Свойства энергетического топлива и его горение
3. Свойства энергетического топлива и его горение
Общая характеристика энергетического топлива
Топливом называют горючие вещества, выделяющие в процессе горения значительное количество тепловой энергии, которая используется в котель¬ных установках, двигателях внутреннего сгорания, газовых турбинах и др.
По происхождению различают топливо естественное и искусственное, а по физическому состоянию топливо подразделяется на твердое, жидкое и газообразное.
К искусственным относятся топлива, получаемые в резуль¬тате переработки природных топлив и как побочный продукт в различных технологических процессах.
К естественному твердому топливу относятся горючие сланцы, торф, дрова, бурый и каменный уголь, антрациты; к есте¬ственному жидкому топливу — нефть; к естественному газообразному — при¬родный газ газовых месторождений. В результате переработки нефти на спе¬циальных заводах получают искусственные жидкие топлива — бензин, ма¬зут и др., а при сухой перегонке (т. е. при нагревании без доступа воздуха в специальных печах каменных углей) получают коксовый газ. Искусственным твердым топливом являются каменноугольный кокс, древесный уголь и др.
Элементарный состав топлива. Различают рабочую, сухую и горючую массы топлива. Поэтому при буквенном обозначении вещества, входящего в состав топлива, вверху (верхний индекс) ставят буквы «р», «с» или «г». Под рабочей массой понимают топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю. Для 1кг топлива уравнение элементарного состава записыва¬ется в виде
CP+HP+SP+OP+NP+AP+WP=100%.
В этом уравнении углерод С, водород Н и сера S образуют горючую часть топлива. Негорючая часть образует балласт: внешний — зола (А) и влага (W) и внутренний — кислород О и азот N, которые, не являясь теплообразующи-ми элементами, забирают тепло и нагретыми уходят в атмосферу. Зола — смесь минеральных веществ, остается после полного сгорания всей горючей части топлива.
Рекомендуемые материалы
Если из топлива исключить внешний балласт, то получаем горючую мас¬су топлива:
Cг+Hг+Sг+Oг+Nг=100%.
Состав топлива по горючей массе дает возможность сравнивать одно топ¬ливо с другим без учета влияния на этот состав внешних факторов.
Сухая масса топлива соответствует обезвоженному топливу:
СС + НС + SC + OC + NC + АС = 100%.
Самые ценные составляющие топлива — углерод и водород.
Теплота сгорания топлива. Основной и общей для всех видов топлива ха-рактеристикой является теплота сгорания, т. е. количество тепла, ко¬торое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого и жидкого или 1м3 газообразного топлива.
Различают высшую QB и низшую QН теплоту сгорания топлива.
Высшая теплота сгорания топлива — количество тепла, выделяющееся при полном сгорании единицы массы (объема) топлива, при условии, что вода, образую¬щаяся при горении, будет находиться в жидком состоянии. Низшая теплота сгорания — количество тепла, выделяющееся при полном сгорании едини¬цы массы (объема) топлива, при условии, что вода, образующаяся при горе¬нии, будет находиться в парообразном состоянии. Как правило, при сжигании топли¬ва водяные пары уходят с дымовыми газами в атмосферу и скрытая тепло¬та парообразования не используется. Поэтому все теплотехнические расче¬ты обычно ведутся по низшей теплоте сгорания.
Горение топлива. Горением называют одну из форм процесса окисления, т. е. соединения химических элементов (горючих составляющих топлива) с кислородом. Отличительной особенностью процесса горения является то, что он протекает с выделением значительного количества тепла. В топках котлов используют самый распространенный в природе окислитель — атмос¬ферный воздух, 21% (по объему) которого составляет кислород.
Процессы горения подразделяют на гомогенный и гетерогенный.
Гомоген¬ным называют процесс горения, который происходит в однородной массе. Например, горение смеси газа с воздухом, смеси паров жидкого топлива с воздухом.
Гетерогенным называют процесс горения, при котором горючее ве¬щество и окислитель находятся в различных состояниях (горение твердого топлива).
Воспламенение топлива происходит лишь тогда, когда температура его достигает определенной величины. Каждое топливо имеет свою температуру воспламенения.
Температура воспламенения топлива — это минимальная температура, при которой в данных условиях горючая смесь топлива и кис¬лорода воздуха начинает гореть. Для торфа она примерно 250, для дров — 300, каменного угля — 350, бурого угля — 300, антрацита — 500, жидкого топлива — 350, природного газа — 600 оС.
Особенности горения топлива в каждом отдельном случае определяются рядом факторов: видом сжигаемого топлива, способом сжигания. Способ сжи¬гания сказывается на процессе горения в основном при сжигании твердого топлива, когда различают горение кускового топлива в слое и размолото¬го, пылевидного топлива в факеле. Жидкое и газообразное топливо сжигает¬ся в факеле, причем жидкое топливо предварительно распыляется на мелкие капли.
На процесс горения влияют: конструкция топки, концентрация кислоро¬да в воздухе, подаваемом для горения, давление, при котором происходит го¬рение, и др. Для большинства топочных процессов, протекающих при давле¬нии, близком к атмосферному, наиболее существенным фактором является температура.
Основной горючей составляющей топлива является углерод, который содержится в значительном количестве в топливе всех видов. Чем больше углерода в топливе, тем больше оно выделяет тепла при горении.
Горение углерода происходит в соответствии с реакцией
С + О2 = СО2,
продуктом которой является углекислый газ СО2. Такая реакция является реакцией полного горения, так как полученный продукт дальше гореть не мо¬жет. При неполном горении углерода образуется оксид углерода (угарный газ СО), реакция горения при этом имеет вид
С + 0,5О2 = СО.
Горение оксида углерода происходит в соответствии с реакцией СО + 0,5О2 = СО2. Для оксида углерода СО высшая QB и низшая QH теплота сгорания равны между собой, так как при горении этого газа не образуются водя¬ные пары.
При неполном горении не вся химическая энергия топлива преобразует¬ся в теплоту, часть ее остается в уходящих газах и выбрасывается через ды¬мовую трубу в атмосферу.
Водород является второй важнейшей частью топлива. В топливе водород частично находится в связанном с кислородом виде, составляя внутреннюю влагу топлива. Водород играет большую роль в образовании летучих веществ, выделяющихся при нагревании твердого топлива.
Горение водорода: происходит в соответствии с реакцией
Н2 + 0,5О2 = Н2О,
в результате которой образуются водяные пары Н2О.
Кислород является балластом. Не будучи теплообразующим элементом и связывая водород топлива, кислород снижает его теплоту сгорания.
Сера содержится в топливе в виде органических соединений и колчедана, объединяемых в летучую серу. Кроме того, сера входит в состав топлива в виде сернистых солей — сульфатов, не способных гореть. Сульфатную серу принято относить к золе топлива.
Горение серы происходит в соответствии с реакцией
S + О2 = SO2 ,
в ре¬зультате которой образуется ядовитый сернистый газ SO2.
Присутствие серы снижает качество топлива, так как сернистые газы, со¬единяясь с водой, образуют серную кислоту и разрушают металл котельного оборудования, а попадая в атмосферу, вредно действуют на живые организ¬мы и растительность. Сернистые газы, проникая в рабочие помещения, мо¬гут вызвать отравление обслуживающего персонала.
Азот является балластной инертной составляющей топлива. Азот, нахо¬дящийся в топливе, в реакциях горения не участвует. В процессе горения азот отнимает от пламени теплоту. При сгорании топлива азот в продуктах сгора¬ния содержится как в свободном виде, так и в виде оксидов NOх, которые относятся к вредным составляющим продуктов горения.
Зола представляет собой балластную смесь различных минеральных ве¬ществ, остающихся после полного сгорания всей горючей части топлива. На качество топлива зола влияет отрицательно.
Влага топлива складывается из внешней, или механической, вызванной поверхностным увлажнением кусков топлива и заполнением влагой пор и капилляров, и равновесной, называемой гигроскопической, которая устанав¬ливается в материале при длительном соприкосновении с окружающим воз¬духом. Влага своим присутствием в топливе уменьшает долю горючих эле¬ментов в единице массы или объема топлива и, испаряясь при горении топ¬лива, отнимает много теплоты.
Коэффициент избытка воздуха. Если известен элементарный состав ра¬бочей массы топлива, то можно теоретически определить количество возду¬ха, необходимое для его полного сгорания (стехиометрический объем воз¬духа). Под стехиометрическим (теоретическим) объемом воздуха для горе¬ния понимается количество воздуха, необходимое для полного сжигания еди¬ницы объема или единицы массы топлива, вычисляемое по химическому составу топлива. При определении расхода воздуха учитывают, что для твер¬дого и жидкого топлив состав рабочей массы задается в процентах, а горючи¬ми составляющими являются углерод, водород и сера.
Например, в соответствии с реакцией горения: С + О2= СО2 для сжига¬ния 1 кг углерода потребуется кислорода:
VО2 = 32 / (12 • 1,428) = 1,87 м3/кг,
где 1,428 — плотность кислорода, кг/м3, атомная масса молекулы углерода — 12, а кислорода — 16.
Объем необходимого для горения воздуха составит — 8,9 м3/кг , так как в воздухе содержится 21% кислорода. При сжигании топлива теоретическое количество расходуемого на горение сухого воздуха, с учетом кислорода, имеющегося в топливе, может быть найдено по формулам для твердого и жидкого или газообразного топлива, приведенным в норматив¬ном методе теплового расчета котельных агрегатов.
Под фактическим объемом воздуха, необходимым для горения, понимает¬ся количество воздуха, действительно израсходованное для сжигания еди¬ницы объема или массы топлива. Это количество воздуха должно быть несколько большим теоретического (стехиометрического), так как при прак¬тическом сжигании топлива часть воздуха не участвует в горении из-за не¬достаточного перемешивания воздуха с топливом, а также из-за того, что воздух не успевает вступить в соприкосновение с горючими элементами топ¬лива и уходит в газоходы котла в свободном состоянии. Поэтому для обеспе¬чения полноты сгорания топлива в практических условиях количество воз¬духа, подаваемого к месту горения, должно превышать теоретически не¬обходимое.
Коэффициент избытка воздуха α, необходимого для горения, — это от¬ношение фактического объема воздуха для горения Vф, к стехиометрическому Vc :
Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 12 Правомерное поведение.
α = Vф / Vc.
Если, например, α = 1,2, это значит, что количество воздуха, участвующе¬го в горении, превышает стехиометрическое (т. е. теоретически необходи¬мое) в 1,2 раза (т. е. на 20%). Коэффициент избытка воздуха зависит от вида сжигаемого топлива, способа сжигания, конструкции топки и определяется на основании опытных данных. Он является важной характеристикой про¬цесса горения: уменьшение его ниже определенных пределов может привести к неполноте сгорания топлива, а увеличение — к неоправданным поте¬рям тепла с отходящими газами и снижению температуры горения.
В котлах, работающих под разрежением, в газоходах за топкой коэффи¬циент избытка воздуха обычно возрастает вследствие притока холодного воз¬духа, из-за недостаточной герметичности лючков, гляделок, обмуровки и др. Притоки воздуха в газоходы котла являются нежелательными. Они приво¬дят к снижению температуры продуктов сгорания, что ухудшает теплопере¬дачу и, как следствие, к увеличению их объема, что, в свою очередь, повыша¬ет расходы энергии на удаление продуктов сгорания. При работе котла под наддувом, когда давление в топке и газоходах выше атмосферного, приток воздуха отсутствует.
Условное топливо. При оценке эффективности использования топлива и сравнении его расходов на выработку 1 Гкал (4,187 ГДж) тепла в различных котельных установках необходимо учитывать не только количество, но и теп¬лоту сгорания этого топлива. Поэтому для удобства планирования и сравне¬ния фактических и нормативных расходов топлива пользуются понятием условного топлива (у. т.), под которым понимают топливо с теплотой сгора¬ния Q усл = 7000 ккал/кг (29,3 МДж/кг). При расходе реального топлива В с теп¬лотой сгорания Qн расход условного топлива составит
Ву т = ВQн /Qусл.
Например, если в котельной в течение одного часа сжигается 10 тонн каменного угля с теплотой сгорания QH = 5900 ккал/кг (24,7 МДж/кг), рас¬ход условного топлива составляет: 10 • 5900 / 7000 = 8,43 т/ч.
