150233 (Джерела енергії і генератори енергії), страница 2

Для даного палива чисельно найменшою величиною буде нижня теплота згоряння робочого палива Q , а найбільшою – верхня теплота згоряння органічної маси Q . У розрахунковій практиці звичайно користуються величиною Q .

Залежність між верхньою і нижньою теплотою згоряння робочого палива можна визначити за формулою

Q =Q – Q , де

Q = rGn є теплотою конденсації тієї кількості водяної пари Gn, яка утворюється в процесі горіння. Внаслідок горіння водню, відповідно до стехіометричного співвідношення 2Н2 + O2 == 2Н2О, утворюється приблизно 9 кг водяної пари. До цього треба також додати ще кг водяної пари, що утворилася внаслідок випаровування вологи палива. Отже, G кг.

Вважаючи, що r округлено (з урахуванням того, що парціальний тиск водяної пари в продуктах згоряння малий) дорівнює 2500 кДж/кг, дістанемо:

Qn =rGn =25 (9H + W ) кДж/кг

звідси

Q = Q – 25 (9H + W ) кДж/кг (9)

Аналогічно Q =Q -225 Н°. Такі співвідношення легко здобути для будь-якого складу палива. Паливо можна спалювати або при постійному тиску, або при постійному об'ємі. При цьому теплота згоряння при постійному об'ємі буде трохи більша, ніж при постійному тиску. Проте для переважної більшості палив різниця ця настільки мала, що нею нехтують.

Теплота згоряння палива не залежить від температур, які діють під час процесу, але залежить від початкової і рівної їй кінцевої температур процесу. В технічних розрахунках користуються значеннями теплоти згоряння, здобутими при температурі +20°С.

Визначити теплоту згоряння палива можна по-різному. Наближені значення теплоти згоряння можна дістати з емпіричних формул, що зв'язують теплоту згоряння палива з його елементарним складом. Найкращою формулою цього типу є формула Менделєєва:

Q = 338С +1256H + 109 (O –S ) -25 (9H – W ) кДж/кг. (10)

Якщо відома теплота згоряння якогось складу палива (наприклад, горючої маси), то значення Q для іншого складу можна здобути перерахунком. Проте в цьому разі не можна, як і при перерахунку складу палива, обмежитися простим застосуванням правила пропорцій, а треба врахувати вплив на Q того чи іншого компонента. Наприклад, якщо відоме Q і треба знайти Q , то перерахунок робиться за такою формулою:

Q =Q 25W (11)

Тут зольність робочого палива враховується один раз, а волога двічі – як компонент, що знижує кількість горючих речовин у паливі, і компонент, що потребує затрати теплоти для свого випаровування.

Більш надійно теплоту згоряння палива можна визначити в калориметричній установці, схему якої показано на мал. 1.

Мал. – 1 калориметрична установка: 1-калориметрична бомба; 2-резервуар калориметра; 3 - двостінний захисний кожух з водою; 4 - мішалка; 5 - термометр; 6 - приводний механізм мішалки

Основним елементом установки є калориметрична бомба 1, в яку вміщують аналітичну пробу палива із встановленою в ній залізною дротинкою. Бомбу заповнюють киснем під тиском 25–30 бар і установлюють у посудину з водою. При вмиканні електричного струму проба палива займається від розжареної дротинки і згоряє, а теплота, що виділяється при цьому, передається воді і деталям калориметра.

За підвищенням температури води (з урахуванням теплоти, переданої деталям калориметра, і поправок) визначають найвищу теплоту згоряння аналітичної проби Q .

Нижчу теплоту згоряння робочого палива можна знайти з результатів калориметричного визначення за формулою:

Q =Q 25 (9Н +W ) (12)

Для оцінювання запасів палива, його питомих витрат і різних зіставлень користуються поняттям умовного палива, теплота згоряння якого становить 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг).

Баласт. Баластом робочого палива є сірка, зола і волога. Хоч сірка – горючий елемент, її вважають баластом, бо внаслідок її згоряння утворюються шкідливі продукти: сірчаний і (в невеликій кількості) сірчаний ангідриди. Сірчаний газ отруює атмосферу, а сірчаний ангідрид призводить до утворення сірчаної кислоти, яка роз'їдає метал елементів котлоагрегату.

Вміст леткої (органічної і колчеданної сірки) в горючій масі різних видів палива S може бути в межах: у торфі, деревині, малосірчастій нафті – 0,2–0,4%; в антрациті, кам'яному вугіллі, бурому вугіллі – 2–6%; сірчастому сланці – до 15%.

Зола палива складається з внутрішньої (первинної) і зовнішньої (прошарки породи, мінеральні речовини, внесені в процесі добування і транспортування палива). Для проектування котельного агрегату треба знати не лише, скільки золи міститься в паливі, а й її плавкість, склад і характер реакції.

Вміст золи в абсолютно сухій масі різних палив А коливається в широких межах: від 0,3% для нафти до 70% для сланців. Зольність кам'яного вугілля А^с становить 5–20%, бурого вугілля-15–35%; торфу (малозольного) – 4–10% і 10–20% (високозольного).

Плавкість золи характеризується температурами початку деформації t1, розм'якшення t2 і рідкоплавкого стану t3. Їх визначають у лабораторній печі. Значення цих температур залежить від складу золи і температури газового середовища, в якому відбувається нагрівання. З них найбільший інтерес для проектування топок становить температура початку розм'якшення t2. Залежно від температури рідкоплавкого стану t3 розрізняють: легкоплавку золу, якщо t3 <1200°С, середньоплавку, якщо t3 = 1200–1400°С, і тугоплавку, якщо t3>1400°С.

Склад мінеральних домішок різних палив дуже різноманітний. Переважними компонентами звичайно є глинозем і кремнезем. Крім того, до складу золи входять сульфати, карбонати (кальцію), луги, хлориди та інші сполуки.

Сумарний характер реакції шлаку (кислий, основний, нейтральний), що утворюється під час спалювання палива, треба враховувати при виборі матеріалу для футеровки топки. Реакція шлаку і футеровки повинна бути одного знаку, бо інакше при різко вираженому характері реакції шлаку інтенсивно руйнуватиметься футеровка.

Вміст вологи в паливі W^р коливається від 2% у нафті до 65% у здубиці. Вологість кам'яного вугілля становить 5–10%, бурого вугілля 30–58%, торфу 35–50%.

Волога палива зменшує в ньому вміст горючих речовин, знижує нижню теплоту згоряння палива як споживач теплоти для свого випаровування; переходячи у вигляді водяної пари в продукти згоряння, збільшує їх сумарну теплоємність. Усе це температуру горіння і нерідко погіршує економічність і стійкість процесу спалювання.

Вихід летких речовин. При нагріванні палива без доступу повітря (суха перегонка) відбувається термічний розклад палива з виділенням так званих летких речовин і твердого нелеткого залишку. Леткі речовини – це суміш газів і пари (пірогенетичної вологи, СО₂, пари первинних смол, СО, Н₂, СmНn, Н2S). Їх кількість і склад є важливими характеристиками палива.

До складу твердого залишку, що називається коксом, або нелетким залишком, входять вуглець С і зола А. Кокс може мати вигляд порошку, мало зв'язаних крупинок, міцної щільної або ніздрюватої маси.

Вихід летких речовин у вагових процентах на горючу масу коливається від 4% для антрациту до 85% для нафти і сланців. Проміжне положення по значенню V^г посідають: пісне кам'яне вугілля 10–15%, полум'яне кам'яне вугілля 20–45%, буре вугілля 50–60%, торф 70%.

Процес сухої перегонки при температурі 1050–1100° С називається коксуванням і широко застосовується для добування високоякісного металургійного коксу. Рідше застосовується напівкоксування палива (в основному бурого вугілля) – суха перегонка при 500–600° С. Основна мета такого процесу – здобуття цінних рідких і газових продуктів.

1.3 Характеристика окремих видів палива

Дрова. Деревина є дуже цінним матеріалом для будівництва мебельної, целюлозної й інших галузей промисловості. Тому застосовувати її як паливо недоцільно. Роль деревини в паливному балансі нашої країни дуже мала і з кожним роком зменшується.

Основою деревини є клітковина, або целюлоза (С₆Н₁₀О₅), її в деревині близько 70%. Друга складова деревини – лігнін, (СmНnОр). У ньому більше вуглецю і менше кисню, ніж у клітковині. Середній склад органічної маси деревини С° = – 50,0%, Н° == 6,1%, O° + N° == 43,9%. Теплота згоряння Q = 18 420 кДж/кг.

Склад і теплота згоряння одного кілограма органічної маси деревини дуже мало залежить від породи дров. У деревині дуже мало сірки, небагато золи (А =12%), але багато вологи; у свіжоспиляних дровах W =50%, в однорічних W =2530%. Теплота згоряння однорічних дров Q =11720 кДж/кг.

Торф. Торф – це перший (наймолодший за геологічним і хімічним віком) продукт розкладання скупчень рослинних залишків при дуже обмеженому доступі повітря. Під час розкладання виділяються СОз, Н₂О, СН₄ і NНз. Твердий продукт розкладання характеризується високим вмістом вуглецю і більш низьким вмістом кисню.

Склад торфу коливається в широких межах. Він визначається властивостями рослинних залишків (гумусовий, сапропелітовий, бітумінозний торф) і мірою їхнього розкладання (малорозкладений, дуже розкладений торф). Приблизний середній склад торфу такий: С°=58.0%, Н°=5,8%, О°=34,2%, N =2,0%, його теплота згоряння Q = 22 190 кДж/кг. Вміст сірки S =0,2–0,3%.