Основные характеристики твердого топлива

Угли даже одного месторождения сильно различаются друг от друга по своим свойствам; от этих свойств зависит конструкция топки котла, в которой происходит сжигание топлива и конструкция всего котла.

Для того, чтобы оценить свойства топлива, нужно знать его элементарный состав.

Топливо, которое поступает в топку котла для сжигания, называют рабочим топливом. Рабочее топливо состоит из следующих элементов:

С^Р +Н^Р +N^P +O^P +S^P +A^P +W^P =100 %,

где, С^Р – углерод, Н^Р – водород, N^P – азот, O^P – кислород, S^P – сера,
A^P – зола, W^P – влага.

С^Р + Н^Р + N^P + O^P – образуют основную, т. е. органическую массу топлива.

S^P, A^P, W^P – нежелательные примеси.

Горючими элементами в топливе являются С, Н и отчасти S. От содержания С и Н, главным образом, и зависит количество тепла, выделяющегося при сгорании 1 кг топлива.

W^P – определяет общую влажность топлива; она делится на устойчивую (гигроскопическую) и неустойчивую. Неустойчивая влажность – это влажность, которая теряется топливом при естественной сушке на воздухе; остающаяся при этом в топливе вода определяет его устойчивую влажность. Общая влажность в топливе достигает иногда 60 %. Для рационального сжигания топлива с большой влажностью применяют топки специальных конструкций.

Количество влаги в топливе зависит в сильной степени от условий хранения; поэтому часто состав «сухой массы» топлива также задают в процентах. В этом случае около названия каждого элемента ставят букву «с».

С^С +Н^С +N^С +O^С +S^С +A^С =100 %.

Если известен рабочий состав, то нетрудно определить и состав сухой массы топлива для каждого элемента. Например, для углерода

Минеральные негорючие примеси в топливе (глинозем, известь и др.) образуют при горении золу, причем спекшиеся куски ее называют шлаком. Свойство золы плавиться, т. е. переходить в жидкое состояние при той или иной температуре, составляет важнейшую характеристику топлива, и с этим свойством считаются при проектировании топок котлов. В зависимости от температуры плавления золы определяют и тепловой режим в топке при горении топлива.

Часто задают состав топлива без учета золы и влаги. Условно этот состав называют горючей массой, хотя входящие в этот состав О и N не являются горючими элементами. Состав горючей массы топлива можно записать так:

.

Влага и зола нежелательны в топливе и составляют его балласт, к балласту относят также серу; большая часть серы топлива не участвует в горении. Образующийся при горении остальной части серы сернистый газ SO₂ вреден для здоровья людей, для металла котла и зеленых насаждений.

Содержание углерода на горючую массу составляет в различных твердых топливах 50–95 %, водорода 1–6 %, серы 0–8 %.

Если нагревать топливо без доступа воздуха, то из него выделяются газы и пары; они называются летучими составными частями топлива; после их выделения остается твердое вещество – кокс. Количество летучих определяют (без водяного пара) в процентах от веса на горючую массу и обозначают . Количество летучих имеет существенное значение при проектировании топочных устройств, и служит поэтому важной характеристикой топлива.

Если топливо дает плотный спекающийся кокс, оно называется коксующимся топливом. Кокс требуется для выплавки чугуна, и потому это топливо предоставляется только коксовым заводам для получения из них кокса. Электростанциям для сжигания в котлах выделяется топливо, которое в других предприятиях или технологических процессах не может быть использовано. Такое топливо называется энергетическим топливом. В большом числе это низкосортное топливо.

Важнейшей характеристикой топлива служит его теплота сгорания или теплотворная способность топлива, под которой понимают количество тепла, которое выделяет один килограмм топлива при полном сгорании, т. е. при таком сгорании, при котором в продуктах сгорания не остается горючих элементов. Это тепло усваивается продуктами сгорания и в дальнейшем используется при их охлаждении.

При сгорании топлива содержащаяся в нем вода переходит в водяной пар, на что тратится часть тепла, выделившегося при горении топлива. В зависимости от того, в каком состоянии – жидком или газообразном находится вода в продуктах сгорания после их охлаждения, различают теплоту сгорания высшую и низшую. Если продукты сгорания охлаждены до столь низкой температуры, что водяной пар превращается в жидкость и при этом освобождает скрытую теплоту парообразования, то выделившееся в результате горения количество тепла составляет высшую теплоту сгорания топлива. Если же продукты горения топлива после охлаждения имеют в своем составе водяной пар и вследствие этого его скрытая теплота парообразования оказалась не использованной, то выделившееся в результате горения тепло называют низшей теплотой сгорания топлива.

В котельных установках газы покидают котел при таких температурах, при которых водяной пар, находящийся в них, не конденсируется, а потому с ним уходит тепло, пошедшее на образование пара; таким образом, при горении топлива в котельных установках мы можем использовать лишь его низшую теплоту сгорания. Для рабочего топлива его обозначают .

Работу отдельных агрегатов или тепловых станций часто оценивают расходом топлива на единицу продукции агрегата или станции, например, для характеристики котла указывают расход топлива на производство 1 т пара, для работы станции – расход топлива на 1 кВт · ч – г / (кВт · ч). Однако такие показатели не могут быть использованы для сравнения между собой работы агрегатов и станций, если теплота сгорания потребляемых ими топлив разная. Для возможности такого сравнения вводится понятие условного топлива, под которым понимают топливо с теплотой сгорания 29308 кДж/кг (7000 ккал/кг), и все показатели выражают расходом такого условного топлива на единицу продукции.

Расход условного топлива по известному расходу действительного топлива и его теплоте сгорания можно получить по формуле

,

где - расход действительного топлива.

Горение топлив

При горении топлива получаются продукты горения – газовая смесь, в основном состоящая из углекислого газа СО₂, азота N₂, кислорода О₂ и водяного пара.

Углерод С, соединяясь с кислородом О₂ дает углекислый газ СО₂

С + О₂ = СО_2.

Горение по этой формуле называется полным горением. При неполном сгорании углерода получается не СО₂, а СО – окись углерода

2С + О₂ = 2СО.

Горение серы: S + O₂ = SO_2.

Горение водорода: 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О.

По составу газов можно судить о том, насколько правильно идет процесс горения топлива в топке парового котла, и, следовательно, установить, не происходит ли пережога топлива.

Для определения состава газа существуют приборы – газоанализаторы.

Горение топлива в котле сложный химический процесс, который требуется правильно организовать. Прежде всего, необходимо подвести потребное количество воздуха.

На основании формул горения можно подсчитать количество воздуха, необходимое для того, чтобы произошло горение углерода, водорода и серы, находящихся в топливе. Подсчитанное количество называют теоретически необходимым количеством воздуха, введенного в топку и обозначают V₀, м³/кг.

Если в топку ввести теоретически необходимое количество воздуха, то трудно будет обеспечить полное соединение его кислорода с горючими составными частями топлива, так как невозможно равномерно перемешать топливо и воздух. Поэтому произойдет неполное сгорание углерода. В продуктах горения мы обнаружим СО и часть О₂, не использованного при горении. Чтобы избежать неполного сгорания, в топку приходится вводить воздух с некоторым избытком; такое количество воздуха называют действительным количеством воздуха и обозначают V_д.

Если разделить действительное количество воздуха на теоретически необходимое, получим так называемый коэффициент избытка воздуха – очень важную величину, характеризующую процесс горения топлива.

.