Жидкое топливо
Природным жидким топливом является сырая нефть. Она представляет собой смесь жидких углеводородов различного состава, в котором могут быть растворены твердые углеводороды. Сырая нефть как топливо не используется. Для производственных и водогрейных котельных агрегатов в качестве топлива применяется только отход переработки нефти – мазут.
Мазут состоит из углерода, водорода, кислорода, азота, серы, влаги и небольшого количества минеральных примесей.
В зависимости от содержания серы в рабочей массе мазуты различают на малосернистые при Sрор+к ≤ 0,5%, сернистые при 0,5% ≤ Sрор+к < 2% и высокосернистые 2% ≤ Sрор+к < 3,5%.
Мазут также принято характеризовать вязкостью, плотностью, температурой застывания, вспышки и воспламенения.
Вязкость мазута измеряют в градусах условной вязкости (°ВУ). Под условной вязкостью понимают отношение времени истечения из вискозиметра 200 см3 мазута, нагретого до 50°С по времени истечения такого же количества дистиллированной воды при 20°С.
В качестве топлива для парогенераторов и водогрейных котлов используется мазут марок 40 и 100, значительно реже – марки 200.
Газообразное топливо
В производственных парогенераторах и водогрейных котлах главным образом используются природные и попутные газы. Они представляют собой смеси углеводородов метанового ряда и балластных негорячих газов. Они имеют общую эмпирическую формулу CnH2n+2. основными представителями предельных углеводородов являются: метан СН4, этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Н10, пентан С5Н12 и т.д. При нормальных условиях первые члены ряда до бутана включительно представляют собой газы, не имеющие цвета и запаха, а последующие - жидкости.
Весьма важными свойствами газообразного топлива, влияющими на условия его использования, являются токсичность и взрываемость. Искусственные газы токсичны вследствие содержания в них окиси углерода.
В природных газах Среднего Поволжья и Башкирии содержится сероводород. Газ вместе с воздухом при определенной концентрации образует взрывные смеси, т.е. такие, которые способны воспламеняться при зажигании. Взрываемость газовоздушных смесей характеризуется низших верхним пределом воспламенения или взрываемости.
Нижним пределом взрываемости называется минимальная концентрация газа в газовоздушной смеси, при которой возможно ее воспламенение. Верхним пределом взрываемости называется максимальная концентрация газа в газовоздушной смеси, при которой возможно ее воспламенение. Таким образом, воспламенение газа возможно только в определенных границах содержания его в воздухе. С точки зрения взрываемости более опасными следует считать те горючие газы, которые имеют самый низкий предел взрываемости или самый широкий диапазон пределов взрываемости.
Теплота сгорания газообразного топлива принимается по данным калориметрических определений. При отсутствии таких данных теплота сгорания газа при нормальных условиях определяется по формуле
,
где QH2S, Qco и т.д. – теплота сгорания отдельных газов.
Горение топлива
При сжигании топлива входящие в его состав горячие элементы соединяются с кислородом воздуха. При этом происходит преобразование химической энергии топлива в тепловую, идущую на нагрев продуктов сгорания.
Химическую реакцию между веществами А и Б, протекающую с образованием продуктов М и Н, можно описать уравнением химической реакции вида:
аА+бБ↔мМ+nН.
Скорость химической реакции определяется по формуле
,
где k – константа скорости химической реакции; С1, С2 – концентрация исходных веществ А и Б; а и б – число молекул, участвующих в реакции.
Когда скорость прямой реакции становится равной скорости обратной реакции, наступает химическое равновесие. Отношение концентраций реагирующих веществ в момент равновесия называют константой равновесия Кс, которая для газообразных веществ может быть выражена через парциальное давление реагирующих газов, которая обозначается через Кр.
Величины Кс и Кр связаны между собой уравнением
,
где R – газовая постоянная; Т – температура реакции, К; ∆n – изменение числа молей.
Зависимость константы скорости реакции от температуры описывается уравнением Аррениуса.
,
где k0 – множитель; Е – энергия активации.
С ростом температуры согласно закона Аррениуса происходит увеличение скорости химической реакции горения. Однако, закон действующих масс и уравнение Аррениуса недостаточны для объяснения истинного характера протекания реакций горения водорода, углерода и его окиси.
Наиболее вероятен предложенный академиком Н.Н. Семеновым цепной характер протекания реакций горения с наличием промежуточных стадий реакций и соединением с активными центрами. Скорость течения цепных реакций превосходит скорость течения обычных химических реакций в сотни тысяч раз.
Процесс горения любой частицы натурального твердого топлива протекает еще более сложным путем и сопровождается комплексом физико-химических явлений: начинается с подогрева топлива, сопровождается испарением влаги и возгонкой летучих веществ и продолжается до момента воспламенения. Далее происходит горение летучих веществ и кокса.
Гомогенными называются реакции веществ, находящиеся в одинаковом агрегатном состоянии. К ним относятся реакции газов. Реакции горения жидких и твердых топлив протекают при разном агрегатном состоянии веществ. Такие реакции называются гетерогенными.
Гетерогенные реакции сильно зависят от скорости подвода или переноса окислителя к поверхности горящей частицы – от скорости диффузии. С повышением температуры число активных центров растет, что приводит к вспышке топлива. Температура, при которой происходит это явление, называют температурой воспламенения.
Воспламенение продуктов газификации или газообразного топлива приводит к образованию фронта пламени, состоящего из слоя смеси, в котором протекает процесс горения.
Для возможности
характеризовать горения газовоздушных
смесей в ламинарном потоке используются
понятия нормальной скорости распространения
пламени:
,
где Uн – нормальная скорость распространения пламени, см/c; а – коэффициент температуропроводности смеси, см2/c.