Низшая теплота сгорания
Теплота́ сгора́ния — количество выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для твердых и жидких веществ) или объёмной (для газообразных) единицы вещества. Измеряется в джоулях или калориях. Теплота сгорания, отнесённая к единице массы или объёма топлива, называется удельной теплотой сгорания. В системе СИ: Дж/кг. Также довольно часто используются внесистемные единицы измерения: кДж/кг, МДж/кг и ккал/кг.
Для её измерения пользуются методами калориметрии. Теплота сгорания определяется химическим составом горючего вещества. Содержащиеся в горючем веществе химические элементы обозначаются принятыми символами С, Н, О, N, S, а зола и вода — символами А и W соответственно.
Содержание
Виды теплоты сгорания [ | код ]
Теплота сгорания может быть отнесена к рабочей массе горючего вещества Q P <\displaystyle Q^
> , то есть к горючему веществу в том виде, в каком оно поступает к потребителю; к сухой массе вещества Q C <\displaystyle Q^
Различают высшую ( Q B <\displaystyle Q_> ) и низшую ( Q H <\displaystyle Q_
Под высшей теплотой сгорания понимают то количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании вещества, включая теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания.
Низшая теплота сгорания соответствует тому количеству теплоты, которое выделяется при полном сгорании, без учёта теплоты конденсации водяного пара. Теплоту конденсации водяных паров также называют скрытой теплотой парообразования (конденсации).
Низшая и высшая теплота сгорания связаны соотношением: Q B = Q H + k ( W + 9 H ) <\displaystyle Q_=Q_
где k — коэффициент, равный 25 кДж/кг (6 ккал/кг); W — количество воды в горючем веществе, % (по массе); Н — количество водорода в горючем веществе, % (по массе).
Расчёт теплоты сгорания [ | код ]
Таким образом, высшая теплота сгорания — это количество теплоты, выделившейся при полном сгорании единицы массы или объема (для газа) горючего вещества и охлаждении продуктов сгорания до температуры точки росы. В теплотехнических расчетах высшая теплота сгорания принимается как 100 %. Скрытая теплота сгорания газа — это теплота, которая выделяется при конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Теоретически она может достигать 11 %.
На практике не удается охладить продукты сгорания до полной конденсации, и потому введено понятие низшей теплоты сгорания (QHp), которую получают, вычитая из высшей теплоты сгорания теплоту парообразования водяных паров как содержащихся в веществе, так и образовавшихся при его сжигании. На парообразование 1 кг водяных паров расходуется 2514 кДж/кг (600 ккал/кг). Низшая теплота сгорания определяется по формулам (кДж/кг или ккал/кг):
Q H P = Q B P − 2514 ⋅ ( ( 9 H P + W P ) / 100 ) <\displaystyle Q_ =Q_^ -2514\cdot ((9H^ +W^ )/100)> (для твердого вещества) Q H P = Q B P − 600 ⋅ ( ( 9 H P + W P ) / 100 ) <\displaystyle Q_ =Q_^ -600\cdot ((9H^ +W^ )/100)> (для жидкого вещества), где: • 2514 — теплота парообразования при температуре 0 °C и атмосферном давлении, кДж/кг; • 9 — коэффициент, показывающий, что при сгорании 1 кг водорода в соединении с кислородом образуется 9 кг воды. Теплота сгорания является наиболее важной характеристикой топлива, так как определяет количество тепла, получаемого при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газообразного топлива в кДж/кг (ккал/кг). 1 ккал = 4,1868 или 4,19 кДж. Низшая теплота сгорания определяется экспериментально для каждого вещества и является справочной величиной. Также её можно определить для твердых и жидких материалов, при известном элементарном составе, расчётным способом в соответствии с формулой Д. И. Менделеева, кДж/кг или ккал/кг: Q H P = 339 ⋅ C P + 1256 ⋅ H P − 109 ⋅ ( O P − S L P ) − 25.14 ⋅ ( 9 ⋅ H P + W P ) <\displaystyle Q_ =339\cdot C^ +1256\cdot H^ -109\cdot (O^ -S_ )-25.14\cdot (9\cdot H^ +W^ )> Q H P = 81 ⋅ C P + 246 ⋅ H P − 26 ⋅ ( O P + S L P ) − 6 ⋅ W P <\displaystyle Q_ =81\cdot C^ +246\cdot H^ -26\cdot (O^ +S_ )-6\cdot W^ > , где: Для сравнительных расчётов используется так называемое Топливо условное, имеющее удельную теплоту сгорания, равную 29308 кДж/кг (7000 ккал/кг). В России тепловые расчёты (например, расчёт тепловой нагрузки для определения категории помещения по взрывопожарной и пожарной опасности [1] ) обычно ведут по низшей теплоте сгорания, в США, Великобритании, Франции — по высшей. В Великобритании и США до внедрения метрической системы мер удельная теплота сгорания измерялась в британских тепловых единицах (BTU) на фунт (lb) (1Btu/lb = 2,326 кДж/кг). Низшая теплота сгорания при постоянном давлении Q H P <\displaystyle Q_ > , МДж/кг Источник: ru.wikibedia.ru
Теплота́ сгора́ния — количество выделившейся теплоты при полном сгорании массов
ГОСТ 10062-75
Газы природные горючие. Метод определения удельной теплоты сгорания
ГОСТ 10062-75
Группа Б19
ГАЗЫ ПРИРОДНЫЕ ГОРЮЧИЕ
Метод определения удельной теплоты сгорания
Natural combustible gases. Method for determination of specific heat of combustion
МКС 75.060
ОКСТУ 0270
Дата введения 1976-07-01
1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Министерством энергетики и электрификации СССР
2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 04.07.75 N 1705
3. ВЗАМЕН ГОСТ 10062-62
4. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ
Обозначение НТД, на который дана ссылка
5. Ограничение срока действия снято по протоколу N 3-93 Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 5-6-93)
6. ИЗДАНИЕ с Изменениями N 1, 2, 3, утвержденными в марте 1983 г., апреле 1986 г., июне 1988 г. (ИУС 6-83, 7-86, 11-88)
Настоящий стандарт распространяется на природные и попутные горючие газы и устанавливает метод определения удельной теплоты сгорания.
Сущность метода заключается в сжигании в калориметрической бомбе (при постоянном объеме) в среде сжатого кислорода определенного объема газа, обуславливаемого вместимостью данной бомбы, атмосферным давлением, температурой и остаточным давлением газа в бомбе, и определении количества тепла, выделившегося при сгорании газа, а также при образовании и растворении в воде азотной и серной кислот при испытании.
1. АППАРАТУРА, РЕАКТИВЫ И МАТЕРИАЛЫ
1. АППАРАТУРА, РЕАКТИВЫ И МАТЕРИАЛЫ
1.1. Для определения удельной теплоты сгорания применяются:
калориметр сжигания с бомбой, жидкостной типа В-08М, В-08МА или другой калориметр, обеспечивающий получение результатов определения в пределах допускаемых расхождений, указанных в п.4.5;
термометры ртутные постоянного наполнения (калориметрические) и переменного наполнения с ценой деления 0,01°С;
термометры ртутные должны быть проверены соответствующим поверочным учреждением через каждые 0,5 °С, при этом поправки должны быть приведены с погрешностью не более 0,001 °С;
редуктор кислородный с одним манометром высокого давления: на 24,5-29,4 МПа (250-300 кгс/см ) – для измерения давления в кислородном баллоне и двумя манометрами низкого давления: на 2,9-3,4 МПа (30-35 кгс/см ) предельное давление 4,9-6,9 МПа (50-70 кгс/см ) для измерения давления в бомбе при наполнении ее кислородом для сжигания бензойной кислоты и на 1,0-1,5 МПа (10-15 кгс/см ) предельное давление 2,5-2,9 МПа (25-30 кгс/см ) для измерения давления в бомбе при наполнении ее кислородом для сжигания газа. При отсутствии редуктора манометр низкого давления устанавливают на специальных стойках, имеющих игольчатый клапан и предохранительный клапан, который должен быть отрегулирован на указанные выше предельные давления. Манометр вместе с соединительными трубками должен подвергаться гидравлическому испытанию не реже одного раза в год.
Редуктор, манометры, ниппеля и кислородопроводные трубки должны быть обезжирены. Необходимо также исключить возможность загрязнения их жиром в процессе работы;
трубки медные цельнотянутые с внутренним диаметром 1,0-1,5 мм, с толщиной стенок 0,5-1,0 мм, с припаянными к ним ниппелям;
барометр мембранный метеорологический;
секундомер или зуммер;
насос масляный или водоструйный;
противешки фарфоровые по размерам дна бомбы;
метиловый оранжевый (индикатор), 0,02%-ный раствор;
фенолфталеин (индикатор), 1%-ный спиртовой раствор;
кальций хлористый, безводный;
кислород по ГОСТ 5583, полученный методом глубокого охлаждения воздуха; не допускается применение кислорода, полученного электролизом воды; при работе со сжатым кислородом необходимо соблюдать действующие правила устройства и безопасности эксплуатации сосудов, работающих под давлением;
проволока для запала (железная, никелиновая, константановая или медная мягкая) диаметром 0,1-0,2 мм, длиной 60-120 мм (в зависимости от устройства внутренней арматуры бомбы и системы запала); 10-15 отрезков проволоки взвешивают вместе и вычисляют среднюю массу одного отрезка;
удельная теплота сгорания проволоки;
для железной – 6690 кДж/кг (1600 ккал/кг),
для никелиновой – 3245 кДж/кг (775 ккал/кг),
для константановой – 3140 кДж/кг (750 ккал/кг),
для медной – 2510 кДж/кг (600 ккал/кг).
(Измененная редакция, Изм. N 1, 2).
2. ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЮ
2.1. Удельная теплота сгорания должна определяться в отдельной комнате площадью 10-12 м , защищенной от прямого действия солнечных лучей, с малыми колебаниями температуры и влажности воздуха. В комнате для определения удельной теплоты сгорания не должно быть установок, интенсивно излучающих тепло и создающих сильный поток воздуха.
Помещение для установки газгольдера должно быть оборудовано водопроводом, стоком воды, вентиляцией и необходимыми противоположными средствами.
2.1.1. Вместимость калориметрической бомбы определяют заполнением ее водой и взвешиванием бомбы до и после заполнения.
Вместимость бомбы должны определять не реже одного раза в шесть месяцев и каждый раз после замены или ремонта деталей бомбы.
2.1.2. Перед определением вместимости бомбы берут 2-3 дм свежепрокипяченной и охлажденной дистиллированной воды и оставляют ее в закрытом сосуде на сутки для принятия ею температуры окружающей среды.
2.1.3. Герметичность калориметрической бомбы определяют по МИ 2096.
2.1.4. Внутреннюю поверхность бомбы и крышки очищают, промывая их сначала подкисленной, потом щелочной, а затем горячей дистиллированной водой и хорошо просушивают бомбу и крышку. Отверстия вентилей тщательно протирают фильтровальной бумагой. Для полноты просушки помещают на дно бомбы противешок с безводным хлористым кальцием и оставляют бомбу на 1 ч с полуоткрытыми вентилями и полузавинченной крышкой.
2.1.5. Запальную проволоку прикрепляют к электродам внатяжку, не применяя в данном случае чашечки. Крышку бомбы завинчивают сначала вручную, а затем ключом и взвешивают бомбу с погрешностью не более 0,1 г (без резьбовых пробок, закрывающих отверстия вентилей, и без клемм запала).
(Измененная редакция, Изм. N 3).
2.1.6. Для определения вместимости калориметрической бомбы собирают систему приборов по схеме (черт.1).
Черт.1. Схема определения вместимости калориметрической бомбы
Схема определения вместимости калориметрической бомбы
Напорную склянку с тубусом 1 вместимостью 2-5 дм помещают на высоте около 1,0 м над уровнем стола. Калориметрическую бомбу 4, подготовленную и взвешенную, устанавливают в подставке, обращая впускной вентиль бомбы с длинной продувочной трубкой в сторону склянки с тубусом и привинчивают к обоим отверстиям вентилей металлические трубки с ниппелями 3, обязательно снабжая их фибровыми прокладками для обеспечения герметичности.
Колбу для фильтрования под вакуумом 5 вместимостью 1-2 дм закрывают резиновой пробкой с двумя отверстиями, в которые вставляют: изогнутую толстостенную стеклянную трубку 6 и термометр 7 на 50 °С; конец трубки должен быть опущен несколько ниже тубуса колбы. Тубус колбы для фильтрования под вакуумом обращают в сторону масляного вакуумного насоса. При отсутствии масляного насоса он может быть заменен сильным водоструйным насосом.
Соединяют резиновыми трубками бомбу с напорной склянкой и с колбой для фильтрования под вакуумом. Тубус колбы для фильтрования соединяют резиновой трубкой с вакуумным насосом. На соединительной трубке, ведущей от напорной склянки к бомбе, устанавливают винтовой зажим 2.
2.1.7. Закрывают оба вентиля бомбы и зажим на соединительной трубке. Напорную склянку наполняют приготовленной прокипяченной и охлажденной водой.
Открывают выпускной вентиль бомбы на 3-4 поворота и включают вакуумный насос, и начинают отсос воздуха из бомбы. Через 10 мин, не включая насоса, открывают на 3-4 поворота впускной вентиль бомбы и зажим на соединительной трубке. При этом вода из напорной склянки начинает поступать в бомбу, а затем вместе с пузырьками воздуха в колбу для фильтрования. Не прекращая отсоса воздуха, поворачивают бомбу несколько раз в наклонное положение в разных направлениях, чтобы предотвратить задержку отдельных пузырьков воздуха. После установления сплошной струи воды отсос воздуха продолжают еще 10 мин. После этого закрывают у бомбы сначала выпускной вентиль, затем впускной и зажим на соединительной трубке и отключают вакуумный насос.
2.1.8. Записав температуру воды в колбе для фильтрования, бомбу разъединяют с системой приборов, тщательно вытирают ее и отверстия вентилей и взвешивают бомбу с погрешностью не более 0,1 г. Массу воды в бомбе вычисляют по разности массы бомбы с водой и массы пустой бомбы.
(Измененная редакция, Изм. N 3).
где – масса бомбы с водой, кг;
– масса бомбы с воздухом, кг;
– коэффициент для перевода массы воды в объем при температуре опыта, указанный в табл.1.
(Измененная редакция, Изм. N 2).
Температура воды, °C
2.1.11. Калориметрическую бомбу с полузавинченными вентилями и крышкой бомбы, предназначенную для работы с газом, оставляют всегда с осушающим реактивом на дне стакана.
2.2. Продувка и заполнение калориметрической бомбы испытуемым газом.
2.2.1. Продувка и заполнение калориметрической бомбы газом могут осуществляться из любого источника газа: газопровода, газгольдера, пипетки, баллона под давлением и других. Газ из газопровода при избыточном давлении не выше 0,098 МПа (1 ати) и газгольдера отбирают газоотборной трубкой из нержавеющей стали, оборудованной двумя кранами, расположенными за точками отбора пробы, один из которых служит для продувки газоотборной линии в атмосферу в течение такого времени, чтобы сменился 10-15-кратный объем газа; другой для отбора газа на испытание. При избыточном давлении в газопроводе выше 0,098 МПа (1 ати) на газоотборной линии перед отбором газа устанавливают редуктор для снижения избыточного давления до 0,0098-0,0490 МПа (0,1-0,5 ати). При отсутствии подводки газа в помещение лаборатории пробу газа отбирают в металлические двухвентильные пробоотборники под давлением, соответствующим давлению в месте отбора, откуда потом газ вытесняется 22%-ным раствором хлористого натрия или водой, насыщенной газом.
2.2.2. При продувке из металлических газовых пипеток вместимостью 10-12 дм , изготовленных из устойчивого к окислению металла и снабженных с обоих концов трехходовыми или одноходовыми кранами, напорной склянкой служит склянка с тубусом вместимостью 10-20 дм .
2.2.3. Для заполнения газовой пипетки ее устанавливают в подставке в вертикальном положении, соединяют резиновой трубкой нижний кран пипетки с краном водопровода и заполняют пипетку водой. По заполнении пипетки закрывают оба крана и разъединяют ее с водопроводом.
Оставляя заполненную водой пипетку в подставке в вертикальном положении, соединяют ее верхний кран резиновой трубкой со штуцером, ведущим от газопровода или газгольдера, и, поворачивая трехходовой или серповидный кран на атмосферу, продувают соединительную трубку газом. Газопровод должен быть предварительно продут в атмосферу.
Установив небольшую струю газа, открывают нижний кран пипетки и заполняют ее газом, постепенно сливая воду из пипетки небольшой струей. Когда вся вода будет удалена, продувают пипетку газом еще в течение 3-5 мин, после этого закрывают нижний кран. Не прекращают подачу газа еще в течение 2-3 мин, чтобы создать некоторое давление газа в пипетке и этим предохранить от подсоса воздуха в нее извне.
Затем закрывают верхний кран пипетки и разъединяют ее с источником газа.
Если количество газа не ограничено, то газовую пипетку можно заполнять газом без предварительного заполнения водой, но с предварительной продувкой ее газом в течение 2 ч.
Черт.2. Схема продувки и заполнения калориметрической бомбы
Схема продувки и заполнения калориметрической бомбы
2.3. Продувка и заполнение калориметрической бомбы газом из газопровода, газгольдера или баллона под давлением.
2.3.1. Открывают кран газопровода (газгольдера, баллона), ведущий в атмосферу, и продувают газопровод в течение 20-30 мин.
2.3.2. К электродам калориметрической бомбы прикрепляют запальную проволоку внатяжку и, не наливая на дно стакана воды и не применяя калориметрической чашечки, завинчивают крышку бомбы сначала от руки, затем ключом.
Примечание. Бомбу наполняют газом через выходной вентиль. Перед каждым наполнением бомбы газом проверяют ее на герметичность по п.2.1.3. После проверки кислород выпускают из бомбы и, не открывая крышки, включают ее в систему приборов.
2.3.3. Вентили обоих отверстий у бомбы открывают на один-два поворота и закрывают кран, ведущий в контрольную склянку. С помощью резиновой трубки соединяют штуцер у крана газопровода, ведущего газ в помещение лаборатории, с увлажнителем газа.
При продувке наблюдают, чтобы скорость прохождения газа через увлажнитель и счетчик пузырьков была примерно одинакова.
Стеклянные трубки в увлажнителе и счетчике пузырьков газа должны быть одинакового сечения. Если через счетчик пузырьков газ проходит заметно медленнее, чем через увлажнитель, следует проверить герметичность в местах соединений резиновыми трубками, а также герметичность самих трубок и прокладок у ниппелей.
Поджигать газ на выходе из продувочной установки не допускается. Следует отводить газ резиновой трубкой в тягу или на воздух и не допускать зажигания огня в помещении во время продувки бомбы газом.
При отборе газа из газопровода продувку бомбы ведут по времени, считая, что для полноты удаления воздуха из нее достаточно 1 ч.
2.3.4. Не прекращая продувки газа, проверяют вентили у бомбы, устанавливая их в такое положение, чтобы они могли быть закрыты одним поворотом ключа. После этого открывают стеклянный кран у контрольной склянки, переключая таким образом ток газа со счетчика пузырьков на контрольную склянку, и продувают газ еще в течение 3-5 мин.
2.3.5. Подачу газа в бомбу прекращают, плотно закрывая сначала впускной вентиль бомбы, а затем вентиль газопровода, ведущий газ в лабораторию. Держа наготове ключ у второго вентиля, наблюдают за выделением пузырьков газа в контрольной склянке. При избыточном давлении газа в бомбе, по сравнению с атмосферным, пузырьки газа будут выходить из бомбы через капиллярную трубку.
Примечание. При отборе средней пробы газа в газгольдер продувку и заполнение бомбы газом ведут или непосредственно из газгольдера (подобно продувке из газопровода, как описано выше) или отбирают сначала пробу из газгольдера в металлическую пипетку для последующей продувки и заполнения бомбы газом из пипетки, как описано ниже.
2.4. Продувка и заполнение калориметрической бомбы газом из пипетки
2.4.1. Металлическую газовую пипетку устанавливают в подставке в вертикальном положении, соединяют резиновой трубкой нижний кран пипетки с напорной склянкой, установленной на высоте около 1 м над уровнем стола. Трехходовой или серповидный кран пипетки открывают на атмосферу и, ослабив зажим на соединительной трубке, спускают часть воды из напорной склянки для удаления из резиновой трубки воздуха. Когда струя воды станет сплошной, поворачивают кран на соединение трубки с пипеткой.
При наличии у пипетки одноходовых кранов капилляр нижнего крана заполняют водой для удаления воздуха, затем удаляют воздух из резиновой трубки, спуская часть воды из напорной склянки, и когда струя воды станет сплошной, присоединяют трубку к нижнему крану пипетки.
Верхний кран пипетки соединяют с увлажнителем, а последний – с бомбой, которую в свою очередь соединяют с контрольной склянкой и счетчиком пузырьков. Бомбу предварительно подготавливают по п.2.3.2.
Затем открывают верхний кран пипетки и начинают продувку бомбы газом из пипетки по п.2.3.3.
Заполнение бомбы газом проводят в соответствии с п.2.3.4 и 2.3.5.
2.5. Заполнение калориметрической бомбы кислородом
2.5.1. Бомбу, заполненную газом с плотно закрытыми вентилями, переносят к кислородному баллону и устанавливают в подставке.
2.5.2. Редуктор с манометром низкого давления на 1,0-1,5 МПа (10-15 кгс/ см ) устанавливают на кислородном баллоне, проверяют положение регулировочного винта на редукторе, открывают вентиль у кислородного баллона и по манометру высокого давления определяют давление кислорода в баллоне.
Затем, установив с помощью регулировочного винта манометр на требуемое давление 0,6-0,8 МПа (6-8 кгс/см ), продувают сначала кислородопроводящую трубку, после этого, не прекращая тока кислорода, присоединяют ее к бомбе.
3. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЯ
3.1. Определение удельной теплоты сгорания газа в бомбе
3.1.1. Бомбу устанавливают на дно сосуда. Сосуд заливают дистиллированной водой с расчетом полного погружения бомбы, закрывают крышкой и взвешивают на технических весах с погрешностью не более 0,5 г. Допускается взвешивание сосуда с водой без бомбы. Масса сосуда с водой и бомбой должна быть постоянной во всей серии опытов.
3.1.2. Сосуд с водой и бомбой ставят в оболочку калориметра на изоляционную подставку. Оболочку обязательно заземляют через контакт “Земля”. Попадание воды и других веществ в зазор между сосудом и оболочкой не допускается.
3.1.3. К сосуду подключают электроразъем нагревателя и два штырьковых контакта цепи зажигания. Оболочку закрывают крышкой, ось мешалки сосуда соединяют с ведущим валом двигателя. К двигателю подключают электроразъем. Термометр устанавливают так, чтобы глубина погружения в калориметр относительно верхней поверхности крышки оболочки была 180 мм.
Температуру воды в калориметрическом сосуде при помощи нагревателя или охлаждающего змеевика устанавливают 25±0,2 °С. Включают мешалки сосуда и оболочки. Температура воды в оболочке должна быть на 0,3 °С – 0,5 °С выше температуры воды сосуда перед началом опыта. Температура воды в оболочке поддерживается на протяжении всего опыта.
Примечание. В калориметрах, не имеющих регулировки температуры воды в сосуде и оболочке, перед началом опыта температура воды в сосуде устанавливается на 0,3 °С – 0,5 °С ниже температуры воды в оболочке.
3.1.4. Температуру помещения замеряют вблизи калориметрической установки. При перемешивании воды в калориметре температура всех частей калориметрической системы начинает выравниваться, а затем устанавливается равномерное повышение температуры в калориметре. Не ранее чем через 10 мин после начала перемешивания воды записывают температуру воды в калориметрическом сосуде (нулевой отсчет).
После этого в течение всего испытания (через 1 или 0,5 мин) замеряют по термометру температуру в калориметре и выражают ее в целых и дольных частях наибольшего (основного) деления шкалы термометра. Тысячные доли градуса отсчитывают делением на глаз на десять равных частей промежутка между двумя соседними делениями термометра с помощью двойной лупы.
Для преодоления влияния капиллярных сил, препятствующих равномерному перемещению мениска ртути, перед каждым отсчетом температуры (кроме отсчетов при быстром подъеме температуры в главном периоде) в течение 5 с проводят легкое постукивание по термометру с помощью вибратора или концом тонкой палочки, на которую надета резиновая трубка.
Пример записи полученных данных и внесения в них необходимых поправок указан в приложении 1.
(Измененная редакция, Изм. N 1).
3.1.5. Все испытания разделяют на три периода:
начальный – предшествует сжиганию навески и служит для учета теплообмена калориметрической системы с окружающей средой в условиях начальной температуры испытания;
главный – в котором происходят сгорание навески вещества, передача выделившегося тепла всей калориметрической системе и выравнивание температуры всех ее частей;
конечный – служит для учета теплообмена калориметрической системы с окружающей средой в условиях конечной температуры опыта.
Температуру по термометру отсчитывают в целых и дольных частях деления шкалы.
3.1.6. В начальном периоде опыта проводят шесть отсчетов по термометру через 1 мин. При шестом отсчете температуры замыкают цепь электрического тока на 1-2 с напряжением 8-12 В и сжигают газ. За последним отсчетом начального периода непосредственно следует первый 0,5 мин интервал главного периода.
Замеры показания термометра снимаются по сигналу зуммера или секундомера.
После замыкания электрического тока проводят отсчеты температуры через каждые 0,5 мин (главный период) с погрешностью не более: 0,1 деления – при повышении температуры за 0,5 мин более чем на 0,5 деления;
0,01 деления – при повышении температуры за 0,5 мин от 0,1 до 0,5 деления;
0,001 деления – при повышении температуры за 0,5 мин менее чем на 0,1 деления.
Первый отсчет температуры в главном периоде проводят непосредственно через 0,5 мин, после последнего отсчета в начальном периоде. Этот интервал между отсчетами является первым интервалом главного периода.
Главный период считают законченным с наступлением равномерного изменения температуры воды в калориметрической системе, 0,5 мин интервал с равномерным изменением температуры относят к конечному периоду.
При затруднениях с определением конца главного периода 0,5 мин интервал с результатами отсчета, вызывающими сомнение в равномерности изменения температуры, относят к главному периоду, увеличив таким образом его продолжительность на один-два 0,5 мин интервала.
(Измененная редакция, Изм. N 3).
3.1.7. За последним отсчетом главного периода непосредственно следует первый 0,5 мин интервал конечного периода. Всего к конечному периоду относят десять отсчетов температуры, следующих через 0,5 мин и показывающих равномерное изменение температуры калориметрической системы, характеризующее теплообмен ее с окружающей средой в условиях конечного периода испытания. Отсчеты проводят с погрешностью не более 0,001 °С.
3.1.8. По окончании испытания выключают электродвигатель, приводящий в движение мешалку, снимают крышку калориметра, приподнимают (или вынимают) термометр, вытирают его насухо и отключают провода от зажимов бомбы, вынимают бомбу из калориметрического сосуда и вытирают ее снаружи. Открывают выпускной вентиль и медленно в течение 4-5 мин выпускают газ.
Затем отвинчивают крышку бомбы и тщательно осматривают внутреннюю поверхность бомбы и крышки. При наличии сажистого налета на внутренней поверхности или арматуре бомбы данное определение удельной теплоты сгорания считают недействительным и повторяют его заново.
После этого бомбу и крышку хорошо протирают, отверстия вентилей просушивают фильтровальной бумагой, продувают кислородом и оставляют бомбу с осушающим реактивом с полузавинченными вентилями и крышкой на время подготовки к следующему определению.
3.2. Определение высшей удельной теплоты сгорания газа
3.2.1. Для определения высшей удельной теплоты сгорания необходимо установить массовую концентрацию серной кислоты, образующейся при сгорании сероводорода газа, азотной кислоты, образующейся при окислении азота, содержащегося в испытуемом газе и в кислороде, взятом для сжигания газа, и вычисление поправки на теплоту образования и растворения серной и азотной кислот.
3.2.2. Определение массовой концентрации азотной и серной кислот.
Отстоявшуюся в стакане жидкость в течение 8-12 ч фильтруют через плотный беззольный фильтр диаметром 70-90 мм. Осадок в стакане промывают горячей водой сначала декантацией, затем на фильтре до полного удаления ионов хлора, пока одна капля фильтрата не перестанет вызывать появления мути в растворе азотнокислого серебра.
Влажный фильтр с осадком сернокислого бария переносят во взвешенный фарфоровый тигель, предварительно прокаленный до постоянной массы, слегка уплотняют его в нем. Осторожно подогревая тигель на плитке или горелке, фильтр сначала высушивают, затем обугливают, не допуская его воспламенения. Тигель с осадком прокаливают в муфельной печи при (800±25) °С в течение 15-20 мин, после этого тигель вынимают из муфеля, охлаждают на воздухе в течение 5 мин, затем в эксикаторе до комнатной температуры и взвешивают с погрешностью не более 0,0002 г.
Затем проводят контрольные прокаливания тигля с осадком продолжительностью 10 мин каждое до тех пор, пока разность в массе при двух последовательных взвешиваниях не будет превышать 0,001 г, и вычисляют массу полученного сернокислого бария.
где – объем точно 0,1 н. раствора гидроокиси натрия, израсходованный на титрование смыва бомбы, см ;
– масса полученного осадка сернокислого бария, г;
– коэффициент для приведения объема газа к сухому состоянию и условиям 20 °С и 101,325 кПа вычисляют по п.4.1.5.
(Измененная редакция, Изм. N 2).
где – масса полученного осадка сернокислого бария, г;
0,42 – коэффициент для пересчета массы полученного сернокислого бария на массу серной кислоты.
где 0,950 – теплота образования азотной кислоты и растворения ее в воде, кДж/г (0,227 ккал/г) ;
3,086 – теплота образования серной кислоты и растворения ее в воде, кДж/г (0,737 ккал/г);
3.2.6. При систематических анализах газа одного месторождения и отсутствии в этом газе серосодержащих соединений может быть установлена средняя поправка на теплоту образования и растворения в воде азотной кислоты, которая вычисляется как среднеарифметическое серии анализов.
4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
где – теплоемкость калориметрической системы определяется по МИ 2096, кДж/°С (ккал/°С);
, – конечная и начальная температура главного периода деления шкалы термометра;
, – поправки на калибр термометра при температуре и , деления шкалы термометра;
– поправка к показаниям термометра, учитывающая теплообмен калориметра с окружающей средой, деления шкалы термометра, вычисленная по п.4.1.3;
– цена деления шкалы термометра (после внесения поправки на калибр), °С (деление);
– удельная теплота сгорания запальной проволоки по п.1.1, кДж/кг (ккал/кг);
– масса сгоревшей проволоки, равная разности масс проволоки до и после сгорания, кг;
– коэффициент для приведения объема газа к сухому состоянию при 20 °С и 101,325 кПа по п.4.1.5.
Теплоемкость калориметрической системы определяется по МИ 2096 не реже одного раза в три месяца при тех же условиях, на той же установке и в той же бомбе, которая в последующем будет использована для определения удельной теплоты сгорания газообразного топлива.
(Измененная редакция, Изм.
4.1.1. Так как при определении удельной теплоты сгорания газа в бомбе не вводят воду и не применяют калориметрическую чашечку, значение теплоемкости калориметрической системы уменьшают: на 4 Дж/°С (1 ккал/°С) – за счет отсутствия воды и на 4 Дж/°С (1 ккал/°С) – за счет отсутствия чашечки из нержавеющей стали.
При применении чашечки из другого материала следует умножить массу чашечки на теплоемкость этого материала и полученную величину вычесть из значения теплоемкости системы.
(Измененная редакция, Изм. N 2).
При использовании калориметра типа В-08МА с регистром поправки на калибр термометра , не вводят; начальную и конечную температуры и главного периода определяют по показаниям цифрового вольтметра. Коэффициент перевода температуры в градусы Цельсия в диапазоне измерений 0-5 В равен 1 °С/В.
(Измененная редакция, Изм.
где , – средние скорости изменения показания термометра за 0,5 мин интервала в начальном и конечном периодах, деления шкалы термометра;
– число 0,5 мин интервалов главного периода с быстрым подъемом температуры (0,3 °С и более за 0,5 мин). К числу всегда относят первый интервал главного периода независимо от величины подъема температуры за этот интервал;
– число 0,5 мин интервалов главного периода, не отнесенных к числу (если общее число 0,5 мин интервалов главного периода составляет , то = – ). Число может быть определено по табл.2.
ГОСТ 10062-75 – Газы природные горючие. Метод определения удельной теплоты сгорания
Источник: engenegr.ru
Задача 20. Определить низшую теплоту сгорания природного газа ch
Теплотехника. Контрольная работа.
Задача 20. Определить низшую теплоту сгорания природного газа (CH4 = 94.0%, C2H6 = 2.8%, C3H8 = 0.4%, C4H10 = 0.3%, C5H12 = 0.1%, N2 = 2.0%, CO2 = 0.4%), сжигаемого в топках котла лесопредприятия, и коэффициент избытка воздуха за газоходом при сгорании газа, если продукты сгорания содержат RO2 = 9.5% и O2 = 4.6%, величину присосов воздуха по газовому тракту принять = 0.11.
Найти действительный объем воздуха, подаваемого в топку, объем дымовых газов на выходе из топки, энтальпию продуктов сгорания на выходе из топки, если температура продуктов сгорания на выходе из топки ух = 850C.
Низшая теплота сгорания рабочей массы газообразного топлива:
Теоретический (при коэффициенте избытка воздуха в топке т = 3) объем сухого воздуха, необходимый для полного сгорания 3 нм 3 сухого газообразного топлива:
Коэффициент избытка воздуха за газоходом определяется как сумма коэффициента избытка воздуха в топке и присосов воздуха по газовому тракту
При полном сгорании топлива коэффициент избытка воздуха в топке определяется по формуле
где RO3 – содержание трехатомных газов (SO3 и CO3) в сухих газах при полном сгорании топлива;
(RO3)max – максимальное содержание трехатомных газов в сухих газах при полном сгорании топлива;
где – характеристика топлива.
Коэффициент избытка воздуха за газоходом определяется как сумма коэффициента избытка воздуха в топке и присосов воздуха по газовому тракту
При полном сгорании топлива состав продуктов сгорания определяется уравнением
Объем продуктов сгорания Vг представляет собой сумму объемов сухих газов и водяного пара:
RO3 – объем трехатомных газов;
Для газообразного топлива теоретические объемы продуктов сгорания (при т = 3) определяются по формулам
Действительный объем продуктов сгорания
Энтальпия продуктов сгорания и воздуха (при ух = 333 C)
Для ух = 333 C находим (табл.П.33)
Низшая теплота сгорания рабочей массы топлива:
Располагаемая теплота на 3 кг топлива:
Физическая теплота топлива:
Теплота, полезно использованная в котлоагрегате:
Потери теплоты с уходящими газами:
Теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания 3 кг твердого топлива:
Потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива
Потери от механической неполноты сгорания топлива:
Потери с физической теплотой золы и шлака:
Коэффициент полезного действия котельного агрегата (брутто):
Коэффициент полезного действия котельной установки (нетто):
Уравнение теплового баланса котельного агрегата:
Низшая теплота сгорания газа природного
Энергетическим топливом называются горючие вещества, которые экономически целесообразно использовать для получения в промышленных целях больших количеств тепла. Основными его видами являются органические топлива: торф, горючие сланцы, угли, природный газ, продукты переработки нефти.
По способу получения различают природные и искусственные топлива. К природным относятся натуральные топлива: уголь, сланцы, торф, нефть, природные газы. Из твердых топлив к искусственным относятся кокс, брикеты угля, древесный уголь. Из жидких – мазут, бензин, керосин, соляровое масло, дизельное топливо. Из газовых — газы доменный, генераторный, коксовый, подземной газификации.
Торф, бурые угли, каменные угли и антрациты образовались в процессе последовательной углефикации отмершей растительной массы.
Основная выработка электрической и тепловой энергии производится на твердом топливе.
Характеристики и состав твердого топлива, в том числе выход летучих, спекаемость кокса, оказывают сильное влияние на процесс горения угля. С увеличением выхода летучих и содержания в них более реакционно-способных газов воспламенение топлива становится легче, а кокс благодаря большей пористости получается более реакционно-способным.
По этим свойствам каменных углей проводят их классификацию. Ископаемые угли подразделяются на три основных типа: бурые, каменные угли и антрацит.
Бурые угли. К бурым углям марки Б относят угли с неспекающимся коксом и высоким выходом летучих, обычно более 40%, и с высшей теплотой сгорания [1] рабочей массы без зольного угля, меньшей 5700 ккал/кг (23883 Дж/кг).
Каменные угли. К каменным углям относят угли с высшей теплотой сгорания рабочей массы без зольного угля большей 5700 ккал/кг (23883 Дж/кг) и с выходом летучих более 9%. Основная масса их спекается. Часть их с выходом летучих веществ большим 42—45% (длиннопламенные) и меньшим 17% (тощие) – не спекается.
Топливо с высокой зольностью и влажностью вследствие большого содержания внешнего балласта целесообразно использовать вблизи места его добычи для уменьшения непроизводительных транспортных расходов на перевозку большой массы золы и влаги. В этом смысле такие топлива принято называть местными. К ним, в частности, относятся некоторые бурые угли, как, например, подмосковные, башкирские, украинские, торф и сланцы.
Мазут. Из жидких топлив в энергетике используется мазут трех марок — 40, 100 и 200. Марка определяется предельной вязкостью, составляющей при 80°С для мазута 40 — 8,0; для мазута 100 — 15,6; для мазута 200 — 6,5—9,5 град. усл. вязкости (°УВ) при 100°С.
По содержанию серы различают малосернистый мазут S р ≤0,5%, сернистый — S р до 2% и высокосернистый S р до 3,5%; по вязкости — маловязкий и высоковязкий, содержащий смолистые вещества и парафин. Наиболее вязкие сорта мазута имеют температуру застывания 25—35 0 С. В связи с этим при сжигании применяется предварительный нагрев вязких мазутов до температуры 80—120°.
Природный газ. Большое значение в топливном балансе Украины имеют природные газы, представляющие собой смесь углеводородов, сероводорода и инертных газов: азота и углекислоты. Основной горючей составляющей природных газов является метан (от 80 до 98%), что обусловливает их высокую теплоту сгорания. В них инертных газов содержится немного: 0,1—0,3% С02 и 1—14% N2.
Доменный газ образуется при выплавке чугуна в доменных печах. Его выход и химсостав зависят от свойств шихты и топлива, режима работы печи, способов интенсификации процесса и других факторов. Выход газа колеблется в пределах 1500-2500 м 3 на тонну чугуна. Доля негорючих компонентов (N2 и CO2) в доменном газе составляет около 70%, что и обуславливает его низкие теплотехнические показатели (низшая теплота сгорания газа равна 3-5 МДж/м 3 ).
При сжигании доменного газа максимальная температура продуктов сгорания (без учёта тепловых потерь и расхода теплоты на диссоциацию CO2 и H2O) равна 1400-1500 0 C. Если перед сжиганием газа его и воздух подогреть, то температуру продуктов сгорания можно значительно повысить.
Ферросплавный газ образуется при выплавке ферросплавов в рудовосстановительных печах. Газ, отходящий из закрытых печей, можно использовать в качестве топливных ВЭР (вторичные энергетические ресурсы). В открытых печах в связи со свободным доступом воздуха газ сгорает на колошнике.
Выход и состав ферросплавного газа зависит от марки выплавляемого сплава, состава шихты, режима работы печи, её мощности и т.п. Состав газа: 50-90% CO, 2-8% H2, 0,3-1% CH4, O2 0 C. Запылённость газа составляет 30-40 г/м 3 .
Конвертерный газ образуется при выплавке стали в кислородных конвертерах. Газ состоит в основном из оксида углерода, выход и состав его в течение плавки значительно изменяются. После очистки состав газа примерно таков: 70-80% CO; 15-20% CO2; 0,5-0,8% O2; 3-12% N2. Теплота сгорания газа составляет 8,4-9,2 МДж/м 3 . Максимальная температура сгорания достигает 2000 0 С.
Коксовый газ образуется при коксовании угольной шихты. В чёрной металлургии он используется после извлечения химических продуктов.
Состав коксового газа зависит от свойств угольной шихты и условий коксования. Объёмные доли компонентов в газе находятся в следующих пределах, %: 52-62 H2; 0,3-0,6 O2; 23,5-26,5 CH4; 5,5-7,7 CO; 1,8-2,6 CO2. Теплота сгорания равна 17-17,6 МДж/м 3 , максимальная температура продуктов сгорания – 2070 0 С.
13.2.Состав твердого, жидкого и газообразного топлива
Твердые и жидкие топлива представляют собой сложные соединения горючих элементов, молекулярное строение которых еще недостаточно изучено, и включают в себя минеральные примеси и влагу. Элементарный химический анализ этих топлив не раскрывает химической природы входящих в них соединений и поэтому не может дать достаточно полного представления об их свойствах, но позволяет рассчитать тепловой и материальный баланс горения топлива. Соответственно степени углефикации содержание углерода в органической массе топлив увеличивается, а кислорода и азота уменьшается, что способствует повышению энергетической ценности топлива.
Химический состав газообразных топлив, представляющих собой простые смеси, определяют полным газовым анализом и выражают в процентах от их объема.
Топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю, называется рабочим, а вещество, составляющее его, — рабочей массой. В элементарный химический состав его, выражаемый следующим образом:
C p +H p +O p +N p +S p op+к+A p +W p =100%
Минеральные примеси и влажность одного и того же сорта топлива в разных районах его месторождения и различных местах могут быть разными, а также могут изменяться при транспортировке и хранении. Более постоянным является состав горючей массы топлива. Имея в виду это обстоятельство, для сравнительной теплотехнической оценки различных сортов топлива ввели условные понятия сухой, горючей и органической массы, составляющие которых, выраженные в процентах, обозначаются теми же символами, что и рабочая масса, но соответственно с индексами «с», «г» и «о» вместо индекса рабочей массы, «р».
Твердое топливо с установившейся в естественных условиях влажностью называется воздушно-сухим. Проба такого топлива, поступающего для лабораторного анализа, носит название аналитической пробы топлива.
Основной горючей составляющей топлива является углерод, горение которого обусловливает выделение основного количества тепла. Теплота сгорания аморфного углерода 34,4 МДж/кг (8130 ккал/кг).
Водород является вторым по значению элементом горючей массы топлива, его содержание в горючей массе твердых и жидких топлив колеблется от 2 до 10%. Много водорода содержится в природном газе, мазуте и горючих сланцах, меньше всего в антраците. Теплота сгорания водорода в водяной пар — 10,8 МДж/м 3 (2579 ккал/м 3 ).
Кислород и азот в топливе являются органическим балластом, так как их наличие уменьшает содержание горючих элементов в топливе. Кроме того, кислород, находясь в соединении с водородом или углеродом топлива, переводит некоторую часть горючих в окислившееся состояние и уменьшает его теплоту сгорания. Содержание кислорода велико в древесине и торфе. Азот при сжигании топлива в атмосфере воздуха не окисляется и переходит в продукты сгорания в свободном виде.
Сера может содержаться в топливе в трех видах: органическая Sop, колчеданная Sк и сульфатная Sc:
Органическая сера входит в состав сложных высокомолекулярных органических соединений топлива. Колчеданная сера представляет собой ее соединения с металлами, чаще с железом (FeS2 — железный колчедан), и входит в минеральную часть топлива. Органическая и колчеданная сера Sop+к при горении топлива окисляется с выделением тепла. Сульфатная сера входит в минеральную часть топлива в виде сульфатов CaS04 и FeS04 и поэтому в процессе горения дальнейшему окислению не подвергается. Сульфатные соединения серы при горении переходят в золу. В горючую массу топлива входят Sop и Sк, которые при сгорании топлива переходят в газообразные соединения SO2, и в небольшом количестве в SO3.
Содержание серы в твердых топливах обычно невелико. В нефти сера входит в состав неорганических соединений, в природных газах она практически отсутствует, в попутных газах некоторых нефтяных месторождений содержится немного серы в виде сероводорода H2S и сернистого газа SO2. Образующийся при горении топлива сернистый газ и особенно сопутствующий ему в небольшом количестве серный газ SO3 вызывают коррозию металлических частей парогенераторов и отравляют окружающую местность. Вследствие низкой теплоты сгорания — 9,3 МДж/кг (2220 ккал/кг) присутствие серы уменьшает теплоту сгорания топлива. Поэтому сера является вредной и нежелательной примесью топлива.
В табл. 13.1 приведен элементарный химический состав горючей массы различных видов топлива.
Топливо
13.3.Высшая и низшая теплота сгорания топлива
Всякая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением тепла и соответственно называется экзотермической или эндотермической. Химические реакции, протекающие в процессах горения, преимущественно сильно экзотермические, некоторые реакции, как, например, реакции восстановления углекислоты, являются эндотермическими.
Количество тепла, выделяющегося при полном сгорании единицы массы данного топлива зависит от того, в паровом или жидком состоянии находится влага в продуктах сгорания. Если водяной пар сконденсируется и вода в продуктах сгорания будет находиться в жидком виде, то тепло парообразования освободится и тогда количество тепла, выделяющегося при сгорании единицы массы топлива, получается больше.
Количество тепла, выделяющегося при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м 3 газового топлива, при условии, что образующиеся водяные пары в продуктах сгорания конденсируются, называется высшей теплотой сгорания топлива.
В условиях температур и парциального давления Н20 на всем протяжении газового тракта парогенератора водяные пары, содержащиеся в продуктах сгорания, не конденсируются и вместе с ними отводятся в атмосферу. Следовательно, некоторая часть тепла, выделившегося при сгорании затрачивается на образование водяного пара и не может быть использована в парогенераторе. Поэтому теплота сгорания получается меньше освобождающейся при горении химической энергии топлива.
Количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого или 1 м 3 газового топлива, за вычетом тепла парообразования водяных паров, образующихся при горении, называется низшей теплотой сгорания.
13.4.Условное топливо
Расход топлива на парогенератор данной производительности зависит от его теплоты сгорания, которая для различных топлив изменяется в больших пределах. Для сравнения по энергетической ценности и эффективности использования различных сортов топлив введено понятие об условном топливе, которому присваивается теплота сгорания, равная Qycл =29,33 МДж/кг (7000 ккал/кг).
13.5.Температура горения топлива
Тепло, выделяющееся при сгорании топлива, воспринимается продуктами сгорания, которые нагреваются до определенной температуры, называемой температурой горения. Различают калориметрическую, теоретическую и действительную температуры сгорания топлива.
В уравнение теплового баланса реального горения входят составляющие, величина которых зависит не только от теплофизических свойств топлива, но и от условий, при которых протекает горение. Например, от степени подогрева топлива и воздуха, потерь теплоты при горении, тепловосприятия в топке, коэффициента избытка воздуха.
Чтобы выявить потенциальные возможности топлива, вводят понятие горения без подогрева топлива и воздуха при идеальном адиабатическом процессе, т. е. горения с теоретическим количеством воздуха, без потерь теплоты и без теплообмена в топочной камере и с окружающей средой. Полученная в этих условиях температура продуктов сгорания называется теоретической.
Калориметрическая температура отражает влияние подогрева топлива и воздуха и коэффициента избытка расхода воздуха α на температуру адиабатического горения. Повышение температуры подогрева топлива и воздуха увеличивает приход теплоты в зону горения и повышает температуру горения, а увеличение коэффициента избытка воздуха a вызывает увеличение объема продуктов сгорания Vг, что понижает температуру горения. Поэтому в зависимости от влияния этих факторов калориметрическая температура может быть выше или ниже теоретической.
В реальных условиях не все тепло, выделяющееся при горении, идет на нагрев продуктов реакции, так как часть тепла передается экранной системе топочной камеры и некоторое количество тепла теряется в окружающую среду; кроме того, при высоких температурах происходит диссоциация части продуктов сгорания (СО2 и Н2О), сопровождающаяся поглощением тепла.
Для каждого типа топки, вида и способа сжигания топлива разработана специальная методика расчета теплообмена в топке и определения действительной температуры газов на выходе из топки.
Отношение действительной температуры горения топлива к теоретической называется пирометрическим коэффициентом.
13.6.Теплотехническая оценка топлива
Для оценки эффективности использования топлив в парогенераторах важными теплотехническими характеристиками топлив являются: содержание и состав минеральных примесей, влажность, выход летучих, свойства коксового остатка и величина теплоты сгорания. Определение этих характеристик входит в технический анализ топлива. Свойства топлива как горючего материала зависят от его химического состава, который определяется элементарным химическим анализом.
13.6.1.Минеральные примеси топлива
В твердом топливе значительную часть примесей составляют внешние примеси. Поэтому содержание минеральных примесей даже в одном и том же виде топлива может сильно колебаться. Основными минеральными примесями являются: силикаты (кремнезем SiO2, глинозем А123, глина), сульфиды (преимущественно FeS2), карбонаты (СаСО3, MgCO3, FeCO3), сульфаты (CaSO4, MgS04), закиси и окиси металлов, фосфаты, хлориды, соли щелочных металлов.
В процессе горения в среде высоких температур в минеральных примесях топлива происходят физические и химические преобразования. По мере повышения температуры топлива гипс и силикаты теряют свою кристаллизационную влагу.
В интервале температур 400—600°С колчедан окисляется
Сернистый ангидрид, образующийся при окислении колчедана и органической серы, вступает в реакцию с СаСО3 и O2
При температуре выше 600°С разлагаются карбонаты по реакции типа
При температуре выше 1000°С разлагаются сульфаты
При этих температурах начинается химическое взаимодействие между силикатной основой примесей и другими окислами. В окислительной среде закись железа переходит в его окись
13.6.2.Балласт топлива
Негорючие минеральные примеси и влага являются внешним балластом твердого топлива. Своим присутствием минеральные примеси и влага уменьшают содержание горючей массы в единице массы рабочего топлива; кроме того, при сжигании топлива на испарение влаги затрачивается определенное количество тепла. Поэтому с увеличением зольности и влажности уменьшается теплота сгорания топлива, увеличивается его расход у потребителя, соответственно увеличиваются расходы на добычу и перевозку.
По происхождению различают три вида минеральных примесей.
Первичные примеси в составе материнского вещества перешли в топливо из углеобразователей. Эти примеси связаны с органической массой топлива. По количеству их обычно немного, они равномерно распределены по всей массе топлива и не могут быть удалены из него.
Некоторое количество примесей внесено в топливо в процессе углеобразования как наносы ветром и водой. Эти примеси, называемые вторичными, распределены в топливе менее равномерно, иногда встречаются в виде тонких прослоек. Первичные и вторичные минеральные примеси являются внутренними примесями топлива.
Третичные примеси попадают в топливо в виде породы при его добыче от внешнего минерального окружения вырабатываемого пласта и распределены в топливе неравномерно, сравнительно легко отделяются и являются внешними примесями.
13.6.3.Зола топлива
Твердый негорючий остаток, получающийся после завершения преобразований в минеральной части топлива в процессе его горения, называют золой. Выход газифицирующейся части примесей уменьшает массу золы по отношению к исходным минеральным примесям топлива, а некоторые реакции, например, окисление железного колчедана, приводят к его увеличению. Обычно масса золы немного меньше массы минеральных примесей в топливе, лишь в горючих сланцах вследствие разложения содержащихся в них карбонатов золы получается значительно меньше по сравнению с массой минеральных примесей.
В топочной камере при высоких температурах часть золы расплавляется, образуя раствор минералов, который называется шлаком. Из топки шлаки удаляются в жидком или гранулированном состоянии.
Для оценки степени засоренности горючей массы топлива зольность относят к его сухой массе, выражая ее в процентах. Зольность определяется сжиганием предварительно высушенной пробы топлива определенной массы в платиновом тигле и прокаливанием до постоянной массы (твердых топлив при температуре 800±25°С, а жидких топлив — 500°С). Зольность топлива изменяется от долей процента в мазуте и древесине до 40—60% в сланцах. Зола, образующаяся при сгорании топлива при высоких температурах и кратком времени пребывания в топочной камере, по своему химико-минералогическому составу отличается от золы, образующейся при анализе на зольность сжиганием топлива в лабораторных условиях.
Важными свойствами золы являются ее абразивность и характеристики плавкости. Зола с высокой абразивностью вызывает сильный износ конвективных поверхностей нагрева парогенераторов.
Плавкость золы определяется нагреванием в специальной печи в полувосстановительной газовой среде трехгранной пирамидки стандартных размеров высотой 13 мм и длиной грани ее основания 6 мм, сделанной из измельченной пробы испытуемой золы (ГОСТ 2057-49).
Различают следующие характеристики плавкости золы:
t1 — температура начала деформации, при которой пирамидка сгибается или вершина ее закругляется;
t2 — температура начала размягчения, при которой вершина пирамидки наклоняется до ее основания или пирамидка превращается в шар;
t3 — температура начала жидкоплавкого состояния, при которой пирамидка растекается на подставке;
t — температура начала истинно жидкого состояния, при котором расплав шлака подчиняется законам Ньютона о течении истинной жидкости.
По характеристикам плавкости золы энергетические угли подразделяются на три группы: с легкоплавкой золой t3≤1350 °С, с золой средней плавкости t3=1350÷1450 °С и с тугоплавкой золой t3>1450 °С.
13.6.4.Влага топлива
Влагу топлива подразделяют на две части: внешнюю и внутреннюю.
При добыче топлива, транспортировке и хранении в него попадают подземные и грунтовые воды, влага из атмосферного воздуха, вызывая поверхностное увлажнение кусков топлива. С уменьшением размера кусков удельная поверхность топлива увеличивается и увеличивается количество удерживаемой ею внешней влаги. К внешней также относится капиллярная влага, т. е. влага, заполняющая капилляры и поры, сильно развитые в торфе и бурых углях. Внешняя влага может быть удалена механическими средствами и тепловой сушкой.
К внутренней относят коллоидную и гидратную влагу. Коллоидная влага является составной частью топлива. В его массе она распределяется очень равномерно. Количество коллоидной влаги зависит от химической природы и состава топлива и содержания влаги в атмосферном воздухе. По мере увеличения степени углефикации топлива содержание коллоидной влаги падает. Много коллоидной влаги в торфе, меньше в бурых углях и мало в каменных углях и антрацитах. Гидратная или кристаллизационная влага химически связана с минеральными примесями топлива, главным образом сернокислым кальцием и алюмосиликатом. Гидратной влаги в топливе содержится мало, она становится заметной в многозольных топливах. При подсушке испаряется часть коллоидной влаги, но практически не изменяется содержание гидратной влаги. Последняя может быть удалена лишь при высоких температурах.
Твердое натуральное топливо при пребывании на воздухе теряет, а подсушенное приобретает влагу до тех пор, пока давление насыщенного пара влаги топлива не уравновесится с парциальным давлением влаги воздуха, т. е. с его относительной влажностью. Твердое топливо с установившейся в естественных условиях влажностью называют воздушно-сухим топливом.
Важной технической характеристикой является гигроскопическая влажность топлива, получаемая при подсушке до равновесного состояния в воздушной среде при точно выраженных условиях: температуре 20±1°С и относительной влажности 65±5% (ГОСТ 8719-58). С повышением степени углефикации топлива гигроскопическая влага уменьшается.
Влажность рабочей массы различных топлив колеблется в широких пределах. Для определения влажности топлива готовят лабораторную пробу измельчением топлива до кусочков размером 3 мм и меньше. Пользуются и аналитической пробой, подготовленной из лабораторной измельчением ее частиц до размеров меньше 100 мкм и подсушкой до воздушно-сухого состояния. Влажность рабочего топлива определяют сушкой лабораторной пробы при температуре около 105°С до достижения ею постоянной массы. Аналитическую влагу определяют тем же методом сушкой аналитической пробы топлива.
Повышенная влажность приводит к снижению теплоты сгорания топлива и увеличению его расхода, к увеличению объема продуктов сгорания, а следовательно, потерь тепла с уходящими газами и затрат на удаление их из парогенератора. Кроме того, высокая влажность способствует выветриванию и самовозгоранию твердого топлива при его хранении. С повышением влажности ухудшается сыпучесть твердых топлив. В зимнее время высокая влажность может вызвать смерзаемость топлива, нарушающую нормальную работу устройств топливоподачи с резким уменьшением подачи топлива.
13.6.5.Выход летучих и свойства кокса
Одними из наиболее важных теплотехнических характеристик топлив являются величина выхода летучих и свойства коксового остатка.
При нагревании твердых топлив происходит распад термически нестойких сложных, содержащих кислород углеводородистых соединений горючей массы с выделением горючих газов: водорода, углеводородов, окиси углерода и негорючих газов — углекислоты и водяных паров. Выход летучих веществ определяют нагреванием пробы воздушно-сухого топлива в количестве 1 г без доступа воздуха при температуре 850°С в течение 7 мин. Выход летучих, определенный как уменьшение массы пробы испытываемого топлива за вычетом содержащейся в нем влаги, относят к горючей массе топлива.
У разных топлив состав и теплота сгорания летучих веществ различны. По мере увеличения химического возраста топлива содержание летучих веществ уменьшается, а температура их выхода увеличивается. При этом вследствие уменьшения количества инертных газов теплота сгорания летучих веществ увеличивается. Для сланцев выход летучих составляет 80—90% от горючей массы; торфа — 70%. Для бурых углей — 30—60%, каменных углей марок Г и Д — 30—50%. У тощих углей и антрацитов выход летучих мал и соответственно равняется 11—13 и 2—9%. Поэтому содержание летучих веществ и их состав могут быть приняты в качестве признаков степени углефикации топлива, его химического возраста.
Для торфа выход летучих начинается при температуре примерно 100°, бурых и жирных каменных углей — 150—170°, горючих сланцев — 230°С, тощих углей и антрацитов
400°С и завершается при высоких температурах — 1100—1200°С.
После отгонки летучих веществ из топлива образуется так называемый коксовый остаток. При содержании в угле битуминозных веществ, которые при нагревании переходят в пластическое состояние или расплавляются, порошкообразная проба угля, испытываемого на содержание летучих, может спекаться и вспучиваться. Способность топлива при термическом разложении образовывать более или менее прочный кокс называется спекаемостью. Торф, бурые угли и антрацит дают порошкообразный кокс. Каменные угли с выходом летучих 42—45% и тощие угли с выходом летучих менее 17% дают порошкообразный или слипшийся коксовый остаток.
Угли, образующие спекшийся коксовый остаток, являются ценным технологическим топливом и используются в первую очередь для производства металлургического кокса. Кокс в виде спекшегося или сплавленного остатка получается нагреванием измельченного до размеров 3—3,5 мм угля при температуре 1000°С без доступа воздуха. Свойства кокса зависят от состава органических соединений горючей массы топлива и содержания летучих веществ в нем.
13.7.Коэффициент использования тепла топлива
В общем случае не все тепло, выделяющееся при сгорании топлива, используется по назначению. Так, при работе парогенератора часть тепла Q1 расходуется на производство пара, а другая – теряется с уходящими газами, шлаком, передается в окружающую среду процессами теплообмена или вовсе не используется из-за химического и механического недожога топлива [5] . Поэтому отношение Q1 к низшей теплоте сгорания топлива Qн р называется коэффициентом полезного действия парогенератора, который по своей физической сущности является коэффициент использования тепла топлива.
Будем называть отношение количества теплоты, использованного по назначению, к выделившейся при этом низшей теплоты сгорания топлива коэффициентом использования тепла топлива.
[1] Количество тепла, выделяющегося при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м 3 газового топлива, при условии, что образующиеся водяные пары в продуктах сгорания конденсируются, называется высшей теплотой сгорания топлива. [2] Индекс “p” здесь и далее обозначает величины, характеризующие рабочее топливо. [3] Количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого или 1 м 3 газового топлива, за вычетом тепла парообразования водяных паров, образующихся при горении, называется низшей теплотой сгорания топлива. [4] Здесь индекс «оp+к» обозначает то, что ведется учет как органической, так и колчеданной серы. Колчеданная сера содержится в пирите (FeS2), именуемом железным колчеданом. [5] При химическом недожоге имеем горючие компоненты топлива, не прореагировавшие из-за плохо организованного процесса горения (например, при недостатке окислителя). Механический недожог возникает при быстром удалении не прореагировавших остатков топлива из зоны горения.Виды топлива и их особенности.Состав твердого, жидкого и газообразного топлива. Высшая и низшая теплота сгорания топлива. Условное топливо. Температура горения топлива. Теплотехническая оценка топлива. Минеральные примеси топлива.Балласт топлива. Зола топлива. Влага топлива. Выход летучих и свойства кокса. Коэффициент использования тепла топлива
Источник: stringer46.narod.ru
Станьте первым!