Состав и свойства горючих веществ

По фазовому составу горючие вещества могут быть жидкими, твердыми и газообразными.

Горючая жидкость гореть не может. Гореть могут только ее пары. На поверхности жидкости всегда происходит испарение и создается определенный слой паровоздушной смеси. Самая низкая температура горючей жидкости, при которой пары и газы способны вспыхнуть от источника зажигания (открытого пламени), но при этом скорость образования паров и газов еще недостаточна для последующего горения, называется температурой вспышки . В зависимости от тем­пературы вспышки жидкости подразделяются на виды [4]:

– легко­воспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ), когда < 61 °С в закрытом тигле и < 66 °С в открытом (например ацетон - = -18 °С; бензин - = -36...-7 °С в зависимости от мар­ки; метиловый спирт – = -5 °C; керосин – = 15...60 °С и др.);

– горючие жидкости (ГЖ), к которым относят все пожароопас­ные жидкости с большей температурой вспышки : дизельное топливо, мазут, смазочные масла и т. п.

Состав горючих веществ весьма разнообразен, как показано на рис. 1. Вещества содержат в своем составе наряду с горючими элементами и негорючие компоненты – балласт.

Рис. 1. Состав горючего вещества в твердом или жидком состоянии

Органические вещества (уголь, древесина и др.) являются термически нестойкими, и при повышении температуры начинают разлагаться с выходом из них горючих (водород, углеводороды, оксид углерода и др.) и негорючих (диоксид углерода, водяной пар и др.) газов. Эти газы называют летучими веществами. Оценку горючего вещества по выходу летучих веществ определяют путем нагрева 1 г измельченного воздушно-сухого вещества без доступа воздуха при температуре 850 ^оС в течение 7 мин. Оставшееся после нагрева твердое (нелетучее) вещество называют коксовым остатком.

После полного окисления горючих компонентов в веществе остаются минеральные негорючие примеси, называемые золой и шлаком.

При горении органического вещества или горючего газа выделяется теплота, называемая теплотой сгорания. Она определяет энергетическую ценность вещества.

Теплота сгорания – количество тепловой энергии, выделившейся при окислении горючих компонентов единицы вещества (1 кг для твердого и жидкого или 1 нм³ для газообразного топлива) газообразным кислородом. Здесь 1 нм³ представляет собой 1 м³ газового топлива, взятый при нормальных физических условиях: давление равно 0, 1013 МПа, температура – 0 ^оС.

Низшая теплота сгорания вещества – выделившаяся при горении тепловая энергия, когда в продуктах сгорания находится в виде пара.

Высшая теплота сгорания вещества , если она включает в себя теплоту конденсации водяного пара , входящего в состав продуктов сгорания, т. е. в продуктах сгорания находится в виде влаги. Теплота конденсации водяного пара при расчетах обычно принимается = 2514 кДж/кг.

Низшая и высшая теплота сгорания связаны между собой соотношением:

. (1.3)

При сжигании 1 кг органического вещества теплота конденсации водяного пара может быть определена по формуле, кДж/кг:

, (1.4)

где и – процентное содержания влаги и водорода в веществе по массе.

При анализе характеристик твердого и жидкого органического вещества, а это относится и к органическому топливу (уголь, мазут, газ), его состав обычно указывают в процентах. Для твердого и жидкого топлива состав указывается на рабочую массу (вверху индекс Р), когда топливо находится в том состоянии, в каком оно поступает потребителю (, , , , , , – составляющие химические элементы в топливе).

Природный газ, поступающий потребителю, обычно практически сухой, поэтому его указывают на сухую массу (вверху индекс С). При этом для газовой смеси берется вся совокупность всех составляющих газов без учета влаги (, , , , , , , , , , ).

Значения теплоты сгорания горючих веществ обычно приводят в справочной литературе. Вместе с тем достаточно часто при расчетах теплоты сгорания твердых и жидких веществ широко используется формула Д.И. Менделеева [6], кДж/кг,

, (1.5)

где , , , , – значения содержания углерода, водорода, кислорода, серы и влаги по массе в веществе, %.

Низшая теплота сгорания для индивидуальных горючих химических соедине­ний и их смесей может быть рассчитана также с использованием за­кона Гесса (см. п. 2.4).

Для удобства расчетов топливно-энергетических балансов топочных устройств часто используют понятие условного топлива. Под условным топливом понимают некое фиктивное топливо, при сжигании 1 кг которого выделяется 7000 ккал или 29308 кДж теплоты. С учетом этого вводится понятие теплового эквивалента для любого вида топлива, когда его теплота сгорания выражена в кДж/кг:

. (1.6)

Для некоторых твердых и жидких веществ, а также природных газов, свойства приведены в прил. 1–3.

Пример. Определить состав угля Бикинского месторождения, а также его основные характеристики: низшую и высшую теплоту сгорания, выход летучих веществ. Рассчитать низшую теплоту сгорания топлива по формуле Д.И. Менделеева и сравнить ее с табличной (прил. 2).

Решение. Для определения расчетных характеристик твердого топлива воспользуемся данными прил. 2. Из таблицы выписываем состав и характеристики угля Бикинского месторождения. Процентный элементарный состав на рабочую массу составит: = 26, 8 %; = 2, 3 %; = 0, 3 %; = 0, 7 %; = 10, 8 %; влаги в топливе = 44, 5 %; золы − = 22, 1 %.

Выход летучих веществ из угля составит: = 56 %.

Низшая теплота сгорания угля = 7830 кДж/кг.

С использованием формулы (1.3) рассчитаем высшую теплоту сгорания топлива, кДж/кг,

.

Определим низшую теплоту сгорания угля по уравнению Д.И. Менделеева (1.3), кДж/кг,

=

.

Сравнивая низшую теплоту сгорания угля, найденную по прил. 2, с рассчитанной по формуле Д.И. Менделеева, видно, что расхождение составляет значительную величину:

кДж/кг, .

Такое расхождение обусловлено значительным количеством влаги в топливе.