Топливо и его сжигание. Состав, расчет горения топлива.
1.1. Элементарный состав твердого, газообразного и жидкого топлива
В базовой и промышленной энергетике для получения электрической и тепловой энергии используется в основном топливо органического происхождения.
Все виды органического топлива (горючие) представляют собой углеводородные соединения, в которые входят небольшие количества других веществ.
К твердому топливу относят: антрацит, каменный и бурый уголь, торф, дрова, сланцы, отходы лесопильных заводов и деревообделочных цехов, а также растительные отходы сельскохозяйственного производства — солому, костру, лузгу и др.
К жидкому топливу относят нефть, а также различные продукты ее переработки: бензин, керосин, лигроин, разнообразные масла и остаточный продукт нефтепереработки нефти — мазут.
До 70 % и более видов жидкого топлива используется на транспорте — авиационном, автомобильном, специальном водном, железнодорожном (тепловозы), около 30 % сжигается в виде мазута на тепловых электростанциях и в промышленных котельных.
К газообразному топливу относят природный газ, добываемый из недр земли, попутный нефтяной газ, газообразные отходы металлургического производства (коксовый и доменный газ), крекинговый газ, а также генераторный газ, получаемый искусственным путем из твердого топлива в особых газогенераторных установках.
Топливо в том виде, в каком оно поступает для сжигания в топки котлов или в двигатели внутреннего сгорания, называется рабочим.
В общем случае в состав рабочего (твердого или жидкого) топлива входят углерод С, водород Н, кислород О, азот N и летучая сера S, а также негорючие минеральные примеси — зола А и влага W.
Для рабочей массы топлива имеет место равенство:
C p + H p + O p + N p + S p + A p + W p = 100 %, (1.1)
где С Р , Н Р , О Р и т. д. — элементы рабочего топлива, % общей массы топлива.
Влага, содержащаяся в топливе совместно с золой, называется балластом топлива.
В естественных видах ископаемого твердого топлива встречается сера трех разновидностей:
1) органическая S о , связанная с другими элементами топлива С, Н, N и О в виде сложных органических соединений;
2) колчеданная S к в виде пирита, колчедана FeS2;
3) сульфатная S сульф в виде солей серной кислоты (гипс, FeSО4и др.). Сульфаты представляют собой высокие окислы серы, поэтому находящаяся в них сера гореть не может. Присутствующие в топливе органическая и колчеданная серы сгорают, образуя токсичный сернистый ангидрид SO2и (в небольших количествах) еще более токсичный серный ангидрид SO3. Выброс их с продуктами сгорания вызывает загрязнение воздушного бассейна.
Органическая и колчеданная сера образуют вместе летучую горючую серу Sл. Общее содержание серы в топливе
Sобщ = S о + S к + S сульф = Sл + S сульф . (1.2)
В горючую часть топлива входит только летучая сера, остальная сера в горении участия не принимает и может быть отнесена к балласту топлива.
Для правильного представления тепловых свойств топлива вводится понятие горючей массы, для которой
С г + Н г + О г + N г + S г л= 100 %, (1.3)
где индекс вверху показывает, что процентный состав отдельных элементов отнесен к горючей массе.
Название «горючая масса» носит условный характер, так как действительно горючими ее элементами являются только углерод, водород и сера. Углерод — преобладающий компонент твердых и жидких топлив, в топливах его обычно содержится от 50 до 95 %, тогда как содержание водорода Н г колеблется в пределах от 1 до 11 %, а серы S г — от 0 до 8 %. Горючую массу можно характеризовать как топливо, не содержащее золы и в абсолютно сухом состоянии. Содержание азота в горючей массе твердых топлив обычно составляет 1—2 % по массе. Несмотря на столь малое количество, азот является весьма вредным компонентом, поскольку при сгорании азотсодержащих соединений в высокотемпературных топках образуются сильнотоксичные оксиды NО и NO2(они образуются также и из атмосферного азота, но в
Для топлива, содержащего большое количество влаги (бурый уголь, торф, дрова, некоторые растительные отходы), в некоторых случаях удобно использовать понятие сухой массы, т. е. характеризовать состав абсолютно сухого топлива суммой элементов С с , Н с , О с , N с , S с и А с . При этом
С с + Н с + О с + N с + S с + Ас = 100 %, (1.4)
где индекс показывает, что процентный состав отдельных элементов отнесен к сухой массе.
Для взаимного пересчета массы топлива в соответствии с понятием о массах топлива служат формулы, объединенные в табл. 1.1.
Таблица 1.1. Формулы для пересчета состава топлива с одной массы на другую
Зольность топлива. Золой называют твердый негорючий остаток, остающийся после сжигания топлива в атмосфере воздуха. Зола может быть в виде сыпучей массы с плотностью в среднем 600 кг/м 3 и в виде сплавленных пластин и кусков, называемых шлаками, с плотностью до 800 кг/м 3 .
В состав золы большинства видов твердого топлива входят: глинозем Al2O3, кремниевая кислота SiO2, известь СаО, магнезия MgO, щелочи Na2O, окислы железа FeO и Fe2О3.
Влажность твердого топлива. Влажность твердого топлива W р доходит
до 50 % и более и определяет экономическую целесообразность использования данного горючего материала и возможность его сжигания. Влага снижает температуру в топке и увеличивает объем дымовых газов. Увеличенный объем дымовых газов требует дополнительной энергии на их удаление.
Очевидно, что влага является балластной примесью, так как уменьшает тепловую ценность исходного топлива. Кроме того, часть теплоты, выделяемой топливом при его сгорании, расходуется на испарение влаги.
Летучие вещества. При нагревании твердого топлива без доступа воздуха его органическая масса разлагается, в результате чего образуются газы, водяные и смоляные пары и углесодержащий остаток. Суммарное количество выделяющихся летучих веществ увеличивается с увеличением температуры и времени выдержки, этот процесс в основном заканчивается при 700—800 о С. Выход летучих веществ V г , в процентах на горючую массу, является важнейшей характеристикой горючей массы твердого топлива и уменьшается по мере увеличения его возраста. Чем больше выход летучих веществ, т.е. чем больше топлива превращается при нагревании в горючий газ, тем проще зажечь это топливо и легче поддерживать устойчивое горение. Органическая часть древесины и горючих сланцев при нагревании без доступа воздуха почти целиком переходит в летучие вещества
(V г = 85÷90%), в то время как у антрацитов V г = 3÷4 %. Именно большой выход летучих веществ определяет хорошую горючесть древесины.
Состав некоторых видов твердого топлива представлен в табл. 1.2.
Таблица 1.2. Примерный состав и теплотехнические характеристики горючей массы основных видов твердого топлива
Выход летучих веществ, V г , %
Низшая теплота сгорания, МДж/кг
Источник
Продукты сгорания топлива
Состав продуктов сгорания. При сжигании топлива образуются продукты сгорания, содержащие следующие компоненты: углекислый газ СО 2, водяные пары Н2О, сернистый ангидрид SО2, кислород О2, азот N2, а также основной продукт химической неполноты сгорания окись углерода CО.
Также в продуктах сгорания в небольших количествах присутствуют окислы азота NO, NO2, серный ангидрид SO3, водород, метан и углеводороды. Однако из-за малого количества влиянием этих компонентов на объем и теплоту сгорания пренебрегают.
Применяя к продуктам неполного сгорания законы газовой смеси, их объем можно выразить суммой парциальных объемов отдельных компонентов смеси:
Все объемы в уравнении (4.9) выражаются в м 3 при нормальных физических условиях в расчете на 1 кг сгоревшего топлива (для природного газа – на 1 м 3 ). При этом объем каждого компонента находится при давлении, равном давлению смеси. Очевидно, что при полном сгорании топлива в уравнении (4.9) будет отсутствовать объем окиси углерода VCО.
Для удобства сопоставления расчетных и опытных данных продукты сгорания топлива условно разделяют на сухие газы и водяные пары.
Состав продуктов сгорания выражается в процентах по объему сухих газов VСГи обозначается химическими символами их компонентов. Например: содержание углекислого газа находится по формуле СО2 = 100 VСО2 / VСГ %, азота по формуле N2 = 100VN2 / VСГ и т.д. Отсюда можно получить балансовое уравнение состава сухих газов при полном сгорании топлива:
Котельные газоанализаторы показывают суммарное содержание углекислого и сернистого газов, которое называется сухими трех атомными газами RО2. Тогда уравнение (4.10) примет вид:
При неполном сгорании в уравнение добавляется содержание окиси углерода
Результаты газового анализа, полученные наладочной организацией при теплобалансовых испытаниях котлов, приводятся в режимных картах котлов. При повседневной работе данные текущего газового контроля сравниваются с данными режимной карты котла и персонал своевременно принимает меры по обеспечению экономичного режима горения.
Содержание вредных примесей в продуктах сгорания. К вредным примесям относятся токсичные вещества, такие как: сернистый ангидрид SO2, серный ангидрид SO3, окислы азота NO и NO2, бенз(а)пирен C20 H12, окись ванадия V2O5 и др., а также загрязняющие вещества: сажа, летучая зола, частицы несгоревшего топлива. В зависимости от вида и способа сжигаемого топлива концентрация в продуктах сгорания, например, окислов азота достигает 3 – 4 г/ м 3 , окислов азота до 0,35 г/ м 3 , окиси углерода до 0,3 г/ м 3 , бенз(а)пирена – до 50 · 10 – 8 г/ м 3 ; золы до 0,1 г/ м 3 .
Приведенные значения превышают предельно допустимые концентрации (ПДК) этих вредных веществ в приземном слое в десятки и сотни раз.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Источник