1.2. Теплота сгорания топлива

Теплота сгорания характеризует энергетическую ценность топлива и представляет собой количество тепловой энергии, выделяющейся в ходе химических реакций окисления горючих элементов газообразным кислородом. Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Высшей теплотой сгорания Q_в топлива называется количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива (1 м³ газообразного топлива) при условии конденсации водяных паров и охлаждении всех продуктов сгорания до 0 С. Низшая теплота сгорания Q_н отличается от высшей на величину теплоты испарения влаги топлива и влаги, образующейся при горении водорода. При сжигании топлива в энергетических установках температура уходящих газов превышает 100 С, влага, содержащаяся в продуктах сгорания, остается в парообразном состоянии и теплота испарения теряется. Количество водяного пара (кг) в продуктах сгорания, которое приходится на 1 кг топлива, представляет собой сумму количества влаги, содержащейся в исходном топливе W^р/100 и образовавшейся при окислении водорода топлива 9H^р/100 ( ); из одного килограмма водорода образуется 9 кг влаги). Удельная теплота конденсации водяного пара в нормальных физических условиях составляет 2500 кДж/кг. В итоге теплота конденсации водяных паров, образовавшихся из 1 кг топлива, составляет, кДж/кг:

. (1.9)

Тогда взаимосвязь высшей и низшей теплоты сгорания имеет вид, кДж/кг:

. (1.10)

Рис. 1.2. Калориметрическая установка:

1 – калориметрическая бомба;

2 – калориметрический сосуд;

3 – наружная оболочка; 4 – термометр;

5 – крышка; 6 – мешалка с приводом

Наиболее надежным способом определения теплоты сгорания является ее экспериментальное измерение на специальных установках – калориметрах (рис. 1.2, СТ СЭВ 1463-78). Сущность метода заключается в том, что навеску топлива сжигают в атмосфере сжатого кислорода в герметически закрытом металлическом сосуде – калориметрической бомбе, которую погружают в определенный объем воды. Количество теплоты, выделяющееся при сгорании этого топлива, определяют по повышению температуры этой воды.

Тепловой эффект, измеряемый с помощью калориметра, соответствует высшей теплоте сгорания, так как образующийся при горении в бомбе водяной пар конденсируется. Однако реальное значение Q_в не совпадает c измеренным, поэтому ему присвоено специальное обозначение  теплота сгорания аналитической пробы в бомбе. Отличие от обусловлено значительно завышенной концентрацией кислорода в бомбе, приводящей к несколько иному составу продуктов сгорания. Так, сера окисляется не до SO₂, а до SO₃, причем SO₃ растворяется в воде с дополнительным тепловым эффектом. Кроме того, происходит частичное окисление азота с образованием азотной кислоты.

В практике электростанций теплоту сгорания используемого топлива определяют опытным путем, дающим более точные результаты. При проведении теплотехнических расчетов нередко возникает необходимость оценки теплоты сгорания топлива по данным элементного состава. Метод определения теплоты сгорания по данным элементного состава топлива основан на использовании закона Гесса, согласно которому теплота прямого превращения топлива в продукты сгорания СО₂, Н₂О, SО₂ равна теплоте сгорания С, Н₂, S за вычетом теплоты разложения исходных углеводородов топлива на простые вещества. В реальных топливах О, H и C связаны между собой в очень сложные молекулы с различными энергиями связи. Поскольку на разрыв этих связей при сжигании затрачивается различное количество энергии, поэтому до сих пор ни одно из модельных представлений не позволило получить универсальной формулы, позволяющей рассчитывать теплоту сгорания любого топлива. Наиболее удачной, т.е. простой и точной, является формула Д.И. Менделеева с эмпирически подобранными коэффициентами для соответствующих горючих элементов, ккал/кг:

. (1.11)

Теплота сгорания твердого и жидкого топлива в рабочем состоянии рассчитывается так, кДж/кг:

, (1.12)

содержание элементов выражается в процентах.

Для газообразных топлив при точно известном их составе теплота сгорания 1м³ сухого газа, МДж/м³, может быть достаточно точно подсчитана по формуле

. (1.13)

Здесь содержание соответствующих газовых компонентов подставляют в процентах.

Топочные устройства одинаковой мощности могут потреблять существенно разные количества топлива, так как теплота сгорания у разных видов меняется в широких пределах. Для сравнения экономичности работы на различных видах топлива введено понятие условного топлива, имеющего теплоту сгорания Q_у = 7000 ккал/кг (29,33 МДж/кг). Тепловая мощность топочного устройства N связана с расходом B топлива и теплотой сгорания очевидным соотношением, МВт,

. (1.14)

Расход условного B_у топлива связан с расходом В натурального топлива соотношением

.