Теплота згорання палива

 

 

                                                      Вступ 
Вся історія розвитку людства пов'язана із здобуттям і використанням енергії. З прадавніх часів люди навчилися використовувати різні види палива для обігріву житла і приготування їжі. У пізніші періоди теплову енергію використовували для виготовлення з міді, бронзи, заліза і інших металів побуту, інструментів, зброї і таке інше.                                                                
Формулювання "паливо" включає всі речовини, які дають при спалюванні велику кількість теплоти. Найбільш поширені в природі і   добуваються промисловим способом такі види палива, як нафта і нафтопродукти (газ, бензин, мазут, дизельне паливо), вугілля, природний горючий газ, деревина і рослинні відходи (солома, лушпиння і тому подібне), торф, горючі сланці, а в даний час і речовини, використовувані в ядерних реакторах на АЕС і ракетних двигунах. Звичайне класифікують паливо по його агрегатному стану:тверде (вугілля, торф, деревина, сланці), рідке (нафта і нафтопродукти) і газоподібне (природний газ). Також можна розділити види палива і по його походженню: рослинне, мінеральне і продукти промислової переробки. 
Залежно від характеру використання паливо умовно підрозділяють на енергетичне (для здобуття теплової і електричній енергії) і технологічне (для використання в плавильних, обпалювальних та інших печах, а також як сировина для хімічної промисловості). Це робить дослідження складу та основних характеристик палива дуже актуальними.

 

 

 

 

 

 

Теплота згорання палива. Умовне паливо.

Теплота згорання — це кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні масової (для твердих і рідких речовин) або об’ємної (для газоподібних) одиниці речовини. Виміряється в джоулях або калоріях. Теплота згорання, віднесена до одиниці маси або обсягу палива, називається питомою теплотою згоряння (дж або кал на 1 кг, м³ або моль). Для її вимірювання користуються методами калориметрії. Теплота згоряння визначається хімічним складом горючої речовини. Хімічні елементи, що в горючій речовині, позначаються прийнятими  символами  С, Н, О, N, S, а зола й вода — символами А й W відповідно. Природний газ, який використовують як паливо, є механічною сумішшю горючих і негорючих газів. В його складі знаходиться до 75÷98% метану, СН4, 1÷6% - важких вуглеводів, CnHm, 1÷4% - азоту та 0,1÷0,2% вуглекислого газу. Теплота згорання палива – кількість теплоти, яка виділяється при спалювані одиниці маси чи об’єму палива (кДж/кг чи кДж/м3). Вища теплота згорання, Qв – це кількість теплоти, яка виділяється при спалюванні 1кг палива (чи 1м3 газоподібного палива) за умови конденсації водяної пари і охолодження всіх продуктів згорання до 0°С. Нижча теплота згорання, Qн, порівняно з Qв не враховує теплоту випаровування вологи, яка міститься в паливі, і вологи яка утворюється при горінні водню. Таким чином Qн < Qв. Кількість теплоти, що виділяється при згорянні довільної маси палива, визначається за формулою:

де Q - теплота згоряння, m - масамаса.                                                  

Оскільки теплота є видом енергії, здатної виконувати роботу, то вона в системі СІ виражається спільною для всіх видів енергії одиницею – Джоулем (Дж), який рівний добутку сили 1 Н на шлях 1 м. 1 кал=4,1868 Дж 4,19 Дж. Визначення теплоти згорання палива засноване на спаленні його наважки в кисні і поглинанні тепла, що виділилося, водою в калориметрі. Спалення здійснюється в калориметричній бомбі, що являє собою циліндричну товстостінну стальну склянку місткістю близько 300 мл з стальною кришкою, що загвинчується на щільну нарізь. У залежності від виду палива, при випробуванні його спалюють за одним з вказаних нижче методів. Торф, буре, кам'яне вугілля і інші види палива, що піддаються брикетуванню, спалюють у вигляді брикетів. Паливо із зольністю понад 35% і небрикетоване (антрацит, кам'яне вугілля, кокс і ін.) спалюють у вигляді порошку. Мазут і інші важкі вуглеводні наливають безпосередньо в чашечку для спалювання. Легкі нафтопродукти спалюють в спеціальній чашечці з нержавіючої сталі, яка зверху заклеюється спеціально приготованою колодієвою плівкою. Визначення теплоти згоряння газу проводять у само ущільненій  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, що утворює з водою кислоту H2SO4. Крім того, азот палива згоряє в атмосфері кисню в присутності води до HNO3.При підрахунку вищої теплоти згорання QРВ із теплоти згоряння в бомбі Qб віднімають теплоту утворення сірчаної і азотної кислот. При згоранні вода, яка міститься в паливі та утворюється від згорання водню, перетворюється в пару. На пароутворення  води витрачається теплота. Теплоту Q згоряння називають вищою (Qв) у тому випадку, коли пари води конденсується і теплота, що затрачена на пароутворення звільнюється. Якщо ж пари води виносяться з димовими або відпрацьованими газами, частина теплоти втрачається і таку теплоту називають нижчою (Qн). Теплоту згорання визначають експериментальним шляхом у спеціальних приладах-калориметрах, і розрахунковими методами. Суть калориметричного методу визначення теплоти згорання палива полягає в тому, що при спалюванні певної кількості палива у спеціально закритих камерах калориметричних установок теплота продуктів згорання передається воді і при цьому її оцінюють за підвищенням температури в калориметрі. При визначенні теплоти згорання розрахунковими методами необхідно знати елементний склад палива. Найчастіше визначають теплоту згорання за законом Г.І. Гесса, згідно з яким вона залежить від складу початкових та кінцевих продуктів і не залежить від проміжних реакцій. Підрахована таким чином теплота згорання буде трохи відрізнятися від фактичної, оскільки горючі елементи у паливі перебувають не у вільному стані, а утворюють різні органічні сполуки, на руйнування яких витрачається частина теплоти. Тому згорання палива дає менший тепловий ефект, ніж згорання окремих елементів, які входять до його складу, що і враховується коефіцієнтами формул. У практиці найчастіше для визначення теплоти згорання застосовують формули Д.І. Менделєєва. Теплоту згорання робочої маси газоподібного палива, що містить вологу підраховують за формулами:

де 0,805 – маса 1м3 газу, кг.

Основний показник палива - питома теплота згорання. Для цілей порівняння видів палива введено поняття умовного палива.За одиницю умовного палива використовується паливо з питомою теплотою згорання 7000 ккал/кг. У нафтогазовій геології для підрахунку запасів родовища в умовному паливі прийнято 1 млрд м3 природного газу переводити в 1 млн т умовного палива. Для порівняння різних видів палива, а також для обліку загальних запасів палива і складання замовлень встановлений еталон – умовне паливо. Умовне паливо – це єдиний еквівалент всіх видів палива за теплотою згорання. Розрахункова теплота згорання умовного палива для твердого і рідкого палива дорівнює 29307 кДж/кг, а для газоподібного – 29308 кДж/кг. При порівнянні палив визначають їх теплові (калорійні) еквіваленти, які є відношенням теплоти згорання будь-якого палива до теплоти згорання умовного. Щоб перерахувати фактичне паливо в умовне потрібно його масову кількість помножити на тепловий еквівалент. Водень за теплотою згорання майже у 4 рази цінніший ніж вуглець. Враховуючи, що вміст водню в паливі складає до 25% - це друга за значимістю складова частини палива. Кисень, що входить в склад палива, не горить і тому фактично є внутрішнім баластом горючої частини. Вміст кисню становить від 0,5% до 43%. Чим більше в горючій частині кисню, тим менш цінне паливо. Азот, як і кисень, не горить, є внутрішнім баластом горючої частини. У твердому і рідкому паливі вміст азоту невеликий (0,5...1,5%) і тому вплив його на теплову цінність палива незначний. Однак, у деякому газоподібному паливі (наприклад, генераторному газі) вміст азоту становить біля 50%, що різко знижує його теплову цінність. Сірка є горючим елементом і, входячи до складу палива у вільному стані або у вигляді органічних і сульфідних сполук, бере участь у горінні. Але не зважаючи на це, сірка є дуже небажаною складовою палива тому, що під час горіння сірки утворюються сполуки SO2, SO3, які викликають газову корозію, а з’єднуючись з вологою, яка завжди є у паливі, перетворюються у сірчисту та сірчану кислоти, які викликають рідину корозію металів. Вміст сірки у твердому паливі коливається від 0,01 до 8%, а у нафтах – від 0,1 до 4%. При переробці палива намагаються вміст сірки за можливістю довести до мінімуму. Негорюча частина у твердому і рідкому паливі складається з мінеральних домішок (при згоранні утворюють золу А) і вологи W. Ця частина, зменшуючи об’єм горючої частини і відбираючи частину теплоти на своє нагрівання, знижує теплову цінність палива. Крім того зола прискорює абразивне спрацювання деталей циліндро-поршневої групи двигунів, а волога збільшує корозію та ускладнює експлуатацію установок взимку. Вміст мінеральних домішок у рідкому паливі вимірюється десятими частинами процента, а у твердому – десятками процентів. Мінеральні домішки і вологу розділяють на зовнішні та внутрішні. Перші – потрапляють у паливо з навколишнього середовища при його добуванні, транспортуванні, зберіганні, другі – входять до його хімічного складу. Залежно від фізичного стану палива, при якому визначають його елементарний склад, розглядають маси: робочу (р), аналітичну (повітряно-суху, лабораторну) (а), суху (с), горючу (г) і органічну (о). 
Паливо, яке надходить до споживачів у природному стані та містить, крім горючої частини, золу і вологу, називають робочим. Елементарний склад палива виражають рівнянням:

СР + НР + ОР + NР + SР + АР + WР = 100% (1.1) 

У тих випадках, коли паливо піддають лабораторному дослідженню, з нього готують аналітичну пробу, яку приводять для повітряно-сухого стану. При цьому паливо містить тільки внутрішню вологу. Суха маса не має вологи, оскільки вона одержана штучним сушінням при температурі 105 оС. 
Горюча маса – це паливо, що не має вологи і золи. А якщо з палива видалити ще і сірку, то отримують органічну масу.  Елементарний склад палива розраховують на горючу і суху маси, а всі теплові розрахунки ведуть на робочу (дійсну) масу, склад якої залежить від кількості золи і вологи. 
Горюча частина газоподібного палива включає: водень (Н), оксид вуглецю (СО), метан (СН4), та інші вуглеводні (СnНm) з числом атомів вуглецю до чотирьох. Негорюча частина – пари води і негорючі гази (СО2, N2, O2). Нижчу теплоту згорання використовують для підрахунку потреби в паливі і його вартості, при складанні теплових балансів і визначенні ККД установок, що використовують паливо. Для порівняння різних видів палива і підрахунку потреби в пальному введене поняття про умовне паливо та нафтовий еквівалент. Умовне паливо характеризується нижчою теплотою згорання.

 

 

 

Таблиця питомої теплоти згоряння палива (в кДж/кг)

Антрацит Ацетилен Бензин авіаційний Бензин автомобільний Буре вугілля Водень Дизельне паливо Дрова (30% вологості) Кам’яне вугілля Гас

26800–31400 49900 43500–44400 44000 10500 119700 42700 12300 20900–30150 43100

Мазут Метан Порох димний Природний газ Пропан Сланці горючі Солома Спирт етиловий Торф в брикетах Тротил (вибухівка) Етилен

38900–39800 49800 5020 41000–49000 46400 11500 14300 26000 15100 15100 47300

                

                

                             

 

 

 

 

 

 

 

 

Внутрішньокотлові процеси

Циркуляція води

Циркуляція – це безперервний рух речовини (рідини, газу) по замкненому шляху. Такий рух води –природна циркуляція – відбувається у водотрубному котлі під час його роботи внаслідок різниці густин пароводяної суміші в грійних трубах і води в ненагріваних.

На рис. 1.1 показано схему найпростішого циркуляційного контуру, що складається з верхнього і нижнього барабанів, лівої грійної і правої ненагрівної труб. При роботі такого контура в усталеному стані в нагріваній трубі відбувається кипіння води, і труба на дільниці  Нпар заповнена пароводяною сумішшю. При цьому утворюється рушійний напір Р , що дорівнює різниці тисків:

Нпар r¢ – Нпар rсум = Нпар (r¢ – rсум ),

де r¢ і rсум – відповідно густини води й пароводяної суміші.

Рис. 1.1  Схема контура природної циркуляції та структури потоку

 

 

 Діаграма природної циркуляції в контурах: простому (а) и складному (б).

    Цей напір при усталеному  режимі дорівнює сумі опорів, що виникають під час руху  води в контурі. Вода з верхнього барабана по ненагріваній трубі надходить у нижній барабан, а з нього–в грійну трубу. Після виходу суміші з труби у верхній барабан пара йде в паровий простір, а вода знов надходить у праву опускну трубу і т.д.

Джерелом енергії, що витрачається на перекачування води під час природної циркуляції води в замкненому контурі, є робота розширення парових бульбашок, що утворюються в кип'ятильній трубі при більш високому тиску, ніж тиск у паровому просторі – верхнього барабана котла.

При нормальному режимі циркуляції від стінок теплосприймальних поверхонь нагріву, що обмиваються водою, інтенсивно відводиться теплота. Коефіцієнт тепловіддачі при цьому від стінок до води дуже великий (обчислюється тисячами і десятками тисяч вт/м 2 × град), тому температура стінок мало відрізняється від температури води і утворювані парові і виділювані газові бульбашки не можуть затримуватися на стінках: температура металу в різних частинах котла при змінних режимах швидко вирівнюється; від температурної нерівномірності не виникають помітні термічні напруги.

Режим циркуляції характеризується багатьма величинами: швидкістю циркуляції w 0 м/сек називається швидкість води на вході в підйомну трубу, кратністю циркуляції К– відношення кількості води Gц , що надходить в грійну трубу, до кількості пари D , що утворюється в цій трубі за цей самий час,   кг/кг. Ця величина зворотна ваговому паровмістові суміші на виході з кип'ятильної труби.

У котлах з природною циркуляцією кратність циркуляції більша від одиниці. У сучасних котлах значення  К  коливається від 6 до 12. У прямотокових котлах вода не циркулює (К = 1).