Теплота сгорания топлива. Понятие условного топлива

Теплотой сгорания топлива называется количество теплоты, выделяю­щейся при полном сгорании единицы массы (для твердых и жидких) или единицы объема (для газообразных) топлив.

Различают низшую и высшую, удельную и объемную теплоту сгорания топлива. Высшая теплота сгорания Ql включает в себя ту часть тепло­ты, которую получают при конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, в жидкость. Низшая теплота сгорания топлива Ql меньше высшей Ql на величину теплоты парообразования того количества воды, которое образуется в результате окисления водорода топлива Нр и испарения влаги Wp, содержавшейся в топливе.

В теплотехнических расчетах используется низшая теплота сгорания топлива Ql (кДж/кг). Низшая теплота сгорания каменного угля примерно равна 28… 34 МДж/кг, бензина — « 44 МДж/кг, низшая объемная тепло­та сгорания природного газа — 31… 38 МДж/кг.

Между значением низшей и высшей теплоты сгорания топлива, кДж/кг, существует взаимосвязь:

QP = Ql _ г(9#р + W») = Ql— 226Яр — 25Wp, (15.6)

Где г — скрытая теплота парообразования воды при давлении 10 кПа (со­ответствует среднему значению парциального давления паров воды в про­дуктах сгорания энергетических установок), кДж/кг.

Теплоту сгорания топлив определяют экспериментально посредством сжигания пробы топлива в калориметрической бомбе (рис. 10.9) в атмо­сфере чистого кислорода. При приближенных теплотехнических расчетах теплоту сгорания твердого или жидкого топлива, кДж/кг, можно опреде­лить по элементарному составу топлива по формуле Д. И. Менделеева:

Ql = 339СР + 1036ЯР + 109Spp+K — Ю90р + 25(15.7)

Где 5рр+5р = SJJ — летучая сера, %. Летучая сера представляет собой часть общей серы, находящейся в топливе (в основном, в угле). Эта сера является горючей и при горении угля превращается в газообразные окислы.

Теплоту сгорания газообразных топлив, кДж/м3, определяют по тепло­те сгорания компонентов топлива:

Ql = 108НР + 126СО + 358СН4 + 64002Н6 + 912С3Н8+ + 1190С4Н1О + 590С2Н4 + 1400С6Н6 + 230H2S.

Для сравнения различных топлив по теплоте сгорания все их виды приводят к единому эквиваленту, в качестве которого служит единица Условного топлива (у. т.). Пересчет заданного количества топлива в услов­ное топливо проводят умножением его на тепловой эквивалент Э, кгу. т./кг:

(15.8)

Ч/усл

Где Qycn — 29.308 МДж/кг — расчетная теплота сгорания условного топли­ва.

При нагреве твердого топлива оно разлагается на газообразные летучие вещества и твердый остаток — кокс. Выход летучих горючих веществ ха­рактеризует условия воспламенения топлив и объем пламени при горении. Летучие вещества являются газообразным продуктом распада в топливе сложных органических соединений. В состав летучих веществ входят оксид углерода, углекислый газ, пары воды, водород, метан и сложные углеводо­роды. Они выходят из топлива при нагревании от 110 до 1100°С. После выделения всех летучих веществ топливо превращается в кокс — твердый горючий продукт. Масса кокса меньше массы исходного топлива. Кокс воспламеняется при температуре 900… 1200°С, а воспламенение летучих веществ происходит при температуре 350… 600°С. Следовательно, загорат ясь раньше, чем кокс, летучие вещества быстро поднимают температуру и тем самым обеспечивают его быстрое воспламенение.

Выход летучих веществ Vr‘ определяют в процентах на горючую массу. Чем больше выход летучих веществ, тем легче воспламеняется топливо и тем больше объем пламени при горении. По выходу летучих веществ топ­лива делят на пламенные (длиннопламенные) и тощие. Чем геологически * моложе» топливо, тем больший выход летучих веществ. Так, для торфа VT• = 70%, для антрацита Vr— = 4%.

После выхода летучих веществ остается твердый горючий остаток, который может быть спекшимся, слабоспекшимся и порошкообразным. Твердый коксовый остаток состоит из углерода топлива и золы. Свой­ства этого остатка определяют область применения топлива, способ его сжигания и конструкцию топочного устройства. Величины выхода летучих веществ и свойства коксового остатка положены в основу классификации каменных углей.

Зольность топлива Ар представляет собой негорючий твердый остаток, получающийся после сгорания горючей части. При сгорании минеральные примеси расплавляются, частично разлагаются и дают новые соединения. Поэтому масса и состав золы никогда не равны массе и составу исходных минеральных примесей и зависят от температуры и условий озоления. Зола, прошедшая стадию расплавления, называется шлаком. Шлак пре­пятствует выгоранию органических веществ. Наличие минеральных при­месей ухудшает качество топлива. Зола приводит к износу и шлакованию поверхностей в топке и газоходах теплотехнических устройств, обусловли­вает трудности при сжигании топлива. При расчетах и сравнении топлив используют понятие приведенной зольности:

= ю3.

Зольность топлива определяют при сжигании (прокаливании) его про­бы при 800°С в муфельной печи. Зольность различных видов топлива неодинакова. Наименьшую зольность имеют дрова— до 1% в рабочей массе топлива. Наибольшую зольность имеют уголь —до 40% и горючие сланцы —до 50% в рабочей массе. Зольность жидких топлив (нефти и мазута) чрезвычайно мала: от 0.05 до 0.1% на рабочую массу. Зольность газового топлива равна нулю.

Общая влага Wp, содержащаяся в твердом топливе, определяется высу­шиванием пробы до постоянной массы. Она условно делится на внешнюю и гидратную. Внешняя влага —это влага, попавшая в топливо в ходе образования пласта, а также при добыче, хранении и перевозке топлива (свободная влага), а также влага, заполняющая капилляры и поры в топ­ливе и удерживаемая его поверхностью за счет сорбции (связанная влага). Гидратной влагой называют влагу (обычно несколько процентов от общего влагосодержания), входящую в состав кристаллогидратов, и коллоидные соединения. Она не удаляется при сушке твердого топлива, и ее не считают входящей в общую влагу топлива. Температура уходящих из котлоагрегата газов обычно выше 100°С, поэтому тепловая энергия, затраченная на испарение 1 килограмма воды топлива в количестве 2.5 МДж, теряется с паром уходящих газов.

Таким образом, влага топлива ухудшает его качество, снижает теплоту сгорания, затрудняет воспламенение, приводит к росту потерь тепловой энергии с уходящими газами. Приведенная влажность

= 103.

Чп

Используется для сравнительных расчетов.

Зола и влага являются балластом топлива, они уменьшают долю горю­чих элементов в единице массы топлива, а на испарение влаги затрачива­ется тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива.