В.В.Назаревич Теплота сгорания органического топлива

Министерство образования Российской Федерации Кузбасский государственный технический университет Кафедра стационарных и транспортных машин

ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА

Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Теплогенерирующие установки» для студентов направления 550900 – «Теплоэнергетика»

Составители В.В.Назаревич Б.А.Анферов

Утверждены на заседании кафедры Протокол № 179 от 27.10.2000 Рекомендованы к печати методической комиссией направления 550900 Протокол № 126 от 04.11.2000

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса КузГТУ

Кемерово 2001

- 1 -

Твердое органическое топливо

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.

К бурым углям относят неспекающиеся угли с высоким выходом летучих (обычно выше 40% на горючую массу) и теплотой сгорания влажной беззольной массы, не превышающей 24 МДж/кг. Бурые угли

подразделяют по влажности на три группы: Б1 (W р 40% ); Б2 (W р = 30 − 40% ); Б3 (W р 30% ).

К каменным углям относят угли, имеющие теплоту сгорания влажной беззольной массы выше 24 МДж/кг и выход летучих более 9%. Каменные угля разделяют на марки:

Д – длиннопламенный – выход летучих более 37%; Г – газовый – выход летучих более 35%; Ж - жирный – выход летучих 27-37%; К – коксовый – выход летучих 18-27%;

ОС – отощенный спекающийся – выход летучих 14-22%; СС – слабоспекающийся – выход летучих 25-37%;

Т– тощий – выход летучих 8-17%.

Кантрацитам относят угли, имеющие выход летучих менее 9% и теплоту сгорания выше 24 МДж/кг. Антрациты делят на собственно антрациты (А) и полуантрациты (ПА). Между собой они различаются

по объемному выходу летучих веществ: полуантрациты – от 0,22 до 0,33 м3/кг, антрациты – менее 0,2 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.

-2 -

Втвердом топливе сера присутствует в органическом веществе

(сера органическая Sор), а также входит в состав горючих (сера колчеданная или пиритная Sк) и негорючих (сера сульфатная Sсфт) минеральных веществ. Содержание в топливе горючей серы: Sг=Sор+Sк.

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

C р + H р + O р + N р + Sорр + к + Aр + W р = 100% ,

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:

C а + H а + Oа + N а + Sора + к + Aа + W а = 100% .

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

Cс + H с + Oс + N с + Sорс + к + Aс = 100% .

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

C г + H г + Oг + N г + Sорг + к = 100% .

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

Cо + H о + Oо + N о + Sоро = 100% .

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 (100 − W р )100

- 3 -

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:

Qв = Qн + 24,62(8,94H + W ) или Qв = Qн + QH2O .

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

- 4 -

Qнр = 339,13C р + 1035,94H р − 108,86(O р − Sорр + к ) − 24,62W р ,

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 и 40 (средние топлива), топочные мазуты марок 100В, 100 и 200 (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 (Sp<0,5%), сернистые (Sр=0,5-2,0%) и высокосернистые

(Sр > 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

- 5 -

составляющих по объему и все расчеты относят к одному кубическому метру сухого газа при нормальных условиях. Основными компонентами горючих газов являются предельные углеводороды CnHn+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

где V ! - объем газа при нормальных условиях, нм3; Vt - объем газа при заданном давлении и температуре Т, м3; Pt - давление газа в момент

где V20 - объем газа при стандартных условиях, м3.

Теплота сгорания газообразного топлива, МДж/нм3, может быть

где QH 2 S ; QCO и т.д. – теплота сгорания отдельных газов, входящих в

состав газообразного топлива, МДж/нм3.

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

СО – окись углерода……………………….-12,68; H2S – сероводород…………………………..- 23,46; СH4 – метан………………………………….- 35,93; C2H6 – этан……………………………………- 63,95; C3H8 – пропан…………………………………- 91,54; C4H10 – бутан…………………………………- 119,02;

- 6 -

C5H12 – пентан, теплота сгорания, МДж/нм3, - 146,54;

C2H4 – этилен ……………………………….. - 59,25;

C3H6 – пропилен………………………………- 86,27;

C4H8 – бутилен………………………………..- 113,87.

Примечание: при содержании в газообразном топливе до 3% непредельных углеводородов вида СnH2n их 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:

Q р

Э = н .

29,308

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?

10. Что такое стандартные условия?

- 7 -

Список рекомендуемой литературы 1. Зах Р.Г. Котельные установки. - М.: Энергия, 1968. - 352 с.

2.Роддатис К.Ф. Котельные установки. – М.: Энергия, 1977.- 432 с.

3.Эстеркин Р.И. Промышленные котельные установки. - Л.: Энергоатомиздат., Ленингр. отд-ние, 1985. - 400 с

Задание

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

Таблица 2

Варианты заданий к лабораторной работе

- 8 -

Таблица 3

Варианты заданий к лабораторной работе

Составители Владимир Владимирович Назаревич

Борис Алексеевич Анферов

ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА

Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Теплогенерирующие установки» для студентов направления 550900 – «Теплоэнергетика»

Редактор Е.Л.Наркевич

ЛР № 020313 от 23.12.96

Подписано в печать 09.11.2000 Формат 60х84/16.

Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Уч.-изд. л. 0,5. Тираж 50 экз. Заказ….

Кузбасский государственный технический университет. 650026, Кемерово, ул. Весенняя, 28.

Типография Кузбасского государственного технического университета. 650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.