Авгушевич И.В., Сидорук Е.И., Броновец Т.М.
Стандартные методы испытания углей. Классификации углей

Вернуться к оглавлению

Глава 12

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ УГЛЕЙ

§ 12.11 Расчет высшей и низшей теплоты сгорания и пересчет результатов на различные состояния топлива

Расчет высшей и низшей теплоты сгорания проводят в соответствии с представлениями о процессах, происходящих в калориметрической бомбе и топке, которые были изложены в § 12.1 и § 12.2.
Связь между тепл­отой сгорания и конечными продуктами горения топ­лив схематично выглядит следующим образом:

• при определении теплоты сгорания по бомбе (при постоянном объеме) конечными продуктами горения являются диоксид углерода (газообразная фаза), вода (жидкая фаза), азотная и серная кислоты (жидкая фаза);

• при расчете высшей теплоты сгорания при постоянном объеме и давлении конечными продуктами являются вода (жидкая фаза), диоксид углерода, N₂, SO₂ (газообразная фаза); всё при стандартной температуре;

• при расчете низшей теплоты сгорания при постоянном объеме конечными продуктами горения являются вода в виде пара (в гипотетическом состоянии при давлении 0,1 МПа), а остальные продукты сжигания такие же, как для высшей теплоты сгорания; всё при стандартной температуре;

• при расчете низшей теплоты сгорания при постоянном давлении конечными продуктами горения являются вода в виде пара при давлении 0,1 МПа, а остальные продукты сжигания такие же, как для высшей теп­лоты сгорания; всё при стандартной температуре.

При горении топлива в калориметрической бомбе объем газообраз­ных продуктов горения является величиной постоянной, а при горении топ­лива в топке объем газов изменяется, а давление остается постоянным.
В ISO 1928:2009, ГОСТ 147–2013 и в настоящей главе приведены формулы для расчета низшей и высшей теплоты сгорания при постоянном объеме и постоянном давлении.

Расчет высшей теплоты сгорания при постоянном объеме (Q_s,V)

Как видно из приведенной выше схемы, значение высшей теплоты сгорания при постоянном объеме меньше чем  Q^a_б на величину тепловыделения, которое происходит при образовании и растворении в воде азотной и серной кислот, поэтому при расчете высшей теплоты сгорания при постоянном объеме в величину теплоты сгорания по бомбе вносят поправки на азот и серу (§ 12.7.3).
Высшую теплоту сгорания аналитической пробы топлива при постоянном объеме Q^a_s,V (кДж/кг) рассчитывают по формуле:

Поправки на азот и серу вычисляют по содержанию азотной и серной кислот в смыве бомбы, которые определяют по ГОСТ 147–2013 (п. п. 10.5.2–10.5.4) титриметрическим или гра­виметрическим методом (см. также § 12.7.3 настоящей главы).

Если поправки на азот и серу определяют расчетным путем, т.е. допускают, что вся сера топлива переходит в серную кислоту (величину S^a_б заменяют на S^a_t), а поправка на азот зависит не от содержания азота в пробе, а от теплоты сгорания топлива, то высшую теплоту сгорания аналитичес­кой пробы топлива при постоянном объеме Q^a_s,V (кДж/кг) рассчитывают по формуле:

Эта формула регламентирована в ГОСТ 147 и ISO 1928.

Ошибка, которая может быть внесена в величину Q^a_s,V при замене S^a_б на S^a_t, статистически ничтожна, если содержание серы в угле менее 4%, и соизмерима с допускаемыми расхождениями при S^a_t > 4%.

В углях России массовая доля общей серы более 4% встречается не час­то, поэтому в лаборатории ИГИ при определении теплоты сгорания с помощью автоматического калориметра серу в смыве бомбы не определяли, а расчет высшей теплоты сгорания проводили по формуле (12.13).

Пересчет высшей теплоты сгорания (при постоянном объеме и при пос­тоянном давлении) с одного состояния топлива на другое не отличается от аналогичных пересчетов других показателей качества топлива. Коэффициенты для таких пересчетов представлены в главе 7 (табл. 7.2).

Для пересчета высшей теплоты сгорания на другие состояния топ­лива используют результат, выраженный в кДж/кг (Дж/г). Результаты пересчета представляют с точностью до величины, кратной 10 Дж/г, после чего его при необходимости выражают в других единицах (ккал/кг, кал/г).

Расчет низшей теплоты сгорания при постоянном объеме (Q_i,V)

Как видно из приведенной выше схемы, значение низшей теплоты сгорания при постоянном объеме меньше значения высшей теплоты сгорания при постоянном объеме на величину теплоты конденсации пара, который образуется из влаги топлива и водорода органической массы, превращающегося при горении в воду.
Масса водяного пара (кг), получаемого при го­рении 1 кг топлива, находящегося в аналитическом состоянии, ­составляет [0,01 ⋅ (W^a + 8,94H^a)]. Теплота конденсации пара (теплота парообразования) равна 2442 кДж/кг.

Низшую теплоту сгорания аналитической пробы топлива при постоянном объеме Q^a_i,V (кДж/кг) рассчитывают, исходя из высшей теплоты сгорания при постоянном объеме, по формуле:

Формулы 12.14–12.17 для расчета низшей теплоты сгорания при пос­тоянном объеме из экспериментальной величины высшей теплоты сгорания при постоянном объеме регламентированы в ГОСТ 147–2013. Эти формулы широко используются в теплотехнических расчетах и при оценке качества топлива в углехимических лабораториях Российской Федерации (§ 12.12).

Ниже приведены формулы из ISO 1928:2009 для расчета низшей теп­лоты сгорания при постоянном объеме.

«Теплота испарения воды при постоянном объеме при 25 °C составляет 41,53 кДж/моль. Это соответствует величине 206,0 Дж/г в расчете на 1% водорода в пробе топлива или 23,05 Дж/г в расчете на 1% воды.
Низшую теплоту сгорания сухой пробы топлива при постоянном объеме (Q^d_i,V), исходя из высшей теплоты сгорания сухого топлива при постоянном объеме (Q^d_s,V), рассчитывают по формуле:

Низшую теплоту сгорания рабочего топлива с общей влагой W^r_t при постоянном объеме (Q^r_i,V), кДж/кг, рассчитывают по формуле:

Расчет высшей теплоты сгорания при постоянном давлении (Q_s,p)

При расчете высшей теплоты сгорания при постоянном давлении (Q_s,p) исходят из того, что при горении топлива происходит изменение объема газовой фазы. Водород топлива взаимодействует с газообразным кислородом и образует жидкую воду, уменьшая тем самым объем системы. Углерод топлива реагирует с газообразным кислородом, в результате чего образуется равный объем газообразного диоксида углерода. За счет кислорода и азота топлива объем газообразной фазы увеличивается.
Изменение объема газообразной фазы, ∆n_g (моль/г пробы), происходящее при горении топлива, можно рассчитать по формуле:

где H, O, N – ​массовые доли общего водорода, кислорода и азота в угле, рассчитанные на то состояние топлива, для которого производят пересчет высшей теплоты сгорания при постоянном объеме на высшую теплоту сгорания при постоянном давлении, %.

Разницу между высшей теплотой сгорания при постоянном объеме и при постоянном давлении можно оценить работой (энергией), которую производит среда для сохранения постоянства давления. Для того чтобы определить эту работу, величину ∆n_g следует умножить на RT, заменяя изменение объема (моль/г пробы) на изменение энергии (Дж/г пробы). Здесь R – универсальная газовая постоянная, равная работе расширения 1 моля газа при постоянном давлении при нагревании на один градус К (R = 8,315 Дж/моль·К); Т – стандартная температура при определении теплоты сгорания углей, равная 298,15 К или 25 °C.

Величина, получаемая при умножении ∆n_g на RT, представляет собой поправку на постоянство давления, которая относится к высшей теплоте сгорания. Процесс парообразования в топке этой поправкой не учитывается.

Пересчет высшей теплоты сгорания при постоянном объеме на высшую теплоту сгорания при постоянном давлении удобно проводить для сухого состояния топлива. Соотношение между Q^d_s,V и Q^d_s,p (Дж/г) представлено следующей формулой:

Расчет низшей теплоты сгорания при постоянном давлении (Q_i,p)

При расчете низшей теплоты сгорания при постоянном давлении (Q_i,p) исходят из того, что конечными продуктами горения являются водяной пар при давлении 0,1 МПа, а также газообразные диоксид углерода, азот и диоксид серы.

Теплота испарения воды при постоянном давлении при 25 °C составляет 44,01 кДж/моль. Это соответствует величине 218,3 Дж/г в расчете на 1% водорода в пробе топлива или 24,43 Дж/г в расчете на 1% воды.

Соотношение между высшей и низшей теплотой сгорания сухого топ­лива при постоянном давлении такое же, как между высшей и низшей теп­лотой сгорания сухого топлива при постоянном объеме (12.15) и выражается формулой:

Введя в это уравнение формулу (12.22), получаем:

Низшая теплота сгорания рабочего топлива при постоянном давлении характеризует реальную энергетическую ценность топлива. Для расче­та этой величины по формуле (12.27) необходимо определять значение высшей теплоты сгорания при постоянном объеме, а также результаты технического и элементного анализа угля.

Ход расчета низшей теплоты сгорания рабочего топлива при постоянном давлении из Q^a_b может быть представлен следующим образом:

Q^r_i,p →_(12.13) Q^a_s,V →_{(табл.7.2)} Q^d_s,V →_(12.27) Q^r_i,p

Результаты расчетов низшей теплоты сгорания каменных углей по­казывают, что расхождение между Q_i,V и  Q_i,p составляет около 50 кДж/кг (ISO 1928:2009). Такая незначительная величина поправки на постоянст­во давления является обычной для твердого топлива [2].

При особо точных расчетах необходимо вычислять низшую теплоту сгорания при постоянном давлении (Q_i,p), а при рутинном анализе топлива можно ограничиться традиционным расчетом Q_i,V по формулам (12.14)–(12.17) (см. § 12.12).

Формулы для пересчета низшей теплоты сгорания с одного состояния топлива на другое носят более сложный характер, чем для высшей теплоты сгорания. При этих пересчетах необходимо учитывать особое влияние влаги и водорода на величину низшей теплоты сгорания.

В табл. 12.4 представлены формулы для пересчета низшей теплоты сгорания при постоянном объеме и постоянном давлении на различные состояния топлива.

Вернуться к оглавлению