2. Состав и свойства твердого жидкого и газообразного топлива. Низшая и высшая теплота сгорания топлива. Понятие условного топлива

СОСТАВ ТВЕРДОГО И ЖИДКОГО ТОПЛИВА

В состав твердого и жидкого топлива входят горючие элементы: углерод С, водород Н, сера S, а также негорючие элементы (внутренний и внешний балласт) – кислород О, азот N, влага W и зола А. Топливо, которое используется для сжигания, называется рабочим, и перечисленные элементы дают с индексом «р», т.е. на рабочую массу топлива. Расчеты ведут на 1 кг топлива. Если из топлива удалить влагу, то останется сухая масса. Если у сухой массы удалить золу, то получим горючую массу топлива. Если выделить из горючей массы топлива летучую и колчеданную серу, то оставшаяся часть органической серы определит органическую массу. Если пробу топлива долго хранить в сухом помещении, то оставшаяся внешняя и гигроскопическая влага дает аналитическую массу топлива.

Углерод С – главная составляющая топлив. При окислении с кислородом образуется углекислый газ СО2 и 33 МДж теплоты. При недостатке воздуха или плохой тяге образуется окись углерода СО, или угарный газ, который без цвета, запаха и вкуса, токсичен, легче воздуха (ρ = 1,25 кг/м3), горюч, взрывоопасен. Угарный газ скапливается в «мертвых» зонах газоходов и при взаимодействии с воздухом может произойти взрыв, поэтому в обмуровке не должно быть трещин и неплотностей. Окись углерода может догореть (при t = 650 °С), если подвести добавочный воздух.

Водород Н – его содержание небольшое, но дает теплоты в четыре раза больше, чем углерод, т.е. 120 МДж.

Сера S – встречается в трех видах: органическая и колчеданная или летучая горючая сера, а также сульфатная негорючая сера. Летучая сера дает 10 МДж теплоты. Сернистые соединения в сочетании с водяными парами вызывает коррозию стальных труб и повышает точку росы уходящих газов. Сернистый газ SO2 вредно действует на окружающую среду.

Кислород О – находится в соединении с горючими элементами топлива, поэтому не способствует выделению химической энергии топлива.

Азот N – содержится в топливе в малых количествах, в горении не участвует и переходит в свободном состоянии в продукты сгорания.

Влага W – разделяется на внешнюю, попавшую в пласт при добыче, транспортировке, хранении, из атмосферного воздуха, и внутреннюю, входящую в состав кристаллогидратов минеральных примесей топлива. Влага отрицательно влияет на качество топлива и работу теплогенератора, так как на ее испарение в топке используется полезная теплота, увеличивается температура точки росы, увеличивается количество дымовых газов, что приводит к перерасходу электроэнергии для их удаления и т.д.

Зола А, или зольность, понятие условное, так как зола в топливе не содержится, а получается при сжигании. Легкоплавкая зола вызывает зашлаковывание котлов и колосниковых решеток, что препятствует доступу воздуха к топливу. Летучая зола – пылевидные фракции, выносимые продуктами сгорания из топки и осаждающиеся в газоходах на трубках котла, экономайзера, воздухоподогревателя, что снижает теплопередачу от топочных газов к воде, уменьшает КПД и увеличивает расход топлива. Для очистки от золы используют обдувку в паровых и дробеочистку в водогрейных и паровых котлах.

Если твердое топливо нагревать без доступа воздуха до 850°C (сухая перегонка), то из топлива выделяются летучие вещества (углеводороды, сера, водород, кислород, азот, влага) и остается твердый остаток (углерод и зола) – кокс. Количество летучих веществ определяют в процентах к рабочей или горючей массе топлива и называют выходом летучих. Чем больше выход летучих, тем легче воспламеняется топливо, и выше его реакционная способность при горении, но необходимо иметь более высокие топки.

СВОЙСТВА ЖИДКОГО ТОПЛИВА

Жидкое топливо получается из нефти методом термической разгонки (крекинга). В зависимости от температуры получают фракции: бензин (200…225°C), керосин (140…300°C), дизельные топлива (190…350 °С), мазуты (> 350°C). Мазуты для котельных делятся на:

• флотские Ф-5 и Ф-12 – для использования в судовых котлах, газотурбинных установках и двигателях;

• топочные мазуты М-40, М-100 и другие, которые в зависимости от содержания серы делятся на малосернистые (S < 0,5 %), сернистые (S =0,5…2 %), высокосернистые (S > 2 %);

• топочные печные бытовые (ТПБ).

• теплота сгорания 39…42 МДж/кг;

• относительная плотность – отношение плотности нефтепродукта при 20°C к плотности дистиллированной воды при 4 °С (0,9…1,02);

• вязкость условная (ВУ) – отношение времени истечения 200 см3 нефтепродукта при определенной (50, 80, 100 °С) температуре, ко времени этого же объема дистиллированной воды при 20°C; для обеспечения перекачки и сжигания топочного мазута (кроме ТПБ) в котлах его подогревают до 70…115°C, для того чтобы ВУ = 3…6 °.

• температура вспышки (80…110°C) – когда нагретое топливо выделяет пары, которые в смеси с воздухом могут вспыхнуть при подносе к ним пламени;

• температура застывания (от .10 до + 42°C) – при которой оно загустеет настолько, что при наклоне пробирки с топливом на 45° к горизонту его уровень остается неподвижным в течение 1 мин.

СОСТАВ И СВОЙСТВА ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА

В газообразном топливе газовых месторождений преобладает метан СН4 (80…98%), тяжелые углеводороды (этан, пропан, бутан и т.д.), водород, сероводород, в небольших количествах кислород, азот, углекислый газ

и водяные пары. Состав газообразного топлива дается в процентах по объему [3, 12, 17], а расчеты ведут исходя из единиц объема сухого газа, взятого при нормальных условиях.

При окислении 1 м³ метана образуется углекислый газ, водяные пары и 36 МДж теплоты; этана – 63,8 МДж, пропана – 91,4 МДж, бутана – 120 МДж и т.д.

Природный газ не имеет цвета, запаха, вкуса, легче воздуха (плотность 0,75 кг/м3). Теплота сгорания 33…40 МДж/м³. Природный газ на человека оказывает удушающее воздействие (смертельная доза – 25 % от объема помещения).

Содержание вредных примесей регламентируется ГОСТ 5542–87, ввиду того, что смола приводит к отложениям на стенках труб; пыль ухудшает процесс горения и засоряет приборы; аммиак NН3 токсичен и воздействует на медные сплавы; влага увеличивает коррозию труб, арматуры и снижает теплоту сгорания. Поэтому газ до подачи осушают специальными поглотителями; относительная влажность газа должна быть не более 60% при самой низкой температуре в газопроводе.

Основные недостатки и преимущества газообразного топлива перед другими видами топлива: недостатки – взрывоопасен, пожароопасен, оказывает удушающее воздействие на человека, трудно обнаружить утечку;

преимущества – легко транспортируется, поддается автоматизированному процессу сжигания, не нужны склады для хранения, хорошие санитарные условия на рабочем месте.

ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА

Количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы топлива, называется его теплотворностью, или теплотой сгорания и измеряется в кДж/кг или кДж/м³. Теплота сгорания – основной параметр органического топлива, характеризующий его энергетическую ценность. Различают высшую Q_в^р и низшую Q_н^р теплоту сгорания. Высшей теплотой сгорания топлива называют количество теплоты, выделенное 1 кг (или 1 м³) рабочего топлива, с учетом конденсации водяных паров образующихся от окисления водорода и испарения влаги топлива. Низшей теплотой сгорания топлива называют количество теплоты, выделенное 1 кг (или 1 м³) рабочего топлива, без учета конденсации водяных паров из топочных газов. Теплота сгорания рQн меньше рQв на теплоту парообразования водяных паров (2460 кДж/кг).

В реальных условиях дымовые газы и, в том числе, водяные пары уходят в атмосферу без конденсации и поэтому для расчетов расхода топлива используют низшую теплоту сгорания топлива.

Удельная теплота сгорания твердого и жидкого топлива определяется сжиганием 1 г топлива в калориметрической бомбе, заполненной кислородом, которая помещается в сосуд (калориметр) с водой, а приращение температуры воды измеряется метастатическим термометром. Удельная теплота сгорания газообразного топлива определяется в калориметре путем сжигания исследуемого газа в воздушной среде. Расход газа измеряется счетчиком, а выделившаяся при этом теплота передается потоку проточной воды, расход которой определяется взвешиванием, а приращение температуры – термометрами.

Учет запасов разных видов топлива ведут в пересчете на условное топливо, теплота сгорания которого принимается равным 29 308 кДж/кг (7000ккал/кг). Для перевода натурального топлива Вн в условное – Ву, используют тепловой эквивалент Э = рQн / 29308, и тогда Ву = Вн Э.