Котельні установки. Лекція. Тема : Склад палива

 

Лекція

ТЕМА ЛЕКЦІЇ : Склад палива

МЕТА ЛЕКЦІЇ : Вивчити склад палива

ПЛАН ЛЕКЦІЇ

1.Робоч паливо

2.Теплота згоряння палива

3.Умовне паливо

     1. Паливо в тому вигляді, в якому воно подається для спалювання в котельню, називають робочим.

       До його складу входять: вуглець С, водень Н, кисень О, сірка S, азот N, зола А і волога W. Зміст цих елементів в паливі легко визначається хімічним аналізом в лабораторії. Робочий склад палива виражається по масі наступним рівністю:

C^р + H^р + O^р + N^р + S_л ^р + А^р + W^р = 100%.

     Горючими елементами в твердому паливі є вуглець, водень і летюча сірка. Остання становить лише частина сірки, що знаходиться в паливі, а повна її кількість складається з летючої (горючої) сірки і сульфатної

S_пов ^р = S_л^р + S_с^р

     Сульфатна сірка S_с^р в горінні не бере, вона вже окислена і входить до складу золи палива у вигляді, мінеральних сполук із залізом і кальцієм.   Летюча сірка S_л^р, що є горючою речовиною, складається з органічної сірки S_о^р, що входить до складу основного ядра палива (його материнської речовини), і сірки колчеданної S_к^р, що знаходиться в з'єднанні з залізом (FeS₂ - сірчаний колчедан):

S_л^р = S_о^р + S_кр

     Необхідно зауважити, що хоча сірка є пальним елементом палива і при горінні виділяє деяку кількість тепла, проте присутність сірки дуже небажано, так як в результаті її горіння утворюється сірчистий газ, який, з'єднуючись з водяними парами димових газів, утворює серную- кислоту, що викликає корозію поверхонь нагріву котла. Крім того, сірчистий газ, потрапляючи з димовими газами в атмосферу, забруднює навколишнє повітря.

    Вуглець і водень є найціннішу частину палива, так як при їх згоранні виділяється значна кількість тепла.

     Волога і зола є небажаними складовими палива і складає так званий зовнішній його баласт. Зміст вологи в деяких видах палива (наприклад, дровах і торфі) нерідко досягає 50-60%.

    В золу - суміш різних негорючих мінеральних речовин - входять солі лужних і лужноземельних металів, оксиди кремнію, заліза, алюмінію, сульфатна сірка та ін. Склад золи і зольність палива в цілому впливають на процес горіння. Легкоплавка зола веде до зашлаковиванню палаючого шару палива, а також до налипання розм'якшеної або розплавленої летючої золи на поверхні нагрівання котла (екранні і кип'ятильні труби), що істотно погіршує теплообмін. Крім того, при високих температурах розплавлена ​​зола може вступити в хімічну взаємодію з обмурівкою, викликаючи її швидкий знос.

    Тому як для експлуатації, так і для проектування топок важливо знати характеристики золи, якими є, в першу чергу, температури: початку її деформації t₁, розм'якшення t₂ і рідиноплавкого стану t₃. Величини цих температур залежать від складу золи. Зола, у якій температура початку рідкоплавкого стану менше 1200 ° С, називається легкоплавкою, від 1200 до 1450 ° С - среднеплавкою і більше 1450 ° С - тугоплавкою. Зміст золи в твердих паливах може коливатися в широких межах - від 1 до 60% робочої маси палива. Найбільшу зольність мають сланці, а найменшу - дрова і деревні відходи. Зміст золи в бурому і кам'яному вугіллі становить 5-25%. У газоподібному і рідкому паливі зола міститься в мізерно малій кількості.

     Кисень і азот, що входять до складу палива, не беруть участі в процесі горіння і складають внутрішній баласт палива. Азот є інертним газом і при горінні палива виділяється у вільному стані і видаляється з продуктами горіння. Вміст азоту в твердому паливі невеликий (1-2%). Значно більше (до 40%) в паливі може міститися кисню.

     При визначенні геологічного віку і основних якостей палива крім робочого складу доводиться користуватися похідними (умовними) складами, які отримали назву сухої, горючої і органічної маси палива. Ці маси палива виходять шляхом виключення з основного складу того чи іншого елемента. Так, виключаючи з робочого складу (маси) палива вологу, отримаємо суху масу

С^с + Н^с + О^с + N^с + S_л^с + А^с = 100%.                (1)

Склад палива без вологи і золи утворює горючу масу

С^г + Н^г + О^г + N^г + S_л^г = 100%                         (2)

При видаленні з горючої маси колчедану сірки залишився склад являє органічну масу палива

С ° + Н ° + О° + N⁰ + S_орг^о = 100%               (3)

    Для переходу від одного складу палива до іншого служать формули перерахунку, отримувані шляхом зіставлення наведених рівності.

С^р + Н^р + О^р + N^р + S_л^р = 100 - (А^р + W^р)

 

Ліва частина цього виразу по суті є горючою масою палива, представленої рівністю (1). Зіставляючи ці рівності, отримаємо:

 

С^г = С^р  %

2.Теплота згоряння палива.

     Однією з важливих характеристик палива є його теплота згоряння, під якою розуміють кількість тепла, одержуваного при повному згорянні 1 кг твердого, рідкого або 1 м³ газоподібного палива. Розрізняють два значення теплоти згорання робочого палива - вище і нижче.

     Вищою теплотою згоряння палива Q_в^р називають кількість тепла, що виділяється паливом при повному його згоранні, з урахуванням тепла, яке виділяється при конденсації водяної пари, яка утворюється при горінні.

     Нижча теплота згоряння палива Q_н^р, відрізняється від вищої тим, що не враховує тепло, що йде на утворення водяної пари, яка перебуває в продуктах згоряння. Тому вища теплота згоряння палива завжди більше нижчої.

     Нижча і вища теплота згоряння, кДж / кг, пов'язані залежністю

Q_н = Q_в - 25,1 (9Н + W)                  

де  - 25,1 (9Н + W) - загальна теплота, яка виділяється при конденсації водяної пари,  яка утворилася в результаті згоряння водню палива в кількості Н (%) і вологи палива, яка випаровується в процесі згоряння в кількості W (%) в кДж / кг . Множник 25,1 це ентальпія 1 кг пара при тиску 0,1 МПа розрахована на 1% складу палива

 Перерахунок теплоти згоряння палива:

 Q_н^р = Q_в^р - 25,1 (9H^р + W^р);

Q_н^с = Q_в^с - 226 Н^с;

 Q_н^г = Q_в^г - 226 H^г;

 Q_н^р = Q_н^с (100 - W^р) / 100 - 25,1W^р;

 Q_н^р = Q_н^г (100 - W^р - Ар) / 100 - 25,1W^р

  Верхні індекси «р», «с», «г» відносяться до робочої, сухої і горючої масам палива.

    При зміні вологості від W₁^р до W₂^р або зольності палива від А₁^р до А₂^р для визначення теплоти згоряння використовуються залежності:

  Q_н2^р = (Q_н1^р + 25,1 W₁^р) (100 - W₂^р) / (100 - W₁^р) - 25,1 W₂^р;

 Q_н2^р = Q_н1^р (100 - А₂^р) / (100 - А₁^р)

 При одночасному зміні вологості і зольності

Q_н2^р = (Q_н1^р + 25,1 W₁^р) (100 - W₂^р - А₂^р) / (100 - W₁^р - А₁^р) - 25,1 W₂^р

     Для наближених розрахунків, а також для перевірки елементного складу палива нижчу теплоту згоряння Q_н^р, кДж / кг, визначають за формулою Менделєєва:

Q_н^р = 339C^р + 1030H^р – 109(O^р – S^р ) – 25,1W^р ;

 Q_н^г = 339C^г + 1030H^г – 109(O^г – S^г )

    Теплота згоряння газоподібного палива при відомому його складі достатньо точно визначається за формулою

Q_н^р = 30,18СО + 25,79Н₂ + 85,55СН₄ + 141,07 С₂ Н₄ +

+ 152,26 С₂ Н₆ + 205,41 С₃ Н₆ + …

де СО, Н₂, СН₄ і т. д. - об'ємний вміст відповідних газів в паливі в %