Продукты сгорания твердого топлива

Удельная теплота сгорания топлива и горючих материалов

В таблицах представлена массовая удельная теплота сгорания топлива (жидкого, твердого и газообразного) и некоторых других горючих материалов. Рассмотрено такое топливо, как: уголь, дрова, кокс, торф, керосин, нефть, спирт, бензин, природный газ и т. д.

При экзотермической реакции окисления топлива его химическая энергия переходит в тепловую с выделением определенного количества теплоты. Образующуюся тепловую энергию принято называть теплотой сгорания топлива. Она зависит от его химического состава, влажности и является основным показателем топлива. Теплота сгорания топлива, отнесенная на 1 кг массы или 1 м 3 объема образует массовую или объемную удельную теплоты сгорания.

Удельной теплотой сгорания топлива называется количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы или объема твердого, жидкого или газообразного топлива. В Международной системе единиц эта величина измеряется в Дж/кг или Дж/м 3 .

Удельную теплоту сгорания топлива можно определить экспериментально или вычислить аналитически. Экспериментальные методы определения теплотворной способности основаны на практическом измерении количества теплоты, выделившейся при горении топлива, например в калориметре с термостатом и бомбой для сжигания. Для топлива с известным химическим составом удельную теплоту сгорания можно определить по формуле Менделеева.

Различают высшую и низшую удельные теплоты сгорания. Высшая теплота сгорания равна максимальному количеству теплоты, выделяемому при полном сгорании топлива, с учетом тепла затраченного на испарение влаги, содержащейся в топливе. Низшая теплота сгорания меньше значения высшей на величину теплоты конденсации водяного пара, который образуется из влаги топлива и водорода органической массы, превращающегося при горении в воду.

Для определения показателей качества топлива, а также в теплотехнических расчетах обычно используют низшую удельную теплоту сгорания, которая является важнейшей тепловой и эксплуатационной характеристикой топлива и приведена в таблицах ниже.

Удельная теплота сгорания твердого топлива (угля, дров, торфа, кокса)

В таблице представлены значения удельной теплоты сгорания сухого твердого топлива в размерности МДж/кг. Топливо в таблице расположено по названию в алфавитном порядке.

Наибольшей теплотворной способностью из рассмотренных твердых видов топлива обладает коксующийся уголь — его удельная теплота сгорания равна 36,3 МДж/кг (или в единицах СИ 36,3·10 6 Дж/кг). Кроме того высокая теплота сгорания свойственна каменному углю, антрациту, древесному углю и углю бурому.

К топливам с низкой энергоэффективностью можно отнести древесину, дрова, порох, фрезторф, горючие сланцы. Например, удельная теплота сгорания дров составляет 8,4…12,5, а пороха — всего 3,8 МДж/кг.

Продукты сгорания топлива

Состав продуктов сгорания. При сжигании топлива образуются продукты сгорания, содержащие следующие компоненты: углекислый газ СО ₂, водяные пары Н₂О, сернистый ангидрид SО₂, кислород О_2, азот N₂, а также основной продукт химической неполноты сгорания окись углерода CО.

Также в продуктах сгорания в небольших количествах присутствуют окислы азота NO, NO₂, серный ангидрид SO₃, водород, метан и углеводороды. Однако из-за малого количества влиянием этих компонентов на объем и теплоту сгорания пренебрегают.

Применяя к продуктам неполного сгорания законы газовой смеси, их объем можно выразить суммой парциальных объемов отдельных компонентов смеси:

Все объемы в уравнении (4.9) выражаются в м 3 при нормальных физических условиях в расчете на 1 кг сгоревшего топлива (для природного газа – на 1 м 3 ). При этом объем каждого компонента находится при давлении, равном давлению смеси. Очевидно, что при полном сгорании топлива в уравнении (4.9) будет отсутствовать объем окиси углерода V_CО.

Для удобства сопоставления расчетных и опытных данных продукты сгорания топлива условно разделяют на сухие газы и водяные пары.

Состав продуктов сгорания выражается в процентах по объему сухих газов V_СГи обозначается химическими символами их компонентов. Например: содержание углекислого газа находится по формуле СО₂ = 100 V_СО2 / V_СГ %, азота по формуле N₂ = 100V_N2 / V_СГ и т.д. Отсюда можно получить балансовое уравнение состава сухих газов при полном сгорании топлива:

Котельные газоанализаторы показывают суммарное содержание углекислого и сернистого газов, которое называется сухими трех атомными газами RО₂. Тогда уравнение (4.10) примет вид:

При неполном сгорании в уравнение добавляется содержание окиси углерода

Результаты газового анализа, полученные наладочной организацией при теплобалансовых испытаниях котлов, приводятся в режимных картах котлов. При повседневной работе данные текущего газового контроля сравниваются с данными режимной карты котла и персонал своевременно принимает меры по обеспечению экономичного режима горения.

Содержание вредных примесей в продуктах сгорания. К вредным примесям относятся токсичные вещества, такие как: сернистый ангидрид SO₂, серный ангидрид SO₃, окислы азота NO и NO₂, бенз(а)пирен C₂₀ H₁₂, окись ванадия V₂O₅ и др., а также загрязняющие вещества: сажа, летучая зола, частицы несгоревшего топлива. В зависимости от вида и способа сжигаемого топлива концентрация в продуктах сгорания, например, окислов азота достигает 3 – 4 г/ м 3 , окислов азота до 0,35 г/ м 3 , окиси углерода до 0,3 г/ м 3 , бенз(а)пирена – до 50 · 10 – 8 г/ м 3 ; золы до 0,1 г/ м 3 .

Приведенные значения превышают предельно допустимые концентрации (ПДК ) этих вредных веществ в приземном слое в десятки и сотни раз.

Продукты сгорания твердого топлива

Атмосферный воздух является жизненно важным компонентом окружающей природной среды, представляющим собой естественную смесь газов атмосферы, находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений. Органические топлива, используемые на ТЭС и в котельных для получения электрической и тепловой энергии, наряду с углеродом и водородом часто имеют в своем составе серу и азот. При сжигании топлива на ТЭС образуются продукты сгорания, содержащие летучую золу, частицы недогоревшего пылевидного топлива, сернистый и серный ангидрид, оксиды азота и газообразные продукты неполного сгорания, а при сжигании мазута, кроме того соединения ванадия, соли натрия, коксик и частицы сажи. В золе некоторых топлив имеются мышьяк, свободный диоксид кремния, свободный оксид кальция и др.

Проектирование и сооружение электростанций ведут с соблюдением требований по предельно допустимым концентрациям основных выбросов, загрязняющих атмосферу отходящими газами, на уровне дыхания человека. Это обеспечивается установкой эффективных золоуловителей и сооружением дымовых труб, позволяющих рассеивать дымовые газы на большие расстояния, снижая тем самым локальные концентрации вредных веществ.

Оксиды углерода CO, CO2 [5]

При сжигании углеродных топлив происходит окисление углерода и его соединений кислородом воздуха с образованием диоксида углерода в качестве продукта полного окисления (сгорания).

В то же время вследствие локальных недостатков воздуха или неблагоприятных тепловых или аэродинамических условий в топках и камерах сгорания образуются продукты неполного сгорания, основную долю которых составляет монооксид углерода CO.

Объемная доля СО в продуктах сгорания паровых котлов обычно не превышает сотых долей процента и характеризует потери тепла в котле от химической неполноты сгорания.

Объемная доля СО₂ в уходящих газах значительно выше, она составляет 10-14% в зависимости от вида топлива. Больше всего от углей, меньше всего от природного газа.

Оксиды серы SO2, SO3 [5]

Содержащаяся в топливе сера служит источником образования оксидов серы SO_x: сернистого SO₂ и серного SO₃ ангидридов. Суммарный массовый выброс SO_x зависит только от содержания серы в топливе S r . Сера в твердых топливах может содержаться в трех видах: органическая S_ор, колчеданная S_к и сульфатная S_с. Органическая сера входит в состав сложных высокомолекулярных органических соединений топлива. Колчеданная сера — это ее соединения с металлами (чаще железный колчедан FeS₂), она входит в состав минеральной части топлива. Сульфатная сера находится в минеральной части топлива в виде сульфатов щелочных металлов (CaSO₄ и MgSO₄) и поэтому в процессе горения дальнейшему окислению не подвергается и переходит в золу. Сера в мазуте находится главным образом в составе сероорганических соединений и в меньшей степени в виде H₂S и серы элементарной. В состав газообразных топлив сера входит только в виде сероводорода H₂S или сернистого ангидрида SO₂.

Оксиды азота NOх [5]

При сжигании органических топлив азот, содержащийся в воздухе и топливе, становится реакционно-способным и, соединяясь с кислородом, образует оксиды:

Экспериментальные и промышленные исследования показали, что основная доля образовавшихся NO_x, а именно 95-100%, приходится на монооксид (оксид) азота NO. Диоксид NO₂ и гемиоксид N₂O азота образуются в значительно меньшем количестве, их доля приблизительно составляет: для NO₂ 4%, а для N₂O сотые доли процента от общего выброса NO_x.

Существуют два принципиально различных источника образования оксида азота NO при горении органических топлив: это окисление атмосферного (молекулярного) азота N₂ воздуха, используемого в качестве окислителя при горении, и окисление азотсодержащих составляющих топлива.

Гемиоксид азота N₂O, образующийся при сжигании топлива, является по всей видимости, кратковременным промежуточным веществом, он практически отсутствует в продуктах сгорания за котлами.

Зола твердого топлива [5]

Основная часть минеральной составляющей топлива переходит в процессе сжигания в летучую золу, уносимую дымовыми газами. Зольность отечественных углей колеблется в широких пределах (10-55%). Соответственно изменяется и запыленность дымовых газов, которая для высокозольных углей становится равной 60-70 г./м 3 .

Химический состав золы твердого топлива весьма разнообразен. Обычно зола состоит из оксидов кремния, алюминия, титана, калия, натрия, железа, кальция и магния. Кальций находится в виде свободного оксида, а также в составе силикатов, сульфатов и других соединений. От содержания оксида кальция зависит токсичность золы.

Масштаб загрязнения окружающей среды выбросами золы твердого топлива значителен. В отличие от газовых компонентов, которые в процессе диффузии распространяются как на нижние, так и на верхние слои атмосферы, вследствие чего их концентрация в приземном слое значительно снижается, золовые частицы в основном оседают на землю.

Сравнительный анализ двух смесевых твердых топлив с точки зрения экологичности продуктов сгорания

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 13.01.2020 2020-01-13

Статья просмотрена: 9 раз

Библиографическое описание:

Пикалов М. Е. Сравнительный анализ двух смесевых твердых топлив с точки зрения экологичности продуктов сгорания // Молодой ученый. — 2020. — №2. — С. 46-48. — URL https://moluch.ru/archive/292/66286/ (дата обращения: 23.02.2020).

В статье приведена методика оценки экологичности продуктов сгорания твердого топлива при проведении стендовых испытаний по результатам термодинамического расчёта.

Ключевые слова: твердое топливо, продукты сгорания, опасные соединения.

Продукты сгорания (ПС) ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) содержат значительное количество вредных веществ, таких как окись углерода, пары HCl, соединения свинца и некоторые другие. При огневых стендовых испытаниях и уничтожении отслуживших двигателей методом выжигания топливного заряда эти вещества выбрасываются в атмосферу. Некоторые из содержащихся в ПС РДТТ веществ находят применение в народном хозяйстве. Однако большинство существующих стендов для огневых испытаний не оборудовано устройствами для нейтрализации и улавливания вредных веществ [2].

В данной работе анализируется состав продуктов сгорания двух смесевых твердых ракетных топлив (СТРТ) в камере сгорания (КС) модельного РДТТ на предмет содержания вредных для окружающей среды и, в частности для человека веществ.

Моделирование состава ПС проводилось с помощью специализированного программного комплекса TERRA [3]. В качестве общих для обоих составов параметров расчёта задавались следующие параметры РДТТ:

– давление в КС ;

– давление на срезе сопла ;

– расширение ПС в тракте сопла принималось адиабатическим и равновесным.

Термодинамический расчёт проводился для топлив TP-H-3062 и ARCIT-373D, имеющих следующие составы [1]:

– Состав в процентах:

• Перхлорат аммония — 72 %
• Полиуретан — 12 %
• Порошкообразный алюминий — 16 %

– Условная химическая формула: C6.148H36.049O26.532N6.284Cl6.133Al5.94

– Полная энтальпия

– Плотность топлива:

– Состав в процентах:

• Перхлорат аммония — 58.9 %
• Поливинилхлорид — 8.62 %
• Ди-(2-этилгексил)-адипинат — 10.79 %
• Добавки — 0.69 %
• Порошкообразный алюминий — 21 %

– Условная химическая формула: C9.574H97.389O21.189N5.039Cl6.468Al7.734

– Полная энтальпия

– Плотность топлива

В работе был проведён анализ полученных составов продуктов сгорания, и были выделены наиболее вредные для окружающей среды вещества. Далее подробно рассмотрим содержание каждого из них в ПС этих топлив, и в чём заключается опасность каждого вещества.

Соляная кислота — раствор хлороводорода в воде, сильная одноосновная кислота. Бесцветная, прозрачная, «дымящаяся” на воздухе. Очень опасны пары хлороводорода, образующиеся при взаимодействии с воздухом. Они раздражают слизистые оболочки и дыхательные пути.

Соляная кислота содержится в продуктах сгорания обоих топлив, но в ПС топлива ARCIT-373D содержится 23 % по массе HCl против 21.8 % в ПС топлива TP-H-3062. Это говорит о том, что топливо ARCIT-373D несколько опаснее, как для экологии окружающей среды, так и для человека.

Диоксид азота NO₂ — бинарное неорганическое соединение азота с кислородом. Представляет собой ядовитый газ, красно-бурого цвета, с резким неприятным запахом, или желтоватая жидкость.

В ПС топлива TP-H-3062 содержится значительно большая концентрация NO₂ ( против %, то есть больше на 8 порядков).

Оксид азота NO в нормальных условиях представляет собой бесцветный газ, плохо растворимый в воде. Он не имеет запаха, но при вдыхании может связываться с гемоглобином, подобно угарному газу переводя его в форму, не способную переносить кислород.

Содержание в ПС топлив: % — TP-H-3062 и

% — ARCIT-373D.

Монооксид углерода CO (угарный газ, окись углерода, оксид углерода — бесцветный чрезвычайно токсичный газ без вкуса и запаха, легче воздуха (при нормальных условиях).

Угарный газ выделяется при горении углерода и очень опасен для человека. Содержание в ПС топлив: 12.8 % — TP-H-3062 и

26.7 % — ARCIT-373D. С точки зрения содержания этого соединения топливо ARCIT-373D гораздо опаснее.

Синильная кислота HCN — это легкая летучая жидкость с характерным запахом горького миндаля. Она является весьма сильным ядом: в количестве 0,05 грамма она уже вызывает у человека смертельное отравление.

Содержание в ПС топлив: % — TP-H-3062 и % — для топлива ARCIT-373D.

Синильная кислота является наиболее вредным веществом в продуктах сгорания твердого топлива. Ее концентрация на два порядка выше в топливе ARCIT-373D.

Азотная кислота HNO₃ по степени воздействия на организм относится к веществам 3-го класса опасности. Её пары очень вредны: пары вызывают раздражение дыхательных путей, а сама кислота оставляет на коже долгозаживающие язвы. При действии на кожу возникает характерное жёлтое окрашивание кожи, обусловленное ксантопротеиновой реакцией. При нагреве или под действием света кислота разлагается с образованием высокотоксичного диоксида азота NO₂ (газа бурого цвета).

Содержание в ПС топлив: % — TP-H-3062 и % — для топлива ARCIT-373D. Содержание этого вещества в ПС этих топлив крайне мало.

Подведём итоги сравнительного анализа состава продуктов сгорания этих топлив. Концентрация оксидов азота в ПС топлива TP-H-3062 выше, чем в ARCIT-373D, но в свою очередь концентрация угарного газа, соляной, синильной и азотной кислот значительно выше в ПС ARCIT-373D, что позволяет сделать вывод о том, что это топливо наиболее опасно из двух рассмотренных. Также удельный пустотный импульс этого топлива ниже (2808 м/с Научный журнал “Молодой Ученый” в социальных сетях:

Источники:

http://thermalinfo.ru/eto-interesno/udelnaya-teplota-sgoraniya-topliva-i-goryuchih-materialov
http://studopedia.ru/2_105687_produkti-sgoraniya-topliva.html
http://studbooks.net/2079143/matematika_himiya_fizika/produkty_sgoraniya_tverdogo_topliva
http://moluch.ru/archive/292/66286/