Основные свойства топлива в металлургии
Для ведения многих металлургических процессов требуется высокая температура, которая создается при сжигании какого-либо топлива.
Топливом называется вещество, при горении которого выделяется тепло, которое можно (при современном развитии техники) использовать для промышленных целей или в быту.
Топливо содержит в виде различных соединений углерод, водород, азот, кислород, серу и некоторые количества минеральных веществ, образующих после сжигания топлива золу. Применяют твердое, жидкое и газообразное топливо.
Углерод (С) является наиболее важной составляющей как твердого, так и жидкого топлива. Содержание его в нефти достигает около 85%, а в антрацитах — более 90%.
При сгорании на воздухе углерод превращается в двуокись, выделяя при этом тепло
С + O2 = CO2 + 97650 кал
а при недостатке кислорода образует окись, выделяя при этом меньшее количество тепла
2С + O2 = 2СО + 29430 кал
Водород является весьма важным элементом в топливе. Он сгорает с образованием воды H2+1/2O2 = (H2O) пар + 57810 кал.
Зола является балластной частью топлива, засоряющей топку, так как содержит негорючие составляющие топлива, состоящие из пород, захваченных при его добыче. Она состоит из окислов железа, алюминия, кремния и соединений щелочных и щелочно-земельных металлов. Иногда в золе содержатся денные металлы, например, германий.
Основными составляющими газообразного топлива являются горючие компоненты: окись углерода, водород, метан (CH4), этилен (C2H4), и негорючие компоненты — азот, двуокись углерода и сернистый газ. В промышленности используются искусственно полученные в газогенераторах и природные газы.
Состав топлива устанавливают анализом, содержание каждого компонента в весовых процентах дается отдельно:
С + H + О + N + S + А + W = 100%;
где А — зола; W — влага.
Анализу подвергают воздушно-сухое топливо (высушенное при 15—20°), рабочее топливо (содержащее влагу) и абсолютно сухое топливо (высушенное при 105°).
При анализах газообразного топлива его составляющие определяют в объемных процентах.
При нагреве топлива без доступа воздуха в условиях, исключающих его сгорание, топливо разлагается на летучие (газы и пары) и кокс (твердый остаток). В состав летучих входят горючие и негорючие газы, а в состав кокса — углерод и зола.
Одним из важнейших факторов, определяющих качество топлива, является его теплотворная способность (теплотворность), т. е. количество тепла, выделяющееся при сгорании 1 кг твердого или жидкого и 1 нм3 газообразного топлива. Теплотворность выражается в килокалориях на 1 кг или на 1 нм3 (ккал/кг или ккал/нм3) и обозначается символом Q. Теплотворность углерода равна 8138 ккал/кг, а окиси углерода — 3050 ккал/нм3.
Различают высшую и низшую теплотворность топлива. При сгорании содержащегося в топливе водорода образуются пары воды, при конденсации которых выделяется теплота (скрытая теплота парообразования). Высшая теплотворность топлива — общий приход тепла от сгорания топлива с учетом скрытой теплоты парообразования. В топках пары воды практически не конденсируются; в этом случае скрытую теплоту парообразования исключают из общего прихода тепла и получают низшую теплотворность топлива.
Теплотворная способность топлива может быть определена экспериментально в калориметрической бомбе, либо рассчитана по формуле Менделеева по результатам анализа топлива
Qнр = 981Ср + 246Нр — 26 (Ор — Sр) — 6WP ккал/кг,
где Cр, Hр, Oр, Sр и Wр — содержание перечисленных компонентов в рабочем топливе, % (вес).
Для сравнения теплотворности различных видов топлива введено понятие условного топлива, под которым понимают топливо с теплотворностью 7000 ккал/кг, отвечающей примерно теплотворности донецкого коксового угля.