Теплота сгорания топлива и приведенные характеристики

Количество теплоты, выделяющейся при сгорании единицы массы или объема топлива, является его основной теплотехнической ха­рактеристикой. Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива. Высшей теплотой сгорания Q_в называют количество теплоты, которое выделяется при сгорании 1 кг твер­дого или жидкого и 1 м³ газового топлива при условии конденсации водяных паров и охлаж­дения всех продуктов сгорания до 0°С. Низ­шая теплота сгорания Q_н отличается от выс­шей на теплоту испарения влаги топлива и влаги, образующейся при горении водорода В энергетических установках влага в продук­тах сгорания остается в парообразном состоя­нии и теплота, затраченная на ее испарение, теряется. Чем больше влажность топлива, тем меньше Q_н.

Низшую теплоту сгорания, кДж/кг, можно определить следующим образом:

Q_h=Q_b - Q_w. (1.6.)

В общем случае теплота конденсации вла­ги, кДж/кг,

(1.7.)

где Н, W — содержание водорода и влаж­ность топлива в процентах; 2500 - теплота конденсации 1 кг влаги при атмосферном дав­лении, кДж/кг.

При нахождении низшей теплоты сгорания для других масс топлива, кроме аналитиче­ской и рабочей, формула (1.7) упрощается ввиду отсутствия влаги

Высшая теплота сгорания твердого и жид­кого топлива может быть определена экспе­риментально путем сжигания порции топлива в специальной калориметрической установке.

Теплоту сгорания топлива можно прибли­женно определить на основании данных его элементарного состава.

Наиболее удачными в отношении простоты и точ­ности являются формулы Д.И. Менделеева с эмпири­чески подобранными коэффициентами для соответ­ствующих горючих элементов. Так, для определения низшей теплоты сгорания рабочей массы твердого я жидкого топлива формула имеет следующий вид:

Q_н^р =339С^р+1030 Н^р-109(О^р-S^р)-25W^p (1.8)

где С^р, Н^р и т. д. - элементы рабочей массы топлива, %. Для газовых топлив при точно известном их со­ставе теплота сгорания 1 м³ сухого газа может быть подсчитана достаточно точно по формуле

Q^c_н=0,01(Q_H2H₂+Q_COCO+Q_СН4СН₄+Q_C2H6+…), (1.9)

где Н₂, СО, СН₄, С₂Н₆ и т. д. - объемная доля горючих газов в топливе, %; Q_H2, Q_CO, Q_СН4, Q_C2H6 и т.д. теплота сгорания соответствующих газов, кДж/м³

Паровые котлы одинаковой производитель­ности могут потреблять существенно разное количество топлива, так как его теплота сго­рания у разных видов изменяется в широких пределах. Для сравнения экономичности ра­боты электростанций и упрощения расчетов при сжигании различных видов топлива вве­дено понятие условного топлива, имеющего теплоту сгорания Q_y.т = 29,33 МДж/кг (7000 ккал/кг). Потребление разных видов топлива электростанциями может быть пере­считано в условное топливо по соотношению

(1.10)

где В_у.т, В — расход соответственно условного топлива и натурального.

Выражение элементарного состава топлива, а так­же внешнего балласта его (влажности, зольности) в процентах от исходной массы сжигаемого топлива нашло широкое применение в энергетике. Однако при анализе условий работы парового котла такой способ выражения характеристик топлива не всегда удобен. Так, с увеличением доли внешнего балласта в топливе снижается его теплота сгорания. Для обеспечения той же паропроизводительности котла потребуется увеличить расход топлива. В итоге массовое количество бал­ласта, поступающего в топку, возрастет в значительно большей мере, чем увеличится расход топлива, что может создать недопустимые условия для эксплуатации парового котла. Таким образом, процентное содержа­ние влаги, золы или серы в топливе еще не является достаточной мерой энергетической ценности топлива.

Более полную характеристику массовых расходов при сравнении сжигаемых в паровом котле топлив дает выраженное в процентах содержание химических эле­ментов и балласта, отнесенное к единице низшей тепло­ты сгорания топлива 1 МДж, которое называют при­веденной характеристикой топлива.

Приведенные влажность, зольность и сернистость (%·кг/МДж) определяют соответственно по форму­лам:

; ; . (1.11)

Так, при одинаковой исходной сервистости (S^p=3%) мазута (Q^p_h=39 МДж/кг) и бурого угля (Q^p_h=12 МДж/кг) массовый выброс окислов серы с про­дуктами сгорания [во втором случае будет в 3,25 раза больше в соответствии с отношением приведенных сернистостей топлив: у мазута S^п=0,077, у бурого угля S^п=0,25.

Технические характеристики твердых топлив.

Обеспечение экономичного сжигания топ­лив в паровых котлах зависит от знания и правильного учета ряда определяющих харак­теристик топлива, к которым, кроме теплоты сгорания, относятся зольность, влажность, вы­ход летучих веществ.

Зольность, Минеральные примеси содер­жатся во всех видах твердого топлива. Боль­шая их часть не связана с органической мас­сой топлива. По происхождению примеси можно разделить на внутренние, накопившие­ся в пластах топлива в процессе его образо­вания, и внешние, попавшие в топливо из окружающей породы при его добыче.

При сжигании топлива его минеральная часть под­вергается высокотемпературному преобразованию. Сложные минеральные соединения типа глинистых ми­нералов Al₂O₃×2Si₂×2H₂O, полевых шпатов К₂О×Al₂О₃×6SiО₂, сульфатов и карбонатов CaSО₄×2H₂O, CaMg(CO₃)₂ и другие подвергаются разрушению с ча­стичным доокислением за счет кислорода воздуха. В результате остаток после сгорания топлива - зола - состоит в основном из ряда окислов: SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, MgO, К₂О, Na₂O и оказывается в среднем на 10% меньше исходной минеральной массы топлива. Процентное количество золового остатка по отношению к навеске натурального топлива называют зольностью топлива.

Свойства золы играют большую роль в организации работы парового котла. Мельчайшие твердые частицы золы подхватываю потоком топочных газов и уносятся из топочной камеры, образуя летучую золу. Часть золы, расплавленной в ядре факела, выпадает в низ топочной камеры или прилипает к ограждающим сте­нам топки и при затвердевании образует шлаки, т. е. твердые растворы минералов, химический состав кото­рых может отличаться от состава летучей золы.

Рис. 1.3. К определению плавкости золы топлива по состоянию золовой пирамидки

1 -до нагрева; 2 - начало деформации; 3 - размягчение; 4 - жидкоплавкое состояние.

Особое значение при организации процесса сжигания топлива имеют характеристики плавкости золы. Температуры плавления от­дельных минералов и их сплавов сильно раз­личны и находятся в пределах 2900÷600°С. Поэтому плавление золы не происходит при какой-либо определенной температуре, а пред­ставляет процесс постепенного размягчения от твердого до жидкого состояния с ростом тем­пературы. Температуры плавления золы опре­деляют стандартным методом конусов, когда из золы прессуется пирамидка с заданными размерами (рис. 1.3) и помещается в печь. В процессе нагрева отмечают следующие ха­рактерные значения температуры:

t₁ - начало деформации, когда появляется первое изменение формы пирамидки, t₁=1000÷1200 ^оС;

t₂ - размягчение, когда вершина пирамид­ки касается основания или принимает капле­образную форму, t₂ = 1100÷1400 °С;

t₃ - жидкоплавкое состояние, соответст­вующее началу растекания по плоскости, t₃ =1200÷1500 °С.

Основным показателем поведения шлака является его вязкость.

Нормальное течение расплавленного шла­ка, находящегося в истинно-жидком состоя­нии, вдоль вертикальной или наклонной стен­ки имеет место при вязкости менее 200 П (пуаз). Температуру жидкого шлака, при ко­торой он свободно вытекает из отверстия, на­зывают температурой нормального жидкого шлакоудаления t_н.ж. Температуры плавкости золы и характерные коэффициенты вязкости приводятся в таблицах энергетических топлив.

В процессе горения большая часть мине­рального состава топлива превращается в мел­кую уносимую потоком газов летучую золу. В топках с различным тепловым режимом горения и шлакоудаления доля уноса летучей золы α^у_н меняется от 0,85-0,95 до 0,2-0,4. Остальная часть в виде шлака выпадает в нижнюю часть топки и удаляется из-под нее: а_шл=1- -α^у_н. Увеличение зольности топ­лива и количества летучей золы в потоке газов требует установки более дорогих золоулавливающих устройств после котла для за­щиты воздушного бассейна от загрязнения. При этом уменьшают скорости газов в кон­вективных газоходах во избежание истирания труб, а загрязнение поверхностей нагрева ча­стицами золы ухудшает теплообмен. Все это делает конструкцию котла более громоздкой.

Выход летучих веществ и коксовый оста­ток. Если сухую навеску твердого топлива по­ложить в тигель и постепенно нагревать в инертной среде без доступа воздуха, то бу­дет происходить уменьшение ее массы. При высоких температурах происходит разложение кислородсодержащих молекул топлива с об­разованием газообразных веществ, получив­ших название летучие вещества (СО, Н₂, СН₄ СО₂ и др.)- Выход летучих веществ из твер­дых топлив происходит в интервале темпера­тур 110-1100°С. Наибольший выход (до 95%) имеет место при температуре до 800°С (рис. 1.4). Поэтому условно за выход лету­чих веществ твердых топлив принимают уменьшение массы навески топлива после вы­держки в тигле при t=850±25°С в течение 7 мин, отнесенное к горючей массе топлива V^г, %.

Поскольку выход летучих веществ прежде всего определяется содержанием кислорода в топливе, то он тем больше, чем топливо мо­ложе (рис. 1.1). Так, у бурых углей V^г=45÷50%, каменных V^г=25÷40%, а у антрацитов V^г=3÷4%.

Твердый горючий остаток после выхода ле­тучих называется коксом. Он может быть плотным (спекшимся) или порошкообразным. В воздушной среде кокс воспламеняется при t=900÷1200 °С. Летучие вещества, выделившиеся из топлива, обеспечивают более раннее воспламенение кокса, так как они сами воспламеняются при более низкой температуре чем коксовый остаток (350-600°С), быстро повышая тем самым температуру коксовых частиц.

Их влияние особенно велико на на­чальной стадии горения топлива. Чем выше выход летучих веществ, тем быстрее воспла­меняется топливо и тем полнее оно выгорает.

Влажность. Различают внешнюю, адсорб­ционную, капиллярную и внутреннюю влагу. Все виды влаги, кроме внутренней, удаляются из топлива при нагреве до 102-105°С. Внут­ренняя или кристаллогидратная влага прочно связана с минеральной частью топлива, входя всостав кристаллов вещества.

В твердом ископаемом топливе содержится в ос­новном адсорбционная влага, определяемая адсорби­рующей способностью сложных коллоидов органиче­ской массы топлива. Наибольшей адсорбционной спо­собностью обладают торф, бурые угли и ряд молодых каменных углей. Адсорбционная способность топлива определяет его гигроскопическую влажность W^ги. Косвенно эта влажность также характеризует возраст топ­лива: она тем меньше, чем топливо старше. Так, у бу­рых углей содержание W^ги=10÷13%, а у антрацитов W^ги=1,5÷2,5%. Знание W^гинеобходимо для оценки допустимой влажности угольной пыли во избежание слипания частиц (при повышенной ее влажности) или взрывоопасности пересушенной пыли.

Внешняя или механически удерживаемая влага остается в топливе после контакта с водой и сохра­няется на поверхности за счет смачивания. Ее коли­чество зависит от степени измельчения топлива и внеш­них условий при транспорте и хранении топлива. Капиллярная влага определяется пористостью структуры топлива. Ее больше всего в торфе.

Большая влажность рабочей массы топлива вы­зывает много трудностей при сжигании. Снижается теплота сгорания, растут расходы топлива и объемы продуктов сгорания, увеличиваются потери теплоты с уходящими газами и затраты энергии на привод ды­мососов. Увеличение влажности газов вызывает усиле­ние коррозии металла воздухоподогревателя, приводит к повышенному загрязнению поверхности нагрева. В тракте доставки топлива и при его переработке на­рушается нормальное движение топлива вследствие по­тери сыпучести, а в зимнее время топливо смерзается.

Маркировка твердых топлив. Топливам присваиваются различные марки в зависимо­сти (главным образом) от количества влаги в рабочей массе топлива (бурые угли) и вы­хода летучих веществ (каменные угли). Так, бурые угли разделяются на три группы: Б1- ссодержанием влаги W^р≥40%;Б2- при W^р<30÷40% и БЗ-при W^р <30%. В основу маркировки каменных углей положены выход летучих веществ и характеристика кокса (табл. 1.1).

Мелкие фракции топлива (отсевы), остаю­щиеся после¹ сортировки добываемого топли­ва, получают дополнительное буквенное обо­значение: Ш -штыб - топливо размером фракций от 6 мм и менее; СШ - семечко со штыбом - топливо с размерам фракций от 13 мм и менее; Р - рядовой – несортированное топливо. Так, распространенными являются топлива типа АШ – атрацит-штыб и ГСШ – газовый уголь, семечко со штыбом.

Таблица 1.1.

Дата добавления: 2014-01-20