Техническая и энергетическая характеристика топлива

Топливом называют естественные и искусственные вещества, которые технически целесообразно и экономически выгодно сжи­гать для получения тепловой энергии. По происхождению разли­чают природные и искусственные топлива, по агрегатному состоя­нию - твердые, жидкие и газообразные. К твердым топливам отно­сят торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит, дрова и сланцы. В качестве жидкого топлива используют бензин, керосин, дизель­ное топливо, мазут, т. е. продукты переработки нефти. Природный газ может находиться в залежах трех типов: газовых, газонефтяных и газоконденсатных. К искусственным газам относят газы, которые образуются при переработке других видов топлива или при их сжи­гании, например, генераторный, коксовый, подземной газификации, доменный и др.

Органическая часть топлив состоит из большого количества сложных химических соединений, в состав которых входят: угле­род (С), водород (Н), сера (S), кислород (О) и азот (N). Кроме того, топливо содержит минеральные примеси - золу (А) и влагу (W). Для характеристики топлива пользуются элементарным его соста­вом, который отражает процентное содержание отдельных эле­ментов в 1 кг твердого и жидкого топлива или в 1 м³ газообразного топлива.

Различают три основные так называемые массы топлива:

• рабочую, характеризующую состав топлива в том виде, в каком оно сжигается.

C^P + H^P + S^P + O^P + N^P + A^P + W^P = 100%;

• сухую, освобожденную от влаги

C^С + H^С + S^С + O^С + N^С + A^С = 100%;

• горючую, освобожденную от золы и влаги,

C^Г + H^Г + S^Г + O^Г + N^Г = 100%;

Горючая масса дает наиболее правильное суждение о топливе как о горючем. Однако все тепловые расчеты ведутся по рабочей

массе топлива. Поэтому для пересчета элементарного состава топ­лива служат соотношения:

• из горючей в рабочую массу

• из сухой в рабочую массу

Таким образом, влажность и зольность топлива являются бал­ластом, снижающим его качество. Кислород, находящийся в топли­ве, вступает в соединение с горючими компонентами, окисляет их и снижает тепловую ценность топлива. Азот - элемент инертный, но при определенных условиях может образовывать окислы. Эта реак­ция протекает с поглощением теплоты, что снижает эффективность использования топлива. Кроме того, эти окислы оказывают вредное воздействие на окружающую среду и здоровье людей.

Основной характеристикой топлива, определяющей его энер­гетическую ценность, является теплота сгорания. Различают тепло­ту сгорания высшую и низшую, удельную и объемную. Высшей те­плотой сгорания Q^Р_В называется количество теплоты, которое вы­деляется при полном сгорании единицы топлива при условии ох­лаждения продуктов горения до температуры конденсации образо­вавшихся паров воды. Низшей теплотой сгорания Q^Р_Н называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топ­лива, но без учета теплоты конденсации водяных паров.

где G - удельная масса воды в продуктах горения; r - скрытая теплота парообразования, r = 600 ккал/кг влаги.

Тогда

Следовательно

Высшую теплоту сгорания определяют в результате лабора­торных испытаний топлива. Низшую теплоту сгорания топлива можно определить расчетным путем по его элементарному составу. Для твердого и жидкого топлива используют формулу Д. И. Мен­делеева.

Q^Р_Н = 81С^Р + 246Н^P + 26(S^P – О^P) – 6W, ккал/кг топлива, Q^Р_Н = 4,1868 Q^Р_Н, кДж / кг топлива.

Теплота сгорания сухого газового топлива определяется сле­дующим образом:

Q = 30,2CO + 25,7Н₂ + 85,5СН₄+141С₂Н₄ + 152 С₂Н₆ +

+ 56H₂S + 218С₃Н₈ + 283С₄Н₁₀ , кДж/кг топлива,

Q = 4,1868Q , кДж/м³ сухого газа, ^:

где C^P , H^P , S^P , O^P , W^P - составляющие рабочей массы твердого и жидкого топлива, %;

СО, Н₂, СН₄, С₂Н₄ и т. д. - составляющие сухого газообразно­го топлива, %.

Коэффициенты при этих составляющих представляют собой количество теплоты, выделяющееся при сжигании 1 кг углерода или других компонентов топлива.

Для учета расхода топлива разных марок или видов в Россий­ской Федерации введено понятие условного топлива, теплота сго­рания которого равна 29 330 кДж/кг у.т. или 7 000 ккал/кг у.т. При пересчете расхода натурального топлива В_Н в условное В_У пользу-ются калорийным эквивалентом К_Э = Q^Р_Н / 7000 (29330), на который умножают расход натурального топлива, т. е.

В_У = В_Н ∙ К_Э

Если использовалось несколько видов топлива В_Hi, с различной теплотой сгорания Q^Р_Нii, тогда расход условного топлива составит, кг у. т.,

2.3. Характеристика процесса горения топлива

Горение есть процесс быстрого химического соединения го­рючих элементов топлива с окислителем, сопровождающийся ин­тенсивным выделением теплоты. Процесс горения — это сочетание физических (перемешивание топлива с окислителем, подогрев, ис­парение) и химических процессов (окисление топлива). Для опре­деления количества теплоты, которое выделяется в процессе горе­ния топлива, нужно знать, какие химические реакции протекают при этом, а также количество теплоты, получаемое в каждой реак­ции. Такие расчеты выполняются на основе закона постоянства сумм теплоты, открытого в 1840 г. русским химиком Г. И. Гессом. Согласно этому закону для определения количества теплоты в ре­зультате сгорания топлива достаточно знать начальное состояние системы (состав топлива и окислителя) и ее конечное состояние (состав продуктов сгорания).

Рассмотрим расчетные реакции горения горючих элементов топлива для полного горения:

С + О₂ = СО₂ + 34МДж/кг.

12 + 32 = 44 [кг] или 1 + 2,67 = 3,67 [кг].

2Н₂ + О ₂ = 2Н₂О + 143 МДж/кг.

4 + 32 = 36 [кг] или 1 + 8 = 9 [кг].

S + O₂=SO₂ + 9,15 МДж/кг.

32 + 32 = 64 [кг] или 1 + 1 = 2 [кг].

В соответствии с этими соотношениями можно определить мас­су кислорода L_O2 кг, необходимую для полного сгорания топлива:

Сухой воздух состоит из азота и кислорода в следующих со­отношениях: по массе О₂ = 23,2%, N₂ = 76,8%, по объему О₂ = 21%, N₂ = 79%. Тогда для горения I кг топлива необходима масса воздуха;

или

Зная плотность сухого воздуха при нормальных условиях (g=1,293 кг/м³), можно определить его объем, необходимый для сжигания:

• 1 м3 газообразного топлива

• 1 кг твердого или жидкого топлива

Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество влаги, которое необходимо учитывать при расчетах. Объем водя­ных паров в воздухе, теоретически необходимом для полного сго­рания 1 кг (м³) топлива, составляет

где d - влагосодержание воздуха, кг/кг сухого воздуха.

С учетом этого теоретическое количество воздуха при нор­мальных условиях

Эксплуатационные условия при сжигании всех видов топлива не позволяют достичь однородной смеси топлива и воздуха, что приводит к химическому недожогу топлива и снижению эффектив­ности работы тошшвоиспользующих установок. Поэтому в топку обычно подается воздуха больше, чем теоретически необходимо. Отношение действительно поступающего в топку количества воз­духа (Vд) к теоретическому объему (V₀) называют коэффициентом избытка воздуха. Он равен

Коэффициент избытка воздуха зависит от вида топлива, спо­соба его сжигания, конструкции топочного устройства и является важной характеристикой работы топливоиспользующих устано­вок. Так, при сжигании природного газа а_г = 1,03... 1,05, мазута а_м = 1,1... 1,2, угля а_у = 1,2... 1,4.