Все существующие виды топлива разделяются на твердые, жидкие и газообразные. Для нагрева используется также тепловое действие электрического тока и пылевидное топливо. Некоторые группы топлива, в свою очередь, делятся на две подгруппы, из которых одна представляет собой топливо в том виде, в каком оно добывается, и это топливо называется естественным; другая подгруппа -- топливо, которое получается путем переработки естественного топлива; это топливо называется искусственным.
Твердое топливо: а) естественное -- дрова, каменный уголь, антрацит, торф; б) искусственное -- древесный уголь, кокс и пылевидное, которое получается из измельченных углей.
Жидкое топливо: а) естественное -- нефть; б) искусственное -- бензин, керосин, мазут, смола.
Газообразное топливо: а) естественное -- природный газ; б) искусственное -- генераторный газ, получаемый при газификации различных видов твердого топлива (торфа, дров, каменного угля и др.), коксовальный, доменный, светильный и другие газы.
Все виды топлива состоят из одних и тех же элементов. Разница между видами топлива заключается в том, что эти элементы содержатся в топливе в различных количествах. Элементы, из которых состоит топливо, делятся на две группы. К первой группе относятся те элементы, которые горят сами или поддерживают горение. К таким элементам относятся углерод, водород и кислород. Ко второй группе элементов принадлежат те, которые сами не горят и не способствуют горению; к ним относятся азот и вода. Особо от названных элементов стоит сера. Она является горючим веществом и при горении выделяет тепло, но ее присутствие в топливе нежелательно, так как при горении серы выделяется сернистый газ, который переходит в нагреваемый металл и ухудшает его механические свойства.
Выше было сказано, что количество тепла, выделяемое топливом при сгорании, измеряется калориями. Каждое топливо при горении выделяет неодинаковое количество тепла. Количество тепла (калорий), которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или при сгорании 1 м3 газообразного, называется теплотворной способностью. Теплотворная способность различных видов топлива имеет широкие пределы. Например, для мазута теплотворная способность составляет около 10000 ккал/кг, для качественного каменного угля -- 7000 ккал/кг и т. д. Чем выше теплотворная способность топлива, тем оно ценнее, так как для получения одного и того же количества тепла его потребуется меньше. Для сравнения тепловой ценности топлива применяется общая единица измерения. В качестве такой единицы принято топливо, имеющее теплотворную способность 7000 ккал/кг. Эта единица называется условным топливом.
Наибольшее распространение для сжигания в кузнечных печах находят следующие виды естественного топлива: бурый уголь, каменный уголь и газообразное топливо. Дрова и торф, обладая низкой теплотворной способностью, почти не пригодны для нагрева металла.
Бурые угли. Бурые угли представляют собой наиболее молодые сорта каменных углей. Золы в бурых углях содержится от 9 до 45%. Теплотворная способность от 2500 до 5000 ккал/кг. Только что добытый бурый уголь отличается большим содержанием влаги (до 60%). На воздухе бурый уголь теряет влагу, и содержание ее понижается до 30%. Под влиянием атмосферных условий эти угли быстро выветриваются и превращаются в мелочь. При длительном хранении бурые угли самозагораются. В чистом виде бурые угли лишь некоторых месторождений (карагандинское и др.) используются для кузнечных печей с полугазовыми топками, так как они не могут нагревать металл до необходимой температуры.
Каменный уголь. Каменный уголь--один из основных видов топлива для кузнечных печей. Образуется каменный уголь отложением растений в течение длительного времени. Образующиеся отложения со временем покрываются толстым слоем земли. Под большим давлением, при полном отсутствии воздуха, происходит разложение древесины и образование каменного угля.
Процесс образования угля идет очень медленно и длится тысячелетия. В зависимости от длительности образования получаются разные сорта каменного угля с различной теплотворной способностью. Для кузнечных печей наиболее приемлемым является уголь с большим содержанием летучих, т. е. длиннопламенный и газовый. При длинном пламени создается возможность получения более равномерного нагрева металла в печи.
Газообразное топливо. Единственным естественным (природным) газом является «горючий газ», который выделяется из земли через естественные выходы или буровые скважины. Теплотворная способность нефтяного (природного) газа около 8000-- 8500 ккал/м3 и может доходить до 15000 ккал/м3.
В настоящее время естественный газ находит широкое применение в промышленности и в быту, особенно в районах его образования.
Среди искусственных видов топлива особое значение для кузнечного производства имеют кокс, древесный уголь, жидкое, газообразное и пылевидное топливо. топливо сгорание уголь
Кокс. Кокс получается из каменного угля обработкой в специальных коксовых печах без доступа воздуха. При этом выделяются летучие, образуя богатый по калорийности газ, называемый коксовым, который, в свою очередь, является хорошим топливом.
Кокс содержит 87% углерода, 4% летучих веществ, 8% золы и 1--2% серы. Теплотворная способность кокса 5600--7000 ккал/кг. В кузнечном производстве кокс употребляется главным образом в горнах.
Древесный уголь. Древесный уголь выжигается из дров в специальных углевыжигательных печах и является лучшим топливом для кузнечных горнов. В древесном угле содержится очень мало золы и практически совсем не содержится серы. Однако ввиду дороговизны он употребляется редко. Древесный уголь содержит 84 % углерода, 14 % летучих и 2% золы. Теплотворная способность его 7000--8000 ккал/кг.
Жидкое топливо. Единственным жидким топливом естественного происхождения, имеющим промышленное значение, является нефть. Сырую нефть как топливо в печах не применяют, а применяют продукт ее переработки -- мазут, т. е. остатки, получаемые после отгонки из нефти керосина и бензина. Мазут по составу не постоянен, чаще всего содержит углерода 84--86%, водорода 12,4%, кислорода + азота + серы 1,3%, золы 0,3 %, воды 1--2%. Теплотворная способность мазута 9500--10000 ккал/кг.
Газообразное топливо. Искусственное газообразное топливо получается путем газификации топлива в газогенераторах или как побочный продукт при других процессах, например, при коксовании -- коксовальный газ, в доменном процессе--доменный газ. На металлургических заводах в специальных коксовальных печах вырабатывается кокс, который служит топливом для доменных печей. При этом как побочный продукт получается газ, который называется коксовальным. Теплотворная способность этого газа изменяется в пределах от 4000 до 5000 ккал/м3.
Для лучшего и более удобного использования твердого топлива его превращают в газ в специальных устройствах, которые называются газогенераторами. Например, из торфа получают торфяной генераторный газ, из каменного угля -- каменноугольный генераторный газ и т. д.
Теплотворная способность генераторного газа зависит от вида топлива, из которого получен газ, и от способа газификации. Например, торфяной генераторный газ имеет теплотворную способность от 1500 до 1600 ккал/м3, каменноугольный генераторный газ -- от 1200 до 1400 ккал/м3.
Пылеугольное топливо. Уголь для сжигания в нагревательных печах в виде пыли предварительно размалывается в специальных мельницах до частиц 0,07--0,05 мм. Сжиганием угольной пыли в печах достигается высокая температура нагрева металла.
Торф является химически и геологически наиболее молодым ископаемым твердым топливом и обладает высоким выходом летучих (VГ=70%), высокой влажностью (WP=40--50%), умеренной зольностью (AР=5--10%), низкой теплотой сгорания МДж/кг (2000--2500 ккал/кг).
Сланцы. В Эстонии большое значение имеют горючие сланцы, добываемые открытым способом. Зольность сланцев очень большая и доходит до AР=50-60%, влажность также повышенная WP=l5--20%. Вследствие большого балласта их теплота сгорания низкая МДж/кг (1400--2400 ккал/кг) при высокой теплоте сгорания горючей массы МДж/кг (6500--8000 ккал/кг). Высокое содержание водорода в горючей массе HГ=7,5--9,5% обусловливает большой выход летучих у сланцев, достигающий 80--90%, и их легкую воспламеняемость.
Топливо с высокой зольностью и влажностью вследствие большого содержания внешнего балласта целесообразно использовать вблизи места его добычи для уменьшения непроизводительных транспортных расходов на перевозку большой массы золы и влаги. В этом смысле такие топлива принято называть местными. К ним, в частности, относятся некоторые бурые угли, как, например, подмосковные, башкирские, украинские, торф и сланцы.
Мазут.Мазут - остаток от перегонки нефти.Из жидких топлив в энергетике используется мазут трех марок -- 40, 100 и 200. Марка определяется предельной вязкостью, составляющей при 80°С для мазута 40 -- 8,0; для мазута 100 -- 15,6; для мазута 200 -- 6,5--9,5 град. усл. вязкости (°УВ) при 100°С.
В мазуте содержится углерода 84--86% и водорода -- 11--12%, содержание влаги не превышает 3--4%, а золы -- 0,5%. Мазут имеет высокую теплоту сгорания МДж/кг (9400--9600 ккал/кг).
По содержанию серы различают малосернистый мазут SР0,5%, сернистый -- SР до 2% и высокосернистый SР до 3,5%; по вязкости -- маловязкий и высоковязкий, содержащий смолистые вещества и парафин. Наиболее вязкие сорта мазута имеют температуру застывания 25--35 0С. В связи с этим при сжигании применяется предварительный нагрев вязких мазутов до температуры 80--120°.
Мазут является ценным сырьем для получения смазочных масел и гудрона. Поэтому применение его в качестве топлива в настоящее время ограничено.
Классификацию топлив проводят по следующим критериям:
агрегатному состоянию;
теплоте сгорания;
исходному сырью и способам производства;
целевому назначению или области применения.
По агрегатному состоянию различают топливо твердое, жидкое и газообразное.
Твердое топливо для двигателей внутреннего сгорания применяют редко и только после газификации в газогенераторных уста* новках или в пылевидном состоянии.
Газогенераторные автомобили в сороковые годы получили некоторое распространение и сыграли положительную роль, особенно в тылу во время Великой Отечественной войны, высвободив тысячи тонн бензина для фронта. Для газификации обычно использовали древесные чурки или торф, и в относительно компактных газогенераторах, установленных непосредственно на автомобиле, перерабатывали твердое топливо в генераторный газ, на котором работали двигатели.
Опыты по применению для газификации каменного угля были неудачны, так как зона горения быстро забивалась шлаком. Позднее, в связи с развитием нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, газогенераторные автомобили потеряли свое прежнее значение. Пылевидное угольное топливо также не нашло применения в связи с его высокой зольностью.
Жидкое топливо является основным видом топлива для двигателей внутреннего сгорания всех типов и назначений.
Газообразное топливо с каждым годом приобретает все большее значение как заменитель жидкого топлива. По ряду свойств оно превосходит жидкое топливо, поэтому следует ожидать дальнейшего расширения области его применения.
По теплоте сгорания классификация важна в тех случаях, когда необходимо оценить топливо как энергоноситель, а также при тепловых расчетах двигателей, расчете объемов топливных баков и др. По этому признаку различают три группы топлив:
высококалорийные-с теплотой сгорания более 42 000 кДж/кг;
среднекалорийные - с теплотой сгорания 25 ООО-42 ООО кДж/кг;
низкокалорийные - с теплотой сгорания меньше 25 ООО кДж/кг.
По происхождению топливо классифицируют, если возникает необходимость оценить сырьевую базу или способы получения топлив.При этом все топлива делят на две группы: нефтяного и ненефтяного происхождения.
Часто топливо ненефтяного происхожедния называют альтерна* тивным топливом, желая тем самым противопоставить его топливу нефтяного происхождения. К альтернативным топливам относятся спирты, водород и почти все виды синтетических углеводородных топлив, т. е. искусственно полученные из ненефтяного сырья бензины, дизельные топлива и т. д. Особо рассматриваются природный газ и топлива, полученные из горючих сланцев (например, сланцевый бензин).
Поскольку методы переработки нефти имеют существенное значение для оценки показателей качества, то при классификации топлив по их происхождению нефтяные топлива можно дополнительно классифицировать по их технологическим признакам. Например, бензины могут быть подразделены на бензины, полученные прямой перегонкой (прямогониые), бензины термического или каталитического крекинга и т. д.
По целевому назначению топлива делятся на топлива для двигателей с искровым зажиганием (к ним относятся в основном бензины), дизельное топливо, топливо для турбореактивных двигателей и т. д. Эта классификация может быть и более подробной. Например, дизельное топливо различают для быстроходных двигателей (автомобильных, тракторных и ряда других транспортных машин), для средне- и малооборотных дизелей (судовых, стационарных) и др.
Тема 1. Генерация и утилизация теплоты
Лекция 1§ 1. Классификация топлива. Показатели качества топлива
Твердое топливо: а) естественноеНекоторые металлургические печи отапливаются
пылеуглём, но чаще уголь используют как сырье
для получения искусственных газов, применяемых
впоследствии для отопления печей.
б) искусственное
Кокс – пористые, механически прочные куски серого
цвета, получаемые при нагревании измельченного
каменного угля без доступа воздуха до температуры
950-1050 оС. Это наиболее дорогое из всех видов
металлургического топлива.
Иногда вместо кокса используют термоантрацит,
получаемый при термической обработке
продуваемого водяным паром антрацита
(высококачественного угля, при горении которого
не образуются углеводороды, и который горит,
поэтому, коротким пламенем и бездымно).Из всех видов жидкого топлива
в металлургии используют в основном
мазут – остаток фракционной
перегонки нефти после отгонки
бензина, лигроина, керосина
и газойля.
Мазут сгорает почти полностью, так как
имеет малую зольность; он немного
легче воды. Качество мазута
характеризуется температурой
вспышки и застывания. Температура
вспышки, – при которой пары мазута
в смеси с воздухом вспыхивают
при приближении пламени;
эта температура значительно ниже
температуры воспламенения, при
которой жидкий мазут воспламеняется
самопроизвольно, без воздействия
постороннего пламени. Температура
застывания зависит от содержания
парафина в мазуте.Газообразное топливо – основной вид применяемого
в металлургических печах органического топлива.
Его достоинства: удобство транспортировки, легкость
в управлении процессом горения и возможность
создания газовых смесей, обладающих различной
теплотой сгорания. Недостатки: низкая плотность
и взрывоопасность.
а) естественное
Различают природный газ вулканического
происхождения, почти полностью состоящий
из метана CH4, и попутные газы нефтяных
месторождений, в состав которых входят и другие
углеводороды.б) искусственное
Побочными продуктами производства являются
коксовый и доменный газы, состоящие,
соответственно, в основном из H2, CH4, CO и из N2,
CO, CO2.
Генераторный газ получают путем газификации,
т.е. превращения твердого или жидкого топлива
в горючий газ при неполном окислении воздухом,
кислородом или водяным паром при высокой
температуре. Генераторный газ содержит CO и H2 –
продукты восстановления CO2 и H2O углеродом
газифицируемого топлива (угля, мазута, кокса).
Установка по газификации
твердого топлива
производства ФГУП «НПЦ
газотубостроения «Салют»»Химический анализ позволяет определить
элементарный химический состав топлива:
C + H + O + N + SЛ + A + W = 100 % по массе,
органическая
горючая
сухая
рабочая масса
где A – зола, W – влага.
Находящаяся в топливе
сера делится на летучую
(горючую) и минеральную
(негорючую), входящую
в состав золы.
Горючая сераТеплота сгорания топлива – количество
теплоты, выделяющееся при полном
сжигании 1 кг или 1 м3 топлива, Дж/кг
(Дж/м3).
Высшая теплота сгорания QВР - количество
водяные пары конденсируются в зоне
горения и находятся при 0 оС
(фактическое количество теплоты
меньше).
Низшая теплота сгорания QНР - количество
теплоты, выделяющееся при сгорании
единицы топлива при условии, что
испаряющаяся в процессе горения влага
находится в продуктах сгорания в виде
пара, охлажденного до 20 оС.Теплота сгорания различных видов топлива колеблется
в широких пределах. Для мазута, например, она
составляет свыше 40 МДж/кг, а для доменного газа –
около 4 МДж/м3.
Для сравнительной оценки различных видов топлива
вводят понятие условного топлива, для которого
низшая теплота сгорания
QНР = 29,3 МДж/кг.
§ 2. Кинетический и диффузионный режимы горения топлива
Горение заранее подготовленной смеси топливас воздухом или кислородом называют кинетическим;
а горение, протекающее одновременно
со смесеобразованием – диффузионным.
Гомогенное и гетерогенное горение –
соответственно, горение газа
и горение твердого или жидкого
топлива. Гетерогенное горение
включает в себя элементы
гомогенного. Например,
при нагреве частицы угля перед
ее воспламенением из нее
Зажигательная поверхность
выделяются летучие вещества,
спичечного коробка покрыта
которые, смешиваясь с кислородом, смесью красного фосфора
и порошка стекла. В состав
сгорают в режиме гомогенного
спичечной головки входят
окислители (PbO2, КСlО3,
горения; таким образом, процесс
ВаСrO4) и восстановители
горения протекает только
(S, Sb2S3).
на границе раздела фаз.Рассмотрим гомогенное горение как более общее.
Коэффициент расхода воздуха
VВД
n Т –
VВ
отношение действительного расхода воздуха,
затрачиваемого для сжигания единицы топлива,
к стехиометрическому (теоретически необходимому).
Например, из реакции горения метана
CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O
видно, что для полного сгорания 1 м3 метана
необходимо подавать 2 м3 кислорода. Если кислорода
подают на 5 % больше, то n = 1,05.
Коэффициент расхода воздуха является важнейшим
параметром, путем изменения которого регулируют
процесс горения: температуру горения, количество
и химический состав продуктов сгорания,
устойчивость процесса горения.Пламя представляет
собой светящуюся газовую
оболочку, в которой
происходит
экзотермическая реакция
газообразных продуктов
разложения материала
с окислителем.
Сгорание топлива в пламенных печах
производится в факеле.
Факел – это состоящая
из компонентов с различными
физическими свойствами
(топливо, воздух и продукты
сгорания) струя, в пределах
которой осуществляется горение.
Фронт пламени – зона интенсивной
реакции и резкого возрастания
температуры. Фронт пламени
делит факел на две зоны:
внутреннюю и внешнюю.
Во внутреннюю зону подается
топливо и окислитель,
либо только топливо; туда же
диффундирует из пламени часть
высокотемпературных продуктов
сгорания. Во внешней зоне
находятся продукты сгорания,
либо продукты сгорания
и окислитель (при n > 1).Рассмотрим кинетический ламинарный факел, который
образуется при горении струи топлива и окислителя,
истекающей из трубы в неограниченный объем
воздуха. Если сбоку к срезу трубы поднести
запальник, то произойдет зажигание горючей смеси.
Образуется тонкий фронт пламени в виде конической
поверхности:
wi
wn
un
R
i
lф
w
w0
горючая смесьПламя с нормальной скоростью распространения
пламени un, зависящей от физико-химических свойств
горючей смеси, распространяется навстречу
движению струи и к ее оси.
На некотором расстоянии от среза трубы по периметру
вытекающей струи образуется зажигающее кольцо –
устойчивое кольцо пламени с диаметром, меньшим
диаметра выходного отверстия трубы, служащее
естественным запальником для свежей смеси.
У стенок трубы (ниже зажигающего кольца) смесь
охлаждается из-за теплоотвода через стенки трубы
и примешивания холодного воздуха из окружающей
среды – это приводит к снижению нормальной
скорости распространения пламени, и пламя сюда
не проникает. В процессе распространения
от зажигающего кольца к центру струи пламя
одновременно относится движущейся смесью
и достигает оси трубы на некотором расстоянии
от среза трубы, называемом длиной факела lФ.Условием устойчивости фронта пламени является
un = wn = wi cos i,
где wn – проекция вектора скорости смеси в i–той точке
wi на нормаль к элементу фронта пламени в этой
точке, м/с;
i – угол между вектором скорости нормального
распространения пламени и вектором скорости смеси
в i–той точке.
Начиная с определенного значения средней скорости
горючей смеси на выходе из горелки w0, произойдет
отрыв пламени. Это произойдет в тот момент, когда
нарушится условие равновесия применительно
к зажигающему кольцу. При увеличении w0 возрастает
количество смеси, проходящее через единицу
поверхности зажигающего кольца, следовательно,
уменьшается температура кольца и скорость
нормального распространения пламени в нем. Это
на фоне увеличения w0 приводит к отрыву пламени.Верхний по скорости предел устойчивости пламени –
предельно большая скорость потока, при которой
горение устойчиво.
Нельзя допускать и проскока пламени – его
проникновения в трубу при слишком значительном
уменьшении скорости смеси. Нижний по скорости
предел устойчивости пламени – предельно малая
скорость истечения горючей смеси, при которой
еще не наступает проскок.Определим, от чего зависит длина факела при устойчивом
горении, для этого примем, что радиус зажигающего
кольца примерно равен радиусу выходного отверстия
трубы. Тогда время, в течение которого пламя
распространится от границы струи до ее оси,
R
t .
un
За это же время пламя сместится вдоль оси факела
на расстояние, равное длине факела:
w0 R
,
lф w t w0 t
un
где w – средняя по сечению скорость движения газов
в пределах факела м/с.
Таким образом, длина факела зависит от радиуса
среза трубы, средней скорости истечения, а также
от температуры и состава смеси (от этих факторов
зависит величина un).Рассмотрим диффузионный ламинарный факел.
Пусть из трубы подается ламинарная струя топлива,
которое в пограничном слое при помощи
молекулярной диффузии и конвекции
перемешивается с воздухом, образуя горючую смесь.
Если к периферии струи поднести запальник,
то по ее периметру возникнет зажигающее кольцо
и сформируется фронт пламени конической формы:
4
3
2
1
газ
1 – потенциальное
ядро потока,
2 – топливновоздушная смесь,
3 – фронт пламени,
4 – смесь
продуктов сгорания
и воздуха
Все горючие твердые вещества
подразделяются на два класса:
безгазовые и газофицирующиеся
при горении.
К веществам и материалам
первого класса, не образующим
при горении газообразных
продуктов, могут быть отнесены
различные термитные смеси,
продуктами сгорания которых
являются нелетучие
конденсированные вещества оксиды металлов.
Подавляющее большинство
твердых веществ и материалов
относятся ко второму классу.Предположим, что фронт образовался в точках
пространства, куда горючее поступает в избытке
(n < 1). В этом случае часть горючего пройдет сквозь
фронт в окружающую среду, смешается там
с кислородом и сгорит, при этом приход кислорода
во фронт еще больше сократится. Очевидно, в таких
условиях фронт пламени не может быть устойчивым.
Подобным образом можно доказать, что фронт
пламени не может быть устойчивым в точках, куда
кислород поступает в избытке (n > 1).
Так как зажигающий пояс находится на границе струи
с окружающей средой, то есть в зоне с очень низкими
скоростями, то его устойчивость высока. Проскок же
вообще невозможен, поскольку через трубу подается
чистый газ.Время, в течение которого завершится
формирование факела, равно времени диффузии
воздуха от периферии к оси струи:
R2
,
t
2 D
где R – радиус трубы, м;
D – коэффициент диффузии, м2/c.
Длина факела
R 2 w0 .
lф w t w0 t
2 D
Учтем, что секундный расход газа через трубу
V = w0 R2 w0
Окончательно имеем
V
lф
.
D
V
.
2
π RРасчет горения топлива включает в себя следующие
этапы.
1. Определение расхода воздуха на горение.
Производится по содержанию избыточного кислорода
в продуктах сгорания, %:
21
,
21 O2 ИЗБ
где 21 - % кислорода в земной атмосфере.
n
SPC-93-1195 - Сигнализатор
газа O2, газоанализатор
стационарный2. Определение количества и состава продуктов сгорания.
Производится на основании уравнений горения.
Рассмотрим пример горения метана при подаче
теоретического количества воздуха:
При сгорании 1 м3 метана образуется 1 м3 CO2 и 2 м3 H2O.
Кроме того, с воздухом вносится
2 3,762 = 7,524 м3 азота.
Таким образом, полное количество продуктов сгорания:
1 + 2 + 7,524 = 10,524 м3.Состав продуктов сгорания в объемных процентах:
1
100 9,5 ;
10,524
2
100 19 ;
H 2O . . .
10,524
CO2 . . .
N2 . . .
7,524
100 71,5 .
10,524
Если бы сжигание метана производилось с n > 1,
то общее количество продуктов сгорания возросло бы
из-за увеличения количества N2 и наличия
избыточного О2 в продуктах сгорания.
Правильность расчета подтверждается составлением
материального баланса в единицах массы, так как
объемы реагирующих веществ могут быть не равны
объемам полученных при горении соединений.3. Расчет температуры горения.
Калориметрической называется температура, которая
могла бы быть достигнута при условии, что вся теплота,
выделившаяся при горении, использована только
на нагрев продуктов сгорания:
QНР
tК
,
vД c
где vД – объем дыма, образующегося при сгорании единицы
топлива, м3/м3 (кг/м3);
с – удельная теплоемкость продуктов сгорания, Дж/(м3 оC).
Горение свечи является примером процессов
горения плавящихся материалов, которым
пламя дает теплоту, достаточную
для их плавления, испарения и разложения.
Парафиновая свеча имеет минимальную
температуру 1400°С.Из-за частичной диссоциации CO2 и H2O, сопровождаемой
поглощением теплоты, теоретическая температура
всегда ниже калориметрической:
tТ
QНР QДИСС
vД c
,
где QДИСС – определяемое расчетным путем количество
теплоты, израсходованное на протекание процесса
диссоциации.
Из-за нагрева стен печи и заготовок действительная
температура еще меньше:
tД
QНР QДИСС QПОТ
,
vД c
где QПОТ – количество теплоты, отдаваемое продуктами
сгорания.Величина QПОТ зависит от условий теплообмена
продуктов сгорания с окружающей средой
и оценивается с помощью выражения
tД = tК ПИР,
где ПИР = 0,65 0,8 – зависящий от конструкции печи,
ее теплового режима и определяемый
экспериментальным путем пирометрический
коэффициент.
Величина действительной температуры дает оценочную
характеристику условий теплообмена при сжигании
топлива в рабочем пространстве печи.
§ 3. Конструкции и схема выбора устройств для сжигания топлива
Для сжигания газообразного топлива применяютсяустройства, называемые горелками. По принципу
смешения газа с воздухом их делят на две группы:
с предварительным и с внешним смешением.
Внутри каждой группы классификация производится
по конструктивным признакам, которые обусловлены
способом образования смеси.
Наиболее распространенные горелки
с предварительным смешением – инжекционные,
использующие инжектор – устройство, в котором
вытекающая из сопла струя газа увлекает за собой
окружающий воздух, и перемешивание газа и воздуха
достаточно полно происходит в смесительной трубе
до попадания в печь.Рассмотрим истечение турбулентной струи газа
в открытую с обоих торцов цилиндрическую камеру:
В
Г
В
До соприкосновения со стенами камеры струя ведет
себя как свободная, увлекая окружающий воздух
через входной торец камеры. В связи с ограниченным
проникновением окружающей среды кинетическая
энергия струи не может быть полностью
израсходована, и потому она частично превращается
в потенциальную энергию давления, – струя топлива
совершает работу противодавления, нагнетая
подготовленную смесь в рабочее пространство печи.
В работе инжекционных горелок существенную роль
играет туннель, стенки которого в процессе горения
раскаляются, что обеспечивает поджигание новых
порций газо-воздушной смеси и способствует
устойчивому горению.Инжекционная газовая
горелка вихревая (ГГВ)
низкого и среднего
давления ООО «ПКФ
«СпецКомплектПрибор»»
Достоинства горелок с предварительным смешением:
1) малая величина коэффициента расхода воздуха,
что обеспечивает наивысшую температуру горения
для данного топлива по сравнению с другими
горелками; 2) автоматическое поддержание
постоянного соотношения расходов газа и воздуха;
3) отсутствие воздухопроводов.Широко распространенной горелкой
без предварительного смешения является
двухпроводная. По наружной трубе подается воздух,
образующий облекающий поток по отношению к газу,
который подается по внутренней трубе:
В
Г
В турбулентных двухпроводных горелках воздушная струя
закручивается по отношению к газовой, что способствует
улучшению перемешивания топлива и окислителя.
Плоскопламенные горелки создают разомкнутый факел
с углом раскрытия 180о, растекающийся тонким слоем
и прилегающий к поверхности кладки печи, в которую
вмонтирована горелка. При этом не только придается
вращательное движение воздушному потоку,
но и применяются специальной формы горелочные
камни и рассекатели.Плоскопламенная
горелка (FFB),
Hotwork
Combustion
Technology
Limited,
Великобритания
Горелки дутьевые типа
"труба в трубе"
Уфалейского завода
металлоизделий
(г. Верхний Уфалей
Челябинской области)
"Горящее гало". Мощная промышленная горелка,
работающая в относительно слабом режиме.
Chuck Baukal/John Zink Company
Достоинства горелок без предварительного
смешения: 1) возможность создания факела
специальной формы; 2) возможность подогрева
воздуха; 3) компактность.Турбулентные горелки выбирают следующим образом:
Р
1. Зная теплоту сгорания QН и часовой расход топлива B
на горелку, определяют ее теплопроизводительность
Q B QНР.
2. По величине Q, задаваясь скоростью выхода топлива
из горелки (20 30 м/с), с помощью специальной
номограммы определяют диаметр горелки D.
3. Определив D, по перечисленным выше данным находят
все необходимые размеры горелки.
4. Действительное давление газа и воздуха определяют
по формулам:
pГ = Г pГ, pВ = В pВ,
где pГ и pВ – расчетное динамическое давление газа
и воздуха;
Г = 0,7 0,8 и В = 2,5 3 - коэффициенты потерь.В случае если не допустим контакт нагреваемого
металла с продуктами сгорания, сжигание газа
производят в радиантных трубах, выполненных
из жаростойких сталей, а рабочее пространство печи
заполняют защитным газом.
Радиационная труба
производственноинжиниринговой
компании «ПЕРОЛ»
Радиантная труба
ООО «Воткинский
завод ТО» (Удмуртия)Жидкое топливо сжигают с помощью форсунок,
обеспечивающих дробление мазута на мелкие капли
перед его сжиганием, для чего используется энергия
самого распыляемого топлива, либо вентиляторного
воздуха, либо газообразного распылителя высокого
давления: компрессорного воздуха, водяного пара.
Твердое топливо сжигают в пылеугольных горелках.
Жидкотопливная горелка
R20-30 немецкого
производителя Giersch
Пылеугольная горелка
ООО НТФ "ЭНЕРГОМАШинжиниринг" (г. Таганрог)
§ 4. Тепловые эквиваленты сырьевых материалов шихты
Шихтовые материалы могут выполнять функциютехнологического топлива в случае,
когда количество выделившейся в результате
экзотермических реакций теплоты сопоставимо
с энергетическими затратами на осуществление
технологического процесса. Процессы, протекающие
за счет химической энергии сырьевых материалов,
называют автогенными.
Примером технологического топлива могут служить
сульфидные материалы, применяемые при выплавке
меди. Их энергообразующими компонентами
являются Fe и S, входящие вместе с Cu в сложные
химические соединения.
Пирит FeS2
Халькопирит
CuFeS2Состав шихты, как правило, задают содержанием
S и Cu, тогда теплота сгорания шихты
QХШ = 119,4 S – 12,4 Cu ,
где S и Cu – содержание серы и меди в шихте,
выраженное в % от массы.
Эта формула получена перемножением величины
тепловых эффектов реакций
на соответствующие им количества
энергообразующих компонентов и сложением
полученных результатов. Знак «–» перед
вторым слагаемым обусловлен тем,
что восстановление сульфида меди оксидом
меди является эндотермической реакцией.Для сравнения потенциальных энергетических
возможностей сырьевых материалов и топлива
и оценки их взаимозаменяемости в условиях
конкретного технологического процесса используют
понятие топливного эквивалента шихты,
который показывает, какое количество условного
топлива заменяет тонна шихты.
Тепловым эквивалентом шихты называют
количество теплоты, используемое на протекание
технологического процесса, из общего количества
теплоты, выделившейся при окислении единицы
массы шихты, кДж/кг. Перегрев содержащихся
в печи материалов ведет к нарушению
технологического режима и поэтому из общего
количества теплоты, полученного за счет химической
энергии сульфидов, в печи может быть использована
только ее часть.Используют понятия теплогенерационной
и теплообменной составляющей теплового эквивалента
шихты, которые соответственно показывают, какое
количество теплоты, используемой в печи, подводится
к продуктам плавки в процессе теплогенерации
и за счет теплообмена.
Известно, что продукты окисления сульфидов получают
теплоту непосредственно при протекании
экзотермических реакций, и потому считается,
что скорость подвода теплоты к веществам, участвующим
в реакциях окисления, определяется скоростью
теплогенерационных процессов. К остальным материалам
теплота подводится от продуктов окисления сульфидов
за счет теплообмена: таким образом, скорость подвода
теплоты к флюсам и породообразующим компонентам
определяется интенсивностью протекающих в печи
теплообменных процессов.
§ 5. Генерация теплоты за счет электрической энергии
При наложении электромагнитного поля в проводящейсреде электроны проводимости обусловливают ток
проводимости:
J N e e v Д,
где – вектор плотности тока проводимости, А/м3;
Ne – плотность электронов проводимости, м-3;
e = 1,602 10-19 Кл – заряд электрона;
vД 10-3 10-5 м/c – скорость «дрейфа» электронов.
При неупругом взаимодействии электроны передают
избыток кинетической энергии ионам, увеличивая
амплитуду их колебаний, что и определяет
повышение температуры, то есть нагрев вещества.Если прохождение тока проводимости не связано
с изменением структуры вещества и не сопровождается
химическими реакциями, то, В соответствии с законом
Джоуля-Ленца, внешняя работа электрических сил
целиком идет на изменение тепловой энергии
в единице объема нагреваемого вещества:
N e v Д F qV ,
где F – сила, действующая на электрон, Н;
qv – удельная скорость преобразования энергии, Вт/м3.
Последнее выражение выражает закон теплового
действия тока проводимости и является частным
случаем закона сохранения энергии.
Теплотехнические возможности теплогенерации по закону
Джоуля-Ленца зависят от: 1) способа подвода
электромагнитной энергии; 2) степени равномерности
qv в объеме нагреваемого тела.Джеймс Прескотт ДЖОУЛЬ (1818–
1889) – английский физик. Изучал
природу тепла и обнаружил ее связь
с механической работой. Это привело
к теории сохранения энергии, что,
в свою очередь, привело к разработке
первого закона термодинамики.
Он работал с лордом Кельвином
над абсолютной шкалой
температуры, делал наблюдения
над магнитострикцией (изменение
объема и линейных размеров тела
при изменении состояния его
намагниченности), открыл связь
между током, текущим через
проводник с определенным
сопротивлением и выделяющейся
при этом теплотой, названный
законом Джоуля (1841).
Эмилий Христианович ЛЕНЦ (1804–1865) –
знаменитый русский физик. Работал
в области электромагнетизма.
Важнейшие результаты его исследований
излагаются и во всех учебниках физики. В их
числе закон индукции (правило Ленца), по
которому направление индукционного тока
всегда таково, что он препятствует тому
действию (например, движению), которым
он вызывается (1834) и закон Джоуля и
Ленца: количество теплоты, выделяемое
током в проводнике, пропорционально
квадрату силы тока и сопротивлению
проводника (1842).Возможно 2 способа прямого подвода энергии:
1) кондукционный, когда вектор напряженности
электрического поля E , В/м, направлен вдоль оси
нагреваемого электропроводного тела (т.е. ток
проводимости направлен вдоль оси нагреваемого
тела);
2) индукционный, когда вектор E направлен по нормали
к оси и переменное электромагнитное поле
индуцирует вихревые токи проводимости.
Когда невозможно обеспечить удовлетворительный
нагрев, диссипацию энергии обеспечивают косвенной
теплогенерацией, для чего используют электрические
нагреватели.Существуют 3 группы электронагревателей:
1. Металлические из хромоникелевых (нихром) и
железохромоалюминиевых (фехраль) сплавов, имеющие
предельную рабочую температуру 800–1200 оС.
В современных электропечах сопротивления используют:
- проволочные
спиральные,
- ленточные
зигзагообразные
и проволочные зигзагообразные нагреватели.2. Керамические (карборундовые) из SiC применяют
в тех случаях, когда необходимо иметь температуру
нагревателя 1250–1450 оС. Их изготавливают в виде
трубок.
3. Металлокерамические нагреватели из дисилицида
молибдена MoSi2 имеют предельную рабочую
температуру 1450–1680 оС. Наиболее употребительная
форма таких нагревателей – U-образная.
Карборундовые
нагреватели.
Размер: 26х400мм
и 38х400мм,
L=1200мм
Нагреватели
из дисилицида
молибденаАлгоритм расчета нагревателей:
1. Находят рабочую температуру
tН tМКОН + 100 оС.
2. Выбирают материал и определяют величину
его удельного электросопротивления, Ом м.
3. По формуле для плотности результирующего
теплового потока в системе 2 параллельных
поверхностей находят удельную поверхностную
мощность идеального нагревателя, т.е. такого,
который не излучает сам на себя:
ω ИД
σ 0 TН4 TМ4
1
1
1
εН εМ
, Вт/м2.5. Выбирают тип электрического соединения
нагревателей и находят величину фазового
напряжения. При схеме соединения «треугольник»
фазовое напряжение равно сетевому UФ = UС.
При схеме соединения «звезда»
UС
.
UФ
3
6. По величинам мощности печи N, UФ, и
рассчитывают размеры нагревателей и выбирают
их количество.
Генерация теплоты по закону Джоуля-Ленца имеет
место в индукционных печах и печах сопротивления
прямого и косвенного действия.Генерация теплоты за счет ускорения потока электронов
основана на явлении термоэлектронной эмиссии –
испускании электронов нагретыми телами, например,
металлопленочными катодами из тугоплавких металлов
с пленкой из щелочных, щелочноземельных
и редкоземельных металлов (элементы I-III групп
периодической системы), помещенными
в электрическое поле. Поступающие в межэлектродный
промежуток электроны формируются в электрополе
в виде направленного потока быстролетящих
(со скоростью 100 тыс. км/с) электронов,
называемого электронным лучом.
Во избежание рассеяния приобретенной кинетической
энергии электроны не должны сталкиваться
с молекулами газовой среды, для чего обеспечивают
распространение потока электронов в вакууме.Мощность электронного луча
P I А U А k U А5 / 2 ,
где I А k U А3 / 2 – сила тока переноса в вакууме,
связанная с величиной ускоряющего напряжения UА
так называемым «законом трех вторых» в отличие
от закона Ома;
k – постоянная, характеризующая размеры и форму
катода и анода.
Из-за соударения электронного луча со связанными
электронами нагреваемого вещества возможно
возникновение рентгеновского излучения, по этой
причине ограничивают величину UА (не более 35 кВ).
Возможность управления движением электронов
позволяет фокусировать и перемещать электронный луч
по поверхности нагрева, создавая заданную плотность
теплового потока.
Способ применяют в электронно-лучевых печах.Теплогенерация за счет электрических разрядов в газах
заключается в осуществлении разряда путем разрушения
нейтральных молекул под действием электромагнитного
поля. При этом образуется плазма – частично или
полностью ионизованный газ. В металлургии используют
так называемую низкотемпературную плазму с
температурой 5 20 тыс. К (высокотемпературная плазма
с температурой свыше 100 тыс. К является объектом
исследований по управляемому термоядерному синтезу).
Суммарные энергозатраты на создание электрического
разряда в газах
WΣ = WЭ + WД + WИ,
где WЭ – энергия, идущая на увеличение энтальпии газа;
WД – энергия, идущая на диссоциацию многоатомных
молекул;
WИ – энергия, идущая на ионизациюю, т. е. отрыв
электронов.Удельная энтальпия плазмы ступенчато возрастает при
увеличении температуры. При относительно низкой
температуре идет процесс диссоциации многоатомных
газов (например, черырехокись азота распадается
на 2 радикала двуокиси, имеющие на внешнем уровне по
одному неспаренному электрону: N2O4 2 NO2), а затем,
при дальнейшем возрастании температуры, происходит
ступенчатая ионизация с образованием одно-, двухи более зарядных ионов. Образование многозарядных
ионов происходит лишь при температуре > 30 тыс. К.
Чаще всего применяют дуговой (в плавильных печах) и
коронный разряд (в так называемых электронно-ионных
технологических процессах и для ионизации аэрозолей
при очистке дыма). В промышленности применяют также
искровой (для электроэрозионной обработки металлов)
и тлеющий разряд (для распыления металлов при
производстве полупроводников и сверхпроводников).Ионизатор воздуха
"Аэроион-25"
(модификация
"Ромашка"),
использующий
коронный
электрический
разряд
Дуговой электрический
разряд в ксеноновой лампе
Молния – искровой
электрический разряд в атмосфере
Огни святого Эльма тлеющий электрический разряд
В соответствии с ОСТ 5.4121-75 жидкие нефтяные топлива по уровню вязкости делятся на 3 группы:
Маловязкие топлива (МВТ) - до 11,8 сСт., мм2/сек,
Средневязкие топлива (СВТ) - от 11,8 до 146 сСт.,
Высоковязкие топлива (ВВТ) - свыше 146 сСт.
Оптимальное значение вязкости топлива, подаваемого в двигатель находится в пределах 6,2 - 30 сСт (1,50 - 4,2°ВУ).
Дизельное топливо подогрева не требует, тяжелые сорта до 100 - 110°С. При этом надо учитывать плотность топлива.
В случае применения топлива с повышенным содержанием ванадия необходимо применять специальные присадки во избежании ванадиевой коррозии на лопатках турбин и выхлопных клапанах, равно как и при наличие серы в топливе.
Особенно интенсивно развивается коррозия при наличии в топливе натрия и при увеличении температуры газов свыше 650°С (см. таблицу 8.1).
Самовоспламеняемость.
Влияет на жесткость (мягкость работы ДВС). Оценка - цетановое число, представляет собой процентное содержание (по объему) цетана (оценка его 100 ед (С 16 Н 34) и альфаметилнафталина (С 10 Н 7 СН 3) - оценка его условно равна нулю).
Например: Если цетановое число топлива 45, то это значит, что испытуемое топливо равноценно самовоспламеняемости смеси состоящей из 45% цетана и 55% альфаметилнафталина.
Теплота сгорания, Q р н - это количество теплоты, выделившейся при сгорании 1 кг топлива; Q р н = 42700 кДж/кг топлива.
Топливо для дизелей
В топливе могут применятся четыре группы топлив:
Маловязкое (МВТ),
Средневязкое (СВТ)
Высркрвязкое (ВВТ),
В общем случае в соответствии с ОСТ 81.8003 - 85 область применения топлив различной вязкости производства стран СНГ ограничивается следующими требованиями:
МВТ только для тронковых ДВС (п > 1000 мин -1), аварийные ГД (только марка JI) и дизелей спасательных шлюпок. Заменители (марки JI): СВТ для тронковых ДВС (n < 1000 мин -1 , Ne = 4000 кВт) до переоборудования топливных систем. (MGO - морской газойль - это международное топливо).
СВТ - заменители ВВТ для крейцкопфных дизелей и тронковые (n < 500 мин -1 , Ne > 4000 кВт) до переоборудования топливных систем. СВТ - основное топливо для тронковых ДВС. При п < 1000 мин -1 , Ne < 4000 кВт; ДТВС, ДТПС, Ф - 5, Ф - 12. Международное топливо: JF - 20, JF - 40.
ВВТ - (кроме мазута топочного 100) - основное топливо для всех крейцкопфных ДВС и транковых (п < 500 мин -1 , Ne > 4000 кВт).
Мазут топочный 40, мазут топочный 100
Международное топливо: JF - 230.
Странами СНГ выпускаются следующие маловязкие топлива:
Топливо дизельное марок Л, 3 и А по ГОСТ 305 - 82,
Топливо утяжеленного фрикционного состава (ТУФС) по ТУ 38001355-86,
Топливо маловязкое судовое (ТМС) по ТУ 38101567 - 87,
Топливо газотурбинное марки «А» ГОСТ 10433 - 75,
Топливо дизельное экспортное марок: ДЛЭВКК, ДЛЭ, ДЗЭ, по ТУ 38001162-73.
1. массовая доля серы не более 0,2% (высшего и первого состава),
2. массовая доля серы не более 0,5% (для марки А не более 0,4%)
MGO - морской газойль, международное топливо.
Примеры условного обозначения
Топливо дизельное JI - 0,2 - 61 ГОСТ 305 - 82, это топливо с содержанием серы 0,2%, температура вспышки 61°С;
Топливо зимнее с массовой долей серы до 0,2% и температурой застывания минус 35°С топливо дизельное 0,2 - минус 35°С, ГОСТ 305 - 82;
Топливо арктическое с массовой долей серы 0,4% - общее топливо дизельное А - 0,4 ГОСТ 305 - 82.
Странами СНГ выпускаются средневязкие топлива следующих марок:
ДТВС (дизельное топливо высшего сорта), ГОСТ
ДТПС (дизельное топливо первого сорта), Г 1667 - 68
- «Б» по ГОСТ 10433 - 75,
Ф - 5, Ф-12 по ГОСТ 10585-75,
М - 2,0 по ТУ 38001 164 - 78,
- «минус 5,10» - по ТУ 38101 310 - 72,
CBJI по ТУ 38101 1314 - 90, (судовое высоковязкое легкое).
Странами СНГ выпускаются следующие высоковязкие топлива:
Мазут марок «топочный 40» и «топочный 100» по ГОСТ 10585 -
Мазут из малосернистой нефти по ТУ 38101310 - 72,
Марки СВТ по ТУ 38101 1314 - 90, (судовое высоковязкое топливо),
Мазут марки «М-1,0» по ТУ 38001.164-78
JF - 230 - международное топливо.
В обозначении международных промежуточных топлив (Intermediate Fuel) цифровое обозначение после символа JF обозначает предельную вязкость в мм2/с (сСт) при 56°С.
Зарубежные эквиваленты наиболее употребляемых топлив производства стран СНГ
Таблица 8.1
| Топливо производства стран СНГ | Зарубежное топливо | ||
| Обозначение МДТ | Марка | Международ-ное | ISO/DIS 8217-87 |
| топливо | Междунар. станд. | ||
| Маловязкое топливо | |||
| ГОСТ 305-82 | Дизельное JI62 3 минус 35 Топливо тяжелого | MGO | ДМХ, ДМА |
| фрикционного | MGO | ДМА | |
| ТУ 38001 355-86 | состава (ТУФС) | ||
| Топливо маловяз | МДО | ДМВ, ДМС | |
| ТУ 38101567-87 | кое судовое (ТМС) Топливо марки А | JF-10 | |
| ГОСТ 10433-75 | (газотурбинное) Средневязкое топливо | ||
| ГОСТ 10433 - 75 | Топливо марки «Б» | JF-20 | " - |
| ГОСТ 1667-68 | ДТ высшего сорта | JF-20 | |
| ГОСТ 381011 314 - | Топливо судовое, | RMA-10, RMB-10, | |
| высоковязкое легкое, CBJI | IF-40 | RMC-10 | |
| ГОСТ 1667-68 | ДТ первого сорта | JF-40 | Тоже |
| ГОСТ 10585-75 | Фл. мазут Ф - 5 | JF-40 | -//- |
| ГОСТ 10585-75 | Фл. мазут Ф -12, | JF-90 | ЯМД 15 |
Продолжение таблицы 8.1
Основные определения, классификация и происхождение органического топлива. Элементный и технический состав топлива. Теплота сгорания топлива и способы ее определения. Твердое топливо. Жидкое топливо. Газообразное топливо. Условное топливо .
Топливом называют вещества, способные вступать с кислородом воздуха в быстрый окислительный процесс – горение, выделяя при этом значительное количество теплоты. Топливо представляет собой сложное органическое соединение, входящих в его состав горючих элементов, забалластированных негорючими составляющими, оказывающими значительное влияние на его качество.
Основными его видами являются органические топлива: торф, горючие сланцы, угли, природный газ, продукты переработки нефти.
По способу получения различают природные и искусственные топлива. К
природным относятся натуральные топлива: уголь, сланцы, торф, нефть, природные газы. Из твердых топлив к искусственным относятся кокс, брикеты угля, древесный уголь. Из жидких - мазут, бензин, керосин, соляровое масло, дизельное топливо. Из газовых - газы доменный, генераторный, коксовый. Торф, бурые угли, каменные угли и антрациты образовались в процессе последовательной углефикации отмершей растительной массы.
Дальнейшая классификация каждой группы может быть проведена по их агрегатному состоянию на твердые, жидкие и газообразные топлива.
Состав и качество топлива устанавливается с помощью химического и технического анализа. Для этого берется так называемая средняя проба данной партии топлива, которая должна наиболее правильно отображать свойства и состав всей партии или пласта, из которого добывается топливо. Отбор средней партии проводится в соответствии со специально разработанными инструкциями.
Топливо, добытое из недр, с поверхности земли и доставленное потребителю называют рабочим топливом. В состав рабочего топлива входят: углерод (С), водород (Н), сера летучая(S л), которые при сгорании выделяют определенное количество тепла, кислород (О) и азот(N), представляющие собой внутренний балласт топлива, и, наконец, зола(А) и влага (W), составляющие внешний балласт топлива. Все перечисленные выше элементы, входящие в состав топлива, даются в процентах по весу. Топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю, называется рабочим, а вещество, составляющее его, - рабочей массой. Элементарный химический состав его выражается следующим образом:
C p + H p + O p + N p + S p + A p + W p =100%
Минеральные примеси и влажность одного и того же сорта топлива в разных районах его месторождения и различных местах могут быть разными, а также могут изменяться при транспортировке и хранении. Более постоянным является состав горючей массы топлива. Имея в виду это обстоятельство, для сравнительной теплотехнической оценки различных сортов топлива ввели условные понятия сухой, горючей и органической массы, составляющие которых, выраженные в процентах, обозначаются теми же символами, что и рабочая масса, но соответственно с индексами «с», «г» и «о» вместо индекса рабочей массы, «р».
Влага . Содержание влаги в твердых топливах колеблется в значительных пределах – от 5% до 60%.Влажность жидких и газообразных топлив невелика. Влагу топлива делят на внешнюю (механическую) W вн, % , и внутреннюю (гигроскопическую) W гр, %.Сумма их составляет рабочую влажность
W р = W вн + W гр, [%]
Внешняя влага удаляется из топлива при его естественной сушке в условиях комнатной температуры. Уменьшение веса топлива прекратится при этом тогда, когда наступит равновесие между давлением водяных паров, находящихся в топливе и парциальным давлением водяных паров, находящихся в окружающем воздухе.
Внутренняя влага удерживается в порах топлива вследствие наличия капиллярных сил и удаляется из него только путем нагревания топлива. В сушильном шкафу до 105 0 С. Содержание внутренней влаги в твердом топливе доходит до 10%. Однако найденная таким образом суммарная влажность оказывается меньше действительно находящейся в топливе влажности, потому что в ряде твердых топлив содержится кристаллизационная или гидратная влага, связанная с некоторыми минеральными составляющими топлива: глиной, силикатами, органическими веществами. Эта влага может быть удалена из топлива лишь при температуре 800 0 С.
Наличие влаги в топливе отрицательно сказывается на его качестве, и, следовательно, на работе котельной установки, так как за счет влаги уменьшается в топливе количество горючих веществ, и, конечно, уменьшается количество теплоты, выделяющейся при его сгорании. Кроме этого, часть тепла идет на испарение влаги, и затем уходит вместе с парами из котельной установки, понижая ее к.п.д. Следует отметить также трудность воспламенения топлива, содержащего влагу, увелечение объема дымовых газов, что в свою очередь повышает расход электроэнергии дымососами. При низких температурах уходящих газов наличие в них водяных паров вызывает опасность конденсации последних и возникновения коррозии металлических поверхностей нагрева и дымовых труб.
Зола. Твердый негорючий остаток, получающийся после завершения преобразований в минеральной части топлива в процессе его горения, называют золой. Выход газифицирующейся части примесей уменьшает массу золы по отношению к исходным минеральным примесям топлива, а некоторые реакции, например, окисление железного колчедана, приводят к его увеличению. Обычно масса золы немного меньше массы минеральных примесей в топливе, лишь в горючих сланцах вследствие разложения содержащихся в них карбонатов золы
получается значительно меньше по сравнению с массой минеральных примесей.
Золы как таковой в исходном топливе нет Она возникает в результате сжигания топлива как сухой остаток. В твердых топливах содержание золы колеблется от 2% до 60%.В жидких и газообразных топливах содержание зольного остатка крайне мало.
Зола представляет собой смесь различных минеральных веществ, попавших в топливо. Зола подразделяется на три вида. Первичная зола попадает в исходный материал –древесину- в виде растворенных солей вместе с почвенной водой и равномерно распределяется в ней. Вторичная зола попадает в топливо также извне с подземными водами или в результате горообразующих процессов, происходивших в доистроические времена. Оба вида этой золы выделить из топлива не удается. Третичная зола представляет собой случайную примесь в виде породы, захваченной при добыче топлива и отделяемой от него в результате обогащения.
В топочной камере при высоких температурах часть золы расплавляется,
образуя раствор минералов, который называется шлаком. Из топки шлаки удаляются в жидком или гранулированном состоянии. Для оценки степени засоренности горючей массы топлива зольность относят к его сухой массе, выражая ее в процентах. Зольность определяется сжиганием предварительно высушенной пробы топлива определенной массы в платиновом тигле и прокаливанием до постоянной массы (твердых топлив при температуре 800±25°С, а жидких топлив - 500°С). Зольность топлива изменяется от долей процента в мазуте и древесине до 40-60% в сланцах.
Зола, образующаяся при сгорании топлива при высоких температурах и кратком времени пребывания в топочной камере, по своему химико-минералогическому составу отличается от золы, образующейся при анализе на зольность сжиганием топлива в лабораторных условиях.
Важными свойствами золы являются ее абразивность и характеристики плавкости. Зола с высокой абразивностью вызывает сильный износ конвективных поверхностей нагрева теплогенераторов.
Плавкость золы определяется нагреванием в специальной печи в полувосстановительной газовой среде трехгранной пирамидки стандартных размеров высотой 13 мм и длиной грани ее основания 6 мм, сделанной из измельченной пробы испытуемой золы (ГОСТ 2057-49).
Различают следующие характеристики плавкости золы:
t 1 - температура начала деформации, при которой пирамидка сгибается или вершина ее закругляется;
t 2 - температура начала размягчения, при которой вершина пирамидки
наклоняется до ее основания или пирамидка превращается в шар;
t 3 - температура начала жидкоплавкого состояния, при которой пирамидка
растекается на подставке;
t 0 - температура начала истинно жидкого состояния, при котором расплав
шлака подчиняется законам Ньютона о течении истинной жидкости.
По характеристикам плавкости золы энергетические угли подразделяются на три группы: с легкоплавкой золой t 3 <1350 °С, с золой средней плавкости
1350< t 3 <1450 °С и с тугоплавкой золой t 3 >1450 °С.
Присутствие золы в топливе существенно понижает его ценность и вызывает трудности в процессе его сжигания. Летучая зола, уносимая в газоходы котлоагрегата истирает и загрязняет поверхности нагрева, ухудшая коэффициент теплопередачи. Выпавшая в котлоагрегатах зола и шлак требуют специальных мероприятий по их удалению.
Углерод . Углерод представляет одну самых существенных составляющих каждого топлива и входит в его состав не свободном состоянии, а виде сложных органических соединений с водородом, кислородом, серой и азотом. При горении чистый углерод выделяет 8130ккал\кг (34,4 МДж/кг) и является главным источником теплотворной способности топлива. Содержание углерода в некоторых твердых топливах достигает 95 %.
Водород . Другой важной составляющей топлива является водород, содержание которого в горючей массе твердых и жидких топлив колеблется от 2 до 10%. Много водорода содержится в природном газе, мазуте и горючих сланцах, меньше всего в антраците. По теплотворной способности водород почти в 4 раза превосходит углерод и его теплота сгорания в водяной пар - составляет 10,8 МДж/м 3 (2579 ккал/м 3).э
Сера . Содержание серы в твердых топливах за исключением сланцев невелико. При сгорании сера выделяет незначительное количество тепла. Сера в топливе содержится в трех разновидностях. Органическая сера S 0 и колчеданная Sк составляют так называемую горючую летучую серу:
S л = S 0 + Sк [%]
Третьей разновидностью серы является сера сульфатная – S а, которая уже окислена и поэтому не может выделять тепла, вследствие чего входит в состав золы топлива в виде минеральных соединений с железом и кальцием. Общее содержание серы в топливе составляет
Sоб = Sл + Sа [%]
Органическая сера входит в состав сложных высокомолекулярных органических соединений топлива. Колчеданная сера представляет собой ее соединения с металлами, чаще с железом (FeS_2 - железный колчедан), и входит в минеральную часть топлива. Органическая и колчеданная сера S л _при горении топлива окисляется с выделением тепла. Сульфатная сера входит в минеральную часть топлива в виде сульфатов CaS0 4 и FeS0 4 и поэтому в процессе горения дальнейшему окислению не подвергается. Сульфатные соединения серы при горении переходят в золу. В горючую массу топлива входят S o и S к, которые при сгорании топлива переходят в газообразные соединения SO 2 , и в небольшом количестве в SO 3 .
Содержание серы в твердых топливах обычно невелико. В нефти сера входит в состав неорганических соединений, в природных газах она практически отсутствует, в попутных газах некоторых нефтяных месторождений содержится немного серы в виде сероводорода H 2 S и сернистого газа SO 2 . Образующийся при горении топлива сернистый газ и особенно сопутствующий ему в небольшом количестве серный газ SO 3 вызывают коррозию металлических частей теплогенераторов и отравляют окружающую местность. Вследствие низкой теплоты сгорания - 9,3 МДж/кг (2220ккал/кг) присутствие серы уменьшает теплоту сгорания топлива. Поэтому сера является вредной и нежелательной примесью топлива.
Азот и кислород относятся к внутреннему балласту топлива. Азот является инертным газом. Содержание его в твердом топливе составляет 1-2% и при сгорании топлива он выделяется в свободном состоянии.
Содержание кислорода в топливе колеблется в широких пределах, достигая 40%. Принято считать что весь кислород в топливе связан с водородом и при сгорании топлива образуют водяные пары. Кроме того, кислород, находясь в соединении с водородом или углеродом топлива, переводит некоторую часть горючих в окислившееся состояние и уменьшает его теплоту сгорания. Содержание кислорода велико в древесине и торфе. Азот при сжигании топлива в атмосфере воздуха не окисляется и переходит в продукты сгорания в свободном виде.