Генераторы тепла

Вследствие  содержания в метане 25% водорода (по массе) имеется большое различие между его высшей и низшей удельной теплотой сгорания. Высшая удельная теплота  сгорания метана составляет 39 820 кДж/м3, 13 200 ккал/кг и 212 860 ккал/моль; низшая - соответственно 35 880 кДж/м3, 11 957 ккал/кг и 191 820 ккал/моль

Содержание  метана в природных газах достигает 98%, поэтому его свойства практически  полностью определяют свойства природных газов.

Природные и попутные газы, состоящие в основном из метана, представляют собой не только высококалорийное топливо, но ценное сырье  для химической промышленности.

Метан обладает сравнительно низкой реакционной  способностью. Это объясняется тем, что на разрыв четырех связей С-Н  в молекуле метана требуется большая  затрата энергии. Кроме метана в  горючих газах могут содержаться  этан C2H6, пропан С3Н8, бутан С4Н10 и  др.

Углеводороды  метанового ряда имеют общую формулу  СnН2n+2, где п — углеродное число, равное 1 для метана, 2 для этана  и 3 для пропана. С увеличением  числа атомов в молекуле тяжелых  углеводородов возрастают ее плотность  и удельная теплота сгорания.

 Оксид углерода (СО)

Бесцветный  газ без запаха и вкуса, масса 1 м3 которого составляет 1,25 кг; удельная теплота сгорания 13 250 кДж/м3, 2413 ккал/кг или 67 590 ккал/моль. Увеличение содержания оксида углерода за счет снижения балласта (CO2 + N2) резко повышает удельную теплоту  сгорания и температуру горения  низкокалорийных газов. В высококалорийных газах, содержащих метан и другие углеводороды, увеличение процентного  содержания оксида углерода понижает удельную теплоту сгорания газа. При  этом образуется 2,88 м3 продуктов горения. Вследствие малого их объема на каждый кубический метр оксида углерода приходится больше теплоты, чем на 1 м3 продуктов  горения углеводородов.

 

Оксид углерода легко вступает в соединение с гемоглобином крови. При содержании в воздухе 0,04% СО примерно 30% гемоглобина  крови вступает в химическое соединение с оксидом углерода, при 0,1% СО - 50%, при 0,4%-более 80%. Оксид углерода относится  к высокотоксичным газам, и находиться в помещении, воздух которого содержит 0,2% СО, в течение одного часа вредно для организма, а при содержании 0,5% СО находиться в помещении даже в течение нескольких минут опасно для жизни.

В негорючую  часть газообразного топлива  входят азот, углекислый газ и кислород.

Азот (N2) 

Бесцветный  газ без запаха и вкуса. Плотность  азота равна 1,25 г/м3. Атомы азота  соединены между собой в молекуле тройной связью N = N , на разрыв которой  расходуется 170,2 тыс. ккал/моль теплоты.

Азот  практически не реагирует с кислородом, поэтому при расчетах процесса горения  его рассматривают как инертный газ. Содержание азота в различных  газах колеблется в значительных пределах.

Углекислый  газ (СО2)

Бесцветный  газ, тяжелый, малореакционный при низких температурах. Имеет слегка кисловатый запах и вкус. Концентрация СО2 в воздухе в пределах 4-5% приводит к сильному раздражению органов дыхания, а в пределах 10% вызывает сильное отравление.

Плотность СО2 составляет 1,98 г/м3. Углекислый газ  тяжелее воздуха в 1,53 раза, при  температуре - 20° С и давления 5,8 МПа (58 кгс/см г) он превращается в  жидкость, которую можно перевозить в стальных баллонах. При сильном  охлаждении CO2 застывает в белую  снегообразную массу. Твердый СО2, или сухой лед, широко используется для хранения скоропортящихся продуктов и в других целей.

Кислород (О2) 

Газ без  запаха, цвета и вкуса. Плотность  его составляет 1,43 г/м3. Присутствие  кислорода в газе понижает удельную теплоту сгорания и делает газ  взрывоопасным. Поэтому содержание кислорода в газе не должно быть более 1% от объема.

К вредным  примесям относятся следующие газы:

Сероводород (H2S)

Бесцветный  газ с сильным запахом, напоминающим запах тухлых яиц, обладает высокой  токсичностью. Масса 1 м3 сероводорода равна 1,54 кг.

Сероводород, воздействуя на металлы, образует сульфиды. Он оказывает сильное корродирующее  воздействие на газопроводы, особенно при одновременном присутствии  в газе H2S , Н2О и О2. При сжигании сероводород образует сернистый  газ, вредный для здоровья и оказывающий  коррозионное воздействие на металлические  поверхности. Содержание сероводорода в газе не должно превышать 2 г на 100 м3 газа.

Цианистоводородная (синильная) кислота (HCN)

Представляет  собой бесцветную легкую жидкость с  температурой кипения 26° С. Вследствие такой низкой температуры кипения HCN находится в горючих газах  в газообразном состоянии. Синильная  кислота очень ядовита, обладает корродирующим воздействием на железо, медь, олово, цинк и их сплавы. Поэтому  допускается наличие не более 5 г  цианистых соединений (в пересчете  на HCN) на каждые 100 м3 газа.

 

 

Для того чтобы своевременно обнаружить утечку, все горючие газы, направленные в  городские газопроводы, подвергают одоризации, т. е. придают им резкий специфический запах, по которому их легко обнаружить даже при незначительных концентрациях в воздухе помещений. Одоризация газов производится с помощью специальных жидкостей, обладающих сильным запахом. Наиболее часто в качестве одоранта применяют этил меркаптан. При этом запах газа должен ощущаться при концентрации его в воздухе не более 1/5 части нижнего предела взрываемости. Практически это означает, что природный газ, имеющий нижний предел взрываемости, равный 5%, должен чувствоваться в воздухе помещений при 1%-ной концентрации. Запах сжиженных газов должен ощущаться при 0,5%-ной концентрации их в объеме помещения.

 

4.ТВЕРДОЕ ТОПЛИВО И ЕГО КЛАССИФИКАЦИЯ

Происхождение топлива. Все виды твердого топлива нашей планеты своим происхождением обязаны солнечной энергии и хлорофиллу — особому веществу, содержащемуся в листьях и других зеленых частях растений, которые создают сложные органические вещества, а в дальнейшем превращаются в топливо. В своих превращениях вещество топлива последовательно проходит стадии образования торфа, бурого угля, каменного угля, антрацита.

В природе существуют различные  виды твердого топлива, отличающиеся разнообразными составом и свойствами. Твердое топливо  в основном образуется из высокоорганизованных растений — древесины, листьев, хвои и т. п. Отмершие части высокоорганизованных растений разрушаются грибками при  свободном доступе воздуха и  превращаются в торф — рыхлую, расплывчатую массу перегноя, так называемых гуминовых  кислот. Скопление торфа переходит  в бурую массу, а затем в  бурый уголь. В дальнейшем под  воздействием высокого давления и повышенной температуры бурые угли подвергаются последующим превращениям, переходя в каменные угли, а затем в антрацит.

Состав топлива. Топливо в том виде, в котором оно добыто, включает в себя органическую массу и балласт. Органической массой топлива считают ту часть, которая произошла из органических веществ: углерода, водорода, кислорода и азота; в балласт включают серу, минеральные примеси — золу и влагу топлива: 

С° + Н° + О° + N° + S0° = 100%.            (12)

Твердое и жидкое топливо состоит  из углерода С, водорода Н, органической серы S0 и горючей колчеданной серы SК, кислорода О и азота N, находящихся в виде сложных соединений. Кроме указанных элементов твердого и жидкого топлива, составляющих горючую массу топлива, в состав топлива входит еще балласт — зола А и влага W :

Б = Ар + Wр.                                                          (13)   

Летучей, или горючей, серой называется

Sл = S0 + SК.                                            (14)

Состав топлива выражают в процентах  по массе.

В топочной технике различают рабочую, сухую и горючую массы топлива. В связи с этим при буквенном  обозначении вещества, входящего  в состав топлива, вверху ставят буквы р, с, или г. Под рабочей массой топлива понимают топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю. Состав рабочей массы топлива выражают так: 

C Р + H Р + O Р + N Р + S0 Р + SК Р + A Р + W Р = 100%        (15)

Если из топлива исключить балласт, то получаем горючую массу топлива  

С Г  + Н Г + О Г + N Г + S0 Г + SК Г = 100%.         (16)

Сухая  масса  топлива  соответствует   обезвоженному  топливу и  состав ее следующий:

СС + НС + О С + N C + S0 C + SКC  + А C = 100%.           (17) 

 

Пересчет состава топлива с  одной массы на другую производят с помощью коэффициентов (табл. 7).  

 

Таблица 7. Коэффициенты пересчета состава топлива с одной массы на другую

Заданная масса  топлива	Искомая масса топлива
	рабочая	сухая	горючая
Рабочая	1	100 100-Wp	100 100-Wp-Ap
Сухая	100-Wp 100	1	100 100-Ac
Горючая	100-Wp-Ap 100	100-Aс 100	1

Углерод и водород — самые ценные части топлива. 

 

Углерод содержится в значительном количестве в топливе всех видов: древесине и торфе 50 — 58%, в бурых и каменных угля 65-80%, в тощих углях и антрацитах 90-95%, в сланцах 61 — 73% в мазуте 84—87% (цифры даны в процентах на горючую массу топлива). Чем больше углерода в топливе, тем больше топливо выделяет тепла при сгорании.

Состав рабочей массы топлива  значительно зависит от величины балласта, поэтому чаще всего приводятся данные по состав горючей массы топлива, которая более стабильна для  топлива каждого вида и месторождения.

Водород является второй важнейшей частью каждого топлива. В топливе водород частично находится в связанном с кислородом виде, составляя внутреннюю влагу топлива, вследствие чего понижается тепловая ценность топлива. Водород играет большую роль в образовании летучих веществ, выделяющихся при нагревании топлива без доступа воздуха. В состав летучих водород входит в чистом виде и в виде углеводородных и других органических соединений.

Содержание водорода в процентах  от горючей массы топлива составляет: в дровах и торфе до 6, бурых  каменных углях 3,8 — 5,8, горючих сланцах  до 9,5, в антраците 2 и в мазуте 10,6 — 11,1.

Кислород содержащийся в твердом топливе, является балластом. Не будучи теплообразующим элементом и связывая водород топлива, кислород снижает теплоту его сгорания. Содержание кислорода в органической массе топлива с его возрастом снижается с 41% для древесины до 2,2% для антрацита.

Азот также является балластной инертной составляющей твердого топлива, снижающей процентное содержание в нем горючих элементов. При сгорании топлива азот в продуктах сгорания содержится как в свободном виде, так и в виде окислов азота NОХ. Окислы азота относятся к вредным составляющим продуктов сгорания, количество которых должно быть лимитировано.

Сера содержится в твердом топливе в виде органических соединений S0 и колчедана SК, объединяемых в летучую серу SЛ. Кроме того, сера входит в состав топлива в виде сернистых солей — сульфатов (например, гипса СаSО2), не способных гореть. Сульфатную серу Sа принято относить к золе топлива.

Присутствие серы значительно снижает  теплоту сгорания топлива, особенно высококалорийного, так как при  сгорании 1 кг серы выделяется в среднем  только 2600 калорий. Высокое содержание серы приводит к сильному загрязнению  продуктов сгорания топлива сернистым  ангидридом SO2. При наличии избыточного  воздуха происходит частичное окисление SО2 до SО3 (соединяясь с Н2О, образуют Н2SО4). Н2SО4вызывает коррозию поверхности нагрева, разрушает металл котельного оборудования, попадая в атмосферу, вредно действуют на живые организмы и растительность. Содержание окислов серы в продуктах сгорания значительно повышает температуру точки росы (иногда до 140 – 150 °С), что ограничивает возможную глубину охлаждения дымовых газов по условиям коррозии и тем самым снижает экономичность котловых агрегатов, а также возможность использования дополнительного оборудования для использования теплоты дымовых газов. Поэтому сера — крайне нежелательный элемент для топлива. Сернистые газы, проникая в рабочие помещения, могут вызвать отравление обслуживающего персонала.

Зола топлива представляет собой  балластную смесь различных минеральных  веществ, остающихся после полного  сгорания всей горючей части топлива. Зола топлива влияет на качество сгорания топлива отрицательно.

Различают три разновидности золы по ее происхождению: первичная —  внутренняя, вторичная и третичная  зола. Первичная зола образуется из минеральных веществ, содержащихся в растениях. Содержание ее в топливе  незначительно и распределение  равномерно. Вторичная зола получается вследствие заноса растительных остатков землей и песком в период пластообразования. Третичная зола попадает в топливо во время его добычи, хранения или транспортировки.

Зола является нежелательным балластом  топлива, снижающим содержание в  нем других горючих элементов. Кроме  того, зола, образуя отложения на поверхностях нагрева котлоагрегата, уменьшает теплопередачу от газов к воде, пару и воздуху в его элементах. Наличие большого количества золы затрудняет эксплуатацию котлоагрегата. Если зола легкоплавкая, она налипает на поверхности нагрева котла, нарушая нормальный режим его работы (шлакование). При этом, чем больше зольность топлива, тем значительней потери от механической неполноты сгорания топлива. С увеличением количества золы в топливе повышается и потеря с физическим теплом очаговых остатков.