Содержание
- 1 Удельная теплота сгорания твердого топлива (угля, дров, торфа, кокса)
- 2 Удельная теплота сгорания жидкого топлива (спирта, бензина, керосина, нефти)
- 3 Удельная теплота сгорания газообразного топлива и горючих газов
- 4 Удельная теплота сгорания некоторых горючих материалов
- 5 Применение древесного угля
- 6 Требования к древесному углю
- 7 Древесный уголь как пользоваться
Уде́льная теплота́ сгора́ния то́плива — физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг.
Удельная теплота сгорания измеряется в Дж/кг или калория/кг (1 Дж = 0,238846 кал). Для экспериментального измерения этой величины используются методы калориметрии.
Определить удельную теплоту сгорания топлива можно по формуле
q = Q m , <displaystyle q=<frac
где q <displaystyle q> 
Чем больше удельная теплота сгорания топлива, тем меньше удельный расход топлива при той же величине коэффициента полезного действия (КПД) двигателя.
В таблицах представлена массовая удельная теплота сгорания топлива (жидкого, твердого и газообразного) и некоторых других горючих материалов. Рассмотрено такое топливо, как: уголь, дрова, кокс, торф, керосин, нефть, спирт, бензин, природный газ и т. д.
При экзотермической реакции окисления топлива его химическая энергия переходит в тепловую с выделением определенного количества теплоты. Образующуюся тепловую энергию принято называть теплотой сгорания топлива. Она зависит от его химического состава, влажности и является основным показателем топлива. Теплота сгорания топлива, отнесенная на 1 кг массы или 1 м 3 объема образует массовую или объемную удельную теплоты сгорания.
Удельной теплотой сгорания топлива называется количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы или объема твердого, жидкого или газообразного топлива. В Международной системе единиц эта величина измеряется в Дж/кг или Дж/м 3 .
Удельную теплоту сгорания топлива можно определить экспериментально или вычислить аналитически. Экспериментальные методы определения теплотворной способности основаны на практическом измерении количества теплоты, выделившейся при горении топлива, например в калориметре с термостатом и бомбой для сжигания. Для топлива с известным химическим составом удельную теплоту сгорания можно определить по формуле Менделеева.
Различают высшую и низшую удельные теплоты сгорания. Высшая теплота сгорания равна максимальному количеству теплоты, выделяемому при полном сгорании топлива, с учетом тепла затраченного на испарение влаги, содержащейся в топливе. Низшая теплота сгорания меньше значения высшей на величину теплоты конденсации водяного пара, который образуется из влаги топлива и водорода органической массы, превращающегося при горении в воду.
Для определения показателей качества топлива, а также в теплотехнических расчетах обычно используют низшую удельную теплоту сгорания, которая является важнейшей тепловой и эксплуатационной характеристикой топлива и приведена в таблицах ниже.
Удельная теплота сгорания твердого топлива (угля, дров, торфа, кокса)
В таблице представлены значения удельной теплоты сгорания сухого твердого топлива в размерности МДж/кг. Топливо в таблице расположено по названию в алфавитном порядке.
Наибольшей теплотворной способностью из рассмотренных твердых видов топлива обладает коксующийся уголь — его удельная теплота сгорания равна 36,3 МДж/кг (или в единицах СИ 36,3·10 6 Дж/кг). Кроме того высокая теплота сгорания свойственна каменному углю, антрациту, древесному углю и углю бурому.
К топливам с низкой энергоэффективностью можно отнести древесину, дрова, порох, фрезторф, горючие сланцы. Например, удельная теплота сгорания дров составляет 8,4…12,5, а пороха — всего 3,8 МДж/кг.
| Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
| Антрацит | 26,8…34,8 |
| Древесные гранулы (пиллеты) | 18,5 |
| Дрова сухие | 8,4…11 |
| Дрова березовые сухие | 12,5 |
| Кокс газовый | 26,9 |
| Кокс доменный | 30,4 |
| Полукокс | 27,3 |
| Порох | 3,8 |
| Сланец | 4,6…9 |
| Сланцы горючие | 5,9…15 |
| Твердое ракетное топливо | 4,2…10,5 |
| Торф | 16,3 |
| Торф волокнистый | 21,8 |
| Торф фрезерный | 8,1…10,5 |
| Торфяная крошка | 10,8 |
| Уголь бурый | 13…25 |
| Уголь бурый (брикеты) | 20,2 |
| Уголь бурый (пыль) | 25 |
| Уголь донецкий | 19,7…24 |
| Уголь древесный | 31,5…34,4 |
| Уголь каменный | 27 |
| Уголь коксующийся | 36,3 |
| Уголь кузнецкий | 22,8…25,1 |
| Уголь челябинский | 12,8 |
| Уголь экибастузский | 16,7 |
| Фрезторф | 8,1 |
| Шлак | 27,5 |
Удельная теплота сгорания жидкого топлива (спирта, бензина, керосина, нефти)
Приведена таблица удельной теплоты сгорания жидкого топлива и некоторых других органических жидкостей. Следует отметить, что высоким тепловыделением при сгорании отличаются такие топлива, как: бензин, авиационный керосин, дизельное топливо и нефть.
Удельная теплота сгорания спирта и ацетона существенно ниже традиционных моторных топлив. Кроме того, относительно низким значением теплоты сгорания обладает жидкое ракетное топливо и этиленгликоль — при полном сгорании 1 кг этих углеводородов выделится количество теплоты, равное 9,2 и 13,3 МДж, соответственно.
| Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
| Ацетон | 31,4 |
| Бензин А-72 (ГОСТ 2084-67) | 44,2 |
| Бензин авиационный Б-70 (ГОСТ 1012-72) | 44,1 |
| Бензин АИ-93 (ГОСТ 2084-67) | 43,6 |
| Бензол | 40,6 |
| Дизельное топливо зимнее (ГОСТ 305-73) | 43,6 |
| Дизельное топливо летнее (ГОСТ 305-73) | 43,4 |
| Жидкое ракетное топливо (керосин + жидкий кислород) | 9,2 |
| Керосин авиационный | 42,9 |
| Керосин осветительный (ГОСТ 4753-68) | 43,7 |
| Ксилол | 43,2 |
| Мазут высокосернистый | 39 |
| Мазут малосернистый | 40,5 |
| Мазут низкосернистый | 41,7 |
| Мазут сернистый | 39,6 |
| Метиловый спирт (метанол) | 21,1 |
| н-Бутиловый спирт | 36,8 |
| Нефть | 43,5…46 |
| Нефть метановая | 21,5 |
| Толуол | 40,9 |
| Уайт-спирит (ГОСТ 313452) | 44 |
| Этиленгликоль | 13,3 |
| Этиловый спирт (этанол) | 30,6 |
Удельная теплота сгорания газообразного топлива и горючих газов
Представлена таблица удельной теплоты сгорания газообразного топлива и некоторых других горючих газов в размерности МДж/кг. Из рассмотренных газов наибольшей массовой удельной теплотой сгорания отличается водород. При полном сгорании одного килограмма этого газа выделится 119,83 МДж тепла. Также высокой теплотворной способностью обладает такое топливо, как природный газ — удельная теплота сгорания природного газа равна 41…49 МДж/кг (у чистого метана 50 МДж/кг).
| Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
| 1-Бутен | 45,3 |
| Аммиак | 18,6 |
| Ацетилен | 48,3 |
| Водород | 119,83 |
| Водород, смесь с метаном (50% H2 и 50% CH4 по массе) | 85 |
| Водород, смесь с метаном и оксидом углерода (33-33-33% по массе) | 60 |
| Водород, смесь с оксидом углерода (50% H2 50% CO2 по массе) | 65 |
| Газ доменных печей | 3 |
| Газ коксовых печей | 38,5 |
| Газ сжиженный углеводородный СУГ (пропан-бутан) | 43,8 |
| Изобутан | 45,6 |
| Метан | 50 |
| н-Бутан | 45,7 |
| н-Гексан | 45,1 |
| н-Пентан | 45,4 |
| Попутный газ | 40,6…43 |
| Природный газ | 41…49 |
| Пропадиен | 46,3 |
| Пропан | 46,3 |
| Пропилен | 45,8 |
| Пропилен, смесь с водородом и окисью углерода (90%-9%-1% по массе) | 52 |
| Этан | 47,5 |
| Этилен | 47,2 |
Удельная теплота сгорания некоторых горючих материалов
Приведена таблица удельной теплоты сгорания некоторых горючих материалов (стройматериалы, древесина, бумага, пластик, солома, резина и т. д.). Следует отметить материалы с высоким тепловыделением при сгорании. К таким материалам можно отнести: каучук различных типов, пенополистирол (пенопласт), полипропилен и полиэтилен.
| Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
| Бумага | 17,6 |
| Дерматин | 21,5 |
| Древесина (бруски влажностью 14 %) | 13,8 |
| Древесина в штабелях | 16,6 |
| Древесина дубовая | 19,9 |
| Древесина еловая | 20,3 |
| Древесина зеленая | 6,3 |
| Древесина сосновая | 20,9 |
| Капрон | 31,1 |
| Карболитовые изделия | 26,9 |
| Картон | 16,5 |
| Каучук бутадиенстирольный СКС-30АР | 43,9 |
| Каучук натуральный | 44,8 |
| Каучук синтетический | 40,2 |
| Каучук СКС | 43,9 |
| Каучук хлоропреновый | 28 |
| Линолеум поливинилхлоридный | 14,3 |
| Линолеум поливинилхлоридный двухслойный | 17,9 |
| Линолеум поливинилхлоридный на войлочной основе | 16,6 |
| Линолеум поливинилхлоридный на теплой основе | 17,6 |
| Линолеум поливинилхлоридный на тканевой основе | 20,3 |
| Линолеум резиновый (релин) | 27,2 |
| Парафин твердый | 11,2 |
| Пенопласт ПХВ-1 | 19,5 |
| Пенопласт ФС-7 | 24,4 |
| Пенопласт ФФ | 31,4 |
| Пенополистирол ПСБ-С | 41,6 |
| Пенополиуретан | 24,3 |
| Плита древесноволокнистая | 20,9 |
| Поливинилхлорид (ПВХ) | 20,7 |
| Поликарбонат | 31 |
| Полипропилен | 45,7 |
| Полистирол | 39 |
| Полиэтилен высокого давления | 47 |
| Полиэтилен низкого давления | 46,7 |
| Резина | 33,5 |
| Рубероид | 29,5 |
| Сажа канальная | 28,3 |
| Сено | 16,7 |
| Солома | 17 |
| Стекло органическое (оргстекло) | 27,7 |
| Текстолит | 20,9 |
| Толь | 16 |
| Тротил | 15 |
| Хлопок | 17,5 |
| Целлюлоза | 16,4 |
| Шерсть и шерстяные волокна | 23,1 |
- Абрютин А. А. и др. Тепловой расчет котлов. Нормативный метод.
- ГОСТ 147-2013 Топливо твердое минеральное. Определение высшей теплоты сгорания и расчет низшей теплоты сгорания.
- ГОСТ 21261-91 Нефтепродукты. Метод определения высшей теплоты сгорания и вычисление низшей теплоты сгорания.
- ГОСТ 22667-82 Газы горючие природные. Расчетный метод определения теплоты сгорания, относительной плотности и числа Воббе.
- ГОСТ 31369-2008 Газ природный. Вычисление теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава.
- Земский Г. Т. Огнеопасные свойства неорганических и органических материалов: справочник М.: ВНИИПО, 2016 — 970 с.
Производство древесного угля до недавних пор наносило значительный вред окружающей среде: выделяемые при пережиге газы выбрасывались в атмосферу, загрязняя ее. Современные технологии не только устранили эту проблему, но и позволили извлекать выгоду из образуемых в процессе пережига пиролизных газов.
Суть в том, что в современных печах для получения древесного угля есть съемные реторты (емкости, куда загружаются дрова). Их через специальные отверстия устанавливаются сверху на топку. Образующиеся при пиролизе (окислении без доступа кислорода) газы через специальные отверстия отводятся и подаются в топку, где они перегорают. Таким образом получается, что «отходы производства», которые ранее буквально рассеивались в воздухе, используются для поддержания требуемой для пережига древесины температуры. Если влажность древесины невысока, этих газов достаточно для получения древесного угля, что значительно уменьшает затраты на энергоносители.
Завод по производству древесного угля. Установка со съемными ретортами
Подобная технология имеет еще один весомый плюс: реторты могут устанавливаться со сдвигом во времени, обеспечивая непрерывный процесс. Любая технология получения угля из древесины состоит из нескольких этапов: сушки, пиролиза, дожига и остывания. Если есть возможность использовать только одну емкость, то о непрерывности процесса речи быть не может: сначала в печь загружают дрова, ее растапливают, потом дрова сушатся, потом они перегорают и печь тушат, чтобы уголь остыл. Затем продукт выгребают и процесс начинается сначала. Использование съемных реторт решает проблему: пока в одной емкости дрова сушатся, в другой они окисляются, в следующей догорают. Ту реторту, в которой процесс окончен, достают, устанавливают на площадку для остывания, а на ее место загружают другую со «свежим» материалом. При этом выделяемый при пиролизе газ в одной из реторт служит основным источником энергии для переработки остальных. В видео описан один из вариантов построения процесса.
Применение древесного угля
Производство древесного угля – перспективное направление. Его потребление постоянно растет, причем он используется как на производстве, так и для бытовых целей. Применение в быту всем знакомо: приготовление пищи на мангале и в барбекю сегодня уже практически не обходится без древесного угля. Древесный уголь многие предпочитают закладывать в камины: это топливо не дымит, не выделяет газов (в частности, угарного) и имеет большую теплотворную способность.
Изготовление древесного угля — перспективное направление
В промышленности древесный уголь применяют в металлургии (в нашей стране практически не практикуется), для изготовления фильтров разного назначения. Используется он при выплавке некоторых ценных металлов, кристаллического кремния, активированного угля. Находит применение в сельском хозяйстве и в медицине.
Использовать древесный уголь можно и для отопления. Особенность его горения состоит в том, что высоких языков пламени нет. Зато есть равномерный устойчивый жар. Температура горения древесного угля зависит от нескольких факторов: от плотности (из разных сортов древесины уголь получается разной плотности), от его качества (условий выжига) и от количества кислорода, подаваемого во время горения. В обычном открытом очаге температура может колебаться от 400 о С до 900 о С, но при особых условиях можно достичь и 1200 о С (кузнечный горн). Если говорить о средних значениях, то считается что теплотворная способность древесного угля 30МДж/кг.
| Вид топлива для твердотопливного котла | Удельная теплотворная способность, МДж | Удельная теплотворная способность, кВт/ч |
| Буроугольный брикет | 21 | 5,84 |
| Необработанный бурый уголь | 14,7 | 4,09 |
| Сосновые дрова | 8,9 | 2,47 |
| Дубовые дрова | 13 | 3,61 |
| Березовые дрова | 11,7 | 3,25 |
| Каменный уголь | 29,3 | 8,14 |
| Кокс | 29 | 8,06 |
| Древесный уголь | 30-31 | 8,62 |
| Торф (сухой) | 15 | 4,17 |
Как видим из таблицы, тепла древесный уголь выделяет, по крайней мере, не меньше, чем каменный уголь и почти в два с половиной раза больше, чем самые лучшие дрова. Почему же его почти не используют для отопления? Во-первых, в нашей стране уголь древесный производится в очень малых объемах (в мире производят 9 млн. тонн в год, на долю России приходится 100 тыс. тонн) и имеет высокую цену. Если даже покупать его у производителей, то при закупке до 5 тонн просят 180 рублей за 10кг (18000 за тонну). Даже при экономном расходе получается достаточно дорого. Если вы живете в местах, где большое количество лесов, в которых всегда хватает сухостоя, то обеспечить себе некоторое количество древесного угля не очень сложно даже без оборудования. Можно воспользоваться традиционными технологиями углежжения, которые для процесса требуют только наличия металлической бочки, да и то не обязательно. Конечно, таким способом на всю зиму не запастись, но на то, чтобы засыпать какое-то количество в котел на ночь для поддержания комфортной температуры нажечь можно.
Теплота сгорания древесного угля чуть больше, чем теплота сгорания качественного каменного угля
Требования к древесному углю
Согласно ГОСТ7657 84 древесный уголь должен иметь:
- Зольность не более 3%
- Содержание летучих веществ не более 20%
Изготавливается этот вид топлива из разных пород древесины, которые делят на две группы:
- бук, береза, вяз, граб, дуб, клен, ясень.
- ива, липа, ольха, осина, тополь.
В зависимости от исходного сырья, состава и качественных показателей продукта, древесный уголь бывает марки А (из древесины первой группы) и марки Б (из смеси групп 1 и 2). Сорта и качественные характеристики приведены в таблице.
| Показатель | Норма | |||
| Марка А | Марка Б | |||
| Высший сорт | 1 сорт | 1 сорт | 2 сорт | |
| Доля золы | 2,5% | 3% | 2,5% | 3% |
| Нелетучего углерода не менее | 90% | 78% | 88% | 77% |
| Воды не более | 6% | 6% | 6% | 6% |
| Масса 1дм угля | 210гр | 210гр | Нет норматива | Нет норматива |
| Кусков менее 25мм | 5% | 5% | Нет норматива | Нет норматива |
| Кусков менее 12мм | 5% | 5% | 7% | 7% |
| Головни не более | Не допускаются | 2% | Не допускаются | 2% |
Фасуют древесный уголь обычно в мешки разного объема. Чаще это мешки бумажные двух и трехслойные, редко встречается фасовка в полиэтилен. На упаковке указывается марка, вес и объем.
Древесный уголь как пользоваться
Разжигать древесный уголь нужно без использования какой-либо химии: неприятный запах от нее останется до тех пор, пока гореть будет топливо. Потому берем кусок бумаги, комкаем, несколько тонких сухих лучинок выстраиваем вокруг бумаги «шалашиком», бумагу поджигаем, ждем, пока займутся лучины, сверху подкладываем немного сухих дров. Когда они хорошо разгорятся, можно класть древесный уголь. Причем складывать его нужно горкой. Так он разгорается лучше. Если речь идет о мангале и приготовлении пищи, то чтобы древесный уголь равномерно разгорелся, те куски, что оказались по краям горки, выкладываем наверх. Те, которые были ближе к центру, оказываются с краю. Так ждем, пока все куски не покроются белым налетом и над ними перестанут появляться языки пламени. Вот теперь можно жарить шашлык.
Как разжечь древесный уголь? При помощи бумаги и тонких щепок или…строительного фена
Есть способ разжечь древесные угли без бумаги, спичек и дров. Нужен только строительный фен и электрическая розетка. Все. Ни бумаги, ни спичек. Берете фен, включаете на максимум, направляете поток воздуха на сложенный горкой уголь. Первый уголек вспыхнет где-то через полминуты, потом займутся остальные, минут через пять будут гореть все.