Понятие топлива. Классификация топлива

Топливом называется вещество, которое при сжигании выделяет значительное количество тепла и может быть использовано для получения энергии. Оно должно соответствовать следующим требованиям: достаточность и доступность в природе данного вещества или сырья для его получения, возможность сжигания с достаточно высокой степенью использования получаемого тепла, практическая безвредность продуктов сгорания для обслуживающего персонала, применяемой аппаратуры и окружающей среды, а также экономическая целесообразность.

В зависимости от ряда признаков и соответственно свойств целесообразно деление топлива на виды.

По агрегатному состоянию топливо подразделяется на твердое, жидкое и газообразное, по происхождению — на естественное (природное) и искусственное (полученное переработкой естественного). Естественное топливо включает растительное, в основном древесное, и ископаемое, т. е. добываемое из недр земли (ископаемые угли, торф, горючие сланцы, нефть, природные и попутные газы), а искусственное — кокс, древесный уголь, бензин, мазут, доменный, коксовый газы и др.).

По масштабу применения различают топливо союзного и местного значения. К местному топливу (дальние перевозки которого нерациональны) относятся бурые угли, торф, горючие сланцы, отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности, промышленные газы.

В зависимости от характера использования различают энергетическое, технологическое и комплексное топливо. Энергетическое топливо применяют для получения тепловой энергии, технологическое – в плавильных, обжиговых и других промышленных печах. Комплексным называется топливо, из которого предварительно выделяют ценные вещества, используемые как химическое сырье (полукоксование, переработка горючих сланцев, перегонка нефти и др.), а остаточный продукт применяют как энергетическое топливо.

По поведению при нагревании топливо подразделяется на теплостойкое (кокс, древесный уголь) и нетеплостойкое (дрова, торф, сланцы, каменные угли), а по максимальной температуре, получаемой при полном сгорании, – высокой жаропроизводительности (более 2000°C) и пониженной жаропроизводительности (бурые угли, торф, дрова).

По возобновляемости в природе топливо подразделяется на возобновляемое (древесина) и невозобновляемое.

Состав топлива

Все виды твердого топлива нашей планеты своим происхождением обязаны солнечной энергии и хлорофиллу – особому веществу, содержащемуся в листьях и других зеленых частях растений, которые создают сложные органические вещества, а в дальнейшем превращаются в топливо. В своих превращениях вещество топлива последовательно проходит стадии образования торфа, бурого угля, каменного угля, антрацита.

В природе существуют различные виды твердого топлива, отличающиеся разнообразными составом и свойствами. Твердое топливо в основном образуется из высокоорганизованных растений — древесины, листьев, хвои и т. п. Отмершие части высокоорганизованных растений разрушаются грибками при свободном доступе воздуха и превращаются в торф – рыхлую, расплывчатую массу перегноя, так называемых гуминовых кислот. Скопление торфа переходит в бурую массу, а затем в бурый уголь. В дальнейшем под воздействием высокого давления и повышенной температуры бурые угли подвергаются последующим превращениям, переходя в каменные угли, а затем в антрацит.

Топливо в том виде, в котором оно добыто, включает в себя органическую массу и балласт. Органической массой топлива считают ту часть, которая произошла из органических веществ: углерода, водорода, кислорода и азота; в балласт включают серу, минеральные примеси – золу и влагу топлива.

Твердое и жидкое топливо состоит из углерода С, водорода Н, органической серы S₀ и горючей колчеданной серы S_К, кислорода О и азота N, находящихся в виде сложных соединений. Кроме указанных элементов твердого и жидкого топлива, составляющих горючую массу топлива, в состав топлива входит еще балласт – зола А и влага W.

Летучей, или горючей, серой называется: S_л = S₀ + S_К.

Состав топлива выражают в процентах по массе.

В топочной технике различают рабочую, сухую, горючую и органическую массы топлива. В связи с этим при буквенном обозначении вещества, входящего в состав топлива, вверху ставят буквы р, с, гилио. Под рабочей массой топлива понимают топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю. Состав рабочей массы топлива выражают так:

C ^Р + H ^Р + O ^Р + N ^Р + S₀ ^Р + S_К ^Р + A ^Р + W ^Р = 100%. (1.1)

Если из топлива исключить балласт, то получаем горючую массу топлива

С ^Г + Н ^Г + О ^Г + N ^Г + S₀ ^Г + S_К ^Г ₌ 100%.(1.2)

Сухая масса топлива соответствует обезвоженному топливу и состав ее следующий:

С^С + Н^С + О ^С + N ^C + S₀ ^C + S_К^C + А ^C = 100%.(1.3)

Органическая масса:

С° + Н° + О° + N° = 100%. (1.4)

Пересчет состава топлива с одной массы на другую производят по формулам:

Х^О=Х^{Г .} ; (1.5)

Х^О=Х^{С .} ; (1.6)

Х^О=Х^{Р .} ; (1.7)

Х^Г=Х^{С .} ; (1.8)

Х^Г=Х^{Р .} ; (1.9)

Х^С=Х^{Р .} , (1.10)

где Х^Р, Х^С, Х^Г, Х^О – содержание элемента соответственно в рабочей, сухой, горючей и органической массе.

Углерод и водород–самые ценные части топлива.

Углерод содержится в значительном количестве в топливе всех видов: древесине и торфе 50-58%, в бурых и каменных угля 65-80%, в тощих углях и антрацитах 90-95%, в сланцах 61-73% в мазуте 84-87% (цифры даны в процентах на горючую массу топлива). Чем больше углерода в топливе, тем больше топливо выделяет тепла при сгорании.

Состав рабочей массы топлива значительно зависит от величины балласта, поэтому чаще всего приводятся данные по составу горючей массы топлива, которая более стабильна для топлива каждого вида и месторождения.

Водород является второй важнейшей частью каждого топлива. В топливе водород частично находится в связанном с кислородом виде, составляя внутреннюю влагу топлива, вследствие чего понижается тепловая ценность топлива. Водород играет большую роль в образовании летучих веществ, выделяющихся при нагревании топлива без доступа воздуха. В состав летучих водород входит в чистом виде и в виде углеводородных и других органических соединений.

Содержание водорода в процентах от горючей массы топлива составляет: в дровах и торфе до 6, бурых каменных углях 3,8-5,8, горючих сланцах до 9,5, в антраците 2 и в мазуте 10,6-11,1.

Кислород, содержащийся в твердом топливе, является балластом. Не будучи теплообразующим элементом и связывая водород топлива, кислород снижает теплоту его сгорания. Содержание кислорода в органической массе топлива с его возрастом снижается с 41% для древесины до 2,2% для антрацита.

Азот также является балластной инертной составляющей твердого топлива, снижающей процентное содержание в нем горючих элементов. При сгорании топлива азот в продуктах сгорания содержится как в свободном виде, так и в виде окислов азота NО_Х. Окислы азота относятся к вредным составляющим продуктов сгорания, количество которых должно быть лимитировано.

Сера содержится в твердом топливе в виде органических соединений S₀ и колчедана S_К, объединяемых в летучую серу S_Л. Кроме того, сера входит в состав топлива в виде сернистых солей – сульфатов (например, гипса СаSО₂), не способных гореть. Сульфатную серу S_а принято относить к золе топлива.

Присутствие серы значительно снижает теплоту сгорания топлива, особенно высококалорийного, так как при сгорании 1 кг серы выделяется в среднем только 2600 калорий. Высокое содержание серы приводит к сильному загрязнению продуктов сгорания топлива сернистым ангидридом SO2. При наличии избыточного воздуха происходит частичное окисление SО₂ до SО₃ (соединяясь с Н₂О, образуют Н₂SО₄). Н₂SО₄ вызывает коррозию поверхности нагрева, разрушает металл котельного оборудования, попадая в атмосферу, вредно действуют на живые организмы и растительность. Содержание окислов серы в продуктах сгорания значительно повышает температуру точки росы (иногда до 140-150 °С), что ограничивает возможную глубину охлаждения дымовых газов по условиям коррозии и тем самым снижает экономичность котловых агрегатов, а также возможность использования дополнительного оборудования для использования теплоты дымовых газов. Поэтому сера – крайне нежелательный элемент для топлива. Сернистые газы, проникая в рабочие помещения, могут вызвать отравление обслуживающего персонала.

Зола топлива представляет собой балластную смесь различных минеральных веществ, остающихся после полного сгорания всей горючей части топлива. Зола топлива влияет на качество сгорания топлива отрицательно.

Различают три разновидности золы по ее происхождению: первичная –внутренняя, вторичная и третичная зола. Первичная зола образуется из минеральных веществ, содержащихся в растениях. Содержание ее в топливе незначительно и распределение равномерно. Вторичная зола получается вследствие заноса растительных остатков землей и песком в период пластообразования. Третичная зола попадает в топливо во время его добычи, хранения или транспортировки.

Зола является нежелательным балластом топлива, снижающим содержание в нем других горючих элементов. При этом, чем больше зольность топлива, тем значительней потери от механической неполноты сгорания топлива. С увеличением количества золы в топливе повышается и потеря с физическим теплом очаговых остатков.

Содержание золы в процентах от рабочей массы топлива состав­ляет: в дровах 0,6, торфе 5-7, в бурых и каменных углях от 4 до 25, в мазуте 0,3.

Влага топлива складывается из внешней, или механической, вызванной поверхностным увлажнением кусков топлива и заполнением влагой пор и капилляров, и равновесной, называемой гигроскопической, которая устанавливается в материале при длительном соприкосновении с окружающим воздухом.

При влажности твердого топлива выше 60% сжигание его в большинстве случаев становится невозможным, так как количество выделенного топливом тепла не может нагреть продукты горения даже до температуры 900 °С, при которой еще возможен устойчивый топочный процесс. С увеличением влажности топлива уменьшается теплота сгорания рабочего топлива.

С увеличением влажности топлива объем водяных паров возрастает, а следова-

тельно возрастает и объем газов, приходящихся на 1000 кал теплоты сгорания топлива. Увеличенный объем продуктов сгорания, проходящих по газоходам, вызывает увеличение температуры уходящих газов, а следовательно и бoльшие потери с ними. Одновременно повышается и расход электрической энергии на тягу как в связи с возросшим объемом газов, так и в связи с ростом сопротивлений из-за увеличения скоростей в газоходах.

Кроме того, затрата тепла на испарение влаги топлива и увеличенный объем продуктов сгорания (при повышенной влажности) являются причиной снижения температуры в топке, замедленного выделения летучих, весь топочный процесс ухудшается, и поэтому увеличиваются потери от химической неполноты сгорания.

Для оценки качества топлива и условий горения большое значение имеет выход летучих веществ. Если нагревать топливо без доступа воздуха, то под воздействием высокой температуры (от 200 до 800 °С) происходит разложение его на газообразную часть – летучие вещества (водород, метан, тяжелые углеводороды, окись углерода, немного двуокиси углерода и некоторые другие газы, т. е. в основном газообразные горючие вещества) и твердый остаток – кокс. Выход летучих определяется в процентах к горючей (т.е. везводной и беззольной) массе топлива.

Выход летучих веществ, их состав, а также температура, при которой они начинают выделяться, определяются химическим возрастом топлива: чем топливо старше по возрасту, тем меньше выход летучих и выше температура начала их выделения. Например, выход летучих торфа составляет приблизительно 70% общей массы горючей части топлива, они начинают выделяться при 120- 150 °С; выход летучих бурых и молодых каменных углей уменьшается приблизительно от 13 до 58,5%, они начинают выделяться при 170- 250°С, а антрацита – до 4% при температуре начала выделения газов около 400 °С.

Летучие вещества оказывают большое влияние на процесс горения топлива: чем больше выход летучих, тем ниже температура воспламенения и легче зажигание топлива и тем больше поверхность фронта пламени. Топливо с большим выходом летучих (торф, бурый уголь, молодой каменный уголь) легко загорается и сгорает быстро с малой потерей тепла. Топливо с малым выходом летучих, например антрацит, загорается значительно труднее, горит медленнее и сгорает не полностью.

При прочих равных условиях, чем больше выход летучих, тем меньше потери от механической неполноты сгорания топлива и тем меньшими могут быть выбраны коэффициенты избытка воздуха, что положительно скажется на экономичности печного агрегата.

Кокс, оставшийся после полного выделения летучих, состоит из углерода и минеральных топливных примесей.

Газообразное топливо представляет собой простую механическую смесь горючих и негорючих газов. В горючую часть могут входить окись углерода (СО), водород (Н₂), метан (CH₄), тяжелые углеводороды (C_mH_n), и иногда сероводород (H₂S).

В негорючую часть могут входить кислород (O₂), азот (N₂) и двуокись углерода (CO₂). В состав газообразного топлива, кроме того, входят и примеси - водяные

пары, смолы, пыль и т.п.

Газообразное топливо принято характеризовать составом сухой газообразной части в % по объему. Содержание влаги определяет масса воды в единице объема сухого газа (W, г/м3). При анализе газообразного топлива влага не учитывается, поэтому сухое топливо пересчитывают на влажное, используя следующие зависимости:

Х^ВЛ=Х^СУХ. ; (1.11)

Н₂О=0,1242W^. . (1.12)

Рассмотри подробнее состав отдельных видов топлива.

Древесина – это твердое топливо, используемое преимущественно в мелких котельных установках. Широкое применение имеют отходы деревообделочного производства: щепа, стружки, опилки, кора и др. Дрова применяют реже.

Влажность воздушно-сухих дров не превышает 25%, полусухих – 35%, свежесрубленных – 50%. Опилки обычно имеют влажность 45-60%. К полусухим относят дрова весенней заготовки, пролежавшие не менее 6 месяцев после рубки, в том числе не менее двух летних месяцев. К сухим относят дрова, пролежавшие после рубки около года в лесу и влажность которых не превышает 30%.

Дрова как топливо характеризуются высоким выходом летучих горючих веществ – до 85% и незначительным содержанием золы – в среднем до 1%, лишь в сплавных дровах зольность повышается до 5%. Следовательно, балласт дров определяется в основном их влажностью, от которой и зависит теплота сгорания. Теплота сгорания мало зависит от породы дров, что видно из таблицы 8,

Рабочий состав и теплота сгорания древесных отходов (щепы, опилок и др.) не отличаются от состава древесины, из которой они получены.

При пониженной теплоте сгорания дрова имеют преимущества: легкую воспламеняемость, отсутствие серы и малую зольность, что позволяет ограничиваться простыми топочными устройствами, работающими эффективно.

Для сжигания опилок требуются более сложные топочные устройства, например пиролизного типа, выполненные по схеме Беляева.

Торф как топливо по своим свойствам близок к дровам. Влажность торфа колеблется в зависимости от способа добычи, условий сушки и хранения от 30-40 до 50-55%. Зольность торфа колеблется от 7 до 15%. Теплота сгорания Q_н^р = 8,38-10,72 МДж/кг (Q_н^р = 3511- 4492 Ккал/кг).

Ископаемые угли разделяют на бурые, каменные и антрациты.

При классификации угли различают по маркам, классам и группам, а также по составу, крупности, зольности. Марки отличаются одна от другой выходом летучих и степенью спекаемости. Группы углей определяют по величине их зольности. По крупности кусков ископаемые угли делят на классы.

Бурый уголь содержит много влаги, соединяется легко с кислородом воздуха и при длительном хранении на воздухе сильно выветривается и рассыпается в порошок. Кроме того, он обладает большой склонностью к самовозгоранию. По своей структуре отличается повышенным содержанием балласта и необычно высокой гигроскопичностью, вследствие чего влажность бурых углей 17-55%. Бурые угли не спекаются, отличаются большим выходом летучих (33,5-58,5%) на горючую массу и зольностью на сухую массу (10,5-34%), высоким содержанием серы (0,6-5,9%).Рабочая теплота сгорания Q_н^р = 10,7-17,5 МДж/кг (4177 ккал/кг).

Каменный уголь подразделяется: на длиннопламенный, газовый, паровичный жирный, коксовый паровичный спекающийся и тощий. Каменные угли отличаются высокой теплотой сгорания Q_н^р = 21,20-28,07 МДж/кг (5097-6700 ккал/кг). Выход летучих 3,5-45%.

Каменный уголь применяют непосредственно как топливо или перерабатывают на кокс. По виду кокса различают угли неспекающиеся (порошкообразный кокс) и спекающиеся (сплавленный кокс, иногда вспученный). Каменные угли довольно плотны и малопористы и содержание внешней влаги в них значительно ниже, чем в бурых углях. Многие каменные угли обладают повышенной механической прочностью. В хранении они более устойчивы, меньше подвержены самовозгоранию, а некоторые их виды совсем не самовозгораются.

Антрацитотносится к старейшим по происхождению каменным углям, отличается большой твердостью, трудно загорается, горит коротким пламенем, хорошо выдерживает перегрузки и перевозки. К ним относят угли с выходом летучих на горючую массу 2-9% и теплотой сгорания горючей массы Q_н^р=24,35-27,24 МДж/кг (5800-6500 ккал/кг). Переходным между каменными углями и антрацитом является полуантрацит. Антрацит и полуантрацит не самовозгораются.

Марки углей отличаются одна от другой выходом летучих и степенью спекаемости. Различают следующие марки углей: Д (длиннопламенные), Г (газовые), Ж (жирные), КЖ (коксовые жирные), К (коксовые), С (отощенные спекающиеся), Т (тощие), СС (слабоспекающиеся). Все виды углей по размеру кусков делят на классы.

Горючие сланцы являются продуктами разложения растительных остатков, оседавших на дне больших водоемов; смешиваясь с минеральными осадками, образовывалось илистое вещество – сапропель, которое обогащалось водородом, уплотнялось и превращалось в горючие сланцы.

Сланцы имеют теплоту сгорания Q_н^р = 10,38 МДж/кг (2477 ккал/кг), при сжигании сланцев образуется очень большое количество золы (64,5%). Выход летучих у сланцев очень высок – до 90%, влажность 13%. Сланцы являются местным топливом.

Газообразное топливо по сравнению с жидким и твердым топливом обладает преимущест­вами: возможностью лучшего смешения газа с воз­духом и, следовательно, сжиганием с меньшим избытком воздуха; легкостью подогрева перед сжиганием; отсутствием золы в топливе; транспортабельно­стью и удобством учета расхода газа; простотой об­служивания горелочных устройств и т. д.

Одновременно с указанными преимуществами газо­образное топлива имеет и ряд недостатков: взрывоопасность; малая объемная масса, что создает дополни

тельные затруднения при хранении газа.

В этом отношении газ уступает и твердо­му, и жидкому топливу.

Однако перечисленные преимущества и сравнительно низкая стоимость добычи способствуют широкому внед­рению газа и постепенному вытеснению твердого и жид­кого топлива в различных отраслях промышленности

Природный газ состоит главным образом из метана и некоторого количества тяжелых углеводородов. Бал­ластом в газе являются азот, двуокись углерода и вла­га. Виды газа бывают различные как по месторождению, так и по составу.

Одним из преимуществ природного газа является от­сутствие в его составе сернистых соединений, что для металлургической промышленности имеет особое зна­чение.

К искусственным газам, применяемым в качестве топлива, относят коксовый, доменный и генераторные газы.

Коксовый газ является продуктом коксования углей и представляет собой те летучие продукты, которые по­лучаются при термическом разложении угля (сырой или прямой газ). Сырой коксовый газ содержит ряд ценных примесей и балласт: смолу, аммиак, воду, сероводород и т. д., которые конденсируют и улавливают при первич­ной очистке газа. Газ, прошедший первичную очистку, называется обратным. Обратный газ подвергают допол­нительной очистке для извлечения из него циана, окис­лов азота и серы. Удаление серы необходимо, так как ее присутствие в газе значительно снижает качество газа и сужает область его применения. Полученный газ называют очищенным коксовым газом. Состав и выход ко­ксового газа зависит от вида коксуемых углей и режима коксования.

Высокая теплота сгорания и хорошая излучательная способность факела говорят о том, что коксовый газ яв­ляется весьма ценным топливом металлургической про­мышленности.

Коксовый газ применяется в чистом виде или в смеси с доменным газом. Близким по составу коксовому газу является светильный газ.

Доменный газ получается как побочный продукт до­менного производства. Состав доменного газа зависит от температуры дутья, обогащения его кислородом, со­става и расхода кокса, состава шихты, давления на ко­лошнике, применения природного газа.

Доменный газ содержит значительное количество пы­ли (60—70 г/м³), поэтому его необходимо подвергать очистке. Доменный газ применяется в воздухонагревателях доменных печей, в котельных установках, в печах с бо­лее высокой температурой (мартеновских и прокатных) доменный газ применяется в смеси с коксовым газом.

Генераторный газ - это продукт полного превраще­ния твердого топлива в горючий газ под воздействием кислорода. Остатком при процессе газификации явля­ется только зола или шлак.

Генераторные газы могут быть получены в любом ме­сте, где добывается или куда может быть завезено топ­ливо. Процесс газификации проводится в специальных устройствах-газогенераторах.

Теплота сгорания топлива

Наиболее важной характеристикой топлива является теплота сгорания, которой называют количество тепла, получаемого при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газообразного топлива в кДж/кг (ккал/кг): 1 ккал = 4,1868, или 4,19, кДж.

Как указывалось ранее, к горючим элементам в топливе относят углерод С, водород Н и летучую горючую серу S_Л. Элементарно их горение может быть представлено следующими уравнениями:

С + О₂ = СO₂; 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О; S + О₂ = SО₂.

В процессе горения горючих элементов выделяется следующее количество тепла при сжигании 1 кг:

Углерода – 33,65 МДж (8031 ккал/кг),

Серы – 9 МДж (2172 ккал/кг),

Водорода – 141,5 МДж (33 770 ккал/кг).

Различают высшую и низшую теплоту сгорания.

Высшей теплотой сгораниятоплива называют все количество тепла, выделенное при сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива, или 1 м³ газообразного (при нормальных условиях) и превращении водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, в жидкость.

На практике, однако, не удается охладить продукты сгорания до полной конденсации и потому введено понятие низшей теплоты сгорания, которую получают, вычитая из высшей теплоты сгорания теплоту парообразования водяных паров как содержащихся в топливе, так и образовавшихся при его сжигании.

Уравнение связи между высшей и низшей теплотами сгорания твердого и жидкого топлива:

Q_н^р=Q_в^р – 25^.(9^.Н^р+W^р), (1.13)

где Q_н^р - низшая теплота сгорания, кДж/кг;

Q_в^р – высшая теплота сгорания, кДж/кг;

25 – теплота парообразования при температуре 0°С и атмосферном давлении, кДж/кг;

9 – коэффициент, показывающий, что при сгорании 1 кг водорода в соединении с кислородом образуется 9 кг воды.

Если известен элементарный состав топлива, то низшая теплота сгорания твердого и жидкого топлива, кДж/кг или ккал/кг, может быть определена по эмпирической формуле, предложенной Д. И. Менделеевым:

Q_н^р = 339 · С^р + 1256 · H^р – 109 · (O^р – S_л^р) – 25,14 · (9·Н^р + W^Р). (1.14)

Низшая теплота сгорания газообразного топлива, кДж/м³, может быть определена из выражения:

=127^.СО+108^.Н₂+358^.СН₄++590^.С₂Н₄+555^.С₂Н₂+635^.С₂Н₆+913^.С₃Н₈+

+1185^.С₄Н₁₀+1465^.С₅Н₁₂+234^.Н₂S. (1.15)

Сама по себе теплота сгорания топлива не влияет на экономичность процесса горения, однако величина теплоты сгорания в значительной степени зависит от содержания в топливе балласта (влаги, золы), влияние которого было рассмотрено выше. По этим причинам теплота сгорания топлива и рассматривается как один из факторов, определяющих экономичность горения.

Путем смешивания топлив разных марок можно значительно повысить экономичность процесса горения.

1.4.Условное топливо. Температура горения топлива

Расход топлива зависит от его теплоты сгорания, которая для различных топлив изменяется в больших пределах. Для сравнения по энергетической ценности и эффективности использования различных сортов топлив введено понятие об условном топливе, которому присваивается теплота сгорания, равная Q_ycл =29,33 МДж/кг (7000 ккал/кг).

Тепло, выделяющееся при сгорании топлива, воспринимается продуктами сго-рания, которые нагреваются до определенной температуры, называемой температурой горения. Различают калориметрическую, теоретическую и действительную температуры сгорания топлива.

Чтобы выявить потенциальные возможности топлива, вводят понятие горения без подогрева топлива и воздуха при идеальном адиабатическом процессе, т. е. горения с теоретическим количеством воздуха, без потерь теплоты и без теплообмена в топочном агрегате и с окружающей средой. Полученная в этих условиях температура продуктов сгорания называется теоретической.

Калориметрическая температураотражает влияние подогрева топлива и воздуха и коэффициента избытка расхода воздуха на температуру адиабатического горения. Повышение температуры подогрева топлива и воздуха увеличивает приход теплоты в зону горения и повышает температуру горения, а увеличение коэффициента избытка воздуха вызывает увеличение объема продуктов сгорания, что понижает температуру горения. Поэтому в зависимости от влияния этих факторов калориметрическая температура может быть выше или ниже теоретической.

Отношение действительной температуры горения топлива к теоретической называется пирометрическим коэффициентом.

Контрольные вопросы

1 Что такое топливо?

2 По каким критериям классифицируется топливо?

3 Каков состав различных видов топлива?

4 Что подразумевают под горячей и негорючей частью топлива?

5 Как зольность и влажность влияют на теплотехнические свойства топлива?

6 Чем отличается высшая теплота сгорания топлива от низшей?

7 Что такое условное топливо?

8 Что понимают под температурой горения топлива?

9 Чем отличается теоретическая от калориметрической температуры горения?

10 Что понимают под пирометрическим коэффициентом?

Принципы сжигания топлива

Чтобы топливо и кислород вступили в реакцию, они должны быть предварительно перемешаны и смесь должна иметь температуру воспламенения. Скорость комплексного процесса определяется наиболее медленным звеном. Химические реакции, как правило, протекают с большой скоростью. Перемешивание молекул и горючего происходит медленнее, чем горение.

Имеют место два способа сжигания топлива – факельный и слоевой. По факельному способу сжигается газообразное, жидкое и пылевидное топливо. По слоевому методу сжигают твердое топливо. В большинстве печей топливо сжигается факельным способом. Слоевой способ используется в доменной и агломерационной печи, вагранках, паровых котлах небольшой мощности.

Факельное сжигание топлива

Факел в отличие от обычной струи представляет горящую струю. Под длиной факела L_фак подразумевают расстояние от горелки, на котором практически заканчивается полное горение топлива.

Факел образуется при смешении газового и воздушного потоков. По месту встречи и характеру перемешивания потоков различают три метода сжигания газов:

1 метод. Газ и воздух встречаются вне горелочного устройства (в рабочем пространстве печи) и перемешиваются в рабочем пространстве печи в процессе горения. Воздух и газ могут быть нагреты до высокой температуры. Этот метод используется в горелках типа «труба в трубе».

2 метод. Газ и весь воздух, необходимый для полного горения топлива, перемешиваются друг с другом до вылета в рабочее пространство печи. Это возможно, если температура образующейся смеси меньше температуры воспламенения, тогда газ не может гореть внутри горелочных устройств, если скорость распространения пламени меньше скорости истечения смеси. Длина факела весьма мала и способ называют беспламенным или бесфакельным. Этот метод используется в инжекционных и скоростных горелках.

3 метод. Предварительное перемешивание газа с частью воздуха, необходимого для полного сжигания топлива. Окончательное перемешивание смеси с остальной частью воздуха происходит в рабочем пространстве печи в процессе горения. Регулируя процесс предварительного перемешивания можно управлять длиной факела. Этот метод используется в большинстве горелок типа горелок нагревательных колодцев, плоскопламенных и др.

Различают ламинарный и турбулентный факел. При ламинарном факеле контакт горючего с кислородом воздуха происходит на поверхности струи. Внутренние слои газа не соприкасаются с кислородом, что хорошо видно на рисунке 2.1 (темная полоска первичного газа охвачена светлой оболочкой горящего слоя).

Рисунок 2.1 – Фотография ламинарного факела

В ламинарном факеле по его сечению можно выделить две зоны: зону горючего газа и зону продуктов сгорания. На границе зон происходит горение топлива. Таким образом, имеет место послойное включение слоев газа в процесс горения. Фронт горения постепенно приближается к оси струи.

При турбулентном факеле отсутствует послойное выгорание газа в струе. Внешний вид и структура факела определяется свойством турбулентной струи захватывать окружающую среду, перемешиваться с этой средой и проталкивать ее вперед. Поэтому турбулентная струя газа после вылета из сопла горелки – устройства для сжигания газообразного топлива – приобретает форму конуса. По своей структуре турбулентная струя представляет совокупность хаотично перемещающихся макрочастиц, объединенных в одно целое силами вязкости и общим направлением движения.

При поджигании турбулентной струи горючего газа процесс горения начинается на поверхности струи. Образующиеся здесь продукты сгорания вовлекают в свое движение макрочастицы воздуха и вместе с ними проникают вглубь струи. Таким путем постепенно очаги горения возникают и внутри струи. Процесс горения из поверхностного превращается в объемный. Вследствие хаотичности турбулентного перемешивания очаги горения в каждом элементарном объеме факела возникают дискретно. Они то появляются, то исчезают. При зрительном восприятии большого числа близко расположенных и дискретно появляющихся очагов горения в объеме факела они сливаются воедино, и турбулентный факел представляется в виде сплошной конусной струи горящего газа.

Для уяснения динамики перехода ламинарного факела в турбулентный рассмотрим изменение длины вертикального факела при возрастании скорости в сопле (рисунок 2.2). С ростом скорости истечения длина ламинарного факела сначала возрастает почти пропорционально скорости истечения W_ист, а факел имеет неизменную форму. При достижении критической скорости W_кр вершина факела становится неустойчивой и начинает пульсировать. При дальнейшем увеличении скорости эта неустойчивость развивается и факел как бы складывается из двух частей: нижней ламинарной и верхней турбулентной, что видно из фотографии, приведенной на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Фотографии факелов при переходе от ламинарного факела

к турбулентному при возрастании скорости

При еще большем увеличении скорости истечения длина факела начинает уменьшаться и граница раздела частей факела перемещается от вершины к соплу. При некотором значении скорости факел становится полностью турбулентным и дальнейшее увеличение вызывает противоположное явление – длина факела вновь начинает увеличиваться, но уже в более медленном темпе, чем при ламинарном режиме (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Изменение длины факела при возрастании скорости