🗊Презентация Состав и характеристики топлива

Основу органической части (массы) топлива составляют углерод С, водород Н и кислород О Основу органической части (массы) топлива составляют углерод С, водород Н и кислород О Кроме того, органическая масса топлива в небольших количествах содержит органическую серу Sор и азот N В минеральную часть топлива входит колчеданная сера Sк (в составе железного колчедана или пирита FeS2), которая также принимает участие в процессе горения. Вещества С, Н, О, Sор+к , N составляют горючую массу топлива. Различие между органической и горючей частями большинства топлив обычно мало (Sк ). Суммарное количество органической и колчеданной серы иногда называется летучей серой: Sл = Sор+к.

Горючая масса  Органическая масса

Основным элементом горючей части всех топлив является углерод С, горение которого обусловливает выделение основного количества тепла (в древесине Сг  50 масс.%). Основным элементом горючей части всех топлив является углерод С, горение которого обусловливает выделение основного количества тепла (в древесине Сг  50 масс.%). Однако чем больше углерода в топливе, тем труднее оно воспламеняется (ниже реакционная способность); антрацит – самый калорийный, но и самый низкореакционный уголь. Содержание водорода Н в горючей массе твердых и жидких топлив колеблется от 2 до 10 % масс. Больше – в мазуте и горючих сланцах, особенно много в природном газе, меньше всего в антраците. При сгорании водород выделяет на единицу веса примерно в 4,4 раза больше тепла, чем углерод.

Рабочая, сухая, горючая и органическая массы топлива Рабочая масса (as fired, as delivered) Cр + Hр + Oр + Nр + Sор+кр+ Aр + Wр =100% Сухая масса (dry basis, d.b.) Cс + Hс + Oс + Nс + Sор+кс + Aс = 100% Горючая масса (dry ash-free basis, d.a.f.) Cг + Hг + Oг + Nг + Sор+к г =100% Органическая масса ( горючей массе) Cо + Hо + Oо + Nо + Sоро =100%

Летучие вещества и связанный углерод (коксовый остаток) Одной из основных особенностей поведения твердых топлив при нагревании является термическое разложение их органической массы на газообразные летучие вещества и твердый коксовый остаток (связанный углерод Ссв, зола, следы О и Н). Летучие продукты состоят из неконденсирующихся газов (СО, Н2, СН4, СО2, включая пиролитическую влагу Н2О) и конденсирующихся высокомолекулярных смол (СxНyОz) Чем меньше степень углефикации топлива, тем больше оно содержит термически неустойчивых соединений и тем больше выделяет летучих: биомасса > гор.сланцы > торф > б.угли >к.угли > антрацит Выше выход летучих – выше реакционная способность, ниже теплотворная способность.

Стадии термохимической конверсии частицы твердого топлива

Состав горючей массы твердых топлив (диаграмма ван Кревелена)

Состав горючей массы – теплота сгорания

Выход летучих веществ

Органический балласт топлива Кислород О и азот N в топливе являются органическим балластом: наличие их в топливе уменьшает содержание горючих элементов - углерода и водорода. Особенно велико содержание кислорода в древесине (Ог = 42%) и торфе. Топливный азот N является основным источником токсичных оксидов NOx при сжигании биомассы и низкотемпературном сжигании ископаемого топлива, т.е. он может частично или полностью окисляться и в принципе должен относиться к горючим элементам. При оценке экологических аспектов процесса горения образование NOx является одной из основных задач. Однако при расчетах теплового и материального балансов котла горением азота пренебрегают в связи с его малым содержанием, а также малыми объёмами NOx.

Сера В твердых топливах её обычно немного, но в некоторых бурых и каменных углях – до 7-8% на горючую массу топлива. В нефти S входит в состав органических соединений; при переработке большая часть переходит в мазут (0,3-3,5%). В природных газах S практически отсутствует, в попутных газах некоторых нефтяных месторождений содержится немного серы в виде сероводорода H2S и сернистого газа SO2. При горении серы тепла выделяется примерно в 3.5 раза меньше, чем при горении углерода. S – причина коррозии низкотемпературных поверхностей нагрева из-за серного ангидрида SO3, который сильно повышает температуру конденсации водяных паров (точку росы) в продуктах сгорания топлива и, растворяясь в конденсате, образует H2SO4. Присутствие сернистого газа SO2 в продуктах сгорания топлива, выбрасываемых в атмосферу через дымовую трубу, приводит к загрязнению окружающего воздуха (яд; кислотные дожди).

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ РЕАКЦИИ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА С + О2 = СО2 полное сгорание углерода 2С + О2 = 2СО неполное сгорание углерода 2Н2 + О2 = 2Н2О горение водорода S + O2 = SO2 горение органической серы 2FeS2 +5.5 O2 = Fe2O3 + 4 SO2 горение колчеданной серы

Элементарный состав горючей массы гумолитов по стадиям углефикации

Элементарный состав некоторых углей

Маркировка каменных углей

Состав альтернативных местных топлив

Влажность твердых топлив

Внешняя и внутренняя влага

Пересчет состава топлива на другую массу

Примеры пересчета

Коэффициенты пересчета (ap =Аp/100, wp=Wp/100 – в массовых долях !!!)

Горючие сланцы: особенности пересчёта

Зольность твердых топлив

Трансформации минеральной части

Зольность твердых топлив

Компоненты золы

Плавкость золы древесного топлива

Плавкостные характеристики древесной золы

Теплота сгорания (теплотворная способность) топлива Высшая теплота сгорания количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг твердого и жидкого топлива (кДж/кг) или 1 нм3 газообразного топлива (кДж/м3) и охлаждении образовавшихся продуктов сгорания до 25оС, т.е. с конденсацией содержащихся в них паров воды и выделением скрытой теплоты конденсации r = 2,44 МДж/кг. Qвр определяется экспериментально в т.н. калориметрической бомбе с введением расчетных поправок на образование и растворение в воде серной и азотной кислот.

Измерение (высшей) теплоты сгорания топлива по бомбе

Низшая теплота сгорания Qнр – количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг твердого и жидкого (кДж/кг) топлива или 1 нм3 газообразного топлива (кДж/м3), и Низшая теплота сгорания Qнр – количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг твердого и жидкого (кДж/кг) топлива или 1 нм3 газообразного топлива (кДж/м3), и не включающее теплоту конденсациии паров воды, которые содержатся в продуктах сгорания. Продукты сгорания (дымовые газы), как правило, выходят из котельных агрегатов при температуре, превышающей температуру конденсации паров воды (точку росы), поэтому в тепловых расчетах энергетических устройств используется Qнр . скрытая теплота конденсации r может частично утилизироваться путем конденсации водяных паров в специальных теплообменниках (проблемы – низкий тепловой потенциал, коррозия).

Утилизация скрытой теплоты конденсации водяного пара в составе дымовых газов

Формула Менделеева для расчёта Qнр твердого и жидкого топлива по элементному составу (масс. %) Qнр = 339 Cр +1025 Hр – 108.5 (Oр - Sрор+к) – 25 Wр , кДж/кг

Влияние влажности на низшую теплотворную способность древесины

Пересчет теплоты сгорания при изменении влажности топлива Пересчет теплоты сгорания при изменении влажности топлива

Формулы пересчета высшей теплоты сгорания Qвр = Qнр +225 Hр+25 Wр Qвг = Qнг +225 Нг Qвс = Qнс +225 Нс

Горючие сланцы: учёт теплоты разложения карбонатов

6 200 – 7 500 кДж/кг (горючие сланцы, влажные биомасса, торф, бурый уголь) 6 200 – 7 500 кДж/кг (горючие сланцы, влажные биомасса, торф, бурый уголь) 20 000 кДж/кг (сухая биомасса) 25 000 – 29 000 кДж/кг (каменные угли) 38 000 – 42 000 кДж/кг (нефтепродукты).

Твёрдые бытовые отходы (ТБО) На 40-50% состоят из органических горючих материалов, на 20-40% - из металла. стекла, керамики Низшая теплотворная способность ТБО влажностью 40 – 60 % составляет 7– 8 МДж/кг (выше горючих сланцев, но ниже бурых углей)

Углеродсодержащие отходы

Газообразное топливо – состав задаётся в объёмных % (!!!)

Низшая теплота сгорания сухих горючих газов Qнс = 108Н2+126СО+239H2S+358СН4+591C2H4+860C3H6+ + 913C3H8+1135C4H8+1187C4H10+1461C5H12+1403C6H6, кДж/м3

Пример: низшая теплота сгорания метана Qвс = 55 500 кДж/кг (табл. данные) Qнс = Qвр – r (mH2O / mтопл) СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О r = 2440 кДж/кг (25оС) mH2O = 2  (2  1 + 16) = 36 кг воды mтопл = 12 + 4  1 = 16 кг метана Qнс = 55 500 – 2440 (36/16) = 50 000 кДж/кг = = 50 000 * ρСН4= 50 000*(МСН4/22.4)= 35714 кДж/м3

Условное топливо и нефтяной эквивалент Условное топливо (у.т.; coal equivalent) имеет теплоту сгорания Qнр = 29300 кДж/кг у.т. = 7000 ккал/кг у.т. = 7 Гкал/т у.т. Нефтяной эквивалент (н.э.; оil еquivalent) Qнр = 41870 кДж/кг = 10000 ккал/кг = 10 Гкал/т н.э.