Виды и состав топлива. Теплота сгорания. Условное топливо и тепловой зквивалент

 

' Топливом называются существующие в природе или получаемые искусственно горючие вещества, используемые для выработки тепловой энергии. Как источник тепловой энергии топливо является основой экономики народного хозяйства. Топливно-энергетическая промышленность как базовая отрасль тяжелой индустрии страны способствует решению как производственных, так и социальных народнохозяйственных задач. Теплота, выделяемая при сгорании топлива, применяется в производственных процессах, для отопления, приготовления пищи и т. д.; значительная часть теплоты расходуется на получение механической и электрической энергии. Топливо содержит также большое количество попутных веществ, использование которых дает большой экономический эффект. Более 90% потребляемого топлива органического происхождения, главной составной частью которого является углерод.

Промышленное топливо по происхождению подразделяется на естественное и искусственное, а по агрегатному состоянию на твердое, жидкое и газообразное. Естественным называется топливо, используемое в том виде, в каком оно находится в природе: твердое.— ископаемые угли (бурые, каменные и антрациты), горючие сланцы, торф, дрова, отходы сельского хозяйства; жидкое — нефть; газообразное — газы природные и сопутствующие при добыче нефти и других полезных ископаемых. Топливо получают главным образом в результате переработки естественного топлива: твердое — каменноугольный кокс, древесный уголь, полукокс, торфяной кокс, брикеты и др.; жидкое— бензин, керосин, дизельное топливо, мазут и др.; газообразное— газы коксовый, светильный, крекинговый, доменный, генераторный (воздушный, водяной или смешанный) и др.

 

Агрегатное состояние	Топливо естественное	Топливо искусственное
Газообразное	Природный и нефте-промысловый газы	Газы (генераторный, водяной, светильный, коксовый, нефте перерабатывающих заводов)
Жидкое	Нефть	Бензин, керосин, дизельное топливо, смазочное масло, спирт, различные смолы
Твердое	Ископаемые угли, горючие сланцы, торф, дрова	Каменноугольный кокс, брикетированное и пылевидное топливо, древесный уголь

 

Органическое топливо в основном содержит углерод (С), водород (Н), кислород (О), азот (N) и серу (S). При сгорании тепло выделяют углерод и водород. Кислород и азот при сгорании не выделяют тепло и представляют собой внутренний балласт топлива. Сера является вредной примесью; она дает мало тепла и образует токсичные кислотные оксиды — S0₂ и S0₃. Кроме того, в каждом топливе, помимо органической части, содержится еще определенное количество минеральных примесей (при сгорании они образуют золу и воду, представляющих собой внешний балласт топлива). Балластом газообразного топлива являются кислород, азот, пары воды, диоксид углерода и другие негорючие газы. Содержание внутреннего и внешнего балласта в различных видах топлива колеблется от доли процента до десятков процентов.

По элементному составу все существующие виды топлива подразделяются на три основных класса:

Ø I — состоящие из углерода (все виды кокса и древесный уголь);

Ø II—состоящие из углерода и водорода (нефть, продукты нефтепереработки, газообразные углеводороды и др.);

Ø III— состоящие из углерода, водорода и кисло­рода (ископаемый уголь, торф, дрова, брикеты, гене­раторный, смешанный и другие газы.

Количество выделяемого тепла при сгорании топлива зависит от его химического состава: чем выше содержание углерода и водорода в топливе и ниже содержание балласта, тем больше теплота сгорания. Поэтому при расчетах теплоты сгорания рассматривают рабочую, сухую и горючую массы топлива. Рабочая масса топлива состоит из органической части, а также золы и воды, сухая же масса не содержит воды и состоит из органической части и золы. Сухая масса отличается от рабочей количеством воды, содержащейся в топливе. Горючая масса топлива не содержит ни воды, ни золы и состоит только из органической части. При необходимости производят пересчет одною вида топлива в другой с помощью расчетных коэффициентов.

Одной из наиболее важных характеристик топлива, определяющих его тепловую ценность, является удельная теплота сгорания (Q), представляющая собой количество теплоты, выделяемой при полном сгорании I кг (твердого и жидкого) или 1 м³ (газообразного) топлива. Количество теплоты измеряют в калориях или джоулях (1 кал = = 4,1867 Дж, 1 ккал = 4,1867 кДж).

При поставках топлива в сопроводительном документе теплоту сгорания подставляют либо к рабочей массе (Q^Р), либо к горючей (Q^Г). Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива. Высшая теплота сгорания (Q_в) получается при наличии в продуктах сгорания топлива воды (содержащейся з топливе и образующейся в результате окисления водорода) в капельно-жидком состоянии, т.е. с учетом теплоты конденсации водяного пара. Низшая (полезная) теплота сгорания (Q_н) определяется при наличии в продуктах сгорания топлива водяного пара, т.е. без учета теплоты его конденсации. Таким образом, он является разностью Q_в — Qн₂о, где Qн₂о — теплота конденсации водяного пара, входящего в продукты сгорания. Чем выше содержание в топливе воды и водорода, тем больше разница между выс­шей и низшей теплотой сгорания топлива. Все основные теплотехнические расчеты ведутся по показателям низшей теплоты сгорания топлива на рабочую массе. Однако в ряде случаев в стандартах или в другой документации встречаются значения высшей теплоты сгорания топлива на горючую массу (Q_в^г ) и показатели теплоты сгорания топлива на горючую массу по «бомбе» (Q_б^г ).

Q_б^г характеризует суммарную теплоту сгорания:

-горючей части топлива;

- теплоты парообразования при сгорании во­дорода;

-теплоты при кислотообразовании.

Q_б^г определяют экспериментально — сжиганием определенного количества топлива в колориметрическом сосуде (бомбе) в атмосфере кислорода.

Кроме экспериментальных способов оценку теплоты сгорания производят расчетным путем по формулам на основании данных элементного состава топлива. Чаще всего для расчета низшей теплоты сгорания топлива на рабочую массу пользуются формулой Д. И. Менделеева:

Q_н^р = 81С + 244 Н—26 (О—S) — 6W ккал/кг

где, коэффициенты при элементах показывают количество тепла, выделяемого ими при сгорании;

6 — количество тепла, затрачиваемого на превращение в пар 1 г воды.

Теплоту сгорания газообразного топлива определяют как сумму теплоты, получаемых от сгорания отдельных составляющих фракций топлива.

Условное топливо и тепловой эквивалент

Каждый вид топлива имеет различную теплоту сгорания, так как обладает разным элементным составом, физическими и химическими свойствами. Для удобства сопоставления различных видов топлива, замены одного вида топлива другим и т. д. установлено понятие «условное топливо». Теплота сгорания такого эталона условно принята для твердого и жидкого топлива равной 29307 кДж/кг и для газообразного —29,307 кДж/м³ (соответственно 7000 ккал/кг и 7000 ккал/м³).

В настоящее время составление заявок на топливо, учет его расходов и запасов ведутся в единицах условного топлива. Для пересчета массы условного топлива в натуральное и наоборот применяют тепловой эквивалент, представляющий собой отношение низшей теплоты сгорания данного натурального топлива к теплоте сгорания условного топлива.

Различают калорийный (Э_кал) и технический (Этех) топливные эквиваленты.

Калорийный эквивалент определяют по формуле:

Э_кал =Q_H ^P/29307

Э_кал =Q_H ^P/7000

 

где Q_н^р и Q_н^р — теплота сгорания топлива соответственно в кДж/кг и ккал/кг.

Значительно реже при расчетах различных видов топлива, применяемых в котельных установках, пользуются техническим эквивалентом:

Э_тех= Э_кал =Q_H ^P/29307 h_У

 

Где h_у — к.п.д. котельной установки при сжигании данного топлива.

 

Пересчет массы натурального топлива (М_н) в условное (М_у) производится умножением его массы на тепловой эквивалент: М_у = Мн Экал.

В табл.8.1 приведены значения теплоты сгорания и калорийных эквивалентов для некоторых наиболее распространенных видов топлива.

Таблица 8.1