Теплота сгорания топлива

Для получения тепловой энергии и ее возможного дальнейшего превращения в механическую и электрическую энергию люди сжигают органическое топливо в энергетических котлах, промыш­ленных печах и транспортных двигателях.

Теплота сгорания топлива — это количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м3 газообразного топлива. Часто теплоту сгорания называют также теплотворной способностью топлива.

На практике теплота сгорания чаще всего определяется экспериментальным путем. Для топлива известного химического состава можно приближенно определить теоретически по формулам, та­ким, например, как известная формула Менделеева.

Высшая теплота сгорания топлива — это максимальное количество теплоты, которое можно по­лучить в результате химической реакции горения топлива.

Низшая теплота сгорания топлива отличается от высшей на то количество тепла, которое за­трачивается на испарение воды, содержащейся в топливе, а также образующейся в результате химической реакции горения топлива.

Если мы сжигаем абсолютно сухой уголь, который по химическому составу представляет собой углерод, то значения низшей и высшей теплоты сгорания будут совпадать.

Однако, если мы будем сжигать сухой природный газ, состоящий, в основном из метана, то вода образуется в результате химической реакции.

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О.

На испарение этой воды требуется определенное количество теплоты и высшая теплота сгорания не будет равна низшей.

Поскольку теплота, затраченная на испарение влаги чаще всего удаляется из энергетических ус­тановок в виде паров с дымовыми газами, то она редко полезно используется на практике. Поэто­му в теплотехнических расчетах теплоты, получаемой при сжигании топлива используется низшая теплотворная способность топлива.

Условное топливо

Для сопоставления энергетической ценности различных видов топлива и его суммарного учета введено понятие условного топлива. В качестве единицы условного топлива принимается топли­во, которое имеет низшую теплоту сгорания, равную 7000 ккал/кг (29,33 МДж/кг).

Введение понятия условного топлива позволяет, например, сопоставить энергетические затраты двух различных регионов страны, не уточняя какое количество тех или иных конкретных видов то­плива сжигается в этих регионах.

Этот способ применим и для перевода тепловой и электрической энергии в условное топливо. Так как 1 Гкал равна 1000 тыс. ккал, а 1 т у. т. имеет теплотворную способность 7000 тыс. ккал, то 1

Гкал эквивалентна 0,143 т у. т. Экономию энергии также удобно представлять в тоннах условного топлива (т. у.т.).

Зная теплотворную способность любого вида топлива, можно определить его эквивалент в услов­ном топливе.

1 т. у.т. эквивалентна: 1,2-1,8 тонн каменного угля

1,8-3,2 тонны бурого угля 0,7 — 0,75 тонны мазута 0,8 — 0,9 куб. м. природного газа. Надеемся, читателю понятно, что разброс цифр связан с тем, что различные марки угля, мазута и других топлив имеют различную низшую теплоту сгорания.

Нефтяной эквивалент

Другой универсальной мерой потребления топлива и энергии, является нефтяной эквивалент. Это понятие чаще встречается в зарубежной литературе. Различные марки нефти имеют различный химический состав, а следовательно и различную теплотворную способность, что во многом опре­деляет их цену на мировых рынках энергоносителей. В среднем, 1 тонна нефти имеет теплотвор­ную способность 11000 тыс. ккал, и она эквивалентна 1,57 тонн условного топлива (т у. т.). Зная эту цифру легко выразить любое количество другого топлива в нефтяном эквиваленте. Например 1000 куб. м. природного газа с низшей теплотворной способностью 8400 тыс. ккал эквивалентна 0,76 т в нефтяном эквиваленте.

Первичное условное топливо

При использовании в понятия условного топлива для оценки полученной тепловой и электриче­ской энергии мы не учитываем того обстоятельства, что коэффициент полезного действия энерге­тических установок всегда меньше 100%, т. е. при преобразовании топлива в тепловую и электри­ческую энергию мы теряем существенную часть получаемой при его сжигании теплоты. Кроме то­го, при добыче топлива, его транспортировке потребителю, его подготовке или переработке мы должны также использовать энергию.

Учесть эти обстоятельства при анализе энергопотребления позволяет введение другой единицы — 1 тонны первичного условного топлива.

Что дает эта единица измерения? Представим себе, что мы рассматриваем энергопотребление конкретного промышленного предприятия. Нам известно количество использованной электриче­ской энергии, тепловой энергии в виде пара и горячей воды, поступающих на предприятие от внешних источников тепло и электроснабжения, а также количество различных видов топлива, сжигаемых в котельных и печах непосредственно на предприятии.

Путем перевода всех составляющих энергопотребления предприятия в первичное условное топ­ливо, мы можем определить фактические затраты топлива для обеспечения работы предприятия. Мы можем сопоставить фактические энергетические затраты предприятий имеющих различные источники энергоснабжения и различную структуры потребления энергии.

Пересчет различных видов энергоресурсов в первичное условное топливо.

(по книге: Исакович Г. А., Слуцкий Ю. Б.Экономия топливно-энергетических ресурсов в строительстве. — М.: Стройиздат, 1988. -214 с. -(Экономия топлива и электроэнергии).)

Топливо. На добычу 1 т нефти всеми способами расходуется в настоящее время 80,8 кВт-ч элек­троэнергии, 0,225 Гкал тепловой энергии и 74,3 кг у. т. котельно-печного топлива. В пересчете на условное топливо в целом расход ТЭР на добычу 1 т нефти составляет 154,5 кг у. т. Расчеты пока­зали, что для получения 1 т у. т. мазута на все перечисленные нужды необходимо израсходовать 107 кг у. т., т. е. для полезного использования 1 т у. т. мазута необходимо добыть 1,107 т у. т., или в расчете на 1 т мазута -1,46 т у. т.

На добычу 1 тыс. м куб. газа в среднем по стране расходуется 0,6 кВт-ч электроэнергии, 0,0057 Гкал тепловой энергии и 5,5 кг у. т. котельно-печного топлива. В пересчете на условное топливо на добычу 1 тыс. м куб. газа затрачивается 7 кг у. т. На переработку 1 тыс. м куб. газа расход ТЭР со­ставляет 16,9 кг у. т., в том числе электроэнергии 14,5 кВт-ч тепловой энергии 0,023 Гкал и котель — но-печного топлива 6,5 кг у. т. Энергоемким процессом является транспортирование газа. Всего же суммарная величина затрачиваемых ТЭР на добычу, транспортирование и переработку 1 т у. т. природного газа составляет 167 кг у. т. Это означает, что для полезного использования 1 т у. т. газа необходимо добыть 1,167 т у. т., или в расчете на 1 тыс. м куб. природного газа — 1,35 т у. т. При использовании угля в качестве котельно-печного топлива наибольшие энергозатраты расхо­дуются на его добычу: электроэнергии — 32,4 кВт-ч, тепловой энергии — 0,0265 Гкал и котельно — печного топлива — 26,5 кг в расчете на 1 т угля. Кроме того, энергозатраты расходуются при обо­гащении угля, а также при его транспортировании железнодорожным, автомобильным и речным транспортом. Суммарный расход первичного топлива на все перечисленные нужды составляет 65 кг у. т. на 1 т у. т. угля энергетического, т. е. для использования 1 т у. т. угля в качестве котельно — печного топлива необходимо добыть 1,065 т у. т., или в расчете на 1 т угля энергетического (с ка­лорийностью 4400 тыс. ккал) — 0,655 т у. т.

Таким образом, коэффициенты пересчета потребленного котельно-печного топлива в первичное составляют: для 1 т у. т. мазута — 1,107;

Для 1 т у. т. газа — 1,167; для 1 т у. т. энергетического — 1,065 т у. т. В 1985 г. для полезного потребления 1 т у. т. котельно-печного топлива необходимо было добыть 1,134 т у. т. первичных энергоресурсов, т. е. усредненный коэффициент пересчета равен 1,134.

Тепловая энергия. В 1985 г. на долю ТЭЦ и крупных котельных мощностью более 50 Гкал/ч при­ходилось более 50% выработки тепловой энергии. В настоящее время коэффициент полезного действия ТЭЦ составляет: ТЭЦ = 0,82 г 0,88 — на твердом топливе; ТЭЦ = 0,88 г 0,92 — на жидком топливе. КПД соответственно районных и местных котельных составляет:

Для районных: к. р. = 0,75 г 0,80 — на твердом топливе;

К. р. = 0,80 г 0,85 — на газе и жидком топливе

Для местных к. м. = 0,50 г 0,55 — на твердом топливе;

К. м. = 0,60 г 0,70 — на газе и жидком топливе. Потери тепла в сетях при раздаче энергии определяются на основе показателей КПД сетей, вели­чина которых в настоящее время составляет:

КПД тепловых сетей от ТЭЦ — 0,9 г 0,95; КПД тепловых сетей от районных котельных — 0,92 г 0,96; КПД тепловых сетей от местных квартальных котельных — 0,98 г 0,99. Усредненный коэффициент полезного действия систем теплоснабжения, учитывающий сложив­шуюся структуру генераторов тепла (ТЭЦ, котельных и т. д.), а также виды применяемого топлива, равен:

0,819 х 0,36 + 0,775 х 0,18 + 0,615 х 0,24 + 0,55 х 0,22 = 0,704

Средний по СНГ расход первичного условного топлива на выработку тепловой энергии и доставку ее потребителю с учетом усредненного КПД систем теплоснабжения, а также с учетом расхода топлива на его добычу, переработку и транспортирование составляет

1х 10(1 + 0,134)

Р =——— і—— :—— ‘- = 0,230 п п. у.т,

7 х 10 х 0,704

Где 1х10 — количество ккал в Гкал; 0,134 — коэффициент, учитывающий расход первичного услов­ного топлива, необходимого для добычи, переработки и транспортирования 1 т условного топлива до места его потребления; 7×10 — количество ккал в 1 т у. т.; 0,704 — расчетный усредненный по стране коэффициент полезного действия систем теплоснабжения.

Таким образом, коэффициент пересчета 1 Гкал тепловой энергии в условное топливо в настоящее время равен 0,230 т п. у.т., т. е. для того, чтобы можно было использовать у потребителя 1 Гкал те­пловой энергии, необходимо добыть 230 кг п. у.т.

Следует отметить, что при этом расчете не учитывается использование вторичных энергоресурсов для получения тепловой энергии. С учетом этого фактора коэффициент пересчета 1 Гкал тепло­вой энергии в первичное топливо будет ниже. Так как уровни использования вторичных энергоре­сурсов в отраслях народного хозяйства резко отличаются, то фактические коэффициенты пере­счета тепловой энергии в первичное топливо также будут отличны. Расчеты показали, что в 1985 г. коэффициенты были равны:

В среднем по промышленности (централизованные источники теплоснабжения — ТЭЦ и круп­ные котельные) — 1 Гкал тепловой энергии — 0,176 т у. т. в том числе:

Черная металлургия — 0,124 т у. т. цветная металлургия — 0,169 т у. т. химическая промышленность — 0,150 т у. т. машиностроение — 0,190 т у. т.

Остальные отрасли промышленности — транспорт, связь — 0,191 т у. т. при производстве тепловой энергии в местных котельных и печах — 1 Гкал — 0,237 т у. т. при производстве тепловой энергии для использования ее в коммунально-бытовом секторе 1 Гкал — 0,199 т у. т.

Электроэнергия. При определении расхода первичных топливно-энергетических ресурсов, необ­ходимого для производства электроэнергии, может быть рассмотрено два случая. В первом можно определять расход первичного органического топлива на выработку электроэнергии. При этом, чем выше доля энергии, вырабатываемой на гидростанциях, тем ниже удельный расход потреб­ляемого органического топлива. В 1986 г. он был равен:

326,2 X (1 + 0,134) x 0,75 x 1,094 = 304 г у. т./кВт-ч,

Где 326,2 — средний расход условного топлива, необходимый для 1 кВт-час электроэнергии на электростанциях общего пользования, г; 0,134 — коэффициент, учитывающий расход первичного условного топлива, необходимого для добычи, переработки и транспортирования1 т условного то­плива до электростанции; 0,75 — удельный вес электроэнергии, вырабатываемой на тепловых электростанциях общего пользования; 1,094 — коэффициент, учитывающий потери энергии в сетях общего пользования.

Во втором случае эти затраты оцениваются.

Усредненный расход топливно-энергетических ресурсов (а не первичного топлива), необходимый для выработки 1 кВт ч энергии, равен:

326,2 X (1 + 0,134)X 0,75 x 1,094 +123 x 0,25 x 1,094 = 337,6 г у. т.,

Где 0,25 — удельный вес электроэнергии, выработанной на гидроэлектростанциях и атомных стан­циях в 1985 г.; 123 — эквивалент для пересчета в условное топливо 1 кВт-ч энергии, выработанной на гидроэлектростанциях и атомных станциях.

При втором методе, а он наиболее распространен, принимается условно, что для производства электроэнергии и на атомных станциях, и на гидроэлектростанциях требуется такое же количество топливно-энергетических ресурсов, как и на тепловых, то есть расчет ведется по замещаемому топливу. В этом случае усредненный расход ТЭР, необходимый для выработки 1 кВт ч энергии будет равен 326,2 x (1 + 0,134) x 1,094 = 389 г у. т.

Коэффициенты пересчета различных видов топлива и энергии в первичное условное топливо можно найти в справочном материале к данному пособию.