Теплотехніка. Лекція Паливо і процеси горіння

Лекція

ТЕМА ЛЕКЦІЇ : Паливо і процеси горіння

МЕТА ЛЕКЦІІ : Вивчити основні види палива і процеси горіння

ПЛАН :

1.Паливо і його значення

2.Склад палива

3.Теплота згорання палива

4.Види палива

     1.Паливо – це речовини, що задовольняють таким вимогам:

1. Продукти горіння повинні бути газоподібними і легко видалятися із зони горіння.

2. Продукти горіння повинні бути нешкідливими для навколишнього середовища.

3. Запаси таких речовин у природі повинні бути достатньо великими, а їх видобування, переробка та спалювання економічно доцільними.

     Цим вимогам задовольняють тільки два хімічні елементи: вуглець і водень, а також їх сполуки – вуглеводні, що складають основу будь-якого палива.

     В основу загальної класифікації палива покладені знаки його агрегатного стану та походження (табл. 1.2).

Таблиця 1.2 - Загальна класифікація палива

Агрегатний стан	Походження
	Натуральне	Штучне
Тверде	Дрова, торф, буре вугілля, кам’яне вугілля, антрацит, горючі сланці	Деревне вугілля, брикети, кокс, вугільний пил та інші
Рідке	Нафта	Бензин, гас, мазут, спирт, смоли, масла та інші
Газоподібне	Природний газ, попутний газ	Коксовий, доменний, генераторний гази та інш

       За призначенням розрізняють паливо енергетичне, технологічне та енерготехнологічне. Енергетичне паливо спалюють з метою одержання теплової енергії (гаряча вода, пара), а також електроенергії. Як енергетичне паливо використовують відходи коксохімічних виробництв, низькосортне вугілля, рідкі горючі відходи, тому що навіть при низьких температурах горіння можливо здійснити підігрів води та перегрів пари.

     Технологічне паливо (кокс в доменній печі, природний газ в нагрівальній печі) повинно забезпечити певний температурний рівень протікання технологічного процесу.

     Прикладом енерготехнологічного використання палива є процес напівкоксування, коли напівкокс спалюють у топках котлів, а газоподібні продукти - у печах.

     2. Всі види палива містять у своєму складі поряд з горючими речовинами також негорючі компоненти - баласт.

     Горюча частина твердого і рідкого палива являє собою переважно органічний матеріал, створений з п’яти хімічних елементів – вуглецю (С), водню (Н), сірки (S), кисню (О) та азоту (N). Азот і кисень не приймають участі в тепловиділенні і тому вони є внутрішнім баластом палива. Виходячи з цього їх включення до горючої частини умовно, однак вони входять у склад речовин, які в цілому горючі. Горюча частина також включає до себе сполуку FeS2 (піріт).

     Баласт твердого і рідкого палива складається з вологи та негорючої мінеральної частини, що утворює при згоранні золу.

     Ці частини позначаються W від німецького слова Wasser (волога) та А від німецького слова Asche (зола), відповідно.

Склад твердого або рідкого палива визначають шляхом елементарного аналізу, результати якого наводять у вигляді схеми.

Індекс	Склад							å
	С	Н	N	О	S	А	W	100
О                          органічна маса								100
Г                        горюча маса								100
С                        суха маса								100
Р                        робоча маса

     Склад твердого і рідкого палива звичайно вказується у процентах до маси, при цьому за 100% можуть бути прийняті: робоча маса – паливо у тому стані, в якому воно поступає до споживача

С^р + Н^р + О^р + N^р + S^р + А^р + W^р = 100 %

суха маса – паливо без вологи

С^с + Н^с + О^с + N^с + S^с + А^с  = 100 %

горюча маса – паливо без вологи і золи

С^г + Н^г + О^г + N^г + S^г  = 100 %

органічна маса – горюча маса за відрахуванням сірки

С^о + Н^о + О^о + N^о  = 100 %

     Газове паливо являє собою механічну суміш індивідуальних компонентів – газоподібних та пароподібних. Склад газового палива визначають за допомогою газоаналізаторів чи хроматографів. При цьому одержують склад сухого газу у об’ємних процентах, а вміст вологи у паливі визначають у грамах на м³ сухого газу.

     До горючих компонентів газоподібного палива відносяться окис вуглецю (СО), водень (Н₂), вуглеводні (СН₄, С₂Н₆, ... та інші), сірководень (Н₂S).

     До негорючих компонентів відносяться: вуглекислий газ (СО₂), пара (Н₂), азот (N₂), кисень (О₂)

     3.Теплота згорання палива характеризує його енергетичну цінність і являє собою кількість теплоти, яка виділяється при повному згоранні одиниці палива.

     Термін „повне згорання” означає, що водень і вуглець окислюються до стану вищих окисів цих елементів – Н₂О і СО₂, сірка перетворюється у SO₂, а азот виділяється у вигляді простої речовини N₂.

     Для твердого та рідкого палива за одиницю кількості може бути прийнятий 1 кг будь-якої з розрахункових мас: робочої, сухої, горючої, органічної.

     Теплоту згорання позначають буквою Q з верхнім індексом, що відповідає масі палива:

Q^р + Q^с + Q^г + Q^о

    За одиницю кількості газового палива приймають 1 м³ суми всіх його компонентів при нормальних умовах (Р = 101,3 кПа, t = 0  ⁰С).

     Максимальна теплота згорання з урахуванням теплоти конденсації водяної пари зветься вищою і позначається Q_в.

    Кількість теплоти, що виділяється при повному згоранні одиниці палива без конденсації водяної пари зветься нижчою теплотою згорання і позначається Q_н.

     Кожне паливо має певну теплоту згорання. Для зручності обліку, порівняння і перерахунку з одного палива на інше використовують поняття умовного палива. Умовним паливом зветься таке паливо, теплота згорання якого складає 29,3 мДж/кг (7000 ккал/кг). Приблизно таку теплоту згорання має добре кам'яне вугілля

     4.Тверде паливо У наш час найбільше значення мають кам'яне та буре вугілля. У незначних обсягах використовують торф. Буре вугілля поділяють на 3 групи в залежності від вологості Wp , % - Б1 більш 40%, Б2 – 30-40%, Б3 менш 30%.

     Розрізняють буре вугілля, кам'яне та антрацити.

     Буре вугілля отримало свою назву внаслідок характерного кольору: від світло-бурого до темнобурого. Основне родовище цього вугілля на Україні Олександрійське (Дніпровський басейн). У натуральному вигляді буре вугілля містить значну кількість вологи, що досягає 60% від маси палива. Зольність змінюється в широких границях, Ар =5-40%. Нижча теплота згорання залежить від вологості і зольності і в середньому оцінюється у 16 МДЖ/кг (Дніпровського не перевищує 8,5 МДЖ/кг). Недоліками бурого вугілля є: мала механічна міцність, низька термічна стійкість, внаслідок чого відбувається швидке його руйнування при транспортних операціях та нагріванні.

      Кам'яне вугілля характеризується високим вмістом вуглецю, високою міцністю та густиною, невеликою вологістю (Wp = 3-13%), більш низьким в порівнянні з бурим вугіллям виходом летючих речовин. Кольор кам'яного вугілля – чорний. Основні родовища – Донецький басейн В основу класифікації кам'яного вугілля покладені такі властивості, як вихід летючих та властивості коксу.

     Із штучного твердого палива найбільше значення мають кокс і напівкокс. Кокс одержують внаслідок процесу коксування, що являє собою процес термічної переробки палива при нагріванні його до температури 900-1100оС без доступу повітря. В залежності від міцності та пористості кокс поділяється на доменний (пористість 45-55% і ливарний (пористість менше 45%).

     Рідке паливо. Єдиним представником натуральних рідких палив на планеті є нафта. Нафта у сирому вигляді практично не споживається, а переробляється в інші види палива: бензин, мазут та інше.

     Мазути, що є основним видом котельного та пічного палива, поділяються на ряд марок в залежності від їхньої в'язкості. У відповідності з ГОСТ 10585-75 мазут розділяється на такі марки: флотський Ф5 і Ф12; топкові 40 і 100. Флотський мазут призначений для судових котлів, газових турбін, двигунів. Мазут марки 40 використовується у судових котлах, промислових печах, котлах і рідко на електростанціях. Мазут марки 100 призначений для спалювання на електростанціях. У межах марок мазути розділяються на три сорти в залежності від вмісту сірки: малосірчасті (S 0,5% p < ), сірчасті (S 0,5 2,0% p < - ), високосірчасті (S 2,0% p > ). Важливими характеристиками мазуту є температура спалаху і температура займання. Температурою спалаху зветься така температура, при якій з рідкого палива виділяється достатня кількість пари, що спалахує на повітрі від джерела запалювання. При цьому горіння відразу ж припиняється. Температуру займання іноді називають верхньою межою температури спалаху, тому що при цій температурі після спалаху пари горіння триває не менше 5 с.

     Газоподібне паливо. Найбільше значення для економіки має природний газ, що являє собою суміш газів, яка видобувається з надр землі і складається в основному з метану та важких вуглеводнів.

     Розрізняють два основних види газів:

А) гази вулканічного походження. Ці гази в основному складаються з метану (94% і вище) і звуться сухими;

Б) попутні гази (нафтопромислові) одержують при розробці нафтових родовищ.

     Нафта в глибинах землі знаходиться під тиском, при виході її із свердловини тиск знижується, що призводить до виділення розчинених у нафті газів. Їх кількість складає 10-15% маси нафти. Основним вуглеводнем цих газів також є метан, однак, крім нього до складу горючої частини відносяться етан, пропан, бутан та інші важкі вуглеводні. Попутні гази інколи називають жирними газами.

     Природний газ доставляють до районів споживання за допомогою магістральних газопроводів. Попутний газ піддають зрідженню і у вигляді пропанбутанової суміші перевозять у спеціальних цистернах.

     Із штучних газів найбільше значення мають коксовий і доменний гази. Коксовий газ одержують як побічний продукт процесу коксування. Зжатий сирий газ містить пару смол, аміак, сірководень, які уловлюють при первинній очистці газу.

      Газ, що пройшов первинну очистку, звуть зворотним. Зворотний газ піддають додатковому очищенню для вилучення з нього ціану, окису азоту та сірки. Одержаний газ звуть очищеним коксовим газом.

       Доменний газ є побічним продуктом виробництва при плавці чавуну у доменних печах. Доменний газ утворюється внаслідок горіння коксу у шарі великої товщини. Доменний газ використовують для власних потреб на металургійних заводах.

Контрольні запитання

1. Що називають «паливом», існуючі види палива.

2. Класифікація природного твердого палива.

3.З яких елементів складається горюча маса твердого (рідкого) палива?

4. Що таке «суха» і «робоча» маси палива?

5.Чим відрізняється «вища» теплотворна здатність від «нижчої»?