Раздел 1. Технические характеристики топлива

1.1 Топливо и его составные части

 

Среди различных источников энергии, использованных для энерготехнологического обеспечения потребностей страны, ведущая роль принадлежит топливу.

Топливом называются вещества, горение которых сопровождается выделением значительного количества тепла и которые удовлетворяют следующим требованиям:

1. Газообразное состояние продуктов горения и их безвредность;

2. Наличие горючих элементов, определяющее экономическую целесообразность их использования;

3. Возможность управления процессами.

Этим требованиям удовлетворяют лишь два химических элемента: углерод (С) и водород (Н), а так же их химические соединения.

Топливо имеет органическое происхождение и является главным источником получения тепловой энергии.

Различают энергетическое и технологическое топливо. Энергетическим называется топливо, которое используется для производства электрической энергии, водяного пара и горячей воды. Технологическим называется топливо, которое используется в печных агрегатах для совершения технологического процесса.

По агрегатному состоянию различают твердое, жидкое и газообразное топливо. Принято состав жидкого и твердого топлива выражать в массовых процентах, а газообразного – в объемных процентах.

Качество топлива оценивается несколькими характеристиками:

- химическим составом;

- теплотой сгорания.

Полный химический анализ, как правило, применяется только для определения состава газообразного топлива. Жидкое топливо оценивается по плотности. Для определения характеристики твердого и жидкого топлива проводят технический и элементарный анализ. При техническом анализе а топливе определяются летучие, влага, зола.

Для характеристики топлива в общем виде принято делать элементарный анализ, при котором содержание той или иной составляющей обозначать химическим знаком. присвоенным данному элементу или составляющей.

С + Н + О + N + S + А + W = 100% (1.1)

 

Символы С, Н, О, N, S, А, W выражают % содержание в топливе (по массе) углерода, водорода, кислорода, азота, золы, серы, воды.

Компоненты топлива. Углерод (С) - наиболее важная составляющая топлива. Он находится в свободном состоянии, в виде органически сложных соединений с другими элементами. В органической части различных твердых топлив содержание углерода колеблется от 50% (древесина) до 95% (антрацит). В органической части различных сортов жидкого топлива содержание углерода достигает 90%.

Водород (Н) - находится в свободном состоянии, в виде непрочных химических соединений с углеродом, серой и т.д. Общее содержание водорода в естественном твердом топливе колеблется от 1% до 6%, в жидком оно достигает 10 – 15%, а в газообразном топливе – до 60% (коксовальный газ).

Водород, находящейся в соединении с кислородом называют “связанным” и такой водород инертен к горению. Условно считают, что весь кислород топлива связан с водородом в виде воды (правило Дюлонга). Следовательно, если в топливе содержится кислород в таком то количестве по его массе (О₂, кг), то масса “связанного” им водорода составит Н_связ.= О₂ /8 кг.

Коэффициент “8” определен из весовых соотношений О₂ и Н₂ (реакция горения 1 кг Н₂ требует 8 кг О₂)

Н₂ + ½ О₂ = Н₂О

(2 + ½ ^. 32 = 18)

и на 1 кг Н₂ требуется 16/2 = 8 кг кислорода.

Количество свободного водорода в топливе составит

Н_своб.= Н_общ – Н_связ = Н_общ - О₂ /8

Водород является самым легким горючим газом, его плотность равна

r = 2/ 22,4 = 0,09 кг/м³

 

Кислород (О) находится в топливе в основном в виде прочных соединений с горючими элементами и не поддерживает горение, снижая тем самым теплоту сгорания топлива. Кислород является балластом. Содержание кислорода в древесине достигает 44%, в жидком топливе кислорода содержится не менее 1,5%, а в газообразном топливе кислорода содержится менее 1,5%. В газообразном топливе содержание свободного кислорода незначительно (0,2 – 0,5%).

Свободный кислород может участвовать в горении и это обстоятельстве необходимо учитывать при расчете.

Азот (N) является балластом. В твердом и жидком топливе содержится азота 0,5 – 1,0%. а в газообразном топливе его содержание достигает до 60% (доменный газ).

Сера (S) содержится в газообразном топливе в виде SО₂, Н₂S. В твердом и жидком топливе она может содержаться в трех видах: в виде органических соединений с углеродом, водородом, азотом и кислородом (S_о), в виде сернистого соединения с металлами и называется колчеданной и обозначается S_к и в виде сульфатов S_c.

S = S_o + S_c + S_k

При нагреве топлива без доступа воздуха (при сухой перегонке) вся органическая и колчеданная сера улетучивается с продуктами горения – эту серу называют летучей. При горении летучей серы выделяется в значительных количествах тепло.

Сера так же может находится в виде сернокислых сульфатных соединений: СаSО₄, FeSО₄, MgSО₄. Такая сера называется сульфатной и обозначается S_с. Сульфатная сера находится в окисленном состоянии и не может вступать в реакцию горения.

Присутствие серы в топливе нежелательно, т.к. сернистый газ SО₂, образующийся при горении и выброшенный с продуктами горения, вредно действует на растительный и животный мир. При плавлении металла часть серы из газовой фазы может переходить в металл, резко снижая его качество (красноломкость стали). По этой причине применение сернистых мазутов ограничивается при отоплении мартеновских печей содержанием серы S< 0,5%. При содержании серы более 3 % в топливе делает его малопригодным для промышленного пользования.

Зола (А) топлива является балластом, ухудшающим тепловые свойства и условия сжигания топлива. Зола состоит из кислотных окислов (SiО₂, Аl₂О₃), из основных оксидов (СаО, FeО,Fe₂О₃, MgО, Nа₂О, К₂О). Зола входит, главным образом, в состав твердого топлива. Жидкое топливо содержит мало золы. Газообразное топливо содержит золу только в виде пыли.

При оценке топлива по зольности большое значение имеет ее температура плавления. По температуре плавления золу делят на 4 группы:

1. Легкоплавкая (t_пл < 1150 ^оС);

2. Среднеплавкая (t_пл » 1150 – 1350 ^оС);

3. Тугоплавкая (t_пл » 1350 – 1500 ^оС);

4. Огнеупорная (t_пл > 1500 ^оС).

Температуру плавления определяют в лаборатории согласно ГОСТ по поведению при нагревании стандартного образца из золы. Чем выше температура плавления золы, тем лучше и полнее сжигается топливо. Легкоплавкая зола дает шлаки с низкой температурой плавления и тем самым усиливается шлакование топок, затрудняя подачу воздуха, снижает степень выгорания топлива.

Температуру плавления золы определяют в основном по ее составу и, в частности, по ее кислотности: чем больше отношение содержащихся в золе кислотных окислов к основным, тем выше и температура плавления. Кроме того, огнеупорность золы возрастает с увеличением содержания Аl₂О₃ в сумме кислотных окислов (Аl₂О₃ + SiО₂).

Отношение

(1.2)

изменяется от 4,5 до 11,5 при переходе от легкоплавкой золы к тугоплавкой.

Отношение изменяется в этом случае от 0,28 до 0,40. Зольность топлива в действительных условиях колеблется в пределах доли процента для газового топлива, долей процента для жидкого топлива, для дров 1 – 2%, 5 – 10% для хороших каменных углей и до 30 – 50% для горючих сланцев и торфа.

Влага (W) является балластом топлива, т.к. снижает использование тепла при сжигании в тех или иных тепловых агрегатах. Различают внешнюю и внутреннюю влагу. Под внешней

(W_внеш) понимают влагу, которая попала в топливо из окружающей среды в процессе его добычи и транспортировки.

Внешняя влага удаляется при естественной подсушке топлива (без подогрева) до так называемого воздушно-сухого состояния. При достижении топливом воздушно-сухого состояния наступает равенство меду упругостью водяного пара в топливе и наружным давлением водяного пара, насыщающего окружающую атмосферу, и удаление влаги из топлива прекращается.

Внутренняя влага (W_внутр) включает в себя гигроскопическую и гидратную влагу. Гигроскопическая влажность определяется высушиванием топлива до постоянной массы при температуре 105 ^оС. Топливо предварительно измельчают в порошок и доводят до воздушного состояния. Гигроскопическая влажность иначе называется влажностью аналитической пробы. Величина гигроскопической влажности различных видов топлива колеблется в широких пределах:

- тощие каменные угли и антрацит – 0,5 – 1%;

- каменные угли пламенные – 1 – 2, 5%;

- бурый уголь – 30 – 40%;

- дрова – 15 – 20%;

- торф – 20 – 30%.

Гидратная влага содержится в минеральной части топлива (золе), входящая в состав различных химических соединений. Содержание гидратной влаги по сравнению с влажностью рабочего топлива невелико и поэтому в печной теплотехнике этой составляющей пренебрегают. Гидратная влага удаляется в процессе нагревания топлива при температурах 400 – 500 ^оС.

Содержание рабочей влаги в твердом топливе колеблется в широких пределах. Влажность топлива тем выше, чем меньше его геологический возраст. Содержание влаги в антраците не превышает 5%, в зеленой древесине – до 60%, а в свежедобытом торфе – 80%. В жидком топливе влага является случайной примесью, попавшей при транспортировке, хранении и при разогреве цистерн “острым паром”. Содержание влаги в жидком топливе, а так же и в твердом топливе, когда требуется повышенная точность измерения, определяют методом дистилляции.

В газообразном топливе влага находится в виде паров, предельное содержание которых определяется температурой насыщения водяного пара. Содержание влаги при нормальных условиях не велико и не превышает 3 – 5% по объему. При снижении температуры на каком-нибудь участке происходит выпадение влаги.

Результаты анализа топлива могут характеризовать:

- органическую массу; горючую массу; сухую массу; рабочее топливо.

Каждая из этих характеристик определяется компонентами, которые входят в нее.

 

 

	С Н О N	S	А	W
О	органическая масса
Г	горючая масса
С	сухая масса
Р	рабочее топливо

 

Для пересчета составов из одной массы в другую необходимо выполнить соответствующий перерасчет согласно таблице

 

Таблица 1 - Формулы коэффициентов – множителей для перерас - чета состава топлива

Заданная масса топлива	Масса топлива, на которую ведется перерасчет
Органическая масса	Горючая масса	Сухая масса	Рабочая масса
Органическая О	1
Горючая Г	1
Сухая С	1
Рабочее топливо	1

 

Теплота сгорания топлива.

Основным энергетическим показателем топлива является теплота сгорания. Теплотой сгорания называется тепловой эффект реакции полного сгорания единицы топлива (кг, м³, кмоль) до СО₂, Н₂О, SО₂ и соответствующих продуктов полного окисления других элементов, если они входили в состав данного вещества.

Т.к. в составе процесса горения обычно лежит химическая реакция взаимодействия двух веществ – топлива и окислителя, то химическая реакция между топливом (Т) и окислителем (О), протекающая с образованием продуктов сгорания М и N, может быть описана стехиометрическим уравнением следующего вида

а Т + в О Û тМ + пN + Q, (1.3)

где а, в, т и п - число молекул участвующих в элементарном акте реакции.

За системную единицу количества тепла в системе Си принимают джоуль (Дж). Джоуль – универсальная единица измерения работы, энергии и количества теплоты.

Кратные единицы количества теплоты: килоджоуль (кДж), мегаджоуль (мДж) и т.д.

Джоуль определяется как работа, проводимая силой в 1 Ньютон (1н) при перемещении точки приложения этой силы на 1 м вдоль ее направления (1 Дж = 1 н^.м).

В качестве единицы теплоты в науке и технике ранее имела широкое распространение внесистемная единица калория (кал) и кратные единицы: килокалория (ккал), мегакалория (мкал) и т.д. Соответственно: 1 кал = 4,187 Дж

1 ккал = 4187 Дж = 4,187 кДж

1 мкал = 4,187 ^.10⁶ Дж = 4,187 мДж

Горение элементов топлива может быть полным и неполным. При полном сгорании образуются конечные продукты – углекислый газ (СО₂) и водяной пар (Н₂О) а так же выделяется максимум тепла. При неполном сгорании в конечных продуктах находятся кроме СО₂ и Н₂О еще и СО, Н₂, СН₄ и т.п.

Количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицей топлива (1кг или 1м³), называется теплотой сго-рания. В зависимости от агрегатного состояния водяных паров различают высшую и низшую теплоту сгорания.

Высшей теплотой сгорания называется количество тепла, которое выделяется при сжигании единицы топлива до продуктов полного сгорания (СО₂, Н₂О, SО₂) при условии, что вся образовавшаяся влага находится в жидком состоянии при температуре О^оС. В высшей теплоте сгорания учитывается скрытая теплота парообразования (2258,4 кДж кг) и теплота охлаждения воды от 100 ^оС до О ^оС (418,68 кДж кг). На практике водяные пары конденсируются за пределами камеры сгорания. поэтому понятие высшей теплоты сгорания имеет лишь теоретическое значение, Для приближения к практике введено понятие низшей теплоты сгорания .

Низшей теплотой сгорания называется количество тепла, которое выделяется при сжигании единицы топлива до продуктов полного сгорания (СО₂, Н₂О, SО₂ и др.) при условии, что вся образовавшаяся влага находится в парообразном состоянии при температуре 20 ^оС. Т.к. в топливе различается 4-е массы (рабочая, сухая, горючая и органическая), то и теплоты сгорания определяются относительно этих масс и записываются следующим образом: . На практике чаще всего используют .

Рассмотрим на какую величину различаются . В величину , кроме химической теплоты, входит еще теплота конденсации 2258,4 кДж/кг и теплота охлаждения сконденсированной воды от 100^оС до О ^оС ( 418,7 кДж). Таким образом, в этом случае в систему возвращаются теплоты (2258,4 + 418,7 = 2677,1 кДж/кг).

При конденсации водяных паров нет, а есть только их охлаждение от 100 ^оС до 20 ^оС [1^.2,0087(100-10)] = 160,7 кДж/кг.

Поэтому разница между этими теплотами составляет (2677,1 – 160,7 = 2156,4 кДж/кг). Тогда разница между теплотами сгорания можно записать в следующем виде

= 2516,4 , кДж/кг (1.4)

где W^р и Н^р – содержание влаги и водорода в рабочем топливе в

долях единицы.

Если W^р и Н^р выражается в %, то формула будет иметь вид

= 25,164 , кДж/кг (1.5)