Глава IV топливо и его сжигание

Характеристика топлива

Классификация топлива. В основном топливо классифицируют по его происхождению и агрегатному состоянию (табл. 1). В соответствии с этим топливо всех видов подразделяют на естественное и искусствен­ное, каждое из которых в свою очередь подразделяют на твердое, жид­кое, газообразное.

Химический состав топлива. Большинство видов топлива органи­ческого происхождения, поэтому основными его составляющими явля­ются углерод и водород, которые находятся в топливе в виде различ­ных соединений. В состав топлива обычно входят кислород, азот и сера. Все эти элементы образуют различные соединения, составляющие основу топлива. Кроме того, в топливе всегда присутствуют вода и зола.

Таблица 1. Общая классификация топлива

Зола — это негорючая минеральная часть твердого и жидкого то­плива, состоящая из Аl₂O₃, SiO₂, СаО, Fе₂О₃ и др.

Содержащаяся в топливе сера может встречаться в виде органи­ческой серы (S₀), колчеданной (S_к) и сульфатной (S_c). Общее количе­ство серы S_об = S₀ + S_к + S_c.

Органическая и колчеданная сера участвует в процессах горения топлива, а сульфатная сера в горении не принимает участия.

Влага, которая содержится в топливе, подразделяется на гигро­скопическую (химически связанную) и внешнюю, которая механически удерживается в топливе и теряется при сушке.

Чтобы установить состав топлива, проводят технический и хими­ческий (элементарный) анализ топлива. При техническом анализе оп­ределяют влагу, летучие и золу. Химический анализ топлива можно выполнить по элементарному составу (С, Н, О, N, S) и определением содержания в топливе отдельных химических соединений (СО, СО₂, СН₄ и др.). Первый метод анализа применяют для твердого и жидкого топлива, второй — для газообразного топлива.

Элементарный анализ проводят с целью определения содержания углерода, водорода, кислорода, азота и серы в процентах по массе. Однако подобный метод анализа не дает возможности судить о том, из каких соединений этих элементов состоит топливо, а следовательно, и о многих свойствах топлива. Элементарный анализ дает представ­ление о топливе как о механической смеси отдельных элементов, что достаточно для проведения необходимых расчетов сжигания топлива.

В соответствии с элементарным анализом в топливе различают органическую (С, Н, О, N), горючую (С, Н, О, N, S) и сухую (С, Н, О, N, А)массы и рабочее топливо (С, Н, О, N, А, W).

Органическая масса топлива дает возможность судить о его при­роде, а горючая масса — о топливе как о горючем.

При записи результатов анализа пользуются индексами, например: С° обозначает содержание углерода в органической массе; S^г — содер­жание серы в горючей массе; А^с —содержание золы в сухой массе и W^p — содержание влаги в рабочем топливе. Естественно, что состав рабочего топлива записывают так:

Пересчет состава угля из одной массы в другую легко выполнить по следующим выражениям (%):

где х^с — содержание какого-либо элемента в сухой массе, %; х ^p— содержание какого-либо элемента в рабочем топливе, %; х ^г— то же, в горючей массе, %; х° — то же, в органической массе, %.

Химический анализ газообразного топлива можно выполнить последовательным поглощением отдельных составляющих различными реактивами. Его результаты, выраженные в объемных процентах, показы­вают содержание составных частей газообразной смеси СO₂, СО, СН₄, О₂, С _т Н _т. Количество N₂ определяют по разности.

Подобный анализ по химическим соединениям, составляющим то­пливо, позволяет судить о его свойствах. Анализ с последовательным поглощением отдельных составляющих характеризует состав сухого топлива, поскольку влага, содержащаяся в газе, в процессе анализа не учитывается. Вместе с тем в газах в большинстве случаев содер­жится влага, которую обычно определяют как массу воды в единице объема сухого газа W (г/м³). В связи с этим бывает необходимо пере­считывать состав сухого газа с тем, чтобы учесть влагу, т. е. опреде­лять состав влажного газа.

Теплота сгорания топлива. При сжигании топлива выделяется теп­ловая энергия. Количество выделившегося тепла связано с химическим составом топлива.

Количество тепла, которое выделяется при сжигании единицы топ­лива, называется теплотой сгорания топлива [кДж/кг; кДж/м³ или кДж/кмоль]. В технике различают высшую и низшую теплоты сгора­ния топлива.

Высшая теплота сгорания соответствует условию, что все во­дяные пары, образовавшиеся при горении, доводятся до жидкого состо­яния при 273 К. При этом возвращается следующее количество тепла:

Низшая теплота сгорания соответствует условию, что содержа­щийся в продуктах сгорания водяной пар охлажден с 373 до 293 К. При этом высвобождается количество тепла, разное

1, 0 × 2, 041(373 —293)» 163, 3 кДж/кг,

где 2, 041 кДж/(кг × К) — теплоемкость паров воды.

Низшая теплота сгорания топлива больше соответствует действи­тельности, так как практически при сжигании топлива пары воды в газообразном состоянии уносятся с продуктами сгорания.

Количественная разница между и на 1 кг Н₂O составляет

Поскольку в продуктах сгорания содержится влага топлива W₁и вода, полученная от сгорания водорода [W₂ = Н₂О/Н₂ = (18/2) Н = 9Н], разность между высшей и низшей теплотами сгорания на 1 кг топлива составляет

или если W₁ и Н выражены в процентах (т.е. W^р и Н^р), то

(71)

При использовании топлива для практических целей совершенна необходимо определять его теплоту сгорания. Теплоту сгорания топ­лива можно измерять сжиганием навески или определенного объема топлива в специальных приборах — калориметрах. В инженерной прак­тике теплоту сгорания топлива часто определяют расчетом на основа­нии данных элементарного анализа с использованием тепловых эффек­тов реакций горения отдельных составляющих топлива.

Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива на основании эле­ментарного анализа обычно определяют по формулам, полученным эм­пирически. Для отечественных видов твердого и жидкого топлива до­статочно точные результаты дает формула Д.И. Менделеева:

(72)

При определении низшей теплоты сгорания формула Д.И. Менде­леева имеет вид

(73)

Теплота сгорания газообразного топлива может быть с достаточной точностью получена расчетом, поскольку могут быть известны соеди­нения, составляющие горючую массу топлива, и теплоты сгорания этих соединений В табл. 2 приведены тепловые эффекты реакций окисления ряда соединений, входящих в состав топлива.

Следовательно, если известен состав газообразного топлива, то не представляет труда подсчитать его теплоту сгорания.

Условное топливо. Чтобы сравнить топливо различных видов, ино­гда используется понятие условного топлива, характеризуемого теплотой сгорания 29300 кДж/кг. Для перевода любого топлива в условное следует разделить его теплоту сгорания на 29310 кДж/кг, т.е. найти эквивалент данного топлива.

Таблица 2. Тепловые эффекты реакций окисления

В настоящее время в металлургической промышленности наиболее распространенным является газообразное топливо. Достаточно часто употребляется жидкое топливо. Практически единственным видом твердого топлива, которое употребляется в металлургии, является кокс.