Сгорание топлива — теплотворная способность и стехиометрия

Высшая и низшая теплотворная способность распространённого топлива, стехиометрия горения и соотношение воздух–топливо.

combustionfuelsheatingvalues

Обзор

Теплотворная способность (калорийность) топлива определяет количество энергии, выделяемое на единицу массы при полном сгорании. Существуют два стандартных показателя:

Высшая теплота сгорания (HHV) — также называется брутто-калорийность, включает скрытую теплоту, восстанавливаемую при конденсации водяного пара в продуктах сгорания обратно в жидкость.
Низшая теплота сгорания (LHV) — также называется нетто-калорийность, предполагает, что вода остаётся в виде пара в выхлопных газах; это более значимый показатель для большинства реальных устройств сжигания топлива.

Разница между HHV и LHV зависит от содержания водорода в топливе, поскольку при сгорании водорода образуется вода. Топлива, богатые водородом (например, природный газ), демонстрируют наибольший разрыв между HHV и LHV.

Основные формулы

Соотношение между высшей и низшей теплотой сгорания для углеводородного топлива можно оценить по массовой доле водорода:

LHV = HHV - h_{fg} \times \frac{9 \, w_H}{100}

где $h_{fg}$ — скрытая теплота парообразования воды при 25 °C (приблизительно 2,442 МДж/кг), $w_H$ — массовая доля водорода в топливе в процентах, а множитель 9 обусловлен стехиометрическим соотношением воды, производимой на единицу массы сожжённого водорода.

Переменные

Символ	Описание	Typical Unit
HHV	Higher (gross) heating value	MJ/kg
LHV	Lower (net) heating value	MJ/kg
$h_{fg}$	Latent heat of vaporization of water at reference temperature	MJ/kg
$w_H$	Mass fraction of hydrogen in fuel	%

Теплотворные значения топлив

12 строк

Высшая и низшая теплота сгорания распространённых топлив при температуре 25 °C
Fuel	HHV (MJ/kg)	LHV (MJ/kg)	State
Hydrogen	141.8	120	Gas
Метан (природный газ)	55.5	50	Gas
Propane	50.3	46.4	Газ / Жидкость
Butane	49.5	45.7	Газ / Жидкость
Gasoline	46.4	43.4	Liquid
Kerosene	46.2	43	Liquid
Diesel	45.6	42.5	Liquid
Мазут (тяжёлый)	42.5	39.5	Liquid
Ethanol	29.7	26.8	Liquid
Уголь (антрацит)	32.5	31.5	Solid
Уголь (битуминозный)	30	28	Solid
Древесина (сухая)	20	18	Solid

Источник: engineeringtoolbox.com

Сравнение HHV

Высшая и низшая теплоты сгорания по видам топлива

Восстановленные оригинальные исходные таблицы

Следующие таблицы восстановлены с исходной страницы для сохранения полных справочных данных.

Газообразные топлива - Высшая и низшая теплоты сгорания (калорийность)

6 строк

Gaseous Fuels - Higher and lower calorific values (heating values)
Газообразное топливо	kg/m3 (kg/m3)	g/ft3 (g/ft3)	kWh/kg (kWh/kg)	MJ/kg (MJ/kg)	Btu/lb (Btu/lb)	MJ/m3 (MJ/m3)	Btu/ft3 (Btu/ft3)	kWh/kg (kWh/kg)	MJ/kg (MJ/kg)	Btu/lb (Btu/lb)	MJ/m3 (MJ/m3)	Btu/ft3 (Btu/ft3)
Acetylene	1.097	31.1	13.9	49.9	21453	54.7	1468	—	—	—	—	—
Ammonia	—	—	—	22.5	9690	—	—	—	—	—	—	—
Hydrogen	0.09	2.55	39.4	141.7	60920	12.7	341	33.3	120	51591	10.8	290
Methane	0.716	20.3	15.4	55.5	23874	39.8	1069	13.9	50	21496	35.8	964
Природный газ (рынок США)*	0.777	22	14.5	52.2	22446	40.6	1090	13.1	47.1	20262	36.6	983
Городской газ	—	—	—	—	—	18	483	—	—	—	—	—

Источник: engineeringtoolbox.com

Жидкие топлива - Высшая и низшая теплоты сгорания (калорийность)

28 строк

Liquid Fuels - Higher and lower calorific values (heating values)
Жидкое топливо	kg/l (kg/l)	kg/gal (kg/gal)	kWh/kg (kWh/kg)	MJ/kg (MJ/kg)	Btu/lb (Btu/lb)	MJ/l (MJ/l)	Btu/gal (Btu/gal)	kWh/kg (kWh/kg)	MJ/kg (MJ/kg)	Btu/lb (Btu/lb)	MJ/l (MJ/l)	Btu/gal (Btu/gal)
Acetone	0.787	2.979	8.83	31.8	13671	25	89792	8.22	29.6	12726	23.3	83580
Butane	0.601	3.065	13.64	49.1	21109	29.5	105875	12.58	45.3	19475	27.2	97681
Butanol	0.81	—	10.36	37.3	16036	30.2	108359	9.56	34.4	14789	27.9	99934
Дизельное топливо*	0.846	3.202	12.67	45.6	19604	38.6	138412	11.83	42.6	18315	36	129306
Диметиловый эфир (DME)	0.665	2.518	8.81	31.7	13629	21.1	75655	8.03	28.9	12425	19.2	68973
Ethane	0.572	2.165	14.42	51.9	22313	29.7	106513	13.28	47.8	20550	27.3	98098
Этанол (100%)	0.789	2.987	8.25	29.7	12769	23.4	84076	7.42	26.7	11479	21.1	75583
Диэтиловый эфир (эфир)	0.716	2.71	11.94	43	18487	30.8	110464	—	—	—	—	—
Бензин*	0.737	2.79	12.89	46.4	19948	34.2	122694	12.06	43.4	18659	32	114761
Газойль (топочный мазут)*	0.84	3.18	11.95	43	18495	36.1	129654	11.89	42.8	18401	36	128991
Glycerin	1.263	4.781	5.28	19	8169	24	86098	—	—	—	—	—
Мазут*	0.98	3.71	11.61	41.8	17971	41	146974	10.83	39	16767	38.2	137129
Керосин*	0.821	3.108	12.83	46.2	19862	37.9	126663	11.94	43	18487	35.3	126663
Легкое топочное топливо*	0.96	3.634	12.22	44	18917	42.2	151552	11.28	40.6	17455	39	139841
СПГ*	0.428	1.621	15.33	55.2	23732	23.6	84810	13.5	48.6	20894	20.8	74670
СУГ*	0.537	2.033	13.69	49.3	21195	26.5	94986	12.64	45.5	19561	24.4	87664
Морской газойль*	0.855	3.237	12.75	45.9	19733	39.2	140804	11.89	42.8	18401	36.6	131295
Methanol	0.791	2.994	6.39	23	9888	18.2	65274	5.54	19.9	8568	15.8	56562
Метиловый эфир (биодизель)	0.888	3.361	11.17	40.2	17283	35.7	128062	10.42	37.5	16122	33.3	119460
MTBE	0.743	2.811	10.56	38	16337	28.2	101244	9.75	35.1	15090	26.1	93517
Растительные масла (биодизель)*	0.92	3.483	11.25	40.5	17412	37.3	133684	10.5	37.8	16251	34.8	124772
Парафин*	0.9	3.407	12.78	46	19776	41.4	148538	11.53	41.5	17842	37.4	134007
Pentane	0.63	2.385	13.5	48.6	20894	30.6	109854	12.6	45.4	19497	28.6	102507
Нефтяная нафта*	0.725	2.745	13.36	48.1	20679	34.9	125145	12.47	44.9	19303	32.6	116819
Propane	0.498	1.885	13.99	50.4	21647	25.1	89963	12.88	46.4	19927	23.1	82816
Остаточная нефть*	0.991	3.752	—	—	—	41.8	150072	10.97	39.5	16982	39.2	140470
Дёготь*	—	—	10	36	15477	—	—	—	—	—	—	—
Turpentine	0.865	3.274	12.22	44	18917	38.1	136555	—	—	—	—	—

Источник: engineeringtoolbox.com

Твёрдые топлива - Высшая и низшая теплотворные способности (теплота сгорания)

12 строк

Solid Fuels - Higher and lower calorific values (heating values)
Твёрдое топливо*	kg/dm3 (kg/dm3)	kWh/kg (kWh/kg)	MJ/kg (MJ/kg)	Btu/lb (Btu/lb)	kWh/kg (kWh/kg)	MJ/kg (MJ/kg)	Btu/lb (Btu/lb)
Антрацит	—	9.06	32.6	14015	—	—	—
Битуминозный уголь	—	8.39	30.2	12984	8.06	29	12468
Carbon	—	9.11	32.8	14101	—	—	—
Charcoal	—	8.22	29.6	12726	7.89	28.4	12210
Coke	—	7.22	26	11178	—	—	—
Лигнит (бурый уголь)	—	3.89	14	6019	—	—	—
Peat	—	4.72	17	7309	—	—	—
Нефтяной кокс	—	8.69	31.3	13457	8.19	29.5	12683
Полуантрацит	—	8.19	29.5	12683	—	—	—
Суббитуминозный уголь	—	6.78	24.4	10490	—	—	—
Сера (s)	—	2.56	9.2	3955	2.55	9.2	3939
Дерево (сухое)	0.701	4.5	16.2	6965	4.28	15.4	6621

Источник: engineeringtoolbox.com

Инженерные заметки

Энергия топлива и оценка низшей теплоты сгорания

Масса топлива(kg)

Высшая теплотворная способность(MJ/kg)

Водород по массе(%)

Полезный КПД(%)

Конвертер единиц

Конвертер единиц теплотворной способности топлива

Теплотворная способность(MJ/kg)

Плотность газа(kg/m3)

Плотность жидкости(kg/L)

Объём газа(m3)

Эталонные условия — Все табличные значения приведены при 25 °C и 1 атм. Теплотворная способность слегка изменяется с давлением и температурой; стандарты на топливный газ (например, ISO 6976) определяют точные методы коррекции.
Содержание влаги — Твёрдые топлива, такие как древесина и уголь, сильно различаются по содержанию влаги и золы. Приведённые значения предполагают достаточно сухие, репрезентативные образцы. Всегда используйте значения на поступающем или на сожжённом топливе для реального проектирования оборудования.
Эффект водорода — Разрыв между HHV и LHV увеличивается с содержанием водорода. Для природного газа (~25% H₂ по массе) разница составляет около 10%. Для угля (~4% H₂) разница составляет всего 3–4%.
Эффективность сжигания — Конденсационные котлы могут улавливать часть скрытой теплоты, приближая фактическую эффективность к основе HHV. Стандартные (неконденсационные) приборы в многих рынках оцениваются на основе LHV.
Перевод единиц — 1 Btu/lb ≈ 2.326 кДж/кг. В американской практике теплотворная способность обычно указывается в BTU/лб или BTU/фут³; в метрических данных используются МДж/кг или кДж/м³.

Литература

Engineering Toolbox — Топливо и сгорание

Источник: engineeringtoolbox.com