Низшая теплотворная способность натурального топлива определяется по формуле

= [100-(A_p + W_p)/100-6W_p], (2.4)

где — низшая теплотворная способность горючих элементов топлива, кДж/кг; А_р — зольность рабочего топлива, %; W_p — влажность рабочего топлива, %. Для перевода условного топлива в натуральное следует условную массу топлива разделить на тепловой эквивалент. Тепловой эквивалент для антрацита со­ставляет 0,87%; каменного угля — 0,935; мазута — 1,33; торфа — 0,37; дров — 0,35 % и т. д.

Пример 1. Предприятие должно получить со склада 40 т услов­ного топлива. Склад отпускает 60 % антрацита, 30 % каменного угля и 10% дров. Определить количество натурального топлива, которое должно получить предприятие.

Решение. Определяют тепловой эквивалент для каждого вида топлива: антрацита равно 25,6 МДж/кг; каменного угля — 27,4 МДж/кг; дров — 10,2 МДж/кг.

Э_а = 25,6/29,3 =0,87; Э_д= 10,2/29,3=0,35; Э_у = 27,4/29,3 = 0,935.

Находят массы антрацита, каменного угля m_у и дров m_д:

m_а = (40 · 60) /(100 · 0,87) =27,586 т; m_y = (40·30)/(100·0,935) = 12,83 т; т_л=(40·10)/(100·0,35) = 11,43 т.

Потребление отдельного вида топлива на предприятиях обще­ственного питания осуществляется, как правило, совместно с другими его видами. В котельных характерными являются следующие сочетания потребляемых видов топлива — природный газ и мазут; уголь, природный газ и мазут; уголь и мазут и т. Д. При этом практика использования топливных ресурсов показала, что раздельное нормирование расхода каждого вида топлива нецелесообразно. Поэтому учет расхода котельно-печного топлива в производстве в целом по отрасли, министерствам, ведомствам (объединениям) и предприятиям осуществляется в условном исчислении. Условным называется топливо, теплота сгорания которого составляет 29308 кДж/кг.

Перевод натурального топлива в условное произ­водится по формуле

m_у = m_нЭ, (2.5)

где m_y — масса условного топлива, кг; m_н — масса натурального топлива, кг; Э — тепловой эквивалент, показывающий, какой части условного топлива (по низшей теплоте сгорания) соответствует рассматриваемoe топливо.

Тепловой эквивалент определяется отношением низшей теплоты сгорания любого вида топлива к тепло­те сгорания условного топлива:

Э = /29,3. (2.6)

Пример 2. Определить количество условного топлива при использовании 900 кг горючих сланцев. Низшая теплота сгорания горючих сланцев 11,4 МДж/кг.

Рассчитывают тепловой эквивалент для горючих сланцев: Э = — 11,4/29,3=0,389.

Определяют количество условного топлива: m_y = 900·0,389= 350,1 кг.

Основные характеристики топлива приведены в при­ложении 4.

2.3. Природные и искусственные газы, их основные характеристики

Горючий газ имеет значительные преимущества перед твердым и жидким топливом. Использование газа в качестве источника теплоты освобождает потребителя от забот по заготовке, транспортировке и хранению топлива, вывозу золы и шлака, улучшает санитарно-гигиенические условия работы на предприятиях.

На предприятиях общественного питания исполь­зование газа как источника тепловой энергии позволяет автоматизировать процесс работы на тепловых аппара­тах. Высокое тепловое напряжение топочного простран­ства способствует уменьшению габаритов тепловых аппаратов, снижению удельных расходов тепловой энергии. Все эти достоинства газа делают его удобным, экономичным, а в некоторых случаях и незаменимым источником тепловой энергии для технологических процессов приготовления пищи на предприятиях обще­ственного питания.

Необходимо отметить и тот факт, что эффективность замены твердого и жидкого топлива газом так велика, что средства, затрачиваемые на сооружение газопро­вода, окупаются в три-четыре года.

Природные горючие газы добывают из газовых и нефтяных месторождений. В последних газы находятся вместе с нефтью и называются попутными. Природные горючие газы чисто газовых месторождений называются сухими. Сухие газы состоят преимущественно из метана, не имеют цвета и запаха. Попутные газы — жирные, содержат в своем составе метан и легко конденсирую­щиеся тяжелые углеводороды. Они имеют характерный запах нефти.

Горючий газ представляет собой смесь горючих (моногазов) и негорючих (балластов) компонентов. К горючим моногазам, входящим в газовую смесь, относятся метан СН₄, водород Н₂, окись углерода СО, сероводород Н₂S и различные предельные С_nН_2n+2 (этан, пропан, бутан и др.) и непредельные С_nН_2n (этилен, пропилен, бутилен и др.) углеводороды. К балласту относятся азот N. углекислый газ СО₂, кислород O₂. Кроме этих составляющих, в газообраз­ном топливе содержатся водяные пары, бензол, пара­фин, нефть и другие вещества.

В качестве газообразного топлива применяются и искусственные газы, получаемые из твердого или жидкого топлива при его переработке (доменный, коксовый, сланцевый, крекинг-газ и др.).

Искусственные газы непосредственно после их полу­чения содержат сероводород, нафталин, аммиак, смолу и другие примеси, от которых их очищают на газовых заводах механическим или химическим путем.

Для газоснабжения широко используются сжижен­ные газы, источником получения которых являются попутные газы, производные нефтяные газы и производ­ные газы, получаемые при переработке угля и природ­ных горючих газов. Химический состав этих газов различен и зависит от источников получения. Так, сжиженные газы, получаемые из природных газов, содержат только предельные углеводороды: пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀, этан С₂Н₆, небольшое количество пентанов С₅Н₁₂. Сжиженные газы, получаемые из паров при нефтепереработке, кроме предельных углеводо­родов содержат и непредельные — пропилен С₃Н₆, бутилен С₄Н₈. Различают следующие марки сжиженных газов: пропан — газ, состоящий из пропана или про­пана и пропилена; бутан — газ, состоящий из бутана или бутана и бутилена; смесь пропана и бутана или газ, состоящий из пропана, пропилена, бутана и бути­лена. Эти смеси при нормальных условиях находятся в газообразном состоянии, но при небольшом избыточ­ном давлении и понижении температуры переходят в жидкость. Сжиженные газы как топливо обладают всеми достоинствами природного и искусственного га­зов.

К местам потребления они доставляются в балло­нах, цистернах или путем перекачки по трубопроводам. Все горючие газы характеризуются физико-химиче­скими, теплотехническими и эксплуатационными показателями.

К физико-химическим показателям горючего газа относятся: его состав, влажность, удельный вес, теплота сгорания, вязкость, температура воспламенения, пре­делы воспламеняемости и скорость распространения пламени.

Теплотехнические показатели включают: теорети­чески необходимое для горения количество воздуха, теоретическую температуру горения, топливную харак­теристику, объем продуктов сгорания, максимальное содержание в сухих продуктах сгорания. К экс­плуатационным показателям горючего газа относятся: давление, взрываемость, запах, токсичность, механиче­ское загрязнение, коррозионная активность, темпера­тура, постоянство состава.

Сухое газообразное топливо имеет следующий состав, который определяется по объему в процентах из следующего уравнения:

CH₄ + ΣC_mH_n + H₂ + H₂S + CO + CО₂+SO₂ + N₂ + О₂ = 100%, (2.7)

где ΣC_mH_n = ΣC_nH_2n + ΣC_nH_2n+2;

CH₄, ΣC_mH_n, H₂, H₂S, CO, CO₂, SO_2, N₂, O₂ — соответ­ственно метан, сумма предельных и непредельных угле­водородов, водород, сероводород, окись углерода, угле­кислый газ, сернистый газ, азот, кислород.

Все расчеты ведутся на 1 м³ сухого газа или количе­ством водяных паров в 1 м³ влажного газа. По содержа­нию водяных паров w, г, в 1 м³ сухого газа определяется количеством водяных паров f, г, в 1 м³ влажного газа по формуле

f = w/(l-w/805)=805w/(805-w), (2.8)

где 805 — масса 1 м³ водяного пара, г, при условии, что вода находится в газообразном состоянии.

При необходимости обратного пересчета применя­ется формула

w = f/(l-f/805)=805f/(805-f). (2.9)

Удельный вес газовой смеси при нормальных усло­виях (0 °С и 760 мм рт. ст.) γ_cmo, кг/м³, подсчитывают по ее составу по формуле

γ_cmo =( γ₁r₁ + γ₂r₂+... + γ_nr_n)/100, (2.10)

где γ_cmo — удельный вес газовой смеси, кг/м³; γ₁ , γ₂ , γ_n— удельный вес отдельных газов при нормальных условиях, кг/м³; r_1, r₂, r_п — объемное содержание от­дельных газов в газовой смеси, %.

Для приведения газа к нормальным условиям при­меняется коэффициент К_n, который определяется по формуле

К_n=(Р_бар + Р_газ+Р_парц)·273/(273 + t)·760, (2.11)

где Р_бaр — барометрическое давление воздуха, мм рт. ст.; Р_газ — давление газа перед горелкой, мм рт. ст.; Р_парц — парциальное давление водяных паров, мм рт. ст.; t — температура смеси газа, °С.

Удельный вес влажного газа определяется по формуле

= γ_cmo (l - f/805) + f/1000. (2.12)

Если температура и давление газовой смеси не отвечают нормальным условиям, удельный вес определяют по формуле

= γ_cmo [273 (760 + Р) / (273 + t)760], (2.13)

где t — температура смеси, °С; Р — избыточное давле­ние смеси, мм рт. ст.

Так же определяется относительный удельный вес газа по воздуху S= γ_cm/ γ_B.

При этом необходимо учитывать, что плотность воздуха γ_B = 1,293 кг/м³, а плотность газов колеблется от 0,5 до 1,4 кг/м³.

Физико-химической характеристикой горючего газа служит также теплота сгорания, т. е. количество тепло­вой энергии, которое выделяется при полном сгорании определенного количества газа. Различают высшую и низшую теплоту сгорания сухого и влажного газа. Высшая теплота сгорания сухого газа — это теплота сгорания входящего в его состав водорода и его соеди­нений с образованием воды в виде жидкости, т. е. при условии выделения скрытой теплоты парообразования при охлаждении продуктов сгорания.

За низшую теплоту сгорания сухого газа принимают теплоту сгорания 1 м³ газа при нормальных условиях и при условии полного сгорания входящего в его состав водорода или его соединений с образованием воды в виде пара, т. е. без использования скрытой теплоты парообразования. Высшая теплота сгорания газа определяется с помощью газового калориметра. Низшая теплота сгорания может быть вычислена на основании известного состава газа по формуле

(0 °C, 760)=r₁Q₁ + r₂Q₂ + ... + r_nQ_n, (2.14)

где r₁, r₂, r_n — объемная доля каждого компонента, входящего в состав смеси; Q₁, Q₂, Q_n — низшая или высшая теплота сгорания 1 м³ компонента.

Для определения низшей теплоты сгорания влаж­ного газа необходимо предварительно определить низшую теплоту сгорания сухого газа. Низшая теплота сгорания влажного газа определяется по формуле

= (l-f/805)= [l/(l-w/805)]. (2.15)

Газы, как и жидкости, имеют свойство оказывать сопротивление взаимному перемещению частиц (моле­кул) под действием внешних приложенных сил, т. е. обладают вязкостью. Кинематический коэффициент вязкости определяется отношением динамического коэффициента вязкости (μ) к плотности газа, т. е.

ν_cм = μ/p_cм. (2.16)

Температурой воспламенения называется минималь­ная температура в месте зажигания смеси горючего газа и воздуха, достаточная для горения газовоздушной смеси. Температура воспламенения газов зависит от соотношения объемов газа и воздуха, от быстроты и, способа нагрева смеси, от степени перемешивания газовоздушной смеси и других факторов и лежит в пределах между температурами воспламенения горючих компонентов. Так, температура воспламенения водо­рода 580...590 °С, метана — 650...750 °С, сероводо­рода — 290...300 °С и т. д. Существуют верхний и ниж­ний пределы воспламеняемости газов, при нарушении которых смесь горючего газа с воздухом становится невоспламеняемой в данных условиях. Нижним преде­лом воспламеняемости называется минимальное содер­жание газа в смеси с воздухом (по объему), при котором смесь воспламеняется, а верхним пределом — максимальное содержание горючего газа в газовоздуш­ной смеси, еще способной воспламеняться. Интервал воспламеняемости у природных газов меньше, чем у искусственных. Воспламенение газовоздушной смеси зависит от температуры. Если температура смеси превышает температуру воспламеняемости (750... 800 °С), то газовоздушная смесь горит в любом объем­ном соотношении. Зная состав горючего газа, можно приближенно определить для него нижний L_H и верхний L_B пределы воспламеняемости, а также содержание в смеси L_M, дающее наибольшую скорость распростра­нения пламени ω в м/с по формуле

L_H.B.M=(г₁₊r₂ + r₃+... + r_n)/(г₁/l_н^г1_в._м + r₂/l_н^г2_в._м+ г₃/l_н^г3_в._м + ...+г_п/l_н^гn_в._м), (2.17)

где г_1, r₂ , r_{3 ,} r_n — процентное содержание по объему каждого из компонентов газовой смеси.

Верхний индекс при l означает, что данная величина относится к компонентам г_1, r₂ , r₃ и т. д. газовой смеси, а нижний свидетельствует о том, что берется значение (по табличным данным), относящееся к какому-либо из определяемых параметров. Как показывают расчеты, природный газ горит в том случае, если содержание его в смеси с воздухом составляет 5....16%, т. е. при α, равном 0,63 ... 1,9 % теоретически необходимого воз­духа. Для других газов интервал воспламенения значи­тельно больше, поэтому взрывоопасность природного газа значительно меньше, чем у других газов.

Нижними и верхними пределами взрываемости назы­ваются максимальное и минимальное содержание горю­чего газа или взвешенных частиц в смеси с воздухом или других газов, в пределах которых может произойти взрыв.

Физико-химической характеристикой горючего газа служит также скорость распространения пламени в газовой смеси. Скорость распространения пламени представляет собой ту скорость, с которой прогревается до температуры воспламенения струя газовоздушной смеси, движущаяся ламинарно; прогрев смеси в этом случае осуществляется за счет теплопроводности.

Нормальная скорость распространения пламени имеет линейную размерность (м/с, см/с), так как пред­ставляет собой количество смеси (см³), воспламеняе­мой в единицу времени (с) на определенной поверх­ности пламени (см²). Иногда нормальную скорость распространения пламени измеряют в весовых едини­цах, т. е. в граммах на квадратный сантиметр в секунду и называют массовой скоростью распространения пламени.

При одинаковых условиях сгорания скорость рас­пространения пламени влияет на высоту факела: при большей скорости факел короче. Необходимо отметить, что реакция горения протекает главным образом в очень тонком слое вблизи поверхности воспламенения. Наивысшая температура пламени и распределение температур в различных его частях зависят от состава газа, регулирования поступления газа и воздуха, кон­струкции горелок, условий Сжигания газа и других факторов.

Скорость распространения пламени смешанных газов тем значительнее, чем больше в них содержится водорода. На скорость распространения пламени оказы­вают влияние: соотношение в смеси газа и кислорода, состав горючей части газа, содержание примесей, темпе­ратура смеси, диаметр трубки и характер истечения газовоздушной смеси — ламинарный или турбулентный (при турбулентном режиме движения скорость распро­странения пламени будет значительно больше).

Скорость распространения пламени и скорость газовоздушной смеси оказывают существенное влия­ние на работу горелок. Нарушение их взаимосвязи вызывает отрыв и проскок пламени. Если скорость газовоздушной смеси превышает скорость распростра­нения пламени этой смеси, то происходит отделение пламени от огневых отверстий, т. е. отрыв пламени. Проскок — это проникновение пламени внутрь горелки, возникающее при условии, когда скорость газовоздушной смеси становится ниже скорости распространения пламени. Отрыв и проскок пламени приводят к нару­шению нормального режима работы газовых горелок, химическому недожогу и снижению кпд газовых ап­паратов.

Теоретически необходимое количество сухого возду­ха для полного сгорания 1 м³ сухого газа определяется в зависимости от состава горючего газа из уравнения

V_B=0,0476(0,5Н₂ + 0,5СО+1,5Н₂S + 2СН₄ + ЗС_зН₄ + 3,5С₂Н₆+4_,5С_зН₆ + 5С_зН₈ + 6С₄Н₈+6,5С₄Н₁₀ +

+ 8С₅Н₁₂ - O₂), (2.18)

где Н_2, СО, СН₄ ... С_mН_n—компоненты горючего газа, % по объему.

Теоретический расход сухого воздуха в зависимости от теплоты сгорания газа можно определить также по приближенным формулам:

V₀=0,875 /1000 при <10472, кДж/м³; (2.19) V₀=1,09 /1000 при > 10472, кДж/м³. (2.20)

Действительный расход воздуха определяется в за­висимости от принятого коэффициента избытка воз­духа:

V_Д = αV₀.

Теоретически необходимый объем воздуха для полного сгорания горючих газов различного состава колеблется в широких пределах и зависит от теплоты сгорания газа. С повышением теплоты сгорания газа увеличивается количество воздуха, необходимого для полного сжигания 1 м³ газа.

Количество воздуха, приходящееся на 4189 кДж/м³ низшей теплоты сгорания газа, принимается за приве­денную характеристику газа а и определяется по соот­ношению

a = (V₀/ )·1000. (2.21)

Сжигание газа происходит с некоторым коэффи­циентом избытка воздуха α, величина которого зависит от рациональной конструкции горелки, камеры сгора­ния, качества обслуживания газоперемычных устройств, от качества смешения газа и воздуха. Коэффициент в зависимости от качества смешения газа и воздуха колеблется в пределах 1,05... 1,20 — для промыш­ленных установок и 1,5...2,0 — для коммунальных и бытовых установок.

Теплотехнической характеристикой горючего газа служит также температура сгорания. Калориметриче­ской температурой сгорания t_K, °C, горючего газа назы­вается температура продуктов его полного сгорания в адиабатических условиях при начальных температурах газа и воздуха, а также коэффициенте избытка воз­духа α, взятых при действительных их значениях. Она определяется по формуле

t_k=( + q_ф)/ΣV_cp, (2.22)

где — низшая теплота сгорания газа, кДж/м³; q_ф — физическая теплота газа и воздуха, кДж/м³; ΣV_cp — сумма произведений объемов и теплоемкостей при по­стоянном давлении составных частей продуктов сгора­ния 1 м³ газа.

q_ф = V_Bc_Bt_B + c₂t₂, (2.23)

где V_B, с_в, t_B — количество, теплоемкость и температура воздуха; c₂, t₂ — теплоемкость и температура газа. Значения калориметрических температур моногазов при отсутствии данных для расчета принимаются по соответствующим справочным таблицам.

При сжигании горючего газа образуются продукты сгорания, объем которых зависит от степени сгорания смеси. При полном сгорании горючего газа (α=1) объем продуктов сгорания определяется по следующей формуле:

V_o6ui=V_c.г+V_в.п, (2.24)

где V_c.г — объем сухих продуктов сгорания, м³/м³; V_c.r=V_RO2+V_N2; (2.25)

V_RO2 — объем трехатомных сухих продуктов сгорания, м³/м³;

V_RO2=0,01 (CО₂ + CO + CH₄ + Σ_mC_mH_n); (2.26)

V_N2— объем двухатомных газов в продуктах сгора­ния, м³/м³;

V_N2 = 0,79V₀ + 0,01N₂; (2.27)

V_в.п — объем водяных паров в продуктах сгорания, м³/м³;

V_в.п = 0,01[H₈ + 2CH4 + Σ(n/2)C_mH_n+ 0,124(d₂+V_od_B)], (2.28)

где d₂, d_B — влагосодержание газа в 1 м³ сухого газа и воздуха.

В случае когда процесс горения газа происходит при коэффициенте избытка воздуха α> 1, действитель­ный объем продуктов сгорания увеличивается за счет азота и кислорода. При этом не принимают во внимание влажность поступающего воздуха, так как поправка на влажность составляет не более 3 %:

, (2.29)

где = +(α - 1)·V_o, а =V_B._n + 0,016V_o(α -1).

Максимальное содержание в сухих продуктах сгора­ния RO₂=CO₂ + SO₂ определяют по топливной ха­рактеристике β:

RO₂^max = 21/(l+ β). (2.30)

Значение топливной характеристики β определяют по табличным значениям.

При эксплуатации газогорелочных устройств боль­шое значение имеет величина колебаний давления газа в сети. При значительных колебаниях давления газа трудно добиться нормального процесса горения, так как процесс горения протекает при этих условиях либо с недостатком газа, либо с большим его избытком. Это влечет за собой химическую неполноту сгорания газа, а следовательно, и большие потери тепловой энергии как в топочном пространстве, так и с уходя­щими продуктами сгорания. Поэтому одной из важных эксплуатационных характеристик является давление газа перед газогорелочным устройством.

К эксплуатационным характеристикам относится по­стоянство состава газа, а следовательно, теплота сгора­ния. Высокоэффективная работа газогорелочных уст­ройств тепловых аппаратов и их безопасная эксплу­атация неразрывно связаны со стабильным составом газового топлива. Несоблюдение этого условия сни­жает кпд аппаратов.

Рассматривая процессы горения газа, следует от­метить, что газовоздушная смесь может гореть равно­мерно, с определенной скоростью распространения пламени при движении газовоздушной смеси, или мгно­венно, со взрывом, если газовоздушная смесь находи­лась в покое. Практически все горючие газы образуют с воздухом гремучие взрывчатые смеси, которые взры­ваются от малейшей искры, при этом скорость распро­странения пламени составляет 1000...3500 м/с, что значительно выше, чем при обычном горении. Взры­воопасные смеси образуются при определенном про­центном содержании газа в газовоздушной смеси. Взрывоопасность газа характеризуется значениями, заключенными между максимальным и минимальным содержанием горючего газа в смеси с воздухом, в пре­делах которых может произойти взрыв. Опасные кон­центрации возникают при утечке газа через неплот­ности в соединениях, трещины в трубах и др., а так как все природные и многие искусственные газы легче воздуха, то при утечке они поднимаются вверх и скап­ливаются в верхних слоях помещений.

Для предупреждения взрыва необходимо постоянно проверять места соединений, ликвидировать поврежде­ния в местах утечки; осуществлять вентиляцию помещений; не допускать появления источников пламени в местах, где может произойти скопление взрывоопасной концентрации газовоздушной смеси. Горючие газы бес­цветны. Кроме того, газы, полученные из газовых место­рождений, не имеют запаха, что сильно затрудняет обнаружение их утечки. Поэтому в эти газы вводят особые вещества — одоранты; чаще всего это меркап­тан — вещество с характерным резким запахом, 1 /500 000 000-й доли которого в воздухе достаточно для того, чтобы почувствовать его запах. Горючие газы токсичны (ядовиты) из-за присутствия в них окиси углерода.

Физические параметры дымовых газов и расчет­ные характеристики топлива приведены соответственно в приложениях 3 и 4.