Тема 4.1. Основные характеристики твердого и жидкого топлива

 

    Главной характеристикой любого топлива является элементарный химический состав. Кроме этого топливо характеризуется теплотой сгорания, плотностью, взрываемостью, размерами кусков, выходом летучих, размолоспособностью и т.д.

 

Элементарный состав твердого и жидкого топлива

 

Химический состав зависит от вида топлива, но все топлива состоят из горючих элементов и балласта. В горючую часть топлива входят углерод С, водород Н, сера S. Балласт состоит из кислорода О, азота N, влаги W и золы A.

Химический состав топлива записывается в виде уравнения, где количество каждого элемента выражается в процентах, исходя из массы 1 кг топлива, которая принимается за 100%.

Условно можно выделить следующие массы топлива:

рабочая (р), сухая (с), горючая (г), органическая (о).

· Рабочая масса – это топливо в натуральном виде, поступающее в топку на сжигание. Уравнение элементарного состава рабочей массы имеет вид: С^р+Н^р+ S ^р _о+к +О^р+ N ^р + W ^р +А^р=100%.

· Сухая масса – это топливо, лишенное влаги. Уравнение элементарного состава сухой массы имеет вид:         С^с+Н^с+ S ^с _о+к +О^с+ N ^с +А^с=100%.

· Горючая масса – это топливо, лишенное влаги и золы. Уравнение элементарного состава горючей массы имеет вид: С^г+Н^г+ S ^г _о+к +О^г+ N ^г =100%. В горючую массу условно включают негорючие элементы - кислород и азот.

· Органическая масса – это горючая масса, лишенная колчеданной серы. Уравнение элементарного состава органической массы имеет вид: С^о+Н^о+ S ^о +О^о+ N ^о =100%.

Сера в топливе присутствует в двух видах: органическая, входящая в состав органических соединений топлива, и колчеданная, входящая в состав железного колчедана. Сера является вредной примесью в топливе, так как при сгорании серы выделяется небольшое количество теплоты, а её продукт сгорания – сернистый газ (SO₂) очень токсичен и вызывает коррозию металла. В зависимости от количества серы различают топлива:

· Мало сернистые   S^р<0,5%

· Сернистые            S^р=0,5-2,5%

· Высоко сернистые S^р>2,5%

Влага и зола (W+A) составляют внешний балласт топлива, а кислород и азот (O+N) - внутренний балласт. Содержание внешнего балласта подвержено изменению в зависимости от способа добычи и хранения топлива, поэтому сравнивать разные виды топлива нужно не по рабочей массе, а по массе со стабильным содержанием элементов, т.е. по горючей массе. Состав каждой массы в процентах относят к 1 кг, поэтому при переходе от рабочей массы к сухой, горючей и органической содержание остающихся элементов увеличивается.

 Для перевода состава топлива из одной массы в другую применяются переводные коэффициенты, например:

из рабочей массы в сухую:       К_р-с= ;

из сухой массы в рабочую:       К_с-р= ;

из рабочей массы в горючую:  К_р-г= ;  

из горючей массы в рабочую:  К_г-р= .

Теплота сгорания

 

Теплота сгорания – это количество теплоты, выделившееся при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива.

Теплота сгорания измеряется в кДж/кг (ккал/кг).

Различают следующие виды теплоты сгорания:

 Q_б – по бомбе, Q_н – низшая, Q_в – высшая.

 Q_б определяется опытным путем в калориметрической установке, где навеска топлива сжигается в металлическом сосуде (бомбе), заполненном кислородом.  Q_н и Q_в определяются расчетным путем.

Высшая теплота сгорания учитывает теплоту конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания топлива (дымовых газах). Водяные пары образуются из влаги топлива, а также при соединении водорода с кислородом. Следовательно, чем больше в топливе водорода и влаги, тем больше разница между Q_в и Q_н.

Низшая теплота сгорания теплоту конденсации водяных паров не учитывает, ее можно определить по формуле                                                                                                                                                                                                                                           Q _н = , кДж/кг

В котлоагрегатах нельзя допускать понижение температуры уходящих дымовых газов до температуры точки росы, при которой начинается конденсация водяных паров. В противном случае хвостовые поверхности нагрева котлоагрегата будут подвергаться низкотемпературной коррозии, эта коррозия усиливается при наличии в дымовых газах SO₂. Для определения  температуры точки росы необходимо знать парциальное давление водяных паров в дымовых газах. Температура уходящих дымовых газов должна быть несколько выше (не менее чем на 10^оС) температуры конденсации водяных паров (точки росы).

В России все расчеты ведут по низшей теплоте сгорания, так как традиционно в России использовалось низкосортное влажное топливо.

Поскольку топливо разделяется на массы, то и теплота сгорания относится к той или иной массе. Для перевода теплоты сгорания из одной массы в другую применяются коэффициенты, приведенные выше. Низшую теплоту сгорания рабочей массы твердого и жидкого топлива можно определить по эмпирической формуле Менделеева Д.И.

, кДж/кг

Условное топливо

 

Для сравнения различных видов топлив по их энергетической эффективности вводится понятия условного топлива.

Условным называется топливо, имеющее теплоту сгорания 7000ккал/кг (29330 кДж/кг).

Экономичность электростанций и котельных определяют по расходу условного топлива, который определяется по формулам:

,кг - расход условного топлива за определенный период, где B – расход натурального топлива, кг; - теплота сгорания натурального топлива,  кДж/кг; Q_усл – теплота сгорания условного топлива;  - тепловой эквивалент данного натурального топлива.

Приведенные характеристики топлива

 

Это влажность, зольность, сернистость, отнесенные к единице низшей теплоты сгорания рабочей массы топлива.

Приведенная влажность ,

Приведенная зольность ,

Приведенная сернистость ,

Топливо считается сухим при W^п < 0,7 и высоковлажным при W^п > 5. Топливо считается малозольным при А^п < 0,95 и высокозольным при А^п > 4.

 

Выход летучих

 

При нагревании твердого топлива без доступа воздуха, т.е. при сухой перегонке, горючая масса топлива разрушается и из нее выделяются летучие вещества объемом V^л. Летучие состоят из водорода, окиси углерода, метана и других углеводородов. В состав летучих входят также кислород и азот. Летучие хорошо горят. При сухой перегонке при температуре 500-550⁰C из топлива выделяется смола, при дальнейшем повышении температуры смола испаряется и пары смол переходят в летучие. Сухая перегонка заканчивается при температуре 1000-1100 ⁰С. Твердый остаток сухой перегонки называется коксом, который состоит из углерода и спекшейся золы.

Большой выход летучих у дров, торфа, сланцев и некоторых ископаемых углей. Эти топлива легко воспламеняются и горят пламенем видимым и большим по размеру.

Топливо с малым выходом летучих, т.е. кокс, антрациты, тощие каменные угли трудно воспламеняются и горят практически без пламени.

Выход летучих зависит от возраста топлива и с увеличением возраста выход летучих уменьшается, одновременно увеличивается содержание углерода в топливе.

Содержание летучих и углерода в отдельных видах топлива:

Дрова                             V^л =85%, С^р=50%

Торф                              V^л =70%, С^р=55%

Бурый уголь                 V^л =50%, С^р=65%

Каменные угли жирные V^л =40%, С^р=75%

Каменные угли тощие    V^л =15%, С^р=90%

Антрациты                    V^л =2-10%, С^р=90-95%

Таким образом, по выходу летучих ископаемые угли делятся на бурые, каменные, антрациты и полуантрациты.

Каменные угли в зависимости от выхода летучих классифицируются на марки, обозначаемые буквами:

Д – длиннопламенный  V^л=40%

Г – газовый                    V^л=35%

Ж – жирный                   V^л=30%

К – коксовый                 V^л=25%

СС – слабо спекающийся V^л=15%

Т – тощий                       V^л=10%

Бурые угли классифицируются в зависимости от влажности и имеют следующие марки: Б1 - W ^р> 40%;    Б2 - W ^р= 30 - 40%;        Б3 - ^р< 30%

Марки антрацитов и полуантрацитов имеют обозначение: А, ПА.

 

Гранулометрический состав топлива (фракционный состав)

 

Это характеристика крупности кусков топлива. От нее зависит выбор решеток, загрузочных устройств, дробилок, грохотов и других устройств топливоподачи.

Крупность кусков ископаемых углей, сланцев определяют методом ситового анализа на стандартных ситах с размером ячеек 150, 100, 50, 25, 13, 6, 3 и 0,5 мм. Сита собирают в комплект друг над другом с уменьшением размера к низу. Остаток топлива на каждом сите выражают в процентах первоначальной массы пробы топлива.

По размерам кусков твердое топливо подразделяется на классы крупности с размерами:

П – плитный                                        100-200 мм

К – крупный                                         50-100 мм

О – орех                                               25-50 мм

М – мелкий                                           13-25 мм

С – семечко                                           6-13 мм

Ш – штыб                                                0-6 мм

СШ – семечко со штыбом                   0-13 мм

МСШ – мелкий семечко со штыбом      0-25 мм

Р – рядовой                                         0-200 мм

Марки углей и антрацитов обычно имеют двойное обозначение:

АП – антрацит плита

АШ – антрацит штыб

АР – антрацит рядовой. 

Б2Р - бурый рядовой

 

 

Плотность топлива