ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ТОПЛИВ

Учебные вопросы: Расчетные массы, горючие элементы и виды балласта. Методика расчета химического состава топлива. Методика определения характеристик золы. Влияние негорючих примесей на процесс сжигания и экологию (формы влаги, виды серы, минеральные соединения, их воздействие).

Органическая часть твердых и жидких топлив состоит из большого количества сложных химических соединений, в состав которых, в основном, входят пять химических элементов: углерод С, водород Н, кислород О, сера S и азот N. Изменение элементарного состава основных видов топлив приведено в таблице 3.1.

Кроме того, топливо содержит минеральные примеси А, попавшие в исходную залежь в основном извне, и влагу W Поэтому химический состав твердых и жидких топлив определяют не по количеству соединений, а по суммарной массе химических элементов в топливе в процентах от 1кг, т.е. устанавливают элементарный состав топлива.

1. Рабочая масса топлива:

C ^р+H ^р+О ^р+N ^р+S_л ^р+А ^р+W ^р= 100% (3.1)

Рабочей считается масса топлива в том виде, в каком она поступает на ТЭС. Расчет расхода топлива и полученных объемов продуктов сгорания производится по составу рабочей массы.

2. Аналитическая масса топлива:

C ^а+H ^а+О ^а+N ^а+S_л ^а+А ^а+W ^а= 100% (3.2)

Рабочее топливо, измельченное до порошкообразного состояния и доведенное в лабораторных условиях до воздушно-сухого состояния, теряет внешнюю влагу, и масса его называется аналитической. Оставшуюся влагу W ^а топлива, связанную с его исходным веществом, называют чаще гигроскопической, т.е. W ^а= W ^ГИ.

3. Сухая масса топлива:

C ^с+H ^с+О ^с+N ^с+S_л ^с+А ^с = 100% (3.3)

Если топливо нагреть до 102-105^оС то испарится вся влага и тогда получится сухая масса топлива.

4. Условная горючая масса топлива:

C ^Г+H ^Г+О ^Г+N ^Г+S_л ^Г = 100% (3.4)

В горючую массу топлива входят химические элементы исходного органического вещества, сюда же причисляют серу минеральных горючих соединений (например, серного колчедана FеS₂ поэтому она называется условной горючей массой).

В уравнениях (3.1...3 .4) через S_л обозначена летучая сера, представляющая собой сумму колчеданной и органической серы, способной к окислению в топке:

S_л= S_к+ S^о

5. Органическая масса топлива:

C ^о+H ^о+О ^о+N ^о+S ^о =100% (3.5)

Органическая масса отличается от горючей только отсутствием колчеданной серы. Кроме указанных двух видов серы, существует еще сульфатная сера S_с которая входит в состав высших окислов (например, СаSО₄ и дальнейшему окислению не подвергается.

В составе топлива; различают внешний балласт, состоящий из влаги и минеральной части, и внутренней балласт, входящий в исходное органическое вещество топлива. К нему относятся кислород и азот.

Горючими элементами топлива являются углерод, водород и сера. Углерод является основным горючим элементом топлива. Он имеет высокую теплоту сгорания (34,1 МДж/кг) и составляет большую часть рабочей массы топлива (50...75% в твердых топливах и 83...85% в мазутах). Водород имеет еще более высокую теплоту сгорания (120,5МДж/кг), но его количество в твердых топливах невелико (Н^Р = 2-4%) и несколько больше в жидких (10-11%). Сера имеет невысокую теплоту сгорания (9,3 МДж/кг) и содержится в топливах в малых количествах (S ^р = 0,3-4%), поэтому не представляет ценности как горючий элемент. Наличие окислов серы в продуктах сгорания увеличивает опасность коррозии металла поверхностей нагрева и, при определенных концентрациях, опасно для организма человека и растительности, что требует принятия мер для их улавливания.

Важнейшими характеристиками топлива являются: состав, теплотворность, температура горения и характер изменений в процессе нагревания.

Полный и точный химический анализ топлива должен дать ответ на вопросы о том, какие соединения и в каких качествах образует данное топливо. до настоящего времени не существует методов, позволяющих во всех без исключения случаях провести анализ топлива. Топливо различных видов по степени приближения их анализа к такому, который содержит данные, как о виде, так и о количестве образующих эти топлива соединений, может быть разделено на три группы:

Первую группу составляет топливо, образованное горючими веществами с индивидуальным химическим характером. Сюда относятся все виды газообразного топлива, состоящего из газов, поддающихся раздельному определению (СО₂, СО, СН₄, С₂ Н₄, Н₂, N₂, и т.д.), а также спирт (С₂Н₆О) и бензол (С₆Н₆).

Вторую группу составляет топливо, состоящее в основном из углеводородов различного строения и молекулярного веса. К этой группе относится жидкое топливо, получаемое путем переработки нефти.

Третью группу составляют горючие вещества неизвестной химической природы (смешанного характера). К этой группе относятся в первую очередь ископаемые угли.

Химический анализ топлива первой группы дает исчерпывающий ответ на вопрос о составе, а следовательно, и о свойствах топлива. Анализ газообразных горючих дает в процентах содержание составных частей газовой смеси.

Таким образом, результаты анализа газообразного топлива могут быть представлены в следующем виде (%) в табл. 3.2:

Таблица 3.2

Содержание непредельных углеводородов C_nH_m обозначено общей суммой, т.к. содержание указанных веществ определяется путем поглощения (измерения поглощенного объема) всех соединений этого типа одновременно. Такой метод приемлем ввиду того, что у большинства видов газообразного топлива общее количество этих соединений невелико и составляет всего лишь 0,1...2,09 %.

В приведенном выше составе топлива не указано содержание в нем влаги. В то же время следует отметить, что газообразное топливо содержит некоторое количество паров воды.

Содержание влаги в газообразном топливе определяют отдельно. Результат определения выражают отношением веса воды к единице объема сухого газа.

У остальных видов топлива первой группы, представляющих собой чистые вещества, характеризуемые известными, присущими только им свойствами, чистота определяется методами физико-химического анализа. Итак, можно сказать, что химический анализ топлива первой группы, не отличаясь особой сложностью, дает в результате данные о его составе, достаточные, как будет видно в дальнейшем, для всесторонней оценки топлива.

Пересчет состава топлива с одной массы на другую производится при помощи множителей, приведённых в таблице 3.3. для пересчета из одной массы в другую каждый элемент заданной массы умножают на множитель, соответствующий искомой массе из таблицы 3.3.

Так, для пересчета с рабочей на сухую массу следует определить количество отдельных элементов рабочей массы, например, углерода (С^р/100кг/кг), в процентах от количества содержащейся в ней сухой массы (100- W^р)/ 100кг/кг). Следовательно, для пересчета содержания углерода с известной рабочей массы топлива на сухую массу С^с, %, можно записать:

(3.7)

Пользуясь пересчетным коэффициентом 100/(100 - W^р), можно определить величину и других составляющих элементов сухой массы по величине соответствующего элемента в рабочей массе. Состав горючей массы при известном составе рабочей определяется по количеству отдельных элементов рабочей массы, например, водорода Н^р/100кг/кг в процентах от количества содержащейся в ней горючей массы

, кг/кг ,т.е.

Н^Г= (3.8)

Пересчетный коэффициент с рабочей на органическую массу равен

, а с рабочей на массу аналитической пробы равен (100-W^а)/ (100-W^р).

При пересчете на массу, богатую горючими, можно пользоваться обратными величинами тех же пересчетных коэффициентов.

Для оценки эффективности использования топлив в парогенераторах и условий надежности работы важными теплотехническими характеристиками топлив являются: содержание и состав минеральных примесей, влажность, выход летучих веществ, свойства коксового остатка и величина теплоты сгорания. Определение этих характеристик входит в технический анализ.

Свойства топлива как горючего материала зависят от его химического состава, который определяется элементарным химическим анализом.

В твердом топливе значительную часть примесей составляют внешние примеси. Поэтому содержание минеральных примесей даже в одном и том же виде топлива может сильно колебаться. Основными минеральными примесями являются: силикаты (кремнезем SiО₂, глинозем Аl₂О₃, глина); сульфаты (СаSО₄, МgSО₄); закиси и окиси металлов, сульфиды (преимущественно FeS₂); карбонаты (СаСО₃, МgСО₃, FеСО₃); фосфаты, хлориды, соли щелочных металлов.

В процессе горения в среде высоких температур в минеральных примесях топлива происходят физические и химические преобразования. По мере повышения температуры топлива гипс и силикаты теряют свою кристаллизационную влагу.

В интервале температур 400—600^оС колчедан окисляется:

4 FeS₂ +11О₂ =2 Fе ₂О₃+8 SО₂

Сернистый ангидрид, образующийся при окислении колчедана и органической серы, вступает в реакцию с СаСО₃ и О₂

2СО₂ + 2СаСО₃+О₂=2СаСО₄+2СО₂

При температуре выше 600^оС разлагаются карбонаты по реакции типа

СаСО₃=СаО+СО₂

и улетучивается некоторая часть хлоридов и соединений щелочных металлов.

При температуре выше 1 000^оС разлагаются сульфаты

СаSО₄=СаО+SО₃

При этих температурах начинается химическое взаимодействие между силикатной основой примесей и другими окислами. В окислительной среде закись железа переходит в его окись

4Fе О+О₂=2 Fе ₂О₃,

а в восстановительной среде - в металл. В полувосстановительной среде закись железа может сохраниться и, при определенном температурном уровне, соединиться с кремнеземом, образуя легкоплавкие силикаты. Этим объясняется наблюдающееся значительное снижение температуры плавления шлаков в полувосстановительной среде.

Негорючие минеральные примеси, и влага являются внешним балластом твердого топлива. Своим присутствием минеральные примеси, и влага уменьшают содержание горючей массы в единице массы рабочего топлива; кроме того, при сжигании топлива на испарение влаги затрачивается определенное количество тепла. Поэтому, с увеличением зольности и влажности, уменьшается теплота сгорания топлива, увеличивается его расход у потребителя, соответственно увеличиваются расходы на добычу и перевозку.

ЛЕКЦИЯ 3

Поиск по сайту: