Назва реферату: Спалення горючих копалин
Розділ: Хімія
Завантажено з сайту: www.refsua.com
Дата розміщення: 20.07.2010
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:
1. низька вартість добування;
2. низька вартість транспорту;
3. зручність застосування;
4. можливість використання з високим коефіцієнтом корисної дії (ККД);
5. малий вміст шкідливих домішок.
Тверді і рідкі горючі копалини складаються, в основному, з вуглецю, водню, кисню, сірки, азоту, мінеральних компонентів і вологи. Газоподібне паливо характеризується складом і кількістю газів, що входять в нього (метан, етан, пропан, бутан, оксид вуглецю, водень, бензол, сірководень і інше).
Паливо характеризується декількома основними теплотехнічними показниками, головним з яких є теплота згоряння.
Процес горіння палива полягає в повному або неповному окисненні його вуглецю, водню і сірки з виділенням певної кількості тепла. Кількість тепла, що виділяється при повному згорянні 1 кг або 1 м3 палива, називають теплотою його згоряння. Кількість теплоти вимірюється в теплових одиницях калоріях. 1 кал відповідає кількості теплоти, необхідної для нагрівання 1 г дистильованої води від 19,5 до 20,5 0С при 760 мм рт. ст. Оскільки теплота є видом енергії, здатної виконувати роботу, то вона в системі СІ виражається загальною для всіх видів енергії одиницею - Джоулем (Дж), який рівний добутку сили 1 Н на шляху 1 м. 1кал=4,1868 Дж"4,19 Дж.
Вища теплота згоряння - кількість тепла, що виділяється при повному згорянні 1 кг або 1 м3 робочого палива за умови, що водень, що 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 затрачується на випаровування вологи, що міститься в паливі і що утворюється при згорянні водню:
ккал/кг=
кДж/кг,
де WP і HP дані в % по вазі.
Нижчу теплоту згоряння використовують для підрахунку потреби в паливі і його вартості, при складанні теплових балансів і визначенні ККД установок, що використовують паливо. Для зіставлення різних видів палива і підрахунку потреби в пальному введене поняття про умовне паливо. Умовне паливо характеризується нижчою теплотою згоряння, рівною 7000 ккал/кг або 29330 кДж/кг.
Визначення теплоти згоряння палива засноване на спаленні його наважки в кисні і поглинанні тепла, що виділилося водою в калориметрі. Спалення палива здійснюється в калориметричній бомбі, що являє собою циліндричну товстостінну стальну склянку місткістю біля 300 мл з стальною кришкою, що загвинчується на щільну різь.
У залежності від вигляду палива його спалюють за одним з вказаних нижче методів.
1. Торф, буре, кам'яне вугілля і інші види палива, що піддаються брикетуванню, спалюють у вигляді брикетів.
2. Паливо із зольністю понад 35 % і небрекетоване (антрацит, кам'яне вугілля, кокс і ін.) спалюють у вигляді порошку.
3. Мазут і інші важкі вуглеводні наливають безпосередньо в чашечку для спалення.
4. Легкі нафтопродукти спалюють в спеціальній чашечці з нержавіючої сталі, яка зверху заклеюється спеціально приготованою колодієвою плівкою.
5. Визначення теплоти згоряння газу проводять у самоущільненій калориметричній 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, яке створює з водою кислоту H2SO4. Крім того, азот палива згоряє в атмосфері кисню в присутності води до HNO3.
При підрахунку вищої теплоти згоряння із теплоти згоряння в бомбі Qб віднімають 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 необхідному об'ємі повітря, що не містять водяної пари
, кДж/м3.
де: Vс.г. -- кількість продуктів згорання сухих газів, м3.
Значення максимальної ентальпії сухих газів (табл. 2.23) коливається від 3352 до 4190 кДж/м3 сухих продуктів згоряння.
Максимальна ентальпія (тепломісткість) продуктів згоряння Iг - це нижча теплота згоряння, віднесена до 1 м3 продуктів повного згоряння, отриманих при спаленні палива в теоретично необхідному об'ємі повітря і що містять водяну пару:
, 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 0С
, 0С
де - об'ємна теплоємність продуктів згоряння палива в інтервалі температур від 0 до tmax, кДж/м3К.
Жаропродуктивність палива визначає ефективність його застосування у високотемпературних процесах. Розрізнюють жаропродуктівність палива, підраховану:
а)без урахування вмісту вологи в повітрі і нагріву золи палива tmax;
б)з урахуванням вмісту в повітрі 1 % вологи - ;
в)з урахуванням вмісту в повітрі 1 % вологи, а також розплавлення і нагріву мінеральних речовин в паливі до температури його горіння - .
Відмінність між величиною і tmax складає біля 30 0С.
використовують при підрахунку температури горіння сланців і високозольного вугілля.
У залежності від величини tmax паливо поділяють на дві групи: високої (tmax > 2000 0С) і зниженої жаропродуктивності (tmax < 2000 0С). До першої групи відносять збагачене паливо з малим вмістом вологи, рідке паливо і газоподібне паливо з малим вмістом азоту і двоокису вуглецю, а до другої - тверде паливо з високою вологістю або дуже високою зольністю (горючі сланці) і газоподібне паливо з високим вмістом азоту і двоокису вуглецю (доменний, повітряний, змішаний генераторний гази, гази підземної газифікації). У високотемпературних процесах використовується паливо першої групи, а в низькотемпературній області (парові і водогрійні котли, сушарки) використовується і те, і інше паливо.
Співвідношення об'ємів сухих продуктів повного згоряння в теоретично необхідній 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 2.23).
Таблиця 2.23 - Найважливі теплотехнічні характеристики палив
Паливо |
Hdaf, % |
Wp, % |
Ap, % |
|
|
Жаропродукти-вність tmax, °С |
Максимальна ентальпія Iг, кДж/м3 |
В |
Водень Природний газ Зріджений газ Бензин Гас Мазут Дрова Торф грудковий Буре вугілля: Челябінське Підмосковне Олександрійське Кам'яне вугілля: Довгополуменеве Пісне Антрацит Вуглець |
100 25 18 15 14 11 6 6 5,2 5,0 6,0 5,5 4,2 1,8 0 |
- - - - - 3 40 40 17 33 53 13 5 5 - |
- - - - - - 0,6 7,0 25,0 23,0 14,0 20,0 15,0 13,0 - |
12,8 39,8 100,6 44,0 43,2 40,6 10,2 10,7 15,8 10,5 6,9 21,5 28,3 27,7 33,9 |
11,7 35,6 92,2 44,0 43,2 40,6 10,2 10,7 15,8 10,5 6,9 20,3 27,4 27,2 33,9 |
- 2010 2080 2090 2100 1610 1630 1970 1720 1680 2050 2120 2150 |
- 4190 4190 4100 4060 4020 3350-3770 3350-3770 3850 3640 3560 3930 3890 3810 |
- 0,81 0,86 0,86 0,83 0,75 0,77 0,87 0,80 0,78 0,89 0,93 0,95 |
Теплоту згоряння палива можна визначати калориметричним методом або приблизно за емпіричними формулами. Вищу і нижчу теплоту згоряння можна визначати за формулами Д.І.Менделеєва:
, кДж/кг,
, кДж/кг,
де СР, HP, OP, SP, WP - вміст в паливі вуглецю, водню, кисню, горючої сірки і вологи, %;
339 - теплота згоряння 1 % вуглецю, кДж/кг;
1256 - теплота згоряння 1 % водню, що міститься в твердому і рідкому паливі, водяна пара, кДж/кг;
109 - теплота згоряння 1 % горючої сірки, кДж/кг;
109 - зниження теплоти згоряння палива внаслідок вмісту в ньому 1 % кисню, кДж/кг;
25 - зниження теплоти згоряння палива внаслідок витрати тепла на випаровування 1 % вологи, що міститься в паливі (WP) або що утворюється при згорянні водню (9 HP), кДж/кг.
За рубежем для підрахунку теплоти згоряння кам'яного вугілля використовують формулу Дюлонга і близькі до неї:
, кДж/кг.
Вищу і нижчу теплоту згоряння газоподібного палива, склад якого виражений в % по об'єму, підраховують виходячи з теплот згоряння горючих компонентів:
, кДж/м3,
, кДж/м3.
При підрахунку теплоти згоряння газоподібного палива зі значним вмістом в ньому неграничних вуглеводнів можлива похибка, зумовлена коливаннями в складі неграничних вуглеводнів, що визначаються спільно поглинанням бромною водою або іншими реагентами.
Для розрахунку об'ємів повітря, необхідного для згоряння палива, і продуктів згоряння необхідно мати в своєму розпорядженні дані про склад палива. При розрахунку об'єму повітря, необхідного для згоряння твердого і рідкого палива, елементний склад яких виражений в процентах по масі, і об'єму що утворюються при спаленні палива продуктів згоряння 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, підраховують за формулою:
, кг/кг,
кількість сухого повітря, необхідного для згоряння 1 кг палива складає:
, кг/кг.
Об'єм повітря, теоретично необхідного для спалення 1 кг палива, складає:
, м3/кг.
Паливо звичайно спалюють з деяким надлишком повітря з метою забезпечення повноти згоряння. Відношення об'єму повітря, що поступає з топку, до теоретично необхідної його кількості називають коефіцієнтом витрати або надлишку повітря.
Сумарний об'єм продуктів згоряння, що утворюється при повному згорянні палива в стехіометричному об'ємі повітря, складає:
, м3/кг
де , м3/кг;
, м3/кг;
, м3/кг;
, м3/кг.
Об'єми кисню, необхідного для спалення газоподібного палива і продуктів згоряння, що утворюються, підраховують на основі рівнянь горіння компонентів, що входять до складу палива.
Об'єм кисню, необхідний для спалення 1 м3 газу визначають за формулою:
, м3/м3.
Теоретичний об'єм повітря, необхідний для спалення газу, підраховують з урахуванням вмісту в повітрі 21 % кисню за об'ємом:
, м3/м3.
Сумарний об'єм вологи продуктів повного згоряння при спаленні 1 м3 газоподібного палива складає:
, м3/м3
дем3/м3
, м3/м3;
, м3/м3,
м3/м3;
де СО, СН4 і т.д. - вміст в газі оксиду вуглецю, що спалюється, метану і ін. компонентів, % об'єм.;
d - вміст вологи в газі, г/м3;
a - коефіцієнт надлишку повітря;
1,6 - коефіцієнт, що враховує наявність в повітрі 1 % вологи (0,016 м3 на 1 м3 сухого повітря).
Продукти повного згоряння палива при спаленні 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 згоряння, тобто Н2О в твердому і N2 і СО2 в газоподібному паливі.
Таблиця 2.24 Основні характеристики реакцій горіння і границі запалення деяких газів
Газ |
Формули реакцій з киснем |
Теплота згоряння, МДж/м3 |
Витрата повітря для спалювання, м3/м3 |
Температура запалення, °С | |
Вища |
Нища | ||||
Водень Оксид вуглецю Метан Етан Пропан Бутан Пентан Етилен Пропилен Бутилен Пєнтилен Ацетилен |
Н2+0,5О2=Н2О СО+0,5О2=СО2 СН4+2О2=СО2+2Н2О С2Н4+3,5О2=2СО2+3Н2О С3Н8+5О2=3СО2+4Н2О С4Н10+6,5О2=4СО2+5Н2О С5Н12+8О2=5СО2+6Н2О С2Н4+3О2=2СО2+2Н2О С3Н6+4,5О2=3СО2+3Н2О С4Н8+6,0О2=4СО2+4Н2О С5Н10+7,5О2=5СО2+5Н2О С2Н2+2,5О2=2СО2+Н2О |
12,8 12,6 38,82 70,3 101,2 133,8 169,3 63,0 91,7 121,4 150,7 58,0 |
11,7 12,0 35,9 64,4 93,2 123,6 156,6 59,1 86,0 113,5 140,9 58,0 |
2,38 2,38 9,52 16,66 23,80 30,94 38,08 14,28 21,42 28,56 35,70 11,90 |
410 610 545 530 504 430 284 510 455 440 298 335 |
ЛІТЕРАТУРA
1. Саранчук В.И., Айруни А.Т., Ковалев К.Е. Надмолекулярная организация, структура и свойства углей.- К.: Наукова думка.
2. Саранчук В.И., Бутузова Л.Ф., Минкова В.Н. Термохимическая деструкция бурых углей.- К.: Наукова думка, 1984.
3. Нестеренко Л.Л., Бирюков Ю.В., Лебедев В.А. Основы химии и физики горючих ископаемых.- К.: Вища шк., 1987.-359с.
4. Бухаркина Т.В., Дигуров Н.Г. Химия природных энергоносителей и углеродных материалов.-Москва, РХТУ им. Д.И. Менделеева,-1999.-195с.
5. Агроскин А. А., Глейбман В. Б. Теплофизика твердого топлива.-- М. Недра 1980.-- 256 с.
6. Глущенко И. М. Теоретические основы технологии твердых горючих ископаемых.-- К. : Вища шк. Головное изд-во, 1980.-- 255 с.
7. Еремин И. В., Лебедев В. В., Цикарев Д. А. Петрография и физические свойства углей. -- М. : Недра, 1980. -- 266 с.
8. Касаточкин В. И., Ларина Н. К. Строение и свойства природных углей.-- М : Недра, 1975.-- 159 с.
9. Раковский В. Е., Пигулееская Л. В. Химия и генезис торфа.--М. : Недра, 1978.--231 с.
10. Саранчук В. И. Окисление и самовозгорание угля.-- К. : Наук. думка, 1982.-- 166 с.
11. Стрептихеев А. А., Деревицкая В. А. Основы химии высокомолекулярных соединений.-- 3-е изд., перераб. и доп.-- М. : Химия, 1976.-- 436 с.