Топливо и его сжигание. Состав, расчет горения топлива.

Топливо и его сжигание. Состав, расчет горения топлива. Кислород

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:

Cp Hp Op Np Sp Ap Wp= 100 %, (1.1)

где СР, НР, ОР 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 Sо, связанная с другими элементами топлива С, Н, N и О в виде сложных органических соединений;

2) колчеданная Sк в виде пирита, колчедана FeS2;

3) сульфатная Sсульф 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 = Sо Sк Sсульф = Sл Sсульф. (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

Сг Нг Ог Nг Sгл= 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 Нг колеблется в пределах от 1 до 11 %, а серы Sг — 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

меньшей степени).

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 Сс, Нс, Ос, Nс, Sс и Ас. При этом

Сс Нс Ос Nс Sс 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/м3 и в виде сплавленных пластин и кусков, называемых шлаками, с плотностью до 800 кг/м3.

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 Wрдоходит

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 оС.

Выход летучих веществ Vг, 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.

(Vг= 85÷90%), в то время как у антрацитов Vг= 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

Топливо

Состав горючей массы, %

Выход летучих веществ, Vг, %

Низшая теплота сгорания, МДж/кг

Сг

Sг

Нг

Oг

Nг

Дрова

51

6,1

42,2

0,6

85

19

Торф

58

0,3

6

33,6

2,5

70

8,12

Горючий сланец

60—75

4—13

7—10

12—17

0,3—1,2

80—90

7,66

Бурый уголь

64—78

0,3—6

3,8—6,3

15,26

0,6—1,6

40—60

27

Каменный уголь

75—90

0,5—6

4—6

2—13

1—2,7

9—50

33

Полуантрацит

90—94

0,5—3

3—4

2—5

1

6—9

34

Антрацит

93—94

2—3

2

1—2

1

3—4

33

Жидкое топливо. Практически все виды жидкого топлива получают путем переработки нефти (бензин, керосин, дизельное топливо и мазут). Мазут представляет собой сложную смесь жидких углеводородов, в состав которых входят в основном углерод (Ср= 84÷86 %)

Мазуты, полученные из нефти ряда месторождений, могут содержать много серы (до 4,5—5%), что резко усложняет защиту окружающей среды при их сжигании.

Характеристики основных видов жидкого топлива приведены в табл. 1.3. Из указанных выше видов жидкого топлива в промышленных и котельных печах сжигаются только топочные мазуты, которые классифицируются по степени их вязкости: М20, М40, М60, М80, М100 и М120 (цифры в указанных марках мазута означают условную вязкость в градусах Энглера).

Для транспортных установок применяют так называемый мазут флотский марок Ф5 и Ф12.

В табл. 1.4 приведены характеристики топочных и флотских мазутов.

Газообразное топливо. Газообразное топливо по сравнению с другими видами топлива имеет ряд существенных преимуществ: сгорает при небольшом избытке воздуха, образуя продукты полного горения без дыма и копоти; не дает твердых остатков; удобно для транспортировки по газопроводам на большие расстояния и позволяет простейшими средствами осуществлять сжигание в установках самых различных конструкций и мощностей.

Таблица 1.3. Характеристики некоторых видов жидкого топлива, получаемого из нефти

Топливо

Состав горючей массы, %

Зольность сухого топлива Ас, %

Влага рабочего топлива Wр, %

Низшая теплота сгорания рабочего топлива, МДж/кг

углерод Сг

водород Нг

сера Sг

кислород и азот Oг Nг

Бензин

85

14,9

0,05

0,05

0

0

43,8

Керосин

86

13,7

0,2

0,1

0

0

43

Дизельное

86,3

13,3

0,3

0,1

Следы

Следы

42,4

Солярное

86,5

12,8

0,3

0,4

0,02

Следы

42

Моторное

86,5

12,6

0,4

0,5

0,05

1,5

41,5

Мазут:

малосернистый

86,5

12,5

0,5

0,5

0,1

1

41,3

сернистый

85

11,8

2,5

0,7

0,15

1

40,2

многосернистый

84

11,5

3,5

0,5

0,1

1

40

Таблица 1.4. Основные характеристики котельных мазутов

Показатель

Нормы по маркам мазута

флотского

топочного

Ф5

Ф12

40

100

200

Вязкость (условная), оВУ, не более:

при 50 °С

5

12

при 80 °С

8

15,5

при 100 °С

6,5—9,5

Температура застывания °С, не выше

мазута

–5

–8

10

25

36

мазута из высокопарафиновых нефтей

25

42

42

Температура вспышки, °С, не ниже, при

определении в тигле:

закрытом

80

90

открытом

90

110

140

Природный газ получают из чисто газовых месторождений, где он выбрасывается из недр земли под давлением, доходящим иногда до 100 атм и более. Основным его компонентом является метан СН4, кроме того, в газе разных месторождений содержатся небольшие количества водорода Н2, азота N2, высших углеводородов СnНm, оксида (СО)

Таблица 1.5. Характеристика горючих газов, входящих в состав газообразного топлива

Газ

Химическая формула

Низшая теплота сгорания 1 м3 газа Qнс

Плотность газа r, кг/м3, при нормальных условиях

Удельный объем, м3/кг

Теоретическая температура горения, °С

МДж/м3

ккал/м3

Водород

Н2

10,8

2 580

0,09

11,112

Метан

СН4

35,82

8 555

0,717

1,4

1 980

Этан

С2Н6

63,75

15 226

1,342

0,746

2 150

Пропан

С3Н8

91,25

21 795

1,967

1,51

Бутан

С4Н10

118,65

28 338

2,593

0,385

2 080

Пентан

C5H12

146,08

34 890

3,218

0,321

2 090

Этилен

С2Н4

59,06

14 107

1,261

2 200

Пропилен

С3Н6

86,00

20 541

1,915

2 270

Бутилен

C4H8

113,51

27 111

2,372

2 100

Оксид углерода

СО

12,64

3 018

1,25

0,8

Сероводород

H2S

23,38

5 585

1,5392

0,650

1900

При добыче нефти выделяется так называемый попутный газ, содержащий меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов и поэтому выделяющий при сгорании больше теплоты. Проблема полного его использования сейчас весьма актуальна.

К искусственным газам относят доменный газ, являющийся продуктом при выплавке чугуна на металлургических заводах; коксовый, образующийся при получении кокса в коксовых батареях; светильный, получаемый при сухой перегонке угля; генераторный, получаемый в газогенераторах.

Коксовый и доменный газ используют главным образом на месте в доменном и других цехах металлургического завода.

В табл. 1.6 представлены состав и теплота сгорания некоторых видов газообразного топлива.

Теплота сгорания топлива. Основной характеристикой топлива является так называемая теплота сгорания. Теплотой сгорания твердого и жидкого топлива называется количество тепла, кДж, выделяемое 1 кг топлива при полном его сгорании.

Теплоту сгорания газообразного топлива относят обычно к 1 м3, взятому при нормальных условиях (0 °С, 760 мм рт.ст.), и измеряют в килоджоулях на метр кубический (кДж/м3).

Таблица 1.6. Состав и теплота сгорания основных горючих газов

Газы

Состав сухого газа, % по объему

Низшая теплота сгорания газа Qнс , МДж/м3

СН4

Н2

СО

СmHn

O2

СО2

S

N2

Природный

Коксовый (очищенный)

Доменный

Сжиженный (ориентировочно)

94,9

22,5

0,3

4

57,5

2,7

6,8

28

3,8

1,9

0,8

0,4

2,3

10,2

0,4

0,3

0,9

7,8

58,5

36,7

16,6

4,0

88,5

Пропан 79, этан 6, Н — изобутан 11

Теплота сгорания зависит от химического состава топлива и условий его сжигания.

В соответствии с понятием органической, горючей и других масс топлива она может быть отнесена к той или другой из этих масс. Наибольший практический интерес представляет теплота сгорания рабочей массы топлива Qнр.

Низшей теплотой сгорания Qнр рабочего топлива называют тепло, выделяемое при полном сгорании 1 кг топлива, за вычетом тепла, затраченного на испарение как влаги, содержащейся в топливе, так и влаги, образующейся от сгорания водорода.

Теплоту сгорания топлива определяют по формулам, учитывающим, что углерод С, водород Н и сера S, участвующие в горении, выделяют определенное количество тепла.

Для определения Qнр используют формулу Д.И. Менделеева, которая дает достаточно точные результаты для самых разнообразных видов топлива.

Формула для определения Qнр, кДж/кг, твердого и жидкого топлива имеет вид

Qнр = 338 Ср 1025 Нр– 108,5 (Ор– Sр)– 25 Wр, (1.5)

где коэффициенты выражают теплоту сгорания отдельных горючих элементов, деленную на 100.

Низшую теплоту сгорания сухого газообразного топлива определяют как сумму произведений теплот сгорания горючих газов на их объемное содержание в смеси, кДж/м3:

Qнр = 127 СО 10 Н2 358 СН4 591С2Н6 911 С3Н8 234 Н2S. (1.6)

Условное топливо. Большая разница в теплоте сгорания различных видов топлива затрудняет в некоторых случаях проведение сравнительных расчетов, например, при выявлении запасов топлива, при оценке целесообразности применения разных сортов топлива и пр.

Для перевода действительного топлива в условное пользуются соотношением (безразмерным коэффициентом):

Эк= Qнр /29330 (в системе МКГСС -Эк= Qнр/7000), (1.7)

где Эк — калорийный эквивалент, указывающий какая часть теплоты сгорания условного топлива соответствует низшей теплоте сгорания рассматриваемого топлива (табл. 1.7).

Таблица 1.7. Калорийные эквиваленты различных видов топлива

Вид топлива

Низшая теплота сгорания Qнр, кДж/кг

Калорийный эквивалент

Эк=Qнр/Qусл

Твердое топливо

Дрова смешанные

12 580

0,43

Торф фрезерный

8460

0,29

Бурый уголь (Подмосковный бассейн)

10760

0,37

Бурый уголь (Назаровское месторождение)

13020

0,44

Антрацит АШ (Донецкий бассейн)

24240

0,83

Сланцы эстонские

10340

0,35

Жидкое топливо

Нефть сырая

43000

1,47

Мазут М-100 (многосернистый)

40030

1,37

Мазут М-100 (малосернистый)

40820

1,39

Газообразное топливо *

Природный газ

34860

1,65

Доменный газ

3770

0,1

Коксовый газ

18000

1,21

Генераторный водяной

10030

0,3

Сжиженный газ (технический пропан)

93750

3,2

* Теплота сгорания газообразного топлива, кДж/м3, при нормальных условиях.

Расход условного топлива

Вусл=B Qнр/Qусл , (1.8)

где В — расход рассматриваемого топлива; Qнр — теплота сгорания топлива.

2. Расчеты горения топлива

При тепловом расчете топливосжигающих установок (паровых и водогрейных котлов, промышленных огневых печей, двигателей внутреннего

сгорания), а также при обработке результатов их испытаний определяют следующие характеристики и величины:

• теоретический и действительный расходы воздуха V0 и Vд, необходимые для сгорания 1 кг твердого и жидкого топлива или 1 м3 газообразного топлива;

• состав и объем продуктов сгорания Vг (дымовых газов);

• энтальпию дымовых газов при требующихся температурах и коэффициентах избытка воздуха Тг.

Для полного сгорания топлива требуется некоторый избыток воздуха против теоретического расхода. Избыток воздуха характеризуется так называемым коэффициентом избытка aт (иногда называемым коэффициентом расхода воздуха). Он зависит от способа сжигания топлива, качества смесеобразования топлива с воздухом и ряда других факторов.

Коэффициент избытка воздуха представляет собой отношение действительного расхода воздуха к теоретическому, т. е.

aт= Vд/V0. (1.9)

При полном сгорании дымовые газы (продукты сгорания) состоят из СО2 и SО2, получившихся при сгорании углерода и летучей серы, водяного пара, образующегося при испарении влаги топлива и сгорании его водорода, азота, подводимого в топку (камеру сгорания) с воздухом, и, наконец, кислорода, не использованного при горении.

Объем продуктов сгорания определяется по формуле

Vг= VCO2 VSO2 VH2O VN2 VO2. (1.10)

При проведении химического анализа дымовых газов содержание СО2 и SO2 определяется совместно, поэтому в расчетные формулы вводится сумма количества СО2 и SO2, обозначаемая символом RO2, тогда

Vг= VRO2 VN2 VO2 VH2O= Vс. г VH2O. (1.11)

где Vс. г — объем сухих дымовых газов:

Vс. г= VRO2 VN2 VO2. (1.12)

В табл. 1.8 приведены расчетные формулы для определения объемов воздуха и продуктов полного сгорания для твердых, жидких и газообразных видов топлива. В этих формулах Ср, Нр, …; СО, Н2, СН4, … — содержание соответствующих элементов и компонентов в рабочем топливе, %; aт— коэффициент избытка воздуха; dв- влагосодержание сухого воздуха, г/м3 (обычно принимается 10 г/м3).

В случае отсутствия элементарного состава сжигаемого топлива при известном значении Qнр и Wр можно пользоваться эмпирическими формуламитабл. 1.9.

Основой тепловых расчетов топливоиспользующих устройств является энтальпия продуктов сгорания, которую принято рассчитывать на единицу количества топлива, из которого получились эти продукты.

Таблица 1.8. Расчетные формулы для определения объемов воздуха и продуктов полного сгорания при нормальных условиях

Определяемые величины

Для твердого и жидкого топлива, м3/кг

Для газообразного топлива, м33

Теоретически необходимое количество воздуха

V0=[0,0889(Ср 0,375Sр) 0,2665HP – 0,033Ор]*(1 0,00124dв)

V0= 0,0476[0,5СО 0,5Н2 1,5H2S 2CH4 ∑(m n/4)CmHn— O2](1 0,00124dв)

Действительное количество воздуха

Vд= aтV0

Количество продуктов полного сгорания

VCO2= 0,0187 Cp;

VH2O= 0,112Hp 0,00124WP 0,0124Vдdв;

VSO2= 0,07 Sp ;

VO2= 0,21(aт— 1)V0;

VN2= 0,008Np 0,79Vд

VCO2=(СО CО2 СН4mCmHn)0,01;

VH2O=(H2 H2S 2CH4 CmHn 0,124Vдdв)0,01;

VSO2= 0,01 H2S;

VO2= 0,21 (aт l) VO; VN2=(N2 79Vд)0,01

Состав продуктов сгорания, %

Vг= VCO2 VH2O VSO2 VO2 VN2

СО2=(VCO2/ Vг)100 и т.д.

Таблица 1.9. Эмпирические формулы для определения V0и Vг, м3/кг или м3/м3 при нормальных условиях

Топливо

Теоретически необходимое количество воздуха

Действительное количество продуктов сгорания

Дрова

Уголь

Жидкое топливо

Газообразное топливо с Qнр< 12 МДж/м3

То же с Qнр> 12 МДж/м3

Коксодоменная печь

V0= 4,66 (1 – Wp/1000)

V0 = 0,24 Qнр 0,5

V0= 0,2 Qнр 2

V0= 0,21 Qнр

V0 = 0,26 Qнр— 0,25

V0 = 0,24 Qнр— 0,2

Vг= 5,3 — 4,055Wp/1000 (a — 1)V0

Vг= 0,21Qнр 1,65 (a — 1)V0

Vг= 0,265 Qнр (-1)V0

Vг= 0,17 Qнр 1 (a — 1)V0

Vг= 0,27 Qнр 0,25 (- 1)V0

Vг= 0,225 × 0,765 (a — 1)V0

Примечание: Qнр — в МДж/кг или МДж/м3 при нормальных условиях (1 ккал = 4,187 кДж).

Энтальпия продуктов сгорания вычисляется как произведение их объема при нормальных условиях на объемную теплоемкость при постоянном давлении и на температуру, кДж/кг или кДж/м3:

Iг = Vгсгt, (1.13)

где t — температура, оС; Vг -полный объем продуктов сгорания, м3/кг или м3/м3, на единицу топлива; сг — средняя в диапазоне температур 0 — t оС теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(кг× оС) или кДж/(м3× оС).

Расчет энтальпии продуктов сгорания, кДж/кг или кДж/м3, производится по формуле

Iг= VCO2(cϑ)CO2 VSO2(cϑ)SO2 VH2O(cϑ)

где VCO2, VSO2, VH2O, VN2, VO2— объемы продуктов полного сгорания, определяемые по табл. 1.8; (cϑ)

Таблица 1.10. Энтальпия газов и воздуха при различных температурах и постоянном давлении 101 кН/м2 (760 мм рт. ст.), кДж/м3

Температура,°С

(cϑ)CO2

(cϑ)H2O

Сухой воздух

(cϑ)N2

(cϑ)O2

(cϑ)H2

(cϑ)CO

(cϑ)SO2

0

0

0

0

0

0

0

0

0

100

171

150

130

130

132,3

129,2

130,2

182

200

360,6

302,4

261,9

261,6

267,2

259,6

261,5

379,4

300

563,9

418,7

395,7

394,6

409,4

390,6

395,7

589,5

400

777,1

623,4

533

530,1

551,4

521,7

532,2

810,2

500

1001,1

600,2

672,4

667,8

699,6

654

671

1037,9

600

1236,4

964,3

814,7

389,4

850,8

785,9

802,2

1272,4

700

1475,1

1143

959

950,9

1004,5

919,5

960,7

1510,7

800

1718,8

1328,9

1106,9

1098,7

1160,5

1086,9

1110,3

1751,8

900

1967,5

1526,8

1259,4

1247,7

1320,2

1245,3

1261,1

1997,6

1000

2219,5

1721

1412,3

1399,3

1479,7

1330,2

1414,4

2243,8

Энтальпию Iгопределяют для нескольких значений ϑ и a. На основании этих подсчетов строят кривые зависимости Iгот ϑ для нескольких a, по которым можно определить объемную энтальпию дымовых газов при заданных температуре и коэффициенте избытка воздуха.

Количество кислорода и воздуха при сжигании некоторых газов

Газы

Для сжигания 1 м3 газа требуется, м3

При сжигании 1 м3 газа выделяется, м3

Теплота сгорания Он,кДж/м3

кислорода

воздуха

диоксида

углерода

водяных

паров

азота

всего

Водород

0,5

2,38

1

1,88

2,88

10 806

Оксид углерода

0,5

2,38

1

1,88

2,88

12 637

Метан

2

9,52

1

2

7,52

10,52

35 825

Этан

3,5

16,66

2

3

13,16

18,16

63 797

Пропан

5

23,8

3

4

18,8

15,8

91310

Бутан

6,5

30,94

4

5

24,44

34,44

118 740

Если в газовоздушной смеси содержится газа меньше нижнего предела воспламеняемости, то она не будет гореть. Если в газовоздушной смеси недостаточно воздуха, то горение протекает не полностью.

Большое влияние на величины пределов взрываемости оказывают инертные примеси в газах. Увеличение содержания в газе балласта (N2 и СO2) сужает пределы воспламеняемости, а при повышении содержания балласта выше определенных пределов газовоздушная смесь не воспламеняется при любых соотношениях газа и воздуха (таблица ниже).

Оцените статью
Кислород
Добавить комментарий