Состав и теплота сгорания топлива
Основными горючими элементами топлива являются углерод и водород, которые находятся в топливе в виде различных соединений между собой и с другими элементами - азотом, кислородом, серой.
Основной составляющей газообразного топлива является метан СН4, который находится в топливе совместно с другими газообразными компонентами – СO2, С0, С2Н4, N2
Все эти компоненты могут быть определены при газовом анализе топлива. Жидкое нефтяное топливо состоит из различных углеводородов, определить которые при химическом анализе очень сложно. Поэтому для жидких топлив даётся элементарный состав, то есть процентное содержание по массе углерода (С), водорода (H), кислорода (0), азота (N), серы (S), а также золы (А) и влаги (W). По этим данным могут быть проведены все необходимые расчеты при использовании топлива в каком-либо топочном устройстве. Топливо характеризуется рабочей массой, показывающей, какое топливо поступает в двигатель:
CP + HP + OP +NP +SP +AP +WP = 100%, (2.1)
а также сухой (безводной) массой и горючей массой, представляющей собой безводный и беззольный состав топлива. Соответственно имеем:
CC +HC +OC +NC + SC +AC = 100%
C r +H r +O r +N r +S r =100%
Состав топлива можно пересчитать с одного вида на другой при помощи множителей.
Теплотой сгорания топлива называется количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг (1 м3 для газов) топлива при стандартных условиях (B0 = 760 им рт. ст. t0 = 20ºC). Теплота сгорания определяет удельный расход топлива в двигателе - чем больше теплота сгорания, тем меньше удельный расход топлива. Различают высшую Нu и низшую Нu теплоту сгорания.
Высшей теплотой сгорания называется количество тепловой энергии, которое выделяется при полном сгорании единицы массы топлива при нормальном атмосферном давлении и охлаждении продуктов сгорания до 25°С. В этом случае учитывается теплота, выделившаяся при конденсации паров воды, находящейся в продуктах сгорания. В двигателе теплота конденсации воды не учитывается, так как вода выбрасывается вместе с продуктами сгорания в виде пара. Поэтому в технике пользуются низшей теплотой сгорания Нu , которая не включает теплоту конденсации паров воды.
Нв =Нu + 6(Wp + 9 Hp ) ккал/кг, (× кДж/кг) (×4,19 кДж/кг)
где Wp и Hp - процент содержания влаги и водорода в топливе по массе.
Теплоту сгорания определяют опытным путём, сжигая топливо в калориметре, или по эмпирическим формулам.
Теплота сгорания зависит от элементарного состава топлива. Высокую теплоту сгорания имеют топлива с большим процентным содержанием водорода и углерода и малой зольностью. Входящие в состав топлива кислород, азот, вода и негорючие минеральные вещества - зола (А ) - являются балластом и снижают теплоту сгорания топлива. Если известен элементарный состав топлива, то теплота сгорания может быть подсчитана по эмпирической формуле Д.И.Менделеева:
Hu = 81 Cp + 246 Hp – 26(Op – Sp) – 6Wp ккал/кг, (×4,19 кДж/кг) (2.2)
где Сp, Hp, Op, Sp, Wp - содержание углерода, водорода, кислорода, серы и воды в топливе в процентах по массе. Низшая теплота сгорания может быть подсчитана и по другим формулам.
Точность расчета теплоты сгорания топлива по эмпирическим формулам составляет ± 2 -3 %. Низшая теплота сгорания реактивных топлив Т-I, TC-I (керосин) должна быть не менее 43000 кДж/кг. Теплота сгорания дизельного топлива Нu = 42528 – 42822 кДж/кг, мазутов 38130 – 41900 кДж/кг, природных газов 42000 - 50000 кДж/кг, (ρ = 0,750 – 1,288 кг/м3). Рабочая теплота сгорания мазутов зависит от содержания в них воды. Понижение теплоты сгорания в зависимости от степени обводнения показано на графике рис 2.1, который можно использовать для ориентировочного определения теплоты сгорания обводненного топлива, если известны его плотность и содержание воды. Самой большой теплотой сгорания обладает водород – Нu = 120462,5 кДж/кг; однако вследствие малой плотности и высокой взрывоопасности применение его как топлива вызывает большие трудности.
Рис.2.1. Зависимость низшей теплоты сгорания топлива от содержания воды. Цифры на линиях – плотность при 15° С, г/см3
Газообразное топливо
Для сжигания в камерах сгорания ГТД могут быть использованы как природный газ, так и ряд промышленных газов - коксовый, генераторный, доменный, подземной газификации углей. Природный газ имеет наибольшую среди них теплоту сгорания и в настоящее время широко применяется как топливо для газотурбинных установок, работающих на магистральных газопроводах, электростанциях, в промышленности.
Природные горючие газы представляют собой смеси различных углеводородов, в основном метанового ряда , и незначительных количеств СО2 , CО, N2 и др. Состав природного газа зависит от месторождения.
Газ, содержание метана в котором доходит до 90 %, называются сухим. Газ, основой состава которого являются высшие углеводороды и в котором мало метана, называется жирным. Состав и основные показатели природного газа приведены в специальной литературе.
Бурное развитие газовой промышленности в последние годы обусловлено многими очевидными достоинствами газообразного топлива. Хорошее перемешивание с воздухом, которое может быть обеспечено газогорелочным устройством, позволяет эффективно сжигать газ в различных топочных устройствах. При сжигании природного газа в камерах сгорания ГТУ коэффициент полноты сгорания достигает величины ηг = 0,99 - 1,0 при весьма незначительном нагарообразовании в камере. В результате перевода котлов с твердого топлива на газ исчезают потери с механическим недожогом. Огромное значение имеет также дешевизна природного газа в сочетании с высокой теплотой сгорания, которая позволяет газу конкурировать с другими видами топлива при его подаче по трубопроводам из районов добычи в места потребления. К достоинствам газообразного топлива следует также добавить компактность системы газопроводов, особенно по сравнению с громоздкими системами топливоподачи и приготовления топлива в котельных, работающих на твердом топливе.
Таким образом, газ является совершенным топливом для современных ГТУ и других топочных устройств. Только следует помнить, что эксплуатация газового хозяйства требует строгого соблюдения мер техники безопасности ввиду взрывоопасности газа.