Технические характеристики топлив

Топливо—это горючие вещества, выделяющие при сжигании значи­тельное количество теплоты, которая используется непосредственно в технологических процессах или преобразуется в другие виды энергии. К ним относятся полезные ископаемые органического происхождения — уголь, горючие газы, горючие сланцы, нефть, торф, а также древесина и растительные отходы.

В ядерной энергетике применяется понятие ядерного топлива — ве­щества, ядра которого делятся под действием нейтронов, выделяя при этом энергию в основном в виде кинетической энергии деления ядер.

Обычное химическое топливо в отличие от ядерного называют орга­ническим, и оно является в настоящее время основным источником теп­лоты.

Для анализа тепловых характеристик топлив, определения состава газов и других расчетов необходимо знать химическую структуру каждо­го вида топлива. Органическая часть твердых и жидких топлив состоит из большого количества сложных химических соединений, в состав кото­рых в основном входят пять химических элементов: углерод С, водород Н, кислород О, сера 5 и азот N. Кроме того, топливо содержит минеральные примеси А и влагу W, представляющие вместе внешний балласт топ­лива.

Химический состав твердых, жидких и газообразных топлив определяют по количеству соединений, а по суммарной массе химических элементов (в процентах на 1 кг или 1 м³ топлива), т.е. устанавливают элементарный состав топлива. Различают три основных элементарных со­става топлива:

1) рабочая масса топлива С^Р + Н^Р+ О^Р+ N^P + S^P + А^P + W^P = 100%

2) сухая масса топлива С^C + Н^C + O^C + N^C + A^C = 100 %;

3) горючая масса топлива С^Г + Н^Г + О^Г +N^Г = 100 %

Рабочей считается масса топлива в том виде, в каком она поступает на предприятие.

Если топливо нагреть до 102— 105 ⁰С, то испарится влага, тогда получится сухая масса топлива. Название горючей массы является условным; так как входящие в его состав азот и кислород не являются горючими элементами и составляют внутренний балласт топлива. Азот и кислород способствуют процессу горения топлива.

Горючими элементами топлива являются углерод, водород и сера. Уг­лерод — горючий основной элемент топлива. Он имеет высокую теплоту сгорания (33,6 -103 кДж/кг) и составляет большую часть рабочей массы топлива (50—75 % для твердых топлив и 80—85 % для мазутов). Водо­род имеет высокую теплоту сгорания (примерно 130 -101 кДж/кг), одна­ко его количество в твердых топливах невелико (Н^P = 2—6 %) и несколь­ко больше в жидких (около 10 %). Последнее делает теплоту сгорания жидких топлив выше, чем в твердых.

Сера имеет невысокую теплоту сгорания (9 • 10* кДж/кг) содержание ее в топливах невелико (S^P = 0,2*4 %), поэтому сера как горючая составляющая ценности не представляет.

Наличие окислов серы в продуктах сгорания при определенных кон­центрациях опасно для организмов и растительности и требует опреде­ленных мер и средств для ее улавливания или рассеивания в атмосфере.

Основными техническими характеристиками топлива являются: теплота сгорания, выход газообразных веществ при нагреве (выход летучих веществ); зольность топлива, свойства зольного остатка, влажность и сернистость топлива.

Теплота сгорания является наиболее важной основной технической характеристикой топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива. Высшей теплотой сгорания Q называют количество тепла которое выделяется при сгорании 1 кг твердого (жидкого) или 1 м³ газо­образного топлива. Низшая теплота сгорания Q_H отличается от высшей на теплоту испарения влаги и влаги, образующейся при горении водорода. Чем больше влажность топлив, тем меньше будет величина Q_H.

Высшая величина сгорания твердого и жидкого топлива определяется экспериментально. Низшая теплота сгорания положена в основу классификаций топлив.

Для сопоставления эффективности различных видов топлив мерного учета их видится понятие условного топлива. В качестве единицы условного топлива принимается 1 кг топлива с теплотой сгорания 7000 ккал/кг (29,3 * 10³ кДж/кг).

Использование условного топлива особенно удобно для сопоставления экономичности энергетических установок, сжигающих различные виды топлива. Например, в энергетике используется такая характеристика, как затраты условного топлива на выработку единицы электрический (г/кВт*ч) или тепловой энергии (кг/Ккал). С помощью условного топлива составляются энергетические балансы предприятий, отраслей, стран и мира в целом.

Выход летучих веществ. Если сухую массу топлива поместить в ти­гель и постепенно нагревать в инертной среде без доступа воздуха, то будет происходить уменьшение ее массы. При высоких температурах на­чинается разложение кислородосодержащих молекул топлива с образо­ванием газообразных продуктов, получивших название летучих веществ (СО, Н₂, СН4, СО₂ и др). Выход летучих веществ из твердых топлив про­исходит в интервале температур от 110 до 1100 ⁰С. Поскольку выход летучих веществ определяется содержанием кислорода в топливе, то он тем больше, чем моложе топливо. Так, у торфа V^Г=70%, у бурых углей – 45-50%, у каменных углей – 25-40%, а у антрацитов 3-4%.

Твердый остаток, получившийся после выхода летучих веществ, называется коксом.

Выход летучих веществ определяет температуру воспламенения топлива и условия его хранения, сильно влияет на конструкцию топок, где сжигается это топливо.

Чем больше выход летучих веществ, тем легче воспламеняется топливо (газообразные летучие вещества имеют низкую температуру воспламене­ния) по сравнению с твердым остатком. Например, кокс воспламеняется при температуре 900-1200 °С. Поэтому чтобы воспламенить антрациты, кокс, требуются специальные меры по утеплению топок и по этой причи­не как топливо в энергетических установках они не применяется.

Б то же время большой выход летучих веществ создает определённые сложности при хранении топлива. Находясь на складах длительного хра­нения, топливо в буртах (особенно при высокой атмосферной температу­ре) начинает «гореть» внутри этих буртов. Следствием этого «горения» может быть снижение технических характеристик (теплоты сгорания} топлива или даже его самовозгорание. Для исключения этих негативных последствий топливо в процессе хранения на складах периодически пе­реворачивается.

Зольность топлива. В процессе горения топлива его минеральная часть подвергается химическим преобразованиям. Масса несгораемого остатка — золы оказывается на 10-:-15 % меньше, чем масса исходной минеральной части топлива и существенно отличается от нее по составу. Свойства золы играют большую роль при сжигании топлива.

Образовавшаяся после сгорания топлива зола представляет собой смесь минералов, а их сплавы, возникающие в зоне высоких температур, назы­вают шлаками. Суммарное количество золы и шлаков принято называть зольностью топлива. Температуры плавления отдельных минералов и их сплавов сильно различаются и находятся в пределах от 600 до 3000 ⁰С. Поэтому плавление представляет собой процесс постоянного размягчении от твердого до жидкого состояния по мере роста температуры. Температу­ры плавкости золы приводятся в специальных таблицах топлив, знание этих температур необходимо для правильного выбора теплового режима работы топочных камер и их конструкций. Несоблюдение режима работы приводит к шлакованию поверхностей нагрева, уменьшению сечения заходов и, как правило, выходу из строя топочных устройств.

Влажность топлива. Влажность топлива, его рабочей массы определяется опытным путем сушки при температуре 105 °С до достижения постоянства массы.

Большая влажность топлива вызывает много трудностей при его сжигании. Снижается теплота сгорания, растет расход топлива, увеличиваются потери тепла с уходящими газами. Влажность топлива вызывает коррозию металла отдельных конструкций топок, приводит к повышенному загрязнению поверхностей нагрева.

В процессе доставки топлива с места его добычи к предприятию и нарушается нормальное движение топлива вслед­ствие потери сыпучести из-за смерзания при низких температурах. В свою очередь, это задерживает разгрузку вагонов, приводит к необходимости дополнительных затрат топлива (в виде пара) на разогрев этого топлива в вагонах и т.д.

Сернистость топлива. Как отмечалось выше, сера как топливо цен­ности не представляет, но при сжигании создает серьёзные экологические проблемы. Окислы серы SО₂ и окислы азота, образующиеся в зоне высоких температур, представляют большую опасность для живых орга­низмов и растительности. Для улавливания этих окислов требуются более сложные очистные сооружения чем для улавливания золы. Строи­тельство этих сложных и соответственно дорогих очистных сооружение приводит к удорожанию энергетических установок примерно вдвое.

Дата добавления: 2015-08-10