Тема 1.2 Методы определения теплоты сгорания

Теплота сгорания топлива – это количество тепла, выделяющееся при сжигании одной единицы топлива. [кДж/кг] – твердое, жидкое топливо; [кДж/м³] – газообразное топливо.

Различают высшую и низшую теплоты сгорания топлива:

, .

- пар конденсируется в жидкость с выделением теплоты парообразования.

- влага остается в виде пара. Низшая теплота сгорания больше соответствует действительному положению, так как практически при сжигании топлива пары воды в газообразном состоянии уносятся с продуктами сгорания.

Для нагрева 1кг воды требуется 2516 кДж.

Разность между и сгорания на 1кг рабочего топлива составляет:

- = 2516( .

Если W₁ и H выражены в процентах, то уравнение принимает вид:

- = 25,16(

При расчете теплоты сгорания топлива наилучшие результаты дает формула Д.И.Менделеева, принятая для всех видов твердого и жидкого топлива:

=

Теплоту сгорания газа можно определить по следующей формуле:

=

Для сравнения различных видов топлива введено понятие условного топлива.

Условное топливо – топливо, теплота сгорания которого 29,3МДж/кг (это теплота сгорания донецкого каменного угля).

Тепловой эквивалент топлива – это величина, полученная в результате деления низшей теплоты сгорания топлива на теплоту сгорания условного топлива.

Тема 1.3 Основные характеристики твердого, жидкого и газообразного

топлива. Устройства для его сжигания

Твердое топливо

Естественное топливо - это древесное топливо и все виды ископаемого твердого топлива.

- торф;

- бурый уголь;

- каменный уголь;

- антрацит;

- горючие сланцы.

Древесное топливо

В настоящее время в промышленности не используется.

Ископаемое топливо

Ископаемое топливо образовалось из продуктов разложения растительных остатков и различается по химическому составу (он определяется степенью минерализации исходного материала).

Чем «старше» топливо, тем больше в нем С, меньше О₂ меньше выход летучих и ниже гигроскопичность.

Торф

(самое молодое ископаемое топливо)

Важность свежедобытого торфа очень велика, 80 – 90%. Зональность торфа 3 – 14%, содержит S незначительно (не более 2%) торф используется как сырье для газификации и как топливо на мелких предприятиях.

Бурый уголь

Важность свежедобытых углей также велика (до 60%). Зональность в пределах 0,5 – 50 % от сухой массы, содержание S до 5%. Обладают механической прочностью.

Бурые угли используются как местное топливо на электростанциях и сырьё для газификации.

Каменный уголь

- представляет собой продукт дальнейшей минерализации органических остатков.

Каменный уголь обладает большой прочностью и плотностью, небольшой важностью и малым выходом летучих. Спекаемость углей обусловлена присутствием органических соединений, которые при нагреве разлагаются с образованием газов и плавких смолообразующих веществ – битумов.

Зональность в среднем составляет 10 – 12%. Содержание S лежит в пределах 0,6 – 3%. Каменный уголь является самым ценным видом естественного твердого топлива, т.к. из него получают кокс.

Антрациты

(самое древнее топливо)

- имеют наибольшую степень минерализации. Для них характерна блестящая черная поверхность кусков. Трудно воспламеняются и горят без пламени (малая термостойкость)

Используются для газификации и в котельных установках. В некоторых случаях ими заменяют металлургический кокс.

Горючие сланцы

- содержат Н₂ в горючей массе (до 90%) и А (≈60%), высокий выход летучих (до 81%), является ценным сырьём для химической промышленности.

Искусственное топливо

- кокс, угольная пыль, древесный уголь

Сортировка угля по крупности кусков имеет большое значение при сжигании кускового топлива и его газификации.

Обогащение – это отделение от угля минеральных примесей.

Брикетирование – применяется для топливной мелочи. Производится с применением связующих веществ в количестве 6 – 9%.

Пылеприготовление – измельчение угля до пылеобразного состояния, обеспечивающее полное сгорание топлива с получением высоких температур.

Для получения пыли, уголь дробят и размалывают на шаровых мельницах с одновременной сушкой воздухом температурой 250 – 350⁰С. процесс в мельнице отлаживают так, чтобы температура на выходе не превышала 70 – 100⁰С во избежание самовозгорания. Поэтому приготовленную пыль в смеси с воздухом должна быть использована по мере получения. Пыль подают к бункерам, затем пыль поступает к горелкам на сжигание.

Коксование – основной метод физико-химической переработки твердого топлива.

Получаемый металлургический кокс обладает большой механической прочностью и большой прочностью на истирание. Коксование осуществляется в специальных печах. При коксовании измельченный каменный уголь нагревают до температуры 900 -1100⁰С без доступа воздуха. Выход кокса зависит от содержание летучих и обычно составляет 70 – 80%.

При коксовании уголь претерпевает изменения:

а) – при нагреве до 100-150⁰С происходит испарение гигроскопической влаги топлива;

б) – при нагреве до 200⁰С выделяется углекислота, адсорбированная углем, и начинается процесс взаимодействия элементов, входящих в состав угля (C, H, O) с образованием H₂O и CO₂; при дальнейшем нагреве начинается выделение смолы;

в) – при температуре 400 -500⁰С уголь переходит в пластическое состояние, смола также выделяется, увеличивается выход газов, в составе которых содержится Н₂, СН₄, тяжелые углеводороды, N₂;

г) – при температуре выше 500⁰С пластинная масса снова отвердевает, выделение смолы прекращается, выделяющиеся газы содержат Н₂, СН_4, N_2;

д) – при температуре 1100⁰С процесс выделения летучих заканчивается, полученный пористый остаток – кокс – при повторном нагреве в пластичное состояние не переходит.

Сжигание твердого топлива

Кусковое топливо для нагрева в металлургических печах не применяется, т.к. оно используется для нагрева печей небольшой мощности.

Широко используется пылевидное топливо. Пылевидное топливо обычно сжигается в рабочем пространстве печи, когда нежелательна высокая температура, сжигание производится в специальной камере. Пылевоздушная смесь вдувается через горелку в камеру или рабочее пространство печи с таким расчетом, чтобы горение частицы полностью закончилось во взвешенном состоянии. Скорость пылевоздушного потока на выходе из горелки должна быть больше скорости воспламенения во избежание втягивания пламени в горелку. Часто она равна 15-20 м/с. Скорость воспламенения угольной пыли 1-13 м/с. Для аэрирования пыли достаточно небольшого количества воздуха (25-50% от общего количества), остальной воздух, подогретый до температуры 300 - 400⁰С для ускорения воспламенения, со скоростью не менее 30 м/с.

Простейшая горелка применяется при очень тонком помоле (размер частицы ≈ 50мкм) и топлива с высоким выходом летучих (35%).

Ещё существует вихревая горелка конструкции Гинцветмета. Эта горелка даёт более короткий факел и повышает производительность.

Жидкое топливо

Естественное топливо

Нефть – единственное естественное жидкое топливо органического происхождения.

Она образовалась в местах скопления растительных и животных остатков. Нефть представляет собой смесь различных углеводородов с небольшой примесью кислородных, азотистых и сернистых органических соединений.

Себестоимость добычи нефти ниже себестоимости добычи каменного угля в несколько раз.

Искусственное топливо

- бензин, керосин, мазут, солярка, каменноугольная смола.

Крекинг-процесс – переработка мазута под давлением с нагревом до 700⁰С.

Этот процесс позволяет увеличить выдох наиболее ценных светлых фракций нефти до 40-70%. Остаток (керосин, мазут) используется как топливо.

Мазут – является распространенным топливом для металлургических печей. Состав мазута близок к составу сырой нефти, однако W мазута может колебаться в широких пределах:

W^p = 0,5 – 10%

= 36000 – 40800кДж/кг

По содержанию S мазуты подразделяются на 3 группы:

- малосернистые (S^r ≤ 0,5%)

- сернистые (S^r = 0,5 – 1,0%)

- высокосернистые (S^r ≥ 1%)

Присутствие серы ухудшает качество нагреваемого металла, применение сернистых и высокосернистых мазутов ограничено. Эксплуатационными характеристиками мазута является вязкость и температуры вспышки и застывания.

Вязкость – или внутреннее трение, измеряется вискозиметрами.

Зависит от состава мазута и температуры. Для облегчения транспортировки по трубам и лучшего распыления мазута его подогревают до 70 - 80ºС

Температура вспышки нефтяного топлива – это температура, при которой пары его с воздухом дают вспышку по соприкосновении с пламенем.

Эта температура значительно ниже температуры воспламенения.

Температура застывания – температура, при которой нефтяное топливо теряет свою подвижность и переходит в твердое состояние.

Температура застывания тем выше, чем больше в топливе парафина, и лежит в пределах 5-36ºС.

Сжигание жидкого топлива

Сжигание жидкого топлива происходит в распыленном состоянии, виде мелких капель. Распыление осуществляется с помощью форсунок, в которых для распыления топлива используется подаваемый под давлением воздух и водяной пар.

По характеру распыления форсунки делятся на две группы:

1. Форсунки низкого давления – работают при малых скоростях распыления (70 – 75 м/с) и большом его объеме.

2. Форсунки высокого давления, в которых в качестве распылителя используется водяной пар под избыточным давлением 600 – 2500кПа или компрессорный воздух под избыточным давлением 600 – 800 кПа.

Наиболее распространенной форсункой высокого давления является форсунка В. Г. Шухова. В этой форсунке скорость истечения распылителя не превышает скорости звука, т.е. 330 м/с. Форсунки Шухова характеризуются узким и длинным факелом, что ограничивает их применение в печах длинною более 4-5 м.

Большей производительностью обладают форсунки Днепровского металлургического института. Скорость истечения распылителя в данном случае превышает скорость звука, достигая 750 – 1000 м/с. Это обеспечивает хорошее распыление.

Газообразное топливо

Естественное топливо

Природный газ – добывается на многих газовых месторождениях, а также при добыче нефти, как сопутствующий.

Состав природного газа различный для различных месторождений, однако всегда в его составе преобладает СН₄ (более 90%).

Происхождение природного газа в настоящее время рассматривается как результат бактериального разложения органических остатков в толще осадочных пород.

Искусственное топливо

Коксовый и доменный газы – является побочным продуктом соответствующих процессов и как топливо используется у мест их получения.

Генераторный газ – получается в результате превращения горючей массы твердого топлива в газообразном состоянии под воздействием О₂. Процесс газификации происходит в специальных установках – газогенераторах.

Воздушный газ – получают при дутье воздухом. Процесс газификации в конечном итоге представляет реакцию:

2С + О₂ + 3,76N₂ = 2CO + 3,76 N₂ + 246450кДж

Теплота сгорания воздушного газа невелика

= 4,39МДж/м³

Водяной газ – получается при пропускании водяного пара через раскаленный кокс.

Водяной пар взаимодействует с углеродом кокса по реакции:

H₂O + C = CO + H₂ – 118827 кДж

Над слоем топлива получается газ состоящий из 50% окиси С и 50% H₂, теплота сгорания которого 11,7 МДж/ м³.

Смешанный газ – имеющий наибольшее применение получается при одновременном введении под колоски воздуха и водяного пара.

Теплота сжигания смешенного газа выше, чем теплота сгорания воздушного газа, поскольку в нем меньше содержание N₂, т.к. часть необходимого для горения О₂ поступает с водяным паром.

Сжигание газообразного топлива

Для сжигания газообразного топлива используют горелки. Они делятся на три типа:

1. Горелки с полным предварительным смешением;

2. Горелки с частичным предварительным смешением;

3. Горелки с внешним смешением.

Горелки с полным предварительным смешением

В горелках такого типа смешение газа с воздухом обеспечивается до выхода его в печь при малом коэффициенте избытка воздуха. Эти горелки также называют беспламенными. Такие горелки с успехом используются для сжигания малокалорийного топлива.

Горелки с частичным предварительным смешением

В горелках этого типа процесс перемешивания газа с воздухом осуществляется в рабочем пространстве печи. Эти горелки также называют пламенными. Распространены два типа пламенных горелок:

- «труба в трубе»

- турбулентные.

Горелки типа «труба в трубе» могут работать на всех видах газообразного топлива при небольших давлениях газа. Они могут работать при подогретом газе и воздухе. В таких горелках смешение газа с воздухом недостаточное, и факел получается длинным.

Турбулентные горелки отличаются от других тем, что воздух поступает тангенциально по отношению к газовой струе. Турбулентные горелки широко применяются в нагревательных и термических печах.