Сухой и влажный состав газа: откуда берутся лишние проценты мощности

ALVERJOB / газогенераторы и пиролиз

Расчёты и пояснения

Оглавление · Предметный указатель

GWEB_C0089

В одном протоколе водорода 16%, в другом 20%. Можно начать обсуждать улучшение газификации, а можно сначала посмотреть, куда в анализе делась вода. Если один результат дан на влажной основе, а другой на сухой, оба числа могут описывать одну и ту же порцию газа. Водорода в ней не прибавилось. Зато при неудачном сочетании протокола с расходомером вполне может прибавиться расчётная мощность.

Здесь полезно разделить две вещи: что принято за сто процентов в анализе и к каким температуре и давлению приведён объём. Они независимы. Надпись «нм³/ч» сама по себе ещё не говорит, исключён ли водяной пар.

Что это даёт на практике

Согласование основы расхода и анализа устраняет расчётную ошибку мощности без переделки газогенератора. В учебной идеальногазовой модели с 20% водяного пара по молям во влажной смеси умножение влажного расхода на сухую теплоту сгорания завышает химическую мощность на 25% при одинаковых условиях приведения объёма. Для достоверного сравнения нужны содержание воды и учёт потерь при пробоподготовке; исправленная химическая мощность ещё не определяет полезную мощность двигателя.

Одна порция газа и два состава

Покажу пересчёт на условном примере. В порции 100 моль газовой смеси, из них 20 моль водяного пара, 16 моль водорода и 64 моль остальных компонентов. Моль здесь служит единицей количества вещества; для пересчёта достаточно отношения этих количеств.

На влажной основе в знаменатель входит всё, включая пар:

Доля водорода = 16 / 100 = 0,16 = 16%

На сухой основе воду исключаем. Сухих компонентов осталось 100 − 20 = 80 моль:

Доля водорода = 16 / 80 = 0,20 = 20%

Это смена основы записи. Физически осушать эту порцию ради пересчёта не требуется. И наоборот, сухой результат лаборатории ещё не означает, что в рабочем трубопроводе отсутствует вода: пробу могли осушить перед измерением, а прибор затем выдал доли оставшихся компонентов.

Для смеси идеальных газов объёмные доли при общих температуре и давлении равны мольным. В этом приближении пример можно читать и как объёмные проценты. Массовые доли так заменять нельзя: один моль водорода и один моль воды имеют разную массу. Капли жидкости также не входят в эти сто процентов газовой фазы.

Запишем общий пересчёт. Пусть w — мольная доля водяного пара во влажной смеси, y_с — доля выбранного компонента на сухой основе, y_в — на влажной. Все три величины безразмерные и записаны долями единицы:

y_в = y_с × (1 − w)

y_с = y_в / (1 − w)

Число 1 означает весь влажный газ, поэтому 1 − w представляет долю сухих компонентов. Для наших данных w = 20/100 = 0,20: 0,20 × 0,80 = 0,16. Обратный ход даёт 0,16/0,80 = 0,20. Если при подготовке пробы кроме воды потерялись другие вещества, одной сменой знаменателя их уже не вернуть.

Двадцать процентов пара и четверть кубометра на сухой кубометр

Влагу нередко записывают иначе: объём пара на единицу сухого газа при одинаковых условиях приведения. Такой способ встречается, например, у Равича при раздельном расчёте физического тепла газа и пара [1].

В нашей порции отношение воды к сухому газу равно:

r = 20 / 80 = 0,25 моль/моль сухого газа

В идеальногазовом пересчёте это также 0,25 м³ пара на м³ сухого газа при общих условиях. Символ r обозначает именно отношение к сухому газу; во влажной смеси пара по-прежнему 20%, а не 25%. Проверка обратного пересчёта:

w = r / (1 + r) = 0,25 / 1,25 = 0,20

Здесь 1 + r складывает одну часть сухого газа и приходящийся на неё пар. Ошибка особенно удобна для распространения, когда из чужой таблицы переносят только число, а заголовок графы считают несущественным.

Полный расчёт ошибки в мощности

Продолжим тот же пример с w = 0,20. Зададим полный влажный объёмный расход V̇_в = 1000 м³/ч, приведённый к 0 °C и абсолютному давлению 101,325 кПа. Точка над V обозначает объём за единицу времени. Низшую теплоту сгорания сухого газа примем H_с = 5,0 МДж на сухой кубометр при тех же условиях. Низшая теплота сгорания учитывает воду в продуктах сгорания как пар, без возврата теплоты его конденсации. Теплота сгорания задана отдельно для упражнения; из приведённой неполной таблицы состава её не вычисляли.

Приведённый влажный объём здесь является расчётным эквивалентом количества газа по идеальногазовому закону. Мы не предполагаем, что смесь с 20% пара можно действительно охладить до 0 °C без конденсации. Рабочий объём в горячей трубе будет другим.

Сначала находим сухой расход V̇_с в м³/ч:

V̇_с = V̇_в × (1 − w) = 1000 × 0,80 = 800 м³/ч

Согласованные расход и теплота сгорания дают поток химической энергии:

800 м³/ч × 5,0 МДж/м³ = 4000 МДж/ч.

В одном мегаджоуле 1000 кДж, в часе 3600 секунд, а киловатт равен кДж/с. Поэтому для перехода от МДж/ч к кВт делим на 3,6:

P = V̇_с × H_с / 3,6 = 4000 / 3,6 = 1111,111… кВт

P — поток химической энергии газа, выраженный в кВт: тепловая мощность, соответствующая сжиганию заданного расхода по низшей теплоте сгорания. Коэффициент 3,6 только переводит единицы; свойств аппарата или поправки на качество газа в нём нет.

Проверим результат через влажную основу. В каждом влажном кубометре сухих горючих компонентов в 0,8 раза меньше. Соответствующая теплота сгорания H_в = H_с × (1 − w):

H_в = 5,0 × 0,80 = 4,0 МДж/м³

1000 × 4,0 = 4000 МДж/ч. Оба пути дали один результат.

Теперь ошибочно перемножим влажный расход и сухую теплоту сгорания: 1000 × 5,0 = 5000 МДж/ч, или 1389 кВт. Лишняя мощность на бумаге составляет 5000 − 4000 = 1000 МДж/ч, около 278 кВт. Завышение относительно правильного результата:

(5000 − 4000) / 4000 × 100% = 25%

Пара было 20%, а ошибку получили 25%: теперь сравниваем с правильными 4000, а не с ошибочными 5000. Для этой прибавки не понадобились ни новый реактор, ни лучший уголь. Хватило двух несогласованных граф.

Посчитана химическая энергия заданных газовых компонентов. Физическое тепло горячего газа, пара и теплота последующей конденсации относятся к другим статьям баланса [3]. Мощность двигателя или полезное тепло потребителя из нашего результата ещё не следуют.

Что происходит между трубой и анализатором

В реальном отборе проб газ может охладиться, а вода и органические компоненты частично сконденсироваться. Частицы могут осесть, вещества — задержаться на стенке или перейти в конденсат. Тогда сухой анализ описывает то, что дошло до измерительной ячейки. Особенности такой подготовки подробно разбираются в методических работах по анализу газификационного газа [2].

Поэтому для энергетического расчёта нужны не только хороший газоанализатор и аккуратные проценты, но и установленное содержание воды в исходном потоке. Температура после охладителя пробы сама по себе его не восстанавливает. Она позволяет связать температуру с остаточным паром лишь при известных давлении и состоянии насыщения; сколько воды отделилось раньше, остаётся отдельным вопросом.

Содержание воды тоже можно измерять по-разному. В одном из методов, приведённых в источниках, воду собирают с пробой в поглощающем растворе и затем определяют титрованием Карла Фишера: количество воды находят по количеству прореагировавшего с ней реагента, с поправкой на исходную воду в растворителе, определяемой по холостой пробе [4]. Результат относят к измеренному количеству отобранного газа. Просто взвесить весь конденсат вместо такого определения недостаточно: в нём могут быть органические вещества. Есть и оптические методы, измеряющие поглощение света водяным паром непосредственно в газовой фазе. Выбор зависит от состава, требуемой точности и того, нужен средний результат за отбор или быстрый отклик [2].

Само охлаждение также не делает газ полностью сухим. За ним остаётся пар, а каплеуловитель отделяет жидкие капли. При дальнейшем охлаждении газ снова может дать конденсат. Эту часть процесса рассматривают вместе с тепловой нагрузкой охлаждения [3].

В договорённости об измерении стоит один раз явно указать точку и период отбора, сухую или влажную основу, температуру и абсолютное давление приведения, метод определения воды и способ подготовки пробы. Если состав дан для газа после холодильника, а расход относится к горячей смеси до него, сначала восстанавливают согласованные величины, затем умножают.

Что нужно выяснить до большого аппарата

В нашем примере вода, расход и теплота сгорания заданы. Для проекта их придётся получить: часть измерить, часть рассчитать по достаточно полному составу. Контейнерный отбор возможен для компонентов, сохранность которых подтверждена принятой методикой; смолы, частицы и воду нельзя считать сохранёнными только по герметичности ёмкости. Представительная проба с сохранёнными нужными компонентами может потребовать обогреваемого отбора, специальной подготовки, повторных анализов и контроля потерь. Это отдельная техническая работа и заметная статья затрат, а не бесплатное приложение к таблице состава.

После исследования ожидаемого состава и предварительного расчёта переходят к ОКР на небольшом испытательном объекте. Здесь полезно прежде всего свести измерительную цепочку: совпадают ли результаты по согласованным основам, что меняется при пуске, малой и повышенной нагрузке, какой отклик даёт подготовка пробы. Опыт уточняет предполагаемое содержание воды и его колебания, а не проверяет заново арифметику 16/80. При масштабировании меняются протяжённость газового тракта, охлаждение и время прохождения пробы; прежняя точка отбора по названию ещё не воспроизводит прежние условия.

Если эту исследовательскую часть отложить до сдачи большой установки, можно долго переделывать аппарат из-за ошибки в исходном энергетическом балансе. На территории заказчика, без своей мастерской и свободного доступа, такая доводка особенно дорога. Проще сначала добиться, чтобы расходомер и лаборатория рассказывали об одном газе.

Продолжить чтение

• GWEB_C0095 — сырой и очищенный газ: как сравнивать массовые потоки примесей.
• GWEB_C0100 — мокрый скруббер: конденсация, тепловая нагрузка и жидкостный контур.
• GWEB_C0194 — границы энергетического баланса и причины ошибки в КПД.

К оглавлениюALVERJOB

Источники и материалы

Источники

1. Равич, «Тепловые балансы газогенераторов», 1957, печатные с. 22–24. Пар относительно сухого газа и раздельные статьи физического тепла. Исторические коэффициенты и нечётко распознанные формулы не переносились.
2. IEA Bioenergy Task 33. Gas analysis in gasification of biomass and waste, 2018, Document 2 — Factsheets on gas analysis techniques, разделы о подготовке и конденсационном отборе проб, в частности описание определения воды на с. 47–49 и методический обзор на печатных с. 103–109. Использован механизм изменения пробы; универсальная схема отбора не назначается.
3. FAO. Wood gas as engine fuel, 1986, §2.6.2. Физическое тепло газа, содержание пара, конденсация и охлаждение.
4. Metrohm. 852 Titrando, manual v11, 2026-01-09, §§4.1.3.2 и4.2.6.2 (печатные с.44 и49; PDF52 и57). Поправка на воду растворителя при анализе раствора; это не подтверждение всей схемы отбора генераторного газа.

Пример 100/20/16 моль и расчёт мощности — учебные. Формулы следуют из определения долей и потока химической энергии.