Лекция № 13. Топливо и процесс горения

Контрольные вопросы

Контрольные вопросы

Литература

1 осн. [5-15],

2 доп. [3-7]

1. Обжиг материала
2. Основные процессы при обжиге керамики
3. Внешний тепло- и массообмен при обжиге

В тепловых установках строительной индустрии в ка­честве рабочего тела используют продукты горения топ­лива— дымовые газы, нагретый воздух, воду, масло, водяной пар. Дымовые газы — основной вид высокотем­пературного теплоносителя, применяемого при обжиге строительных изделий. Получение дымовых газов свя­зано с сжиганием топлива.

Топливо и его сжигание

В технике топливом называют горючие вещества, соединение которых с кислородом воздуха сопровож­дается выделением теплоты и света. Не все горючиe вещества могут служить промышленным топливом. Пример, ацетон, бензол, спирт и подобные им жидко­сти хотя и являются горючими веществами, но не при­меняются в качестве топлива. В промышленных печах и тепловых генераторах сжигают дешевые виды топли­ва, которое и используют в технологических целях. Эти виды топлива по принципу использования называют тех­нологическим топливом.

Таблица 13.1 - Классификация топлива

Происхож­дение	Агрегатное состояние
твердое	жидкое	газообразное
Природное	Древесина, торф, го­рючие сланцы, бурые угли, каменные угли, антрациты	Н	Природный газ
Искусствен­ное	Кокс, топливные бри­кеты, пылевидное топливо	Мазут, со­ляровое масло	Доменный, коксо­вый, нефтяной, сланцевый, генера­торный газы

Виды топлива и его свойства

Все известные виды технологического топлива делят по происхождению на природные и искусственные. Пер­вые встречаются в природе, искусственные получают пе­реработкой природных. Исключение составляет ядерное топливо, которое в тепловых установках промышленности строительных материалов пока не пользуется

По агрегатному состоянию топливо подразделяют на твердое, жидкое и газообразное (табл. 13.1).

В элементарный химический состав топлива (рис. 13.1) входят углерод, водород, кислород и азот. Кроме того, топливе содержится сера, зола и влага. Углерод, водород, кислород и азот образуют орга­ническую массу топлива, а вместе с колчеданной S_К и сульфидной S_С серой —горючую массу. Сера в виде сульфидов S_С входит в негорючую зольную массу. В инженерных расчетах, учитывая небольшое содержание S_С в топливе, ее можно принимать как горючую.

Состав топлива выражается содержанием в нем от­дельных химических элементов и веществ в процентах. ^в справочных таблицах состав топлива приводится по отношению к горючей, сухой, рабочей массе и обозна­чается соответственно верхними индексами г, с, р, на­пример С^г, С^с, ср. Символы А, W, S означают соответ­ственно содержание в топливе золы, влаги и серы. Сле­довательно, при содержании элементов веществ топлива, относящихся к его рабочей массе, состав записывается: С^Р+Н^Р+О^Р+N^P+S^Р+А^Р+W^Р=100%, при их принад­лежности к горючей массе состав можно записать: С^гт+Н^г+O^г+N^г+S^г=100 %.

Состав топлива по отношению к сухой массе запи­сывают С^с+Н^с+0^с+N^с+S^с+А^с=100 %.

Главнейшие свойства топлива: теплота сгорания, тем­пература воспламенения, температура плавления золы, механическая прочность (последние три — только для твердого топлива), склонность к самовозгоранию.

Жидкое топливо, кроме того, характеризуется вяз­костью и температурой вспышки.

Теплота сгорания представляет собой количество теп­ловой энергии, выделяющейся при полном сгорании еди­ницы массы твердого, жидкого, газообразного топлива. Теплоту сгорания обозначают буквой Q с верхним ин-Аексом, соответствующим массе топлива (Q^O, Q^Г, Q^C, Q^P), и с нижним индексом для высшей (Q^р_в) или низшей (Q^р_н). Высшая теплота сгорания включает теплоту конденсации водяных паров, образующихся при горении топлива, а низшая предусматривает сохранение водяных паров в продуктах горения в газообразном состоянии. Для расчетов значение имеет низшая теплота сгорания рабочего топлива Q ^р_в, которая и приводится в справоч­никах.

Температура воспламенения — величина, при дости­жении которой топливо воспламеняется без участия оча­га горения. Температура воспламенения повышается по мере снижения в нем содержания летучих горючих веществ.

Температура плавления золы — одно из основных свойств твердого топлива, ибо определяет принципы его сжигания. Различают четыре группы зол с различной температурой плавления: легкоплавкую, до 1433 К; среднеплавкую, 1433—1623 К; тугоплавкую, 1623—1773 К; огнеупорную, свыше 1733 К. От легкоплавкой золы в топ­ках (тепловых генераторах) получается омоноличенный конгломерат в виде пористого шлака, от среднеплавкой и тугоплавкой золы — минеральный остаток в виде сме­си золы и шлака, от огнеупорной золы — остаток, состоя­щий из тонкодисперсного зольного порошка.

Механическая прочность определяет возможность топлив применять их в шахтных печах и других установках, где топливо не должно измельчаться под действием на него 8—10-метрового слоя шихты.

Склонность к самовозгоранию определяет его требо­вание к транспортированию и хранению. При хранении некоторых видов твердого топлива за счет выветривания и за счет окисления находящихся примесей, например сульфидов железа кислородом воздуха, из топлива вы­деляется значительное количество теплоты. Этот про­цесс сопровождается разрыхлением и нагреванием угля, что приводит к самовозгоранию. Склонность к самовоз­горанию присуща бурым и некоторым низшим сортам каменного угля.

Жидкое топливо характеризуется температурой вспышки — величиной, при которой жидкое топливо за­горается в присутствии источника горения.

Виды твердого топлива и его свойства.

Древесина — дрова, отходы деревообрабатывающей промышленности. Элементарный состав — клетчатка (С₆Н₁₀О₅)n. Древесина содержит до 85% летучих горю­чих веществ. В составе древесины почти нет серы, золь­ность до 2%. Влажность колеблется от 30 до 60 % теплота сгорания древесины невелика и составляв 12600 кДж/кг. Являясь ценнейшим сырьем для химичecкой, целлюлозной и других отраслей промышленности, древесина в виде топлива используется крайне редко.

Торф — продукты разложения растительных остатков в условиях высокой влажности без доступа воздуха. Торф широко распространен в стране. Зольность торфа ввиду его засоренности примесями очень высока (15—20%). В настоящее время использование торфа даже на небольших предприятиях резко ограничено в связи с необходимостью сохранения его запасов для использования в качестве удобрений для сельского хо­зяйства.

Горючие сланцы как топливо имеют большой недос­таток — низкую теплоту сгорания (≈6000—8000кДж/кг) в сочетании с многозольностью. При сжигании 1 т слан­цев получается около 1 м³ золы, поэтому их использова­ние в качестве промышленного топлива имеет тенденцию к сокращению.

Бурый уголь — самый молодой по времени образова­ния уголь, имеющий небольшую прочность. Теплота сго­рания его 9000—13000 кДж/кг. Основной недостаток бу­рых углей — наличие значительного (до 4 %) количества серы. В них содержится до 30—40 % горючих летучих веществ и до 30 % золы и шлаков.

Каменный уголь по сравнению с бурым имеет боль­шую механическую прочность. Теплота его сгорания до­стигает 20000—24000 кДж/кг. Количество горючих ле­тучих веществ составляет 6—8%. Каменный уголь в от­личие от бурого не возгорается при хранении. Каменные угли в качестве технологического топлива широко ис­пользуются на предприятиях строительной индустрии.

Антрацит — самый ценный вид твердого топлива. Теплота его сгорания достигает 25000—26000 кДж/кг. Антрацит относится к короткопламенному топливу, ибо содержание горючих летучих веществ в нем незначи­тельно, поэтому его применяют в шахтных печах, рабо­тающих по пересыпному способу.

Кокс — продукт высокотемпературной термической обработки каменных углей без доступа воздуха. Кокс высококалориен, прочен, термостоек, при хранении несамовозгораем. Для получения кокса пригодны только Рисующиеся каменные угли. В процессе коксования из угля выделяются горючие летучие вещества (образуется коксовый газ) и образуется коксовый остаток — кокс, состоящий из углерода и минеральной части топлива.

Нефть в качестве топлива в нашей стране не исполь­зуется, а подвергается термической переработке с полу­чением многих ценных продуктов для народного хо­зяйства.

Мазут — последняя фракция термической переработ­ки нефти. Использование мазута в промышленности предпочтительнее, чем твердого топлива. Мазут высоко­калориен (Q^р_н~ 40000 кДж/кг) и практически не со­держит серы. Мазут при обычных температурах пред­ставляет собой застывшую жидкость и переходит в вязкотекучее состояние при 60—80 °С. Транспортируют ма­зут в цистернах, для перекачки в мазутохранилище его разогревают, опуская в цистерны змеевики с паровым обогревом. Для разогрева мазута мазутохранилища обо­рудованы паровыми рубашками. Несмотря на некоторые сложности применение мазута для отопления промыш­ленных установок экономически выгоднее, чем примене­ние твердого топлива.

Газообразное топливо. В качестве топлива в промыш­ленности строительных материалов широко применяет природный газ. Природный газ — наиболее дешевый вид топлива, не требующий специальных устройств кром газовых горелок. Наша страна обладает большими запасами природного газа. Природный газ — сухое беззольное высококалорийное (Q^р_н — 32000—35000 кДж/м³) топливо. При проектировании тепловых установок и их эксплуатации должна соблюдаться строжайшая эконо­мия топлива.

Условное топливо. Для сравнения работы тепловых установок по, расходуемому топливу вводится понятие условное топливо, низшая теплота сгорания которого Q^р_н=29300 кДж/кг. Отношение (Q^р_н данного топлива к Q^р_н условного топлива обозначают буквой Э. Тогда для пересчета расхода любого натурального топлива G_н в условное Gу достаточно значение G_н умножить на ве­личину Э.