Белоусов В.Н., Смородин С.Н., Смирнова О.С. Топливо и теория горения. Ч.I. Топливо

Подождите немного. Документ загружается.

природным

видам

топливам

относятся

торф,

бурые

каменные

угли,

антрацит,

горючие

сланцы,

нефть

природный

газ.

Искусственное

топливо

получают

из

природного

топлива

процессе

переработки.

Из

твёрдого

топлива

путём

Физико-механического

облагораживания

или

термического

разложения

получают

кокс,

полукокс,

топливные

брикеты,

различные

горючие

газы

пиролиза.

результате

термической

переработки

нефти

получают

бензин,

керосин,

соляровое

масло,

дизельное

топливо,

мазут.

искусственным

видам

топлива

также

относятся

различные

газы:

доменный,

генераторный,

коксовый,

сжиженный

другие.

энергетических

установках,

как

правило,

применяются

природные

топлива

мазут.

По

агрегатному

состоянию

различают

твёрдые,

жидкие

газообразные

виды

топлива.

Происхождение

ископаемых

видов

топлива

3.1.

Твёрдое топливо

Согласно

современной

теории,

твёрдые

горючие

ископаемые

(за

исключением

сланцев),

т.е.

торф,

бурые

каменные

угли,

антрациты,

образовались

результате

длительного

процесса

разложения

органической

массы

растений.

Процесс

формирования

свойства

твёрдых

ископаемых

видов

топлива

зависят

от

исходного

растительного

материала

условий

его

преобразования.

Исходя

из

этого,

различают

два

крайних

типа

углей:

гумусового

сапропелевого

происхождения

(гумус

перегной,

сапропель

гниющий

ил).

Исходным

углеобразующим

веществом

углей

гумусового

типа

является

ежегодно

отмирающая

органическая

масса

многоклеточной

наземной

растительности,

т.е.

деревьев,

кустарников,

папоротников,

трав

др.

Эта

отмирающая

масса,

накапливаясь

заболоченных

местах,

подвергалась

разложению

при

незначительном

контакте

--------------

----

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

воздухом,

затем,

после

её

опускания

под

слой

воды

или

покрытия

породой,

без

доступа

воздуха.

процессе

такого

преобразования

исходная

растительная

масса

превращалась

перегной

(гумус),

который

является

исходным

материалом

для

образования

большей

части

твёрдых

горючих

ископаемых

углей

гумусового

типа

(гумолитов).

Различают

три

стадии

образования

твёрдых

топлив

гумусового

типа:

торфяную,

буроугольную

каменноугольную.

результате

преобразования

органической

массы

содержание

углерода

ней

повышается,

при

этом

содержание

кислорода,

водорода

азота

уменьшается.

Процессы

преобразования

протекают

различных

условиях

(температура,

давление,

среда),

а,

следовательно,

различной интенсивностью.

Поэтому

степень

уг

лефикации

топлива,

под

которой

понимают

освобождение

от

наиболее

непрочных

содержащих

кислород

компонентов и

обогащение

углеродом,

различна.

Степень

углефикации,

Т.е.

химического

старения,

твёрдого

топлива

не

всегда

соответствует

его

геологическому

возрасту,

под

которым,

свою

очередь,

понимают

период

времени

процесса

углеобразования.

соответствии

со

степенью

углефикации

твёрдые

топлива

можно

выстроить

ряд:

торф,

бурый

уголь,

каменный

уголь,

антрацит.

Самое

молодое

из

них

торф,

представляет

собой

тёмно-бурую

бесструктурную

массу,

которой

встречаются

остатки

неразложившихся

полуразложившихся

растений.

Следующими

по

"возрасту"

являются

бурые

угли

землистая

или

чёрная

однородная

масса,

которая

при

хранении

на

воздухе

частично

окисляется

рассыпается

порошок.

Из

бурых

углей

образуются

каменные

угли,

обладающие,

как

правило,

повышенной

прочностью

меньшей

пористостью,

наконец

антрациты,

которые

отличаются

высокой

твёрдостью

наибольшим

содержанием

углерода

(до

95 %).

Процесс

образования

углей

сапропелевого

класса

происходит

несколько

иначе.

качестве

исходного

углеобразующего

вещества

выступают

низшие

растения

(водоросли,

лишайники

др.),

бактерии,

грибы,

также

микроорганизмы

(планктон).

Оседая

на

дно

озёр,

заливов,

застойных

водоёмов

мелководных

морей,

они

подвергались

разложению

практически

без

доступа

воздуха.

результате

разложения

образовывался

твёрдый

остаток

гниющий

ил

(сапропель).

Сапропель

отличается

от

твёрдого

продукта

преобразования

высших

растений

(гумуса)

повышенным

содержанием

водорода,

воска,

смолистых

веществ

относительно

низким

содержанием

кислорода

минеральных

примесей.

Торфяная

стадия

изменения

сапропеля

завершается

образованием

плотной

бесструктурной

массы.

Дальнейшая

углефикация

приводит

образованию

сапропелевых

углей.

Буроугольная

стадия

этих

углей

богкеды.

За

исключением

богхедов,

твёрдые

горючие

ископаемые

сапропелевого

происхождения

встречаются

относительно

редко.

Существуют

также

угли

смешанного

происхождения

преобладанием

гумусового

или

сапропелевого

материала.

твёрдым

топливам

этого

класса

относятся

горючие

сланцы,

представляющие

собой

многозольные

глинисто-известковые

твёрдые

минеральные

породы,

пропитанные

нефтеподобными

органическими

веществами

сапропелевого

происхождения.

3.2.

Нефть

природный

газ

Естественное

жидкое

топливо

сырая

нефть

представляет

собой

смесь

органических

соединений,

главным

образом,

различных

углеводородов

(метанового

- C

нафтенового

- C

ароматического

пН

2 п

классов),

также

включает

себя

некоторое

количество

жидких

кислородсодержащих,

сернистых

азотистых

соединений,

парафин

смолы.

Нефть

вязкая

маслянистая

жидкость

бурого

цвета

(плотность

от

730

до

1040

кг/м").

Нефть

основном

перерабатывается

целью

извлечения

более

лёгких

фракций

(бензин,

керосин,

лигроин,

газойль),

Остающийся

после

переработки

нефти

тяжёлый

остаток

мазут

используется как

энергетическое

топливо.

Природный

газ

представляет

собой

смесь

горючих

негорючих

газов,

содержащую

определённое

количество

водяного

пара

механических

примесей

(пыли

смолы).

Существуют

различные

представления

происхождении

нефти

газа.

Наиболее

вероятной

достоверной

считается

теория

органического

происхождения.

Согласно

этой

теории,

основой

для

образования

нефти

газа

послужил

сапропель,

процесс

преобразования

которого

происходил

на

значительной

глубине

при

повышенных

давлении

температуре.

результате

воздействия

естественных

катализаторов

(например,

глины,

входящей

состав

ила,

радиоактивных

элементов

др.)

из

сапропеля

образовывались

жидкие

углеводороды

различной

молекулярной

массой,

Т.е.

нефть,

газообразные

смеси,

состоящие

преимущественно

из

лёгких

углеводородов

метанового

ряда,

природные

газы.

Таким

образом,

газы

образовывались

вместе

нефтью.

Значительная

часть

более

тяжёлых

составляющих

их

растворена

нефти,

часть,

состоящая,

основном,

из

более

лёгких

компонентов,

скапливается

над

уровнем

нефти.

Благодаря

большой

проникающей

способности

природные

газы

перемещаются

пористых

горных

породах

на

большие

расстояния

от

места

своего

образования

и,

накапливаясь,

образуют

чисто

газовые

месторождения.

Элементный

состав

топлива

Состав

качество

топлива

определяются

специально

оборудованных

лабораториях

химическим

механическим

анализами

средней

пробы

партии

топлива.

Газообразное

топливо

представляет

собой

смесь

горючих

негорючих

газов,

содержащую

некоторое

количество

примесей

(воды

пыли).

Состав

содержание

отдельных

газов,

входящих

газообразное

топливо,

сравнительно

легко

определяются

газовым

анализом.

Поэтому

состав

газообразного

топлива

принято

выражать

виде

объёмных

долей

отдельных

газов

гсн,

2Н

с.н,

4Н

с.н.,

СО,

Нъ

С0

др.)

процентах

объёму

сухого

газа

смеси

при

нормальных

условиях

(температура

ОС,

давление

760

мм

рт.ст.).

Все

вещества

составе

твёрдого

жидкого

топлива

находятся

нём

виде

сложных

высокомолекулярных

органических

соединений.

Качественный

и,

особенно,

количественный

анализы

соединений,

входящих

состав

твёрдого

жидкого

топлива,

требуют

проведения

сложных

трудоёмких

лабораторных

исследований.

Поэтому

состав

топлива

принято

выражать

не

виде

соединений,

содержанием

(в

процентах

по

массе)

отдельных

химических

элементов:

углерода

(С),

водорода

(Н),

серы

летучей

(SЛ),

кислорода

(О),

азота

(N),

также

золы

(А)

влаги

(W).

Горючими

элементами

твёрдого

жидкого

топлива

являются

углерод,

водород

сера

(органическая

пиритная).

связанном

ними

состоянии

находятся

кислород

азот,

которые

образуют

внутренний

балласт

топлива.

Зола

влага

составляет

внешний

балласт

топлива.

Основным

горючим

элементом

твёрдого

жидкого

топлива,

содержание

которого

обуславливает

выделение

основного

количества

теплоты,

является

уг

лерод.

Он

имеет

высокую

удельную

теплоту

сгорания

(34,1

МДж/кг)

составляет,

как

правило,

от

до

70 %

(и

выше)

массы

твёрдого

топлива

до

90 %

массы

мазута.

Вторым

по

значимости

элементом

составе

твёрдого

жидкого

топлива

является

водород.

Водород

имеет

более

высокую

удельную

теплоту

сгорания

(120,5

МДж/кг),

но

его

содержание

топливе

сравнительно

мало

(1+5 %

твёрдых

топливах

10+11 %

мазуте),

поэтому

доля

водорода

суммарном

тепловыделении

при

горении топлива

значительно

меньше,

чем

углерода.

Сера

имеет

невысокую

теплоту

сгорания

(9,3

МДж/кг),

содержится

топливе

небольших

количествах

(0,3+3 %

углях

мазуте)

поэтому

не

представляет

ценности

как

горючий

элемент.

Сера

топливе

содержится

трёх

видах:

органическая

So,

пиритная

(или

сульфидная)

сульфатная

SS040

Органическая

сера

входит

состав

сложных

высокомолекулярных

соединений,

пиритная

сера

находится

топливе

виде

сульфидов

металлов,

например,

FeS2

(пирит,

или

железный

колчедан),

CuFeS2

(халькопирит,

или

медный

колчедан).

Органическая

пиритная

сера

составляют

горючую

(летучую)

серу,

которая

отдельной

составляющей

входит

элементный

состав

топлива:

, %.

Сера

сульфатах

(CaS04,

MgS0

FeS04

т.д.)

находится

виде

высших

оксидов,

поэтому

её

дальнейшее

окисление

(горение)

не

происходит.

Сульфаты

являются

минеральной

примесью

топлива

входят

состав

золы.

При

горении

серы

образуется

сернистый

ангидрид

802

и некоторое

количество

серного

ангидрида

80з.

Серный

ангидрид

при

соединении

водяным

паром,

содержащимся

продуктах

сгорания,

образует

пары

серной

кислоты, которые,

конденсируясь

на

низкотемпературных

элементах

различных

теплотехнических

установок,

вызывают

их

сернокислотную

(низкотемпературную)

коррозию.

Кроме

того,

оксиды

серы

пары

серной

кислоты

отравляют атмосферу

оказывают

вредное

влияние

на

животный

растительный

мир.

Поэтому

сера

является

вредным

вежелательным

элементом

топливе.

Кислород

азот,

связанные

горючими

элементами

топлива

(в

виде

органических

соединений),

снижают

удельную

теплоту

его

сгорания

образуют

внутренний

балласт

топлива.

Азот,

являясь

инертным

газом,

тем

не

менее,

при

высоких

температурах

образует

соединении

кислородом

высокотоксичные оксиды

Предельно

допустимая

концентрация

оксидов

азота

приземном

слое

ПДКNОх

= 0,085

мг/м',

проблема

снижения

выбросов

при

сжигании

всех

видов

топлива

(особенно

твёрдых)

актуальна

во

всём

мире.

Виды

исходной

массы

топлива

Топливо

том

виде, в

котором

оно

поступает

потребителю,

называется

рабочим,

составляющее

его

вещество

рабочей

массой.

Все

компоненты

рабочей

массы

обозначаются

индексом

(от

англ.

raw -

сырой,

необработанныйу:

Влажность

зольность

твёрдого

топлива,

даже

пределах

одного

сорта

одного

месторождения,

могут

значительно

колебаться,

также

изменяться

процессе

транспортировки

хранения.

Поэтому

элементный

состав

рабочей

массы

топлива

является

неустойчивой

характеристикой

топлива.

Более

устойчивой

характеристикой

является

элементный

состав

сухой

массы

топлива

(индекс

d -

от

англ.

dry -

сухой):

с'

н"

о"

+ N

А''

= 100 % .

Сухую

массу

топлива

целесообразно

использовать

для

выражения

содержащейся

нём

золы

Ад.

Однако

сухая

масса

топлива

также

не

является

устойчивой

характеристикой,

так

как

содержание

золы

зависит

от

способа

условий

его

добычи.

Устойчивой

(неизменяемой)

характеристикой

любого

твёрдого

топлива

является

сухая

беззольная

(горючая)

масса.

Сухая

беззольная

масса

представляет

собой

cyJW.Мy

горючих

элементов

(C,H,So+p)

химически

связанного

ними

внутреннего

балласта

(индекс

daf-

от

англ.

dry ash free -

сухой

беззольныйу:

daf

н'"

Sdaf

Odaf

+ N

daf

= 100 % .

По

аналогии

вводится

понятие

беззольной

массы

(индекс

af-

от

англ.

ash free -

беззольный),

которое

фигурирует

классификации

топлива.

Для

проведения

лабораторных

исследований

твёрдого

топлива

пользуются

отобранной

пробой

рабочего

топлива,

измельчённой

подсушенной

до

такой

влажности,

которая

при

хранении

топлива

лабораторных

условиях

не

изменяется,

аналитическая

проба

(индекс

а):

воздушно-сухая,

или

Состав

твёрдого и

жидкого

топлива

можно

представить

виде

графического

отображения

(рис.l):

г-

-------~-

------~------

---

Горючие

эпементы

Внутренний

балласт

Внешний

балласт

SO+P

Горючая

масса

Сухая

масса

Рабочая

масса

РИС.1.

Элементный

состав

топлива

Состав топлива

различных

видов

месторождений

при

водится

таблицах

технических

характеристик

топлива.

Пересчёт

элементного

состава

топлива

одной

массы

на

другую

осуществляется

помощью

соответствующих

формул.

При

заданной

рабочей

массе

топлива

содержание

каждого

из

компонентов

горючей

(сухой

беззольной)

массе

рассчитывается

по

формуле:

xdaj

•

100

100-W

_АГ

daf

х'

где

содержание

соответствующего

компонента

горючей

рабочей

массе,

При

заданной

влажности

зольности

рабочей

массы

определение

остальных

её

составляющих

по

известному

составу

горючей

массы

про

изводится

по

формуле:

= x

daj

•

100

- W

АГ

100

~-~------

~~~-

Если

известен

состав

сухой

массы

топлива, то

формула

пересчёта

любой

из

составляющих

на

горючую

массу:

на

рабочую

массу

(при

заданной

влажности):

xr = X

.100-W

100

Соответствующие

коэффициенты

пересчёта

приведены

табл.l.

Таблица

Коэффициенты

пересчета

состава

топлива

Заданная

Искомая

масса

топлива

масса

топлива

рабочая

сухая

горючая

100

Рабочая

100-

100

Сухая

100-А

100

Горючая

100-

100-А

100 100

Для

оценки

топлива

при

расчётах

и эксплуатации

удобно

пользоваться

так

называемыми

приведёнными

характеристиками

зольности

s"··

влажности

серности

л,

отнесенными

сгорания

кг

рабочей

массы

топлива

Qr:

мдж

низшей

теплоты

%·кг

МДж'

%·кг

МДж'

Б"

= s;

%'кг

Q;'

МДж

Теплотехнические

характеристики

топлива

теплотехническим

характеристикам

топлива

относятся

теплофизические

свойства,

которые

оказывают

существенное

влияние

на

процесс

горения,

эксплуатацию

топок,

камер

сгорания

устройств

для

транспортировки,

хранения

подготовки

топлива

сжиганию:

содержание

горючих

веществ,

влаги,

минеральных

примесей,

удельную

теплоту

сгорания,

физико-механические

характеристики

(плотность,

вязкость

др.).

Для

твёрдого

топлива

важными

характеристиками

являются

также

выход

летучих

веществ, свойства

кокса

золы.

Состав

основные

теплотехнические

характеристики

топлива

приведены

Приложении

(табл.

П 1-4).

6.1.

Влажность

топпава

Влага

топлива

подразделяется

на

внешнюю

(свободную)

внутреннюю

(связанную).

Внешняя

влага,

свою

очередь,

делится

на

поверхностную

капиллярную.

поверхностной,

или

механически

удерживаемой,

влаге

относят

ту

часть

воды,

которая,

попадая

топливо

из

подземных

грунтовых

вод

или

атмосферных

осадков,

осаждается

на

поверхности

частиц

топлива.

Очевидно,

что

количество

поверхностной

влаги зависит

от

удельной

поверхности

частиц

топлива

(чем

меньше

размер

кусков,

тем

больше

удельная

поверхность)

свойств

этой

поверхности,

первую

очередь,

её

способности