Элементарный состав твердого и жидкого топлив

Топливо в том виде, в каком оно поступает для сжигания в топки или в двигатели внутреннего сгорания и специальные аппараты, называется рабочим.

В общем случае, в состав рабочего (твердого или жидкого) топлива входят углерод С, водород Н, кислород О, азот N и летучая сера S, а также негорючие минеральные примеси — зола, А и влага W.

Для рабочей массы топлива имеет место очевидное равенство:

где С^р, Н^р, О^р и т. д. — элементы рабочего топлива в процентах от общей массы топлива.

Характеристика топлива по составу его рабочей массы является весьма неустойчивой, так как для одного и того же сорта топлива в зависимости от способа его добычи, транспортирования и хранения содержание в нем S^p, А^р и W^p может значительно колебаться.

Влага, содержащаяся в топливе совместно с золой, называется балластом топлива.

Балласт значительно снижает ценность топлива, уменьшая его теплоту сгорания. Влага в топливе вредна тем, что, во-первых, на ее испарение при горении расходуется тепло, и, во-вторых, уменьшается относительное количество горючего вещества в топливе. Наличие золы не только снижает теплоту сгорания, но значительно затрудняет процесс горения в топке и ее эксплуатацию.

В естественных видах ископаемого твердого топлива встречается сера трех разновидностей:

органическая S⁰, связанная с другими элементами топлива С, Н, N и О в виде сложных органических соединений;

колчеданная S^K в виде пирита, колчедана FeS₂;

сульфатная S^cyjlb* в виде солей серной кислоты (гипс, FeS0₄ и др.).

Сульфаты представляют собой высокие окислы серы, поэтому находящаяся в них сера гореть не может. Присутствующие в топливе органическая и колчеданная серы сгорают, образуя токсичный сернистый ангидрид S0₂ и (в небольших количествах) еще более токсичный серный ангидрид S0₃. Выброс их с продуктами сгорания вызывает загрязнение воздушного бассейна.

Органическая и колчеданная сера образуют вместе летучую горючую серу S_n. Таким образом, общее содержание серы в топливе.

Следовательно, в горючую часть топлива входят только летучая сера, остальная сера в горении участия не принимает и может быть отнесена к балласту (зола топлива).

Для правильного представления о тепловых свойствах топлива вводится понятие горючей массы, для которой.

где индекс вверху показывает, что процентный состав отдельных элементов отнесен к горючей массе.

Название «горючая масса» носит условный характер, так как действительно горючими ее элементами являются только углерод, водород и сера. Углерод — преобладающий компонент твердых и жидких топлив, в топливах его обычно содержится от 50 до 95%, тогда как содержание водорода Н^г колеблется в пределах от 1 до 11, а серы S^r от 0 до 8%. Горючую массу можно характеризовать как топливо, не содержащее золы и в абсолютно сухом состоянии. Содержание азота в горючей массе твердых топлив обычно составляет 1−2% по массе. Несмотря на столь малое количество, азот является весьма вр. едным компонентом, поскольку при сгорании азотсодержащих соединений в высокотемпературных топках образуются сильнотоксичные оксиды N0 и N0₂ (они образуются также и из атмосферного азота, но в меньшей степени).

Для топлива, содержащего большое количество влаги (бурый уголь, торф, дрова, некоторые растительные отходы), в некоторых случаях удобно использовать понятие сухой массы, т. е. характеризовать состав абсолютно сухого топлива суммой элементов С, Н^с, 0^е, N^c, S^c и А^с. При этом.

где индекс показывает, что процентный состав отдельных элементов отнесен к сухой массе.

Для взаимного пересчета массы топлива в соответствии с понятием о массах топлива служат формулы, объединенные в табл. 1.3.

Формулы для пересчета состава топлива с одной массы на другую

Зольность топлива. Золой называют твердый негорючий остаток, остающийся после сжигания топлива в атмосфере воздуха. Зола может быть в виде сыпучей массы с плотностью в среднем 600 кг/м³ и в виде сплавленных пластин и кусков, называемых шлаками, с плотностью до 800 кг/м³.

В состав золы большинства видов твердого топлива входят: глинозем А1₂0₃, кремниевая кислота Si0₂, известь СаО, магнезия MgO, щелочи Na₂0, окислы железа FeO и Fe₂0₃.

Часть золы в топливе распределена довольно равномерно; другая часть, представляющая собой пустую породу, захваченную при разработке или добыче топлива, распределена неравномерно, но может быть сравнительно легко отделена. Процесс отделения золы, называемый обогащением твердого топлива, получил широкое распространение. Процесс этот достаточно дорогой, поэтому применяется лишь для углей, предназначенных для коксования.

При высокой температуре зола плавится. Степень легкоплавкости золы в значительной степени зависит от ее состава. Для оценки поведения золы при сжигании топлива весьма существенны температуры начала деформации /_нл, размягчения /_р, а также начала жидкоплавкого состояния /_пл золы, определяемые опытным путем.

Зола способствует разрушению обмуровки топочных устройств и поверхностей камер сгорания, оседает в газоходах теплообменных аппаратов и ускоряет износ поверхностей, обтекаемых забалластированным газовым потоком, а также засоряет окружающую местность.

Влажность топлива определяется по ГОСТ 11 014–70 высушиванием навески при 105—110°С. Максимальная влажность массы W^p доходит до 50% и более и определяет экономическую целесообразность использования данного горючего материала и возможность его сжигания. Влага снижает температуру в топке и увеличивает объем дымовых газов. Для превращения 1 кг воды в пар комнатной температурой нужно затратить 2,5 МДж теплоты. Увеличенный объем дымовых газов требует дополнительной энергии на их удаление.

Очевидно, что влага является балластной примесью, так как уменьшает тепловую ценность исходного топлива. Кроме того, часть теплоты, выделяемой топливом при его сгорании, расходуется на испарение влаги.

Различают влагу внешнюю и внутреннюю, или гигроскопическую. К внешней относится влага, попадающая в топливо при его добыче, хранении или транспортировке, а также капиллярная, заполняющая многочисленные поры угля и торфа.

Содержание внешней влаги в различных видах топлива колеблется в широких пределах — от нескольких процентов до десятков процентов. Эта влага может быть сравнительно легко удалена высушиванием. Гигроскопическая и коллоидная влажность топлива зависят от его структуры и связаны с органическими веществами топлива и его минеральными примесями. В жидком топливе содержится только внешняя влага в капельно-жидком состоянии в виде эмульсии. Применительно к твердому топливу в топочной технике используют понятие приведенной влажности (% кг/МДж), под которой понимают отношение влажности топлива к количеству низшей теплоты сгорания топлива:

Если Wⁿ < 3%, то топливо считается маловлажным (антрацит, каменные угли). Если wⁿ = 3,89−8%, топливо считается высоковлажным (торф, бурые угли); топлива с промежуточными значениями W" составляют группу топлив средней влажности.

Летучие вещества. При нагревании твердого топлива без доступа воздуха его органическая масса разлагается, в результате чего образуются газы, водяные и смоляные пары и углеродосодержащий остаток. Суммарное количество выделяющихся летучих веществ увеличивается с увеличением температуры и времени выдержки. Этот процесс в основном заканчивается при 700−800°С, поэтому по ГОСТ 6382–75 выход летучих веществ V^r, в % на горючую массу, определяется путем прокаливания 1 г топлива в закрытом тигле при 850 ± 10 °C в течение 7 мин. Выход летучих веществ является важнейшей характеристикой горючей массы топлива и уменьшается по мере увеличения его возраста. Чем больше выход летучих веществ, т. е. чем больше топлива превращается при нагревании в горючий газ, тем проще зажечь это топливо и легче поддерживать устойчивое горение. Органическая часть древесных и горючих сланцев при нагревании без доступа воздуха почти целиком переходит в летучие вещества (V^r = 85−90%), в то время как у антрацитов У^г = 3−4%. Именно большой выход летучих веществ определяет хорошую горючесть древесины.

Примерный состав некоторых видов твердого топлива представлен в табл. 1.4. Как видно из таблицы, основной горючей составляющей частью являются углерод и водород.