Состав и рабочая масса топлива

В состав топлива органического происхождения входят: угле­род С, водород Н, сера S, азот N, кислород О, зола А и влага W. Элементарный состав топлива принято задавать в процентах по массе. Углерод, водород и сера являются горючими элемен­тами.

Углерод – наиболее ценная горючая составляющая топ­лива. В топливе его содержится 82–83% по массе; он обладает высокой теплотой сгорания.

Водород также очень ценная составляющая, но его в топ­ливе мало, всего 11–12%. При сгорании единицы массы водо­рода выделяется теплоты примерно в 4 раза больше, чем при сгорании единицы массы углерода.

Сера содержится в топливе в горючем и негорючем виде. Горючими являются органическая сера и колчеданная . Таким образом, для горючей серы можно записать . Негорючая сера находится в топливе в виде сульфатов и обо­значается _. Сульфаты – это соли серной кислоты (MgSО, CaSO₄), в которых сера находится в виде своего предельного окисла и поэтому гореть неспособна. Негорючую серу относят к золе.

Азот и кислород – негорючие элементы и содержатся в топливе в небольшом количестве. В сумме их содержание не превышает 1% по массе.

Зола – это негорючая минеральная часть топлива, которая получается в виде остатка после выгорания горючих элементов топлива. Содержание золы в мазутах невелико и не превышает 0,5%. Зола является ненужной частью топлива, его балластом. Кроме того, в процессе эксплуатации котлов она загрязняет поверхности нагрева и вызывает их коррозию.

Влага также балласт топлива и затрудняет его сжигание. Содержание влаги в мазутах достигает 2,5%. Влага в топливе может быть внешняя или внутренняя (гигроскопическая), вхо­дящая в структуру топлива. От внешней влаги можно освобо­диться, например, просушивая твердое топливо при комнатной температуре. Жидкое топливо освобождают от внешней влаги отстаиванием в цистернах, при этом топливо подогревают при­мерно до 50°С. От внутренней влаги топливо можно освободить методом сушки лабораторной пробы при температуре около 105°С до достижения постоянной массы пробы.

Топливо в том виде, в котором оно вводится в топку, назы­вают рабочим или рабочей массой. Его элементы обозначаются индексом «р» (рабочие) и выражаются в процентах по массе. Следовательно, для рабочей массы будет справедливым ра­венство

= 100%.

(2.1)

(здесь и далее символом обозначается горючая сера).

Рабочая масса топлива без влаги называется сухой массой. Если из сухой массы удалить золу, то оставшаяся беззольно-безводная масса образует горючую массу.

Теплота сгорания топлива

Теплотой сгорания топлива называют количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг топлива. Теп­лота сгорания в зависимости от того, до какой температуры охлаждать образующиеся газообразные продукты сгорания топ­лива, может быть высшей и низшей.

Высшей теплотой сгорания называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг топлива при условии, что продукты сгорания охлаждаются до температуры конденсации содержащихся в них водяных паров (образовав­шихся за счет горения водорода и испарения влаги топлива). Высшая теплота сгорания обозначается (индекс «р» обозна­чает рабочую массу топлива), измеряется в кДж/кг (МДж/кг). Например, при сжигании мазутов для получения высшей теп­лоты сгорания продукты сгорания надо охлаждать до темпера­туры около 45°С.

При сжигании топлива в промышленных установках (котлах, камерах сгорания, дизелях и т. д.) дымовые газы не охлажда­ются до столь низкой температуры. Обычно они удаляются из агрегатов при температуре 100–400°С; содержащийся в про­дуктах сгорания водяной пар не конденсируется и его теплота не выделяется. В результате теплота сгорания топлива оказы­вается меньше, чем при глубоком охлаждении продуктов сгора­ния. Такая теплота называется низшей теплотой сгорания топ­лива. Она обозначается и измеряется в кДж/кг (МДж/кг). На практике все тепловые расчеты выполняются с использова­нием низшей теплоты сгорания .

Высшую теплоту сгорания топлива определяют лабора­торным путем, сжигая топливо в специальных приборах – кало­риметрах. Зная , можно определить и , для этого надо из высшей теплоты сгорания вычесть теплоту конденсации содержащихся в дымовых газах водяных паров. В результате полу­чим, МДж/кг,

,

(2.2)

где	2,51	–	теплота конденсации (или парообразования) водяных паров, находящихся в газах, МДж/кг;
		–	содержание во­дорода и влаги в рабочей массе топлива, %; коэффициент 9 перед означает, что при окислении водорода из одной его массовой части образуется 9 массовых частей воды; коэффи­циент 100 служит для перевода количества из процен­тов в килограммы.

Если нет данных для определения лабораторным путем, то низшую теплоту сгорания топлива можно рассчитать по эмпирической формуле Д.И. Менделеева, МДж/кг,

.

(2.3)

Теплота сгорания мазута среднего состава = 40,4 МДж/кг.