Состав и основные характеристики твердого и жидкого топлива

Источником энергии для котельных установок различного назначения являются:

· Природные и искусственные топлива, в твердом, жидком и газообразном состояниях;

· Теплота отходящих газов теплотехнологических установок;

· Теплота экзотермических превращений, выделяющаяся в отдельных технологических процессах;

· Теплота охлаждаемых элементов высокотемпературных технологических камер;

· Теплота охлаждаемого технологического продукта.

Находят некоторое применение и возобновляемые источники энергии, в частности, ветровая энергия, солнечная энергия и др.

В настоящее время и на обозримую перспективу основным источником первичной энергией для котельных установок является органическое топливо. По своему состоянию оно делится на твер­дое, жидкое и газообразное, а по спосо­бу получения на естественное и искус­ственное. Рассмотрим состав топлива.

Отличительной особенностью твердых и жидких топлив является сложность химического состава их органического вещества, что предопределило оценку их состава по процентному содержанию заключенных в нем химических элементов. Газообразное топливо, предоставляющее собой механическую смесь достаточно простых углеводородов и других известных соединений, оценивается по доле этих соединений в топливе. В общем случае состав органического топлива можно разделить на горючую и негорючую части.

Твердое и жидкое топливо содержат следующие горючие вещества: углерод (C), водород (H), серу (S), кислород (O), азот (N). Но кислород и азот топлива не участвуют в экзотермических реакциях и поэтому относятся к негорючей части. Кроме того, серу, содержащуюся в топливе, обычно делят на горючую и негорючую. Горючая часть серы представляет собой сумму двух слагаемых: серы в органическом веществе топлива (органическая сера S_о), серы в сульфидах топлива (пиритная или сульфидная сера S_s): S_c = S_о + S_s. Негорючая сера (сульфатная сера ) входит в состав минеральной части топлива.

Негорючая часть топлива состоит из влаги W и минеральной части М, образующей при сгорании золу А.

Таким образом, горючая часть жидкого и твердого топлива содержит вещества: углерод, водород, летучая сера S_c, а негорючая часть – кислород, азот, и влагу.

Органические топлива характеризуются органической, горючей, сухой и рабочей массой. Каждой составляющей массы топлива присваивается соответствующий надстрочный индекс. Запишем уравнения состава топлива для каждой массы.

Органическая масса:

.

Сера органической массы не содержит сульфидной серы .

Горючая масса (сухая беззольная):

Состав горючей массы определяет свойства топлива как горючего материала.

Сухая масса:

В состав сухой массы входят все вещества, включая золу.

Рабочая масса:

Рабочей массой называется общая масса топлива, включая золу и влагу. Расчеты, связанные с анализом процесса горения, как правило, проводят по рабочей массе.

Приведение элементного состава топлива от одной массы к другой производится с помощью пропорции или соответствующих коэффициентов.

Состав газов записывают в виде суммы объемного содержания компонентов в процентах:

Состав топлива определяет его тепловую ценность, которая характеризуется теплотой сгорания топлива. Теплота сгорания представляет собой количество тепловой энергии, которая может выделиться в ходе химических реакций окисления горючих компонентов топлива с газообразным кислородом.

Теплота сгорания является удельной характеристикой топлива, ее относят к единице объема или массы топлива в любом из расчетных состояний: рабочем, сухом, сухом беззольном и т.д. Для жидкого и твердого топлива за единицу его количества выбирают 1кг его массы, а для газообразного – 1 м³ его объема при стандартных условиях (101,3 кПа, 273К). 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, выделяющийся при сгорании топлива будет больше на величину теплоты конденсации водяных паров.

Количество тепловой энергии, которое может выделиться при полном сгорании 1кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газообразного топлива при условии, что образующиеся водяные пары в продуктах сгорания конденсируются, называется высшей теплотой сгорания топлива (Q_в).

Количество тепловой энергии, которое может выделиться при полном сгорании топлива при условии, что образующиеся водяные пары в продуктах сгорания не конденсируются, называется низшей теплотой сгорания топлива (Q_н).

Итак, высшая теплота сгорания топлива отличается от низшей теплоты сгорания на величину теплоты конденсации водяных паров:

.

Теплоту сгорания топлива, как правило, определяют экспериментально в колориметрической бомбе. Теплота сгорания некоторых топлив равна:

· твердое топливо

· жидкое топливо

· газообразное топливо

В теплотехнических расчетах теплоту сгорания топлива можно найти, зная элементный состав топлива по формуле Менделеева, кДж/кг:

Теплоту сгорания газообразного топлива рассчитывают по теплоте сгорания его компонентов, :

Для определения высшей теплоты сгорания топлива к значению низшей теплоты сгорания необходимо прибавить теплоту конденсации водяных паров:

Для сравнения различных видов топлива при разработке энергетических балансов и нормировании все виды топлива по теплоте сгорания приводят к единому эквиваленту. В России тепловым эквивалентом служит единица «условного топлива», имеющего расчетную теплоту сгорания , что соответствует теплоте сгорания малозольного сухого угля. Следовательно, 1 т.у.т. = 29,31 ГДж = 8,141 МВт∙ч.

При расходе реального топлива В, кг/с (или м³/с), с теплотой сгорания расход условного топлива, кг/с составит: