Глава IV ТОПЛИВО И ЕГО СЖИГАНИЕ
Характеристика топлива
Классификация топлива. В основном топливо классифицируют по его происхождению и агрегатному состоянию (табл. 1). В соответствии с этим топливо всех видов подразделяют на естественное и искусственное, каждое из которых в свою очередь подразделяют на твердое, жидкое, газообразное.
Химический состав топлива. Большинство видов топлива органического происхождения, поэтому основными его составляющими являются углерод и водород, которые находятся в топливе в виде различных соединений. В состав топлива обычно входят кислород, азот и сера. Все эти элементы образуют различные соединения, составляющие основу топлива. Кроме того, в топливе всегда присутствуют вода и зола.
Таблица 1. Общая классификация топлива
Агрегатное состояние топлива | Вид топлива по происхождению | |
естественному | искусственному | |
Твердое | Дрова, торф, бурый уголь, каменный уголь, антрациты, горючие сланцы | Древесный уголь, кокс, угольная пыль, термоантрацит, полукокс |
Жидкое | Нефть | Бензин, керосин, мазут, спирт, каменноугольная смола и др. |
Газообразное | Природный газ | Коксовый, доменный, светильный, генераторный, водяной газы |
Зола — это негорючая минеральная часть твердого и жидкого топлива, состоящая из Аl2O3, SiO2, СаО, Fе2О3 и др.
Содержащаяся в топливе сера может встречаться в виде органической серы (S0), колчеданной (Sк) и сульфатной (Sc). Общее количество серы Sоб = S0 + Sк + Sc.
Органическая и колчеданная сера участвует в процессах горения топлива, а сульфатная сера в горении не принимает участия.
Влага, которая содержится в топливе, подразделяется на гигроскопическую (химически связанную) и внешнюю, которая механически удерживается в топливе и теряется при сушке.
Чтобы установить состав топлива, проводят технический и химический (элементарный) анализ топлива. При техническом анализе определяют влагу, летучие и золу. Химический анализ топлива можно выполнить по элементарному составу (С, Н, О, N, S) и определением содержания в топливе отдельных химических соединений (СО, СО2, СН4 и др.). Первый метод анализа применяют для твердого и жидкого топлива, второй — для газообразного топлива.
Элементарный анализ проводят с целью определения содержания углерода, водорода, кислорода, азота и серы в процентах по массе. Однако подобный метод анализа не дает возможности судить о том, из каких соединений этих элементов состоит топливо, а следовательно, и о многих свойствах топлива. Элементарный анализ дает представление о топливе как о механической смеси отдельных элементов, что достаточно для проведения необходимых расчетов сжигания топлива.
В соответствии с элементарным анализом в топливе различают органическую (С, Н, О, N), горючую (С, Н, О, N, S) и сухую (С, Н, О, N, А)массы и рабочее топливо (С, Н, О, N, А, W).
Органическая масса топлива дает возможность судить о его природе, а горючая масса — о топливе как о горючем.
При записи результатов анализа пользуются индексами, например: С° обозначает содержание углерода в органической массе; Sг — содержание серы в горючей массе; Ас —содержание золы в сухой массе и Wp — содержание влаги в рабочем топливе. Естественно, что состав рабочего топлива записывают так:
Пересчет состава угля из одной массы в другую легко выполнить по следующим выражениям (%):
где хс — содержание какого-либо элемента в сухой массе, %; хp— содержание какого-либо элемента в рабочем топливе, %; хг— то же, в горючей массе, %; х° — то же, в органической массе, %.
Химический анализ газообразного топлива можно выполнить последовательным поглощением отдельных составляющих различными реактивами. Его результаты, выраженные в объемных процентах, показывают содержание составных частей газообразной смеси СO2, СО, СН4, О2, СтНт. Количество N2 определяют по разности.
Подобный анализ по химическим соединениям, составляющим топливо, позволяет судить о его свойствах. Анализ с последовательным поглощением отдельных составляющих характеризует состав сухого топлива, поскольку влага, содержащаяся в газе, в процессе анализа не учитывается. Вместе с тем в газах в большинстве случаев содержится влага, которую обычно определяют как массу воды в единице объема сухого газа W (г/м3). В связи с этим бывает необходимо пересчитывать состав сухого газа с тем, чтобы учесть влагу, т. е. определять состав влажного газа.
Теплота сгорания топлива. При сжигании топлива выделяется тепловая энергия. Количество выделившегося тепла связано с химическим составом топлива.
Количество тепла, которое выделяется при сжигании единицы топлива, называется теплотой сгорания топлива [кДж/кг; кДж/м3 или кДж/кмоль]. В технике различают высшую и низшую теплоты сгорания топлива.
Высшая теплота сгорания соответствует условию, что все водяные пары, образовавшиеся при горении, доводятся до жидкого состояния при 273 К. При этом возвращается следующее количество тепла:
Низшая теплота сгорания соответствует условию, что содержащийся в продуктах сгорания водяной пар охлажден с 373 до 293 К. При этом высвобождается количество тепла, разное
1,0 × 2,041(373 —293) » 163,3 кДж/кг,
где 2,041 кДж/(кг × К) — теплоемкость паров воды.
Низшая теплота сгорания топлива больше соответствует действительности, так как практически при сжигании топлива пары воды в газообразном состоянии уносятся с продуктами сгорания.
Количественная разница между и на 1 кг Н2O составляет
Поскольку в продуктах сгорания содержится влага топлива W1и вода, полученная от сгорания водорода [W2 = Н2О/Н2 = (18/2) Н = 9Н], разность между высшей и низшей теплотами сгорания на 1 кг топлива составляет
или если W1 и Н выражены в процентах (т.е. Wр и Нр), то
(71)
При использовании топлива для практических целей совершенна необходимо определять его теплоту сгорания. Теплоту сгорания топлива можно измерять сжиганием навески или определенного объема топлива в специальных приборах — калориметрах. В инженерной практике теплоту сгорания топлива часто определяют расчетом на основании данных элементарного анализа с использованием тепловых эффектов реакций горения отдельных составляющих топлива.
Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива на основании элементарного анализа обычно определяют по формулам, полученным эмпирически. Для отечественных видов твердого и жидкого топлива достаточно точные результаты дает формула Д.И. Менделеева:
(72)
При определении низшей теплоты сгорания формула Д.И. Менделеева имеет вид
(73)
Теплота сгорания газообразного топлива может быть с достаточной точностью получена расчетом, поскольку могут быть известны соединения, составляющие горючую массу топлива, и теплоты сгорания этих соединений В табл. 2 приведены тепловые эффекты реакций окисления ряда соединений, входящих в состав топлива.
Следовательно, если известен состав газообразного топлива, то не представляет труда подсчитать его теплоту сгорания.
Условное топливо. Чтобы сравнить топливо различных видов, иногда используется понятие условного топлива, характеризуемого теплотой сгорания 29300 кДж/кг. Для перевода любого топлива в условное следует разделить его теплоту сгорания на 29310 кДж/кг, т.е. найти эквивалент данного топлива.
Таблица 2. Тепловые эффекты реакций окисления
В настоящее время в металлургической промышленности наиболее распространенным является газообразное топливо. Достаточно часто употребляется жидкое топливо. Практически единственным видом твердого топлива, которое употребляется в металлургии, является кокс.
Дата добавления: 2015-11-10; просмотров: 2093;