Презентация на тему Топливо и его использование

состав при подаче в топочное устройство для сжигания.
Технический состав

рабочей массы топлива –информация о содержании влаги Wp, зольности (минеральной части) Ар, а также летучих веществ Vp, и связанного (твёрдого) углерода Cсвp, на которые распадается горючая часть топлива при нагревании
Wр + Aр + Vр + Cсвр = 100 масс. %
Элементарный состав рабочей массы топлива
Wр + Aр + C р + H р + O р + S р + N р = 100 масс. %;

Состав соединений, входящих в минеральную часть (зольность) топлива, который определяет ее плавкость и влияет на надежность работы топочного устройства, изменяется в процессе сжигания и превращается в золу

балласта.
Горючая масса включает
горючие элементы (углерод С,

водород Н и летучую серу Sл = = Sор+к, часть Sор которой входит в состав органических веществ, а часть Sк – минеральных)
негорючие (органический балласт – кислород O и азот N).
Балласт – Влага Wр и зольность Aр

Технический
состав топлива

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.

Органическая и горючая части топлива

минеральной массы –колчеданную серу, входящую в неорганическое соединение железный

колчедан (пирит) FeS2

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.

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%

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.

сушка Выход летучих

Горение кокса
(пиролиз)

Тепло

Тепло

Газификация кокса

Тепло

О:С = 5/6  0.8
Состав горючей массы твердых топлив

– диаграмма ван Кревелена

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 горючим элементом.
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.

бурых и каменных углях доходит до 7-8% на горючую

массу топлива.
В нефти входит в состав органических соединений; при переработке большая часть переходит в мазут (0,3-3,5%).
В природных газах 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.
Коррозия низкотемпературных поверхностей нагрева из-за серного ангидрида SO3, который сильно повышает температуру конденсации водяных паров (точку росы) в продуктах сгорания топлива.
Присутствие сернистого газа SO2 в продуктах сгорания топлива, выбрасываемых в атмосферу через дымовую трубу, приводит к загрязнению окружающего воздуха (яд; кислотные дожди).

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

углефикации

к рабочей (влажной) массе топлива:
Влагосодержание M – масса влаги,

отнесенная к сухой массе топлива:

топлива при комнатной температуре.

Внутренняя (гигроскопическая или коллоидная и

гидратная) влага удаляется сушкой при 102-105 оС.

эксплуатации котельных установок часто приходится производить пересчеты состава топлива.

Причина:

влажность Wр и зольность Aр могут колебаться в широких пределах, в то время как состав горючей ( органической) массы гораздо более стабилен.

Это позволяет легко пересчитывать рабочий состав топлива на другие влажность и (или) зольность, не производя полного элементарного анализа топлива.

долях!!!)

разлагаются при t = 900 oC
Истинная зольность рабочей массы:

СaCO3 = CaO + CO2

топлива при 800 оС. Вес остатка принимается за содержание

золы (зольность) в пробе исследуемого топлива.

Зольность топлива следует отличать от его минеральной части, которая превращается в золу при прокаливании.

Часть исходных минеральных примесей при
прокаливании остаётся неизменной;
Другая часть распадается и улетучивается;
Третья – "набирает вес" за счёт окисления.

(CaSO4·2H2O), силикатами (МеSiO3·хH2O);
Разложение карбонатов с выделением

углекислоты
CaСO3 = СаO + СО2
(содержание карбонатной СО2 в гор.сланцах – до 20 %);
Реакции связывания серы
2 CaO + 2 SО2 + О2 = 2 СаSО4
2(40+16) + 2(32+2·16) + 2·16 = 2(40+32+4·16)
112 кг  272 кг
Горение железного колчедана (пирита)
2 FeS2 +5.5 O2 = Fe2O3 + 4 SO2
2(56+2·32) + 5.5·2·16 = (2·56+3·16) + 4·(32+2·16)
112 кг железа  160 кг

Оксиды железа FeО и Fe2O3
Оксиды

щелочных металлов Na2O, R2O

Тугоплавкие (1600 – 2800 оС)
Диоксид кремния (кремнекислота) SiO2
Глинозём Al2O3
Оксиды кальция CaO (известь) и магния MgО (магнезия)

При определённых соотношениях некоторые компоненты могут образовывать легкоплавкие эвтектики – соединения, температура плавления которых ниже, чем входящих в них компонентов.

(IT) = 1150 – 1490°C;
Температура размягчения T2 (ST)

= 1180 – 1525°C;
Точка начала плавления T3 (HT) = 1230 – 1650°C;
Точка растекания T4 (FT) = 1250 – 1650°C.

IT – Initial deformation Temperature;
ST – Softening Temperature;
HT – Hemisphere Temperature;
FT – Fluid Temperature.

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.

кислородом под давлением;
2 – сосуд цилиндрический, заполненный водой;

3 – мешалка;
4 – сосуд латунный с водой;
5 – электродвигатель;
6 – крышка;
7 – термометр ртутный.

Измерение (высшей) теплоты сгорания топлива по бомбе

выделяющееся при полном сгорании 1 кг твердого и жидкого

(кДж/кг) топлива или 1 нм3 газообразного топлива (кДж/м3)
за вычетом теплоты конденсациии паров воды, содержащихся 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).

дымовых газов

= 339 Cр +1025 Hр – 108.5 (Oр -

Sрор+к) – 25 Wр , кДж/кг

кДж/кг

кДж/кг

Wр
Qвг = Qнг +225 Нг
Qвс = Qнс +225 Нс

карбонатов в рабочей массе %, задаётся в составе топлива.
–

истинная зольность рабочей массы.

СaCO3 = CaO + CO2

топлива
Qнр см= b1Qнр1+(1- b1) Qнр2,
Определение теплотворной способности
бинарной смеси

топлив

b1 –массовая доля одного из топлив в смеси.

339Cр +1025Hр - 108.5(Oр – Sрор+к) – 25Wр, кДж/кг

торф, бурый уголь)
20 000 кДж/кг (сухая биомасса)
25 000-29

000 кДж/кг (высококалорийный каменный уголь)
38 000-42 000 кДж/кг (нефтепродукты).

Низшая теплота сгорания основных видов органического топлива

органических горючих материалов, на 20-40% - из металла.

стекла, керамики

Низшая теплотворная способность ТБО:
7-8 МДж/кг (выше горючих сланцев, но ниже бурых углей)

(!!!)

108Н2+126СО+239H2S+358СН4+591C2H4+860C3H6+
+ 913C3H8+1135C4H8+1187C4H10+1461C5H12+1403C6H6, кДж/м3
В среднем для природного газа Qнс 

35,6 МДж/м3.
Для влажного газа

Высшая теплота сгорания сухих горючих газов

Qвр = Qнр + r (mH2O / mтопл)
r = 2440 кДж/кг (25оС)

Qвр – r (mH2O / mтопл)
СН4 +

2О2 = СО2 + 2Н2О
r = 2440 кДж/кг (25оС)
Qвр = 55 500 кДж/кг (табл. данные)
mH2O = 2  (2  1 + 16) = 36 кг воды
mтопл = 12 + 4  1 = 16 кг метана
Qнр = 55 500 – 2440 (36/16) = 50 000 кДж/кг =
= 50 000 / ρСН4= 50 000/(МСН4/22.4)= 35714 кДж/м3