Низшая теплота сгорания природного газа: как рассчитать

Природный газ широко используется в промышленности и быту благодаря своим удобным физико-химическим свойствам. От эффективности сжигания газа зависит не только экономия топлива, но и снижение вредных выбросов в атмосферу.

Основные компоненты и свойства природного газа

Основным компонентом природного газа является метан (CH4). Его содержание может достигать 97%. Также в состав газа входят этан (C2H6), пропан (C3H8), бутан (C4H10) и другие углеводороды.

Метан - бесцветный газ без запаха, нетоксичный, с температурой кипения -161°C. Плотность метана при нормальных условиях составляет 0,717 кг/м3.

Кроме углеводородов, в природном газе содержатся примеси азота, гелия, сероводорода, углекислого газа и других компонентов, ухудшающих его теплотворные свойства. Например, состав газа Уренгойского месторождения:

• Метан CH4 - 98.65%
• Этан C2H6 - 0.14%
• Пропан C3H8 - 0.35%
• Изобутан C4H10 - 0.06%
• Н-бутан C4H10 - 0.13%
• Азот N2 - 0.67%

Теплотворная способность газа напрямую зависит от его химического и компонентного состава.

Теплота и теплотворная способность топлива

Низшая теплота сгорания природного газа - это количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 м3 газа в воздухе, не считая теплоты конденсации водяного пара.

В отличие от нее, высшая теплота сгорания учитывает и теплоту конденсации паров воды, содержащейся в продуктах сгорания:

Кв = Кн + r

где:

• Кв - высшая теплота сгорания, МДж/м3
• Кн - низшая теплота сгорания, МДж/м3
• r - теплота конденсации водяного пара, МДж/м3

Другой важный показатель - удельная теплота сгорания, отнесенная к единице массы или объема топлива. Для газа она измеряется в МДж/м3 или ккал/м3.

Расчет низшей теплоты сгорания природного газа

Для расчета низшей теплоты сгорания по известному компонентному составу газа используется формула Менделеева:

QPH = 85,55 × %CH4 + 152,26 × %C2H6 + 217,9 × %C3H8 + 283,38 × %C4H10 + 348,9 × %C5H12, ккал/м3

Где:

• QPH - низшая теплота сгорания, ккал/м3
• %CH4, %C2H6 и т.д. - объемные доли компонентов газа, %

Также можно воспользоваться онлайн-калькуляторами. Например, для Уренгойского газа состава:

Расчет дает значение низшей теплоты сгорания 34958 ккал/м3 или 34,958 МДж/м3.

Число Воббе природного газа

Число Воббе - это отношение теплоты сгорания газа к корню квадратному из его плотности. Этот показатель характеризует постоянство теплового потока при сжигании.

Газы с одинаковым числом Воббе могут использоваться в одних и тех же горелках без изменения их конструкции. Например, для природного газа число Воббе по ГОСТу должно находиться в диапазоне:

41,20 МДж/м3 < число Воббе < 54,50 МДж/м3

Влияние состава на сжигаемость газа

Помимо теплотворной способности, на эффективность сжигания природного газа влияют:

• Температура самовоспламенения
• Концентрационные пределы воспламенения
• Удельная теплота сгорания отдельных компонентов

Например, с увеличением доли этана и пропана снижается минимальная энергия зажигания газовоздушной смеси.

Требования к сжиганию природного газа

Для эффективного и безопасного сжигания природного газа необходимо:

1. Обеспечить полноту сгорания газа
2. Исключить проскок пламени в горелке
3. Соблюдать температурный режим работы оборудования

Это позволит снизить удельный расход топлива и минимизировать вредные выбросы продуктов неполного сгорания.

Пример расчета тепловой мощности котельной

Рассчитаем необходимую тепловую мощность котельной, работающей на природном газе с известным составом и теплотой сгорания.

Исходные данные для расчета

Имеем следующие исходные данные:

• Тепловая нагрузка зданий - 1,2 МВт
• Коэффициент запаса по мощности - 1,3
• КПД котельной - 92%
• Низшая теплота сгорания газа - 34 МДж/м3

Расчет требуемой мощности котельной

Требуемая тепловая мощность котельной определяется по формуле:

Q = Кот / ηк * Кз

где:

• Q - мощность котельной, МВт
• Кот - тепловая нагрузка зданий, МВт
• ηк - КПД котельной
• Кз - коэффициент запаса

Подставляя численные значения, получаем:

Q = 1,2 МВт / 0,92 * 1,3 = 1,63 МВт

Расход топлива

Годовой расход топлива газовой котельной рассчитывается по формуле:

B = Q * 10^6 * (T / (Кнр * ηк))

где:

• B - расход топлива в год, м3
• Q - мощность котельной, МВт (1,63 МВт)
• Кнр - теплота сгорания, МДж/м3 (34 МДж/м3)
• T - кол-во часов работы в год (примем 2000 часов)
• ηк - КПД котельной (0,92)

Расчет дает расход газа В = 87030 м3/год.

Экономия топлива при повышении КПД котельной

Повысим КПД котельной с 92% до 95% за счет утилизации тепла уходящих газов. Тогда формула для расхода газа примет вид:

B = Q * 10^6 * (T / (Кнр * ηк))

Где ηк = 0,95.

Расчет дает новый расход топлива В = 82780 м3/год.

Годовая экономия газа составит:

87030 м3/год - 82780 м3/год = 4250 м3/год

Снижение вредных выбросов

Сжигание дополнительных 4250 м3 газа привело бы к образованию:

• 12,75 тонн CO2
• 2,55 тонн H2O
• 0,85 тонн NOx

Благодаря повышению КПД котельной удалось предотвратить выброс этих веществ в атмосферу.

Окупаемость мероприятия

Стоимость работ по повышению КПД оценивается в 560 000 рублей. Экономия от снижения расхода газа составит:

4250 м3/год * 35 руб./м3 = 150 000 руб./год

Таким образом, срок окупаемости составит около 4 лет.