Горючие вещества. Органическое топливо и его классификация. Составные части органического топлива

2.1. Горючие вещества 2.2. Органическое топливо и его классификация 2.3. Составные части органического топлива 2.4. Теплота сгорания Лекции Лекция 1 Лекция 2 Лекция 3 Лекция 4 2.1 2.4 2.2 2.3 2.1. Горючие вещества Горючим называется вещество, способное самостоятельно гореть после удаления источника зажигания. Совокупность горючих веществ и материалов с окислителем представляет собой горючую среду. По агрегатному состоянию все вещества и материалы подразделяются на следующие виды. В производственных процессах могут участвовать вещества и материалы во всех этих фазах. Многообразие горючих веществ, с которыми мы сталкиваемся, очень велико. Оно включает в себя простейшие и сложные газообразные углеводороды, твердые вещества с большой относительной молекулярной массой и сложной химической структурой. Некоторые из горючих веществ имеют естественное происхождение, например целлюлоза, тогда как другие являются искусственными, например полиэтилен и нейлон. Все эти вещества при определенных условиях могут реагировать с кислородом воздуха, образуя при этом продукты горения и высвобождая тепловую энергию. Так, поток или струя газообразного углеводорода могут загореться в воздухе с образованием пламени. Образование пламени связано с газообразным состоянием вещества. В случае горения жидкостей этот процесс обычно заключается в ее испарении и горении образовавшегося пара над ее поверхностью. Горение твердых тел происходит по поверхности, при этом образуются продукты сгорания с достаточно низкой относительной молекулярной массой, которые способны улетучиваться с поверхности материала и попадать в область пламени. Сам процесс горения часто сопровождается химическим разложением или пиролизом материала. Обычно для пиролиза требуется значительно больше энергии, чем для простого испарения вещества, поэтому температура горящих твердых материалов, как правило, высока и обычно составляет 400 °С и более. Разные горючие вещества в природе могут сгорать быстрее или медленнее. Важное значение при этом имеет скорость распространения пламени. Скорость распространения пламени − линейная скорость, с которой распространяется пламя в данном направлении. Многие газы являются горючими и способными образовывать с воздухом воспламеняемые и взрывоопасные смеси при температурах не выше 50 оС. К горючим газам относят также пары легковоспламеняющихся и горючих жидкостей. На поверхности жидкости всегда идет процесс ее испарения. Поэтому над поверхностью жидкости всегда есть слой ее пара с воздухом. Если их поджечь, то они могут воспламениться и гореть. Температура вспышки tB − самая низкая температура горючей жидкости, при которой пары и газы способны вспыхнуть от источника зажигания (открытого пламени), но при этом скорость образования паров и газов еще недостаточна для последующего горения. В зависимости от температуры вспышки жидкости подразделяются на виды [20]: - легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ), когда tB < 61 °С в закрытом тигле и tB< 66 °С в открытом (например, ацетон - tB= -18 °С; бензин - tB = -36...-7 °С в зависимости от марки; метиловый спирт - tB = -5 °C; керосин - tB = 15...60 °С и др.); - горючие жидкости (ГЖ), к которым относят все пожароопасные жидкости с большей температурой вспышки tB (например, дизельное топливо, мазут, смазочные масла и т. п.). Специфика горения многих твердых веществ заключается в том, что при нагреве они частично разлагаются, образуя парогазовую горючую смесь (летучие вещества). Интенсивность ее выделения этой смеси может быть такой, что она начинает гореть самостоятельно, и это приводит к устойчивому горению. Температурой воспламенения горючего вещества tВП называют температуру начала устойчивого его горения, после удаления источника зажигания. Состав летучих веществ при горении твердых материалов, как правило, чрезвычайно сложен. Особенно, при горении полимерных материалов и композиций. В отдельную категорию веществ выделяют горючие пыли. 2.4. Теплота сгорания Теплота сгорания топлива представляет собой количество тепловой энергии, выделяющейся при окислении горючих компонентов единицы топлива (1 кг для твердого и жидкого или 1 нм3 для газообразного топлива) газообразным кислородом. Здесь 1 нм3 представляет собой 1 м3 газового топлива, взятый при нормальных физических условиях: давление равно 0,1013 МПа, температура – 0 оС. Теплота сгорания топлива является наиболее важной его характеристикой, определяющей его энергетическую ценность. Различают низшую и высшую теплоту сгорания топлива. Низшая теплота сгорания − количество тепловой энергии, выделяющейся при окислении горючих компонентов единицы топлива, при этом влага в продуктах сгорания находится в виде водяного пара. Высшая теплота сгорания − количество тепловой энергии, выделяющейся при окислении горючих компонентов единицы топлива, при этом влага в продуктах сгорания находится в виде конденсата. В большинстве технологических процессов при сжигании топлива продукты сгорания, имеющие высокую температуру, содержат влагу только в виде водяного пара. Тогда тепловой эффект на величину конденсации водяного пара , по отношению к при сжигании топлива получается больше . Таким образом получаем связь между этими теплотами: . (2.3) При сжигании 1 кг топлива теплота конденсации водяного пара может быть определена по формуле, кДж/кг, , (2.4) где W и H – значения процентного содержания влаги и водорода в топливе. Значения теплоты сгорания топлива обычно приводят в справочной литературе, где даются также характеристики топлива. Вместе с тем достаточно часто при расчетах теплоты сгорания топлива широко используется формула Д.И. Менделеева, кДж/кг, , (2.5) где CP,HP,OP,SP,WP– значения содержания углерода, водорода, кислорода, серы и влаги в топливе, %. Для удобства расчетов топливно-энергетических балансов топочных устройств при использовании различных видов топлива широко применяют понятие условное топливо. Условное топливо − фиктивное топливо, при сжигании 1 кг которого выделяется 7000 ккал или 29308 кДж теплоты. С учетом этого вводится понятие теплового эквивалента любого топлива, когда его теплота сгорания может быть выражена в кДж/кг, . (2.6) 2.2. Органическое топливо и его классификация Важное значение в экономике любой страны имеет органическое топливо, т. е. горючие вещества, используемые в технологических процессах и производствах. В нашей стране органическое топливо является основным источником для производства тепловой энергии (около 95% от всей производимой энергии). Органическое топливо можно классифицировать по разным признакам, например, как показано на рис. 2.1. Рис. 2.1. Классификация органического топлива Ископаемое топливо − природное топливо, накопленное в недрах Земли в твердом, жидком или газообразном состояниях. Искусственное топливо – топливо, полученное обычно из ископаемого за счет его соответствующей переработки. При этом получают новые виды топлива с требуемыми качественными характеристиками. (бензин, соляровое масло, технические смазки и т. п.). Композиционное топливо – топливо, полученное механическим смешением различных горючих веществ с заданными свойствами (например, топливные суспензии, эмульсии, брикеты и т. п.). Синтетическое топливо – топливо, полученное при термохимической переработке горючих веществ, например переработке нефти, угля. В результате получают бензин, керосин, дизельное топливо, синтетические масла и др. К твердому органическому топливу относят уголь, древесину, торф, горючие сланцы и др. Из всех видов твердого топлива наиболее широко используют каменный уголь. Ископаемые угли чрезвычайно разнообразны по своим свойствам и качеству, и для них разработана промышленная классификация. Здесь под понимают высшую теплоту сгорания топлива. Высшая теплота сгорания топлива − количество тепловой энергии, выделяющейся при окислении горючих компонентов единицы топлива газообразным кислородом с учетом теплоты конденсации водяных паров, входящих в состав продуктов сгорания. Летучие вещества − газо- и парообразные продукты, выделяющиеся в результате разложения топлива при его нагреве без доступа кислорода. Их процент берется по массе топлива. К достоинствам угля как вида топлива можно отнести достаточно низкую его стоимость по сравнению с другими видами топлива, большие природные запасы, что делает его перспективным для дальнейшего использования в промышленности. В качестве недостатков углей можно отметить следующее. Уголь является экологически грязным топливом, от которого при горении выделяется много золовых и вредных газообразных выбросов, его сложно сжигать без предварительной подготовки, при его сжигании наблюдается интенсивный абразивный износ поверхностей нагрева. Основным видом жидкого топлива для большинства промышленных устройств является мазут, реже используются нефть, дизельное топливо, отработанные масла и т. п. В двигателях внутреннего сгорания в качестве топлива в основном используется бензин, солярка, керосин и др. Нефть представляет собой смесь углеводородов естественного происхождения с малым содержанием (не более 0,3%) минеральных примесей. Мазуты и другие виды жидкого топлива получают из нефти на нефтеперерабатывающих заводах. Топочный мазут состоит в основном из тяжелых крекинг-остатков перегонки нефти, либо представляет собой смесь крекинг-остатков с прямогонным мазутом. Мазуты подразделяются на ряд марок в зависимости от их вязкости. В основу маркировки мазутов положена величина − условная вязкость, выраженной в о УВ. Условная вязкость жидкости − отношение времени истечения жидкости при заданной температуре из емкости определенного объема ко времени истечения такого же объема дистиллированной воды при температуре 20 оС. Мазут марки М40 (40о УВ) обычно используют в котельных малой и средней мощности и промышленных печах. Мазут марки М100 (100о УВ) используют на крупных электростанциях и ТЭЦ. В пределах марок топочные мазуты подразделяют на три сорта в зависимости от содержания в них серы. Для мазутов характерно более высокое содержание серы и ванадия, чем в исходной нефти, из которой они получены. Важными физическими свойствами жидких топлив, кроме вязкости, являются также температура вспышки и температура застывания. Температура застывания − температура, при которой топливо загустевает настолько, что при наклоне пробирки с топливом под углом в 45о к горизонту оно остается неподвижным в течение 1 минуты. К достоинствам жидкого топлива следует отнести его высокую теплоту сгорания, удобство транспортировки, возможность сжигания в топочном устройстве с высоким коэффициентом полезного действия. Недостатками жидкого топлива являются высокая стоимость, пожаровзрывоопасность, возможность появления на поверхностях нагрева топочных устройств низкотемпературной сернокислотной и ванадиевой коррозии, ограниченность природных запасов. В последнее время на производстве и в быту широко используется газообразное топливо. В основном в топочных устройствах сжигают природный газ, который представляет собой смесь нескольких углеводородов с индивидуальными газами. Природные газы подразделяются на следующие. Природный газ из газовых месторождений на 85-95% состоит из метана. Попутный газ помимо метана содержит значительное количество более тяжелых углеводородов. Газ из газоконденсатных месторождений в своем составе имеет большой процент высших углеводородов, главным образом пропана и бутана, поэтому он обычно используется для получения сжиженного газа, который затем используют для газификации жилых домов и в качестве топлива для автомобильного транспорта. Искусственные газы, получаемые при переработке нефти и угля, в технологических процессах и т. п., могут также использоваться как промышленное и энергетическое топливо в различных топочных устройствах. К достоинствам газообразного топлива следует отнести его высокую теплоту сгорания по сравнению с другими видами топлива, при этом можно полностью автоматизировать процесс горения. Температура факела при сжигании газа может достигать 1800 оС, а это приводит к повышению теплоотдачи в топке, позволяет уменьшить коэффициент избытка воздуха, подаваемого в топку на горение, а также габариты топочной камеры. Все это ведет к повышению коэффициента полезного действия топочного устройства. Газ в настоящее время считается наиболее экологически чистым органическим топливом. К недостаткам газообразного топлива относят его малую плотность, что отрицательно сказывается на стоимости его транспортировки на далекие расстояния, высокую пожаровзрывоопасность, ограниченность природных запасов. Широко используется органическое топливо и для производства многих горючих материалов и композиций: полиэтилена, капрона, взрывчатых веществ и т. п. Подбор вида топлива для сжигания его в производственных условиях является достаточно сложной техникоэкономической задачей, т. к. при ее решении необходимо учитывать близость месторождения топлива, возможность его применения, экологичность и многие другие параметры. 2.3. Составные части органического топлива Все виды органического топлива содержат в своем составе наряду с горючими веществами и негорючие компоненты – балласт, как показано на рис. 2.2. Рис. 2.2. Составные части органического топлива Горючая часть твердого или жидкого топлива представляет собой в основном органический материал, содержащий пять элементов: углерод, водород, сера, кислород и азот. Последние два элемента не участвуют в тепловыделении при горении топлива и являются балластом горючей части. Минеральные соединения, такие как пирит, могут окисляться, и поэтому они выделены в отдельную составляющую горючей части топлива. Балласт топлива состоит из двух частей: влаги и негорючей минеральной части, состоящей из различных минеральных соединений (кремнезема, глинозема, карбонатов, сульфатов и др.). При сгорании топлива из его минеральных соединений образуется зола. Важной характеристикой топлива является содержание в нем серы. Она входит в состав топлива в виде органической , колчеданной (пиритной) и негорючей сульфатной серы, последняя переходит при горении в состав золы без какихлибо изменений. Общее содержание серы в топливе выражается в виде S=SОРГ+SK+SСФТ, (2.1) а содержание горючей (летучей) серы составляет SГ=SОРГ+SK. (2.2) Состав органического топлива графически может быть представлен, как показано на рис. 2.3. Рис. 2.3. Состав органического топлива При анализе характеристик твердого и жидкого топлива его состав обычно указывают в процентах по массе (твердое или жидкое топливо) или по объему (газообразное топливо), при этом за 100% принимают: - рабочую массу, когда топливо находится в том состоянии, в каком оно поступает потребителю (CP,HP,OP,NP,SP,WP,AP); - сухую массу, когда берется совокупность всех составляющих топлива без влаги (CC,HC,OC,NC,SC,AC); - горючую массу, когда берется сухая масса топлива за вычетом золы (CГ,НГ,ОГ,NГ,SГ). С учетом вышесказанного нетрудно получить формулы пересчета состава топлива из одной массы в другую. Характеристики топлив приводятся в справочной литературе. Состав газообразного топлива обычно указывают в процентах по объему, при этом за 100% принимают сумму всех присутствующих в газе компонентов, кроме водяного пара. Все виды твердого, жидкого и газообразного топлива содержат влагу. Содержание влаги различно, и, например, для твердого топлива оно колеблется от 4% (для антрацита) до 90% (для свежедобытого торфа). Следует отметить, что с увеличением влаги в топливе снижается его подвижность и ухудшается тепловая экономичность сжигающих устройств, а при отрицательных температурах возможно смерзание топлива. Виды влаги и формы ее связи с органическим веществом топлива разнообразны и достаточно сложны и в данном пособии не рассматриваются. Органическое топливо является термически нестойким и при повышении температуры начинает разлагаться с выходом из него горючих (водород, углеводороды, оксид углерода и др.) и негорючих (диоксид углерода, водяной пар и др.) газов. Эти газы называют летучими веществами. Оценку топлива по выходу летучих газов определяют путем нагрева 1 г измельченного воздушно-сухого топлива без доступа воздуха при температуре 850 оС в течение 7 мин. Оставшееся после нагрева твердое (нелетучее) вещество называют коксовым остатком. Летучие вещества оказывают значительное влияние на процесс горения топлива. Чем больше выход летучих веществ у топлива, тем быстрее оно может воспламениться и сгореть. Это обязательно должно учитываться при конструировании и эксплуатации топочных устройств. Для некоторых видов твердого топлива температура начала выхода летучих веществ и их количество приведены в табл. 2.1. Таблица 2.1 Температура начала выхода летучих веществ и их количество для твердых топлив Выход летучих Топливо Температура начала газовыделения, оС веществ на горючую массу, % Древесина 150 85 Торф 160 70 Бурый уголь 230-260 35-50 Каменный уголь 300-330 12-45 230 4-7 Антрацит После полного окисления горючих компонентов в топливе остаются минеральные примеси, называемые золой. Зольность выражают в % от исходной массы топлива. Для различных видов твердого топлива она может колебаться в широких пределах - от 2 до 70%. Несгоревшая минеральная часть топлива состоит из золы и шлака. Зола представляет собой порошкообразный негорючий остаток, который частично уносится дымовыми газами (летучая зола), а оставшаяся часть проваливается через колосниковую решетку или оседает в газоходах. Шлак представляет собой спекшиеся минеральные примеси в виде пористых кусков.  ◄ Тест для самоконтроля по теме 1 Практическая работа (по лекции 2.3) ► 