Содержание
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР
ГАЗЫ ГОРЮЧИЕ ПРИРОДНЫЕ
РАСЧЕТНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ,
ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ И ЧИСЛА ВОББЕ
ИПК ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР
Расчетный метод определения теплоты сгорания, относительной плотности и числа Воббе
Combustible natural gases. Calculation method for determination of calorific value, specific gravity and Wobbe index
Взамен ГОСТ 22667-77
* Переиздание (май 1997 г.) с Изменением № 1, утвержденным в августе 1992 г. (ИУС 11-92)
Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 23 августа 1982 г. № 3333 срок введения установлен
Ограничение срока действия снято по решению Межгосударственного Совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 4-94)
Настоящий стандарт устанавливает методы расчета высшей и низшей теплоты сгорания, относительной плотности и числа Воббе сухих природных углеводородных газов по компонентному составу и известным физическим величинам чистых компонентов.
Стандарт не распространяется на газы, в которых фракция углеводородов С6+высшие превышает 0,1 %.
(Измененная редакция, Изм. № 1).
1.1 . Теплоту сгорания газа объемную (высшую или низшую) вычисляют по компонентному составу и теплоте сгорания отдельных компонентов газа.
1.2 . Компонентный состав газа определяют хроматографическим методом по ГОСТ 23781-87 методом абсолютной калибровки. Определяют все компоненты, объемная доля которых превышает 0,005 %, кроме метана, содержание которого рассчитывают по разности 100 % и суммы всех компонентов.
1.1 , 1.2. (Измененная редакция, Изм. № 1).
1.3 . Теплоту сгорания ( Q ) высшую ( Q в ) или низшую (Qн) в МДж/м 3 (ккал/м 3 ) вычисляют по формуле
где Qi — теплота сгорания газа (высшая или низшая) i-го компонента газа (обязательное приложение);
Сi — доля i-го компонента в газе.
2.1 . Относительную плотность ( d ) вычисляют по формуле
где di — относительная плотность i-го компонента газа (обязательное приложение).
3.1 . Число Воббе ( W ) (низшее или высшее) в МДж/м 3 (ккал/м 3 ) вычисляют по формуле
4.1 . При расчетах допускается не учитывать теплоту сгорания и относительную плотность компонентов газа, значения которых менее 0,005 МДж/м 3 (1 ккал/м 3 ) и 0,0001 соответственно.
4.2 . Значение теплоты сгорания компонентов округляют до 0,005 МДж/м 3 (1 ккал/м 3 ), конечный результат округляют до 0,05 МДж/м 3 (10 ккал/м 3 ).
4.3 . Значение относительной плотности компонентов округляют до 0,0001, конечный результат — до 0,001 единиц относительной плотности.
4.4 . При записи результатов определения необходимо указывать температурные условия (20 или 0 °С).
Теплота сгорания газа, рассчитанная из последовательно выполненных двух анализов одного образца газа одним исполнителем, с использованием одного и того же метода и прибора, признается достоверной (с 95 %-ной доверительной вероятностью), если расхождение между ними не превышает 0,1 %.
Высшая и низшая теплота сгорания и относительная плотность * компонентов сухого природного газа при 0 °С и 101,325 кПа **
Химические реакции сопровождаются поглощением или выделением энергии, в частности тепла. реакции, сопровождающиеся поглощением тепла, а также образующиеся при этом соединения называются эндотермическими. При эндотермических реакциях нагрев реагирующих веществ необходим не только для возникновения реакции, но и в течение всего времени их протекания. Без нагревания извне эндотермическая реакция прекращается.
реакции, сопровождающиеся выделением тепла, а также образующиеся при этом соединения называются экзотермическими. Все реакции горения относятся к экзотермическим. Вследствие выделения тепла они, возникнув в одной точке, способны распространяться на всю массу реагирующих веществ.
Количество тепла, выделяемое при полном сгорании вещества и отнесенное к одному молю, единице массы (кг, г) или объема (м 3 ) горючего вещества называется теплотой сгорания. Теплоту сгорания можно вычислить по табличным данным, пользуясь законом Гесса. Русский химик Г.Г. Гесс в 1840 г. открыл закон, который является частным случаем закона сохранения энергии. Закон Гесса состоит в следующем: тепловой эффект химического превращения не зависит от пути, по которому реакция протекает, а зависит лишь от начального и конечного состояний системы при условии, что температура и давление (или объем) в начале и в конце реакции одинаковы.
Рассмотрим это на примере вычисления теплоты сгорания метана. Метан можно получить из 1 моля углерода и 2 молей водорода. При сжигании метана получаются 2 моля воды и 1 моля диоксида углерода.
Те же продукты образуются при сгорании водорода и углерода. При этих реакциях общее количество выделяющегося тепла равно 963,5 кДж.
Поскольку начальные и конечные продукты в обоих случаях одинаковы, их общие тепловые эффекты должны быть равны согласно закону Гесса, т.е.
Следовательно, теплота сгорания метана будет равна
Qгор = 963,5 — 74,8 = 888,7 кДж/моль.
Таким образом, теплота сгорания химического соединения (или их смеси) равна разности между суммой теплот образования продуктов сгорания и теплотой образования сгоревшего химического соединения (или веществ, составляющих горючую смесь). Следовательно, для определения теплоты сгорания химических соединений необходимо знать теплоту их образования и теплоту образования продуктов, получающихся после сгорания.
Ниже приведены значения теплот образования некоторых химических соединений:
Оксид углерода CO ………….
Диоксид углерода CO2 ………
Пример 1.5.Определить температуру сгорания этана, если теплота его образования Q1 = 88,4 кДж. Напишем уравнение горения этана.
Для определения Qгор необходимо знать теплоты образования продуктов сгорания. теплота образования диоксида углерода 396,9 кДж, а воды 286,6 кДж. Следовательно, Q будет равно
а теплота сгорания этана
Теплоту сгорания экспериментально определяют в калориметрической бомбе и газовом калориметре. Различают высшую и низшую теплоты сгорания. Высшей теплотой сгорания Qв называют количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 кг или 1 м 3 горючего вещества при условии, что содержащийся в нем водород сгорает с образованием жидкой воды. Низшей теплотой сгорания Qн называют количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 кг или 1 м 3 горючего вещества при условии сгорания водорода до образования водяного пара и испарении влаги горючего вещества.
Высшую и низшую теплоты сгорания твердых и жидких горючих веществ можно определить по формулам Д.И. Менделеева:
где Qв, Qн — высшая и низшая теплоты сгорания, кДж/кг; W – содержание в горючем веществе углерода, водорода, кислорода, горючей серы и влаги, %.
Пример 1.6. Определить низшую температуру сгорания сернистого мазута, состоящего из 82,5 % С, 10,65 % Н, 3,1 % S и 0,5 % О; А (зола) = 0,25 %, W = 3 %. Используя уравнение Д.И. Менделеева (1.13), получаем
Низшую теплоту сгорания 1 м 3 сухих газов можно определить по уравнению
Низшая теплота сгорания некоторых горючих газов и жидкостей, полученная экспериментально, приведена ниже:
Низшая теплота сгорания некоторых горючих материалов, рассчитанная по их элементному составу, имеет следующие значения:
в конструкциях зданий…
Существует нижний предел теплоты сгорания, ниже которого вещества становятся не способными к горению в атмосфере воздуха.
Практически в процессе горения, особенно на пожарах, указанная в таблицах теплота сгорания полностью не выделяется, так как горение сопровождается недожогом. Известно, что нефтепродукты, а также бензол, толуол, ацетилен, т.е. вещества, богатые
углеродом, горят на пожарах с образованием значительного количества сажи. Сажа (углерод) способна гореть и выделять тепло. Если при горении она образуется, то, следовательно, горючее вещество выделяет тепла меньше того количества, которое указано в таблицах. Для веществ, богатых углеродом, коэффициент недожога h составляет 0,8 — 0,9. Следовательно, на пожарах при горении 1 кг резины может выделиться не 33520 кДж, а только 33520´0,8 = 26816 кДж.
Размер пожара обычно характеризуется площадью пожара. Количество тепла, выделяющееся с единицы площади пожара в единицу времени, называют теплотой пожара Qп
где υм – массовая скорость выгорания, кг/(м 2 ×с).
Удельная теплота пожара при внутренних пожарах характеризует тепловую нагрузку на конструкции зданий и сооружений и используется для расчета температуры пожара.
1.6. Температура горения
Выделяющееся в зоне горения тепло воспринимается продуктами сгорания, поэтому они нагреваются до высокой температуры. Та температура, до которой в процессе горения нагреваются продукты сгорания, называется температурой горения. Различают калориметрическую, теоретическую и действительную температуры горения. Действительная температура горения для условий пожара называется температурой пожара.
Под калориметрической температурой горения понимают ту температуру, до которой нагреваются продукты полного сгорания при следующих условиях:
1) всё выделяющееся при горении тепло расходуется на нагревание продуктов сгорания (потери тепла равны нулю);
2) начальные температуры воздуха и горючего вещества равны 0 0 С;
3) количество воздуха равно теоретически необходимому (a = 1);
4) происходит полное сгорание.
Калориметрическая температура горения зависит только от состава горючего вещества и не зависит от его количества.
Теоретическая температура, в отличие от калориметрической, характеризует горение с учетом эндотермического процесса диссоциации продуктов сгорания при высокой температуре
2СО2 2СО + О2 — 566,5 кДж.
2Н 2 О2Н 2 + О 2 — 478,5 кДж.
Практически диссоциацию продуктов сгорания необходимо учитывать только при температуре выше 1700 0 С. При диффузионном горении веществ в условиях пожара действительные температуры горения не достигают таких значений, поэтому для оценки условий пожара используют только калориметрическую температуру горения и температуру пожара. Различают температуру внутреннего и наружного пожара. Температура внутреннего пожара – это средняя температура дыма в помещении, где происходит пожар. Температура наружного пожара – температура пламени.
При расчете калориметрической температуры горения и температуры внутреннего пожара исходят из того, что низшая теплота сгорания Qн горючего вещества равна энергии qг, необходимой для нагревания продуктов сгорания от 0 0 С до калориметрической температуры горения
Величину qг назовем условно теплосодержанием продуктов сгорания
qг = ,
где — объем продуктов сгорания, м 3 /кг, С / — средняя объемная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(м 3 ?К), tг – температура горения, 0 С.
Поскольку продукты сгорания состоят из нескольких газообразных веществ, теплоемкость которых различна, суммарное теплосодержание их может быть выражено следующим образом:
,
где , , — объем компонентов продуктов сгорания , м 3 /кг; , , — теплоемкость компонентов продуктов сгорания (теплоемкость СО2 принимается для смеси СО2 и SО2), кДж/(м 3 ?К).
В действительности не вся теплота, выделяющаяся при горении в условиях пожара, расходуется на нагревание продуктов сгорания. Большая часть её расходуется на нагревание конструкций, подготовку горючих веществ к горению, нагревание избыточного воздуха и др. Поэтому температура внутреннего пожара значительно ниже калориметрической. Методика расчета температуры горения предполагает, что весь объем продуктов сгорания нагрет до одной и той же температуры. В действительности температура в различных точках очага горения неодинакова. Наиболее высокой является температура в области пространства, где протекает реакция горения, т.е. в зоне горения (пламени). Значительно ниже температура в местах, где находятся горючие пары и газы, выделившиеся из горящего вещества и продуктов сгорания, смешавшихся с избытком воздуха.
Чтобы судить о характере изменения температуры при пожаре в зависимости от различных условий горения, введено понятие среднеобъемной температуры пожара, под которой понимают среднее значение из величины температур, измеренных термометрами в различных точках внутреннего пожара. Эта температура определяется из опыта.
Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00
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.