Физико-химические характеристики топлива

Основными характеристиками любого топлива являются удельная теплота сгорания, плотность, взрывоопасность, содержание токсичных веществ (сера, ванадий и др.), а также теплофизические свойства (теплоемкость, теплопроводность). Помимо этого для газообразных топлив важно знать предельную концентрацию газа в воздухе при взрыве. Для жидких топлив необходимо учитывать вязкость, температуру вспышки, воспламенения и самовоспламенения, температуру застывания. При использовании твердых топлив учитываются состав органической и минеральной частей, зольность, влажность, содержание горючих летучих, абразивность и размолоспособность

Удельная теплота сгорания топлива это количество тепла, которое может выделить 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ природного газа. Обычно оценка происходит по низшей теплоте сгорания на рабочую массу (см. табл.2.4) топлива . Теплота сгорания обычно определяется экспериментально на основе испытаний в калориметрической бомбе. Однако приближенно удельная теплота сгорания может быть определена с помощью эмпирических формул Д.И.Менделеева;

- для твердых и жидких топлив , МДж/кг:

;

- для газообразных топлив на сухую массу, , МДж/м³:

,

где - содержание углерода, водорода, кислорода, серы (органической и колчеданной), влаги на рабочую массу топлива, %;

- содержание водорода, угарного газа, метана, этана, сероводорода и других углеводородов на сухую массу топлива, %.

По величине удельной теплоты сгорания определяется расход топлива необходимый для производства энергетической нагрузки.

Плотность также характеризует массовый (или объемный) расход топлива. Плотность газообразного топлива, превышающая плотность воздуха, указывает на возможность накопления в нижней части помещения при непредвиденных утечках газа. Плотность при нормальных условиях (температура t =0⁰С и давлении р =101,3 кПа) некоторых газов приведена в табл.2.5.

Плотность газовой смеси определяется по плотности r_i и объемной доле j_i каждого (i-го) компонента по уравнению

.

Плотность любого газа при параметрах отличных от нормальных пересчитывается по формуле

,

где r₀ – плотность газа при нормальных условиях, кг/м³;

р, t – расчетные давление, кПа, и температура, ⁰С.

Твердое топливо представляют собой неоднородную структуру, состоящую из твердого материала, пронизанную порами, трещинами и пространством между кусками топлива. Поэтому для них имеет значение несколько величин плотности. В любом случае плотность равна отношению массы материала т, кг, к объему v, м³:

.

При определении действительной плотности принимаются масса одного куска топлива и объем твердого вещества без объема пор и трещин. Кажущаяся плотность это плотность одного куска с учетом объема твердого вещества и объемов пор и трещин внутри куска. Насыпная плотность учитывает массу большого количества кусков и частиц топлива, и объем, занимаемый твердым телом, порами, трещинами и пространством между кусками и частицами.

Взрывоопасность топлива это возможность быстрого почти мгновенного воспламенения и сгорания горючих веществ. Взрывоопасность определяется содержанием в топливе газовой составляющей. В связи с этим для газообразных топлив большое значение имеет концентрационный предел взрываемости горючих газов с воздухом, при котором такая смесь способна взорваться. Углеводородные топлива (природный газ и нефтепродукты) тем более взрывоопасны, чем больше атомов углерода находится в молекуле углеводорода.

У твердых топлив взрывоопасность определяется содержанием горючих летучих в топливе. Считается, что при V^r >10 % твердое топливо взрывоопасно.

Содержание токсичных веществ в топливе влияет на загрязнение окружающей среды. При массовых выбросах дымовых газов на тепловых электростанциях предельно допустимые выбросы вредных веществ зависят от содержания токсичных веществ в топливе.

Вязкость характеризует силы внутреннего трения, действующие между слоями жидкости при ее движении. Такая сила зависит от скорости движения одного слоя относительно другого, а также от размеров частиц или молекул (группы молекул), из которых и состоит жидкое топливо. Таким образом, для перекачки более вязких жидких топлив приходится затрачивать большие усилия, что увеличивает затраты на собственные нужды. Жидкие топлива с большей вязкостью распыляются из котельных форсунок более крупными каплями, которые хуже горят и могут до конца не догорать. Поэтому увеличиваются потери с недожегом топлива.

В расчетах используется динамическая m, Па с, и кинематическая , м²/с, вязкости, связь между которыми описывается выражением m= r.

Температура вспышки и воспламенения жидких топлив характеризует взрывоопасность и, связанную с ней, пожароопасность топлив. Температура вспышки это температура, при достижении которой из топлива выделяется столько паров, что смесь их с воздухом создает взрывоопасную концентрацию. Температура вспышки для мазутов колеблется в пределах от 60⁰С до 240⁰С. Температура воспламенения выше температуры вспышки на 60-70⁰С. При температуре самовоспламенения мазут начинает гореть самопроизвольно, без розжига пламенем. Для мазутов такая температура находится в пределах 500-600⁰С.

Температура застывания это температура, при которой мазут теряет свою текучесть. Температура застывания зависит от содержания в мазутах асфальтосмолистых веществ и высокомолекулярных углеводородов.

Органическая часть твердых топлив в зависимости от стадии углефикации выстраиваются в ряд: древесина, торф, бурый уголь, каменный уголь и антрацит. Элементарный состав видов топлива этого ряда, представленный в табл.2.5, характеризуется увеличением содержания углерода и уменьшением кислорода. Содержание водорода и, особенно, азота практически не изменяется.

Таблица 2.5

Элементарный состав, %, органической части на разной стадии углефикации

Топливо	Углерод	Кислород	Водород	Азот
Древесина		40¸44	5¸6	0,5¸1,5
Торф	55¸60	33¸38	5¸6	0,5¸1,5
Бурый уголь	64¸77	15¸25	5¸6	0,5¸1,5
Каменный уголь	75¸90	4¸15	5¸6	0,5¸1,5
Антрацит	94¸97	2¸4	1¸2	0,5¸1,5

Минеральная часть твердых топлив, поступающих на тепловые электростанции, состоит как из простых оксидов и солей, так и сложных веществ:

– обводненные глинистые материалы (например, алюмосиликаты Al₂O₃ 2SiO₂ 2H₂O и др.);

- кремнезем (кварц) SiO₂;

- карбонаты СаСО₃, МgСО₃, FеСО₃;

- сульфиды FeS₂, СаS;

- сульфаты СаSО₄, МgSО₄, FеSО₄;

- оксиды железа FеО, Fе₂О₃, Fе₃О₄;

- соли калия и натрия KCl, NaCl, фосфаты и др.;

- шпаты (например, К₂О Al₂O₃ 6SiO₂);

- доломит СаМg(СО₃)₂;

- так называемые малые отходыи др.

При всем многообразии состава минеральных веществ, для большей части топлива 95…98% из их балласта составляют алюмосиликаты, карбонаты и сульфаты.

Зольность топлива определяется его минеральной частью. Существуют технологии, позволяющие обогащать топливо органической частью, т.е. снижать до минимума (до 2¸5 %) зольность, что повышает качество твердого топлива и улучшает условия эксплуатации оборудования ТЭС. В процессе горения минеральная примесь балластирует горючую массу, образуя твердую или жидкую золу А, которая снижает теплотворную способность топлива. Участвуя в химических преобразованиях, она в то же время не создает теплового эффекта. Тем не менее, зольность топлива, поступающего на ТЭС России достаточно высокая до 30 % и более.

Влажность топлива негативно влияет на характеристики топлива. Она снижает тепловую экономичность котла и создает трудности в его эксплуатации. При горении топлива часть выделяющейся теплоты затрачивается на испарение влаги и разложение на водород и кислород. Эта теплота расходуется сразу же, как только топливо попадает в зону горения. Поэтому влага особенно неблагоприятно влияет на воспламенение горючих веществ и поэтому неприятно для низкореакционных топлив. В процессе горения водород и кислород реагируют с образованием водяных паров, создавая при этом теплоту. Однако полные потери тепла в начальной стадии (на испарение воды) это не компенсирует. Наличие влаги в дымовых газах создает условия для появления коррозионных процессов. Поэтому температура уходящих газов на выходе из котельной установки должна быть выше температуры точки росы (конденсации). Влажность топлива создает проблемы в системах топливо- и пылеприготовления, когда из-за влаги теряется подвижность топлива, происходит налипание на внутренних частях оборудование и замазывание различных каналов. Благодаря высокой влажности топлива зимой возможно смерзание топлива.

Содержание горючих летучих газов в твердом топливе определяет возможность быстрого воспламенения топлив. По интенсивности воспламенения топлива различают на низкореакционные, а также средне- и высокореакционные. Низкореакционными считаются топлива с содержанием летучих менее 7¸10 %. К таким топливам относится антрацитовый штыб (АШ), у которого V^r £ 5 %. Такое топливо приходится сжигать с добавкой другого топлива мазута или природного газа.

Под абразивностью понимается способность частиц топливного потока при движении истирать конструктивные материалы трубопроводов, поверхностей нагрева и т.д. В наибольшей степени от абразивности страдают элементы мельниц. Поэтому и параметром абразивности выбрана зависимость, учитывающая потерю массы мелющих элементов отнесенную к работе А, затраченной на привод мельницы. Таким образом, за коэффициент абразивности, г/кВт ч, принимается выражение:

.

Коэффициент абразивности изменяется от 0,17 (канско-ачинский бурый уголь) до 3,0 (донецкий АШ). Абразивность топлив зависит от твердости и прочности его органических и минеральных составляющих. Абразивность топлив повышается при увеличении содержания в минеральной части пирита, песка, а также при угловатой форме частиц.

Размолоспособность это критерий, характеризующий энергозатраты при размоле топлива, которые зависят не только от прочности топлива, но и от необходимой степени измельчения пыли. Коэффициент размолоспособности твердого топлива определяется по уравнению

,

где А, А_эт – работы, затраченные на размол исследуемого и эталонного топлив соответственно при одинаковой тонине помола. Исходный материал также должен иметь одинаковые условия: крупность кусков топлива при размоле принимается 1,25¸3,2 мм и топливо должно быть одинаково просушено. Тонина помола определяется при просеивании остатком на сите с ячейкой в 90 мкм (R₉₀).

Дата добавления: 2017-02-01