Теплота сгорания и приведенные характеристики топлива

Теплота сгорания топлива – это параметр органического топлива, характеризующий его энергетическую ценность. Теплота сгорания представляет собой количество тепловой энергии, которая может выделиться в ходе химических реакций окисления горючих компонентов топлива с газообразным кислородом. При этом принято, что в результате реакций окисления образуются высшие оксиды СО₂ и Н₂О, сера окисляется только до SO₂, а азот топлива выделяется в виде молекулярного азота N₂. Теплота сгорания является удельной характеристикой топлива, ее относят к единице объема или массы топлива в любом из расчетных его состояний: рабочем, сухом и т. д. Для жидкого и твердого топлива за единицу количества выбирают 1 кг его массы, а для газообразного – 1 м³ его объема при стандартных условиях (101,325 кПа, 273 К). Принятыми единицами измерения теплоты сгорания являются кДж/кг (кДж/м³) или МДж/кг (МДж/м³).

Количество тепловой энергии, выделяющейся при полном сгорании топлива, зависит от того, в каком (паровом или жидком) состоянии находится влага (Н₂О) в продуктах сгорания. Если водяной пар сконденсируется и вода в продуктах сгорания будет находиться в жидком состоянии, то количество теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, будет больше на величину теплоты конденсации водяных паров. Количество тепловой энергии, которое может выделиться при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газообразного топлива при условии, что образующиеся водяные пары в продуктах сгорания конденсируются, называется высшей теплотой сгорания топлива .

Если при сгорании топлива водяные пары не конденсируются, то теплота сгорания единицы массы или объема топлива уменьшается на величину теплоты конденсации водяных паров _. Разность ( – ) носит название низшей теплоты сгорания .

В энергетических установках влага в продуктах сгорания остается в парообразном состоянии и теплота, затраченная на ее испарение, теряется. Чем больше влажность топлива, тем меньше .

Количество воды в виде водяного пара в массе продуктов сгорания (в кг), отнесенное к 1 кг топлива, равно сумме массы воды, содержащейся в исходном топливе (W/100), и массы воды, образовавшейся при его сгорании (9Н/100), поскольку из 1 кг водорода топлива образуется 8,94 кг воды. В расчетах теплоту конденсации 1 кг водяного пара можно принять равной 2510 кДж/кг. Тогда теплота конденсации водяных паров, кДж/кг, составляет

= 2510 (9Н/100 + W /100) = 25(9Н + W). (1.8)

Взаимосвязь высшей и низшей теплоты сгорания с учетом зависимости (1.8) можно записать так:

. (1.9)

При определении низшей теплоты сгорания для других масс топлива, кроме аналитической и рабочей, формула (1.8) упрощается из-за отсутствия влаги:

. (1.10)

Высшая теплота сгорания твердого и жидкого топлива может быть определена экспериментально путем сжигания порции топлива в специальной калориметрической установке.

Теплоту сгорания топлива можно приближенно определить на основании данных его элементарного состава.

Наиболее удачными в отношении простоты и точности являются формулы Д. И. Менделеева с эмпирически подобранными коэффициентами для соответствующих горючих элементов. Так, для определения низшей теплоты сгорания рабочей массы твердого и жидкого топлива, кДж/кг, формула имеет следующий вид:

, (1.11)

где С^р, Н^р и т. д. – элементы рабочей массы топлива, %.

Для газообразных топлив при точно известном составе теплота сгорания 1 м³ сухого газа, кДж/м³, может быть подсчитана достаточно точно по формуле

. (1.12)

Если газообразное топливо содержит влагу, то теплоту сгорания сухого топлива, кДж/м³, пересчитывают на рабочее топливо по формуле

. (1.13)

Выражения (1.12) и (1.13) для определения низшей теплоты сгорания сухого газообразного топлива приведены для нормальных условий; при действительных условиях – давлении р, Па, и температуре t, ^оС, отличающихся от нормальных, вводят поправку:

. (1.14)

Котлы одинаковой производительности могут потреблять существенно разное количество топлива, так как его теплота сгорания у разных видов изменяется в широких пределах. Для сравнения экономичности работы теплогенерирующих установок и упрощения расчетов при сжигании различных видов топлива введено поднятие условного топлива, имеющего теплоту сгорания Q_y._т = 29,31 МДж/кг (7000 ккал/кг). Потребление разных видов топлива может быть пересчитано в условное топливо по соотношению

, (1.15)

где В_у.т, В – расход соответственно условного топлива и натурального.

Выражение элементарного состава топлива, а также его внешнего балласта (влажности, зольности) в процентах от исходной массы сжигаемого топлива нашло широкое применение в энергетике. Однако при анализе условий работы котла такой способ выражения характеристик топлива не всегда удобен. Так, с увеличением доли внешнего балласта в топливе снижается его теплота сгорания. Для обеспечения той же паропроизводительности котла потребуется увеличить расход топлива. В итоге массовое количество балласта, поступающего в топку, возрастет в значительно большей мере, чем увеличится расход топлива, что может создать недопустимые условия для эксплуатации парового котла. Таким образом, процентное содержание влаги, золы или серы в топливе еще не является достаточной мерой энергетической ценности топлива.

Более полную характеристику массовых расходов при сравнении сжигаемых в котле топлив дает выраженное в процентах содержание химических элементов и балласта, отнесенное к единице низшей теплоты сгорания топлива 1 МДж, которое называют приведенной характеристикой топлива.

Приведенные влажность, зольность и сернистость определяют соответственно по формулам:

; ; . (1.16)

Так, при одинаковой исходной сернистости S^p= 3 % мазута ( =39 МДж/кг) и бурого угля ( =12 МДж/кг) массовый выброс оксидов серы с продуктами сгорания во втором случае будет в 3,25 раза больше в соответствии с отношением приведенных сернистостей топлив: у мазута Sⁿ=0,077, у бурого угля Sⁿ=0,25.

2.1.5. Технические характеристики твердых, жидких
и газообразных топлив

Твердое топливо

Обеспечение экономичного сжигания топлива в котлах зависит от знания и правильного учета ряда определяющих характеристик топлива, к которым, кроме теплоты сгорания, относятся зольность, влажность, выход летучих веществ.

Зольность

Минеральные примеси содержатся во всех видах твердого топлива. Большая их часть не связана с органической массой топлива. По происхождению примеси можно разделить на внутренние, накопившиеся в пластах топлива в процессе его образования, и внешние, попавшие в топливо из окружающей породы при его добыче.

При сжигании топлива его минеральная часть подвергается высокотемпературному преобразованию. Сложные минеральные соединения типа алюмосиликатов , , сульфатов и карбонатов , и другие подвергаются разрушению с частичным доокислением за счет кислорода воздуха. В результате остаток после сгорания топлива – зола – состоит в основном из ряда оксидов: SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, MgO, K₂O, Na₂O и оказывается в среднем на 10 % меньше исходной минеральной массы топлива. Процентное количество золового остатка по отношению к навеске натурального топлива называют зольностью топлива.

Свойства золы играют большую роль в организации работы котла. Мельчайшие твердые частицы золы подхватываются потоком топочных газов и уносятся из топочной камеры, образуя летучую золу. Часть золы, расплавленной в ядре факела, выпадает в низ топочной камеры или прилипает к ограждающим стенам топки и при затвердевании образует шлаки, т. е. твердые растворы минералов, химический состав которых может отличаться от состава летучей золы.

Особое значение при организации процесса сжигания топлива имеют характеристики плавкости золы. Температуры плавления отдельных минералов и их сплавов сильно различны и находятся в пределах 2900 – 600 °C. Поэтому плавление золы не происходит при какой-либо определенной температуре, а представляет процесс постепенного размягчения от твердого до жидкого состояния с ростом температуры. Температуры плавления золы определяют стандартным методом конусов, когда из золы прессуется пирамидка с заданными размерами (рис. 1.2) и помещается в печь.

В процессе нагрева отмечают следующие характерные значения температуры:

t₁=1000 – 1200 ^оC– начало деформации, когда появляется первое изменение формы пирамидки;

t₂= 1100 – 1400 °С–размягчение, когда вершина пирамидки касается основания или принимает каплеобразную форму;

t₃=1200 – 1500 °С– жидкоплавкое состояние, соответствующее началу растекания по плоскости.

Основным показателем поведения шлака является его вязкость.

Нормальное течение расплавленного шлака, находящегося в истинно-жидком состоянии, вдоль вертикальной или наклонной стенки имеет место при вязкости менее 200 П (пуаз). Температуру жидкого шлака, при которой он свободно вытекает из отверстия, называют температурой нормального жидкого шлакоудаления t_н._ж.

В процессе горения большая часть минерального состава топлива превращается в мелкую уносимую потоком газов летучую золу. В топках с различным тепловым режимом горения и шлакоудаления доля уноса летучей золы а_ун меняется от 0,85 – 0,95 до 0,2 – 0,4. Остальная часть в виде шлака выпадает в нижнюю часть топки и удаляется из-под нее: а_шл = 1 – а_ун. Увеличение зольности топлива и количества летучей золы в потоке газов требует установки более дорогих золоулавливающих устройств после котла для защиты воздушного бассейна от загрязнения. При этом во избежание истирания труб вследствие абразивности золы уменьшают скорости газов в конвективных газоходах. Кроме того, загрязнение поверхностей нагрева частицами золы ухудшает теплообмен. Все это делает конструкцию котла более громоздкой.