Общая характеристика и классификация топлива

Тема 3.6 Общая характеристика и классификация топлива. Технические характеристики топлив.

Учебные вопросы темы: 

• Общая характеристика топлива.
• Классификация топлива.
• Технические характеристики топлив .

Вопрос 1.

Общая характеристика топлива.

Топливом называют горючие вещества, способные при сжигании выделять тепловую энергию.

Классификация источников энергии

Не возобновляемые

Первичные

Возобновляемые

Вторичные

Органическое топливо :

Уголь, нефть, природный газ, горючие стланцы.

Продукты переработки органического топлива :

Ядерное топливо :

Кокс, полукокс, генераторные газы, доменный газ, коксовый газ, конверторный газ.

Биомассы : древесина, торф.

Летучая энергия солнца .

Уран 235, торий.

Ядерное топливо : плутоний 239, электроэнергия

Механическая энергия : рек, ветра, морских приливов и отливов.

Термоядерное топливо :

Тепловая энергия : недр земли, океана.

Дейтерий

Состав топлива

Компонентами всякого органического топлива являются горючие элементы и негорючие примеси или балласт. Горючие элементы: углерод C, водород H, сера S (органическая и колчеданная).

Негорючие элементы: кислород O и азот N составляют внутренний балласт топлива.

Внешний балласт: влага W и минеральные примеси или зола A.

Состав топлива выражают в процентах.

Элементарный состав твердого и жидкого топлива

Твердое и жидкое топливо по составу можно представить как макромолекулу,

в состав которой входят наиболее важные элементы, а также негорючие минеральные примеси и влагу.

Поэтому состав твердого и жидкого топлива проводят по химическим элементам и называют элементарным.

Элементарный состав твердого и жидкого топлива

Углерод ( С ) - основная горючая составляющая топлива – может находиться

как в свободном состоянии, так и в виде соединений.

Водород ( Н ) является вторым по значению горючим элементом топлива. Содержится в свободном состоянии или в виде соединений с кислородом, серой, углеродом.

Кислород ( О ) и азот ( N ) в топливе являются балластом, так как их наличие уменьшает содержание горючих элементов в топливе.

Сера ( S ) может содержаться в твердом топливе в трех видах:

• в виде сложных высокомолекулярных органических соединений с углеродом, водородом и кислородом;
• в виде соединений с железом и медью;
• в виде сульфатных соединений.

Азот N не горит и является внутренним балластом топлива. Содержание его в жидком и твердом видах топлива не велико и составляет 0,5 - 1,5%.

Зола А представляет собой негорючий твердый компонент, количество которого определяют после полного сгорания топлива. Она является нежелательной и даже вредной примесью, так как в ее присутствии усиливаются абразивные износы, усложняется эксплуатация различных агрегатов. Топливо с высоким содержанием золы имеет низкую теплоту сгорания и воспламенения.

Влага W является весьма нежелательной примесью топлива, так как, отбирая часть теплоты на испарение, снижает теплоту и температуру сгорания топлива, усложняет эксплуатацию установок (особенно в зимнее время), способствует коррозии.

Минеральные примеси (золу и влагу) принято подразделять на внешние и внутренние. Первые попадают в топливо из окружающей среды при его добыче, транспортировке или хранений, а вторые входят в его химический состав.

Топливо, которое поступает к потребителю в естественном состоянии, и содержит, кроме горючей части, золу и влагу, называется рабочим. Для определения сухой массы топлива его высушивают при температуре 105°С для удаления влаги.

В составе исходной массы топлива выделяют несколько видов расчетных масс: рабочую, сухую, горючую, органическую.

Коксовый остаток

Летучие вещества

горючий

Влага

негорючий

O

W

N

A

S

C

Органическая масса

Горючая масса

Сухая масса

Рабочая масса

Элементарный состав твердого и жидкого топлива

Рабочая масса:

C p + H p + O p + N p + S p + A p + W p = 100 %;

Сухая масса:

Горючая масса:

C с + H с + O с + N с + S с + A с = 100 %;

C г + H г + O г + N г + S г = 100 %;

Органическая масса:

C о + H о + O о + N о = 100 %.

Рабочая масса топлива – процентное содержание горючих элементов и негорючих веществ в топливе, поступающем к потребителю

Сухая масса топлива – при отсутствии влаги

Горючая масса топлива

Горючая масса топлива является наиболее устойчивым составом топлива

Таблица пересчета масс топлива

Заданная масса топлива

Множители для пересчета на массу

рабочую

Рабочая

сухую

1

Сухая

горючую

Горючая

1

1

Состав газообразных топлив весьма разнообразен: горючая часть его включает водород Н, окись углерода СО, метан СН 4  и другие газообразные углеводороды (CnHm) с числом углеводородных атомов до 4 включительно.

Газообразное топливо обычно приводится по сухому составу в виде суммы входящих в него газов в объемных процентах

Основным горючим компонентом природного газа является метан, искусственных газов – окись углерода и водород

Вопрос 2.

Классификация топлива.

Топливо, его классификация

Энергетическим топливом называют такие горючие вещества, которые экономически целесообразно сжигать в технических устройствах для получения в промышленных целях больших количеств тепла

Д.И.Менделеев

Классифицируют

• по агрегатному состоянию : газообразное, жидкое, твердое
• по способу получения : естественное, искусственное
• по характеру использования : энергетическое, технологическое

• теплоте сгорания;
• исходному сырью и способам производства;
• целевому назначению или области применения .

По агрегатному состоянию виды топлива:

• жидкие,
• газообразные,
• твердые.

Твердое топливо: антрацит, каменный уголь, бурый уголь, горючие сланцы, торф, древесина, растительные отходы, кокс, полукокс, древесный уголь, брикеты, пылевидное топливо, отходы обогащения углей

Жидкое топливо: сырая нефть, бензин, лигроин, керосин, дизельное и моторное топлива, мазут, смоляные масла, бензол, синтетическое топливо

Газообразное топливо: природный и попутный нефтяной газы, генераторные газы (воздушный, водяной или силовой, смешанный), газы подземной газификации, газы сухой перегонки твердого топлива (коксовый, пирогенный)

Классификация топлива

Вид топлива

Естественное

Твердое

Искусственное

Ископаемые угли, горючие сланцы, торф, древесина, отходы с/х.

Жидкое

Каменноугольный кокс, древесный уголь, торфяной кокс, полукокс, брикеты, пылевидное топливо

Нефть

Газообразное

Бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, спирт, бензол, смолы сухой перегонки твердого топлива

Газы природные и сопутствующие при добыче нефти и др. ископаемые

Светлые, коксовые, нефтяные. Крекинговые, доменные, генераторные, водяные, смешанные газы нефтеперерабатывающих заводов

Газообразное топливо

Химический состав естественных и искусственных газообразных топлив на сухую массу, % по объему

Топливо

СО

Природный газ Уренгойского месторождения

-

Попутный нефтяной газ

Н 2

СН 4

-

Коксовый газ

-

-

4,2…8,5

98,4

С 2 Н 6

Доменный газ

46…61

0,1

27…30

61,8

С 3 Н 8

Генераторный газ из каменного угля

1,5…2,5

21…28

26,5

7,7

С m Н n

-

-

СО 2

13,5

1,4…3,0

-

17,6

0,1…0,4

11,5

-

2,5

0,3

О 2

0,4

-

N 2

-

-

-

-

-

1,2

-

2,2…3,1

10…12

0,3…1,7

1,4

-

3,7…14

-

5,0

56…58

0,2

51,9

Твердое топливо

Жидкое топливо

Элементарный состав твердого и жидкого топлива

Топливо

Нефть

С г

Н г

83…88

Бензин

О г

11…14

85

Мазут малосернистый

0,1…1,3

N г

Мазут высокосернистый

87,8

14,85

S г

0…1,7

84

10,7

Древесина

Следы

А с

0 … 5

Уголь бурый

0,5

50

11,5

Следы

W р

0,1…0,3

0,2

0,15

0,3

65…70

Уголь каменный

6

1…1,5

5…6

78…83

0,3

0,7

-

Кокс каменноугольный

43

25

92,4

5…6

0,2

4

1

-

-

0,7

10…20

0…2

1

0,3

1…5

1…3

0…2

1

0,9

10…45

1,1

1…8

40…60

20…55

10…40

0,7

4…15

0,4

3,8

По теплоте сгорания классификация важна в тех случаях, когда необходимо оценить топливо как энергоноситель, а также при тепловых расчетах двигателей, расчете объемов топливных баков и др.

По этому признаку различают три группы топлив:

• высококалорийные —с теплотой сгорания более
• 42 000 кДж/кг;
• среднекалорийные — с теплотой сгорания 25000 —
• 42 000 кДж/кг;
• низкокалорийные — с теплотой сгорания меньше 25000 кДж/кг.

По происхождению топливо классифицируют, если возникает необходимость оценить сырьевую базу или способы получения топлив. При этом все топлива делят на две группы: нефтяного и не нефтяного происхождения.

Часто топливо не нефтяного происхождения называют альтернативным топливом, желая тем самым противопоставить его топливу нефтяного происхождения. К альтернативным топливам относятся спирты, водород и почти все виды синтетических углеводородных топлив, т. е. искусственно полученные из ненефтяного сырья бензины, дизельные топлива и т. д. Особо рассматриваются природный газ и топлива, полученные из горючих сланцев (например, сланцевый бензин).

По целевому назначению топлива делятся на топлива для двигателей с искровым зажиганием (к ним относятся в основном бензины), дизельное топливо , топливо для турбореактивных двигателей и т. д. Эта классификация может быть и более подробной. Например, дизельное топливо различают для быстроходных двигателей (автомобильных, тракторных и ряда других транспортных машин), для средне- и малооборотных дизелей (судовых, стационарных) и др.

Вопрос 3.

Технические характеристики топлив .

Основными техническими характеристиками топлива являются :

• теплота сгорания;
• выход газообразных веществ при нагреве,
• зольность топлива и свойства зольного остатка,
• влажность топлива,
• сернистость топлива.

Теплота сгорания является основной характеристикой топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Высшей теплотой сгорания  Q  называют количество тепла, которое выделяется при сгорании 1 кг твердого (жидкого) или 1 куб. м газообразного топлива. Низшая теплота сгорания  Q  отличается от высшей на теплоту испарения влаги и влаги, образующейся при горении водорода. Чем больше влажность топлив, тем меньше будет величина Q низшей.

Высшая величина сгорания твердого и жидкого топлива определяется экспериментально. Низшая теплота сгорания положена в основу классификации топлив.

Выход летучих веществ. Если сухую массу топлива поместить в тигель и постепенно нагревать в инертной среде без доступа воздуха, то будет происходить уменьшение ее массы. При высоких температурах начинается разложение кислородосодержащих молекул топлива с образованием газообразных продуктов, получивших название летучих веществ. Выход летучих веществ из твердых топлив происходит в интервале температур от 110 до 1100º С.

Выход летучих веществ определяет температуру воспламенения топлива и условия его хранения, сильно влияет на конструкцию топок, где сжигается это топливо.

Чем больше выход летучих веществ, тем легче воспламеняется топливо (газообразные, летучие вещества имеют низкую температуру воспламенения).

Зольность топлива. В процессе горения топлива его минеральная часть подвергается химическим преобразованиям. Масса несгораемого остатка – золы оказывается на 10-15% меньше, чем масса исходной минеральной части топлива и существенно отличается от нее по составу. Свойства золы играют большую роль при сжигании топлива.

Образовавшаяся после сгорания топлива зола – это смесь минералов, а их сплавы, возникающие в зоне высоких температур, называют шлаками.  Суммарное количество золы и шлаков принято называть зольностью топлива . Температуры плавления отдельных минералов и их сплавов сильно различаются и находятся в пределах от 600 до 3000º С. Поэтому плавление представляет собой процесс постоянного размягчения от твердого до жидкого состояния по мере роста температуры.

Влажность топлива. Влажность топлива ( W ) в процентах от его рабочей массы определяется опытным путем сушки при температуре 105º С до достижения постоянства массы.

Большая влажность топлива вызывает трудности при сжигании. Снижается теплота сгорания, растет расход топлива, увеличиваются потери тепла с уходящими газами. Влажность топлива вызывает усиление коррозии металла отдельных конструкций топок, приводит к повышенному загрязнению поверхностей нагрева.

Сернистость топлива. При сжигании сера создает серьезные экологические проблемы. Окислы серы и азота, образующиеся в зоне высоких температур, представляют большую опасность для жизнедеятельности. Для улавливания этих окислов строят сложные очистные сооружения, что приводит к удорожанию примерно вдвое энергетических установок.

Приведенные характеристики топлива

Приведенные влажность, зольность и сернистость

Характеристики твердого топлива

• Выход летучих веществ
• Структура кокса
• Температура плавления золы
• Механическая прочность
• Размер кусков
• Низшая теплота сгорания рабочей массы
• Зольность
• Влажность
• Маркировка
• Плотность
• Прочность
• Сыпучесть

конспект

42 Г Жирный Порошкообразный Ж Коксовый 35 – 44 К Спекшийся, вспученный 26 – 35 Спекающийся Спекшийся, плотный С Тощий 18 – 26 12 – 18 Спекшийся, плотный Т Полуантрацит Спекшийся, плотный ПА Антрацит Порошкообразный А " width="640"

Марки каменных углей по выходу летучих и характеристике коксового остатка

Марка

Длиннопламенный

Д

Газовый

Характеристика коксового остатка

42

Г

Жирный

Порошкообразный

Ж

Коксовый

35 – 44

К

Спекшийся, вспученный

26 – 35

Спекающийся

Спекшийся, плотный

С

Тощий

18 – 26

12 – 18

Спекшийся, плотный

Т

Полуантрацит

Спекшийся, плотный

ПА

Антрацит

Порошкообразный

А

100 Орех 50 – 100 О Мелкий М Семечко 25 – 50 13 – 25 С Штыб Ш 6 – 13 Рядовой Р " width="640"

Классы каменных углей по размеру кусков

Класс

Плита

Размер кусков, мм

П

Крупный (кулак)

К

100

Орех

50 – 100

О

Мелкий

М

Семечко

25 – 50

13 – 25

С

Штыб

Ш

6 – 13

Рядовой

Р

Характеристики жидкого топлива

• Вязкость
• Плотность
• Температуры вспышки и воспламенения
• Температура застывания
• Стойкость к детонации
• Зольность
• Влажность
• Сернистость

конспект

Характеристики газообразного топлива

• Плотность
• Взрываемость
• Токсичность

конспект