Презентация "Топливо и его использование" – проект, доклад

Белорусский национальный технический университет

Топливо и его использование

Лекция 2. Состав и характеристики топлива

Состав твердого топлива

Рабочая масса топлива – это его 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

Рабочая масса состоит из горючей массы и 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

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.

Органическая и горючая части топлива

Горючая масса  Органическая масса

Горючая масса содержит часть минеральной массы –колчеданную серу, входящую в неорганическое соединение железный колчедан (пирит) FeS2

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 и горючая 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

Нагревание и сушка Выход летучих Горение кокса (пиролиз)

Тепло

Газификация кокса

Целлюлоза: (С6Н10О5)n Н:С = 10/6  1.7 О:С = 5/6  0.8

Состав горючей массы твердых топлив – диаграмма ван Кревелена

Состав и продукты термического разложения топлива

Выход летучих веществ

Температура начала выхода летучих

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 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.

Сера

В твердых топливах обычно немного, но в некоторых 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).

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

Влажность Wр – масса влаги, отнесенная к рабочей (влажной) массе топлива:

Влагосодержание M – масса влаги, отнесенная к сухой массе топлива:

Внешняя (поверхностная и капиллярная) влага удаляется путем сушки топлива при комнатной температуре. Внутренняя (гигроскопическая или коллоидная и гидратная) влага удаляется сушкой при 102-105 оС.

Внешняя и внутренняя влага

Пересчет состава топлива на другую массу

При проектировании и 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.

Рабочая = 100% Сухая = 100% Горючая = 100%

Примеры пересчета

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

Горючие сланцы: особенности пересчёта

– известное содержание углекислоты карбонатов, %, которые разлагаются при t = 900 oC

Истинная зольность рабочей массы:

СaCO3 = CaO + CO2

Зольность твердых топлив

Золой топлива называется остаток при прокаливании 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.

Трансформации минеральной части

Потери кристаллизационной влаги гипсом (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

Компоненты золы

Легкоплавкие (800 – 1000 оС) 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.

Плавкость золы древесного топлива

Исходный образец (конус) Начало деформации T1 (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.

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.

1 – калориметрическая бомба с навеской топлива, заполненная 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

Низшая теплота сгорания Qнр – количество тепла, 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).

Утилизация скрытой теплоты конденсации водяного пара с составе дымовых газов

Формула Менделеева длярасчёта Qнр твердого и жидкого топлива

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

кДж/кг

Формулы пересчета теплоты сгорания

Qвр = Qнр +225 Hр+25 Wр Qвг = Qнг +225 Нг Qвс = Qнс +225 Нс

Горючие сланцы: учёт теплоты разложения карбонатов

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

– истинная зольность рабочей массы.

Пересчет теплоты сгорания при изменении влажности топлива

Qнр см= b1Qнр1+(1- b1) Qнр2,

Определение теплотворной способности бинарной смеси топлив

b1 –массовая доля одного из топлив в смеси.

Влияние влажности на низшую теплотворную способность древесины

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

6 200-7 500 кДж/кг (многозольные сланцы, высоковлажные биомасса, 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

Городской мусор (ТБО)

На 40-50% состоит из 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)

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

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)

Пример: низшая теплота сгорания метана

Qнр = 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

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.