Расчет низшей теплотворной способности топлива

Для установления связи между теплотой горения и теплотворной способностью вещества необходимо записать уравнение химической реакции горения.

Продуктом полного горения углерода является диоксид углерода:

С+О₂→СО₂.

Продуктом полного горения водорода является вода:

2Н₂+О₂→2Н₂О.

Продуктом полного горения серы является диоксид серы:

S+О₂→SO₂.

При этом выделяются в свободном виде азот, галоиды и другие негорючие элементы.

Горючее вещество – газ

В качестве примера проведем расчет теплотворной способности метана CH₄, для которого теплота горения равна Q_г=882.6 .

· Определим молекулярную массу метана в соответствии с его химической формулой (СН₄):

М=1∙12+4∙1=16 г/моль.

· Определим теплотворную способность 1 кг метана:

.

· Найдем объем 1 кг метана, зная его плотность ρ=0.717 кг/м³ при нормальных условиях:

.

· Определим теплотворную способность 1 м³ метана:

.

Аналогично определяется теплотворная способность любых горючих газов. Для многих распространенных веществ значения теплоты горения и теплотворной способности были измерены с высокой точностью и приведены в соответствующей справочной литературе. Приведем таблицу значений теплотворной способности некоторых газообразных веществ (табл. 5.1). Величина Q в этой таблице приведена в МДж/м³ и в ккал/м³, поскольку часто в качестве единицы теплоты используется 1 ккал = 4.1868 кДж.

Таблица 5.1

Теплотворная способность газообразных топлив

Вещество	Метан	Ацетилен	Этан	Пропан	Бутан
Q	МДж/м3	39.54	57.78	69.33	98.18	126.57
ккал/м3

Горючее вещество – жидкость или твердое тело

В качестве примера проведем расчет теплотворной способности этилового спирта С₂Н₅ОН, для которого теплота горения Q_г = 1373.3 кДж/моль.

· Определим молекулярную массу этилового спирта в соответствии с его химической формулой (С₂Н₅ОН):

М = 2∙12 + 5∙1 + 1∙16 + 1∙1 = 46 г/моль.

· Определим теплотворную способность 1 кг этилового спирта:

.

Аналогично определяется теплотворная способность любых жидких и твердых горючих. В табл. 5.2 и 5.3 приведены значения теплотворной способности Q (МДж/кг и ккал/кг) для некоторых жидких и твердых веществ.

Таблица 5.2

Теплотворная способность жидких топлив

Вещество	Метиловый спирт	Этиловый спирт	Ацетон	Керосин	Мазут, нефть	Бензин
Q	МДж/кг	23.85	29.85	30.98	41.87	43.96	46.89
ккал/кг

Таблица 5.3

Теплотворная способность твердых топлив

Вещество	Дерево свежее	Дерево сухое	Бурый уголь	Торф сухой	Антрацит, кокс	Парафин
Q	МДж/кг	6.28	14.65	16.75	27.63	31.40	46.05
ккал/кг

Формула Менделеева

Если теплотворная способность топлива неизвестна, то ее можно рассчитать с помощью эмпирической формулы, предложенной Д.И. Менделеевым. Для этого необходимо знать элементарный состав топлива (эквивалентную формулу топлива), то есть процентное содержание в нем следующих элементов:

- кислорода (О);

- водорода (Н);

- углерода (С);

- серы (S);

- золы (А);

- воды (W).

В продуктах сгорания топлив всегда содержатся пары воды, образующиеся как из-за наличия влаги в топливе, так и при сгорании водорода. Отработанные продукты сгорания покидают промышленную установку при температуре выше температуры точки росы. Поэтому тепло, которое выделяется при конденсации водяных паров, не может быть полезно использовано и не должно учитываться при тепловых расчетах.

Для расчета обычно применяется низшая теплотворная способность Q_н топлива, которая учитывает тепловые потери с парами воды. Для твердых и жидких топлив величина Q_н (МДж/кг) приближенно определяется по формуле Менделеева:

Q_н=0.339[C]+1.025[H]+0.1085[S] – 0.1085[O] – 0.025[W], (5.1)

где в скобках указано процентное (масс. %) содержание соответствующих элементов в составе топлива.

В этой формуле учитывается теплота экзотермических реакций горения углерода, водорода и серы (со знаком «плюс»). Кислород, входящий в состав топлива, частично замещает кислород воздуха, поэтому соответствующий член в формуле (5.1) берется со знаком «минус». При испарении влаги теплота расходуется, поэтому соответствующий член, содержащий W, берется также со знаком «минус».

Сравнение расчетных и опытных данных по теплотворной способности разных топлив (дерево, торф, уголь, нефть) показало, что расчет по формуле Менделеева (5.1) дает погрешность, не превышающую 10%.

Низшая теплотворная способность Q_н (МДж/м³) сухих горючих газов с достаточной точностью может быть рассчитана как сумма произведений теплотворной способности отдельных компонентов и их процентного содержания в 1 м³газообразного топлива.

Q_н = 0.108[Н₂] + 0.126[СО] + 0.358[СН₄] + 0.5[С₂Н₂] + 0.234[Н₂S]…, (5.2)

где в скобках указано процентное (объем. %) содержание соответствующих газов в составе смеси.

В среднем теплотворная способность природного газа составляет примерно 53.6 МДж/м³. В искусственно получаемых горючих газах содержание метана СН₄незначительно. Основными горючими составляющими являются водород Н₂ и оксид углерода СО. В коксовальном газе, например, содержание Н₂ доходит до (55 ÷ 60)%, а низшая теплотворная способность такого газа достигает 17.6 МДж/м³. В генераторном газе содержание СО ~ 30% и Н₂ ~15%, при этом низшая теплотворная способность генераторного газа Q_н = (5.2÷6.5) МДж/м³. В доменном газе содержание СО и Н₂меньше; величина Q_н = (4.0÷4.2) МДж/м³.

Рассмотрим примеры расчета теплотворной способности веществ по формуле Менделеева.