Содержательный модуль 4 «топливо» лекция. Топливо и основы теории горения

План:

1. Состав топлива.

2. Характеристика топлива.

3. Моторные топлива для поршневых ДВС.

4. Топочные устройства.

5. Расчеты полного сгорания топлива.

6. Теплотехнические показатели работы топок.

7. Котельный агрегат и его элементы. Тепловой баланс котельного агрегата.

1. Состав топлива.

Топливом называется горючее вещество, используемое в качестве источника получения теплоты в энергетических, промышленных и отопительных установках. В зависимости от типа реакций, в результате которых выделяется теплота из топлива, различают органическое и ядерное топливо. В настоящее время и по прогнозам до 2030 г. органическое топливо является основным источником энергии (теплоты) для промышленного использования.

Таблица 1. Потребление органического топлива в 1993 г.

Потребитель	Вид топлива
	Твердое	Жидкое	Газообразное
Во всем мире, млрд.т у.т.	3,21	4,29	2,66

Примечание: у.т. – условного топлива

В органических топливах теплота выделяется в результате химической реакции окисления его горючих частей при участии кислорода, а в ядерных топливах – в результате распада деления ядер тяжелых элементов (урана, плутония и т.д.).

Таблица 2. Классификация органических топлив по агрегатному состоянию

Топливо	Агрегатное состояние
	Твердое	Жидкое	Газообразное
Природное	Дрова, торф, бурые и каменные угли, антрацит, горючие сланцы	Нефть	Природный газ
Искусственное	Древесный уголь, полукокс, кокс, угольные и торфяные брикеты	Мазут, керосин, бензин, соляровое масло, газойль, печное топливо	Газы нефтяной, коксовый, генераторный, доменный, газ подземной газофикации

Твердые и жидкие топлива состоят из горючих (углерода - С, водорода - Н, летучей серы - S_л == S_ор + S_к) и негорючих (азота - N и кислорода - О) элементов и балласта (золы - А, влаги - W). Элементарный состав твердого и жидкого топлива дается в процентах к массе 1 кг топлива. При этом различают рабочую, сухую, горючую и органическую массу топлива. Рабочая масса – это масса и состав топливо, в котором поступает к потребителю и подвергается сжиганию. Состав рабочей, горючей, сухой и органической массы обозначается соответственно индексами "р", "с", "г" и "о" и выражаются следующими равенствами:

С^р + Н^р + S^р_л + N^р + O^р + A^р + W^р = 100 % ; (1)

С^с + Н^с + S^с_л + N^с + O^с + A^с = 100 % . (2)

С^г + Н^г + S^г_л + N^г + O^г = 100 % ; (3)

С^о + Н^о + S^о_орг + N^о + O^о = 100 % . (4)

Органическая масса топлива в отличии от горючей массы содержит только органическую серу и не включает колчеданную:

S^о_орг = S^о_л - S^о_к . (5)

Коэффициенты пересчета состава топлива из одной массы в другую приведены в табл. 3.

Т а б л и ц а 3.

Заданная масса топлива	Коэффициенты пересчета на массу
	рабочую	горючую	сухую
Рабочая	1	100/[100 - (Aр + Wр)]	100/(100 - Wр)
Горючая	[100 - (Aр + Wр)]/100	1	(100 - Aс)/100
Сухая	(100 - Wр) / 100	100 / (100 - Aс)	1

Для сланцев состава (С^р, Н^р, S^р_л, N^р, O^р, A^р, W^р) пересчет с рабочей массы на горючую осуществляется с помощью коэффициента:

К = 100 / [100 - A^р_и - W^р - (СО₂)^р_к] , (6)

где A^р_и - истинная зольность рабочей массы, %·, W^р - влажность рабочей массы, %, (СО₂)^р_к - содержание углекислоты карбонатов, %. Истинная зольность рабочей массы определяется по формуле

A^р_и = A^р - [2,5(S^р_а - S^р_с ) +0,375S^р_к] [(100 - W^р) / 100], (7)

где S^р_а - содержание серы в лабораторной золе в процентах к массе топлива; S^р_с - содержание сульфатной серы в топливе, %. Величина [2,5(S^р_а - S^р_с) +0,375S^р_к] для ленинградских и эстонских сланцев может быть принята равной 2,0, для кашпирских - 4,1. Пересчет состава (%) рабочей массы топлива при изменении влажности производится по формулам :

С^р₂ = С^р₁(100 - W^р₂) / (100 - W^р₁)

H^р₂ = H^р₁(100 - W^р₂) / (100 - W^р₁) , (8) .................................................

где W^р₁ - начальная влажность топлива, %, W^р₂ - конечная влажность топлива, %.

Средний состав (%) смеси двух твердых или жидких топлив, заданных массовыми долями, - первого (С^р₂, H^р₂ ....)и второго (С^р₁, H^р ...) - определяется по уравнениям:

С^р_см = b₁ C^р₁ + (1 - b₁) C^р₂ ,

H^р_см = b₁ H^р₁ + (1 - b₁) H^р₂ , (9)

где массовая доля b₁ одного из топлив в смеси находится по формуле:

b₁ = В₁ /(В₁ + В₂) . (10)

Здесь В₁ и В₂ - массы топлив, входящих в смесь, кг. Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов. Горючая часть состоит из предельных (?С_nH_2n+2) и непредельных (С_nH_2n) углеводородов, водорода Н₂, окиси углерода СО, и сернистого водорода (Н₂S). В состав негорючих элементов входит азот ( N₂) , углекислый газ (СO₂) и кислород (О₂). Составы природного и искусственного газообразных топлив различны. Природный газ характеризуется высоким содержанием метана (СH₄), а также небольшого количества других углеводородов: этана (С₂H₆), пропана (С₃H₈), бутана (С₄H₁₀), этилена (С₂H₄), и пропилена (С₃H₆). В искусственных газах содержание горючих составляющих (водорода и окиси углерода) достигает 25-45%, в балласте преобладают азот и углекислота – 55-75%. Состав газообразного топлива задается в объемных долях и в общем виде можно записать следующим образом:

С_nH_2n+2 + С_nH_2n + Н₂ + СО + Н₂S + О₂ + N₂ + CО₂ = 100% , (11)

где С_nH_2n+2 – предельные углеводороды;С_nH_2n – непредельные угловодороды; Н₂S – сернистый водород.СО – окись углерода; CО₂ - углекислый газ.