor naturale este de aproximativ 53,6 MJ/m 3 . În gazele combustibile produse artificial, conținutul de metan CH4 este nesemnificativ. Principalele componente inflamabile sunt hidrogenul H2 și monoxidul de carbon CO. În gazul cuptorului de cocs, de exemplu, conținutul de H2 atinge (55 ÷ 60)%, iar puterea calorică mai mică a unui astfel de gaz ajunge la 17,6 MJ/m3. Gazul generator conține CO ~ 30% și H 2 ~ 15%, în timp ce puterea calorică inferioară a gazului generator este Q n= (5,2÷6,5) MJ/m3. Conținutul de CO și H2 în gazul de furnal este mai mic; magnitudinea Q n= (4,0÷4,2) MJ/m 3.

Să ne uităm la exemple de calcul al puterii calorice a substanțelor folosind formula Mendeleev.

Să determinăm puterea calorică a cărbunelui, a cărei compoziție elementară este dată în tabel. 5.4.

Tabelul 5.4

Compoziția elementară a cărbunelui

· Să le înlocuim pe cele date în tabel. 5.4 date în formula Mendeleev (5.1) (azotul N și cenușa A nu sunt incluse în această formulă, deoarece sunt substanțe inerte și nu participă la reacția de ardere):

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

Să determinăm cantitatea de lemn de foc necesară pentru încălzirea a 50 de litri de apă de la 10° C la 100° C, dacă 5% din căldura degajată în timpul arderii este consumată pentru încălzire și capacitatea termică a apei. Cu=1 kcal/(kg∙grad) sau 4,1868 kJ/(kg∙grad). Compoziția elementară a lemnului de foc este dată în tabel. 5.5:

Tabelul 5.5

Compoziția elementară a lemnului de foc

	· Să aflăm puterea calorică a lemnului de foc folosind formula Mendeleev (5.1): Q n=0,339∙43+1,025∙7–0,1085∙41–0,025∙7= 17,12 MJ/kg. · Să determinăm cantitatea de căldură consumată pentru încălzirea apei la arderea a 1 kg de lemn de foc (ținând cont de faptul că 5% din căldura (a = 0,05) degajată în timpul arderii este cheltuită pentru încălzirea acesteia): Q 2 =a Q n=0,05.17,12=0,86 MJ/kg. · Să determinăm cantitatea de lemn de foc necesară pentru a încălzi 50 de litri de apă de la 10° C la 100° C: kg. Astfel, pentru încălzirea apei sunt necesare aproximativ 22 kg de lemn de foc.

Substanțele de origine organică includ combustibili care, atunci când sunt arse, eliberează o anumită cantitate de energie termică. Producția de căldură trebuie să fie caracterizată prin eficiență ridicată și absența efecte secundare, în special, substanțe dăunătoare sănătății umane și mediului.

Pentru ușurința încărcării în focar, materialul lemnos este tăiat în elemente individuale de până la 30 cm lungime.Pentru a crește eficiența utilizării lor, lemnul de foc trebuie să fie cât mai uscat posibil, iar procesul de ardere trebuie să fie relativ lent. În multe privințe, lemnul din foioase precum stejarul și mesteacănul, alunul și frasinul și păducelul sunt potrivite pentru încălzirea spațiilor. Din cauza continut ridicat rășini, viteza crescutaÎn ceea ce privește arderea și puterea calorică scăzută, arborii de conifere sunt semnificativ inferiori în acest sens.

Trebuie înțeles că valoarea puterii calorice este afectată de densitatea lemnului.

Acesta este un material natural origine vegetală, extras din roca sedimentară.

Acest tip de combustibil solid conține carbon și altele elemente chimice. Există o împărțire a materialului în tipuri în funcție de vârsta acestuia. Cel mai tânăr este considerat cărbune brun, urmată de piatră, și mai veche decât toate celelalte tipuri este antracitul. Vârsta unei substanțe combustibile determină și conținutul de umiditate al acesteia, care este mai prezent în materialul tânăr.

În timpul arderii cărbunelui, are loc poluarea mediului, iar pe grătarele cazanului se formează zgură, care într-o anumită măsură creează un obstacol în calea arderii normale. Prezența sulfului în material este, de asemenea, un factor nefavorabil pentru atmosferă, deoarece în spațiul aerian acest element este transformat în acid sulfuric.

Cu toate acestea, consumatorii nu ar trebui să se teamă pentru sănătatea lor. Producătorii acestui material, având grijă de clienții privați, se străduiesc să reducă conținutul de sulf din acesta. Puterea termică a cărbunelui poate varia chiar și în cadrul aceluiași tip. Diferența depinde de caracteristicile subspeciei și de conținutul ei de minerale, precum și de geografia producției. Ca combustibil solid, se găsește nu numai cărbune pur, ci și zgură de cărbune slab îmbogățită, presată în brichete.

Peleții (granule de combustibil) sunt combustibili solizi creați industrial din lemn și deșeuri vegetale: așchii, scoarță, carton, paie.

Materia prima, zdrobita in praf, se usuca si se toarna intr-un granulator, de unde iese sub forma de granule de o anumita forma. Pentru a adăuga vâscozitate masei, se folosește un polimer vegetal, lignina. Complexitatea procesului de producție și cererea mare determină costul peleților. Materialul este utilizat în cazane special echipate.

Tipurile de combustibil sunt determinate în funcție de materialul din care sunt prelucrate:

• cherestea rotundă de copaci de orice specie;
• paie;
• turbă;
• coajă de floarea soarelui.

Printre avantajele pe care le au peleții de combustibil, merită remarcate următoarele calități:

• prietenos cu mediul;
• incapacitatea de a se deforma și rezistență la ciuperci;
• depozitare ușoară chiar și în aer liber;
• uniformitatea și durata arderii;
• cost relativ scăzut;
• Posibilitate de utilizare pentru diverse dispozitive de incalzire;
• dimensiunea granulelor adecvate pentru încărcarea automată într-un cazan special echipat.

Brichete

Brichetele sunt combustibili solizi care sunt în multe privințe similare cu peleții. Pentru fabricarea lor se folosesc materiale identice: așchii de lemn, așchii, turbă, coji și paie. În timpul procesului de producție, materiile prime sunt zdrobite și formate în brichete prin compresie. Acest material este, de asemenea, un combustibil prietenos cu mediul. Este convenabil de depozitat chiar și în aer liber. Arderea lină, uniformă și lentă a acestui combustibil poate fi observată atât în ​​șeminee și sobe, cât și în cazanele de încălzire.

Tipurile de combustibil solid ecologic discutate mai sus sunt o alternativă bună pentru generarea de căldură. În comparație cu sursele fosile de energie termică, care au un efect nefavorabil asupra arderii mediu inconjuratorși, în plus, fiind neregenerabili, combustibilii alternativi au avantaje clare și cost relativ scăzut, ceea ce este important pentru anumite categorii de consumatori.

În același timp, riscul de incendiu al unor astfel de combustibili este mult mai mare. Prin urmare, este necesar să se ia câteva măsuri de siguranță în ceea ce privește depozitarea acestora și utilizarea materialelor rezistente la foc pentru pereți.

Combustibili lichizi și gazoși

În ceea ce privește substanțele inflamabile lichide și gazoase, situația aici este următoarea.

PROPRIETĂȚI FIZICE ȘI CHIMICE ALE GAZELOR NATURALE

Gazele naturale nu au culoare, miros sau gust.

Principalii indicatori ai gazelor naturale includ: compoziția, puterea calorică, densitatea, temperatura de ardere și aprindere, limitele de explozie și presiunea de explozie.

Gazele naturale din zăcămintele de gaze pure constau în principal din metan (82-98%) și alte hidrocarburi.

Gazul combustibil conține substanțe inflamabile și neinflamabile. Gazele combustibile includ: hidrocarburi, hidrogen, hidrogen sulfurat. Gazele neinflamabile includ: dioxid de carbon, oxigen, azot și vapori de apă. Compoziția lor este scăzută și se ridică la 0,1-0,3% CO2 și 1-14% N2. După extracție, gazul toxic hidrogen sulfurat este îndepărtat din gaz, al cărui conținut nu trebuie să depășească 0,02 g/m3.

Căldura de ardere este cantitatea de căldură eliberată în timpul arderii complete a 1 m3 de gaz. Căldura de ardere se măsoară în kcal/m3, kJ/m3 de gaz. Puterea calorică a gazelor naturale uscate este de 8000-8500 kcal/m3.

Valoarea calculată prin raportul dintre masa unei substanțe și volumul acesteia se numește densitatea substanței. Densitatea se măsoară în kg/m3. Densitatea gazelor naturale depinde complet de compoziția sa și este în intervalul c = 0,73-0,85 kg/m3.

Cea mai importantă caracteristică a oricărui gaz combustibil este puterea termică, adică temperatura maximă atinsă în timpul arderii complete a gazului, dacă cantitatea necesară de aer pentru ardere corespunde exact cu formulele chimice de ardere, iar temperatura inițială a gazului și a aerului este zero.

Puterea de căldură a gazelor naturale este de aproximativ 2000 -2100 °C, metan - 2043 °C. Temperatura reală de ardere în cuptoare este semnificativ mai mică decât puterea termică și depinde de condițiile de ardere.

Temperatura de aprindere este temperatura amestecului aer-combustibil la care amestecul se aprinde fără o sursă de aprindere. Pentru gazul natural este în intervalul 645-700 °C.

Toate gazele inflamabile sunt explozive și se pot aprinde dacă sunt expuse la o flacără deschisă sau la o scânteie. Distinge limita inferioară și superioară de concentrație a propagării flăcării , adică concentrația inferioară și superioară la care este posibilă o explozie a amestecului. Limita inferioară de explozie a gazelor este de 3÷6%, cea superioară de 12÷16%.

Limite de explozie.

Un amestec gaz-aer care conține următoarea cantitate de gaz:

până la 5% - nu aprinde;

de la 5 la 15% - explodează;

mai mult de 15% - arde atunci când este furnizat aer.

Presiunea în timpul exploziei gazelor naturale este de 0,8-1,0 MPa.

Toate gazele inflamabile pot provoca otrăvire a corpului uman. Principalele substanțe toxice sunt: ​​monoxidul de carbon (CO), hidrogenul sulfurat (H 2 S), amoniacul (NH 3).

Gazul natural nu are miros. Pentru a detecta o scurgere, gazul este odorizat (adică i se dă un miros specific). Odorizarea se realizează folosind etil mercaptan. Odorizarea se realizează la stațiile de distribuție a gazelor (GDS). Când 1% din gazul natural intră în aer, acesta începe să miroasă. Practica arată că rata medie de etil mercaptan pentru odorizarea gazelor naturale care intră în rețelele orașului ar trebui să fie de 16 g la 1.000 m3 de gaz.

În comparație cu combustibilii solizi și lichizi, gazele naturale prezintă multe avantaje:

Ieftin relativ, care se explică mai mult calea ușoară minerit și transport;

Fără cenușă sau eliberare de particule solide în atmosferă;

Caldura mare combustie;

Nu este necesară pregătirea combustibilului pentru ardere;

Munca lucrătorilor de servicii este ușurată și condițiile sanitare și igienice ale muncii acestora sunt îmbunătățite;

Condițiile de automatizare a proceselor de lucru sunt simplificate.

Datorită posibilelor scurgeri prin scurgeri în conexiunile și fitingurile conductelor de gaz, utilizarea gazelor naturale necesită o atenție și precauție deosebită. Pătrunderea a peste 20% din gaz într-o încăpere poate duce la sufocare, iar dacă este prezent într-un volum închis, de la 5 la 15% poate provoca o explozie a amestecului gaz-aer. Arderea incompletă produce monoxid de carbon CO toxic, care chiar și la concentrații scăzute duce la otrăvirea personalului operator.

După originea lor, gazele naturale se împart în două grupe: uscate și grase.

Uscat gazele sunt gaze de origine minerală și se găsesc în zone asociate cu activitatea vulcanică prezentă sau trecută. Gazele uscate constau aproape exclusiv din metan cu un continut nesemnificativ de componente de balast (azot, dioxid de carbon) si au o putere calorica Qn = 7000÷9000 kcal/nm3.

Gras gazele însoțesc câmpurile petroliere și se acumulează de obicei în straturile superioare. Prin origine, gazele umede sunt aproape de petrol și conțin multe hidrocarburi ușor condensabile. Puterea calorică a gazelor lichide Qn=8000-15000 kcal/nm3

Avantajele combustibilului gazos includ ușurința de transport și ardere, absența cenușii și a umidității și simplitatea semnificativă a echipamentului cazanului.

Împreună cu gazele naturale Se mai folosesc gaze inflamabile artificiale obținute în timpul prelucrării combustibililor solizi, sau ca urmare a exploatării instalațiilor industriale ca gaze reziduale. Gazele artificiale constau din gaze inflamabile de ardere incompletă a combustibilului, gaze de balast și vapori de apă și se împart în bogate și sărace, având o putere calorică medie de 4500 kcal/m3, respectiv 1300 kcal/m3. Compoziția gazelor: hidrogen, metan, alți compuși hidrocarburi CmHn, hidrogen sulfurat H 2 S, gaze neinflamabile, dioxid de carbon, oxigen, azot și o cantitate mică de vapori de apă. Balast – azot și dioxid de carbon.

Astfel, compoziția combustibilului gazos uscat poate fi reprezentată ca următorul amestec de elemente:

CO + H2 + ∑CmHn + H2S + CO2 + O2 + N2 =100%.

Compoziția combustibilului gazos umed se exprimă după cum urmează:

CO + H2 + ∑CmHn + H2S + CO2 + O2 + N2 + H2O = 100%.

Căldura de ardere uscat combustibil gazos kJ/m3 (kcal/m3) la 1 m3 de gaz în condiții normale se determină după cum urmează:

Qn= 0,01,

Unde Qi este căldura de ardere a gazului corespunzător.

Puterea calorică a combustibilului gazos este dată în tabelul 3.

Gaz de explozie formate în timpul topirii fontei furnalele înalte. Randamentul și compoziția sa chimică depind de proprietățile încărcăturii și ale combustibilului, de modul de funcționare al cuptorului, de metodele de intensificare a procesului și de alți factori. Producția de gaz variază între 1500-2500 m 3 per tonă de fontă. Ponderea componentelor incombustibile (N 2 și CO 2) în gazul de furnal este de aproximativ 70%, ceea ce determină performanța termică scăzută a acestuia (puterea calorică inferioară a gazului este de 3-5 MJ/m 3).

La arderea gazelor de furnal, temperatura maximă a produselor de ardere (fără a lua în considerare pierderile de căldură și consumul de căldură pentru disocierea CO 2 și H 2 O) este de 400-1500 0 C. Dacă gazul și aerul sunt încălzite înainte de ardere , temperatura produselor de ardere poate fi crescută semnificativ.

Gaz feroaliaj se formează în timpul topirii feroaliajelor în cuptoarele de reducere a minereului. Gazul evacuat din cuptoarele închise poate fi folosit ca combustibil SER (secundar resurse energetice). În cuptoarele deschise, datorită accesului liber al aerului, gazul arde în partea de sus. Randamentul și compoziția gazului feroaliaj depinde de gradul de topire

aliaj, compoziția sarcinii, modul de funcționare a cuptorului, puterea acestuia etc. Compoziția gazului: 50-90% CO, 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 .

Convertor de gaz formate în timpul topirii oțelului în convertoarele de oxigen. Gazul constă în principal din monoxid de carbon, randamentul și compoziția acestuia variază semnificativ în timpul topirii. După purificare, compoziţia gazului este aproximativ după cum urmează: 70-80% CO; 15-20% C02; 0,5-0,8% O2; 3-12% N 2. Căldura de ardere a gazului este de 8,4-9,2 MJ/m 3. Temperatura maximă de ardere atinge 2000 0 C.

Gaz cocs formată în timpul cocsării amestecului de cărbuni. În metalurgia feroasă se folosește după extracția produselor chimice. Compoziția gazului cuptorului de cocs depinde de proprietățile încărcăturii de cărbune și de condițiile de cocsificare. Fracţiile de volum ale componentelor din gaz sunt în următoarele limite,%: 52-62H2; 0,3-0,6 O2; 23,5-26,5 CH4; 5,5-7,7 CO; 1,8-2,6 CO2. Căldura de ardere este de 17-17,6 MJ/m^3, temperatura maximă a produselor de ardere este de 2070 0 C.