Состав твердого жидкого и газообразного топлива: 4 Состав твердого, жидкого и газообразного топлива

4 Состав твердого, жидкого и газообразного топлива

Состав топлива. Важнейшей характеристикой топлива, определяющей ряд показателей, используемых для анализа процессов, происходящих в разных топливо использующих установках, является состав топлива. Качество твердого или жидкого топлива как источника тепловой энергии в значительной мере определяется его элементарным составом. Основным горючим компонентом этих топлив является углерод. При полном сгорании 1 кг углерода выделяется 34,4 МДж теплоты. Содержание его в горючей массе разных видов топлива изменяется в широких пределах (от 50 в древесине до 95% в антраците), следовательно углерод обеспечивает преимущественную долю тепловыделения топлива. Вторым по значению горючим компонентом является водород, при сгорании 1 кг которого выделяется 119 МДж теплоты. Содержание водорода в горючей массе твердых и жидких топлив изме­няется от 2 (антрацит) до 10,5% (мазут).     Входящая в состав твердых и жидких топлив горючая сера (ор­ганическая и колчеданная) окисляется при горении топлива с образованием сернистого газа S02. При этом выделяется теплоты 9,3 МДж/кг S, что существенно меньше, чем при сгорании водорода и углерода. Содержание серы в горючей массе твердых и жидких топлив изменяется от 0,5 до 7, в горючих сланцах до 15%. Образующийся при сжигании серы сернистый газ является токсичным (опасным для жизнедеятельности в окружающей среде), а также коррозионноактивным, приводящим к интенсивной коррозии металлических элементов топливо использующих установок.     Кислород и азот являются внутренним балластом топлива, так как их наличие снижает в топливе содержание основных горючих элементов — углерода и водорода. Содержание кислорода в топливе уменьшается по мере увеличения геологического возраста топлива. Так, например, содержание кислорода в горючей массе торфа составляет около 35, а в антраците — 2 %.    Зола и влага являются внешним балластом твердого и жидкого топлива. Повышение содержания золы и влаги в рабочей массе топлива приводит к соответствующему уменьшению его горючей части, а значит к снижению тепловыделения при сгорании топлива. При сжигании влажных топлив затрачивается определенное количество теплоты на нагрев и испарение влаги, перегрев образующихся водяных паров, что дополнительно уменьшает количество выделившейся теплоты и соответственно снижает температуру горения.    Балластом газообразного топлива являются негорючие его компоненты (кислород, азот, углекислый газ, водяной пар), снижающие теплоту сгорания топлива. Присутствие в искусственных го­рючих газах токсичных газов СО, H2S усложняет условия эксплуатации топливо использующих установок. При сгорании сероводорода образуется токсичный сернистый газ, опасный для жизни и загрязняющий окружающую среду.    Зола топлива. Минеральный несгораемый остаток, образующийся из примесей топлива при его сгорании, представляет собой золу. Содержание минеральных примесей в твердых топливах изменяется в широких пределах, составляя в древесном топливе 1. ..2%, в угле 10…40%, в горючих сланцах до 70% и в жидком топливе до 1 %.    В процессе горения минеральные примеси могут из твердого состояния переходить в жидкое, образуя раствор, называемый шлаком. Важной характеристикой золы является ее плавкость. В лабораторных условиях плавкость золы определяют путем нагревания в электрической печи в пол у восстановительной газовой среде (60 % СО и 40 % С02) пирамидки стандартных размеров, сформированной из мелкораздробленной пробы испытуемой золы. Температура, при которой пирамидка начнет самопроизвольно сгибаться или вершина ее скругляется, носит название температуры начала деформации золы t1. Температура, при которой вер­шина пирамидки склоняется до ее основания, называется температурой размягчения золы t2. Температура начала жидкоплавного состояния t3 соответствует температуре, при которой золовая пирамидка растекается по подставке.    По характеристике плавкости золы твердые топлива разделяются на три группы: с легкоплавкой золой (h < 1350°С), с золой средней плавкости (h= 1350. .. 1450°С) и с тугоплавкой золой (t3 > 1450 °С). Повышенное содержание золы в топливе снижает техникоэкономические показатели котельных установок за счет увеличения затрат на шлако и золоудаление, очистку поверхностей нагрева от загрязнения, газоочистку, а также за счет увеличе0ния потерь теплоты со шлаком и золой.    Влага топлива. В твердом топливе принято различать внешнюю и внутреннюю влагу.    Источниками внешней влаги являются поверхностные и грунтовые воды, влага атмосферного воздуха, которые при транс­портировке и хранении топлива увлажняют его поверхность, проникают в капилляры и поры, особо развитые у торфа и бурых углей. Внешняя влага может быть удалена подсушкой топлива (обычно при температуре около 105°С).    К внутренней влаге относят коллоидную и гидратную (кристаллогидратную) влагу. Коллоидная влага равномерно распреде­лена по всей массе топлива, а ее количество зависит от химиче­ской природы и состава топлива. По мере увеличения геологического возраста топлива количество коллоидной влаги в нем существенно сокращается. Гидратная влага входит в структуру химических соединений минеральной части топлива. Количество гидратной влаги в топливе относительно невелико, но для ее удаления требуется нагревание топлива до высоких температур.    При хранении на воздухе переувлажненное топливо теряет, а подсушенное приобретает влагу. Топливо с установившейся в ес­тественных условиях влажностью называют в о з д у ш н о-с у х и м.    Повышение влажности приводит к уменьшению теплоты сгорания топлива, увеличению объема продуктов сгорания и, как следствие этого, к снижению температуры горения. В результате уменьшается производительность котельного агрегата и увеличивается расход топлива. Повышенная влажность ухудшает сыпучесть топлива, а в зимнее время приводит к его смерзаемости, что резко затрудняет условия транспортирования и использования топлива.    Теплота сгорания топлива. Для характеристики качества топли­ва используется такой показатель, как теплота сгорания топлива — это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива (размерность МДж/кг) или 1 м3 газового топлива (МДж/м3).    В твердых и жидких топливах горючие элементы являются составной частью сложных и различных по своему химическому строению соединений, учесть все разнообразие которых не представляется возможным. Точно рассчитать теплоту сгорания топлив невозможно, поэтому данный показатель для конкретных твердых и жидких топлив определяют экспериментально. С этой целью сжигают навеску топлива в атмосфере кислорода при повышенном давлении в специальном сосуде (калориметрической бомбе) и определяют с помощью водяного калориметра количество выде­лившейся при этом теплоты. По результатам измерений рассчиты­вается теплота сгорания топлива, которая называется теплотой сгорания по калориметрической бомбе Q6.    Количество теплоты, выделившееся при полном сгорании топ­лива, зависит от того, в каком агрегатном состоянии находится в продуктах сгорания влага (выделившаяся из топлива и образовав­шаяся в результате сгорания водорода) — в парообразном или жидком. Если в продуктах сгорания все водяные пары конденсируются и образуют жидкую фазу, то теплота сгорания называется высшей QB. Если же конденсации водяного пара не происходит, то теплоту сгорания называют низшей (Qн. Разница между выс­шей и низшей теплотами сгорания равна теплоте конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания топлива.    Связь между высшей Qb  и низшей QH теплотами сгорания определяется выражением    где гп— теплота конденсации водяного пара, принимаемая равной 2,51 МДж/кг; CH2О — масса влаги, кг, содержащейся в продуктах сгорания 1 кг топлива.    В реальных условиях продукты сгорания топлив в подавляю­щем большинстве случаев покидают котельные установки при тем­пературе более высокой, чем температура, при которой происхо­дит конденсация содержащихся в них водяных паров, т.е. выше температуры точки росы. При этом теплота конденсации во­дяных паров полезно не используется и в тепловых расчетах не учитывается. В связи с этим в теплотехнических расчетах исполь­зуется величина    Низшая теплота сгорания сухого газового топлива определяется как суммарная теплота сгорания входящих в него индивидуальных горючих газов с учетом концентрации каждого из них, МДж/м3:                       где  QCmHn,  QCO, Qh3,  Qh3S — низшая теплота сгорания единицы объема соответствующих газов, МДж/м3 СmH n      СО, H2, H2S — содержание соответствующих горючих газов в сухом газовом топ­ливе, %.    Теплота сгорания разных топлив неодинакова, колебания ее зна­чений очень широкие. Для сравнения топлив по энергетической ценности, оценке эффективности их использования, а также для сопоставления отдельных видов топлива и подсчетов потребности в топливе используется понятие условное топливо, теплота сгорания которого принимается равной Qycл= 29,33 МДж/кг. Тогда для пересчета расхода В — фактически используемого топлива в расход условного топлива Вусл можно применить формулу сгорания условного топлив.                                                      Для учета влияния влажности и зольности на теплоту сгорания топлива используются также приведенные характеристики влажности Vn и зольности Ап, %-кг/МДж:  Vn= Wp /QpH;          An = Ap/QpH    Приведенные характеристики Ап и Wп позволяют сравнивать разные топлива в сопоставимых единицах. При Wп< 0,7 %-кг/МДж топливо называется мал о влажным, при 0,7 < Wn < 1,89 — средневлажным, а при Wп > 1,89 —высоковлажным. Топливо, для которого Ап < 1,0%-кг/МДж считается малозольным (антрациты и большая часть каменных углей). Для бурых уг­лей Aп= 1,9…2,4, а для горючих сланцев Ап= 5… 10 %-кг/МДж.    Летучие вещества и кокс твердого топлива. Все твердые топлива при нагревании без доступа воздуха претерпевают термический рас­пад с выделением горючих (СО, Н2, СmНn) и негорючих (N2, 02, С02, Н20) газов. Выделяющиеся газы по совокупности определяют выходом летучи. Твердый остаток, образующийся после выделения летучих веществ, называется коксом. В состав кокса входит углерод и прокаленные минеральные примеси (зола). Выход летучих обычно относят на горючую массу топлива и обозначают V1. Выход летучих и свойства коксового остатка являются важными теплотехническими характеристиками топлива, определяющими условия организации его сжигания.    Летучие вещества играют существенную роль при воспламенении топлива и на начальных стадиях горения, т.е. в значительной мере определяют реакционную способность твердых топлив (их способность к воспламенению и горению).    По мере увеличения геологического возраста природных твердых топлив выход летучих снижается, но относительное содержание горючих компонентов в их составе повышается. Одновременно повышается температура начала выхода летучих.

Технические характеристики топлива

Элементарный состав твердого и жидкого топлив

По техническим характеристикам твердое и жидкое топлива представляют собой комплекс сложных органических и минеральных соединений и состоят из горючей и негорючей частей.

Молекулярная и химическая структура горючей части изучена не достаточно полно и до настоящего времени не поддается подробной расшифровке. Вследствие этого химический состав горючей части выявить (т. е. определить вид и формулу химических соединений) чрезвычайно сложно. Структура и химические соединения, входящие в негорючую часть, наоборот, исследованы достаточно подробно.

Органическое твердое и жидкое топлива характеризуются элементарным составом, который условно представляют как сумму всех химических элементов и соединений, входящих в топливо. При этом их содержание дается в процентах к массе 1 кг топлива. Элементарный состав не дает представления о молекулярной и химической структуре топлива. Для твердого и жидкого топлив элементарный состав можно записать в следующем виде:

C + H + S_л + O + N + A + W = 100%.(18.1)

В горючую часть топлива входят углерод, водород и сера(летучая). Летучая сера S_л — это сера, входящая в состав органических соединений и серного колчедана FeS₂, т. е.

S_л = S_орг + S_к (18.2)

где S_к принято называть колчеданной серой.

Следует отметить, что летучая сера, входящая в горючую часть топлива, является только частью общего содержания серы. Другую часть составляет сера, входящая в минеральные соли (CaSО₄, MgSО₄, FeSО₄ и др.). Сера, содержащаяся в минеральных солях, называется сульфатной S_c. Следовательно,

S_общ = S_л + S_c (18.3)

В негорючую часть топлива входят азот N, кислород О, влага W, минеральные негорючие вещества, которые после сжигания топлива образуют золовый остаток А.

При изучении технических характеристик твердого и жидкого топлив различают их рабочую, сухую, горючую и органическую массы. Составу каждой массы присваивается соответствующий индекс: рабочей — р, сухой — с, горючей — г и органической — о.

Топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю и подвергается сжиганию, называется рабочим, а масса и ее элементарный состав — соответственно рабочей массой и рабочим составом.

Элементарный состав рабочей массы записывают следующим образом:

C^p + H^p + S^p/_л + O^p + N^p + A^p + W^р = 100 % (18. 4)

Негорючие элементы в технических характеристиках топлива составляют его балласт, при этом кислород и азот принято называть внутренним балластом топлива, а золу и влагу — внешним, поскольку их содержание в значительной степени зависит от таких внешних факторов, как способы добычи и хранения топлива.

В рабочий состав отдельных видов топлива некоторые элементы могут и не входить, например в дровах отсутствует летучая сера.

Сухая масса топлива в отличие от рабочей массы не содержит влаги и может быть представлена равенством:

С^с + H^c + S^с/_л + O_c + N_c + А_с = 100 %. (18.5)

Формулы пересчета с рабочей массы на сухую имеют вид:

Зольность топлива всегда проверяется только по сухой массе топлива.

Горючий состав топлива не содержит внешнего балласта, т. е. влаги и золы, и может быть записан так:

С^г + H^r + S^r/_л + O^r + N^r = 100%(18. 7)

Название «горючая масса» — условное, так как действительно горючими ее элементами являются только С, Н и S состав горючей массы ископаемого топлива зависит от характера и условий происхождения топлива, а также от его геологического возраста (т. е. глубины происшедших необратимых превращений в органических веществах).

Содержание углерода в твердом топливе растет с его геологическим возрастом, а содержание водорода уменьшается. Так, например, содержание углерода в торфе составляет С_г = 50 ÷ 60 %, в буром угле С_г = 60 ÷ 75 %, в каменном угле С_г = 75 ÷ 90 %. С уменьшением геологического возраста содержание растительных остатков в топливе увеличивается.

Пересчет с сухой и рабочей масс топлива на горючую производят по формуле

Органическая масса топлива в отличие от горючей содержит только органическую серу и не включает колчеданную. Состав этой массы может быть выражен равенством:

Во всех теплотехнических расчетах состав топлива берется по его рабочей массе, являющейся наиболее полной характеристикой состояния топлива перед его сжиганием.

Технические характеристики топлива: влажность топлива.

В зависимости от способа добычи, транспортировки, хранения и т. п. количество влаги W_p может колебаться для одного и того же сорта топлива в больших пределах. Средняя влажность топлива в рабочем состоянии составляет, %: для торфа 50, сланцев 13 — 17, каменного угля 5 -14 и антрацита 5 — 8. Бурые угли в зависимости от влажности делят на три группы: группу Б1 с W_p >40%, группу Б2 с содержанием влаги W^p = 30 ÷ 40 % и группу Б3 с влажностью W_p ≤ 30 %. Общее содержание влаги в топливе включает внешнюю, или воздушную W_BH, и внутреннюю, или гигроскопическую W_гиг влагу. Первый вид влаги определяют, просушивая топливо при комнатной температуре до постоянной массы, а второй вид — лабораторным путем, просушивая пробы топлива при 378 К. Гигроскопическая влажность топлива зависит от его структуры: чем больше пористость, тем больше W_гиг. Средняя гигроскопическая влажность топлива составляет, %: для торфа 10, древесины 7, бурых углей 6 — 10, каменных углей 1 — 5 и антрацита 2 — 3. Наличие влаги в топливе нежелательно не только потому, что из — за этого уменьшается доля горючих компонентов в единице массы топлива, но и потому, что она снижает тепловой эффект горения, отнимая часть теплоты на испарение.

Зола топлива. Присутствие в топливе золы нежелательно, так как вследствие ее наличия уменьшается количество теплоты, выделяющейся при сгорании, возникает эрозия металлических частей оборудования и ухудшается экономичность работы топочных устройств. Количество золы определяют по остатку от прокаливания сухого топлива в атмосферном воздухе при 1070 К. В состав золы входят преимущественно соли щелочных и щелочно — земельных металлов, окислы железа, алюминия, а также сульфатная сера. Наиболее сложный состав у сланцевой золы, в которую помимо упомянутых соединений входит большое количество карбонатных соединений: CaCО_3, MgCО₃, окись кремния, алюмосиликаты и т. д.

При нагревании сланцевой золы карбонатные соединения разлагаются с выделением свободной двуокиси углерода СО^_к/₂. Вследствие этого видимая масса золы получается меньше действительной ее массы в топливе. Зольность сланцев определяют по специальной методике.

Минеральные остатки, образующиеся после сгорания топлива, имеют вид либо сыпучей массы (зола), либо сплавленных кусков (шлак). При высоких температурах, развивающихся при горении топлива, зола размягчается, а затем плавится. Размягченные зола и шлак прилипают к стенкам обмуровки топки, уменьшают сечение газоходов, откладываются на поверхностях нагрева, увеличивая тем самым термическое сопротивление в процессе теплопередачи от газов к нагреваемой среде, забивают отверстия для прохода воздуха в колосниковой решетке, обволакивают частицы топлива, затрудняя их сжигание. Зола с температурой плавления ниже 1470 К считается легкоплавкой, выше 1720 К — тугоплавкой. Плавкость золы зависит от ее химического состава. Зола древесного топлива не шлакуется, а торф имеет легко шлакующуюся золу.

Различные виды топлива содержат золу в широко колеблющемся количестве. Например, средняя зольность сухой массы топлива А_с составляет, %: для древесины 1, торфа 10, кузнецкого угля 10 — 20, подмосковного бурого угля 30, сланцев 60. Бурые угли и сланцы относятся к многозольным видам топлива. Жидкое топливо (мазут) также включает небольшое количество (0,2 — 1%) минеральных примесей, попадающих в топливо с растворами различных солей из буровых вод и при коррозии труб, цистерн и нефтехранилищ.

Летучие вещества и кокс. Из твердого топлива, нагретого до температуры 870 — 1070 К без доступа окислителя, выделяются парогазообразные вещества, которые называются летучими. Летучие вещества представляют собой продукты распада сложных органических веществ, содержащихся в органической массе топлива. В состав летучих веществ входят молекулярный азот N₂, кислород О₂, водород Н₂, окись углерода СО, углеводородные газы СН₄, С₂Н₄ и т . д., а также водяные пары, образующиеся из влаги, содержащейся в топливе.

Химический состав летучих веществ зависит от условий процесса нагревания топлива. Сумма летучих веществ обозначается V_r и относится только к горючей массе.

Содержание летучих веществ в ископаемом твердом топливе колеблется в широких пределах. Наиболее богаты по выходу летучих веществ сланцы (V_r = 90 %), торф (V_r = 75 %). Выход летучих веществ у бурых углей достигает 40 — 50 %, а у антрацитов — 4 — 6 %.

Твердый остаток, который получается после нагревания топлива (без доступа окислителя) и выхода летучих, называется коксом. В состав кокса входят остаточный углерод и зола. В зависимости от условий нагревания (например, при низких температурах) в твердом остатке кроме золы может оказаться часть элементов (С, N, S_л, Н), входящих в состав сложных органических соединений, для термического разложения которых требуется более высокая температура. В этом случае твердый остаток называется полукоксом.

По своим механическим свойствам твердый остаток (кокс) может быть порошкообразным, слабоспекшимся и спекшимся. Свойство некоторых углей (коксующихся) давать спекшийся, механически прочный кокс используется для получения металлургического кокса, применяемого в доменном процессе.

В зависимости от выхода летучих веществ и характеристики кокса каменные угли разделяются на 10 марок: длиннопламенный Д, газовый Г, газовый жирный ГЖ, жирный Ж, коксовый жирный КЖ, коксовый К, коксовый второй к₂, отощенный спекающийся ОС, слабоспекающийся СС, тощий Т.

Каменные угли с выходом летучих V_r — 174 — 37 % относятся к марке СС. При V_r = 254 — 37 % эти угли относятся к первому классу (1СС), а угли с V_r = 17 ÷ 25 % — ко второму (2СС).

В настоящее время ископаемые угли классифицируют также в зависимости от крупности кусков: крупный К (размер 50 — 100 мм), орех О (25 — 50 мм), мелкий М (13 — 25 мм), семечко С (6 — 13 мм), штыб Ш (< 6 мм), рядовой Р (размер не ограничен, т. е. топливо не отсортировано).

Пример расшифровки марки и класса углей: ДР — длиннопламенный рядовой; ПАР — полуантрацит рядовой; БlР — бурый уголь класса 1, рядовой и т. д. (табл. 18.2).

Жидкое топливо. Нефть является основным источником получения искусственных жидких топлив. В процессе сухой перегонки углей и горючих сланцев также получаются некоторые виды жидких топлив. В топках котельных агрегатов и технологических печей используется в основном мазут — остаточный продукт переработки нефти. В состав мазута входят углерод, водород, сера, кислород, азот.

Основными характеристиками мазута являются вязкость и температура застывания. Применяется топочный мазут трех марок; №40, №100, №200. Марка мазута определяется предельной вязкостью при 353 К. По содержанию серы мазуты делятся на малосернистые (до 0,5 %), сернистые (до 2 %) и высокосернистые (3,5 — 4,3 %).

Газообразное топливо представляет собой смесь горючих, и негорючих газов. Горючая часть газообразного топлива состоит из предельных (CnH_{2n + 2}) и непредельных (СnН_2п) углеводородов, водорода, окиси углерода и сернистого водорода (H₂S). В состав негорючей части входят азот, углекислый газ и кислород. Количество водяных паров в газе обозначается d и задается обычно в кг/м³.

Таблица 18.2. Основные характеристики твердого и жидкого топлива

Таблица 18.3. Основные характеристики горючих газов

Составы природного и искусственного газообразных топлив различны. Природный газ чисто газовых месторождений характеризуется высоким содержанием угле — водородов, в основном метана СН₄ (до 98 %). В состав природного газа в небольших количествах входят другие углеводороды: этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, бутан, С₄Н₁₀, этилен С₂Н₄ и пропилен С₃Н6 (табл. 18.3). Содержание балласта O₂ и N₂, как правило, в природном газе невелико. В так называемом попутном газе, который добывают на нефтегазовых месторождениях, наблюдается несколько повышенное содержание высших углеводородов: этана, пропана, бутана, пентана, этилена. В искусственных газах содержание горючих составляющих (в основном водорода и окиси углерода) достигает 25 — 45 %. В балласте преобладают азот и углекислота (75 — 55 %).

Состав газообразного топлива задается в объемных долях, так как количественное содержание и химические формулы компонентов определяются достаточно точно с помощью химического или хромато графического анализов.

В общем виде состав газообразного топлива можно записать следующим образом:

Для влажного газа объемный состав, %, определяют по формуле:

где К_в — объемное содержание компонента влажного газа: К_с — объемное содержание компонента в сухом газе; 0,805 — плотность водяного пара при нормальных условиях, кг/м³; d — влагосодержание газа, кг/м³.

Теплотехнические расчеты ведутся обычно для сухого состава топлива.

Многие физико — химические свойства и теплотехнические характеристики газового топлива и продуктов его сгорания можно установить по так называемому углеродному числу n. Сущность этого метода заключается в том, что реальная смесь углеводородов метанового ряда СnН_2n+2 заменяется одним условным углеводородом, свойства которого отождествляются со свойствами смеси. Число n показывает количество атомов углерода в этом условном углеводороде (для чистого метана n = 1). Оно может быть дробным и в общем случае больше единицы. Достоинства этого метода заключаются в том, что для расчетов состава газа не требуется полный анализ его органической части. Для этого необходимо знать только количество углеводородов метанового ряда (в процентах по объему). Число n находят по формуле:

(18.11)

Более подробно применение этого метода изложено в специальной литературе.

Теплота сгорания. Одной из основных характеристик любого вида топлива является теплота сгорания этого топлива, т. е. то количество теплоты, которое может быть получено при полном сгорании единицы массы или объема топлива. Полным сгоранием называется такое, при котором горючие компоненты топлива С, Н и S полностью окисляются кислородом. Теплоту сгорания твердого и жидкого топлив относят к 1 кг, а газового — к 1 м³ при нормальных условиях.

Различают теплоту сгорания топлива высшую Q_B и низшую Q_n. Различие между ними состоит в том, что в высшую теплоту сгорания топлива входит количество теплоты, которое может быть выделено при конденсации водяных паров, находящихся в продуктах сгорания топлива, а в низшую теплоту сгорания это количество теплоты не входит.

Водяные пары в дымовых газах образуются за счет испарения влаги самого топлива, при сгорании водорода, находящегося в топливе, и влаги, входящей в состав воздуха, который используют в качестве окислителя горючих компонентов топлива.

Теплота конденсации 1 кг водяного пара при атмосферном давлении составляет примерно 2500 кДж/кг. Количество водяных паров в рабочем топливе равно W_p/100. При сгорании 1 кг водорода получается 9 кг водяных паров (Н₂ + 0,5О₂ — Н₂О). Следовательно, теплоту паров определяют из формулы:

В лабораторных условиях теплоту сгорания твердого и тяжелого жидкого топлива (мазута) определяют с помощью калориметрической бомбы.

Схема калориметра показана на рис. 18.2. Калориметрическая бомба представляет собой стальной герметичный сосуд 1, заполненный кислородом под давлением 3 МПа. В сосуде сжигают навеску топлива в 1 г, отобранную из лабораторной пробы. Бомбу помещают в сосуд с водой 2 и по приращению температуры воды вследствие выделенной теплоты при сжигании навески топлива определяют теплоту его сгорания.

Рис. 18.2. Калориметрическая установка

1 — калориметрическая бомба; 2 — сосуд с водой; 3 — термостат; 4 — мешалка; 5 — термометр; 6 — приводной механизм мешалки.

Теплоту сгорания газообразного и легкого жидкого топлива (бензин, керосин и т. д.) определяют в калориметре Юнкерса, который представляет собой миниатюрный водогрейный котел, в топочном объеме которого сжигается топливо. Расход газа определяют по показанию счетчика, а расход жидкого топлива — весовым способом. Расход воды находят взвешиванием на весах или по измерительному сосуду. Зная разность температур воды при входе в калориметр и выходе из него, легко определяют теплоту, переданную воде. Затем по известному расходу газа или жидкого топлива подсчитывают теплоту его сгорания.

При известном элементарном составе твердого и жидкого топлив теплоту их сгорания, кДж/кг, можно приближенно определить по эмпирическим формулам, из которых наиболее распространена предложенная Д. И. Менделеевым:

Теплоту сгорания сухого газа определяют по объемному составу, %, и известной теплоте сгорания компонентов.

Низшая теплота сгорания, кДж/м^3, составит:

Величины Q^с/_н и Q^с/_в определяют по составу сухого газа.

Если в состав газа входят неизвестные углеводородные компоненты (при условий, что содержание метана известно), то сумму углеводородов условно принимают как содержание этана С₂Н₄ и теплоту сгорания рассчитывают по формулам, аналогичным уравнениям (18.16) и (18.17).

Теплоту сгорания природного газа можно также определять по углеродному числу n с помощью следующих линейных зависимостей, предложенных Г. Ф. Кнорре:

Теплота сгорания природного газа находится в пределах 33 000 — 36 000 кДж/м³, искусственных горючих газов — 3700 — 21 000 кДж/м³.

Для сравнения различных видов топлива по их тепловому эффекту и облегчения государственного планирования топливных ресурсов страны введено понятие об условном топливе, теплота сгорания которого принята равной 29 300 кДж/кг.

Отношение данного топлива к Q условного топлива называется топливным эквивалентом, обозначаемым буквой Э. Тогда для пересчета расхода натурального топлива В_н в условное В_у.т достаточно величину В_н умножить на эквивалент Э, т. е.

В_у.т = В_нЭ = В_нQ^р/_нQ_у.т

Классификация топлива: твердое, жидкое и газообразное топливо

РЕКЛАМА:

В этой статье мы обсудим классификацию или тип топлива: 1. Твердое топливо 2. Жидкое топливо и 3. Газообразное топливо.

Топливо представляет собой материал, который после нагревания до температуры воспламенения продолжает гореть при наличии достаточного количества кислорода или воздуха. Основными составляющими любого топлива являются углерод и водород. Топливо может быть твердым, жидким или газообразным. Они могут быть естественными или искусственно приготовленными.

Классификация #

1. Твердое топливо:

я. Дерево:

РЕКЛАМА:

За исключением отраслей, в которых имеется большое количество древесных отходов, этот материал обычно не считается коммерческим топливом. Теплотворная способность древесины зависит как от сорта древесины, так и от содержания воды.

ii. Древесный уголь:

Получается путем сухой перегонки древесины. Процесс обычно проводят в ретортах, чтобы извлекать побочные продукты, образующиеся в результате дистилляции. Побочными продуктами являются метиловый спирт, уксусная кислота, ацетон, газообразные соединения и смола.

Древесный уголь

является отличным металлургическим топливом благодаря полному отсутствию серы. Но это дорого. Он имеет свойство поглощать от 12% до 15% влаги из атмосферы, что снижает его теплотворную способность.

РЕКЛАМА:

III. Торф:

Это смесь воды и разложившихся растительных остатков. Когда воздух сухой, его физический аспект сильно меняется. Сгорает полностью без образования дыма и копоти. Используется в качестве топлива на газогенераторных установках. Торф использовался на шведских государственных железных дорогах для производства пара.

iv. Уголь:

Сюда входят все виды природного твердого топлива от бурого угля до антрацита.

РЕКЛАМА:

против кока-колы:

Это результат деструктивной перегонки некоторых мягких углей в закрытых ретортах. Сегодня в производстве металлургического кокса используются два метода: ульевая печь старого типа, а другой — побочный продукт печи. В этих методах кокс является основным продуктом, а в коксовом газе побочным продуктом.

При производстве металлургического кокса сырьевые угли тщательно отбираются для производства надлежащего вида кокса. При изготовлении осветительных газов правит противоположная точка зрения: уголь выбирается по его газосодержанию, а качество кокса является второстепенным.

Коксуемость топлива зависит от присутствия некоторых соединений, которые при испарении образуют осадок, действующий как цементирующий материал и превращающий рыхлые частицы угля в твердые, механически прочные массы различных размеров.

РЕКЛАМА:

Коксование осуществляется при двух различных температурных уровнях, называемых высокотемпературной карбонизацией и низкотемпературной карбонизацией. Первый является стандартным методом для получения металлургического кокса при температурах от 1000°C до 1200°C. Низкотемпературная карбонизация колеблется от 550° до 750°C, и ее основная функция заключается в производстве бездымного топлива из мягких углей, а получаемый кокс является относительно слабым.

Вторичным результатом является более чем удвоение выхода легкой нефти и гудрона. В результате коксования удаляются уголь, летучие вещества и влага. Теоретический выход представляет собой сумму связанного углерода и золы в исходном топливе. Но из-за неполного коксования товарный кокс обычно содержит некоторое количество газа, а тушение кокса в конце процесса придает ему некоторое количество гигроскопической воды.

VI. Брикетированный уголь:

Мелкий уголь и шлам всех видов, добываемые в горнодобывающей промышленности, используются в качестве топлива путем брикетирования высушенного угля только под давлением. Этот вид угля дает удовлетворительную прочность брикетов без добавления связующего.

РЕКЛАМА:

vii. Пылевидное топливо:

Низкосортное топливо эффективно сжигается путем его измельчения. Этот метод имеет много преимуществ, таких как гибкость управления, полное сгорание с меньшим избытком воздуха и высокой температурой пламени, а характер пламени (окислительный или восстановительный) легко контролируется.

Средний результат высокотемпературной и низкотемпературной карбонизации показан в следующей таблице 8-1:

Обычными способами определения состава угля являются:

(i) Экспресс-анализ

(ii) По окончательному анализу.

Экспресс-анализ состоит из определения:

(i) Содержание влаги

(ii) Летучие вещества

(iii) Связанный углерод

(iv) Ясень.

Окончательный анализ состоит из определения процентного содержания конечных компонентов:

(и) Углерод

(ii) Водород

(iii) Кислород

(iv) Сера

(в) Азот

(vi) Ясень.

Экспресс-анализ используется в коммерческих целях, так как позволяет получить данные о важных коммерческих свойствах угля, а предельный анализ используется для расчетных и научных работ.

Теплотворная способность элементарных топлив при 0°C и 760 мм ртутного столба указана ниже:

Классификация #

2. Жидкое топливо:

Жидкое топливо широко используется в двигателях внутреннего сгорания. Они также используются для выпуска пара.

Некоторые преимущества жидкого топлива:

(i) Высшая теплотворная способность

(ii) Экономика космоса

(iii) Простой контроль потребления

(iv) Чистота

(v) Экономия персонала

(vi) Устранение износа колосников

(vii) Простота включения или выключения.

Характеристики, необходимые для жидкого топлива:

Масло, используемое в качестве топлива, должно иметь высокую теплотворную способность, не должно давать горючих паров до тех пор, пока не будет достигнута температура, значительно превышающая любую, которая может быть достигнута при использовании, не должно быть слишком вязким при обычных температурах и не должно содержать вода или твердые вещества во взвешенном состоянии.

Нефть:

Из сырой нефти получают массу нефтяного топлива от бензинов до мазута. Цвет варьируется от светло-желтого до почти черного; некоторые масла очень подвижны, в то время как другие густые и вязкие. Его удельный вес значительно варьируется; любое значение от 0,77 до 1,0.

Температура вспышки может быть от ниже точки замерзания воды до 160°C. (Вязкость сильно различается от района к району, а также для проб из одного и того же района. Она увеличивается с увеличением удельного веса, но связи между вязкостью и удельным весом не прослеживается. Повышение температуры вызывает быстрое снижение вязкости. вязкостью, а вялое масло течет свободно, если немного повысить его температуру.)

Удельная теплоемкость уменьшается с увеличением удельной массы.

Углеводороды:

Комбинацией химической обработки и усовершенствованных методов фракционной перегонки из нефти было получено большое количество углеводородов, и было установлено, что все природные нефти состоят из смесей многочисленных углеводородов, принадлежащих к различным хорошо известным рядам и входящих по крайней мере в восемь рядов. были идентифицированы.

Общие химические формулы восьми серий:

Нижние члены ряда часто представляют собой газы, а выше они вскоре переходят в легко конденсируемые жидкости и, наконец, во все более и более устойчивые жидкости, пока не достигают твердых веществ. Затем увеличение молекулярной сложности сопровождается повышением температуры кипения в случае жидкостей (или температуры плавления в случае твердых тел), повышением удельного веса и вязкости.

Рассмотрим парафиновые углеводороды.

Первые четыре — это газы (т. е. n = от 1 до 4). От 5 до 18 являются жидкими, а затем происходит постепенное превращение от 18 до 21, после чего они становятся твердыми, известными как парафиновые воски.

Летучие топлива бензин, бензол и керосин представляют собой смеси углеводородов парафинового, ароматического и нафталинового рядов. В бензине присутствуют бензол, толуол и ксилол ароматического ряда, пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декан и ундекан парафинового ряда и циклогексан, гексагидротолуол и гексагидроксилен нафталинового ряда.

Два выдающихся типа нефти встречаются на парафиновой основе и на асфальтовой основе. Из парафиновых базовых масел путем перегонки получают высококачественные смазочные масла, твердый парафин, моторное топливо, горючие масла (пригодные для парафиновых двигателей) и дизельное топливо, при этом битумное масло перерабатывается исключительно для производства топлива, а его осадок является Асфальт различных марок.

Классификация # 3. Газообразное топливо:

Ниже перечислены важные преимущества газообразного топлива перед твердым топливом:

(i) Газ может производиться в одной точке, а чистый газ распределяется по широкой площади к различным орудиям.

(ii) Сжигание газообразного топлива позволяет точно контролировать количество, длину пламени, характер пламени (восстановительное или окислительное) и температуру.

(iii) Удаление дыма и пепла.

(iv) Повышенная экономичность при работе при высоких температурах.

(в) Чистота.

(vi) Низкокачественное топливо можно успешно использовать путем газификации, и мы извлекаем важные побочные продукты.

Топливо газообразное бывает двух типов:

(i) Газы фиксированного состава, такие как ацетилен C ₂ H ₂ , метан CH ₄ , этилен C ₂ H ₂ , этан C _{2 2 90, H 90,222 и т. д.}

(ii) Смешанные промышленные газы, такие как доменный газ, коксовый газ, генераторный газ, осветительный газ, голубой водяной газ, карбюраторный водяной газ, газ Доунсона и т. д.

В следующей таблице 8-5 приведены характеристики фиксированного состава газообразного топлива.

В следующей таблице 8-6 приведены средний состав, теплотворная способность и данные о сгорании для промышленных видов топлива.

Краткое описание характеристик некоторых составных промышленных газов приведено ниже:

я. Доменный газ:

Побочный продукт производства чугуна в доменной печи. Этот газ служит топливом на сталелитейных заводах для выработки электроэнергии в газовых двигателях или для получения пара в котлах и для подогрева дутья в печи. Используется как топливо для металлургических печей.

Газ, выходящий из доменной печи, имеет высокое содержание пыли, доля которой меняется в зависимости от работы печи. Большая часть пыли оседает в дымоходах и пылеуловителях; прежде чем его можно будет использовать в качестве топлива, его необходимо промыть, чтобы очистить от оставшейся пыли.

ii. Коксовый газ и светильный газ (угольный газ):

Образуются в результате одной и той же операции деструктивной перегонки угля в закрытых ретортах. Угольный газ производится в основном в ретортах двух типов: горизонтальных прерывистого действия или вертикальных непрерывных реторт; а коксовый газ получается как побочный продукт при производстве кокса. Оба эти газа используются для промышленных целей отопления и энергетики.

III. Водяной газ:

Когда пар продувается через раскаленный слой топлива, содержащего углерод, образуется голубой водяной газ. Этот газ представляет собой составную смесь CO, CO ₂ и H ₂ . Он не содержит ненасыщенных углеводородов и горит голубым пламенем. Используется для обогрева. Чтобы сделать голубой водяной газ пригодным для использования в качестве бытового осветительного газа, добавляют ненасыщенные углеводороды, и этот газ известен как карбюраторный водяной газ.

iv. Производитель газа:

Это газ, получаемый при неполном сгорании кокса или древесного угля в токе воздуха. Он состоит из CO и N ₂ и его анализ должен быть 38,4% CO и 65,2% N ₂ ; но на самом деле газ, полученный на заводе-производителе, отличается от теоретического, потому что производство газа зависит от

(а) Температура,

(б) Давление,

(c) Размер угля и

(d) Скорость воздуха, проходящего через генератор.

Он имеет очень низкую теплотворную способность, потому что его основным компонентом является азот, который является инертным газом.

v. Газ Dounson или газовая смесь:

Представляет собой смесь генераторного газа и водяного газа. Он состоит из водорода, монооксида углерода, диоксида углерода и азота. Его теплотворная способность зависит от способа его производства.

VI. Природный газ:

Состоит из метана вместе с водородом, другими углеводородами и некоторыми примесями. Используется для бытового и промышленного отопления.

Главная ›› Теплотехника ›› Топливо ›› Классификация топлив

Чем отличается твердое жидкое топливо от газообразного топлива не имеют определенной формы и растекаются по пространству.

Тремя основными видами ископаемого топлива являются уголь, нефть и природный газ. Эти три вида топлива относятся к группам твердого топлива, жидкого топлива и газообразного топлива соответственно.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Обзор и основные отличия
2. Что такое твердое топливо
3. Что такое жидкое топливо
4. Что такое газообразное топливо
5. Твердое, жидкое и твердое топливо в табличной форме
– Резюме 6. по сравнению с жидким по сравнению с газообразным топливом

Что такое твердое топливо?

Твердое топливо представляет собой твердые формы материалов, которые могут выделять энергию при сгорании, что обеспечивает тепло и свет в процессе сгорания. Эти виды топлива обсуждаются в отличие от жидкого топлива и газообразного топлива. Некоторыми распространенными примерами являются древесина, древесный уголь, торф, уголь, топливные таблетки гексамина, сухой навоз, древесные гранулы, кукуруза, пшеница, рожь и т. д.

Рисунок 01: Сжигание твердого топлива

Как правило, твердое топливо широко используется в ракетной технике и твердотопливных двигателях. Эти виды топлива использовались на протяжении всей истории человечества для разведения огня. Каким-то образом твердое топливо в настоящее время все еще используется в качестве широко распространенного топлива во всем мире.

Наиболее распространенные виды твердого топлива включают древесину, биомассу, торф, уголь, кокс, бездымное топливо, бытовые отходы и ракетное топливо. Теплотворная способность этих видов топлива варьируется в зависимости от содержания углерода, водорода, содержания негорючих или зольных веществ и содержания воды. Мы можем измерить тепло, выделяемое при сгорании, как теплоту сгорания, которая является точной мерой, обычно определяемой с помощью бомбовой калориметрии.

Твердое топливо часто дешевле, чем жидкое и газообразное. Кроме того, их легче извлекать и они более стабильны при транспортировке. Кроме того, твердое топливо легкодоступно во многих местах. Уголь является особенно важным твердым топливом, которое используется примерно для 38,1% производства электроэнергии в мире. Это потому, что это менее дорого.

Что такое жидкое топливо?

Жидкое топливо — это жидкие формы материала, которые могут выделять энергию, которую можно использовать для работы. Наиболее распространенные формы жидкого топлива включают нефть, в том числе сырую нефть и продукты нефтепереработки, сжиженный природный газ, биотопливо, жидкие углеводороды и т. д.

Рисунок 02: Сжигание жидкого топлива

Жидкое топливо может подвергаться сгоранию для выработки энергии и может быть использовано для выработки механической энергии, такой как кинетическая энергия. Жидкое топливо имеет форму контейнера, как и другие жидкости. Как правило, воспламеняется пар жидкости, а не сама жидкость.

Более того, жидкое топливо обычно образуется из ископаемого топлива. Несколько других форм, таких как водородное топливо, используемое в автомобилях, этанол и биодизель, также можно отнести к категории жидкого топлива. Эти жидкие топлива играют первостепенную роль в экономике и транспортных нуждах.

Что такое газообразное топливо?

Газообразное топливо представляет собой газообразные формы материала, которые могут выделять энергию для выполнения работы. Они также известны как топливный газ. Они находятся в газовой фазе при обычных условиях. Как правило, топливный газ содержит углеводороды, водород, монооксид углерода и т. д. Газообразное топливо является отличным источником потенциальной тепловой или световой энергии. Мы можем легко передать эту энергию и распределить ее по трубам.

Рисунок 03: Сжигание газообразного топлива

Газообразное топливо может быть сжижено для удобного хранения и транспортировки. Газообразная природа этого топлива имеет свои преимущества, хотя его трудно транспортировать в чистом виде и существует опасность утечки. Это, в свою очередь, может привести к взрыву газа. Таким образом, мы можем добавлять дезодоранты к большинству газообразных топлив, чтобы легко обнаруживать их запах.

Мы можем найти два основных типа газообразного топлива: промышленный топливный газ и скважинный или добытый топливный газ. Некоторые примеры производимых топливных газов включают угольный газ, водяной газ, генераторный газ, синтетический газ, древесный газ, биогаз и т. д. Некоторые примеры горючих газов, извлеченных из шахт, включают пропан, бутан и сжиженный нефтяной газ.

В чем разница между твердым жидким и газообразным топливом?

Ископаемые виды топлива играют очень важную роль в мировом потреблении энергии. Три основных типа ископаемого топлива, т. е. уголь, нефть и природный газ, встречаются в твердом, жидком и газообразном состояниях. Ключевое отличие твердого жидкого топлива от газообразного состоит в том, что твердое топливо имеет определенную форму, а жидкое топливо не имеет определенной формы и принимает форму емкости, тогда как газообразное топливо не имеет определенной формы и растекается по пространству.

В следующей таблице приведены различия между твердым жидким и газообразным топливом.

Резюме – Твердое, жидкое и газообразное топливо

Ключевое различие между твердым жидким и газообразным топливом заключается в том, что твердое топливо имеет определенную форму, а жидкое топливо не имеет определенной формы и принимает форму контейнера, в то время как газообразное топливо имеет не имеют определенной формы и растекаются по пространству.