| Горючий материал | Горючий материал | Теплота сгорания, МДж× кг -1 | |
| Бумага разрыхленная | 13,4 | Фенопласты | 11,3 |
| Волокно штапельное | 13,8 | Хлопок разрыхленный | 15,7 |
| Древесина в изделиях | 16,6 | Амиловый спирт | 39,0 |
| Карболитовые изделия | 24,9 | Ацетон | 20,0 |
| Каучук синтетический | 40,2 | Бензол | 40,9 |
| Органическое стекло | 25,1 | Бензин | 41,9 |
| Полистирол | 39,0 | Бутиловый спирт | 36,2 |
| Полипропилен | 45,6 | Дизельное топливо | 43,0 |
| Полиэтилен | 47,1 | Керосин | 43,5 |
| Резинотехнические изделия | 33,5 | Мазут | 39,8 |
| Нефть | 41,9 | Этиловый спирт | 27,2 |
Удельная пожарная нагрузка q, МДж× м -2 определяется из соотношения , где S – площадь размещения пожарной нагрузки, м 2 , (но не менее 10 м 2).
Задача Определить категорию помещения по пожарной опасности площадью S=84 м 2 .
В помещении находится: 12 столов из деревостружечного материала массой по 16 кг; 4 стенда из деревостружечного материала массой по 10 кг; 12 скамеек из ДСП по 12 кг; 3 хлопчатобумажные шторы по 5 кг; доска из стеклопластика массой 25 кг; линолеум массой 70 кг.
Решение
1. Определяется низшая теплота сгорания материалов, находящихся в помещении (табл. 7.6):
Q =16,6 МДж/кг – для столов, скамеек и стендов;
Q =15,7 МДж/кг – для штор;
Q =33,5 МДж/кг – для линолеума;
Q =25,1 МДж/кг – для доски из стеклопластика.
2. По формуле 7.9 определяется суммарная пожарная нагрузка в помещении
3. Определяется удельная пожарная нагрузка q
Сравнивая полученные значения q=112,5 с приведенными в таблице 7.4 данными, помещение по пожарной опасности относим к категории В4.
РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
8.1. Основные понятия и определения
Вопрос Какое излучение называют ионизирующим?
Ответ Ионизирующее излучение (в дальнейшем – ИИ) – излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к образованию в этом веществе ионов разного знака. ИИ состоит из заряженных (a и b частицы, протоны, осколки ядер деления) и незаряженных частиц (нейтроны, нейтрино, фотоны).
Вопрос Какие физические величины характеризуют взаимодействие ИИ с веществом и с биологическими объектами?
Ответ Взаимодействие ИИ с веществом характеризуется поглощенной дозой.
Поглощенная доза D – основная дозиметрическая величина. Она равна отношению средней энергии dw, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:
Энергия может быть усреднена по любому определенному объёму, и в этом случае средняя доза будет равна полной энергии, переданной объёму, деленной на массу этого объёма. В системе СИ поглощенная доза измеряется в Дж/кг и имеет специальное название грэй (Гр). Внесистемная единица – рад, 1рад = 0,01 Гр. Приращение дозы за единицу времени называется мощностью дозы :
Для оценки радиационной опасности хронического облучения человека согласно [ 8.2] вводятся специальные физические величины – эквивалентная доза в органе или ткани Н T,R и эффективная доза Е.
Эквивалентная доза Н T,R – поглощенная доза в органе или ткани Т, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент данного вида излучения W R:
Н T,R =W R × D T,R , (8.3)
где D T,R – средняя поглощенная доза в ткани или органе Т;
W R – взвешивающий коэффициент для излучения вида R.
При воздействии различных видов ИИ с различными взвешивающими коэффициентами W R эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов ИИ:
(8.4)
Значения взвешивающих коэффициентов приведены в табл. 8.1 [ 8.1] .
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.
Перечень таблиц:
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 . 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 , 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.
| Топливо | |
|---|---|
| Антрацит | 26,8…34,8 |
| Древесные гранулы (пиллеты) | 18,5 |
| Дрова сухие | 8,4…11 |
| Дрова березовые сухие | 12,5 |
| Кокс газовый | 26,9 |
| Кокс доменный | 30,4 |
| Полукокс | 27,3 |
| Порох | 3,8 |
| Сланец | 4,6…9 |
| Сланцы горючие | 5,9…15 |
| Твердое ракетное топливо | 4,2…10,5 |
| Торф | 16,3 |
| Торф волокнистый | 21,8 |
| Торф фрезерный | 8,1…10,5 |
| Торфяная крошка | 10,8 |
| Уголь бурый | 13…25 |
| Уголь бурый (брикеты) | 20,2 |
| Уголь бурый (пыль) | 25 |
| Уголь донецкий | 19,7…24 |
| Уголь древесный | 31,5…34,4 |
| Уголь каменный | 27 |
| Уголь коксующийся | 36,3 |
| Уголь кузнецкий | 22,8…25,1 |
| Уголь челябинский | 12,8 |
| Уголь экибастузский | 16,7 |
| Фрезторф | 8,1 |
| Шлак | 27,5 |
Удельная теплота сгорания жидкого топлива (спирта, бензина, керосина, нефти)
Приведена таблица удельной теплоты сгорания жидкого топлива и некоторых других органических жидкостей. Следует отметить, что высоким тепловыделением при сгорании отличаются такие топлива, как: бензин, дизельное топливо и нефть.
Удельная теплота сгорания спирта и ацетона существенно ниже традиционных моторных топлив. Кроме того, относительно низким значением теплоты сгорания обладает жидкое ракетное топливо и — при полном сгорании 1 кг этих углеводородов выделится количество теплоты, равное 9,2 и 13,3 МДж, соответственно.
| Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
| Ацетон | 31,4 |
| Бензин А-72 (ГОСТ 2084-67) | 44,2 |
| Бензин авиационный Б-70 (ГОСТ 1012-72) | 44,1 |
| Бензин АИ-93 (ГОСТ 2084-67) | 43,6 |
| Бензол | 40,6 |
| Дизельное топливо зимнее (ГОСТ 305-73) | 43,6 |
| Дизельное топливо летнее (ГОСТ 305-73) | 43,4 |
| Жидкое ракетное топливо (керосин + жидкий кислород) | 9,2 |
| Керосин авиационный | 42,9 |
| Керосин осветительный (ГОСТ 4753-68) | 43,7 |
| Ксилол | 43,2 |
| Мазут высокосернистый | 39 |
| Мазут малосернистый | 40,5 |
| Мазут низкосернистый | 41,7 |
| Мазут сернистый | 39,6 |
| Метиловый спирт (метанол) | 21,1 |
| н-Бутиловый спирт | 36,8 |
| Нефть | 43,5…46 |
| Нефть метановая | 21,5 |
| Толуол | 40,9 |
| Уайт-спирит (ГОСТ 313452) | 44 |
| Этиленгликоль | 13,3 |
| Этиловый спирт (этанол) | 30,6 |
Удельная теплота сгорания газообразного топлива и горючих газов
Представлена таблица удельной теплоты сгорания газообразного топлива и некоторых других горючих газов в размерности МДж/кг. Из рассмотренных газов наибольшей массовой удельной теплотой сгорания отличается . При полном сгорании одного килограмма этого газа выделится 119,83 МДж тепла. Также высокой теплотворной способностью обладает такое топливо, как природный газ — удельная теплота сгорания природного газа равна 41…49 МДж/кг (у чистого 50 МДж/кг).
| Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
| 1-Бутен | 45,3 |
| Аммиак | 18,6 |
| Ацетилен | 48,3 |
| Водород | 119,83 |
| Водород, смесь с метаном (50% H 2 и 50% CH 4 по массе) | 85 |
| Водород, смесь с метаном и оксидом углерода (33-33-33% по массе) | 60 |
| Водород, смесь с оксидом углерода (50% H 2 50% CO 2 по массе) | 65 |
| Газ доменных печей | 3 |
| Газ коксовых печей | 38,5 |
| Газ сжиженный углеводородный СУГ (пропан-бутан) | 43,8 |
| Изобутан | 45,6 |
| Метан | 50 |
| н-Бутан | 45,7 |
| н-Гексан | 45,1 |
| н-Пентан | 45,4 |
| Попутный газ | 40,6…43 |
| Природный газ | 41…49 |
| Пропадиен | 46,3 |
| Пропан | 46,3 |
| Пропилен | 45,8 |
| Пропилен, смесь с водородом и окисью углерода (90%-9%-1% по массе) | 52 |
| Этан | 47,5 |
| Этилен | 47,2 |
Удельная теплота сгорания некоторых горючих материалов
Приведена таблица удельной теплоты сгорания некоторых горючих материалов ( , древесина, бумага, пластик, солома, резина и т. д.). Следует отметить материалы с высоким тепловыделением при сгорании. К таким материалам можно отнести: каучук различных типов, пенополистирол (пенопласт), полипропилен и полиэтилен.
| Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
| Бумага | 17,6 |
| Дерматин | 21,5 |
| Древесина (бруски влажностью 14 %) | 13,8 |
| Древесина в штабелях | 16,6 |
| Древесина дубовая | 19,9 |
| Древесина еловая | 20,3 |
| Древесина зеленая | 6,3 |
| Древесина сосновая | 20,9 |
| Капрон | 31,1 |
| Карболитовые изделия | 26,9 |
| Картон | 16,5 |
| Каучук бутадиенстирольный СКС-30АР | 43,9 |
| Каучук натуральный | 44,8 |
| Каучук синтетический | 40,2 |
| Каучук СКС | 43,9 |
| Каучук хлоропреновый | 28 |
| Линолеум поливинилхлоридный | 14,3 |
| Линолеум поливинилхлоридный двухслойный | 17,9 |
| Линолеум поливинилхлоридный на войлочной основе | 16,6 |
| Линолеум поливинилхлоридный на теплой основе | 17,6 |
| Линолеум поливинилхлоридный на тканевой основе | 20,3 |
| Линолеум резиновый (релин) | 27,2 |
| Парафин твердый | 11,2 |
| Пенопласт ПХВ-1 | 19,5 |
| Пенопласт ФС-7 | 24,4 |
| Пенопласт ФФ | 31,4 |
| Пенополистирол ПСБ-С | 41,6 |
| Пенополиуретан | 24,3 |
| Плита древесноволокнистая | 20,9 |
| Поливинилхлорид (ПВХ) | 20,7 |
| Поликарбонат | 31 |
| Полипропилен | 45,7 |
| Полистирол | 39 |
| Полиэтилен высокого давления | 47 |
| Полиэтилен низкого давления | 46,7 |
| Резина | 33,5 |
| Рубероид | 29,5 |
| Сажа канальная | 28,3 |
| Сено | 16,7 |
| Солома | 17 |
| Стекло органическое (оргстекло) | 27,7 |
| Текстолит | 20,9 |
| Толь | 16 |
| Тротил | 15 |
| Хлопок | 17,5 |
| Целлюлоза | 16,4 |
| Шерсть и шерстяные волокна | 23,1 |
Источники:
- ГОСТ 147-2013 Топливо твердое минеральное. Определение высшей теплоты сгорания и расчет низшей теплоты сгорания.
- ГОСТ 21261-91 Нефтепродукты. Метод определения высшей теплоты сгорания и вычисление низшей теплоты сгорания.
- ГОСТ 22667-82 Газы горючие природные. Расчетный метод определения теплоты сгорания, относительной плотности и числа Воббе.
- ГОСТ 31369-2008 Газ природный. Вычисление теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава.
- Земский Г. Т. Огнеопасные свойства неорганических и органических материалов: справочник М.: ВНИИПО, 2016 — 970 с.
5. Категории зданий по взрывопожарной и пожарной опасности
5.1. Здание относится к категории А, если в нем суммарная площадь помещений категории А превышает 5% площади всех помещений или 200 м 2 .
Допускается не относить здание к категории А, если суммарная площадь помещений категории А в здании не превышает 25% суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более 1000 м 2), и эти помещения оборудуются установками автоматического пожаротушения.
5.2. Здание относится к категории Б, если одновременно выполнены два условия:
а) здание не относится к категории А;
б) суммарная площадь помещений категорий А и Б превышает 5% суммарной площади всех помещений или 200 м 2 .
Допускается не относить здание к категории Б, если суммарная площадь помещений категорий А и Б в здании не превышает 25% суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более 1000 м 2), и эти помещения оборудуются установками автоматического пожаротушения.
б) суммарная площадь помещений категорий А, Б и В1-В3 превышает 5% (10%, если в здании отсутствуют помещения категорий А и Б) суммарной площади всех помещений.
Допускается не относить здание к категориям В1-В3, если суммарная площадь помещений категории А, Б и В1-В3 в здании не превышает 25% суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более 3500 м 2), и эти помещения оборудуются установками автоматического пожаротушения.
5.4. Здание относится к категории Г, если одновременно выполнены два условия:
б) суммарная площадь помещений категории А, Б, В1-В3 и Г превышает 5% суммарной площади всех помещений.
Допускается не относить здание к категории Г, если суммарная площадь помещений категорий А, Б, В1-В3 и Г в здании не превышает 25% суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более 5000 м 2), и помещения категорий А, Б и В1-В3 оборудуются установками автоматического пожаротушения.
5.5. Здание относится к категории В4, если оно не относится к категориям А, Б, В1-В3 или Г.
5.6. Здание относится к категории Д, если оно не относится к категориям А, Б, В1-В4, Г.
Приложение 1
Исходные данные для расчета удельной временной пожарной нагрузки в помещениях
Таблица 1
Низшая теплота сгорания и плотность ТГМ, ЛВЖ и ГЖ,
обращающихся в помещениях объектов железнодорожного транспорта
|
Наименование веществ и материалов |
Низшая теплота сгорания, МДж·кг -1 |
Плотность, |
|
Жидкие горючие вещества и материалы |
||
|
4. Бутиловый спирт |
||
|
5. Дизельное топливо |
||
|
6. Керосин |
||
|
8. Лак изоляционный пропиточный (БТ-99, ФЛ-98) (содержание летучих - 48%) |
||
|
10. Масло индустриальное |
||
|
11. Масло трансформаторное |
||
|
12. Масло турбинное |
||
|
13. Метиловый спирт |
||
|
15. Соляровое масло |
||
|
16. Толуол |
||
|
17. Уайт-спирит |
||
|
18. Эмаль ПФ-115 (содержание летучих - 34%) |
||
|
19. Этиловый спирт |
||
|
20. Клей (резиновый) |
||
|
Твердые горючие вещества и материалы |
||
|
21. Бумага разрыхленная |
||
|
22. Бумага (книги, журналы) |
||
|
23. Винилискожа |
||
|
24. Волокно штапельное |
||
|
25. Войлок строительный |
||
|
26. Древесина сосновая (W p = 20%) |
||
|
27. Древесно-волокнистная плита (ДВП) |
||
|
28. Древесно-стружечная плита (ДСП) |
||
|
30. Карболитовые изделия |
||
|
31. Каучук натуральный |
||
|
32. Каучук синтетический |
||
|
33. Кабель (силовой, освещения, управления, автоматики) |
||
|
34. Картон серый |
||
|
35. Кинопленка триацетатная |
||
|
36. Линолеум ПХВ |
||
|
37. Лен разрыхленный |
||
|
38. Мипора (резина пористая) |
||
|
39. Органическое стекло |
||
|
40. Обтирочный материал |
||
|
41. Плита столярная |
||
|
42. Пенополиуретан |
||
|
43. Плиты пенополистирольные |
||
|
44. Резина |
||
|
45. Стеклопластик |
||
|
46. Ткань хлопчатобумажная (в навал) |
||
|
47. Ткань шерстяная (в навал) |
||
|
48. Фанера |
||
|
49. Резиновая и полихлорвиниловая изоляция проводов |
||
Что такое топливо?
Это один компонент либо смесь веществ, которые способны к химическим превращениям, связанным с выделением тепла. Разные виды топлива отличаются количественным содержанием в них окислителя, который применяется для выделения тепловой энергии.
В широком смысле топливо является энергоносителем, то есть, потенциальным видов потенциальной энергии.
Классификация
В настоящее время виды топлива подразделяют по агрегатному состоянию на жидкое, твердое, газообразное.
К твердому природному виду причисляют каменный и дрова, антрацит. Брикеты, кокс, термоантрацит это разновидности искусственного твердого топлива.
К жидкостям причисляются вещества, имеющие в составе вещества органического происхождения. Основными их компонентами являются: кислород, углерод, азот, водород, сера. Искусственным жидким топливом будут разнообразные смолы, мазут.
Газообразное топливо является смесью разнообразных газов: этилена, метана, пропана, бутана. Помимо них в составе есть углекислый и угарный газы, сероводород, азот, водяной пар, кислород.
Показатели топлива
Основной показатель сгорания. Формула для определения теплотворной способности рассматривается в термохимии. выделяют «условного топлива», которое подразумевает теплоту сгорания 1 килограмма антрацита.
Бытовое печное топливо предназначается для сжигания в отопительных устройствах незначительной мощности, которые находятся в жилых помещениях, теплогенераторах, применяемых в сельском хозяйстве для сушки кормов, консервирования.
Удельная теплота сгорания топлива - это такая величина, что демонстрирует количество теплоты, которое образуется при полном сгорании топлива объемом 1 м 3 либо массой один килограмм.
Для измерения этой величины используют Дж/кг, Дж/м 3 , калория/м 3 . Чтобы определить теплоту сгорания, используют метода калориметрии.
При увеличении удельной теплоты сгорания топлива, снижается удельный расход топлива, а коэффициент полезного действия остается неизменной величиной.
Теплота сгорания веществ является количеством энергии, выделяющейся при окислении твердого, жидкого, газообразного вещества.
Она определяется химическим составом, а также агрегатным состоянием сгораемого вещества.
Особенности продуктов сгорания
Высшая и низшая теплота сгорания связана с агрегатным состоянием воды в получаемых после сгорания топлива веществах.
Высшая теплота сгорания это количество теплоты, выделяемое при полном сгорании вещества. В эту величину включают и теплоту конденсации водяного пара.
Низшая рабочая теплота сгорания является той величиной, что соответствует выделению тепла при сгорании без учета теплоты конденсации водяных паров.
Скрытой теплотой конденсации считают величину энергии конденсации водяного пара.
Математическая взаимосвязь
Высшая и низшая теплота сгорания связаны следующим соотношением:
Q B = Q H + k(W + 9H)
где W - количество по массе (в %) воды в горючем веществе;
H-количество водорода (% по массе) в горючем веществе;
k - коэффициент, составляющий величину 6 ккал/кг
Способы проведения вычислений
Высшая и низшая теплота сгорания определяется двумя основными методами: расчетным и экспериментальным.
Для проведения экспериментальных вычислений применяют калориметры. Сначала сжигают в нем навеску топлива. Теплота, которая будет при этом выделяться, полностью поглощается водой. Имея представление о массе воды, можно определить по изменению ее температуры, величину ее теплоты сгорания.
Данная методика считается простой и эффективной, она предполагает только владение информацией о данных технического анализа.
В расчетной методике высшая и низшая теплота сгорания вычисляется по формуле Менделеева.
Q p H = 339C p +1030H p -109(O p -S p) - 25 W p (кДж/ кг)
Оно учитывает содержание углерода, кислорода, водорода, водяного пара, серы в рабочем составе (в процентах). Количество теплоты при сгорании определяется с учетом условного топлива.
Теплота сгорания газа позволяет проводить предварительные расчеты, выявлять эффективность применения определенного вида топлива.
Особенности происхождения
Для того чтобы понять, сколько теплоты выделяется при сгорании определенного топлива, необходимо иметь представление об его происхождении.
В природе есть разные варианты твердого топлива, которые отличаются между собой составом и свойствами.
Его образование осуществляется через несколько стадий. Сначала образуется торф, затем получается бурый и каменный уголь, потом формируется антрацит. В качестве основных источников образования твердого топлива выступают листья, древесина, хвоя. Отмирая, части растений при воздействии воздуха, разрушаются грибками, образуют торф. Его скопление превращается в бурую массу, потом получается бурый газ.
При высоком давлении и температуре, бурый газ переходит в каменный уголь, потом топливо накапливается в виде антрацита.
Помимо органической массы, в топливе есть дополнительный балласт. Органической считают ту часть, что образовалась из органических веществ: водорода, углерода, азота, кислорода. Помимо этих химических элементов, в его составе есть балласта: влага, зола.
Топочная техника предполагает выделение рабочей, сухой, а также горючей массы сжигаемого топлива. Рабочей массой называют топливо в исходном виде, поступающем к потребителю. Сухая масса - это состав, в котором отсутствует вода.
Состав
Самыми ценными компонентами считаются углерод и водород.
Эти элементы содержатся в любом виде топлива. В торфе и древесине процентное содержание углерода достигает 58 процентов, в каменном и буром угле - 80%, а в антраците оно достигает 95 процентов по массе. В зависимости от этого показателя меняется количество теплоты, выделяемой при сгорании топлива. Водород это второй по важности элемент любого топлива. Связываясь с кислородом, он образует влагу, которая существенно снижает тепловую ценность любого топлива.
Его процентное содержание колеблется от 3,8 в горючих сланцах до 11 в мазуте. В качестве балласта выступает кислород, входящий в состав топлива.
Он не является теплообразующим химическим элементом, поэтому негативно отражается на величине теплоты его сгорания. Сгорание азота, содержащегося в свободном либо связанном виде в продуктах сгорания, считается вредными примесями, поэтому его количество четко лимитируется.
Сера входит в состав топлива в виде сульфатов, сульфидов, а также в качестве сернистых газов. При гидратации оксиды серы образуют серную кислоту, которая разрушает котельное оборудование, негативно воздействует на растительность и живые организмы.
Именно поэтому сера является тем химическим элементом, присутствие которого в природном топливе является крайне нежелательным. При попадании внутрь рабочего помещения, сернистые соединения вызывают существенные отравления обслуживающего персонала.
Выделяют три вида золы в зависимости от ее происхождения:
- первичную;
- вторичную;
- третичную.
Первичный вид формируется из минеральных веществ, которые содержатся в растениях. Вторичная зола образуется как результат попадания во время пластообразования растительных остатков песком и землей.
Третичная зола оказывается в составе топлива в процессе добычи, хранения, а также его транспортировки. При существенном отложении золы происходит уменьшение теплопередачи на поверхности нагрева котельного агрегата, снижает величину теплопередачи к воде от газов. Огромное количество золы негативно отражается на процессе эксплуатации котла.
В заключение
Существенное влияние на процесс горения любого вида топлива оказывают летучие вещества. Чем больше их выход, тем объемнее будет объем фронта пламени. Например, каменный уголь, торф, легко загораются, процесс сопровождается незначительными потерями тепла. Кокс, который остается после удаления летучих примесей, в своем составе имеет только минеральные и углеродные соединения. В зависимости от особенностей топлива, величина количества теплоты существенно изменяется.
В зависимости от химического состава выделяют три стадии формирования твердого топлива: торфяную, буроугольную, каменноугольную.
Натуральную древесину применяют в небольших котельных установках. В основном используют щепу, опилки, горбыли, кору, сами дрова применяют в незначительных количествах. В зависимости от породы древесины величина выделяемой теплоты существенно изменяется.
По мере снижения теплоты сгорания, дрова приобретают определенные преимущества: быструю воспламеняемость, минимальную зольность, отсутствие следов серы.
Достоверная информация о составе природного либо синтетического топлива, его теплотворной способности, является отличным способом проведения термохимических вычислений.
В настоящее время появляется реальная возможность выявления тех основных вариантов твердого, газообразного, жидкого топлива, которые станут самыми эффективными и недорогими в использовании в определенной ситуации.
Под теплотворной способностью понимают теплоту полного сгорания единицы массы вещества. В ней учитываются потери тепла, связанные с диссоциацией продуктов сгорания и незавершенностью химических реакций горения. Теплотворная способность – это максимально возможная теплота сгорания единицы массы вещества.
Определяют теплотворную способность элементов, их соединений и топливных смесей. Для элементов она численно равна теплоте образования продукта сгорания. Теплотворная способность смесей является аддитивной величиной и может быть найдена, если известна теплотворная способность компонентов смеси.
Горение происходит не только за счет образования оксидов, поэтому в широком смысле можно говорить о теплотворной способности элементов и их соединений не только в кислороде, а и при взаимодействии с фтором, хлором, азотом, бором, углеродом, кремнием, серой и фосфором.
Теплотворная способность является важной характеристикой. Она позволяет оценить и сравнить с другими максимально возможное тепловыделение той или иной окислительно-восстановительной реакции и определить по отношению к нему полноту протекания реальных процессов горения. Знание теплотворной способности необходимо при выборе компонентов топлив и смесей различного назначения и при оценке их полноты сгорания.
Различают высшую H в и низшую H н теплотворные способности. Высшая теплотворная способность в отличие от низшей включает теплоту фазовых превращений (конденсации, затвердевания) продуктов сгорания при охлаждении до комнатной температуры. Таким образом, высшая теплотворная способность – это теплота полного сгорания вещества, когда физическое состояние продуктов сгорания рассматривается при комнатной температуре, а низшая – при температуре горения. Высшую теплотворную способность определяют сжиганием вещества в калориметрической бомбе или расчетным способом. Она включает в себя, в частности, теплоту, выделяющуюся при конденсации паров воды, которая при 298 К равна 44 кДж/моль. Низшую теплотворную способность рассчитывают без учета теплоты конденсации паров воды, например по формуле
где % Н – процентное содержание водорода в топливе.
Если при значениях теплотворной способности указывается физическое состояние продуктов сгорания (твердое, жидкое или газообразное), в этом случае индексы "высшая" и "низшая" обычно опускаются.
Рассмотрим теплотворную способность углеводородов и элементов в кислороде, отнесенную к единице массы исходного горючего. Низшая теплотворная способность отличается от высшей у парафинов в среднем на 3220-3350 кДж/кг, у олефинов и нафтенов – на 3140-3220кДж/кг, у бензола – на 1590 кДж/кг. При экспериментальном определении теплотворной способности следует иметь в виду, что в калориметрической бомбе вещество сгорает при постоянном объеме, а в реальных условиях – часто при постоянном давлении. Поправка на разность условий горения составляет для твердого топлива от 2,1 до 12,6, для мазута – около 33,5, бензина – 46,1 кДж/кг, а для газа достигает 210 кДж/м3. Практически эту поправку вводят только при определении теплотворной способности газа.
У парафинов теплотворная способность уменьшается с увеличением температуры кипения и увеличением отношения С/H. У моноциклических алициклнческих углеводородов это изменение значительно меньше. В ряду бензола теплотворная способность возрастает при переходе к высшим гомологам за счет боковой цепи. Двуядерные ароматические углеводороды имеют более низкую теплотворную способность, чем ряд бензола.
Всего лишь несколько элементов и их соединений имеют теплотворную способность, превышающую теплотворную способность углеводородных горючих. К числу этих элементов относятся водород, бор, бериллий, литий, их соединения и несколько элементорганических соединений бора и бериллия. Теплотворная способность таких элементов, как сера, натрий, ниобий, цирконий, кальций, ванадий, титан, фосфор, магний, кремний и алюминий, лежит в пределах 9210-32 240 кДж/кг. У остальных элементов периодической системы теплотворная способность не превышает 8374 кДж/кг. Данные по высшей теплотворной способности различного класса горючих приведены в табл. 1.18.
Таблица 1.18
Высшая теплотворная способность различных горючих в кислороде (отнесенная к единице массы горючего)
|
Вещество |
||
|
Оксид углерода |
||
|
изо-Бутан |
||
|
н-Додекан |
||
|
н-Гексадекан |
||
|
Ацетилен |
||
|
Циклопентан |
||
|
Циклогексан |
||
|
Этилбензол |
||
|
Бериллии |
||
|
Алюминий |
||
|
Цирконий |
||
|
Гидрид бериллия |
||
|
Пснтаборан |
||
|
Метаадиборан |
||
|
Этилдиборан |
||
Для жидких углеводородов, метанола и этанола теплотворная способность приведена для жидкого исходного состояния.
Теплотворная способность некоторых горючих была рассчитана на ЭВМ. Она составляет для магния 24,75 и алюминия 31,08 кДж/кг (состояние оксидов – твердое) и практически совпадает с данными табл. 1.18. Высшая теплотворная способность парафина C26H54, нафталина С10H8, антрацена С14Н10 и уротропина C6H12N4 составляет соответственно 47,00, 40,20, 39,80 и 29,80, а низшая – 43,70, 39,00, 38,40 и 28,00 кДж/кг.
В качестве примера, применительно к ракетным топливам, приведем теплоты сгорания различных элементов в кислороде и фторе, отнесенные к единице массы продуктов сгорания. Теплоты сгорания рассчитаны для состояния продуктов сгорания при температуре 2700 К и приведены на рис. 1.25 и в табл. 1.19.
Puc. 1.25. Теплота сгорания элементов в кислороде (1) и фторе (2), рассчитанная на килограмм продуктов сгорания
Как следует из приведенных данных, для получения максимальных теплот сгорания наиболее предпочтительны вещества, содержащие водород, литий и бериллий, а во вторую очередь – бор, магний, алюминий и кремний. Преимущество водорода вследствие малого молекулярного веса продуктов сгорания очевидно. Следует отметить преимущество бериллия вследствие большой теплоты сгорания.
Есть возможность образования смешанных продуктов сгорания, в частности газообразных оксифторидов элементов. Поскольку стабильными обычно являются оксифториды трехвалентных элементов, большинство оксифторидов не эффективны как продукты сгорания ракетных топлив из-за большого молекулярного веса. Теплота сгорания с образованием COF2 (г.) имеет промежуточное значение между теплотами сгорания СO2 (г.) и CF4 (г.). Теплота сгорания с образованием SO2F2 (г.) больше, чем в случае образования SO2 (г.) или SF6; (г.). Однако в большинстве ракетных топлив содержатся элементы с большой восстанавливающей способностью, которые предотвращают образование подобных веществ.
При образовании оксифторида алюминия AlOF (г.) выделяется меньше тепла, чем при образовании оксида или фторида, поэтому он не представляет интереса. Оксифторид бора BOF (г.) и его тример (BOF)3 (г.) являются довольно важными компонентами продуктов сгорания ракетных топлив. Теплота сгорания с образованием BOF (г.) имеет промежуточное значение между теплотами сгорания с образованием оксида и фторида, по оксифторид термически более стабилен, чем каждое из этих соединений.
Таблица 1.19
Теплоты сгорания элементов (в МДж/кг), отнесенные к единице массы продуктов сгорания (Т = 2700 К)
|
оксифторид |
|||
|
Бериллий |
|||
|
Кислород |
|||
|
Алюминий |
|||
|
Цирконий |
|||
При образовании нитридов бериллия и бора выделяется достаточно большое количество тепла, что позволяет отнести их к важным компонентам продуктов сгорания ракетных топлив.
В табл. 1.20 приведена высшая теплотворная способность элементов при взаимодействии их с различными реагентами, отнесенная к единице массы продуктов сгорания. Теплотворная способность элементов при взаимодействии с хлором, азотом (кроме образования Ве3N2 и BN), бором, углеродом, кремнием, серой и фосфором значительно меньше теплотворной способности элементов при взаимодействии с кислородом и фтором. Большое разнообразие требований, предъявляемых к процессам горения и реагентам (по температуре, составу, состоянию продуктов сгорания и др.), делает целесообразным использование данных табл. 1.20 при практической разработке топливных смесей того или иного назначения.
Таблица 1.20
Высшая теплотворная способность элементов (в МДж/кг) при взаимодействии с кислородом, фтором, хлором, азотом, отнесенная к единице массы продуктов сгорания
- См. также: Joulin С., Clavin Р. Op. cit.
