Тема Характеристика топлива по составу и свойствам

Тема Характеристика топлива по составу и свойствам

Цель изучения темы: выяснить понятие и виды топлива, основные компоненты топлива, понятие об условном топливе

План изучения темы

1. Что такое топливо?

2. Какие виды топлива вы знаете?

3. Перечислите основные компоненты твердого, жидкого и газообразного топлива?

4. Что понимают под низшей и высшей теплотой сгорания?

5. Как определяется теплота сгорания твердого, жидкого и газообразного топлива?

6. Что такое горение топлива и почему теплотехнические расчеты производят по низшей теплоте сгорания?

7. Что такое условное топливо?

8. Что показывают приведенные характеристики топлива?

Понятие «топливо» объединяет вещества, выделяющие (в результате тех или иных преобразований) энергию, которая может быть использована.

По принципу высвобождения энергии топливо подразделяется на две основные группы: ядерное и органическое. Ядерное топливо выделяет энергию в результате ядерных преобразований. Основным способом высвобождения энергии органического топлива является его сжигание. Органическое топливо еще долгое время будет основным источником энергии в различного рода энергетических установках и двигателях.

Д. И. Менделеев четко разграничил понятия «топливо» и «горючие материалы», указав, что топливом должны называться только горючие вещества, сжигаемые для получения теплоты. Таким образом, энергетическим топливом называются горючие вещества, которые экономически целесообразно использовать для получения в промышленных целях большого количества теплоты. Это является основным требованием, предъявляемым к топливу.

Основными видами органического топлива (далее — топлива) являются органические вещества: дрова, близкие к ним растительные материалы, торф, уголь, сланцы, нефть и природные газы.

По способу получения топливо подразделяют на природное и искусственное.

Природным топливом являются дрова, уголь, сланцы, торф, нефть и природные газы.

К искусственному относится топливо, полученное в результате термической переработки природного топлива: кокс; брикеты угля; древесный уголь; мазут; бензин; керосин; солярное масло; дизельное топливо; доменный и коксовый генераторные газы; газы подземной газификации.

Топливо также подразделяют на твердое (дрова, уголь, сланцы, торф), жидкое (нефть, мазут, бензин, керосин, солярное масло, дизельное топливо) и газовое (природные газы, искусственные газы и газы подземной газификации).

Органическое топливо представляет собой различные стадии геологического старения первичных углеобразователей — растительных организмов. Отмершие клетки растительных организмов в основном содержат целлюлозу, гемицеллюлозу, лигнин с включением смол, восков, жиров и других веществ. Целлюлоза и гемицеллюлоза в результате геологического старения превращаются в газообразные и легко растворимые вещества. Лигнин, воски, смолы, углеводороды при геологическом старении уплотняются, полимеризуются, превращаясь из растительных остатков в торф, бурые и каменные угли.

Нефть и природные газы также образуются в результате длительного преобразования органических остатков. Таким образом, торф и угли — это различные стадии процесса последовательной углефикации отмершей растительной массы. Горючие сланцы — это твердые минеральные породы, пропитанные нефтеподобными органическими веществами. Нефть — это смесь органических, главным образом углеводородных, соединений, которая включает в себя некоторое количество кислородных, сернистых и азотистых соединений, растворенный парафин и смолы.

Бензин, керосин — это различные фракции переработки нефтепродуктов. Оставшиеся тяжелые фракции представляют собой мазут, который используется как энергетическое топливо. Газовое топливо — это газообразные смеси углеводородов, состоящие (от 80 до 90 %) из метана и негорючих газов, содержащие примеси водяных паров, пыли и смол. Россия располагает запасами практически всех видов топлива.

Состав топлива. Твердое и жидкое топливо представляет собой сложные соединения горючих элементов, молекулярное строение которых еще недостаточно изучено, и включает в себя минеральные примеси и влагу. Химический состав твердого и жидкого топлива указывают в процентах от массы. Газовое топливо представляет собой простые смеси углеводородов, водяных паров и смол. Его химический состав указывают в процентах от объема.

Химический анализ не всегда позволяет раскрыть химическую природу соединений, входящих в состав топлива, но дает возможность рассчитать его тепловой и материальный балансы.

Топливо состоит из горючей массы и балласта. Горючая масса включает в себя в основном четыре элемента: углерод С, водород Н, кислород О и серу S. От соотношения этих элементов в горючей массе и содержания в топливе балласта зависят его основные характеристики.

Топливо в том виде, в каком оно поступает потребителю, называется рабочим, а вещества, его составляющие, — рабочей массой: С^р + Н^р+ О^р + N^p+ S^p_О+К+А^р + W^р =100%.

Горючими веществами в рабочей массе (индексом „р" отмечается рабочее топливо) являются углерод С, водород Н, кислород О и азот N. Негорючие минеральные примеси превращаются в золу А и влагу Ж

Для сравнительной теплотехнической оценки различных сортов топлив вводятся условные понятия сухой, горючей и органической массы.

Рабочая масса состоит из сухой массы и влаги.

Сухая масса — обезвоженная масса рабочего топлива или рабочей массы:

С^с + Н^с + О^с+ N^c+ S^c_О+К+А^c = 100%

Горючая масса — безводная и беззольная масса топлива: С^г + Н^г+О^г+ N^r+ S^r_О+К =100%

Органическая масса — горючая масса без колчеданной серы: С^о + Н° + О°+ N^o+ S_О = 100%

Основные компоненты горючей массы: углерод (50...99 %), водород, кислород и сера, подразделяющаяся на органическую и колчеданную. Органическая сера 80 входит в состав органических соединений, при сжигании топлива сгорает с образованием сернистого газа. Колчеданная сера S_k входит в состав железного колчедана FeS₂ и других сернистых соединений. При сжигании образуется сернистый газ и оксид железа: 4 FeS₂+ 110₂ = 2Fe₂О₃ + 8S0₂

Сера понижает ценность топлива, особенно технологического. Например, при выплавке металла он становится хрупким и ломким при высоких температурах. Поэтому серу кокса химически связывают известью и переводят в шлаки. В топливе помимо органической и колчеданной серы содержится небольшое количество полностью окисленной сульфатной серы (в серноксидых солях). При сжигании топлива она переходит в золу. В газообразном топливе сера содержится в виде сероводорода Н²S и сероуглерода СS₂, который при наличии избытка воздуха окисляется с образованием серного ангидрида S0₃ и в последующем серной кислоты S0₃ + Н₂0 = Н₂S0₄, вызывающей сильную коррозию металлических поверхностей.

При нагревании твердого топлива без доступа воздуха горючая масса разрушается и из нее выделяются летучие вещества объемом V_л, состоящие в основном из молекулярного водорода, оксидов углерода, метана и других углеводородов. Чем больше содержание в горючей массе кислорода и водорода, тем выше выход летучих веществ.

Выход и состав летучих веществ зависит от состава горючей массы, температуры и длительности нагрева топлива. Топливо с высоким выходом летучих веществ (дрова, торф, бурые угли, сланцы) легко зажигается и горит с образованием пламени. Топливо с малым выходом летучих веществ, в частности кокс, горит без пламени и дает жар там, где идет горение (а не в пламени).

Минеральные примеси в твердом топливе являются обычно внесенными. Их содержание в топливе может значительно колебаться. Основными примесями являются силикаты (кремнезем SiO₂, глинозем Аl₂0₃, глина), сульфаты (СаS0₄, МgS0₄) закиси и оксиды металлов, фосфаты, хлориды, соли щелочных металлов.

В процессе горения при высоких температурах в минеральных примесях топлива происходят физические и химические преобразования. Затраты теплоты на эти преобразования приводят к снижению температуры горения, для поддержания которой требуется дополнительное количество топлива.

Внешний балласт топлива — это негорючие минеральные примеси и влага. Своим присутствием они уменьшают содержание горючей массы в единице массы рабочего топлива. На испарение влаги затрачивается теплота, в результате чего снижается тепловой эффект и требуется дополнительное топливо для получения необходимого количества теплоты, т. е. балласт увеличивает расход топлива.

Золой называется твердый негорючий остаток, получающийся после завершения преобразований в минеральной части топлива в процессе его сжигания. Выход газифицирующей части примесей уменьшает массу золы по отношению к исходным минеральным примесям. Часть золы, расплавившаяся при высоких температурах с образованием раствора минералов, называется шлаком. При оценке зольности топлива золу относят к сухой массе. Зола образуется при кратковременном температурном воздействии. Она обладает высокой абразивностью, что вызывает сильный износ топочных поверхностей.

Теплота сгорания топлива. Это количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании единицы количества топлива (1 кг твердого или жидкого, 1 м³ газообразного). Различают высшую и низшую теплоту сгорания.

Высшей теплотой сгорания топлива Q_в называется количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы количества топлива при условии конденсации водяных паров в продуктах сгорания.

Низшей теплотой сгорания топлива Q_н называется количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы количества топлива при отсутствии конденсации водяных паров в продуктах сгорания, образующихся при горении.

Теплота сгорания различных видов топлива разная.

Различие между Q_в и Q_н у топлива с малым содержанием водорода Н и влаги W невелико, например у антрацита — всего 2%. У топлива с высоким содержанием водорода и влаги оно существенно. Так, у природного газа, состоящего в основном из метана СН₄ и содержащего 25 % водорода по массе, это различие составляет 11%; у дров, торфа, бурого угля, содержащих около 6 % водорода, это различие составляет 4...5 %; у влажного топлива — до 16...20 %.

Теплота сгорания горючей массы топлива определяется ее элементарным составом и химическим составом входящих в нее соединений (характером химических межатомных связей).

Горение — это химическое соединение горючих компонентов топлива и кислорода с выделением теплоты. Теплоту сгорания в стехиометрическом уравнении реакции горения записывают со знаком плюс, если теплота выделяется. Если теплота поглощается в процессе реакции, то она в уравнении реакции берется со знаком минус.

Когда в уравнения реакции входят значения теплового эффекта, уравнения называются термохимическими. Например, термохимическое уравнение реакции горения оксида углерода: 2СО + 0₂ = 2С0₂ + 568.

Это означает, что в результате горения два моля оксида углерода соединяются с одним молем кислорода, при этом образуются дна моля углекислого газа С0₂ и выделяется 568 МДж теплоты.

Температура уходящих газов, отводимых из топливоиспользующих установок, превышает 100ºС, следовательно, конденсации водяного пара, содержащегося в продуктах сгорания, не происходит, поэтому теплотехнические расчеты обычно выполняют на основе низшей теплоты сгорания топлива.

Однако в некоторых странах (в США, Великобритании) теплотехнические расчеты выполняют на основе высшей теплоты сгорания. Поэтому при сопоставлении данных испытаний котлов и печей, выполненных на основе низшей и высшей теплоты сгорания, необходимо производить соответствующий перерасчет.

Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива нельзя определить как сумму теплот сгорания элементов, входящих в его состав. Поэтому ее определяют экспериментально с помощью калориметра путем сжигания фиксированной навески топлива в герметически закрываемом стальном цилиндрическом сосуде, называемом калориметрической бомбой. Навеску топлива берут массой 1 г и сжигают в среде кислорода под давлением 2,5...3 МПа.

Теплоту сгорания природного газа определяют по ГОСТ 22667. Теплоту сгорания сухих горючих газов, представляющих собой смеси простых газов, вычисляют по объемному составу , и теплоте сгорания их компонентов.

Условное топливо. Расход топлива для тепловых устройств определенной производительности зависит от его теплоты сгорания, которая для различных топлив изменяется в широких пределах.

Для сравнения по энергетической ценности и эффективности использования различных сортов и видов топлива вводится понятие условное топливо. В качестве единицы условного топлива принимается 1 кг топлива с теплотой сгорания Q_усл= 29,33 МДж/кг

Приведенные характеристики. Абсолютное содержание влаги и золы не является достаточной мерой энергетической ценности топлива так как различные виды топлива при одинаковом содержании золы и влаги могут иметь различную теплоту сгорания. Более полными характеристиками, отражающими содержание влаги и золы в топливе, являются его приведенные характеристики, т.е. отнесенные к единице низшей теплоты сгорания рабочей массы топлива. К таким характеристикам относятся: приведенная влажность, приведенная зольность, приведенная серность.

Приведенные характеристики топлива показывают, сколько на единицу теплоты сгорания приходится соответственно влаги, золы и серы в % рабочей массы топлива