Состав и характеристики топлива

Август 2, 2022

Главная
Химия
Состав и характеристики топлива

Содержание

2. Состав твердого топлива Рабочая масса топлива – это его состав при подаче в топочное устройство для
3. Рабочая масса состоит из горючей массы и балласта. Горючая масса включает горючие элементы (углерод С, водород
4. Основу органической части (массы) топлива составляют углерод С, водород Н и кислород О Кроме того, органическая
6. Горючая масса ≈ Органическая масса Горючая масса содержит часть минеральной массы –колчеданную серу, входящую в неорганическое
7. Основным элементом горючей части всех топлив является углерод С, горение которого обусловливает выделение основного количества тепла
8. Рабочая масса (as fired, as delivered) Cр + Hр + Oр + Nр + Sор+кр+ Aр
9. Летучие вещества и связанный углерод (коксовый остаток) Одной из основных особенностей поведения твердых топлив при нагревании
10. Стадии термохимической конверсии частицы твердого топлива Нагревание и сушка Выход летучих Горение кокса (пиролиз) Тепло Тепло
11. Состав горючей массы твердых топлив (диаграмма ван Кревелена) Целлюлоза: (С6Н10О5)n Н:С = 10/6 ≈ 1.7 О:С
12. Состав горючей массы – теплота сгорания
13. Состав и продукты термического разложения топлива
14. Выход летучих веществ Температура начала выхода летучих
15. Органический балласт топлива Кислород О и азот N в топливе являются органическим балластом: наличие их в
16. Сера В твердых топливах её обычно немного, но в некоторых бурых и каменных углях – до
17. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ РЕАКЦИИ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА С + О2 = СО2 полное сгорание углерода 2С + О2 =
18. Элементарный состав горючей массы гумолитов по стадиям углефикации
19. Элементарный состав некоторых углей
20. Маркировка каменных углей
21. Состав альтернативных местных топлив
22. Влажность твердых топлив Влажность Wр – масса влаги, отнесенная к рабочей (влажной) массе топлива: Влагосодержание M
23. Внешняя (поверхностная и капиллярная) влага удаляется путем сушки топлива при комнатной температуре. Внутренняя (гигроскопическая или коллоидная
24. ВНЕШНЯЯ И ВНУТРЕННЯЯ ВЛАГА
25. Пересчет состава топлива на другую массу При проектировании и эксплуатации котельных установок часто приходится производить пересчеты
27. Рабочая = 100% Сухая = 100% Горючая = 100%
28. Примеры пересчета
29. Коэффициенты пересчета (ap =Аp/100, wp=Wp/100 – в массовых долях !!!)
30. Горючие сланцы: особенности пересчёта – известное содержание углекислоты карбонатов, %, которые разлагаются при t = 900
31. Зольность твердых топлив Золой топлива называется остаток при прокаливании топлива при 800 оС. Вес остатка принимается
32. Трансформации минеральной части Потери кристаллизационной влаги гипсом (CaSO4·2H2O), силикатами (МеSiO3·хH2O); Разложение карбонатов с выделением углекислоты CaСO3
33. Зольность твердых топлив
34. Компоненты золы Легкоплавкие (800 – 1000 оС) Оксиды железа FeО и Fe2O3 Оксиды щелочных металлов Na2O,
35. Плавкость золы древесного топлива Исходный образец (конус) Начало деформации T1 (IT) = 1150 – 1490°C; Температура
36. Плавкостные характеристики древесной золы
37. Теплота сгорания (теплотворная способность) топлива Высшая теплота сгорания количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг
38. 1 – калориметрическая бомба с навеской топлива, заполненная кислородом под давлением; 2 – сосуд цилиндрический, заполненный
39. Низшая теплота сгорания Qнр – количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг твердого и жидкого
40. Утилизация скрытой теплоты конденсации водяного пара в составе дымовых газов
41. Формула Менделеева для расчёта Qнр твердого и жидкого топлива по элементному составу (масс. %) Qнр =
42. Влияние влажности на низшую теплотворную способность древесины Qнр = 339Cр +1025Hр - 108.5(Oр – Sрор+к) –
43. Qнр см= b1Qнр1+(1- b1) Qнр2, Определение теплотворной способности бинарной смеси топлив b1 –массовая доля одного из
44. Формулы пересчета высшей теплоты сгорания Qвр = Qнр +225 Hр+25 Wр Qвг = Qнг +225 Нг
45. Горючие сланцы: учёт теплоты разложения карбонатов – содержание углекислоты карбонатов в рабочей массе %, задаётся в
46. 6 200 – 7 500 кДж/кг (горючие сланцы, влажные биомасса, торф, бурый уголь) 20 000 кДж/кг
47. Твёрдые бытовые отходы (ТБО) На 40-50% состоят из органических горючих материалов, на 20-40% - из металла.
48. Углеродсодержащие отходы
49. Газообразное топливо – состав задаётся в объёмных % (!!!)
50. Низшая теплота сгорания сухих горючих газов Qнс = 108Н2+126СО+239H2S+358СН4+591C2H4+860C3H6+ + 913C3H8+1135C4H8+1187C4H10+1461C5H12+1403C6H6, кДж/м3 В среднем для природного
51. Пример: низшая теплота сгорания метана Qвс = 55 500 кДж/кг (табл. данные) Qнс = Qвр –
53. Скачать презентацию

Слайд 2

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

Слайд 3

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

Слайд 4

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

Слайд 5

Слайд 6

Горючая масса ≈ Органическая масса
Горючая масса содержит часть минеральной массы –колчеданную

серу, входящую в неорганическое соединение железный колчедан (пирит) FeS2

Слайд 7

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.

Слайд 8

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%

Рабочая, сухая, горючая и органическая массы топлива

Слайд 9

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.

Слайд 10

Стадии термохимической конверсии частицы твердого топлива
Нагревание и сушка Выход летучих

Горение кокса
(пиролиз)

Тепло

Газификация кокса

Тепло

Слайд 11

Состав горючей массы твердых топлив (диаграмма ван Кревелена)
Целлюлоза: (С6Н10О5)n
Н:С

= 10/6 ≈ 1.7
О:С = 5/6 ≈ 0.8

Слайд 12

Состав горючей массы – теплота сгорания

Слайд 13

Состав и продукты термического разложения топлива

Слайд 14

Выход летучих веществ
Температура начала выхода летучих

Слайд 15

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 к горючим элементам.
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.

Слайд 16

Сера
В твердых топливах её обычно немного, но в некоторых бурых

и каменных углях – до 7-8% на горючую массу топлива.
В нефти S входит в состав органических соединений; при переработке большая часть переходит в мазут (0,3-3,5%).
В природных газах S 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.
S – причина коррозии низкотемпературных поверхностей нагрева из-за серного ангидрида SO3, который сильно повышает температуру конденсации водяных паров (точку росы) в продуктах сгорания топлива и, растворяясь в конденсате, образует H2SO4.
Присутствие сернистого газа SO2 в продуктах сгорания топлива, выбрасываемых в атмосферу через дымовую трубу, приводит к загрязнению окружающего воздуха (яд; кислотные дожди).

Слайд 17

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

Слайд 18

Элементарный состав горючей массы гумолитов по стадиям углефикации

Слайд 19

Элементарный состав некоторых углей

Слайд 20

Маркировка каменных углей

Слайд 21

Состав альтернативных местных топлив

Слайд 22

Влажность твердых топлив
Влажность Wр – масса влаги, отнесенная к рабочей (влажной)

массе топлива:

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

– массовая доля влаги в топливе

Слайд 23

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.

Слайд 24

ВНЕШНЯЯ И ВНУТРЕННЯЯ ВЛАГА

Слайд 25

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 рассчитывать рабочий состав топлива при других влажности и (или) зольности по известной горючей массе, не производя полного элементарного анализа топлива.

Слайд 26

Слайд 27

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

Слайд 28

Примеры пересчета

Слайд 29

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

Слайд 30

Горючие сланцы: особенности пересчёта
– известное содержание углекислоты карбонатов, %, которые разлагаются при t

= 900 oC:

Истинная зольность рабочей массы:

СaCO3 = CaO + CO2

Слайд 31

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.

Слайд 32

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

Слайд 33

Зольность твердых топлив

Слайд 34

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.

Слайд 35

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.

Слайд 36

Плавкостные характеристики древесной золы

Слайд 37

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.

Слайд 38

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

Слайд 39

Низшая теплота сгорания Qнр – количество теплоты, выделяющееся при полном

сгорании 1 кг твердого и жидкого (кДж/кг) топлива или 1 нм3 газообразного топлива (кДж/м3), и
не включающее теплоту конденсациии паров воды, которые содержатся 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).

Слайд 40

Утилизация скрытой теплоты конденсации водяного пара в составе дымовых газов

Слайд 41

Формула Менделеева для расчёта Qнр твердого и жидкого топлива по элементному

составу (масс. %)

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

кДж/кг

Слайд 42

Влияние влажности на низшую теплотворную способность древесины
Qнр = 339Cр +1025Hр -

108.5(Oр – Sрор+к) – 25Wр, кДж/кг

Слайд 43

Qнр см= b1Qнр1+(1- b1) Qнр2,
Определение теплотворной способности
бинарной смеси топлив
b1 –массовая

доля одного из топлив в смеси.

Пересчет теплоты сгорания при изменении влажности топлива

На сухую массу:

Слайд 44

Формулы пересчета высшей теплоты сгорания
Qвр = Qнр +225 Hр+25 Wр
Qвг =

Qнг +225 Нг
Qвс = Qнс +225 Нс

кДж/кг

Слайд 45

Горючие сланцы: учёт теплоты разложения карбонатов
– содержание углекислоты карбонатов в рабочей

массе %, задаётся в составе топлива.

– истинная зольность рабочей массы.

СaCO3 = CaO + CO2

Слайд 46

6 200 – 7 500 кДж/кг (горючие сланцы, влажные биомасса, торф,

бурый уголь)
20 000 кДж/кг (сухая биомасса)
25 000 – 29 000 кДж/кг (каменные угли)
38 000 – 42 000 кДж/кг (нефтепродукты).

Низшая теплота сгорания основных видов органического топлива

Слайд 47

Твёрдые бытовые отходы (ТБО)
На 40-50% состоят из органических горючих материалов,

на 20-40% - из металла. стекла, керамики
Низшая теплотворная способность ТБО влажностью 40 – 60 % составляет
7– 8 МДж/кг (выше горючих сланцев,
но ниже бурых углей)

Слайд 48

Углеродсодержащие отходы

Слайд 49

Газообразное топливо – состав задаётся в объёмных % (!!!)

Слайд 50

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

Qвс = Qнс + r (mH2O / mтопл)
r = 2440 кДж/кг (25оС)

Масса влаги в продуктах сгорания 1 м3 топлива

Слайд 51

Пример: низшая теплота сгорания метана
Qвс = 55 500 кДж/кг

(табл. данные)
Qнс = Qвр – r (mH2O / mтопл)
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О
r = 2440 кДж/кг (25оС)
mH2O = 2 × (2 × 1 + 16) = 36 кг воды
mтопл = 12 + 4 × 1 = 16 кг метана
Qнс = 55 500 – 2440 (36/16) = 50 000 кДж/кг =
= 50 000 * ρСН4= 50 000*(МСН4/22.4)= 35714 кДж/м3

Состав и характеристики топлива

Содержание

Состав твердого топлива Рабочая масса топлива – это его состав при подаче

Рабочая масса состоит из горючей массы и балласта. Горючая масса

Основу органической части (массы) топлива составляют углерод С, водород Н

Горючая масса ≈ Органическая масса Горючая масса содержит часть минеральной массы –колчеданную

Основным элементом горючей части всех топлив является углерод С, горение

Рабочая масса (as fired, as delivered) Cр + Hр + Oр

Летучие вещества и связанный углерод (коксовый остаток)Одной из основных особенностей поведения

Стадии термохимической конверсии частицы твердого топлива Нагревание и сушка Выход летучих

Состав горючей массы твердых топлив (диаграмма ван Кревелена)Целлюлоза: (С6Н10О5)n Н:С

Состав горючей массы – теплота сгорания

Состав и продукты термического разложения топлива

Выход летучих веществТемпература начала выхода летучих

Органический балласт топливаКислород О и азот N в топливе являются органическим

Сера В твердых топливах её обычно немного, но в некоторых бурых

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ РЕАКЦИИ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВАС + О2 = СО2 полное сгорание углерода