ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

Энергетическим топливом называют вещества, которые экономически целесообразно использовать для получения большого количества теплоты. Причем в котельных установках необходимо использовать лишь такие сорта топлива, которые применяются только для непосредственного сжигания.

В зависимости от агрегатного состояния топливо подразделяется на три вида: твердое, жидкое и газообразное.

В настоящее время основным источником тепла является органическое топливо, преимущественно ископаемое. К этому виду топлива относятся: каменные и бурые угли, торф, горючие сланцы, природный газ, продукты переработки нефти. Кроме природного топлива для получения тепла используют искусственное топливо: кокс, брикеты угля и торфа, древесный уголь, доменный, генераторный, коксовый газы др.

Характеристики и состав топлива оказывают большое влияние на процесс горения. К характеристикам топлива относятся: теплота сгорания, выход летучих, свойства твердого остатка (кокса), элементный состав топлива и др.

Под теплотой сгорания понимают количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газообразного топлива. Существует низшая и высшая теплота сгорания, которые различаются тем, что низшая теплота сгорания учитывает количество теплоты, израсходованное на испарение влаги топлива и влаги, образовавшейся в результате окисления водорода.

Выход летучих – очень важная характеристика топлива. Определяется она в лабораторных условиях при нагревании топлива до температуры 850^оС без доступа воздуха. При этом из топлива выделяются летучие горючие элементы и остается твердый остаток, называемый коксом. Чем больше выход летучих, тем легче происходит воспламенение топлива, но тем ниже его теплота сгорания.

Свойства твердого остатка также влияют на процесс сгорания топлива. Если кокс спекается, то его выжиг затруднен и имеются большие потери со шлаком.

Твердое и жидкое топливо представляет собой сложные соединения. Газообразное топливо представляет собой физическую смесь горючих и негорючих газов с включением некоторых примесей.

Твердое топливо. По ГОСТ 17070-79 ископаемые твердые топлива классифицируются на антрациты, каменные и бурые угли, торф и сланцы.

К каменным углям относят большую часть ископаемых углей, которые подразделяются на различные категории в соответствии с существующими государственными стандартами.

Антрацит и полуантрацит – наиболее старые по геологическому возрасту угли, характеризующиеся малым выходом летучих и сравнительно большой удельной теплотой сгорания (около 34 МДж/кг).

Каменные угли в отличие от антрацитов и полуантрацитов имеют больший выход летучих. Удельная теплота сгорания беззольной массы каменных углей более 23,9 МДж/кг.

Бурые угли – более молодое по геологическому возрасту топливо, чем каменные угли. удельная теплота сгорания беззольной массы углей этой марки менее 23,9 МДж/кг.

Торф – это самое молодое по геологическому возрасту топливо, характеризующееся низкой теплотой сгорания, большим выходом летучих и повышенной влажностью.

Сланцы – характеризуются большой зольностью, повышенной влажностью, низкой теплотой сгорания на рабочую массу (около 5,9-10 МЖ/кг).

Жидкое топливо. В котельных установках в качестве жидкого топлива используют продукт переработки нефти – мазут. В зависимости от принятых условий различают неглубокую переработку нефти – так называемую разгонку, при которой нефть разделяется на узкие фракции по температурам их выкипания без нарушения молекулярной структуры этих фракций, и глубокую переработку, при которой происходит разрушение молекул исходных углеводородов (крекинг) с образованием новых соединений, по преимуществу с меньшей молекулярной массой.

В зависимости от вязкости мазут подразделяется на ряд марок: флотский Ф5 и Ф12; топочный со знаком качества 40В и топочный 40; топочный со знаком качества 100В и топочный 100. флотский мазут относится к категории легких топлив и предназначается для судовых котлов, газовых турбин и двигателей. Топочный мазут марок 40В и 40 относится к категории средних топлив, а марок 100В и 100 – к категории тяжелых топлив.

Низшая удельная теплота сгорания мазута на рабочую составляет 39,4-40,2 МДж/кг. Низшую теплоту сгорания твердого и жидкого топлив (кДж/кг) приближенно можно рассчитать по элементному составу по формуле Д.И. Менделеева:

Q^r_н= 4,19∙[81∙C^r+300∙H^r - 26∙(O^r – S^r) - 6∙(9∙H^r+W^r)]

где C^r, H^r, O^r, S^r, W^r – содержание элементов в рабочей массе топлива, %.

Газообразное топливо. В качестве газообразного топлива используют преимущественно природный горючий газ и в небольших количествах – искусственные горючие газы различных видов. Природный газ представляет собой газовые смеси. Соотношение между метаном и другими углеводородами зависит от характера месторождения горючего газа. Перед подачей природного газа в магистраль его подвергают переработке на специальных заводах, причем вид переработки зависит от состава газа. В одних случаях она включает очистку газа от сероводорода и углекислоты, в других – извлечение из него высших углеводородов и водяных паров, в третьих – весь комплекс операций переработки, однако завершающей стадией во всех случаях является одоризация газа, т.е. придание ему запаха, позволяющего легко обнаружить присутствие газа в воздухе.

Теплота сгорания 1 м³ газообразного топлива может быть определена лабораторным путем с помощью калориметра или рассчитана для сухого газа, если известен его состав, по формуле смешения:

_,

где и т.д. – объемная теплота сгорания отдельных компонентов газа, МДж/м³; и т.д. – содержание компонентов газообразного топлива, %.