Состав и основные характеристики жидкого топлива

Естественное жидкое топливо – нефть – не сжигают!

Состав: C^г - 85-87%; O^г - 0,45%; H^г - 10,7-14,9%; N - 0,8%; A - до 0,3%; W - до 5%; S - до 4%. Сернистые нефти до 4% S.

Сырую нефть подвергают перегонке с получением:

1. бензиновой фракции 15% Т_к=30-180С

2. керосиновая 17% Т_к=120-315С

3. дизельная 18% Т_к=180-350С

Остальное: газ - 1% и мазут Т_к = 350-330С. Указанные фракции служат исходным сырьем для получения моторных топлив и смазочных масел.

Состав и основные характеристики газообразного топлива

Основным компонентом природного газа является метан СН₄, содержится небольшое кол-во Н₂, N_2, СО и высшие углеводороды состава С_nН_m. Из вредных примесей присутствует H₂S. При добыче газа его очищают от сернистых соединений.

При добыче нефти выделяется попутный газ, он содержит СН₄ меньше, чем природный, но больше высших углеводородов и поэтому обладает большей теплотой сгорания.

Средний элементарный состав газообразного топлива:

C^г – 68-74%; H^г – 20-23%; N^г - 0,3%; S - следы.

На металлургических предприятиях в качестве попутных получаются коксовые и доменные газы. При газификации твердого топлива получают генераторные газы.

В промышленности (в быту) находит высокое применение сжиженный газ, получаемый при первичной переработке нефти и попутных нефтяных газов. Выпускают технический пропан, бутан и их смеси. При атмосферном давлении Т_конд пропана=-44,5С; бутана=+5С.

Теплота сгорания топлива.

Горение – сложный физико-химический процесс взаимодействия топлива с окислителем, сопровождающийся интенсивным выделением теплоты и быстрым подъемом температуры.

Различают гомогенное и гетерогенное горение в зависимости от агрегатного состояния топлива.

Теплотой сгорания топлива называют количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1кг массы твердого или жидкого топлива или 1 м³ газообразного топлива при нормал. физич. условиях.

Теплоту сгорания определяют в калориметрической бомбе (металлический стакан, куда помещается проба и нагнетается кислород под давлением 3 МПа). Бомба помещается в заполненный водой калориметр. Продукты сгорания топлива остаются в бомбе и охлаждаются до комнатной температуры. При этом водяные пары, образующиеся при сгорании Н₂ и испарения влаги топлива, конденсируются, т. е учитывается теплота конденсации. Таким образом определяется высшая теплота сгорания - .

В технических устройствах водяной пар выбрасывается вместе с продуктами сгорания, поэтому оперируют низшей теплотой сгорания.

Низшая теплота сгорания рабочей массы твердого и жидкого топлива:

, МДж/кг

где С^р, Н^р, и т.д. – содержание элементов в рабочей массе топлива, %

Величины высшей и низшей теплоты сгорания рабочей массы твердого и жидкого топлива связаны выражением:

[МДж/кг]

где - высшая теплота сгорания, МДж/кг

- низшая теплота сгорания, МДж/кг

Н^р, W^р –содержание Н₂ и влаги в топливе, массовые %

При сгорании 1 кг Н₂ образуется 9 кг Н₂О..

При конденсации 1 кг водяного пара при 0⁰ С выделяется 2500 кДж теплоты.

Максимальная теплота сгорания твердых топлив доходит до Q^p_н= 28 Мдж/кг( тощие угли и антрацит) =25МДж/кг, минимальная - дрова и плохие угли =9 МДж/кг.

Теплоту сгорания газообразного топлива относят к 1 м³ сухого газа при н.у. (1 атм., 273 К) и рассчитывают через теплоты сгорания (МДж/м³) составляющих его компонентов, являющихся коэффициентами, в формуле умноженными на 100.

МДж/м³

СН₄, С₂Н₆… - содержание соответствующих компонентов при н.у. в газе в % по объему.

Условное топливо.

Введено понятие так называемого условного топлива, теплота сгорания которого принята равной 29.35 Мдж/кг, что соответствует хорошему малозольнистому сухому углю.

Приведенные характеристики.

Под приведенными понимается содержание данного компонента в граммах, отнесенное к 1 МДж теплоты, выделяющейся при сгорании топлива.

Приведенная зольность, например, показывает, какое количество золы в граммах ежесекундно образуется при сжигании данного топлива в установке с тепловой мощностью 1 МВт.

Чаще используют приведенные влажность и зольность, иногда приведенное содержание серы:

W^п =10 W^р/ Q^p_н, A^п = 10 A^p / Q^p_н S^п = 10 S^p/ Q^p_н,

W^р, A^p, S^p подставляются в%, масс.

10 – перевод кг в г.

Q^p_н, подставляется в МДж/кг.

Использование приведенных характеристик существенно упрощает расчеты. Зная мощность тепловых ЭС, вид топлива и КПД можно легко подсчитать количество образующейся золы выбросов окида серы.

Расчет процессов горения топлив

Расчет расхода воздуха на горение 1 кг топлива.

В соответствие со стехиометрическими уравнениями реакций горения:

С + О₂ = СО₂

2Н₂ + О₂ = 2 Н₂О

S + О₂ = SО₂

на 12 кг С необходимо затратить 12 кг О₂

на 4 кг С 32 кг О₂

на 32 кг S 32 кг О₂

или на 1 кг С 2,67 кг О₂

на 1кг Н₂ 8 кг О₂

на 1кг S 1 кг О₂

Учитывая, что некоторая часть О₂ имеется в самом топливе (0,01 О^р кг/кг топлива)_,то для сжигания 1 кг топлива с воздухом нужно подавать кислорода:

М_О2 = (2,67 С^р + 8 Н^р + 1S_л – О^р) 0,01,

Содержание О₂ в сухом воздухе составляет по объему 0,21. Следовательно, объем воздуха(приведенный к нормальным условиям), который необходимо подать дляполного сжигания 1 кг топлива, составляет в кг/м³:

,

Выведены расчетные формулы для определения объема воздуха при сжигании газообразного и жидкого топлива.

Поскольку равномерно перемешать топливо с воздухом трудно, в топку необходимо подавать воздуха больше. Чем необходимо теоретически:

V_Д = V^О _в,

Где - V_Д – действительный объем воздуха, м³/кг,

V^О – теоретический объем воздуха, м³/кг,

_в - коэффициент избытка воздуха.

В лучших топочных устройствах _в = 1,05 – 1,1.

Состав и объем продуктов сгорания.

Объем сгорания необходимо знать, чтобы правильно рассчитать газоходы, дымовую трубу, выбрать дымосос и т.д.

Каким бы ни был состав органического топлива, в конечном счете оно сгорает до СО₂, SО₂, Н₂О и др. Окислителем при сгорании обычно служит О₂ воздуха.

Состав сухих газов в % по объему может быть представлен:

СО₂ + SО₂ + N₂ + О₂ =RО₂ + О₂ + N₂ = 100%.

Поскольку при сгорании 1 кмоля С и S образуется по 1 кмолю СО₂ и SО₂, а объем V 1кмоля идеальных газов при нормальных условиях равен 22,4 м³. то объем 3-х атомных продуктов сгорания:

(0,01 С^Р /12 + 0,01 S_Л^р /32) 22,4 = 0,0168 ( С^Р = 0,375 S_Л^р ), м³/кг.

При сгорании образуется 9 кг Н₂О, кроме того испаряется и влага топлива.

В идеально – газовом приближении плотность водяного пара в нормальных условиях

18/22,4 = 0, 805 кг/м^3.

Водяным паром, содержащимся в воздухе(около 10г на 1 м³) можно пренебречь. Следовательно

, м³/кг.

Э нтальпия процессов сгорания

Энтальпия продуктов сгорания рассчитывается на единицу кг топлива.

V – объем продуктов сгорания; м³/кг

t – температура в С;

C – ср.теплоемкость, отнесенная к единице объема в н.у.,кДж/м³К.

Т.к. V продуктов сгорания увеличивается с увеличением , то их энтальпия при принятом методе расчета на единицу количества топлива тоже увеличивается.

;

- энтальпия воздуха теоретически необходимого для полного сжигания единицы количества данного топлива при _в =1.

- эксергия газообразного топлива [МВт]

В – расход топлива, кг/с

Q^P_н – низшая теплота сгорания топлива,кДж/кг.

Для твердого и жидкого топлива коэффициент - 0,975.