Состав и теплота сгорания топлива

Основными горючими элементами топлива являются углерод и водород, которые находятся в топливе в виде различных соединений между собой и с другими элементами - азотом, кислородом, серой.

Основной составляющей газообразного топлива является метан СН₄, который находится в топливе совместно с другими газообразными компонентами – СO₂, С0, С₂Н₄, N₂

Все эти компоненты могут быть определены при газовом ана­лизе топлива. Жидкое нефтяное топливо состоит из различных углеводородов, определить которые при химическом анализе очень сложно. Поэтому для жидких топлив даётся элементар­ный состав, то есть процентное содержание по массе углерода (С), водорода (H), кислорода (0), азота (N), серы (S), а также золы (А) и влаги (W). По этим данным могут быть проведены все необходимые расчеты при использовании топли­ва в каком-либо топочном устройстве. Топливо характеризуется рабочей массой, показывающей, какое топливо поступает в двигатель:

 

C^P + H^P + O^P +N^P +S^P +A^P +W^P = 100%, (2.1)

 

а также сухой (безводной) массой и горючей массой, представляющей собой безводный и беззольный состав топлива. Соответственно имеем:

 

C^C +H^C +O^C +N^C + S^C +A^C = 100%

C ^r +H ^r +O ^r +N ^r +S ^r =100%

 

Состав топлива можно пересчитать с одного вида на дру­гой при помощи множителей.

Теплотой сгорания топлива называется количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг (1 м³ для газов) топлива при стандартных условиях (B₀ = 760 им рт. ст. t₀ = 20^ºC). Теплота сгорания определяет удельный расход топлива в двигателе - чем больше теплота сгорания, тем меньше удельный расход топлива. Различают высшую Н_u и низшую Н_u теплоту сгорания.

Высшей теплотой сгорания называется количество тепловой энергии, которое выделяется при полном сгорании единицы массы топлива при нормальном атмосферном давлении и охлаж­дении продуктов сгорания до 25°С. В этом случае учитывает­ся теплота, выделившаяся при конденсации паров воды, находя­щейся в продуктах сгорания. В двигателе теплота конденса­ции воды не учитывается, так как вода выбрасывается вместе с продуктами сгорания в виде пара. Поэтому в технике поль­зуются низшей теплотой сгорания Н_u, которая не включает теплоту конденсации паров воды.

Н_в =Н_u + 6(W^p + 9 H^p) ккал/кг, (× кДж/кг) (×4,19 кДж/кг)

где W^p и H^p - процент содержания влаги и водорода в топливе по массе.

 

Теплоту сгорания определяют опытным путём, сжигая топ­ливо в калориметре, или по эмпирическим формулам.

Теплота сгорания зависит от элементарного состава топ­лива. Высокую теплоту сгорания имеют топлива с большим про­центным содержанием водорода и углерода и малой зольностью. Входящие в состав топлива кислород, азот, вода и негорючие минеральные вещества - зола (А) - являются балластом и снижают теплоту сгорания топлива. Если известен элементарный состав топлива, то теплота сгорания может быть подсчитана по эмпирической формуле Д.И.Менделеева:

 

H_u = 81 C_p + 246 H_p – 26(O_p – S_p) – 6W_p ккал/кг, (×4,19 кДж/кг) (2.2)

 

где С^p, H^p, O^p, S^p, W^p - содержание углерода, водорода, кислорода, серы и воды в топливе в процентах по массе. Низшая теплота сгорания может быть подсчитана и по дру­гим формулам.

Точность расчета теплоты сгорания топлива по эмпирическим формулам составляет ± 2 -3 %. Низшая теплота сгорания реактивных топлив Т-I, TC-I (керосин) должна быть не менее 43000 кДж/кг. Теплота сгорания дизельного топлива Н_u = 42528 – 42822 кДж/кг, мазутов 38130 – 41900 кДж/кг, природных газов 42000 - 50000 кДж/кг, (ρ = 0,750 – 1,288 кг/м³). Рабочая теплота сгорания мазутов зависит от содержания в них воды. Понижение теплоты сгорания в зависимости от степени обводнения показано на графике рис 2.1, который можно использовать для ориентировочного определения теплоты сгорания обводненного топлива, если известны его плотность и содержание воды. Самой большой теплотой сгорания обладает водо­род – Н_u = 120462,5 кДж/кг; однако вследствие малой плот­ности и высокой взрывоопасности применение его как топ­лива вызывает большие трудности.

 

 

Рис.2.1. Зависимость низшей теплоты сгорания топлива от содержания воды. Цифры на линиях – плотность при 15^° С, г/см³

 

Газообразное топливо

Для сжигания в камерах сгорания ГТД могут быть исполь­зованы как природный газ, так и ряд промышленных газов - коксовый, гене­раторный, доменный, подземной газификации углей. Природный газ имеет наибольшую среди них теплоту сгорания и в настоящее время широко применяется как топливо для газотурбинных установок, работающих на магистральных газо­проводах, электростанциях, в промышленности.

Природные горючие газы представляют собой смеси различ­ных углеводородов, в основном метанового ряда, и незна­чительных количеств СО₂ , CО, N₂ и др. Состав природного газа зависит от месторождения.

Газ, содержание метана в котором доходит до 90 %, называются сухим. Газ, основой состава которого являются высшие углеводороды и в котором мало метана, называется жирным. Состав и основные показатели природного газа при­ведены в специальной литературе.

Бурное развитие газовой промышленности в последние го­ды обусловлено многими очевидными достоинствами газообраз­ного топлива. Хорошее перемешивание с воздухом, которое может быть обеспечено газогорелочным устройством, позволяет эффективно сжигать газ в различных топочных устройствах. При сжигании природного газа в камерах сгорания ГТУ коэф­фициент полноты сгорания достигает величины η_г = 0,99 - 1,0 при весьма незначительном нагарообразовании в камере. В результате перевода котлов с твердого топлива на газ исчезают потери с механическим недожогом. Огромное значе­ние имеет также дешевизна природного газа в сочетании с высокой теплотой сгорания, которая позволяет газу конкури­ровать с другими видами топлива при его подаче по трубопроводам из районов добычи в места потребления. К достоин­ствам газообразного топлива следует также добавить ком­пактность системы газопроводов, особенно по сравнению с громоздкими системами топливоподачи и приготовления топлива в котельных, работающих на твердом топливе.

Таким образом, газ является совершенным топливом для современных ГТУ и других топочных устройств. Только следует помнить, что эксплуатация газового хозяйства тре­бует строгого соблюдения мер техники безопасности ввиду взрывоопасности газа.