Характеристики органического топлива и процессы его горения

Характеристики органического топлива и процессы его горения

Топливом называют горючие вещества, используемые для получения теплоты. Оно подразделяется на природное и искусственное. К природному топливу относятся горючие сланцы, торф, дрова, бурый и каменный уголь, антрациты, природный горючий газ и нефть. Все они являются продуктами органического происхождения. Топливо органического происхождения по физическому состоянию делится на твердое, газообразное и жидкое. Физическое состояние топлива определяет способы его хранения, сжигания и транспортирования.

Искусственное топливо получают после переработки естественного с целью выделения из него различный продуктов, например смол, бензинов смазочных масел и др. Искусственным топливом являются каменно угольный кокс, угольные и торфяные брикеты, древесный уголь, мазут бензин, керосин, различные газы: генераторный, коксовый и доменный.

Элементный состав. Топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю, называется рабочим и состоит из углерода С, водорода Н, кислород О, азота N, серы S, золы А и влаги W Рабочий состав топлива обозначаю1 буквой «г». Для 1 кг топлива уравнение элементного состава записывается в следующем виде:

Cl + Hl + O' +N' + Src + A'+Wl = 100 %,

В твердом и жидком топливе указанные элементы находятся в виде сложных химических соединений. Газообразное топливо представляет собой механическую смесь газов: водорода Н₂, метана и др. Горючими элементами топлива являются углерод С, водород и летучая сера S.

Состояние топлива по сухому безвольному составу дает возможность сравнивать одно топливо с другим без влияния на этот состав внешних факторов. Например, известно, что количество влаги зависит не только от вида топлива, но и от методов его добычи, транспортирования и хранения. Количество золы также зависит от характера пласта, оборудования шахт, от способов обогащения (моек, сортировок) и пр.

Теплота сгорания. Теплотой сгорания называется количество теплоты, выделяемой при полном сжигании 1 кг или 1 м³ топлива, и обозначается буквой Q кДж/кг или кДж/ м³ (ккал/кг или ккал/м³). Различают высшую и низшую Q теплоту сгорания. Первую получают при полном сгорании топлива и конденсации водяных паров, образовавшихся при горении, с отдачей теплоты, израсходованной на их испарение (скрытая теплота испарения). В практических условиях водяные пары, содержащиеся в дымовых газах, уходят в атмосферу вместе с другими компонентами. Их скрытая теплота парообразования не используется. В теплотехнических расчетах применяют низшую теплоту сгорания топлива, которая приводится без учета теплоты конденсации водяных паров. Пересчет с высшего на низший предел теплоты сгорания газа производят по формулам:

для рабочего состояния

Q_r = Q_s - y(W + 8,94H);

для сухого состояния

Q_di = Q_ds - 8,94 yH_dl

для органической массы

Qoi = Q - 8.94 уH₀⁰

Условное топливо. Для сравнения запасов разных видов топлива при определении норм его расхода, планировании потребности топлива и других расчетах пользуются понятием «условное топливо». За условное принято такое топливо, низшая теплота сгорания рабочей массы которого составляет 29308 кДж/кг (7000 ккал/ кг). Для перевода натурального топлива в условное и наоборот пользуются тепловым эквивалентом, величина которого зависит от Q_I.

Тепловой эквивалент - это отношение низшей теплоты сгорания рабочего топлива к низшей теплоте сгорания условного топлива, т. е.

Э_T = Q/729308 или Э_T = Q/7000.

Перевод натурального топлива в условное выполняют путем умножения количества натурального топлива на тепловой эквивалент В_у = В_нЭ_т и перевод условного топлива в натуральное путем деления количества условного топлива на калорийный эквивалент

В_Н = В_У/Э_Т

Процесс горения. Горение - химическое соединение горючих веществ топлива с кислородом воздуха, сопровождающееся резким повышением температуры и выделением значительного количества теплоты. При горении топлива образуются газообразные продукты (дымовые газы) и очаговые остатки в виде золы и шлака. Условно процесс сжигания твердого топлива делят на три стадии: воспламенение (зажигание), активное горение и дожигание. В первой стадии твердое топливо вначале подогревается и подсушивается и при температуре 105-110°С теряет свою влагу. Затем при температуре 300-400 °С оно начинает разлагаться на летучие вещества и твердый остаток. При дальнейшем нагреве, когда его температура становится равной температуре воспламенения, топливо загорается.

Расчет процесса горения топлива обычно сводится к определению количества воздуха, необходимого для горения, а также состава и количества образующихся газообразных продуктов. Эти данные получают из уравнений химических реакций горючих элементов топлива с кислородом воздуха.

В реальных условиях для обеспечения полного сгорания топлива приходится подавать значительно большее количество воздуха, чем теоретически необходимо. Это объясняется главным образом недостаточно тщательным смешиванием топлива с воздухом, из-за чего часть воздуха не участвует в горении и удаляется из топки вместе с продуктами сгорания.

Регулирование количества сжигаемого топлива. Количество сжигаемого топлива в топке регулируется количеством подаваемого в нее воздуха. Для твердого топлива, например, усиливая дутье воздуха под решетку и тягу, можно тем самым ввести больше воздуха в топку. Кислород воздуха, проходя по слою топлива и вступая в реакцию, распределяется на большое количество струек и увеличивает скорость горения. Забрасывая в топку больше топлива, получаем больше теплоты. Однако необходимую толщину слоя топлива следует держать в установленных пределах, чтобы избежать неполноты горения или большого избытка воздуха. Тягу регулируют так, чтобы в топке (в верхней части загрузочной дверки) устанавливалось разрежение не более 20-30 Па (2-3 мм вод. ст.). Для преодоления сопротивления колосниковой решетки, слоя топлива и его шлака служит вентиляторное дутье.

Основными мероприятиями по снижению загрязнения атмосферы твердыми частицами являются использование золоуловителей, а также эксплуатация котельных установок на режимах, при которых не образуется сажа и уменьшается унос золы и частиц твердого топлива. Для предотвращения образования значительных концентраций оксидов серы и оксид углерода в приземном слое атмосферы их выброс осуществляют через высокие дымовые трубы. В этом случае удается рассеять выбросы на большой территории и тем самым осла бить их неблагоприятное воздействий на окружающую среду.

Следует отметить, что рассеивании вредных выбросов в атмосферу через высокие трубы не является радикальной мерой борьбы с загрязнение окружающей среды, так как в это: случае лишь ослабляется неблагоприятное воздействие на окружающую среду и происходит загрязнены очень больших пространств.

Антрацит. В отопительные котельные для коммунально-бытовых нужд антрацит и полуантрацит поставляют в основном из Донецкого бассейна. В настоящее время антрацитом снабжают в первую очередь население, а не котельные, где в основном сжигается каменный и бурый уголь.

В отличие от каменного угля антрацит имеет небольшой выход летучих веществ (около 7 %), благодаря чему горит преимущественно в слое с коротким пламенем и бездымно. Он является трудно воспламеняющимся топливом.

Бурый уголь. Сжигать бурый уголь в отопительных котельных малой мощности нецелесообразно, хотя это разрешено существующими ГОСТ 11719-87, 10308-87, 7650-87 (целесообразнее сжигать его в крупных котельных, предварительно размельчив до состояния пыли).

Местное топливо - это не географическое понятие, а экономическое, указывающее на целесообразность использования его вблизи месторождения (в пределах 200 км), так как это топливо содержит большое количество золы и воды.

Природный газ и его основные характеристики. Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов, содержащую некоторое количество примесей. К горючим газам относят углеводороды, водород и оксид углерода. Негорючие компоненты: азот, диоксид углерода и кислород. Эти компоненты являются балластом газообразного топлива. К примесям относят пыль. Искусственные газы могут содержать аммиак, цианистые соединения, смолу и пр. От вредных примесей газообразное топливо очищают.

Природный газ не содержит аммиака, цианистых соединений и нафталина. Для газоснабжения применяют влажные и сухие газы. Содержание влаги в газе должно составлять определенное количество. Если газ транспортируют на большие расстояния, то его предварительно осушают. Большинство искусственных газов имеет резкий запах, что облегчает нахождение утечки газа из трубопроводов и арматуры. Природный газ не имеет запаха. К природным относятся газ, добываемый из чисто газовых месторождений (ставропольский и др.), и попутный (сопутствующий добыче нефти), а также газ, который добывают из конденсатных месторождений.

Природные газы. В природных газах чисто газовых месторождений преобладает метан СН4 (80-98 %). Если в газе содержатся до 3% непредельных углеводородов неизвестного состава, то их принимают состоящими из этилена при этом ошибка получается незначительной.

Топочные мазуты - продукты прямой перегонки нефти или высокотемпературной переработки ее промежуточных фракций (крекинг-процесс). Топочные мазуты характеризуются в основном теми же показателями, что и нефть, из которой их получают. Подобно нефти мазуты представляют собой сложные коллоидные системы углеводородов, обладающие пониженной текучестью в области температуры застывания.

В элементный состав мазутов входят: углерод, водород, сера, кислород и азот. Элементный состав малосерийного мазута практически не отличается от состава нефти, из которой онполучен. Для высокосернистого мазута характерным является пониженное по сравнению с нефтью содержание водорода и углерода и, как следствие этого, пониженная теплота сгорания. Еще меньше водорода содержится в высоковязких крекинг-остатках. Теплоту сгорания топочных мазутов, а также печного бытового топлива определяют опытным путем в калориметрической бомбе либо подсчитывают но тем же формулам, что и для твердого топлива.

Плотность прямогонных мазутов меньше плотности воды. Плотность крекинг-мазутов, в том числе высокосернистых всегда больше плотности воды. Плотность в сочетании с вязкостью определяют условия отстаивания воды из мазутов и осаждения механических примесей. Топливо печное бытовое. Наряду с топочными мазутами в отопительных котельных используют топливо печное бытовое, которое изготовляют из х фракций, получаемых прямой перегонкой нефти и вторичными процессами нефтепереработки.