Горючая масса топлива

    Углерод. Этот элемент является важнейшим компонентом горючей массы топлива. Содержание углерода в горючей массе топлива превышает 50% и достигает 99%. В различных видах топлива оно колеблется в следующих пределах (округленно в % по массе):

 

Дрова ………………………. 50 Торф ……………............ 54-63 Сланцы ………………….. 60-70 Бурые угли ………………  60-80 Природный газ ……………... 75 Каменные угли ………….. 75-90 Бензин ……………………….. 85 Керосин ……………………... 86 Дизельное топливо …............ 87

Мазут малосернистый ………...… 87-88 Бензол ……………………..… 92 Антрацит ………………... 92-98 Шунгит ………………….. 97-99    Древесный уголь ……….. 89-95 Кокс ……………………........ 96 Полукокс …………….…. 95-98

 

Содержащийся в топливе углерод входит в состав сложных органических соединений, образующих горючую массу топлива.

Количество тепла, выделяющегося при сгорании углерода, содержащегося в различных видах топлива, неодинаково вследствие разных затрат энергии на разрыв связей между атомами в молекулах не однотипных органических соединений.

Д.И.Менделеев установил, что различие в количестве тепла, выделяемого при сгорании углерода, входящего в состав разных видов твердого и жидкого топлива, сравнительно невелико, и количество тепла, выделяемого при сгорании 1 кг углерода, может быть принято в среднем равным 33,9 МДж.

Водород. Он является вторым по значению компонентом топлива. Содержание водорода в горючей массе различных видов топлива колеблется в следующих пределах (округленно в % по массе):

 

 

Кокс ……………………….. 0,3-1 Антрацит …………………….1-3 Полукокс ……………...……. 2-3 Древесный уголь ………...… 2-4 Каменные угли …………….. 4-6 Бурые угли ……………….... 4-6 Торф ………………………….. 6 Дрова …………………............ 6

Сланцы ……………………...7-10 Бензол..……………………....... 8 Мазут …………………....... 11-12 Дизельное топливо …….......... 13 Керосин ……………………......14 Бензин …………………............15 Сжиженные газы ………..........18 Природный газ …………….....25

При сгорании килограмм-молекулы (кмоля) газообразного водорода, с образованием воды, выделяется 285,8 МДж тепла, т.е. 141,8 МДж на 1 кг газообразного водорода, или 12,75 МДж на 1 м³ водорода при нормальных условиях (температура 0ºС, давление 1 ата).

Следовательно, при сгорании 1 кг газообразного водорода выделяется в 4,2 раза больше тепла, чем при сгорании 1 кг углерода. Поэтому теплота сгорания топлива значительно возрастает с повышением содержания в нем водорода.

Водород, содержащийся в твердом и жидком топливе, выделяет при сгорании несколько меньше тепла, чем молекулярный газообразный водород. Содержащийся в топливе водород, подобно углероду, входит в состав различных органических соединений, теплота разложения которых неодинакова. Поэтому 1 кг водорода, содержащийся в различных видах твердого и жидкого топлива, выделяет при сгорании различное количество тепла.    Содержание водорода в горючей массе топлива повышает его реакционную способность и скорость горения. Повышение содержания водорода в горючей массе твердого топлива обусловливает увеличение выхода летучих веществ, выделяющихся при нагревании топлива без доступа воздуха.

Кислород. Третьим важным компонентом горючей массы топлива является кислород. В горючей массе различных видов топлива кислород содержится в следующих количествах (округленно в процентах по массе):

 

Природный газ …………………0              Нефтепромысловый (попутный газ) …………........... 0 Сжиженный газ ……………...... 0 Бензин ……………………...….. 0 Керосин ……………………...…0 Дизельное топливо ………...…. 0 Мазут …………………..…. 0-0,2

Кокс ………………………..... 1-3 Каменные угли …………..... 2-12 Бурые угли ………………... 19-27 Сланцы …………………..... 12-18 Торф ………………………...... 33 Дрова ………………………..... 42 Доменный газ …………. более 50

 

Высоким содержанием кислорода характеризуется горючая масса растительного топлива, а также молодых видов ископаемого топлива – торфа и бурых углей. Значительно меньше содержится кислорода в каменных углях, в антраците содержание кислорода снижается до 1-2%. Малое содержание кислорода характерно также для искусственных видов обуглероженного твердого топлива, получаемых из угля, торфа или древесины путем отгонки из них летучих веществ. Содержащийся в горючей массе кислород снижает ее теплоту сгорания. Это обусловлено двумя факторами.

Во-первых, наличие кислорода в горючей массе топлива соответственно уменьшает процентное содержание в ней углерода и водорода, обладающих высокой теплотой сгорания. Кислород же является как бы балластом, входящим непосредственно в состав органических соединений, образующих горючую массу топлива. Во-вторых, кислород, входящий в состав горючей массы, находится в химическом соединении с водородом и углеродом, например, в виде гидроксильных (OH) и карбоксильных (COOH) групп, т.е. водород и углерод находятся в частично окисленном состоянии, что существенно снижает количество тепла, выделяемого при их сгорании (доокислении).

Степень снижения теплоты сгорания горючей массы топлива, вследствие содержания в ней кислорода, зависит от состава кислородсодержащих соединений и от того, с каким элементом – водородом или углеродом – химически связан кислород. Однако различие в снижении теплоты сгорания топлива, вследствие соединения кислорода с водородом или углеродом, гораздо меньше различия в теплотах сгорания водорода и углерода.

При соединении кислорода с водородом выделяется тепла лишь на 1% больше, чем при соединении такого же количества кислорода с углеродом. Д.И.Менделеев установил, что содержание 1% кислорода в горючей массе топлива снижает ее теплоту сгорания вследствие частичного окисления углерода и водорода в среднем на 108,9 кДж/кг.

При сопоставлении двух указанных выше причин снижения теплоты сгорания топлива вследствие содержания в нем кислорода становится очевидным, что первая причина (снижение содержания углерода и водорода) имеет большее значение, чем вторая. В самом деле, уменьшение содержания водорода в горючей массе на 1% снижает низшую теплоту ее сгорания на 1030 кДж/кг, уменьшение содержания углерода на 1% - соответственно на 339 кДж/кг, а дополнительное снижение теплоты сгорания вследствие частичного (1%) окисления углерода и водорода горючей массы составляет 108,9 кДж/кг.

Теплота сгорания 1 кг горючей массы древесины вследствие высокого содержания кислорода (около 44%) примерно в 2 раза ниже теплоты сгорания горючей массы антрацита или кокса и в 2,5-3 раза ниже теплоты сгорания углеводородного топлива. Топливо с высоким содержанием кислорода в горючей массе – древесина, торф, молодые бурые угли – обладают высокой гигроскопичностью и содержит много влаги. У этих видов топлива теплота сгорания влажной рабочей массы значительно ниже теплоты сгорания горючей массы.

Наличие кислорода в горючей массе твердого топлива сравнительно мало сказывается на ее жаропроизводительности, однако высокая влажность топлива с большим содержанием кислорода обусловливает увеличение объема продуктов сгорания вследствие испарения влаги и тем самым снижает температуру, при которой сжигается топливо.

Твердое топливо с большим содержанием кислорода в горючей массе характеризуется высоким выходом летучих веществ, легко зажигается и обладает высокой реакционной способностью. В легком дистиллированном жидком топливе практически не содержится кислорода. В сырой нефти и мазуте, хотя и в незначительном количестве, содержится кислород, входящий в состав смол и нафтеновых кислот. В природных и нефтезаводских газах содержится весьма мало кислорода (входящего в состав окислов углерода). В коксовых, генераторных и доменных газах содержится значительное количество связанного кислорода (в виде CO и CO₂), а содержание свободного молекулярного кислорода обычно не превышает 1%.

Содержание кислорода в газе (в процентах по объему) определяется путем его поглощения пирогаллолом, а в горючей массе твердого топлива (в процентах по массе) – по разности после определения остальных компонентов горючей массы топлива:

 

.                                 (1.7)

 

Азот. Содержание азота в горючей массе твердого топлива колеблется от 0,6 (дрова) до 2% у некоторых видов углей и торфа.

В процессе горения азот топлива переходит в дымовые газы в виде молекулярного азота N₂. Таким образом, азот, входящий в состав сложных органических соединений горючей массы топлива, не окисляется в процессе горения, и содержание азота как балласта в топливе понижает его теплоту сгорания из-за уменьшения содержания горючих компонентов – углерода и водорода.

При коксовании каменных углей в атмосфере, не имеющей свободного кислорода, азот, содержащийся в топливе, в значительной степени выделяется в виде аммиака NH₃. В нефти содержание азота обычно колеблется от 0,03 до 0,3%.

В газообразном топливе основным видом балласта является азот – от долей процента в некоторых природных и нефтепромысловых газах до 60% в доменных газах и 75% в ваграночных газах. Газы с высоким содержанием азота характеризуются низкой теплотой сгорания и пониженной жаропроизводительностью.

Содержание азота в твердом и жидком топливе определяют по методу Кьелдаля, основанному на способности кипящей серной кислоты окислять органические соединения до CO₂ и H₂O, а содержащийся в них азот превращать в NH₃. Образующийся аммиак улавливают серной кислотой и по количеству NH₃ определяют содержание азота в топливе.

В газообразном топливе азот фиксируют как остаточный член после определения содержания в газе других компонентов

 

N₂ = 100 - (CO₂ + O₂ + CO + H₂ + CH₄ + ит.д.) %.             (1.8)

 

Сера. В твердом топливе содержатся три вида серы: органическая, колчеданная (пиритная) и сульфатная.

Органическая сера  входит в состав сложных органических соединений, образующих топливо. При сжигании топлива органическая сера сгорает с образованием сернистого газа с выделением 292,25 кДж на 1 кг-атом серы (S + O₂ = SO₂ + 292,5 кДж), или около 9,13 кДж на 1 кг серы.

Колчеданная, или пиритная, сера  входит в состав железного колчедана FeS₂ и других сернистых соединений. При сжигании топлива колчедан сгорает с образованием сернистого газа и окислов железа.

 

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂

 

При подсчетах теплоты сгорания твердого и жидкого топлива можно принять, что на 1 кг горючей серы выделяется в среднем около 10,9 МДж, или 109 кДж на 1% горючей серы, содержащейся в 1 кг топлива. Таким образом, содержание серы несколько снижает теплоту сгорания топлива, особенно высококалорийного.

Данные о содержании горючей серы (органической и колчеданной) в различных видах топлива приведены в табл. 1.2.

 

Таблица 1.2