Методика решения задачи (из конспекта)

Занятие №3Теплота сгорания топлива

Цель работы

Изучить особенности расчётов теплоты сгорания твёрдого и газообразного топлива. Определить по теплоте сгорания вид топлива.

Задание

1. Для заданного состава топлива вычислить низшую теплоту сгорания; определить возможный вид топлива. Варианты заданий приведены в табл. 2 и 3.

 

Методика решения задачи (из конспекта)

Твердое органическое топливо по степени углефикации исходного органического материала делят на древесину, торф, бурый уголь, каменный уголь и антрацит. Одним из параметров, характеризующих степень углефикации органического вещества, является выход летучих веществ - отношение массы летучих веществ к единице массы топлива (в %), пересчитанное на сухое беззольное его состояние.

Таблица

Характеристики углей

Марки углей	Влажность, %	Выход летучих, %	Теплота сгорания МДж/кг
Бурые угли	Б1	Wp = 40%	> 40	≤ 24
Б2	Wp =30–40%
Б3	Wp< 30%
Каменный уголь	Д (длинно- пламенный)		> 37	> 24
Г (газовый)		> 35
Ж (жирный)		27–37
К (коксовый)		18–27
ОС (отощенный)		14–22
СС (слабоспекающийся)		25–37
Т (тощий)		8–17
Антрацит	А (антрацит)		< 9 (< 0,2 м3/кг)	> 24
ПА (полуантрацит)		< 9 (0,22–0,33 м3/кг)

При рассортировке по крупности угли разделяются на классы:

Плита (П), размер кусков, мм - более 100;

Крупный (К)............................... 50-100;

Орех (О)....................................... 25-50;

Мелкий (М).................................. 13-25;

Семечко (С).................................... 6-13;

Штыб (Ш)................................. менее 6;

Рядовой (Р) - не более 200 при шахтной и не более 300 при карьерной добыче.

В твердом топливе сера присутствует в органическом веществе (сера органическая S_ор), а также входит в состав горючих (сера колчеданная или пиритная S_к)и негорючих (сера сульфатная S_сфт) минеральных веществ. Содержание в топливе горючей серы: S_г=S_ор+S_к.

Топливо в том виде, в каком оно добыто или поступает в котельную, называют рабочим топливом. Его химический состав выражают равенством:

где С, Н, О, N, S, A, W- содержание углерода, водорода, кислорода, азота, серы, золы и влаги, выраженное в процентах, соответственно, индекс «р» обозначает принадлежность параметра топлива к рабочей массе.

Аналитическое состояние топлива характеризуется подготовкой пробы, в которую включается размол пробы топлива до крупности зерен менее 0,2 мм и приведение ее в равновесие с условиями лабораторного помещения. Состав аналитической пробы выражают равенством:

Если из топлива удалена внешняя и внутренняя влага (кроме гидратной), то сухая масса топлива имеет следующий состав:

Сухое беззольное состояние топлива - это условное состояние топлива, не содержащего общей влаги и золы (горючая масса). Его состав выражают равенством:

Если из горючей массы выделить колчеданную серу, оставшуюся массу топлива называют органической и выражают равенством:

Состав рабочей и сухой масс одного и того же топлива в зависимости от условий добычи и погоды может колебаться в достаточно широких пределах. Состав горючей массы топлива постоянен. Поэтому его используют для проведения пересчета на сухую и рабочую массы. В 1 кг рабочей массы содержится (кг сухой массы топлива.

Тогда ; .

Или в 1 кг рабочей массы содержится

(кг) горючей массы топлива

Коэффициенты пересчета состава твердых топлив с одной массы на другую представлены в табл. 1

Таблица 1

Коэффициенты пересчета

Задан. масса	Искомая масса
рабочая	сухая	горючая	органическая
Рабочая
Сухая
Горю­чая
Орга- нич.

После пересчета необходимо, чтобы:

Теплотой сгорания топлива называют количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы топлива. Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива относят к 1 кг массы и в системе СИ выражают в кДж/кг. Количество тепловой энергии, выделяющейся при полном сгорании топлива, зависит от того, в каком состоянии (паровом или жидком) влага (H₂O) в продуктах сгорания. Если водяной пар, образовавшийся из влаги топлива при его сжигании, сконденсируется и влага в продуктах сгорания будет находиться в жидком состоянии, то количество теплоты, выделившейся при сгорании топлива, будет больше на величину теплоты конденсации водяных паров. Поэтому различают высшую теплоту сгорания топлива и низшую, которые связаны между собой зависимостью:

или .

Зная химический состав топлива, теплоту его сгорания, кДж/кг, можно определить по формуле Д.И.Менделеева:

в которой содержание элементов выражается в процентах от рабочей массы.

Жидкое топливо

Основная масса жидкого топлива, используемого в энергетике, получается из нефти методом ее термохимического разложения. В котлах крупных тепловых станций и крупных отопительных котельных, работающих на жидком топливе, применяют мазут, а в меньших отопительных котельных и в бытовых теплогенераторах - топливо печное бытовое, получаемое из дистиллятных фракций нефтепродуктов, т.е. бензина, керосина, дизельных и соляровых фракций.

Мазуты для выработки тепловой энергии в котлах делятся на флотские мазуты марок Ф5 и Ф12 (легкие топлива), топочные мазуты марок 40В и40 (средние топлива), топочные мазуты марок 100В, 100и200 (тяжелые топлива),а также угольный и сланцевый мазуты, являющиеся продуктами термохимической переработки угля и сланца.

По содержанию серы топочные мазуты делят на три группы: малосернистые (S^p<0,5%), сернистые (S^р=0,5-2,0%) и высокосернистые (S^p> 2,0%).

Зольность мазутов не превышает 0,1-0,3%, увеличиваясь с повышением его вязкости. Низшая теплота сгорания мазутов составляет 39 - 42 МДж/кг.

Газообразное топливо

В теплогенерирующих установках используют в основном природный и попутный газы. Природный и попутный газы - смесь углеводородов метанового ряда и балластных негорючих газов. Содержание метана в природном газе иногда доходит до 98%. Попутные газы содержат меньше метана, но больше высокомолекулярных углеводородов. Углеводороды метанового ряда предельные, т.к. все четыре валентности углерода у них использованы. Состав газообразного топлива выражают в процентах компонентных составляющих по объему и все расчеты относят к одному кубическому метру сухого газа при нормальных условиях. Основными компонентами горючих газов являются предельные углеводороды C_nH_n+₂,окись углерода СО, водород Н₂, некоторое количество негорючих газов и паров воды.

В связи с тем, что объем газа значительно изменяется при изменении температуры и давления, за единицу измерения количества газа принят 1 м³ газа при давлении 101,325 кПа и температуре 273 К. Эти параметры газов называются нормальными; в этом случае к обозначению размерности добавляется буква «н» (нм³). Стандартными условиями считают параметры газа: давление 101,325 кПа, и температуру 293 К. Для пересчета реального объема газа на объем при нормальных условиях используют формулу

,

 

 

гдеV^o - объем газа при нормальных условиях, нм³;V_t- объем газа при заданном давлении и температуре Т, м³;P_t- давление газа в моментизмерения его объема при температуре Т, кПа; P₀- нормальное давление газа 101,325 кПа.

Для приведения к стандартным условиям:

 

где V₂₀- объем газа при стандартных условиях, м³.

Теплота сгорания газообразного топлива, МДж/нм, может быть подсчитана по его составу:

,

 

где ; и т.д. - теплота сгорания отдельных газов, входящих всостав газообразного топлива, МДж/нм³.

Справка:

Н2 - водород, теплота сгорания,МДж/нм³, - 10,83;

СО - окись углерода ……………………..-12,68;

H₂S- сероводород ……………………- 23,46;

СН₄ - метан …………………………..- 35,93;

C₂H₆- этан …………………………..- 63,95;

C₃H₈- пропан …………………………..- 91,54;

C₄H_I0- бутан ………………………….- 119,02;

 

Примечание: при содержании в газообразном топливе до 3% непредельных углеводородов видаC_nH_2nих считают состоящими только из этилена.

Для сравнения различных видов топлива при разработке энергетических балансов, оценке топливных ресурсов, составлении планов теплоснабжения, нормировании и статистической отчетности все виды топлива по теплоте сгорания приводят к единому тепловому эквиваленту. Таким эквивалентом служит единица «условного топлива», имеющая расчетную теплоту сгорания 29,308 МДж/кг. Для пересчета реальных топлив в условное топливо используют тепловой эквивалент в кг у.т./кг:

 

Усредненные тепловые эквиваленты основных видов топлива по России имеют следующие значения: для угля —0,718; газа природного — 1,17…1,2; нефти —1,43; мазута —1,3; горючих сланцев —0,353; торфа — 0,4; дров —0,249.

 

Контрольные вопросы

1. Что такое сухое беззольное состояние твердого топлива?

2. Как вы понимаете термин «выход летучих»?

3. Какие марки угля используются для сжигания в топках котельных агрегатов?

4. Какие условные состояния топлива вы знаете, какие между ними соотношения по теплоте сгорания и по массе?

5. Как вы понимаете термин «степень углефикации»?

6. Какие виды жидкого топлива вы знаете?

7. В чем отличия теоретического определения теплоты сгорания твердого и жидкого топлива от газообразного?

8. Что такое топливо печное бытовое и где оно применяется?

9. Что такое условное топливо и где оно используется? 1 0. Что такое стандартные условия?

Таблица 2

Варианты заданий к практическому занятию(твёрдое топливо)

№ варианта	Состав топлива по массе, %
Wp B	Ac C	Сг D	Нг E	Sг F	Nг G	Ог H
	50,0	12,5	56,5	6,0	0,3	2,5	34,7
	55,6	22,5	69,3	5,6	4,9	0,7	19,5
	32,0	39,0	66,0	5,2	6,9	1,1	20,8
	25,0	19,0	74,0	5,3	0,6	1,4	18,7
	10,0	28,0	79,0	5,5	4,9	1,5	9,1
	13,0	28,0	75,0	5,5	4,9	1,6	13,0
	6,0	25,0	89,0	4,2	3,5	1,5	1,8
	8,5	30,0	92,0	1,8	2,6	0,8	2,7
	8,0	70,0	74,0	10,0	4,7	0,3	11,0
	11,5	11,5	78,5	5,6	0,4	2,6	12,9
	7,5	13,0	83,0	5,8	0,6	2,9	7,7
	9,0	16,0	85,5	4,8	0,4	2,1	7,2
	10,0	12,0	95,0	2,0	0,3	1,3	1,4

Таблица 3

Варианты заданий к практическому занятию (газообразное топливо)

№ варианта	Состав топлива по объему, %
CH4	C2H6	C3H8	C4H10	C5H12	N2	CO2
	84,5	3,8	1,9	0,9	0,3	7,8	0,8
	91,9	2,1	1,3	0,4	0,1	3,0	1,2
	93,8	2,0	0,8	0,3	0,1	2,6	0,4
	92,8	2,8	0,9	0,4	0,1	2,5	0,5
	91,2	3,9	1,2	0,5	0,1	2,6	0,5
	89,7	5,2	1,7	0,5	0,1	2,7	0,1
	98,9	0,3	0,1	0,1		0,4	0,2
	95,6	0,7	0,4	0,2	0,2	2,8	0,1
	98,5	0,2	0,1			0,1	0,2
	92,8	3,9	1,1	0,4	0,1	1,6	0,1
	92,8	3,9	1,0	0,4	0,3	1,5	0,1
	94,1	3,1	0,6	0,2	0,8	1,2	-