4. Понятие условного топлива и приведенные характеристики

Расход топлива на парогенератор данной производительности зависит от его теплоты сгорания, которая для различных топлив изменяется в больших пределах. Для сравнения по энергетической ценности и эффективности использования различных сортов топлив введено понятие об условном топливе, которому присваивается теплота сгорания, равная Q_усл=29,33 МДж/кг.

Пересчет расхода данного топлива в условной производится по соотношению

Понятие условного топлива как общим способом измерения пользуются также при планировании добычи и потребления топлива.

Приведенные характеристики, отражающие содержание влаги и золы в топливе, отнесенные к единице низшей теплоты сгорания его рабочей массы, являются более полными.

Приведенная влажность и зольность W^п и А^п, % кг/МДж, определяются по следующим соотношениям:

Соответственно более полной мерой оценки содержания серы в топливе является приведенная сернистость топлива S^п, % кг/МДж:

5. Теплота сгорания топлива

Всякая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением тепла и соответственно называется экзотермической или эндотермической. Химические реакции, протекающие в процессах горения, преимущественно сильно экзотермические, некоторые реакции, как, например, реакции восстановления углекислоты, являются эндотермическими.

Количество тепла, выделяющегося при полном сгорании единицы массы данного топлива зависит от того, в паровом или жидком состоянии находится влага в продуктах сгорания. Если водяной пар сконденсируется, и вода в продуктах сгорания будет находиться в жидком виде, то тепло парообразования освободится и тогда количество тепла, выделяющегося при сгорании единицы массы топлива, получается больше.

Количество тепла, выделяющегося при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1м³ газового топлива, при условии, что образующиеся водяные пары в продуктах сгорания сконденсируются, называется высшей теплотой сгорания топлива.

В условиях температур и парциального давления Н₂О на всем протяжении газового тракта парогенератора водяные пары, содержащиеся в продуктах сгорания, не конденсируются и вместе с ними отводятся в атмосферу. Следовательно, некоторая часть тепла, выделившегося при сгорании затрачивается на образование водяного пара и не может быть использована в парогенераторе. Поэтому теплота сгорания получается меньше освобождающейся при горении химической энергии топлива.

Количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого или 1 м³ газового топлива, за вычетом тепла парообразования водяных паров, образующихся при горении, называется низшей теплотой сгорания.

Соотношение между высшей и низшей теплотой сгорания можно написать в следующем виде:

,

где масса влаги, содержащейся в 1 кг топлива, и влаги, образующейся в результате горения водорода топлива,

,

а - теплота парообразования, условно принимаемая равной 2,51 МДж/кг.

После подстановки значений и соотношение для рабочей массы принимает вид:

Согласно первому закону термодинамики внутренняя энергия системы зависит только от состояния в данный момент, поэтому ее изменение при переходе системы от одного состояния к другому зависит от начального и конечного состояния и не зависит от пути перехода.

Применим первый закон термодинамики к закону Гесса, который гласит: тепловой эффект химической реакции зависит только от начального и конечного состояния, но не зависит от пути, по которому протекала реакция.

Этот закон был экспериментально открыт русским академиком Гессом в 1840 г. Закон Гесса позволяет вычислить тепловой эффект реакций, в которых она непосредственно не может быть измерена, а также реакций, которые при существующих условиях не происходят.

Так, например, непосредственно калориметрически определить теплоту сгорания углерода в СО по реакции

С+0,5 О₂=СО+Q_I (*).

невозможно, так как при этом одновременно с СО образуется частично и СО_2. Но легко измерить теплоту сгорания окиси углерода Qп и углерода в углекислоту Q_III по реакциям:

СО + 0,5О₂=СО₂+285,8 МДж/моль и

С + О₂=СО₂+409 МДж/моль

По закону Гесса теплота сгорания зависит только от начального и конечного состояния. Поэтому в случае, когда система переходит из начального состояния в конечное через ряд промежуточных состояний, сумма теплот сгорания при отдельных промежуточных реакциях должна равняться теплоте сгорания при непосредственном превращении, т. е.

.

Следовательно, теплота сгорания углерода в СО будет равняться:

.

К тому же результату можно прийти, производя соответствующие уравнению (*) алгебраические действия над термохимическими уравнениями реакций. Так, для рассматриваемого примера можно написать:

-

или

С+0,5 =СО+123,2 МДж/моль.

Используя закон Гесса, можно производить расчеты по определению теплоты

образования химических соединений. Теплотой образования называется тепловой эффект, получающийся при образовании соединения из его элементов. Непосредственное измерение теплоты образования представляет значительные трудности, часто реакции образования соединения совершенно не возможно провести калориметрически.

В натуральных твердых и жидких топливах горючие элементы находятся в различных химических соединениях, по теплоте образования которых нет данных и не представляется возможным учесть все разнообразие их в различных топливах. Поэтому нельзя определить теплоту сгорания топлива как сумму теплот сгорания горючих элементов. Так как теплоту сгорания твердых и жидких топлив невозможно аналитически определить по их элементарному химическому составу, то ее определяют экспериментально с помощью калориметра.

Сущность этого метода заключается в том, что в герметически закрываемом стальном цилиндрическом сосуде, называемом калориметрической бомбой, помещают в среде кислорода под давлением 2,5 – 3 МПа навеску испытуемого топлива в 1 г. Бомбу погружают в водяной калориметр. После наступления в калориметре установившегося теплового состояния при помощи электрического запальника зажигают топливо. По приросту температуры воды в калориметре, замеряемому с точностью до 0,001С, и массе пробы топлива вычисляют его теплоту сгорания, которая в этом случая называется теплотой сгорания по бомбе Q_б .

В калориметрической бомбе водяные пары, выделяющиеся при сгорании водорода и испарении влаги пробы топлива, конденсируются, выделяя теплоту парообразования. Но вместе с тем в бомбе теплота сгорания получается больше, чем , так как при сгорании пробы топлива в бомбе в среде кислорода протекают экзотермические реакции образования серной и азотной кислоты, которые в топочных условиях не имеют места.

Введя поправку к величине Q_б на теплоту образования в бомбе азотной кислоты и окисление сернистого газа в и растворение последнего в воде, получают высшую теплоту сгорания, МДж/кг.

В формуле Q_б - теплота сгорания по бомбе; 9,43*10^-2 S_ор+к – теплота, выделяющаяся при окислении в бомбе SO₂ до SO₃ и растворение последней в воде; 6,310^-6 Q_б - теплота образования азотной кислоты в бомбе для каменных и бурых углей. Для углей марок Т, ПА, А и жидких топлив эта величина равна 4,1910^-6 Q_б.

При определении теплоты сгорания сланцев и других топлив, содержащих карбонаты, при сжигании их в калориметрической бомбе карбонаты практически полностью разлагаются. Поэтому полученное опытом значение Q_б уменьшают на величину теплоты разложения карбонатов 40,610³(СО₂)^р_к, МДж/кг.

При отсутствии опытных данных для приближенного расчета теплоты сгорания твердого и жидкого топлива Q^р_н , МДж/кг, пользуется формулой Менделеева:

,

в которой коэффициенты подобранны экспериментально и несколько отличаются от теплот сгорания отдельных горючих элементов, входящих в состав топлива.

Теплоту сгорания газового топлива определяют в газовом калориметре и относят к 1 м³ сухого газа. При отсутствии опытных данных ее определяют как сумму теплоты сгорания горючих газов, входящих в состав газового топлива, по формуле:

.

В формуле:

СН₄, С₂Н₆ и т.д. – содержание горючих газов в сухом газовом топливе, % по объему;

и т.д. – теплота сгорания соответствующих газов, МДж/м³.