22. спалення горючих копалин

Горючі копалини, що спалюються для виробництва тепла, називають паливом. У промисловості використовують тверде, рідке і газоподібне паливо.

Паливо повинно відповідати наступним вимогам:

-           низька вартість видобування;

-           низька вартість транспортування;

-           зручність застосування;

-           можливість використання з високим коефіцієнтом корисної дії (ККД);

-           малий вміст шкідливих домішок.

Тверді і рідкі горючі копалини складаються, в основному, з вуглецю, водню, кисню, сірки, азоту, мінеральних компонентів і вологи. Газоподібне паливо характери- зується складом і кількістю газів, що входять в нього (метан, етан, пропан, бутан, оксид вуглецю, водень, бензол, сірководень та ін.).

Паливо характеризується кількома основними теплотехнічними показниками, головним з яких є теплота згоряння.

Процес горіння палива полягає в повному або неповному окисненні його вуг- лецю, водню і сірки з виділенням певної кількості тепла. Кількість тепла, що виділя- ється при повному згорянні 1 кг або 1 м3 палива, називають теплотою його згоряння. Кількість теплоти вимірюється в теплових одиницях – калоріях. 1 кал відповідає кіль- кості теплоти, необхідної для нагрівання 1 г дистильованої води від 19,5 до 20,5°С при

Вища теплота згоряння – кількість тепла, що виділяється при повному згорянні

1 кг або 1 м3  робочого палива за умови, що водень, який міститься в ньому, згоряє з

утворенням води.

Нижча теплота згоряння – кількість тепла, що виділяється 1 кг або 1м3 робочого палива, з урахуванням згоряння водню у водяну пару і випаровування вологи палива.

Нижча теплота згоряння відрізняється від вищої на кількість тепла, що затр а-

9H P

ккал/кг

25 W P

9H P

кДж / кг,

де WP і HP дані в \% за вагою.

Нижчу теплоту згоряння використовують для підрахунку потреби в паливі і його вартості, при складанні теплових балансів і визначенні ККД установок, що вико- ристовують паливо. Для порівняння різних видів палива і підрахунку потреби в паль- ному введене поняття про умовне паливо та нафтовий еквівалент. Умовне паливо ха- рактеризується нижчою теплотою згоряння, рівною 7 000 ккал/кг або 29,33 МДж/кг, нафтовий еквівалент – 10 000 ккал/кг або 41,90 МДж/кг.

Визначення теплоти згоряння палива засноване на спаленні його наважки в ки-

сні і поглинанні тепла, що виділилося, водою в калориметрі. Спалення здійснюється в

калориметричній бомбі, що являє собою циліндричну товстостінну стальну склянку місткістю близько 300 мл з стальною кришкою, що загвинчується на щільну нарізь.

У залежності від виду палива, при випробуванні його спалюють за одним з вка- заних нижче методів.

Торф, буре, кам'яне вугілля і інші види палива, що піддаються брикетуванню,

спалюють у вигляді брикетів.

Паливо із зольністю понад 35\% і небрикетоване (антрацит, кам'яне вугілля, кокс і ін.) спалюють у вигляді порошку.

Мазут і інші важкі вуглеводні наливають безпосередньо в чашечку для спалю-

вання.

Легкі нафтопродукти спалюють в спеціальній чашечці з нержавіючої сталі, яка

зверху заклеюється спеціально приготованою колодієвою плівкою.

Визначення теплоти згоряння газу проводять у самоущільненій калориметрич- ній бомбі, в якій 300 мл газу змішують з шестикратним об'ємом кисню і спалюють при тиску 0,8 МПа.

При спаленні палива в калориметричній бомбі в атмосфері кисню під тиском

відбувається окиснення сірки не в SO2, як це має місце при спаленні на повітрі, а в SO3, що утворює з водою кислоту H2SO4. Крім того, азот палива згоряє в атмосфері кисню в присутності води до HNO3.

При підрахунку вищої теплоти згоряння QРВ із теплоти згоряння в бомбі Qб від- німають теплоту утворення сірчаної і азотної кислот.

Теплотехнічні властивості палива характеризуються також такими параметрами

як максимальна ентальпія (тепломісткість) продуктів згоряння і жаропродуктивність.

Максимальна ентальпія Iс.г сухих газів – це нижча теплота згоряння, віднесена до 1 м3 продуктів, повного згоряння, отриманих при спаленні палива в теоретично не- обхідному об'ємі повітря, що не містять водяної пари:

P

I с.г

QH

Vс.г.

, кДж / м3 ,

де Vс.г. – кількість продуктів згоряння сухих газів, м3.

Значення  максимальної  ентальпії  сухих  газів  (табл.  2.33)  коливається  від

3 352 до 4 190 кДж/м3 сухих продуктів згоряння.

Максимальна ентальпія (тепломісткість) продуктів згоряння Iг  – це нижча теп- лота згоряння, віднесена до 1 м3 продуктів повного згоряння, отриманих при спаленні палива в теоретично необхідному об'ємі повітря, які містять водяну пару:

Q р

I                       н г       V

г    , кДж/м3 ,

де: Vг. – кількість продуктів згорання вологих газів, м3.

Жаропродуктивність (tmax) – це максимальна температура, що розвивається при повному згорянні палива в теоретично необхідному об'ємі повітря при температурі палива і повітря, рівній 0°С

tm ax

P H

I г

cm ax

,0 С

0 до tmax, кДж/м3.

Жаропродуктивність палива визначає ефективність його застосування у висо- котемпературних процесах. Розрізнюють жаропродуктівність палива, підраховану:

а) без урахування вмісту вологи в повітрі і нагрівання золи палива - tmax;

б) з урахуванням вмісту в повітрі 1\% вологи –t'max;

в) з урахуванням вмісту в повітрі 1\% вологи, а також розплавлення і нагріву мі-

неральних речовин в паливі до температури його горіння –t''max.

Відмінність між величиною t'max  і tmax  складає близько 30 0С. t''max  використову- ють при підрахунку температури горіння сланців і високозольного вугілля.

У залежності від величини tmax  паливо поділяють на дві групи: високої (tmax  >

2 000°С) і зниженої жаропродуктивності (tmax < 2 000°С). До першої групи відносять зба- гачене паливо з малим вмістом вологи, рідке паливо і газоподібне паливо з малим вміс- том азоту і діоксиду вуглецю, а до другої – тверде паливо з високою вологістю або ду- же високою зольністю (горючі сланці) і газоподібне паливо з високим вмістом азоту і діоксиду вуглецю (доменний, повітряний, змішаний генераторний гази, гази підземної газифікації). У високотемпературних процесах використовується паливо першої групи, а в низькотемпературних (парові і водогрійні котли, сушарки) – паливо обох груп.

Співвідношення об'ємів сухих продуктів повного згоряння в теоретично необ- хідній кількості повітря і вологих продуктів (що містять водяну пару), що утворюється внаслідок згоряння водню і випаровування вологи, позначають буквою В. Величину В використовують в підрахунках тепла продуктів згоряння і втрат тепла з витікаючими газами. Значення В меншає із збільшенням вмісту в паливі водню і вологи (таблиця

2.31). Теплоту згоряння палива можна визначати калориметричним методом або приб- лизно за емпіричними формулами. Вищу і нижчу теплоту згоряння можна визначати за формулами Д.І.Менделеєва:

1256 H P

109 O P P

S P   , кДж/кг,

QН      339  C

1256  H

109 O S

25 W

9H       , кДж/кг,

за масою; 339 – теплота згоряння 1\% вуглецю, кДж/кг; 1 256 – теплота згоряння 1\% во-

1444 H P         OP

105  S P

, кДж/кг.

Таблиця 2.33 – Найважливіші теплотехнічні характеристики палив

H

398

699,2

C 2 H 6

C3 H 8

1285,3

C4 H 10

1578,4

C5 H 12

255,4

H 2 S

107,6   H 2

398

CH 4

590,3

C 2 H 4

636,4

C 2 H 6

C3 H 8

1184,9

C4 H 10

1461,2

C5 H 12

234,4

H 2 S

ньому неграничних вуглеводнів можлива похибка, зумовлена коливаннями в складі неграничних вуглеводнів, що визначаються спільно поглинанням бромною водою або іншими реагентами. За рубежем для підрахунку теплоти згоряння кам'яного вугілля використовують формулу Дюлонга і близькі до неї.

Для розрахунку об'ємів повітря, необхідного для згоряння палива, і продуктів

згоряння необхідно мати в своєму розпорядженні дані про склад палива. При розраху- нку об'єму повітря, необхідного для згоряння твердого і рідкого палива, елементний склад яких виражений в процентах за масою, і об'єму продуктів згоряння, що утворю- ються при спаленні палива, користуються рівняннями горіння вуглецю, сірки і водню, тобто горючих компонентів палива:

С + О2 = СО2,

12 кг 32 кг 44 кг

S + О2 = SО2,

32кг 32 кг 64 кг

Н2 + О = Н2О.

2кг 16кг 18 кг

Кількість кисню повітря, яка необхідна для повного згоряння 1 кг палива, під-

2

P          P          OP  , кг / кг ,

L          1 V 0  , кг / кг .

0          23  O2

Об'єм повітря, теоретично необхідного для спалення 1 кг палива, складає:

O2       1 V 0  , м3  / кг .

П         1,293

1,293  23

30   O2

Паливо звичайно спалюють з деяким надлишком повітря з метою забезпечення

повноти згоряння. Відношення об'єму повітря, що надходить у топку, до теоретично необхідної кількості називають коефіцієнтом витрати або надлишку повітря.

Сумарний об'єм продуктів згоряння, що утворюються при повному згорянні палива в стехіометричному об'ємі повітря, складає:

VSO

VH  O

V   , м

/ кг ;

CO2

22,41 , м3  / кг;

44

SO2

22,41 , м3  / кг;

64

H 2O

W P    22,41 , м3 / кг;

2

C P     22,41 , м3 / кг.

Об'єми кисню, необхідного для спалення газоподібного палива і продуктів зго-

Об'єм кисню, необхідний для спалення 1 м3 газу, визначають за формулою:

2

0,5СО

0,5Н 2

2СН 4

3,5С2 Н 6

5С3 Н8

6,5С4 Н10

8С5 Н12

3С2 Н 4

4,5С3 Н 6

1,5H 2 S   O2

хуванням вмісту в повітрі 21\% кисню за об'ємом:

0          100      0

3 /        3 .

VB       VO

21        2

4 76V м          м

Сумарний об'єм продуктів повного згоряння при спаленні 1 м3 газоподібного палива складає:

VSO

VH  O

V   , м3 / м3 ,

2

0          0,01N  , м3  / м3 ;

0,01(Н 2

2СН 4

3С2 Н 6

4С3 Н 6

5С4 Н10 

3С3 Н 6

Н 2 S

0,125d

1,6

V 0 , м3 / м3 ,

об'єм.;

d – вміст вологи в газі, г/м3;

1,6   –  коефіцієнт,  що  враховує  наявність  в  повітрі  1\%  вологи  (0,016 м3 на

1 м3  сухого повітря).

Основні характеристики горіння і межі займання деяких горючих газів наведе-

ні в табл. 2.34.

Продукти  повного  згоряння  палива  при  спалюванні  його  в  стехіометричному об'ємі повітря складаються з СО2, SO2, H2O і N2. Співвідношення між ними залежить від складу горючої маси палива і вмісту в ньому баласту, який переходить в продукти зго- ряння, тобто Н2О і N2 і СО2 в газоподібному паливі.