Топливо, горючие вещества, выделяющие при сжигании значительное количество теплоты, которая используется непосредственно в технологических процессах или преобразуется в др. виды энергии

Топливо, горючие вещества, выделяющие при сжигании значительное количество теплоты, которая используется непосредственно в технологических процессах или преобразуется в др. виды энергии

Все существующие виды топлива разделяются на твердые, жидкие и газообразные.

Состав твердого, жидкого и газообразного топлива

Твердые и жидкие топлива представляют собой сложные соединения горючих элементов, молекулярное строение которых еще недостаточно изучено, и включают в себя минеральные примеси и влагу. Элементарный химический анализ этих топлив не раскрывает химической природы входящих в них соединений и поэтому не может дать достаточно полного представления об их свойствах, но позволяет рассчитать тепловой и материальный баланс горения топлива. Соответственно степени углефикации содержание углерода в органической массе топлив увеличивается, а кислорода и азота уменьшается, что способствует повышению энергетической ценности топлива.

Химический состав газообразных топлив, представляющих собой простые смеси, определяют полным газовым анализом и выражают в процентах от их объема.

Топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю, называется рабочим, а вещество, составляющее его, — рабочей массой. В элементарный химический состав его, выражаемый следующим образом:

C^p+H^p+O^p+N^p+S^pop+к+A^p+W^p=100%

(13.1)

входят горючие вещества: углерод С, водород Н, сера S, а также кислород О и азот N, находящиеся в сложных высокомолекулярных соединениях^[4]. Топливо содержит негорючие минеральные примеси, превращающиеся при сжигании топлива в золу А и влагу W.

Минеральные примеси и влажность одного и того же сорта топлива в разных районах его месторождения и различных местах могут быть разными, а также могут изменяться при транспортировке и хранении. Более постоянным является состав горючей массы топлива. Имея в виду это обстоятельство, для сравнительной теплотехнической оценки различных сортов топлива ввели условные понятия сухой, горючей и органической массы, составляющие которых, выраженные в про­центах, обозначаются теми же символами, что и рабочая масса, но соответственно с индексами «с», «г» и «о» вместо индекса рабочей массы, «р».

Твердое топливо с установившейся в естественных условиях влажностью называется воздушно-сухим. Проба такого топлива, поступающего для лабораторного анализа, носит название аналитической пробы топлива.

Основной горючей составляющей топлива является углерод, горение которого обусловливает выделение основного количества тепла. Теплота сгорания аморфного углерода 34,4 МДж/кг (8130 ккал/кг).

Водород является вторым по значению элементом горючей массы топлива, его содержание в горючей массе твердых и жидких топлив колеблется от 2 до 10%. Много водорода содержится в природном газе, мазуте и горючих сланцах, меньше всего в антраците. Теплота сгорания водорода в водяной пар — 10,8 МДж/м³ (2579 ккал/м³).

Кислород и азот в топливе являются органическим балластом, так как их наличие уменьшает содержание горючих элементов в топливе. Кроме того, кислород, находясь в соединении с водородом или углеродом топлива, переводит некоторую часть горючих в окислившееся состояние и уменьшает его теплоту сгорания. Содержание кислорода велико в древесине и торфе. Азот при сжигании топлива в атмосфере воздуха не окисляется и переходит в продукты сгорания в свободном виде.

Сера может содержаться в топливе в трех видах: органическая S_op, колчеданная S_к и сульфатная S_c:

S=Sop+Sк+Sc.

(13.2)

Органическая сера входит в состав сложных высокомолекулярных органических соединений топлива. Колчеданная сера представляет собой ее соединения с металлами, чаще с железом (FeS₂ — железный колчедан), и входит в минеральную часть топлива.

Органическая и колчеданная сера S_op+к при горении топлива окисляется с выделением тепла. Сульфатная сера входит в минеральную часть топлива в виде сульфатов CaS0₄ и FeS0₄ и поэтому в процессе горения дальнейшему окислению не подвергается. Сульфатные соединения серы при горении переходят в золу. В горючую массу топлива входят S_op и S_к, которые при сгорании топлива переходят в газообразные соединения SO₂, и в небольшом количестве в SO₃.

Содержание серы в твердых топливах обычно невелико. В нефти сера входит в состав неорганических соединений, в природных газах она практически отсутствует, в попутных газах некоторых нефтяных месторождений содержится немного серы в виде сероводорода H₂S и сернистого газа SO₂. Образующийся при горении топлива сернистый газ и особенно сопутствующий ему в небольшом количестве серный газ SO₃ вызывают коррозию металлических частей парогенераторов и отравляют окружающую местность. Вследствие низкой теплоты сгорания — 9,3 МДж/кг (2220 ккал/кг) присутствие серы уменьшает теплоту сгорания топлива. Поэтому сера является вредной и нежелательной примесью топлива.

Характеристики топлива
Свойства топлива зависят главным образом от его химического состава. Основным элементом любого топлива природного происхождения является углерод (его содержание составляет от 30 до 85% массы). В состав топлива также входят H, O, N, S, зола, вода.
Практическая ценность топлива определяется количеством теплоты, выделяющейся при его полном сгорании. Так, при сжигании 1 кг древесины выделяется теплота, равная 10,2 МДж, каменного угля - 22 МДж, бензина - 44 МДж. Эта величина прямо зависит от содержания в топливе углерода и водорода и обратно - от содержания кислорода и азота.
Другая важнейшая характеристика топлива - его жаропроизводительность, оцениваемая значением максимальной температуры, какую теоретически можно получить при полном сгорании топлива в воздухе. При сгорании дров, например, максимальная температура не превышает 1600 градусов, каменного угля - 2050, бензина - 2100.

Условное топливо — это принятая при расчетах единица учета органического топлива, то есть нефти и ее производных, природного и специально получаемого при перегонке сланцев и каменного угля газа, каменного угля, торфа – которая используется для сличения полезного действия различных видов топлива в их суммарном учете.

Классификация топлив проводится по четырем критериям: агрегатному состоянию, теплоте сгорания, исходному сырью и способам производства топлива, а также целевому назначению или области применения. Давайте рассмотрим каждый из этих видов.
Итак, по агрегатному состоянию различают топливо твердое, жидкое и газообразное. Твердое топливо для двигателей внутреннего сгорания применяют редко и только после газификации в газогенераторных установках или в пылевидном состоянии. Газогенераторные автомобили в сороковые годы получили некоторое распространение и сыграли положительную роль, особенно в тылу во время Великой Отечественной войны, высвободив тысячи тонн бензина для фронта. Для газификации обычно использовали древесные чурки или торф, и в относительно компактных газогенераторах, установленных непосредственно на автомобиле, перерабатывали твердое топливо в генераторный газ, на котором работали двигатели. Опыты по применению для газификации каменного угля были неудачны, так как зона горения быстро забивалась шлаком. Позднее, в связи с развитием нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, газогенераторные автомобили потеряли свое прежнее значение. Пылевидное угольное топливо также не нашло применения в связи с его высокой зольностью. Жидкое топливо является основным видом топлива для двигателей внутреннего сгорания всех типов и назначений. Газообразное топливо с каждым годом приобретает все большее значение как заменитель жидкого топлива. По ряду свойств оно превосходит жидкое топливо, поэтому следует ожидать дальнейшего Расширения области его применения.
По теплоте сгорания классификация важна в тех случаях, когда необходимо оценить топливо как энергоноситель, а также при тепловых расчетах двигателей, расчете объемов топливных баков и др. По этому признаку различают три группы топлив: высококалорийные — с теплотой сгорания более 42 000 кДж/кг, среднекалорийные — 25 000—42 000 кДж/кг, низкокалорийные — меньше 25 000 кДж/кг.
По происхождению топливо классифициретсят, если возникает необходимость оценить сырьевую базу или способы получения топлив. При этом все топлива делят на две группы: нефтяного и ненефтяного "происхождения". Часто топливо ненефтяного происхождения называют альтернативным топливом, желая тем самым противопоставить его топливу нефтяного происхождения. К альтернативным топливам относятся спирты, водород и почти все виды синтетических углеводородных топлив, т. е. искусственно полученные из ненефтяного сырья бензины, дизельные топлива и т. д. Особо рассматриваются природный газ и топлива, полученные из горючих сланцев (например, сланцевый бензин). Поскольку методы переработки нефти имеют существенное значение для оценки показателей качества, то при классификации топлив по их происхождению нефтяные топлива можно дополнительно классифицировать по их технологическим признакам. Например, бензины могут быть подразделены на бензины, полученные прямой перегонкой (прямогонные), бензины термического или каталитического крекинга и т. д.
По целевому назначению топлива делятся на топлива для двигателей с искровым зажиганием (к ним относятся в основном бензины, дизельное топливо, топливо для турбореактивных двигателей т. д. Эта классификация может быть и более подробной. Например дизельное топливо различают для быстроходных двигателей (авто мобильных, тракторных и ряда других транспортных машин), дл средне и малооборотных дизелей (судовых, стационарных) и др.
Важнейшим показателем качества топлива является его энергетический потенциал, т. е. то количество тепловой энергии, которое топливо способно выделить при сгорании. Количественно этот показатель измеряется теплотой полного сгорания топлива при сжигании определенной его массы. Под теплотой сгорания топлив для двигателей внутреннего его сгорания подразумевается низшая теплота сгорания, которая учитывает потери теплоты на испарение воды, возникшие при сжигании водорода топлива. Эта теплота может выделиться только при конденсации паров воды, находящихся в отработавших газах, что происходит уже вне цилиндра поршневого или за турбиной газотурбинного двигателя. Теплоту сгорания топлив можно определить по их элементному составу, так как при полном сгорании каждого из горючих элементов, входящих в топливо, выделяется вполне определенное количество теплоты. Теплота сгорания стехиометрической горючей смеси различных топлив с воздухом примерно одинакова и равна 2770—2780 Кдж/кг, так как чем выше теплота сгорания топлива, тем большее количество воздуха необходимо для его полного сгорания.

Горение представляет собой быстрое соединение кислорода с горючими элементами топлива (углеродом, водородом и серой) и сопровождается выделением тепла и света. Кислород подается в топку с воздухом. Сухой воздух состоит из двух элементов: 21% кислорода и 79% азота. В горении топлива участвует только кислород.
Для того чтобы горение топлива началось, надо довести температуру до температуры воспламенения, при которой горение происходит самостоятельно, без подвода тепла. Температура воспламенения зависит от вида топлива и условий, в которых совершается процесс горения. Температура воспламенения мазута равна 500—700°, каменного угля 500°, антрацита 700°, дров 300°. Углерод является основным составным элементом любого топлива, он сгорает или в углекислый газ (СО2), или в окись углерода (СО). Когда в топку подводится достаточное количество воздуха (а значит, и кислорода), реакция горения углерода протекает полностью.
При недостатке воздуха реакция горения углерода будет протекать неполностью, причем будет выделяться значительно меньше тепла. Вследствие неполного сгорания углерода получается не углекислый газ, а окись углерода.
Вторым горючим элементом, который входит в состав топлива, является водород (Н2). Процесс горения водорода тоже сопровождается выделением тепла.
Из уравнений горения углерода как основного горючего элемента всякого топлива видно, что при неполном горении углерода, т. е, когда горение происходит с недостатком воздуха и в результате горения вместо углекислоты (СО2) получается окись углерода (СО), тепла будет выделяться в три раза меньше. Отсюда следует вывод, что необходимо стремиться создать такие условия, при которых горение топлива будет происходить полностью, т. е. с достаточным количеством воздуха, чтобы углерод сгорал в углекислоту (СО2).

Продукты сгорания топлива

Продукты полного сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива содержат: продукты полного сгорания углерода и серы; азот топлива и азот, находящийся в теоретически необходимом количестве воздуха; теоретическое количество водяного пара, включающее в себя пар, образующийся при испарении влаги топлива и в результате полного сгорания водорода топлива, пар, вносимый в топку влажным теоретически необходимым количеством воздуха, и пар, используемый иногда для распыления при сжигании мазута; и, наконец, избыточно поданный воздух и находящийся в нем водяной пар.

Полное горение топлива.Основной качественной характеристикой процесса горения в топках является химическая его полнота при минимальном избытке воздуха, которому соответствует наибольшая температура горения. Поэтому при ведении процесса горения необходимо систематически контролировать состав продуктов сгорания и определять коэффициент избытка воздуха и химическую неполноту горения. Для этого применяется газовый анализ, выполняемый с помощью газоанализаторов различных систем и основанный на расчетной методике, базирующейся на основном уравнении горения.

Неполное горение топлива.В недостаточно совершенных топочных устройствах или при неналаженном режиме работы топки вследствие местного недостатка воздуха или неблагоприятных тепловых и аэродинамических условий часть горючих топлива не окисляется до конечных продуктов, а образуются продукты неполного сгорания СО, H2, CH4 и др. Наиболее вероятным продуктом неполного горения является окись углерода, образующаяся одновременно с СО2 и менее активно реагирующая с кислородом по сравнению с водородсодержащими газами. Содержание СО в продуктах сгорания обычно выражается долями процента, что находится в пределах точности газового анализа, применяемого в эксплуатационных условиях, хотя дает значительный недожог топлива. Поэтому для определения содержания СО с достаточной точностью производится лабораторный анализ с помощью хромографического газоанализатора. В этих целях может быть использован также расчетный метод. В последнем случае в основу расчета принимается уравнение неполного горения.

Дата добавления: 2015-08-29