Таблица 4 - Удельная теплота сгорания различных энергоносителей, сравнительный анализ расходов.

O = (2,67C+8H+S-O)/100

Состав воздуха

Название газа

Химический элемент

Содержание в воздухе

Азот

N2

78 %

Кислород

O2

21 %

Аргон

Ar

1 %

Углекислый газ

CO2

0.03 %

Гелий

He

менее 0,001 %

Водород

H2

менее 0,001 %

Неон

Ne

менее 0,001 %

Метан

CH4

менее 0,001 %

Криптон

Kr

менее 0,001 %

Ксенон

Xe

менее 0,001 %

Предполагается, что содержащийся в топливе кислород полностью затрачивается на горении. На практике при сжигании топлива подводится не чистый кислород, а воздух, в котором содержится лишь 23,2 процента кислорода по массе. В этом случае теоретически необходимое для полного сгорания 1кг топлива количество воздуха (кг) может быть определено по выражению:

_.= ,

где – массовые доли этих элементов в самом топливе, 0,232 – массовая доля О2 в воздухе.

Расчет той же величины, м3/кг:

.= ,

где 1,239 – плотность воздуха, кг/м3.

 

для бензина gC = 0,85 кг, gH = 0,45 кг, gO = 0 кг;

 для дизельного топлива gC = 0,86 кг, gH = 0,13 кг, gO = 0,01 кг); = 1,29 кг/м3 — плотность воздуха.

 

Элементарный состав газообразных топлив выражается в объемных единицах (м3, моль)

 

∑СnНmОr+N2=1

Сn,Нm,Оr – объемные доли каждого газа, входящего в 1 м3 или в 1 моль газообразного топлива. Объемная доля N_2.

Теоретически необходимое количество воздуха (м³) для сжигания газообразного топлива можно определить по известному объемному составу газа при объ­емном содержании кислорода в воздухе, равном 21%:

Для газообразного топлива расчет теоретического количества воздуха , м3/м3, осуществляется по формуле:

= ,

где ) – состав газообразного топлива по объему в процентах; 21 – количество кислорода в воздухе по объему в процентах при нормальных условиях (0 оС, 760 мм рт. ст.).

 

Lтв = [0,5(СО+Н₂)+(n+m/4)СnНm-O₂]/21

где n - число атомов углерода; m - число атомов водорода.

 

Стехиометрическое количество воздуха (кг воздуха/кг топлива)

у метанола – 6,5;

 у этанола – 9,0.

Теоретическое количество воздуха для сгорания метана CH4 9,52 м3/м3

Теоретическое количество воздуха для сгорания пропана C3H8 23,8 м3/м3

Теоретическое количество воздуха для сгорания бутана C4H10 30,94 м3/м3

Теоретическое количество воздуха для сгорания водорода Н2 2,38 м3/м3

Теоретическое количество воздуха для сгорания смеси (пропан+бутан) 25 м3/м3

Теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 кг дизельного топлива - 14,3 кг (0,495 кмоль/кг) (gC = 0,87 кг, gH = 0,126 кг, gO = 0,004 кг)

Теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 кг бензина - 14,7 кг (gC = 0,855 кг, gH = 0,145 кг, gO = 0 кг)

 

Показатель

Бензин

Сжиженный
нефтяной газ

Сжиженный
природный газ

Октановое число

76...98

102...112

110...125

Теплота сгорания, низшая, кДж/кг

Стехиометрическое отношение, кг воздуха/кг топлива

В связи с тем, что в воздухе около 21 % кислорода, то для сжигания 1 м3 метана необходимо 10 м3 воздуха, пропана — 24 м3, бутана — 31 м3.

 

Жаропроизводительность

Жаропроизводительность максимальная температура продуктов полного сгорания газа в адиабатических условиях с коэффициентом избытка воздуха α = 1,0 и при температуре газа и воздуха, равной 0°C:

Жаропроизводительность, , метана равна 2043 °С,

 пропана — 2110 °С,

 бутана —2118 °С,

 водорода — 2235 °С,

 ацетилена — 2620 °С.

 

Температура воспламенения

Температура самовоспламенения - это минимальная температура, при которой пары топлива в смеси с воздухом воспламеняются без соприкосновения с открытым огнем.

Температура воспламенения — минимальная температура газовоздушной смеси, при которой н ачинается самопроизвольный процесс горения за счет выделения теплоты горящими частицами газа.

Температура вспышки — наименьшая температура горючего вещества, при которой пары над поверхностью горючего вещества способны вспыхивать при контакте с открытым источником огня; устойчивое горение при этом не возникает.

Температура вспышки и связанные с ней параметры некоторых веществ

Вещество

Темп. кипения

Темп. вспышки

Темп. самовоспламенения

Пределы взрываемости

°C

°C

°C

Мин. об.-%

Макс. об.-%

Водород

−253

…

Метан

−162

…

4,4

16,5

Ацетилен

−84

…

2,3

Пропан

−42

−96

1,7

10,9

Бутан

−69

1,4

9,3

Ацетальдегид

+20

−30

n-Пентан

+36

−35

1,4

8,0

Диэтиловый эфир

+36

−40

1,7

Сероуглерод

+46

−30

1,0

Ацетон

+56

−18

2,1

Метанол

+65

+11

5,5

n-Гексан

+69

−22

1,0

8,1

Этанол

+78

+13

3,5

Изопропиловый спирт

+82

+12

n-Гептан

+98

−4

1,0

Изооктан, 2,2,4-Триметилпентан

+99

−12

1,0

n-Октан

+126

+12

0,8

6,5

Бензин

30-200

< -20

200-410

0,6

Дизельное топливо

150-390

> +55

ок. 220

0,6

6,5

 

Температура воспламенения, °С,

ацетилена — 335

, водорода — 510

, метана — 545

, бутана — 430

, пропана — 504.

Температура самовоспламенения автомобильных бензинов 255-370 °С

Температуры воспламенения и горения

Показатели

Метан

Пропан

Бутан

Бензин
(для сравнения)

Температура воспламенения при атмосферном давлении, С

Температура пламени при атмосферном давлении, С

При атмосферном давлении дизельные топлива самовоспламеняются в пределах температур 275 - 336 С. В цилиндре под давлением температура самовоспламенения дизельного топлива составляет 200 - 210 С. Однако для устойчивого воспламенения с небольшим периодом задержки ( до 60 мс) температура в конце такта сжатия должна быть значительно выше температуры самовоспламенения и в период пуска составлять 300 - 345 С.

 

Нижний предел воспламеняемости, об. %: для ацетилена — 2,5, водорода — 4, метана — 5, пропана — 2,3, бутана — 1,9; верхний для ацетилена — 80, водорода — 75, метана — 15, бутана — 8,5, пропана — 9,5.

Если содержание газа в смеси меньше нижнего предела воспламенения, то такая смесь самостоятельно гореть не может. При содержании газа, большем верхнего предела воспламенения, количества воздуха в смеси недостаточно для полного сгорания газа.

Для обеспечения качественного горения газа необходимо в достаточном количестве подвести воздух в зону горения и добиться хорошего перемешивания газа с воздухом. Оптимальным считается соотношение 1 : 10. То есть на одну часть газа приходится десять частей воздуха.

 

Давление насыщенных паров

Для каждой горючей жидкости можно определить давление насыщенных паров. С повышением температуры оно растёт, таким образом, количество горючего вещества на единицу объёма воздуха над жидкостью также растёт с ростом температуры. При достижении температуры вспышки содержание горючего вещества в воздухе становится достаточным для поддержания горения. Достижение равновесия между паром и жидкостью требует, однако, некоторого времени, определяемого скоростью образования паров. При температуре вспышки скорость образования паров ниже, чем скорость их горения, поэтому устойчивое горение возможно лишь при достижении температуры воспламенения.

Насы́щенный пар — это пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью или твёрдым телом того же состава[1].

Давление насыщенного пара связано определённой для данного вещества зависимостью от температуры. Когда внешнее давление падает ниже давления насыщенного пара, происходит кипение (жидкости) или возгонка (твёрдого тела); когда оно выше — напротив, конденсация или десублимация.

В таблице приведены значения давления насыщенного пара для некоторых веществ:

Вещество

Давление насыщенного пара
(мм Hg при 20°C)

Ртуть

0,0013

Вода

17,36

Хлороформ

160,5

Сернистый углерод

198,5

Эфир

442,4

Сернистая кислота (H2SO3)

2 162 (2,84 атм)

Хлор

5 798 (7,63 атм)

Аммиак

6 384 (8,4 атм)

Углекислота

44 688 (58,8 атм)

 

Точка росы

 

Точка росы – это температура, при которой воздух, имеющий определенную исходную температуру и относительную влажность, больше не в состоянии поглощать влагу и влага, содержащаяся в воздухе, начинает конденсироваться.

Если миска с водой остается открытой, объем воздуха, способного принимать постоянно отрывающиеся от поверхности воды молекулы, достаточно велик.

Воздух в состоянии принимать молекулы воды до тех пор, пока не достигнут предел насыщения. Содержание воды в таком ненасыщенном воздухе называется относительной влажностью воздуха. Воздух, насыщенный водой, имеет относительную влажность 100%, ненасыщенный воздух – менее 100%.

Пример: воздух температурой 20°С может содержать не более 17.3 г/м³ воды. Если в нем содержится только 8,7 г/м³, его относительная влажность (f) составляет 50%: Е = 8,71 17,3 х 100% = 50%.

Если воздух температурой 20°С в состоянии содержать 17,3 г/м³ воды, то воздух температурой 10°С насыщен уже при 9,4 г/м³.

Зависит от исходной температуры и содержания влаги. Например, при 30 гр. по Цельсию воздух при 100% влажности (т.е. максимально возможной) может содержать около 30гр воды на кубометр. Если понизить до 15 - уже меньше (цифру сейчас не вспомню, ну, посмотрите в табличке). Влага будет конденсироваться. А если её было при 30гр. Цельсия всего граммов 5, то можно охлаждать чуть ли не до тех же 5 гр Цельсия, и она ещё не будет конденсироваться, потому что не достигла 100% влажности.

С точкой росы, тем не менее, мы сталкиваемся ежедневно. Мы поднимаем стеклянную крышку со сковородки, на которой готовим, - с крышки обильно стекает вода. В ванной комнате после принятия горячего душа обнаруживаем, что зеркало запотело. Мы входим зимой с улицы в теплый магазин - очки мгновенно запотевают. Если просто при постоянной влажности опустить температуру - та же история, конденсирование начнется прямо в воздухе, образуется любимый всеми водителями туман на трассах - в низинах и в районах водоемов.

 

Таблица 2. Физические свойства традиционного нефтяного и альтернативного топлива

Показатели

ДТ

МЭРМ

Плотность, кг/м³ при t=20^оС

Кинематическая вязкость, мм²/с при t=20^оС

3,8

8,0

Поверхностное натяжение, Н/м при t=20^оС

27·10^-3

31.4·10^-3

Цетановое число, не менее

Температура, ^оС

 

 

воспламенения (не менее)

замерзания (не больше)

-10

-8

Испытание на медную пластину

выдерживает

выдерживает

Содержание в %

 

 

серы, не более

0,2

0,02

золы, не более

0,02

0,02

воды

отсутствует

отсутствует

Суммарное содержание глицерина,% (мах)

-

0,3

Теплота сгорания топлива низшая МДж/кг

42,5

37,5

 

 

Удельная теплота сгорания веществ в воздухе, Дж/кг

Водород

120.9·106 [1]

Метан

50.1·106 [1]

Этилен

48.0·106 [1]

Пропан

47.54·106 [1]

Бензин

44·106 [2], 42·106 [3]

Дизельное топливо

42.7·106 [3]

Нефть

41·106 [3]

Керосин

40,8·106 [3]

Мазут

39.2·106 [2]

Бытовой газ

31.8·106 [1]

Древесный уголь

31·106 [3]

Условное топливо

29.308·106 (7000 ккал/кг)[2]

Спирт этиловый

30·106 [4]

Метанол

22.7·106 [3]

Алюминий

6.7·106 [3]

Каменный уголь

22·107 [2], 29,3·106 [3]

Бурый уголь

15·106 [2], 14,7·106 [3]

Дрова (березовые, сосновые)

10.2·106 [2]

Щепа (опил)

9.7·106 [2]

Торф

8.1·106 [2], 15·106 [3]

[4]

Порох

3.8·106 [5]

Попутный нефтяной газ

Основными путями утилизации ПНГ являются переработка на ГПЗ, генерация электроэнергии, сжигание на собственные нужды, закачка обратно в пласт для интенсификации нефтеотдачи (поддержание пластового давления), закачка в добывающие скважины — использование «газлифта».

В России до сих пор значительная часть попутного нефтяного газа в связи со сложностями по его сбору и утилизации сжигается в факелах прямо на месторождениях.

Попутный нефтяной газ (ПНГ) — смесь различных газообразных углеводородов, растворенных в нефти; они выделяются в процессе добычи и перегонки (это так называемые попутные газы, главным образом состоят из пропана и изомеров бутана). К нефтяным газам также относят газы крекинга нефти, состоящие из предельных и непредельных (этилена, ацетилена) углеводородов. Нефтяные газы применяют как топливо и для получения различных химических веществ. Из нефтяных газов путем химической переработки получают пропилен, бутилены, бутадиен и др., которые используют в производстве пластмасс и каучуков.

Приблизительный состав ПНГ

Компоненты газа

Объемная доля, %

Метан

(CH4)

Этан

(C2H6)

Пропан

(C3H8)

Изо-бутан

(i-C4H10)

2.5

Н-бутан

(n-C4H10)

1.5

Азот

(N2)

Углекислый газ

(CO2)

0.15

Другие

-

2.85

 

Вид энергоносителя

Теплотворная способность

Объёмная
плотность вещества
(ρ=m/V)

Цена за единицу
условного топлива

Коэффициент
полезного действия
(КПД) системы
отопления, %

Цена за
1 кВт·ч

Реализуемые системы

МДж

кВт·ч

(1Мдж=0.278кВт·ч)

Электричество

-

1,0 кВт·ч

-

3,70р. за кВт·ч

98%

3,78р.

Отопление, горячее водоснабжение (ГВС), кондиционирование, приготовление пищи

Метан
(CH4, температура
кипения: -161,6 °C)

39,8 МДж/м³

11,1 кВт·ч/м³

0,72 кг/м³

5,20р. за м³

94%

0,50р.

Отопление, горячее водоснабжение (ГВС), приготовления пищи, резервное и постоянное электроснабжение, автономный септик (канализация), уличные инфракрасные обогреватели, уличные барбекю, камины, бани, дизайнерское освещение

Пропан
(C3H8, температура
кипения: -42.1 °C)

46,34
МДж/кг

23,63
МДж/л

12,88
кВт·ч/кг

6,57
кВт·ч/л

0,51 кг/л

18,00р. за л

94%

2,91р.

Отопление, горячее водоснабжение (ГВС), приготовления пищи, резервное и постоянное электроснабжение, автономный септик (канализация), уличные инфракрасные обогреватели, уличные барбекю, камины, бани, дизайнерское освещение

Бутан
C4H10, температура
кипения: -0,5 °C)

47,20
МДж/кг

27,38
МДж/л

13,12
кВт·ч/кг

7,61
кВт·ч/л

0,58 кг/л

14,50р. за л

94%

2,03р.

Отопление, горячее водоснабжение (ГВС), приготовления пищи, резервное и постоянное электроснабжение, автономный септик (канализация), уличные инфракрасные обогреватели, уличные барбекю, камины, бани, дизайнерское освещение

Пропан-бутан
(СУГ - сжиженный
углеводородный газ)

46,8
МДж/кг

25,3
МДж/л

13,0
кВт·ч/кг

7,0
кВт·ч/л

0,54 кг/л

16,50р. за л

94%

2,50р.

Отопление, горячее водоснабжение (ГВС), приготовления пищи, резервное и постоянное электроснабжение, автономный септик (канализация), уличные инфракрасные обогреватели, уличные барбекю, камины, бани, дизайнерское освещение

Дизельное топливо

42,7
МДж/кг

11,9
МДж/л

0,85 кг/л

30,00р. за кг

92%

2,75р.

Отопление (нагрев воды и выработка электричества – очень затратны)

Дрова
(берёзовые,влажность - 12%)

15,0
МДж/кг

4,2
МДж/л

0,47-0,72 кг/дм³

3,00р. за кг

90%

0,80р.

Отопление (неудобно готовить пищу, практически невозможно получать горячую воду)

Каменный уголь

22,0
МДж/кг

6,1
МДж/л

1200-1500 кг/дм³

7,70р. за кг

90%

0,40р.

Отопление

МАРР газ (смесь сжиженного нефтяного газа - 56% с метилацетилен-пропадиеном - 44%)

89,6
МДж/кг

24,9
кВт·ч/м³

0,1137 кг/дм³

-р. за м³

0%

#ДЕЛ/0!

Отопление, горячее водоснабжение (ГВС), приготовления пищи, резервное и постоянное электроснабжение, автономный септик (канализация), уличные инфракрасные обогреватели, уличные барбекю, камины, бани, дизайнерское освещение

 

 

Требования к бензинам

Характеристики автомобильного бензина

Единица измерения

класса 2

класса 3

класса 4

класса 5

Массовая доля серы, не более

мг/кг

Объемная доля бензола, не более

процентов

Концентрация железа, не более

мг/дм3

отсутствие

отсутствие

отсутствие

отсутствие

Концентрация марганца, не более

мг/дм3

отсутствие

отсутствие

отсутствие

отсутствие

Концентрация свинца, не более

мг/дм3

отсутствие

отсутствие

отсутствие

отсутствие

Массовая доля кислорода, не более

процентов

-

2,7

2,7

2,7

Объемная доля углеводородов, не более:

процентов

 

 

 

 

ароматических

 

-

олефиновых

 

-

Давление паров, не более:

кПа

 

 

 

 

в летний период

 

-

45 - 80

45 - 80

45 - 80

в зимний период

 

-

50 - 100

50 - 100

50 - 100

Объемная доля оксигенатов, не более:

процентов

 

 

 

 

метанола

 

-

отсутствие

отсутствие

отсутствие

этанола

 

-

изопропанола

 

-

третбутанола

 

-

изобутанола

 

-

эфиров, содержащих 5 или более атомов углерода в молекуле

 

-

других оксигенатов (с температурой конца кипения не выше 210 градусов Цельсия)

 

-

Объемная доля монометиланилина, не более:

процентов

1,3

отсутствие

 

Нормы и требования к качеству автомобильных бензинов по ГОСТ Р 51105-97

Характеристики автомобильного бензина

Единица измерения

класса 2

класса 3

класса 4

класса 5

Массовая доля серы, не более

мг/кг

Объемная доля бензола, не более

процентов

Концентрация железа, не более

мг/дм3

отсутствие

отсутствие

отсутствие

отсутствие

Концентрация марганца, не более

мг/дм3

отсутствие

отсутствие

отсутствие

отсутствие

Концентрация свинца, не более

мг/дм3

отсутствие

отсутствие

отсутствие

отсутствие

Массовая доля кислорода, не более

процентов

-

2,7

2,7

2,7

Объемная доля углеводородов, не более:

процентов

 

 

 

 

ароматических

 

-

олефиновых

 

-

Давление паров, не более:

кПа

 

 

 

 

в летний период

 

-

45 - 80

45 - 80

45 - 80

в зимний период

 

-

50 - 100

50 - 100

50 - 100

Объемная доля оксигенатов, не более:

процентов

 

 

 

 

метанола

 

-

отсутствие

отсутствие

отсутствие

этанола

 

-

изопропанола

 

-

третбутанола

 

-

изобутанола

 

-

эфиров, содержащих 5 или более атомов углерода в молекуле

 

-

других оксигенатов (с температурой конца кипения не выше 210 градусов Цельсия)

 

-

Объемная доля монометиланилина, не более:

процентов

1,3

отсутствие

 

Нормы и требования к качеству автомобильных бензинов по ГОСТ Р 51105-97

Показатели

Нормаль-80

Регуляр-91

Премиум-95

Супер-98

 Октановое число, не менее: моторный метод

76,0

82,5

85,0

88,0

 Октановое число, не менее: исследовательский метод

80,0

91,0

95,0

98,0

Содержание свинца, г/дм3, не более

0,010

0,010

0,010

0,010

Содержание марганца, мг/дм3, не более

-

-

Содержание фактических смол, мг /100 см3, не более

5,0

5,0

5,0

5,0

Индукционный период бензина, мин, не менее

Массовая доля серы, %, не более

0,05

0,05

0,05

0,05

Объемная доля бензола, %, не более

Испытание на медной пластине

Выдерживает, класс 1

Выдерживает, класс 1

Выдерживает, класс 1

Выдерживает, класс 1

Внешний вид

Чистый, прозрачный

Чистый, прозрачный

Чистый, прозрачный

Чистый, прозрачный

Плотность при 15 °С, кг/м3

700-750

725-780

725-780

725-780

 

Физические свойства водорода как топлива

Характеристика

Значение

Плотность, кг/м3

жидкий

70.8

газообразный

0.0899

Температура кипения, 0С

-253

Температура застывания (кристаллизации), 0С

-259

Температура воспламенения, 0С

500-510

Стехиометрическое количество воздуха требующееся для полного сгорания, кг/кг

34,8

 

Характеристика

Значение

Теплота сгорания низшая, МДж/кг

Теплота парообразования, кДж/кг

Теплота сгорания стехиометрической смеси (объемная теплопроизводительность), МДж/м3

3,0

Коэффициент диффузии в воздухе м2/с

0.66*10^-4

Максимальная температура пламени при α=1 , 0С

Энергия воспламенения, кДж

Теплоемкость, кДж/(кг*град)

14,2

Октановое число по моторному методу

Цетановое число

45-90

 

 

Свойство

Смесь (пропан+бутан)

Метан

Химическая формула

C₃H₈+C₄H₁₀

CH₄

Удельный вес газовой фазы (плотность), кг/м³

2.4

0.73

Относительный удельный вес (плотность по воздуху), кг/м³

2.0
(в два раза тяжелее воздуха)

0.5
(в два раза легче воздуха)

Удельный вес жидкой фазы, кг/л

0.5
(в два раза легче воды)

-

Температура кипения, °C

-

-162

Температура воспламенения, °C

Теплота сгорания, Ккал/м

22.000

8 500

Жаропроизводительность, °C

2 100

2 000

Пределы взрываемости (верхний .. нижний), % газа в воздухе по объему

2-10

5-15

Необходимое количество воздуха для сгорания газа, м³

Скорость распространения пламени, мсек

0.82

0.67

 

 

 

 

Показатель

Бензин

Сжиженный
нефтяной газ

Сжиженный
природный газ

Октановое число

76...98

102...112

110...125

Теплота сгорания, низшая, кДж/кг

Стехиометрическое отношение, кг воздуха/кг топлива

 

Физико-химические свойства метанола

Характеристика

Показатель

Плотность при 20 0С, кг/м3

Вязкость при 20 0С, мм2/с

0,55

Температура застывания(кристаллизации), 0С

-98

Температура кипения, 0С

Температура самовоспламенения, 0С

Температура вспышки, 0С

Октановое число (исследовательский метод), ед.

104-115

Отношение С/Н

 

Характеристика

Показатель

Теплота сгорания низшая, МДж/кг

Теплота парообразования кДж/кг

Теплота сгорания стехиометрической смеси(объемная теплопроизводительность), МДж/м3

3,6

Массовая теплопроизводительность МДж/кг

2,6

Теплоемкость при 20 0С, кДж/(кг*град.)

2,5

Стехиометрическое количество воздуха требующееся для полного сгорания топлива, кг/кг

6,5

Максимальная температура пламени при α=1, 0С

Предельно допустимая концентрация паров в воздухе рабочей зоны(ПДКрз), мг/м3

 

Топливо

Плотность
энергии

смесь воздуха
с топливом

Удельная
энергия
смеси воздуха
с топливом

Удельная теплота
испарения

Октановое число (RON)

Октановое число (MON)

бензин

32 МДж/л

14.6

2.9 МДж/кг воздух

0.36 МДж/кг

91-99

81-89

Бутиловый спирт

29.2 МДж/л

11.1

3.2 МДж/кг воздух

0.43 МДж/кг

этанол

19.6 МДж/л

9.0

3.0 МДж/кг воздух

0.92 МДж/кг

Метанол

16 МДж/л

6.4

3.1 МДж/кг воздух

1.2 МДж/кг

 

Сравнительная оценка ОГ на различных видах топлива.