Теплота сгорания и температура горения топлива Занятие 3

Топлива Топливо – источник получения энергии; горючее вещество, вырабатывающее при сгорании значительное количество теплоты Твёрдое топливо: – природное – древесина, бурые и каменные угли, антрацит, торф, сланец – искусственное – кокс, древесный уголь Жидкое топливо: – природное - нефть (не используется для сжигания, является сырьём для получения искусственных жидких топлив и для нефтехимии) – искусственные – нефтепродукты (бензин, керосин, лигроин, газойль, мазут), биодизель, биоспирты и др. Газообразное топливо: – природное – природный газ, попутные нефтяные газы – искусственное – генераторный, коксовый газы, биогаз и др. 2

Основные составляющие топлива Углерод (С) – основной носитель теплоты. При сгорании 1 кг углерода выделяется примерно кДж теплоты С + О СО Водород (Н) – второй наиболее важный элемент топлива: при сгорании 1 кг водорода выделяется около кДж теплоты 4Н + О 2НО Сера (S) при сгорании 1 кг серы выделяется примерно кДж теплоты S + О SO – Сернистость – отрицательный фактор топлива, т.к. SO загрязняет атмосферу, вызывает коррозию металлов, переходит в состав продуктов, снижая их качество Азот (N) и кислород (О) - внутренний органический балласт топлива, не горят; их включают в горючую массу условно Влага (W) – снижает теплоту сгорания топлива вследствие увеличенного расхода теплоты на испарение влаги и увеличения объема продуктов сгорания (из-за наличия водяного пара) Зола (А) - смесь различных минеральных веществ, остающихся после полного сгорания всей горючей части топлива. Минеральные вещества топлива понижают его теплоту сгорания вследствие уменьшения содержания горючих компонентов и увеличения расхода тепла на нагрев и плавление минеральной массы. Влага и зола – внешний балласт топлива NB! Теплота сгорания равна стандартной величине энтальпии образования продукта реакции 3

Рабочая, сухая и горючая массы топлива Твердое топливо = органическая масса + минеральные вещества + влага Различают рабочую, сухую и горючую массы топлива. В связи с этим при буквенном обозначении вещества, входящего в состав топлива, вверху ставят буквы р, с, или г. Под рабочей массой топлива понимают топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю. Состав рабочей массы топлива выражают так: C Р + H Р + O Р + N Р + S Р + A Р + W Р = 100% Если из топлива исключить балласт, то получаем горючую массу топлива С Г + Н Г + О Г + N Г + S Г = 100% Сухая масса топлива соответствует обезвоженному топливу и состав ее следующий: С С + Н С + О С + N C + S C + А C = 100% Пересчет состава топлива с одной массы на другую производят с помощью коэффициентов 4

Теплота сгорания топлива Энергетическая ценность топлива, в первую очередь, определяется его теплотой сгорания или теплотворностью Q Теплота сгорания - количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы массы (для твёрдых и жидких топлив) или единицы объема (для газообразных топлив) топлива [кДж/кг, кДж/м 3, ккал/кг или ккал/м 3 ] Теплотворность различных видов топлива колеблется в широких пределах от 4000 до кДж/кг В зависимости от агрегатного состояния влаги в продуктах сгорания различают высшую и низшую теплоту сгорания Влага в продуктах сгорания топлива образуется при горении горючей массы водорода Н, а также при испарении начальной влаги топлива W. В продукты сгорания попадает также и влага воздуха, использованного для горения. Однако ее обычно не учитывают. 2Н + 1/2О НО 2 кг Н 18 кг НО 1 кг Н 9 кг НО При содержании в топливе водорода с горючей массой Н кг при горении образуется 9Н кг влаги. При этом в продуктах сгорания содержится (9Н+ W) кг влаги. На превращение 1 кг влаги в парообразное состояние затрачивается около 2500 кДж теплоты Теплота, затраченная на испарение влаги, не будет использована, если конденсации паров воды не произойдет. В этом случае получим низшую теплоту сгорания Низшая теплота сгорания Qн – это теплота сгорания топлива, вычисленная при условии, что после его сгорания вода находится в виде пара. Низшую теплоту сгорания учитывают для подсчета потребности в топливе и его стоимости, при составлении тепловых балансов и определении коэффициентов полезного действия установок, использующих топливо Высшая теплота сгорания Qв – это теплота сгорания топлива, вычисленная при условии, что вся вода, образующаяся при сгорании, конденсируется в жидкость и охлаждается до первоначальной температуры, с которой топливо поступает на горение Qн = Qв -25(Н+W) 5

Определение теплоты сгорания топлива Теплоту сгорания определяют двумя методами: экспериментальным и расчетным Экспериментальный метод: для определении теплоты сгорания применяют калориметры (калориметрическую бомбу) Методика определения: навеску топлива сжигают в калориметре, теплота, выделяющаяся при горении топлива, поглощается водой. Зная массу воды, по изменению ее температуры можно вычислить теплоту сгорания Расчетный метод: теплоту сгорания рассчитывают по формуле Д. И. Менделеева: = 339,3Сp Нp - 109(Оp-Sp) - 25,14(9Н+ Wp) кДж/ кг, где Ср, Нр, Ор, Sp и Wр соответственно содержание углерода, водорода, кислорода, серы и влаги в рабочем топливе, %. Условное топливо – это понятие, которое используют для нормирования и учета расхода топлива Условным принято называть топливо с низшей теплотой сгорания ( кДж/кг или 7000 ккал/кг) Для перевода любого топлива в условное следует разделить его теплоту сгорания на кДж/кг, т. е. найти эквивалент данного топлива: например, для мазута он равен 1,37-1,43, для природных газов – 1,2-1,4. 6

Газообразное топливо (1) Газообразное топливо состоит из горючих и негорючих компонентов К горючим компонентам относятся: окись углерода (СО), водород (Н 2 ), углеводороды (С m Н n ), сероводород (Н 2 S). К негорючим компонентам относятся: углекислый газ (СО 2 ), азот (N 2 ), сернистый газ (SO 2 ), водяной пар (Н 2 О), кислород (О 2 ). Это балластные составляющие. Их присутствие в топливе приводит к понижению температуры его горения. Содержание в топливе более 0,5% свободного кислорода считается опасным по условиям техники безопасности Различают сухой и влажный газ (рабочий газ). В первом случае при каждом компоненте ставят значок с, а во втором в или р Теплоту сгорания газообразного топлива подсчитывают по компонентному составу Теплота сгорания газообразного топлива равна сумме теплот горения газообразных горючих составляющих (кДж/м³): Q н р = 127,7CO + 108H CH C 2 H C 2 H C 3 H C 4 H H 2 S 7

Газообразное топливо (2) Высшую и низшую теплоту сгорания газообразного топлива с высоким содержанием метана можно посчитать по формулам: Q в =30,2СО + 30,5Н + 95СН + 166СН+ 237СН + 307СН + 377СН СН + 220СН + 290СН + 360СН CH + 61HS (ккал/м³) Q н =30,2СО + 25,8Н + 85,5СН + 152СН + 218СН + 283СН + 349СН СН + 205СН + 271СН + 337СН + 335CH + 56HS (ккал/м³) 8

Жаропроизводительность топлива Жаропроизводительностью называется максимально возможная температура горения, которая может быть достигнута при полном сгорании топлива без избытка воздуха и без подогрева топлива и воздуха в условиях, когда все выделяющееся при сгорании тепло полностью расходуется на нагрев образующихся продуктов сгорания (адиабатические условия) Чем выше жаропроизводительность топлива, тем выше качество тепловой энергии, выделяющейся при его сжигании Жаропроизводительность топлива - очень важное физическое понятие, так как она позволяет оценить, насколько эффективно можно использовать данное топливо для высокотемпературного процесса. При сгорании дров максимальная температура составляет около 1600°С, каменного угля – 2050°С, бензина – 2100°С 9