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

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

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.