12. Топливо и основы горения

12.1. Общие сведения

Топливом называют различные естественные и искусственные вещества, при сжигании которых выделяется большое количество тепла и которое технически выгодно использовать для получения тепловой энергии.

Топливо, добываемое из недр земли в готовом виде, называют естественным (уголь, торф, сланцы, газ), а получаемое путём переработки горючих веществ и природного топлива – искусственным (кокс доменных печей, моторные топлива, коксовый и генераторный газ и др.)

До недавнего времени потребность в топливе наша страна удовлетворяла в основном за счёт ископаемых углей. В последнее время сдвиг в структуре топливного баланса произошёл в сторону нефтепереработки и добычи газа.

12.2. Элементарный состав топлива

В элементарный химический состав входят горючие вещества: углерод С, водород Н, сера S. Кроме того, топливо содержит кислород О, азот N, находящиеся в сложных соединениях, негорючие минеральные вещества, превращающиеся при сжигании в золу А и влагу W.

Углерод С – основная составляющая топлива, в котором он находится в виде сложных соединений с другими элементами. Содержание его в антраците до 93 %, в мазуте до 85 %, в древесине около 50 %. Теплота сгорания углерода около 33 МДж/кг.

Водород Н – имеется во всех топливах в количестве 3…5 % и только в мазуте его содержание составляет 12…14 %. Водород находится в топливе в виде различных соединений. Горит только водород не связанный с кислородом топлива. Теплота сгорания водорода 120 МДж/кг.

Сера S – в топливе бывает в основном в двух видах: в сернистых соединениях с металлами (FeS₂, ZnS и др.) и в сернокислых соединениях (FeSO₄, MgSO₄, CaSO₄ и др.). В первом случае сера может гореть и составляет летучую горючую серу. Во втором случае сера не горит. В твёрдом топливе содержание серы достигает 8 %, в жидком 3,5 %. Теплота сгорания серы около 9 МДж/кг.

Кислород О – является балластом топлива, так как вступая с горючими элементами в реакцию, окисляет их и этим понижает тепловую ценность топлива. Содержание кислорода колеблется от долей процента в мазуте и каменных углях до 45 % в дровах.

Азот N2 – элемент инертный, не участвующий в реакции горения. В твёрдом топливе содержание доходит до 3 %, в мазуте доли процента. Азот топлива при температуре свыше 1550 ^оС превращается в токсичные окислы NO и NO₂.

Зола А представляет собой негорючую минеральную часть топлива. Зольность колеблется от долей процента в мазуте до 55 % в угле.

Влага W, находящаяся в топливе, понижает его тепловую ценность, так как на её испарение расходуется часть тепла топлива. В жидком топливе влага составляет около 1 %, в газообразном её почти нет, а в углях – 1,5…2,5 %.

12.3. Характеристики топлива

Элементарный состав топлива в процентах по массе выражается следующей формулой:

.

Это так называемая рабочая масса топлива, то есть такой его состав, в каком оно подаётся в топку. Рабочая масса не даёт возможность судить о топливе как о горючем, так как она неустойчива и зависит от способа его добычи, перевозки и хранения. Содержание золы и влаги значительно колеблется, поэтому в различных расчётах и изучении свойств топлива приходится пользоваться искусственно созданными производными этого основного состава, лишая его того или иного компонента.

Путём искусственной подсушки пробы при можно удалить всю влагу, как внешнюю, так и внутреннюю, и тогда останется сухая масса:

.

Так как азот и кислород находятся в топливе в связанном состоянии, то, исключив золу, получим горючую массу:

.

Такое деление на массы условно.

Технические условия на поставку топлива даются по горючей массе, так как она является более устойчивой. В теплотехнических расчётах принято иметь дело с рабочей массой.

Для вывода пересчетной формулы с одной массы на другую, например из горючей в рабочую, запишем:

;

.

Тогда, если обозначим через содержание какого-либо элемента в рабочей массе, а через – в горючей, то, очевидно, можно написать:

.

Аналогично можно найти все коэффициенты.

Наряду с элементарным составом, одной из основных характеристик топлива является его теплота сгорания. Различают высшую и низшую теплоту сгорания.

Высшей теплотой сгорания называется количество теплоты, которая выделяется при полном сгорании 1 кг топлива с последующим охлаждением продуктов сгорания до температуры конденсации водяных паров и использование теплоты конденсации для нагрева.

Низшей теплотой сгорания называется количество теплоты, которая выделяется при полном сгорании 1 кг топлива без использования теплоты конденсации водяных паров для нагрева.

Пересчёт высшей теплоты сгорания на низшую производится следующим образом.

Если учесть, что теплота испарения воды равна примерно 2500 МДж/кг и что при окислении одной массовой единицы водорода получается девять массовых единиц воды, то теплота, потребная на испарения воды, будет равна:

,

откуда

.

Если условно принять, что горючие элементы в топливе находятся в виде механической смеси, то можно вывести приближенную формулу для оценки .

Д.И. Менделеев получил полуэмпирическое выражение:

,

где три первые коэффициента, умноженные на 100, выражают теплоту сгорания углерода, водорода и серы, а четвёртый – теплоту парообразования воды.