Состав топлива. Условное топливо.
Все существующие виды топлива разделяются на твёрдые, жидкие, газообразные. Для нагрева используются также тепловое действие электрического тока и пылевидное топливо. Некоторые группы топлива, в свою очередь, делятся на две подгруппы, из которых одна представляет собой топливо в том виде, в каком оно добывается, и это естественное топливо; другая подгруппа – топливо, которое получается путём переработки естественного топлива, и оно называется искусственным.
Твёрдое топливо:
А). естественное – дрова, каменный уголь, антрацит, торф.
Б). искусственное – древесный уголь, кокс и пылевидное, которое получается из измельчённых частей.
Жидкое топливо:
А). естественное – нефть.
Б). искусственное – бензин, керосин, мазут, смола.
Газообразное топливо:
А). естественное – природный газ.
Б). искусственное – генераторный газ, получаемый при газификации различных видов топлива (торфа, дров, каменного угля и другого), коксовальный и другие газы.
Все виды топлива состоят из одних и тех же элементов. Разница между видами топлива заключается в том, что эти элементы содержатся в топливе в различных количествах. Элементы делятся на две группы. К первой группе относятся те элементы, которые горят сами или поддерживают горение. К таким относятся углерод, водород, кислород. Ко второй группе принадлежат те, которые сами не горят и не способствуют горение; к ним относятся азот и вода. Особо от названных элементов стоит сера. Она является горючим веществом и при горении выделяет тепло, но её присутствие в топливе нежелательно, так как при горении серы выделяется сернистый газ, который переходит в нагреваемый металл и ухудшает его механические свойства.
|
|
Количество тепла, выделяемое топливом при сгорании, измеряется калориями. Каждое топливо при горении выделяет неодинаковое количество тепла. Количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1кг твёрдого или жидкого топлива или при сгорании 1м³ газообразного, называется теплотворной способностью. Теплотворная способность имеет широкие пределы. Например, для мазута теплотворная способность составляет около 10000 ккал/кг, для качественного каменного угля – 7000 ккал/кг. Чем выше теплотворная способность топлива, тем оно ценнее, так как для получения одного и того же количества тепла его потребуется меньше. Для сравнения тепловой ценности топлива применяется общая единица измерения. В качестве такой единицы принято топливо, имеющее теплотворную способность 7000ккал/кг (29,31 МДж/кг). Эта единица называется условным топливом. В некоторых странах применяется другие единицы. Например, во Франции это топливо, имеющее либо низшую теплоту сгорания 27,3МДж/кг (6500 ккал/кг), либо высшую 28,3 МДж/кг (6750 ккал/кг).
Твердое топливо.
1. Дрова обладают сравнительно небольшой теплопроизводительностью (удельная теплота сгорания 10,2МДж/кг), повышенной влажностью и лёгким весом. Перевозить их на большое расстояние невыгодно, поэтому дрова являются преимущественно местным топливом.
Дрова удобны тем, что они содержат мало золы (1-2%), легко загораются и дают длинное пламя. Это делает их одним из самых подходящих видов топлива для обжига кирпича во всех периодических, в частности в напольных, печах, в которых длинное пламя способствует более равномерному обжигу по высоте камеры.
|
|
Влажность свежесрубленных дров, равная примерно 45-46%, зависит от породы дерева, его возраста и времени рубки. Чем моложе дерево, тем больше оно содержит влаги. Зимой и осенью деревья содержат меньше влаги, чем весной и летом, поэтому лес нужно рубить в это время.
Плотные тяжёлые породы дров горят медленнее, выделяя большое количество тепла и развивая в топках более высокую температуру. Лёгкие же породы дров сгорают быстро и дают более длинное пламя, поэтому они более пригодны для равномерного обжига.
Дрова – единственный источник энергии, который полностью поглощает собственные газообразные продукты горения и не приводит к возникновению парникового эффекта.
2. Торф – это ценный природный биологический материал. Это самое молодое из всех видов топлива отложение, которое образовалось естественным образом: разложением отмерших частей деревьев, кустарников, трав. Это происходит при повышенной влажности и ограниченном доступе кислорода.
Торф как биотопливо применяется чаще всего в сельском хозяйстве, животноводстве, медицине, биохимии и энергетике. Благодаря современным технологиям развития производства стали получать высокопродуктивные почвы, как для выращивания продуктов питания, так и для удобрений, изоляционных и упаковочных материалов, углеродного восстановителя металла и др.
Торф в качестве топлива используется благодаря его составу. Сюда входят большое содержание углерода (50-60%), малое содержание серы, вредные негорючие остатки и примеси. По сути, торф и есть молодой уголь.
|
|
Но также у торфа есть и недостатки. Это более низкая, чем у угля энергетическая калорийность и трудности сжигания из-за высокого содержания влаги (до 65%). Зато преимущества торфа это не что иное как экологическая чистота сгорания и низкая себестоимость производства.
Торф содержит:
- растительные волокна, улучшающие водно-воздушное состояние почвы;
- гуминовые кислоты, активирующие рост растений;
- микроэлементы – азот, калий, фосфор, кальций, железо, магний.
Важнейшей характеристикой является зольность, определяемая при его сжигании и показывающая процент содержания минеральных компонентов. Чем выше их содержание, тем плодороднее торф. Зольность может варьироваться от 1% в верховом торфе и до 50% - в низинном.
По происхождению торф бывает:
- низинный и переходной. Они состоят из перепревших остатков древесной травянистой растительности. Характеризуются высокой зольностью, малой теплотворной способностью, средне и слабокислой реакцией среды, высоким содержанием питательных веществ, богатством микроэлементов;
- верховой. Состоит из остатков сфагновых мхов, пушицы, багульников. Характеризуется низкой зольностью, высокой теплотворной способностью, высокой влагоёмкостью (от 600 до 1200%), повышенной кислотностью, низкой степенью разложения.
Теплота сгорания торфа 24 МДж/кг.
3. Каменный уголь имеет лучшие теплоэнергетические характеристики, поэтому является фаворитом потребительского спроса. Каменный уголь содержит: углерода 75-95%, водорода 1,5-5,7%, кислорода 1,5-15%, азота до1,5%, серы 0,5-4%, золы 3-4,5%, влаги до 12%, а также до 32% летучих веществ. Теплотворная способность достигает 7000 ккал/кг, а 1кг каменного угля позволяет получить 6,67 кВт/час тепловой энергии.
Каменный уголь относится к наименее экологичным видам топлива, так как при его сжигании в атмосферу выбрасывается большое количество вредных выбросов.
Применение угля очень разнообразно и широко. Его используют для выработки электроэнергии на тепловых электростанциях, а также сжигают и для других энергетических целей; из него получают кокс для металлургического производства, а при химической переработке делают ещё около 300 различных продуктов промышленности.
Теплота сгорания 29,3 МДж/кг.
4. Антрацит – это самый древний ископаемый уголь. По своим характеристикам и свойствам он более похож на каменный уголь. Их разница заключается в том, что в составе антрацита больше углерода (более 90%). То есть, это значит, что антрацит более горючее вещество, чем используемый обычно уголь.
Горит антрацит только при сильной тяге воздуха. Причём горит либо почти без пламени, либо вообще без пламени. А также без запаха и без дыма.
Антрацит твёрже каменного угля и имеет следующую характеристику: плотность 1500-1700 кг/м², теплота сгорания 33,8-35,2 МДж/кг, в составе в горючей массе 9% летучих веществ.
5. Древесный уголь – твёрдый, пористый, высокоуглеродистый продукт (84% углерода), образующийся при нагревании древесины без доступа (или при незначительном доступе) воздуха в печах и ретортах (иногда даже в кострах). В зависимости от вида древесины из 1м³ получают 140-180 кг угля, 280-400 кг жидких продуктов и около 80 кг горючих газов. Теплота сгорания 31 МДж/кг (7000-8100 ккал/кг). Плотность берёзового угля 380 кг/м³, менее плотные угли дают сосна (300 кг/м³) и ель (260 кг/м³). Большая пористость древесного угля обуславливает его высокие адсорбционные свойства. Древесный уголь обладает способностью при обычной температуре соединяться с кислородом воздуха; этим объясняются случаи его самовозгорания. При выгрузке из печей и реторт его влажность составляет 2-4%, при хранении она повышается до 7-15%. Зольность угля должна быть не более 3%, содержание летучих веществ – не более 20%. Особенность древесного угля – низкое содержание таких примесей, как фосфор и сера, что делает его необходимым для некоторых металлургических процессов.
6. Кокс – искусственное твёрдое топливо повышенной прочности; получается при нагревании до высоких температур без доступа воздуха природных топлив или продуктов их переработки. В зависимости от вида сырья различают каменноугольный, электродный пековый и нефтяной кокс. Основное количество кокса производится из каменного угля.
Каменноугольный кокс представляет собой удлинённые куски серого цвета.
Относительная плотность 1,8-1,95 г/м³, пористость в среднем около 50%. Насыпная масса кокса 400-500 кг/м³. теплота сгорания около 29МДж/кг (около 7000 ккал/кг), а его горючей массы около 33МДж/кг (около 8000 ккал/кг).
Содержание углерода в горючей массе кокса выше 96%, выход летучих веществ 0,8-1%. Содержание влаги при сухом тушении не превышает 0,5%, а при мокром – обычно 2-4%; серы 0,4-1,9%. Зольность должна быть не выше 9-10,5%.
7. Пылевидное топливо. В настоящее время всё шире применяется для отопления нагревательных, в частности кузнечных печей, пылеугольное отопление. Его особенно выгодно применять на тех заводах, где нет газа, а имеется местное топливо (угли), которое нельзя газифицировать.
Уголь, сжигаемый в кузнечных печах в виде пыли, должен иметь золы не более 15-20%, летучих не менее 20%. Чем меньше уголь имеет золы, тем его пыль горит лучше. Важным фактором, который необходимо учитывать при использовании пылеугольного топлива, является температура плавления золы. Наилучший уголь тот, у которого зола тугоплавкая (выше 1300°С).
Чем больше летучих содержит уголь, тем лучше загорается пыль, приготовляемая из него; факел горения пыли получается короче. При содержании летучих менее 17% пыль сжигается неустойчиво, происходит затухание факела, печь работает с перебоями. Поэтому пыль из кокса и антрацита непригодна для нагревательных печей.
Жидкое топливо
Технологические свойства жидкого топлива, так же, как и природного газа, существенно лучше, чем твёрдого топлива: в нём отсутствуют зола и шлаки, не требуются специальные устройства для подготовки его к сжиганию, оно имеет высокую теплоту сгорания и позволяет получить высокую температуру в топке.
Жидкое топливо почти целиком состоит из углеводородов (96-98%), причём массовое содержание углевода составляет 80-90%, а водорода 8-14%. Также жидкое топливо часто содержит свободную и связанную серу 0,5-3%, небольшое количество связанного кислорода и азота, воду.
1. Нефть – это природная маслянистая горючая жидкость, состоящая из сложной смеси углеводорода и других органических соединений. Сегодня нефть является одним из важнейших для человечества полезных ископаемых.
Плотность нефти составляет 0,65-1,05 г/см³ и зависит от температуры и давления. Она содержит большое число разных органических веществ и поэтому характеризуется не температурой кипения, а температурой начала кипения жидких углеводородов (обычно > 28°С, реже ≥ 100°С) и фракционным составом – выходом отдельных фракций, перегоняющихся сначала при атмосферном давлении, а потом под вакуумом в определённых температурных пределах.
Удельная теплоёмкость 1,7-2,1 кДж/кг.
Удельная теплота сгорания 43,7-46,2 МДж/кг.
Нефть представляет собой смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых большая часть – жидкие углеводороды (80-90%) и гетероатомные органические соединения (4-5%), преимущественно сернистые (≈ 250 веществ), азотистые (> 30 веществ) и кислородные (≈ 85 веществ), а также металлоорганические соединения; остальные компоненты – растворённые углеводородные газы, вода, минеральные соли, растворы солей органических кислот и другие механические примеси (частицы песка, известняка).
Нефть уникальна своей комбинацией качеств: высокая плотность энергии, легко транспортировать, из неё легко получить массу продуктов (моторное топливо, растворитель, сырьё для химической промышленности и т.д.). Истощение ресурсов нефти, рост цен на неё и другие причины вызвали интенсивный поиск заменителей жидких топлив.
2. Бензин – горючая смесь лёгких углеводородов с температурой кипения от 30 до 200°С. Плотность ≈ 0,75 г/см³. Теплотворная способность ≈ 10500 ккал/кг. Температура замерзания ниже -60°С.
Бензин получают путём разгонки и отбора фракций нефти, выкипающих в определённых температурных пределах.
Пары бензина очень токсичны для человека, и их вдыхание может вызвать как острое, так и хроническое отравление.
3. Керосин – смеси углеводородов, выкипающие в интервале температур 150-250°С, прозрачная, слегка маслянистая на ощупь, горючая жидкость, получаемая путём прямой перегонки или ректификации нефти.
Плотность 0,78-0,85 г/см³ (при20°С), вязкость 1,2-4,5 мм²/с (при 20°С), температура вспышки 28-72°С; теплота сгорания около 43 МДж/кг.
Керосин применяют как реактивное топливо, горючий компонент жидкого ракетного топлива, горючее при обжиге стеклянных и фарфоровых изделий, для бытовых нагревательных и осветительных приборов, в аппаратах для резки металлов, как растворитель, сырьё для нефтеперерабатывающей промышленности. Допускается добавление до 20% керосина в летнее дизельное топливо для снижения температуры застывания, при этом не ухудшаются эксплуатационные характеристики.
4. Мазут – это жидкий продукт тёмно-коричневого цвета, остаток после выделения из нефти или продуктов её вторичной переработки бензиновых, керосиновых или газойлевых фракций, выкипающих до 350-360°.
Мазут это смесь углеводородов, нефтяных смол, асфальтенов, карбенов, карбоидов и органических соединений, содержащих металлы (V,Ni,Fe,Mg,Na,Ca). Физико-химические свойства зависят от химического состава исходной нефти и характеризуются следующими данными:
-вязкость 8-80 мм²/с (при 100°С);
-плотность 0,89-1 г/см³ (при 20°С);
-температура застывания 10-40°С;
-содержание серы 0,5-3,5%;
-содержание золы до 0,5%;
-низшая теплота сгорания 39,4-40,7 МДж/моль.
Мазуты применяются в качестве топлива для паровых котлов, котельных установок и промышленных печей, для производства флотского мазута, тяжёлого моторного топлива для крейцкопфных дизелей и бункерного топлива.
Выход мазута составляет около 50% по массе в расчёте на исходную нефть.
Газообразное топливо
По сравнению с другими видами газообразное топливо обладает следующими преимуществами:
-сгорает в теоретическом количестве воздуха, что обеспечивает высокие тепловые кпд и температуру кипения;
-при сгорании не образует нежелательных продуктов сухой перегонки и сернистых соединений, копоти и дыма;
-сравнительно легко подводится по газопроводам к удалённым объектам потребления и может храниться централизованно;
-легко зажигается при любой температуре окружающего воздуха;
-требует значительно небольших затрат при добыче, а значит, является по сравнению с другими более дешёвым видом топлива;
-может быть использовано в сжатом и сжиженном виде для двигателей внутреннего сгорания;
-при сгорании не образует конденсата, что обеспечивает значительное уменьшение износа деталей двигателей и др.;
Вместе с тем газообразное топливо имеет также определённые отрицательные свойства, к которым относятся: отравляющее действие, образование взрывчатых смесей при смешении с воздухом, лёгкое протекание через неплотности соединений и др. Поэтому при работе с газообразным топливом требуется тщательное соблюдение соответствующих правил техники безопасности.
1. Природный газ – смесь газов, образовавшаяся в недрах земли при анаэробном разложении органических веществ (метановое брожение).
Природный газ относится к полезным ископаемым. В пластовых условиях (условиях залегания в зелёных недрах) он находится в газообразном состоянии – в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде. Также он может находиться в кристаллическом состоянии в виде естественных газогидратов.
Основную часть природного газа составляет метан – от 92 до 98%. В состав могут также входить более тяжёлые углеводороды: этан – до 6%, пропан – до 1,5%, бутан – до 1%; а также другие неуглеводные вещества: водород, сероводород, диоксид углерода, азот, гелий.
Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество веществ, имеющих сильный неприятный запах – одорантов. Чаще всего в качестве одоранта применяется этилмеркаптан.
Для облегчения транспортировки и хранения природного газа его сжижают, охлаждая при повышенном давлении.
Ориентировочные физические характеристики:
-плотность - от 0,68 до 0,85 кг/м³ относительного воздуха (сухой, газообразный), от 400 кг/м³ (жидкий);
-температура самовозгорания 650°С;
-взрывоопасные концентрации смеси газа с воздухом – от 5 до 15% объёмных;
-удельная теплота сгорания 28-46 МДж/м³;
-октановое число при использовании в двигателях внутреннего сгорания 120-130;
-легче воздуха в 1,8 раз, поэтому при утечке не собирается в низинах, а поднимается вверх.
2. Генераторный газ – газовая смесь, содержащая окись углерода (СО) и молекулярный водород (Н₂).
Получают его путём пропускания воздуха над раскалённым каменным углём или коксом в специальных печах – газогенераторах. Выход из кокса 4,65 м³/кг. Далее окись углерода смешивается с водяным паром и получается водородная составляющая генераторного газа СО+Н₂О= =Н₂+СО₂.
Теплотворная способность составляет 800-1000 ккал/м³, причём замена воздуха на кислород при его получении ведёт к значительному увеличению доли монооксида углерода и, соответственно, к увеличению теплотворной способности.
Генераторный газ применяется как топливо в металлургической, стекольной, керамической промышленности, для двигателей внутреннего сгорания.
3. Коксовый газ – горючий газ, образующийся в процессе коксования каменного угля, то есть при нагревании его без доступа воздуха до 900-1100°С. Содержит множество ценных веществ. Кроме водорода, метана, оксидов углерода в его состав входят пары каменно - угольной смолы, бензол, аммиак, сероводород и др.
Сырой коксовый газ последовательно очищают от аммиака и сероводорода, промывают поглотительным маслом, серной кислоты. Очищенный газ (14-15% от массы угля) используют в качестве топлива для обогрева батареи коксовых печей и для других целей.
Типичные показатели:
-водород 50%, метан 35%, окись углерода 10%, этилен 5%;
-количество лету3чих продуктов до 25% от массы угля;
-теплота сгорания 10000-20000 кДж/м³.