Таблица теплотворности

Основные составляющие процесса горения природного газа для отопительных котлов – отопление – статьи о строительстве и ремонте

1. Элементарный состав твердого, газообразного и жидкого топлива

В базовой и промышленной энергетике для получения электрической и тепловой энергии используется в основном топливо органического происхождения.

Все виды органического топлива (горючие) представляют собой углеводородные соединения, в которые входят небольшие количества других веществ.

К твердому топливу относят: антрацит, каменный и бурый уголь, торф, дрова, сланцы, отходы лесопильных заводов и деревообделочных цехов, а также растительные отходы сельскохозяйственного производства — солому, костру, лузгу и др.

К жидкому топливу относят нефть, а также различные продукты ее переработки: бензин, керосин, лигроин, разнообразные масла и остаточный продукт нефтепереработки нефти — мазут.

До 70 % и более видов жидкого топлива используется на транспорте — авиационном, автомобильном, специальном водном, железнодорожном (тепловозы), около 30 % сжигается в виде мазута на тепловых электростанциях и в промышленных котельных.

К газообразному топливу относят природный газ, добываемый из недр земли, попутный нефтяной газ, газообразные отходы металлургического производства (коксовый и доменный газ), крекинговый газ, а также генераторный газ, получаемый искусственным путем из твердого топлива в особых газогенераторных установках.

Топливо в том виде, в каком оно поступает для сжигания в топки котлов или в двигатели внутреннего сгорания, называется рабочим.

В общем случае в состав рабочего (твердого или жидкого) топлива входят углерод С, водород Н, кислород О, азот N и летучая сера S, а также негорючие минеральные примеси — зола А и влага W.

Для рабочей массы топлива имеет место равенство:

Cp Hp Op Np Sp Ap Wp= 100 %, (1.1)

где СР, НР, ОР и т. д. — элементы рабочего топлива, % общей массы топлива.

Влага, содержащаяся в топливе совместно с золой, называется балластом топлива.

В естественных видах ископаемого твердого топлива встречается сера трех разновидностей:

1) органическая Sо, связанная с другими элементами топлива С, Н, N и О в виде сложных органических соединений;

2) колчеданная Sк в виде пирита, колчедана FeS2;

3) сульфатная Sсульф в виде солей серной кислоты (гипс, FeSО4и др.). Сульфаты представляют собой высокие окислы серы, поэтому находящаяся в них сера гореть не может. Присутствующие в топливе органическая и колчеданная серы сгорают, образуя токсичный сернистый ангидрид SO2и (в небольших количествах) еще более токсичный серный ангидрид SO3. Выброс их с продуктами сгорания вызывает загрязнение воздушного бассейна.

Органическая и колчеданная сера образуют вместе летучую горючую серу Sл. Общее содержание серы в топливе

Sобщ = Sо Sк Sсульф = Sл Sсульф. (1.2)

В горючую часть топлива входит только летучая сера, остальная сера в горении участия не принимает и может быть отнесена к балласту топлива.

Для правильного представления тепловых свойств топлива вводится понятие горючей массы, для которой

Сг Нг Ог Nг Sгл= 100 %, (1.3)

где индекс вверху показывает, что процентный состав отдельных элементов отнесен к горючей массе.

Название «горючая масса» носит условный характер, так как действительно горючими ее элементами являются только углерод, водород и сера. Углерод — преобладающий компонент твердых и жидких топлив, в топливах его обычно содержится от 50 до 95 %, тогда как содержание водорода Нг колеблется в пределах от 1 до 11 %, а серы Sг — от 0 до 8 %.

Горючую массу можно характеризовать как топливо, не содержащее золы и в абсолютно сухом состоянии. Содержание азота в горючей массе твердых топлив обычно составляет 1—2 % по массе. Несмотря на столь малое количество, азот является весьма вредным компонентом, поскольку при сгорании азотсодержащих соединений в высокотемпературных топках образуются сильнотоксичные оксиды NО и NO2(они образуются также и из атмосферного азота, но в

меньшей степени).

Для топлива, содержащего большое количество влаги (бурый уголь, торф, дрова, некоторые растительные отходы), в некоторых случаях удобно использовать понятие сухой массы, т. е. характеризовать состав абсолютно сухого топлива суммой элементов Сс, Нс, Ос, Nс, Sс и Ас. При этом

Сс Нс Ос Nс Sс Ас = 100 %, (1.4)

где индекс показывает, что процентный состав отдельных элементов отнесен к сухой массе.

Для взаимного пересчета массы топлива в соответствии с понятием о массах топлива служат формулы, объединенные в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Формулы для пересчета состава топлива с одной массы на другую

Зольность топлива. Золой называют твердый негорючий остаток, остающийся после сжигания топлива в атмосфере воздуха. Зола может быть в виде сыпучей массы с плотностью в среднем 600 кг/м3 и в виде сплавленных пластин и кусков, называемых шлаками, с плотностью до 800 кг/м3.

В состав золы большинства видов твердого топлива входят: глинозем Al2O3, кремниевая кислота SiO2, известь СаО, магнезия MgO, щелочи Na2O, окислы железа FeO и Fe2О3.

Влажность твердого топлива. Влажность твердого топлива Wрдоходит

до 50 % и более и определяет экономическую целесообразность использования данного горючего материала и возможность его сжигания. Влага снижает температуру в топке и увеличивает объем дымовых газов. Увеличенный объем дымовых газов требует дополнительной энергии на их удаление.

Очевидно, что влага является балластной примесью, так как уменьшает тепловую ценность исходного топлива. Кроме того, часть теплоты, выделяемой топливом при его сгорании, расходуется на испарение влаги.

Летучие вещества. При нагревании твердого топлива без доступа воздуха его органическая масса разлагается, в результате чего образуются газы, водяные и смоляные пары и углесодержащий остаток. Суммарное количество выделяющихся летучих веществ увеличивается с увеличением температуры и времени выдержки, этот процесс в основном заканчивается при 700—800 оС.

Выход летучих веществ Vг, в процентах на горючую массу, является важнейшей характеристикой горючей массы твердого топлива и уменьшается по мере увеличения его возраста. Чем больше выход летучих веществ, т.е. чем больше топлива превращается при нагревании в горючий газ, тем проще зажечь это топливо и легче поддерживать устойчивое горение.

(Vг= 85÷90%), в то время как у антрацитов Vг= 3÷4 %. Именно большой выход летучих веществ определяет хорошую горючесть древесины.

Состав некоторых видов твердого топлива представлен в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Примерный состав и теплотехнические характеристики горючей массы основных видов твердого топлива

Жидкое топливо. Практически все виды жидкого топлива получают путем переработки нефти (бензин, керосин, дизельное топливо и мазут). Мазут представляет собой сложную смесь жидких углеводородов, в состав которых входят в основном углерод (Ср= 84÷86 %)

Мазуты, полученные из нефти ряда месторождений, могут содержать много серы (до 4,5—5%), что резко усложняет защиту окружающей среды при их сжигании.

Характеристики основных видов жидкого топлива приведены в табл. 1.3. Из указанных выше видов жидкого топлива в промышленных и котельных печах сжигаются только топочные мазуты, которые классифицируются по степени их вязкости: М20, М40, М60, М80, М100 и М120 (цифры в указанных марках мазута означают условную вязкость в градусах Энглера).

Для транспортных установок применяют так называемый мазут флотский марок Ф5 и Ф12.

В табл. 1.4 приведены характеристики топочных и флотских мазутов.

Газообразное топливо. Газообразное топливо по сравнению с другими видами топлива имеет ряд существенных преимуществ: сгорает при небольшом избытке воздуха, образуя продукты полного горения без дыма и копоти; не дает твердых остатков; удобно для транспортировки по газопроводам на большие расстояния и позволяет простейшими средствами осуществлять сжигание в установках самых различных конструкций и мощностей.

Таблица 1.3. Характеристики некоторых видов жидкого топлива, получаемого из нефти

Таблица 1.4. Основные характеристики котельных мазутов

Природный газ получают из чисто газовых месторождений, где он выбрасывается из недр земли под давлением, доходящим иногда до 100 атм и более. Основным его компонентом является метан СН4, кроме того, в газе разных месторождений содержатся небольшие количества водорода Н2, азота N2, высших углеводородов СnНm, оксида (СО)

Таблица 1.5. Характеристика горючих газов, входящих в состав газообразного топлива

При добыче нефти выделяется так называемый попутный газ, содержащий меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов и поэтому выделяющий при сгорании больше теплоты. Проблема полного его использования сейчас весьма актуальна.

К искусственным газам относят доменный газ, являющийся продуктом при выплавке чугуна на металлургических заводах; коксовый, образующийся при получении кокса в коксовых батареях; светильный, получаемый при сухой перегонке угля; генераторный, получаемый в газогенераторах.

Коксовый и доменный газ используют главным образом на месте в доменном и других цехах металлургического завода.

В табл. 1.6 представлены состав и теплота сгорания некоторых видов газообразного топлива.

Теплота сгорания топлива. Основной характеристикой топлива является так называемая теплота сгорания. Теплотой сгорания твердого и жидкого топлива называется количество тепла, кДж, выделяемое 1 кг топлива при полном его сгорании.

Теплоту сгорания газообразного топлива относят обычно к 1 м3, взятому при нормальных условиях (0 °С, 760 мм рт.ст.), и измеряют в килоджоулях на метр кубический (кДж/м3).

Таблица 1.6. Состав и теплота сгорания основных горючих газов

Теплота сгорания зависит от химического состава топлива и условий его сжигания.

В соответствии с понятием органической, горючей и других масс топлива она может быть отнесена к той или другой из этих масс. Наибольший практический интерес представляет теплота сгорания рабочей массы топлива Qнр.

Низшей теплотой сгорания Qнр рабочего топлива называют тепло, выделяемое при полном сгорании 1 кг топлива, за вычетом тепла, затраченного на испарение как влаги, содержащейся в топливе, так и влаги, образующейся от сгорания водорода.

Теплоту сгорания топлива определяют по формулам, учитывающим, что углерод С, водород Н и сера S, участвующие в горении, выделяют определенное количество тепла.

Для определения Qнр используют формулу Д.И. Менделеева, которая дает достаточно точные результаты для самых разнообразных видов топлива.

Формула для определения Qнр, кДж/кг, твердого и жидкого топлива имеет вид

Qнр = 338 Ср 1025 Нр– 108,5 (Ор– Sр)– 25 Wр, (1.5)

где коэффициенты выражают теплоту сгорания отдельных горючих элементов, деленную на 100.

Низшую теплоту сгорания сухого газообразного топлива определяют как сумму произведений теплот сгорания горючих газов на их объемное содержание в смеси, кДж/м3:

Qнр = 127 СО 10 Н2 358 СН4 591С2Н6 911 С3Н8 234 Н2S. (1.6)

Условное топливо. Большая разница в теплоте сгорания различных видов топлива затрудняет в некоторых случаях проведение сравнительных расчетов, например, при выявлении запасов топлива, при оценке целесообразности применения разных сортов топлива и пр.

Для перевода действительного топлива в условное пользуются соотношением (безразмерным коэффициентом):

Эк= Qнр /29330 (в системе МКГСС -Эк= Qнр/7000), (1.7)

где Эк — калорийный эквивалент, указывающий какая часть теплоты сгорания условного топлива соответствует низшей теплоте сгорания рассматриваемого топлива (табл. 1.7).

Таблица 1.7. Калорийные эквиваленты различных видов топлива

* Теплота сгорания газообразного топлива, кДж/м3, при нормальных условиях.

Расход условного топлива

Вусл=B Qнр/Qусл , (1.8)

где В — расход рассматриваемого топлива; Qнр — теплота сгорания топлива.

2. Расчеты горения топлива

При тепловом расчете топливосжигающих установок (паровых и водогрейных котлов, промышленных огневых печей, двигателей внутреннего

сгорания), а также при обработке результатов их испытаний определяют следующие характеристики и величины:

• теоретический и действительный расходы воздуха V0 и Vд, необходимые для сгорания 1 кг твердого и жидкого топлива или 1 м3 газообразного топлива;

• состав и объем продуктов сгорания Vг (дымовых газов);

• энтальпию дымовых газов при требующихся температурах и коэффициентах избытка воздуха Тг.

Для полного сгорания топлива требуется некоторый избыток воздуха против теоретического расхода. Избыток воздуха характеризуется так называемым коэффициентом избытка aт (иногда называемым коэффициентом расхода воздуха). Он зависит от способа сжигания топлива, качества смесеобразования топлива с воздухом и ряда других факторов.

Коэффициент избытка воздуха представляет собой отношение действительного расхода воздуха к теоретическому, т. е.

aт= Vд/V0. (1.9)

При полном сгорании дымовые газы (продукты сгорания) состоят из СО2 и SО2, получившихся при сгорании углерода и летучей серы, водяного пара, образующегося при испарении влаги топлива и сгорании его водорода, азота, подводимого в топку (камеру сгорания) с воздухом, и, наконец, кислорода, не использованного при горении.

Объем продуктов сгорания определяется по формуле

Vг= VCO2 VSO2 VH2O VN2 VO2. (1.10)

При проведении химического анализа дымовых газов содержание СО2 и SO2 определяется совместно, поэтому в расчетные формулы вводится сумма количества СО2 и SO2, обозначаемая символом RO2, тогда

Vг= VRO2 VN2 VO2 VH2O= Vс. г VH2O. (1.11)

где Vс. г — объем сухих дымовых газов:

Vс. г= VRO2 VN2 VO2. (1.12)

В табл. 1.8 приведены расчетные формулы для определения объемов воздуха и продуктов полного сгорания для твердых, жидких и газообразных видов топлива. В этих формулах Ср, Нр, …; СО, Н2, СН4, … — содержание соответствующих элементов и компонентов в рабочем топливе, %; aт— коэффициент избытка воздуха; dв- влагосодержание сухого воздуха, г/м3 (обычно принимается 10 г/м3).

В случае отсутствия элементарного состава сжигаемого топлива при известном значении Qнр и Wр можно пользоваться эмпирическими формуламитабл. 1.9.

Основой тепловых расчетов топливоиспользующих устройств является энтальпия продуктов сгорания, которую принято рассчитывать на единицу количества топлива, из которого получились эти продукты.

Таблица 1.8. Расчетные формулы для определения объемов воздуха и продуктов полного сгорания при нормальных условиях

Таблица 1.9. Эмпирические формулы для определения V0и Vг, м3/кг или м3/м3 при нормальных условиях

Примечание: Qнр – в МДж/кг или МДж/м3 при нормальных условиях (1 ккал = 4,187 кДж).

Энтальпия продуктов сгорания вычисляется как произведение их объема при нормальных условиях на объемную теплоемкость при постоянном давлении и на температуру, кДж/кг или кДж/м3:

Iг = Vгсгt, (1.13)

где t – температура, оС; Vг -полный объем продуктов сгорания, м3/кг или м3/м3, на единицу топлива; сг – средняя в диапазоне температур 0 – t оС теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(кг× оС) или кДж/(м3× оС).

Расчет энтальпии продуктов сгорания, кДж/кг или кДж/м3, производится по формуле

Iг= VCO2(cϑ)CO2 VSO2(cϑ)SO2 VH2O(cϑ)

где VCO2, VSO2, VH2O, VN2, VO2— объемы продуктов полного сгорания, определяемые по табл. 1.8; (cϑ)

Таблица 1.10. Энтальпия газов и воздуха при различных температурах и постоянном давлении 101 кН/м2 (760 мм рт. ст.), кДж/м3

Энтальпию Iгопределяют для нескольких значений ϑ и a. На основании этих подсчетов строят кривые зависимости Iгот ϑ для нескольких a, по которым можно определить объемную энтальпию дымовых газов при заданных температуре и коэффициенте избытка воздуха.

Методика расчета для природного газа

Примерный расход газа на отопление считается исходя из половинной мощности установленного котла. Все дело в том, что при определении мощности газового котла закладывается самая низкая температура. Это и понятно — даже когда на улице очень холодно, в доме должно быть тепло.

Но считать расход газа на отопление по этой максимальной цифре совсем неверно — ведь в основном температура значительно выше, а значит, топлива сжигается намного меньше. Потому и принято считать средний расход топлива на отопление — порядка 50% от теплопотерь или мощности котла.

Общие данные.

При известном составе природного газа рассчитать низшую теплотворную способность и число Воббе при различных стандартных условиях (при 0 или 20 град. Цельсия) можно на калькуляторах, приведенных выше.

Данным калькулятором рекомендуется пользоваться только в случае отсутствия данных о низшей теплотворной способности и числе Воббе от газораспределительной организации. Как правило значение теплотворной способности и числе Воббе можно получить из паспорта качества природного газа, получаемого (оформляемого) газораспределительной организацией.

Примеры паспортов качества газа:

Низшая теплотворную способность используется:

Число Воббе газообразного топлива (низшее или высшее) — это отношение объемной (соответственно, низшей или высшей) теплоты сгорания к корню квадратному из относительной плотности газообразного топлива.

Это число характеризует постоянство теплового потока, получаемого при сжигании газа. Газы c одинаковым числом Воббе при равном давлении истечения обычно могут использоваться один вместо другого без замены горелки или форсунки.

Примечание: При этом число Воббе не охватывает таких характеристик, как возможность отрыва или проскока пламени. Требуется дополнительная проверка на устойчивость пламени газогорелочного устройства.

При подводе газов с разными числами Воббе к одной горелке газ с меньшим числом Воббе должен подводиться при большем давлении. Давление газа при новом значении числа Воббе определяется по формуле:

 P2=(ρ2/ρ1)*P1*(QH1/QH2)2

где P2 — избыточное давление газа на новом газе с плотность ρ2 и низшей теплотворной способность природного газа QH2;

P1 — избыточное давление газа на первоначального газа с плотность ρ1 и низшей теплотворной способность природного газа QH1.

При невозможности изменения давления газа требуется изменение конструкции горелки (например изменение диаметра сопла горелки). Методы расчета изменений конструктивных размеров элементов горелки зависит от типа горелки (например: инжекционные горелки низкого давления, инжекционные горелки среднего давления, горелки с принудительной подачей воздуха и т.д. ).

По квадратуре

Еще более приблизительные расчеты можно получить по квадратуре дома. Есть два способа:

Каждый хозяин может оценить степень утепления своего дома, соответственно, можно прикинуть, какой расход газа будет в данном случае. Например, для дома в 100 кв. м. при среднем утеплении потребуется 400-500 кубометров газа на отопление,  на дом в 150 квадратов уйдет 600-750 кубов в месяц, на отопление дома площадью 200 м2 — 800-100 кубов голубого топлива. Все это — очень приблизительно, но цифры выведены на основании многих фактических данных.

Пример расчета по теплопотерям

Пусть теплопотери дома составляют 16 кВт/час. Начинаем считать:

Переводим в кубометры. Если использовать будем природный газ, делим расход газа на отопление в час: 11,2 кВт/ч / 9,3 кВт = 1,2 м3/ч. В расчетах цифра 9,3 кВт — это удельная теплоемкость сгорания природного газа (есть в таблице).

Кстати, также можно посчитать необходимое количество топлива любого типа — надо только взять теплоемкость для требуемого топлива.

Так как котел имеет не 100% КПД, а 88-92%, придется внести еще поправки на это — добавить порядка 10% от полученной цифры. Итого получаем расход газа на отопление в час — 1,32 кубометра в час. Далее можно рассчитать:

• расход в день: 1,32 м3 * 24 часа = 28,8 м3/день
• потребность в месяц:28,8 м3/день * 30 дней =  864 м3/мес.

Средний расход за отопительный сезон зависит от его длительности — умножаем на количество месяцев, пока длится отопительный сезон.

Этот расчет — приблизительный. В какой-то месяц потребление газа будет намного меньше, в самый холодный — больше, но в среднем цифра будет примерно такой же.

Расчет по мощности котла

Расчеты будут немного проще, если имеется рассчитанная мощность котла — тут уже учтены все необходимые запасы (на ГВС и вентиляцию). Потому просто берем 50% от расчетной мощности и далее считаем расход в день, месяц, за сезон.

Например, проектная мощность котла — 24 кВт. Для расчета расхода газа на отопление берем половину: 12 к/Вт. Это и будет средняя потребность в тепле в час. Чтобы определить расход топлива в час, делим на теплотворную способность, получаем 12 кВт/час / 9,3 к/Вт =  1,3 м3. Далее все считается как в примере выше:

Далее добавим 10% на неидеальность котла, получим, что для этого случая расход будет чуть больше 1000 кубометров в месяц (1029,3 куб). Как видите, в этом случае все еще проще — меньше цифр, но принцип тот же.

Расчет расхода сжиженного газа

Многие котлы могут работать от сжиженного газа. Насколько это выгодно? Какой будет расход сжиженного газа на отопление? Все это тоже можно посчитать. Методика такая же: надо знать или теплопотери, или мощность котла. Далее требуемое количество переводим в литры (единицы измерения сжиженного газа), а при желании, считаем количество необходимых баллонов.

Давайте рассмотрим расчет на примере. Пусть мощность котла 18 кВт, соответственно, средняя потребность в тепле — 9 кВт/час. При сжигании 1 кг сжиженного газа получаем 12,5 кВт тепла. Значит, чтобы получить 9 кВт, потребуется 0,72 кг (9 кВт / 12,5 кВт = 0,72 кг).

Далее считаем:

• в день: 0,72 кг * 24 часа = 17,28 кг;
• в месяц 17,28 кг * 30 дней = 518,4 кг.

Добавим поправку на КПД котла. Надо смотреть в каждом конкретном случае, но возьмем 90%, то есть, добавим еще 10%, получится, что за месяц расход составит 570,24 кг.

Чтобы посчитать количество баллонов, данную цифру делим на 21,2 кг (именно столько в среднем находится кг газа в 50 литровом баллоне).

Итого, для данного котла потребуется 27 баллонов сжиженного газа. А стоимость считайте сами — цены в регионах отличаются. Но не забудьте про расходы на транспортировку. Их, кстати, можно уменьшить, если сделать газгольдер — герметичную емкость для хранения сжиженного газа, которую заправлять можно раз в месяц или реже — зависит от объема хранилища и потребности.

И снова-таки не стоит забывать, что это — лишь приблизительная цифра. В холодные месяцы расход газа для отопления будет больше, в теплые — значительно меньше.

P.S. Если вам удобней считать расход в литрах:

• 1 литр сжиженного газа весит примерно 0,55 кг и при сжигании даёт примерно 6500 кВт тепла;
• в 50 литровом баллоне около 42 литров газа.

Считаем расход газа по теплопотерям

Если котла еще нет, и вы оцениваете стоимость отопления разными способами, считать можно от общих теплопотерь здания. Они, скорее всего, вам известны. Методика тут такая: берут 50% от общих теплопотерь, добавляют 10% на обеспечение ГВС и 10% на отток тепла при вентиляции. В результате получим средний расход в киловаттах в час.

Далее можно  узнать расход топлива в сутки (умножить на 24 часа),  в месяц (на 30 дней), при желании — за весь отопительный сезон (умножить на количество месяцев, на протяжении которых работает отопление). Все эти цифры можно перевести в кубометры (зная удельную теплоту сгорания газа), а потом перемножить кубометры на цену газа и, таким образом, узнать затраты на отопление.

Таблица теплотворности

Удельная теплота сгорания газообразного топлива и горючих газов

Представлена таблица удельной теплоты сгорания газообразного топлива и некоторых других горючих газов в размерности МДж/кг. Из рассмотренных газов наибольшей массовой удельной теплотой сгорания отличается водород. При полном сгорании одного килограмма этого газа выделится 119,83 МДж тепла.

Удельная теплота сгорания жидкого топлива (спирта, бензина, керосина, нефти)

Приведена таблица удельной теплоты сгорания жидкого топлива и некоторых других органических жидкостей. Следует отметить, что высоким тепловыделением при сгорании отличаются такие топлива, как: бензин, авиационный керосин, дизельное топливо и нефть.

Удельная теплота сгорания спирта и ацетона существенно ниже традиционных моторных топлив. Кроме того, относительно низким значением теплоты сгорания обладает жидкое ракетное топливо и этиленгликоль — при полном сгорании 1 кг этих углеводородов выделится количество теплоты, равное 9,2 и 13,3 МДж, соответственно.

Удельная теплота сгорания некоторых горючих материалов

Приведена таблица удельной теплоты сгорания некоторых горючих материалов (стройматериалы, древесина, бумага, пластик, солома, резина и т. д.). Следует отметить материалы с высоким тепловыделением при сгорании. К таким материалам можно отнести: каучук различных типов, пенополистирол (пенопласт), полипропилен и полиэтилен.

Характеристики жидкого, твердого и газообразного топлива для котельных