Дослідження складу та основних характеристик палива

            Паливо складається з горючої маси і баласту. При всій різноманітності властивостей різних видів палива горюча маса включає в основному чотири елементи: вуглець, водень, кисень і сірку. Від співвідношення цих елементів в горючій масі і вмісту в паливі баласту залежать його основні  характеристики.

      Склад твердого і рідкого палива виражають у відсотках по масі, а газоподібного — у відсотках за об'ємом. У твердому паливі розрізняють органічну, горючу, суху, робочу і аналітичну маси.

1. Органічна маса складається з вуглецю, водню, кисню, сіри, що входить до складу органічних сполук, і азоту;
2. Горюча маса, близька по складу і до органічної маси, відрізняється 
   від останньої наявністю колчеданної, або піритової сірки, що входить до складу сірчистого колчедану (FeS₂) і інших сірчистих з'єднань, окислюваних киснем в процесі згорання палива;
3. Суха маса складається з горючих компонентів і мінеральних речовин, 
   створюючих при згоранні палива золу;
4. Робоча маса складається з сухої маси і вологи ;
5. Аналітична маса складається з сухої маси і вологи, відповідної 
   підсушеному паливу, що аналізується в лабораторії.

Горюча  маса палива.

      Вуглець. Цей елемент є найважливішим  компонентом горючої маси палива. Вміст вуглецю в горючій масі палива перевищує 50% і досягає 99%. У  різних видах палива воно коливається  в  межах вказанних у таблиці 1.3.

        Вуглець, що міститься в паливі, входить до складу складних органічних з'єднань, створюючих горючу масу палива.

        Кількість тепла, що виділяється при згоранні вуглецю, який міститься в різних видах палива, неоднакова унаслідок різної витрати енергії на розрив зв'язків між атомами в молекулах неоднотипних органічних з'єднань. 
 
 

Таблиця 1.3

Вміст вуглецю  в горючій масі палива

(закруглено  в  % по масі)

 

        Водень. Він є другим за значенням компонентом палива. Вміст водню в горючій масі різних видів палива вказано в таблиці 1.4 .

  Таблиця 1.4

  Вміст водню в горючій масі різних видів  палива

  (округлено  в % по масі)

 
 

        Продукти згорання відводять з казанів і печей  зазвичай при температурі, що перевищує 100°. У цих умовах в димових газах міститься не вода, а водяна пара. На нагрівання і випаровування 1 кг вологи витрачається близько 600 ккал.

        Кількість тепла, що виділяється при згоранні 1 кг водню  у воду, називається вищою теплотою згорання, а кількість тепла, що виділяється при згоранні 1 кг водню у водяну пару, - нижчою теплотою згорання.

        Відношення вищої теплоти згорання водню до нижчої складає

68 260 : 57740,  т.  е.   близько 1,18.

        Вміст водню в  горючій масі палива підвищує його реакційну здатність і швидкість горіння.

        Підвищення вмісту водню в горючій масі твердого палива обумовлена збільшення виходу летючих речовин, що виділяються при нагрівані палива без доступу повітря.

        Кисень. Третім важливим компонентом горючої маси палива є кисень. В горючій масі різних видів палива кисень міститься в кількостях вказаних в талиці 1.5.

  Таблиця 1.5

  Вміст кисню в горючій масі різних видів палива

  (закруглено  у відсотках по масі)

    

      Високим вмістом кисню характеризується горюча маса рослиного палива, а також молодих видів добутого палива — торфу і бурого вугілля. Значно менше міститься кисню в кам'яному вугілі. У антрациті вміст кисню знижується до 1—2 %.

        Малий вміст кисню характерний також для штучних видів обуглероженного твердого палива, отримуваного з вугілля, торфу або деревени шляхом відгону з них летючих речовин.

        Кисень, що міститься в горючій масі, знижує її теплоту згорання. Це обумовлено двома чинниками.

        По-перше, наявність  кисню в горючій масі палива відповідно зменшує процентний вміст в ній вуглецю і водню, що володіють високою теплотою згорання. Кисень же є як би баластом, що входить безпосередньо до складу органічних сполук, створюючих горючу масу палива.

        По-друге, кисень, що входить до складу горючої маси, знаходиться в хімічному з'єднанні з воднем і вуглецем, наприклад у вигляді гідроксильних (ОН) і карбоксильних (СООН) груп, тобто водень і вуглець знаходятся частково в окисленому стані, що істотно знижує кількість тепла, що виділяється при їх згоранні (доокислені).

        Наявність кисню  в горючій масі твердого палива порівняно мало позначається на її теплопродуктивності, проте висока вологість палива з великим вмістом кисню обумовлює збільшення об'єма продуктів згорання унаслідок випаровування вологи і зниження в результаті цього температури, що розвивається при спалюванні палива.

        Тверде паливо з  великим вмістом кисню в горючій  масі характеризується високим виходом летючих речовин, легко запалюється і володіє високою реакційною здатністю. У легкому рідкому паливі, що дистилює, практично не міститься кисень. У сирій нафті і мазуті, хоча і в незначній кількості, міститься кисень, що входить до складу смол і нафтових кислот. У природних і нафтозаводських газах міститься вельми мало кисню (який входить до складу оксидів вуглецю). У коксових, генераторних і доменних газах міститься значна кількість зв'язаного кисню (у вигляді СО і СО₂), а вміст вільного молекулярного кисню зазвичай не перевищує 1%.

        Вміст кисню в  газі (у відсотках за об'ємом) визначають шляхом його поглинання пірогалолом, а в горючій масі твердого палива (в процентах по масі) фіксують по різниці після визначення решти компонентів горючої маси палива.

        Азот. Вміст азоту  в горючій масі твердого палива коливається  від 0,6 (дрова) до 2%  у деяких видів  вугілля і торфу.

        В процесі горіння  азот палива переходить в димові гази у вигляді молекулярного азоту  N₂. Таким чином, азот, що входить до складу складних орга-нічних з'єднань горючої маси палива, не окислюється в процесі горіння, не виділяє тепло, і вміст азоту як баласту в паливі знижує його теплоту згорання унаслідок зменшення вмісту горючих компонентів — вуглецю і водню.

        При коксуванні кам'яного  вугілля в атмосфері, в якому не має кисню, азот, що міститься в паливі, в значній мірі виділяється у вигляді аміаку NН₃.

        У нафті вміст азоту зазвичай коливається від 0,03 до 0,3%.

        У газоподібному  паливі основним видом баласту є азот — від долі відсотка в деяких природних і нафтопромислових газах до 60% в доменних газах і 75% у вагранкових газах. Гази з високим вмістом азоту характеризуються низькою теплотою згорання і зниженою топлопродуктивністю.

        Сіра. У твердому паливі містяться три види сірі: органічна, колчеданна (піритна) і сульфатна.

        Органічна сірка  S⁰ входить до складу складних органічних сполук, створюючих паливо.

        Колчеданна або  піритна, сіра S^к  входить до складу залізного колчедану FeS₂  і інших сірчистих з'єднань. При спалюванні палива колчедан згорає з утворенням сірчистого газу і оксидів заліза.

        Дані про вміст горючої сірки (органічної і колчеданної) в різних видах палива приведені в таблиці 1.6.

        Сірка різко знижує народногосподарську цінність палива, особливо технологічного. Що міститься в коксі сірка частково переходить у виплавлюванний метал, який стає ломким при високій температурі. Щоб уникнути цього сіру коксу хімічно зв'язують вапном і переводять в шлаки.

  Таблиця 1.6

  Вміст сіри в горючій масі