Теплота згоряння палива. Поняття умовного палива

ЕНЕРГЕТИЧНЕ ПАЛИВО

Енергетичним паливом називають такі горючі речовини, які є економічно доцільні при спаленні у технічних пристроях для отримання теплоти.

Як паливо можна використати таку горючу речовину, яка задовольняє наступним вимогам: 1) виділяє при згорянні досить велику кількість теплоти;

2) в продуктах згоряння відсутні компоненти, згубно діючі на навколишній рослинний і тваринний світ;

3) трапляється у природі або його одержують при переробці інших горючих речовин у значних кількостях;

4)є економічно доцільне при видобуванні та транспортуванні до місць споживання;

5) порівняно легко запалюється.

 

7.2. КЛАСИФІКАЦІЯ ПАЛИВА

За походженням паливо поділяється на природне, що видобувається з надр землі, і штучне, що одержується шляхом переробки природного палива. За фізичним станом воно може бути твердим, рідким і газоподібним.

Загальну класифікацію палива наведено у табл. 7.1.

Склад палива

Паливо, що подається у топку, називається робочим паливом. До складу органічного палива входять горючі елементи і негорючі домішки (баласт).

Горючі складові твердого і рідкого палива - вуглець С, водень Н, кисень О, сірка органічна 8_ор і сірка колчеданна 8_К -утворюють з киснем О і азотом N складні хімічні сполуки. Баластом палива є зола,4 і волога IV. Склад палива виражається в процентах, віднесених до 1 кг маси. Рівняння складу робочої маси рідкого і твердого палива

При класифікації і вивченні властивостей палива користуються поняттями «суха маса палива» і «горюча маса палива». Якщо £Г=0, то маса палива називається сухою і виражається рівнянням

 

Якщо W=0, A=0, то маса палива називається горючою, причому в неї умовно включаються кисень і азот, які не горять.

Газоподібне паливо, так само, як тверде і рідке, становить суміш різних компонентів і поділяється на природне і штучне. Склад газоподібного палива виражають у процентах по об'єму вхідних у нього різних газів, а розрахунки відносять до 1 м³ при тиску 101325 Па (760 мм рт. ст.) і температурі 273,16 К (0°С). Ці параметри газів називають нормальними. Стандартними умовами вважають такі параметри газу: тиск 101325 Па і температуру 293,16 К(20°С).

Для приведення об'єму газу при тиску і температурі t до нормальних умов використовують формулу:

де - об єм газу при нормальних умовах, .

Для приведення до стандартних умов:

 

де об'єм газу при стандартних умовах, .

Основні складові природного і попутного газів - метан СН₄ (50...95%), етан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀, інші вуглеці, вуглекислий газ С0₂, азот N2.

До складу штучного газоподібного палива входять окис вуглецю СО, водень Н₂, метан, вуглекислий газ і азот. У газоподібному паливі містяться також водяні пари, різні смоли та ін.

Для комунально-побутових цілей широко застосовуються зріджені гази, що складаються головним чином із вуглеводів, які легко конденсуються при стисненні, - пропану і бутану. Відрізняють три марки зріджених газів: суміш пропан - бутан технічна зимова, літня, бутан технічний.

Зріджені гази зберігають і перевозять у балонах місткістю від 20 до 55 л, розрахованих на умовний тиск до 200 атм, і від 80 до 500 л - на тиск до 250 атм.

ТЕПЛОТА ЗГОРЯННЯ ПАЛИВА. ПОНЯТТЯ УМОВНОГО ПАЛИВА

Теплота згоряння палива показує, яка кількість теплоти (у кілоджоулях) виділяється при повному згорянні твердого, рідкого або газоподібного палива за нормальних умов.

Відрізняють нижчу і вищу, питому і об'ємну теплоту згоряння палива.

Нижча теплота згоряння є меншою за вищу на ту кількість теплоти, яка витрачається на випаровування води, що утворюється при згорянні палива, а також вологи, що міститься у ньому.

Вищою називається теплота згоряння, що визначається без урахування витрат теплоти на випаровування вологи палива і вологи, одержаної при згорянні вільного і зв'язаного водню.

Наприклад, питома нижча теплота згоряння кам'яного вугілля - 28..34 МДж/кг, бензину ≈ 44 МДж/кг, нижча об'ємна теплота згоряння природного газу - 31,..38 МДж/м³.

Нижчою називається теплота згоряння, що визначається з урахуванням витрат теплоти на випаровування вологи. У розрахунках застосовується нижча теплота згоряння палива (кДж/кг).

Нижча теплота згоряння твердого і рідкого палива обчислюється за формулою

де - летка сірка, %

Вища теплота згоряння твердого і рідкого палива визначається за формуло

Нижчу теплоту згоряння сухого газоподібного палива за нормальних умов, кДж/нм³, визначають за формулами, наведеними у довідковій літературі.

Оскільки теплота згоряння різних видів палива є різна, для порівняння їх теплової дії введене поняття «умовне паливо». Умовним прийнято вважати паливо, для якого нижча теплота згоряння дорівнює 29300 кДж/кг для твердого і рідкого або 29300 кДж/нм³ - для газоподібного.

Для переведення будь-якого конкретного палива в умовне необхідно нижчу теплоту згоряння даного палива розділити на 29300 кДж/кг або кДж/нм³, одержане число (тепловий еквівалент ) помножити на масу ( цього палива, тобто

де В_ум - маса умовного палива, що відповідає даному конкретному паливу.

7.4. ТЕПЛОТЕХНІЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНИХ КОМПОНЕНТІВ ПАЛИВА

Головна складова горючої частини палива - вуглець. Теплота згоряння вуглецю - 33650 кДж/кг. Вміст вуглецю за горючою масою палива становить: в антрациті - 87...93%, у мазуті - 85... 88, у бурому і кам'яному вугіллі - 65...80, у торфі -50...56, у сланцях - 60...77%. Отже, з підвищенням геологічного віку палива вміст у ньому вуглецю зростає. Чим вищим є вміст вуглецю у паливі, тим гіршою є його займання.

Водень є важливим горючим компонентом палива. Теплота згоряння водню - близька 142000 кДж/кг, тобто в 4,2 раза більша за теплоту згоряння вуглецю. Вміст водню у паливах (на гарячу масу) становить: у мазуті - 10...10,5 %, у торфі і дровах - 6...6,2, у бурому і кам'яному вугіллі - 4...6, в антрацитах - 2,0...2,4 %. Вміст водню в паливі зі збільшенням віку меншає.

Сірка у складі твердого палива поділяється на органічну 8_ор, колчеданну 8_К і сульфатну 8_С. Органічна сірка і сірка колчеданна у сумі складають горючу, або летку, сірку 8_Л. При згорянні 8_Л утворює оксиди 80₂ і 80₃, що спричиняють корозію поверхонь нагріву котлоагрегатів та іншої апаратури, а при потраплянні з димовими газами в атмосферу забруднює навколишнє середовище.

Теплота згоряння сірки становить близько 9000 кДж/кг. Вміст сірки у вугіллі доходить до 5...7 %, у сланцях - до 15, у мазуті - до 3 %, у природних газах сірка практично відсутня, і її домішки трапляються тільки в оренбурзькому газі.

Кисень належить до негорючої частини палива. Він входить у хімічні сполуки з деякими горючими компонентами (наприклад, із воднем) палива.

Азот не бере участі у горінні і є інертною частиною палива, утворюючи разом з киснем його внутрішній баласт.

Зола палива - негорючий залишок, що виходить при повному згорянні палива. Вона разом з вологою утворює зовнішній баласт палива.

Як правило, у золі твердого палива містяться оксиди сірки (80₂), алюмінію (А1₂0₃), заліза (РеО) і в значно менших кількостях Мg0, К₂0, луги і хлориди. Вміст золи після згоряння бурого і кам'яного вугілля становить (у % від робочої маси) 5...25, торфу -5...7, мазуту - 0,3, сланців - 40...60.

Волога є баластом палива, зменшує його теплову цінність. Крім того, частина теплоти, що виділяється при згорянні палива, витрачається на випаровування вологи.

Найважливішою технічною характеристикою твердого палива є наявність у ньому летких речовин. Леткими речовинами називають газоподібні і пароподібні продукти, які виділяються при нагріванні повітряно-сухого палива масою 1 кг при температурі 850°С протягом 7 хв без доступу повітря. Твердий залишок, одержаний після видалення летких речовин, називається коксом.

До складу летких речовин входять СО, Н₂, С0₂, 0₂, N2, Н₂0 та ін. Зі зменшенням вмісту летких речовин займання відбувається при більш високих температурах, а полум'я втрачає забарвлення. Вихід летких речовин для сланців становить 80...90%, для торфу - 70, для бурого вугілля - 30...60, для антрацитів - до 9%.

7.5. ХАРАКТЕРИСТИКА ОКРЕМИХ ВИДІВ ПАЛИВА

Деревина. Використання деревини як палива є обмежене. Теплота згоряння дров значною мірою визначається вологістю. Чим більшою є вологість дров, тим менше теплоти вони виділяють.

Торф становить продукт розкладання рослинних речовин. Залежно від того, яким способом видобувається торф, він може бути кусковий або фрезерний (крихта). Оскільки вологість торфу є висока (50% і вище), а теплота згоряння становить 8500... 14000 кДж/кг, торф використовують як місцеве паливо. Торф містить до 70 % летких речовин і під час зберігання у штабелях на відкритих складах є здатний до самозаймання. Тому необхідно суворо дотримувати встановлені правила протипожежної безпеки.

Викопне вугілля поділяється на три основних види: бурі, кам'яні і антрацити. Буре вугілля - найбільш низькосортне, містить значну кількість мінеральних домішок і летких речовин. Нижча теплота згоряння бурого вугілля - 10500... 16000 кДж/кг. Кам'яне вугілля - найбільш цінне тверде паливо.

Горючі сланці - продукт розкладання рослинних і тваринних організмів під водою без доступу повітря. Характеризуються високим вмістом летких речовин (близько 80 %) і високою зольністю (до 55 %). Нижча теплота згоряння горючих сланців не перевищує 10000 кДж/кг. Із горючих сланців найбільш доцільно одержувати газ і рідке паливо.

Рідке паливо порівняно з твердим паливом має низку переваг: більш високу теплоту згоряння, незначну кількість баласту, зручність у транспортуванні, перекачуванні та зберіганні.

Сировиною для одержання основних рідких палив слугує нафта. У теплових установках спалюється мазут - залишковий продукт у переробці нафти. У мазуті практично немає мінеральних домішок і води. Нижча теплота згоряння -38500...39000 кДж/кг.

Залежно від вмісту сірки мазути бувають трьох сортів: малосірчисті - до 0,5 %, сірчисті - до 2 і високосірчисті - до 3,5 %.

Газоподібне паливо, особливо природний і попутний гази, має низку переваг перед твердим і рідким паливом: менші втрати теплоти при спаленні завдяки кращому перемішуванню газу і повітря, зручніше регулювання процесу горіння, відсутність золи при спаленні і т.п. Основні недоліки газоподібного палива -можливість витоку через нещільність сховищ і трубопроводів, можливість утворення вибухонебезпечної суміші з повітрям, отруйлива дія на людей і тварин.

Теплота згоряння природного газу - 34000...36000 кДж/нм³, попутного - 53000...60000 кДж/нм³.

7.6. ОСНОВИ ПРОЦЕСУ ГОРІННЯ ПАЛИВА

Горіння палива - це окислення його горючих елементів киснем із виділенням значної кількості теплоти.

Залежно від швидкості горіння відрізняють нормальне горіння і вибухове. Швидкістю горіння називається швидкість поширення полум'я. При нормальному горінні швидкість поширення полум'я, як правило, не перевищує 20...30 м/с, а при вибуховому горінні - 2000...3500 м/с. Для того щоб паливо почало горіти, необхідно підняти його температуру (°С) до температури займання.

Інтенсивність горіння значною мірою залежить від концентрації речовин і їх температури. Щоб забезпечити безперервність горіння, необхідно підтримувати температуру горіння не нижче за температуру займання.

Відрізняють повне і неповне горіння. При повному горінні горючі компоненти палива окислюються киснем доти, доки всі складові продуктів горіння не здатні горіти далі.

Кінцеві продукти згоряння вуглецю і водню - вуглекислий газ і вода.

При неповному горінні залишаються продукти, здатні при наявності кисню і далі горіти з виділенням теплоти.

При повному горінні теплоти виділяється у 3 рази більше, ніж при неповному. Тому потрібно домагатися, щоб згоряння палива у котельних установках було повним. Головною умовою цього є підведення до палива такої кількості кисню, щоб його було досить для повного окислення горючих елементів. Це було б можливе при ідеальному змішуванні палива і кисню повітря, що підводиться у зону горіння. Причому кисню при цьому було б стільки, скільки потрібно по реакції горіння, тобто теоретично необхідна його кількість.

Однак на практиці у цьому випадку не вдається досягти повного згоряння палива. Тому процес горіння провадиться з деяким лишком повітря.

7.7. ВИЗНАЧЕННЯ НЕОБХІДНОЇ КІЛЬКОСТІ ПОВІТРЯ ДЛЯ ПОВНОГО ЗГОРЯННЯ ПАЛИВА

Якщо склад палива є відомий, то кількість повітря, необхідного для повного згоряння будь-якого з його компонентів, можна визначити з вираження

С + 0₂ = С0₂.

Ця формула показує, що на кожні 12 кг вуглецю (С) витрачається 32 кг кисню (0₂).

Отже, на 1 кг С витрачається 32: 12 = 2,67 кг, аналогічно -для водню. Згідно з реакцією його горіння, маємо

2Н₂ + 0₂ = 2Н₂0.

Отже, на кожні 4 кг Н₂ потрібно 32 кг кисню, тобто на 1 кг Н₂ треба 8 кг кисню.

Для процесу горіння сірки одержуємо:

8 + 0₂ = 80₂,

для повного згоряння 32 кг сірки потрібно 32 кг кисню. Отже, на 1 кг сірки потрібно 1 кг кисню.

Для газоподібного палива теоретичну кількість повітря, необхідного для повного згоряння 1 м³ газу за нормальних умов, можна визначити за довідковою літературою.

Насправді у топочну камеру подається повітря більше, ніж потрібно за наведеними вище реакціями, оскільки не весь кисень, що міститься у повітрі, бере участь у горінні.

Знання ентальпії продуктів згоряння є необхідне для розрахунку і вибору паливовикористовуючих пристроїв. Ентальпію продуктів згоряння розраховують на 1 кг або на 1 м³ палива, при спаленні якого їх одержано.

Чисельні значення ентальпій складових продуктів згоряння і повітря при різних температурах наведено у табл. 7.2.

Щоб відрізнити від питомої ентальпії, віднесеної до 1 кг робочого тіла h, ентальпію продуктів згоряння позначимо умовно літерою Н:

де t - температура продуктів згоряння, °С;

с_r - середня теплоємність продуктів згоряння в інтервалі температур від 0°С до t°С, Дж/(м³∙К).