Характеристика отдельных видов топлива
4. Характеристика отдельных видов топлива
Твердое топливо. Классификация и свойства
Древесное топливо относится к низкокалорийному топливу. Древесное топливо содержит мно¬го летучих горючих веществ и незначительное количество золы (до 1%).
Теплота сгорания дров в основном зависит от их влажности и при содержании 40% влаги составляет 2400 ккал/кг (10 МДж/кг).
Торфом называется органическое ископаемое, образующееся в результате от¬мирания и неполного разложения болотных растений в условиях повышенного увлажнения при недостатке кислорода. Торф содержит много летучих горючих веществ. Рабочая влажность кускового торфа составляет 35-50%, фрезерного — 40-55%.
Теплота сгорания торфа в основном определяется его влажностью и при содержании 40-50% влаги составляет в среднем 2000-2500 ккал/кг (8,4-10,5 МДж/кг). В связи с низкой теплотой сгорания торф, как правило, ис¬пользуется вблизи места добычи.
Уголь — это твердая горючая осадочная порода, образовавшаяся преиму¬щественно из отмерших растений в результате их биохимических, физико-химических и физических изменений. Различают следующие виды углей (ГОСТ 17070-87): бурый уголь, каменный уголь, антрацит и др.
Бурые угли представляют собой следующую после торфа стадию разло¬жения (без доступа воздуха) деревьев и других растений. Бурые угли ха¬рактеризуются высоким содержанием летучих горючих веществ и кислоро¬да и склонны к самовозгоранию. У них малая механическая прочность. Некоторые сорта бурых углей содержат большое количество серы. У отдельных видов бурых углей содер¬жание золы достигает 25% и выше. В зависимости от зольности и влажности бурых углей теплота их сгорания колеблется в широких пределах и в сред¬нем составляет 1800—5600 ккал/кг (7,5-23 МДж/кг).
Каменные угли имеют более древнее происхождение, чем бурые. У них выход летучих горючих веществ колеблется в широком диапазоне.
Рекомендуемые материалы
Каменные угли по содержанию летучих веществ разделяются на марки (табл. 1.1).
Для полной характеристики угля к наименованию класса и его условному обозначению приписывают название марки, например газовый крупный — ГК; бурый мелкий — БМ и т. д.
Теплота сгорания различных сортов каменного угля изменяется от 5500 до 7000 ккал/кг (23-29,3 МДж/кг).
Антрацит. По своей характеристике антрацит отличается от каменных уг¬лей малым содержанием летучих горючих веществ Vл , равным 1-2%, неболь¬шим содержанием влаги 5-7% и высокой теплотой сгорания 6000-7000 ккал/кг (25,1-29,3 МДж/кг). Антрацит обладает большой механической прочностью, не изменяется на воздухе и не способен к самовозгоранию.
Горючие сланцы представляют собой продукты разложения в воде без дос¬тупа воздуха растительных и животных микроорганизмов. Сланцы характе¬ризуются большим выходом летучих веществ на горючую массу, достигающим 70-80%, значительным содержанием золы (до 40-60%) и серы (до 4%).
Влажность сланцев сравнительно невелика (15-20%); теплота сгорания рабочей массы сланца 1400-2400 ккал/кг (5,9-10 МДж/кг).
Жидкое топливо. Классификация и свойства жидкого топлива
Мазут относится к высококалорийному топливу (Qн = 9100 ккал/кг). По элементарному составу мазут характеризуется содержанием углерода
С — 87%, водорода Н — 11%, кислорода О и азота N до 1%. По содержанию серы S мазут делят на два класса: малосернистый (с содержанием серы до 1%) и вы¬сокосернистый (2,5%). Мазут обычно содержит некоторое количество воды, увеличивающееся при разогреве в цистернах паром
(рис. 1.8).
Температурой вспышки мазута называют такую температуру, при ко¬торой пары его образуют с окружающим воздухом смесь, воспламеняющуюся при поднесении к ней огня. Температура вспышки мазута составляет пример¬но 90 °С. Температура вспышки определяет температуру, при которой пары мазута в определенной смеси с окружающим воздухом вспыхивают при со¬прикосновении с открытым пламенем. Во избежание пожара температура по¬догрева мазута в открытых системах всегда должна быть ниже температуры вспышки, причем недогрев обычно составляет не менее 10 °С. Закрытая сис-тема подогрева — в теплообменниках под давлением — допускает подогрев мазута до температуры вспышки.
Температура самовоспламенения мазута — 350 °С.
Объемное содержание горючего вещества (паров жидкого топлива, газа, угольной пыли и т. п.) в смеси с воздухом, ниже которого пламя не может самопроизвольно распространяться в этой смеси при внесении в нее источ¬ника огня, называется нижним пределом воспламеняемости (взрываемости) данного вещества.
По химической природе взрыв не отличается от горения, но происходит мгновенно. При взрыве смеси паров мазута с воздухом, заполняющей какую-либо емкость (помещение, топку), выделяется теплота, за счет которой рас¬ширяются продукты сгорания. Резкий скачок давления газов, образующих¬ся при горении, может разрушить ограждающие конструкции. Начавшийся процесс горения мазутовоздушной смеси будет продолжаться самопроизволь¬но, если количества теплоты, выделяющейся при горении, достаточно для нагревания поступающей смеси до температуры воспламенения.
При работе с мазутом должны соблюдаться требования «Правил взрывобезопасности при использовании мазута в котельных установках»
(РД 34.03.351-93).
Средства пожаротушения при загорании мазута: распыленная вода, пена. При объемном тушении — углекислый газ, перегретый пар.
Температура застывания — температура, при которой мазут застывает и становится неподвижной массой. Чем выше вязкость, тем выше темпера¬тура застывания. Температура застывания определяет условия перекачиваемости топлива. Температура застывания характеризует ту минимальную тем¬пературу, при которой мазут теряет свойство текучести, необходимой для пе¬рекачки и слива его без предварительного подогрева. Температура застыва¬ния зависит от химической природы исходной нефти и технологии ее переработки. На температуру застывания мазута заметно влияет содержа-ние влаги.
Плотность мазута при 20 °С: 900-1000 кг/м3. Большинство марок топоч¬ного мазута характеризуется невысокой плотностью — меньше плотности воды (которая составляет 1000 кг/м3). Некоторые сорта мазута имеют плот¬ность больше плотности воды.
Зольность. Минеральные примеси мазута состоят главным образом из водорастворимых солей, которые попадают в нефть с буровой водой, а также вхо¬дят в состав исходной нефти. При переработке нефти содержащиеся в ней минеральные примеси концентрируются в основном в более тяжелых фрак¬циях, главным образом в мазуте. Чем выше содержание минеральных приме¬сей в исходной нефти, тем больше минеральных примесей в мазуте. Зольность мазута на сухую массу составляет 0,1-0,3% и зависит от степени обезвожива¬ния и обессоливания исходной нефти перед ее переработкой.
Газообразное топливо. Общая характеристика газообразного топлива
Основным компонентом природного газового топлива является метан — СН4, содержание которого в отечественном природном газе может дос¬тигать 98-99% (по объему). Для метана QH составляет 8 500 ккал/м3, а Qв - 9500 ккал/м3.
Кроме метана в составе газового топлива, в общем случае, могут содержаться: тяжелые углеводороды этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Н10, пентан С5Н12, сероводород H2S, углекислый газ (диоксид углерода) СО2, азот N2. Азот и углекислый газ образуют негорючую часть газового топлива (балласт). При сгорании газа азот в продуктах сгорания может содержаться как в сво¬бодном виде, так и в виде оксидов NOX, которые относятся к вредным состав¬ляющим продуктов сгорания. Сероводород, хотя и является горючим ком¬понентом, но его присутствие снижает качество топлива, так как при его го-рении образуется сернистый газ, который вредно действует на живые орга¬низмы и растительность, кроме того, соединяясь с водой сернистый газ образует кислоту, разрушающую металл поверхностей нагрева котлов.
Поскольку природные газы, как уже отмечено выше, состоят в основном из метана, то его свойства являются определяющими для свойств природного газа.
Рассмотрим основные свойства метана:
• метан не имеет цвета, вкуса, запаха, нетоксичен, оказывает удушающее
действие на организм человека ;
• плотность метана составляет 0,72-0,75 кг/м3 (т. е. меньше плотности воз¬духа, которая равна 1,29 кг/м3);
• температура воспламенения — составляет около 600 °С и зависит от со¬отношения количества газа и воздуха в газовоздушной смеси, давления, под которым находится смесь, и других факторов;
• максимальная температура горения метана составляет 2000-2100 °С;
• пределы воспламенения — минимальная или максимальная объемная концентрация метана в неподвижной смеси с воздухом (кислородом), доста¬точная для воспламенения ее от источника зажигания — составляют: ниж¬ний предел 5% по объему, верхний — 15%.
Одоризация газов. Необходимым условием безопасного использования газового топлива является возможность обнаружения наличия его в возду¬хе при утечках. Для этого могут использоваться специальные приборы — газоиндикаторы или газосигнализаторы. Однако наиболее простым спосо¬бом является обнаружение газа в воздухе по запаху. Поскольку природные газы запаха не имеют, в газовое топливо вводят вещество с сильным харак¬терным запахом, называемое одорантом.
По сравнению с другими видами топлива газовое топливо имеет преиму¬щества:
- является наиболее благоприятным для смешения с воздухом, необходи¬мым для горения, так как и топливо, и воздух находятся в одинаковом (газо¬образном) агрегатном состоянии;
- для доставки природного газа к потребителю не нужен транспорт, а так¬же не требуется склад в пределах города для хранения газа;
- поскольку при сжигании газа не образуется шлак, то не нужен транс¬порт для его вывоза;
- условия труда обслуживающего персонала при использовании в котель¬ных газа улучшаются; чище становятся территории вокруг котельных и воз¬душный бассейн в городах;
- газовое топливо не требует подготовки перед сжиганием, как твердое (дробление, сортировка) или жидкое (подогрев, перекачка к месту горения), и позволяет наилучшим образом организовать процесс горения и автомати¬зировать регулирование расхода газа;
- при сжигании газа уменьшаются потери от химического недожога и от¬сутствуют потери от физической неполноты сгорания (вынос тепла со шла¬ком). По этой причине кэффициент полезного действия (КПД) котла на газообразном топливе, по сравнению с котлом на твердом топливе при прочих равных условиях, оказывается выше.
Основными недостатками газового топлива являются:
- повышенная взрывоопасность и пожароопасность газовоздушных смесей;
- природные газы оказывают удушающее действие на организм человека, а при неполном сгорания газа в продуктах сгорания образуется угарный газ (СО), который оказывает отравляющее действие на организм человека;
- газовое топливо обладает свойствами, которые определяют особые требования к конструкциям газового оборудования, устройству и установке го¬релок, правилам обслуживания газоиспользующих установок.
Продуктами полного сгорания любых горючих газов являются всегда водя¬ные пары Н2О и углекислый газ СО2. Продуктами неполного сгорания газов могут быть — оксид углерода СО, несгоревший метан, тяжелые углеводороды и твердый углерод в виде частичек сажи.
Однако учитывая, что при горении топлива часть кислорода воздуха ус¬певает пройти через топку, не принимая участия в горении, а азот, содержа¬щийся в воздухе и топливе, вообще не горит, то в состав продуктов сгорания топлива всегда входят еще азот N2 и так называемый свободный, избыточ¬ный кислород О2, не участвующий в горении топлива.
Вышеуказанные продукты сгорания топлива образуют сильно нагретые газы, которые, выйдя из топки, проходят по дымоходам котла или печи, от¬дают на их нагрев часть своего тепла и уходят в дымовую трубу.
Горение газового топлива
Объем воздуха, необходимого для горения газа, определяется химически¬ми реакциями с учетом того, что 1 м3 кислорода содержится в 4,76 м3 воздуха.
Реакция горения метана имеет вид: СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О, следователь¬но, для полного сгорания 1 м3 метана требуется 2 м3 кислорода.
Лекция "3 Бразилия (1918-1945)" также может быть Вам полезна.
Теоретическое (стехиометрическое) количество воздуха, необходимое для полного сгорания газового топлива, определяется количеством кислорода в соответствии с реакцией горения его отдельных горючих компонентов (метан, этан, пропан, бутан и т. д.). В соответствии с реакцией горения, для сгорания 1 м3 СН4 требуется 9,52 м3(2 • 4,76) воздуха, в которых содержится 2 м3 кислорода
Если известен состав газового топлива, то для сжигания 1 м3 его теорети¬чески необходимое количество воздуха определяют исходя из процентного содержания отдельных горючих компонентов и расхода воздуха для сжига¬ния каждого из них (за вычетом кислорода, содержащегося в самом топливе).
При горении газового топлива его горючие составные части входят в хими¬ческое взаимодействие с кислородом воздуха. Следовательно, основной зада¬чей при сжигании газа является правильный подвод к нему воздуха в доста¬точном количестве. При достаточном количестве воздуха в топке метан сгора¬ет, образуя водяные пары и углекислый газ. Такое горение метана будет пол¬ным горением, так как полученные продукты горения дальше гореть не могут.
Основными причинами неполного сгорания газа являются:
1. плохое пере¬мешивание газа с воздухом;
2. снижение температуры газового факела в от¬дельных его зонах ниже температуры воспламенения.
