Что относится к органическому топливу

Виды органического топлива

К основным видам органического энергетического топлива относятся бурые и каменные угли, полуантрацит и антрацит, торф, горючие сланцы, мазут, природный, доменный и другие газы.

К энергетическим топливам относятся вещества, которые целесообразно использовать для получения тепла в больших количествах. Из общего потребления топлива в нашей стране примерно 30% приходится на долю тепловых электрических станций. Около 50% топлива, сжигаемого электростанциями, составляют ископаемые твёрдые топлива, которые разделяются на следующие виды: торф, бурые угли, каменные угли, антрацит, горючие сланцы.

Все ископаемые твёрдые топлива, кроме сланцев, произошли в основном из растительности древних лесов и болот, покрывавших землю, с участием некоторого количества белковых и жировых веществ животного происхождения. В течение тысячелетий находясь под слоем воды или земли без доступа воздуха, исходное органическое вещество под воздействием окружающей среды постепенно подвергалось химическим преобразованиям. Более «активные» химические элементы и соединения вступали в реакцию с окружающей средой и частично покидали залежь, превращаясь в газообразные продукты.

Процесс преобразования исходной органической массы идёт, таким образом, в направлении постепенного обуглероживании (углефикации) топлива, то есть повышения в нём содержания углерода и уменьшение количества кислорода и водорода.

Органическим топливом называются вещества, способные активно соединяться с кислородом и образовывать продукты сгорания, нагретые до высокой температуры за счет содержащейся в нем химически связанной энергии. Углерод является основным горючим элементом органического топлива. Второе место занимает водород, которого хотя сравнительно немного, но удельное тепловыделение его большое. Сера, являющаяся третьим горючим элементом, дает тепловыделение, но наносит вред котельному оборудованию и окружающей среде. В состав органического топлива входят также влага и негорючие минеральные примеси, из которых в ходе горения образуется зола и шлак.

По происхождению топлива можно разделить на естественные, добытые в природных условиях, и искусственные, полученные в. итоге переработки природного топлива. По сфере потребления топлива подразделяются тоже на две группы: энергетические — идущие для сжигания при выработке электроэнергии и теплоты и технологические — на переработку для получения необходимых промышленных продуктов.

По агрегатному состоянию все используемые в энергетике органические топлива делятся на три группы: твердые, жидкие и газообразные. К твердым топливам относятся ископаемые угли, торф и сланцы; к жидким — мазут, являющийся продуктом переработки добываемой из-под земли нефти; к газообразным — горючий газ. На газ приходится немного больше 5% теплоты, содержащейся во всех разведанных мировых запасах органических топлив, на нефть 7% и на уголь около 80% — таким образом, ископаемые угли являются основным органическим топливом.

Процесс преобразования исходной органической массы идёт, таким образом, в направлении постепенного обуглероживании (углефикации) топлива, то есть повышения в нём содержания углерода и уменьшение количества кислорода и водорода.

Начальная стадия разложения растительной масс в заболоченных местах называется оторфенением.

Торф — это тёмно-бурая масса, в которой ещё встречаются остатки неразложившихся частей растений (листьев, стеблей). Торф является самым молодым из сжигаемых топлив. Электростанции сжигают преимущественно фрезерный торф, получаемый путём срезания с поверхности пласта тонкого слоя фрезами. Его, как и уголь сжигают в пылевидном состоянии. В бурых углях уже невозможно обнаружить структуру клетчатки растений. Дальнейшее обуглероживание приводит к образованию плотного глянцевочёрного каменного угля и антрацита.

Горючие сланцы представляют собой минеральные породы, пропитанные органическими веществами животного происхождения. Они образовались на дне лагун древних морей.

Газообразные и жидкие топлива в последние 20 лет получили всё большее применение. Использование газообразных и жидких топлив по сравнению с углем не только повышает общую культуру эксплуатации электростанций, но и приводит к ощутимому снижению стоимости основного оборудования и увеличению КПД установок. Например, КПД парогенераторов возрастает на 1¸3% по сравнению с КПД при сжигании каменных углей и на 3¸5% ― при сжигании торфа, сланцев и влажных бурых углей.

Естественным жидким топливом является сырая нефть, но как энергетическое топливо используется чрезвычайно редко (в основном на небольших котельных). После извлечения (отгонки) лёгких фракций (светлых нефтепродуктов — бензина, лигроина, керосина, газойля) остаётся 40¸60% сильновязких тяжёлых фракций ― мазута, который и используется как энергетическое жидкое топливо.

Газовые топлива могут быть природными и искусственными. Природные газы имеют «нефтяное» происхождение. Как и нефть, они либо являются продуктом длительного химического преобразования органических веществ (остатков живых организмов), скопившихся в осадочных породах, либо образовались в результате синтеза в присутствии воды и карбидов металлов на больших глубинах под воздействием высокого давления и температуры. Во многих случаях выход газов сопутствует добыче нефти. Это так называемые попутные газы. Искусственные газы, сжигаемые в топках парогенераторов, ― это, как правило, побочный продукт металлургической промышленности, получаемый в большом количестве. Из искусственных чаще всего сжигаются в смеси с другими топливами газ коксовых печей и доменный газ.

Источник

Как устроено производство биотоплива, и какие проблемы оно решает

Что такое биотопливо

Биологическое топливо — это горючее растительного или животного происхождения. Предполагается, что оно заменит традиционные виды топлива из исчерпаемых ресурсов на те, которые производятся из возобновляемого сырья.

Например, к биотопливу можно отнести обычные дрова или рапсовое масло. Однако дизель и бензин вытеснили эти виды топлива, так как они дешевле, а массовая автомобилизация требовала больших объемов топлива.

Почему люди вновь вернулись к биотопливу? Первая причина — климатический кризис, который усугубляется выбросами парниковых газов от использования ископаемого топлива. На транспорт приходится практически четверть от всей эмиссии углекислого газа, связанной с производством энергии. С 1970 года объем выбросов парниковых газов в транспортном секторе вырос вдвое, из которых 80% приходится на дорожный транспорт.

Вторая причина — поиск возобновляемых источников энергии, так как запасы нефти и угля вскоре могут полностью закончится. Сюда же можно добавить и скачки цен на углеводороды.

Виды биотоплива

Твердое биотопливо

Самый типичный и древний вид твердого биотоплива — дрова. Однако сейчас в чистом виде и в крупных масштабах их уже почти не используют. Наиболее ходовым твердым видом биотоплива стали пеллеты, получаемые из древесных опилок или коры, соломы, оливковых косточек, ореховой скорлупы или шелухи семечек подсолнечника. Также пеллеты делают из навоза крупного рогатого скота.

Пеллеты заменяют уголь, дрова и солярку. При сгорании они не выделяют вредных веществ и практически не дымят (в отличие от угля и дизеля). Кроме того, они более энергоэффективны, чем обычные дрова. Плюс пеллетов также в минимальном содержании золы, что снижает потребность в обслуживании печей и котлов. Кроме того, они имеют самую низкую цену по сравнению с другими видами биотоплива.

Жидкое биотопливо

Биоэтанол — наиболее популярное и массовое жидкое биотопливо. Его получают путем ферментации крахмала или сахара. Бразилия и США входят в число лидеров по производству биоэтанола. В США биотопливо на основе этанола производят из кукурузы и обычно смешивают с бензином для получения гибридного топлива. В целом в США на биотопливо приходится 5% от всего энергопотребления. В Бразилии биотопливо на основе этанола делают из сахарного тростника, а в Англии даже производят из сахарной свеклы.

Биодизель — второе по популярности жидкое биотопливо. Биодизель делают в основном из масличных растений, таких как соя или масличная пальма, и в меньшей степени из других масляных продуктов, например, отходов кулинарного жира после жарки во фритюре. Биодизель используется в дизельных двигателях и обычно смешивается с нефтяным дизельным топливом в различных пропорциях.

Биобутанол — четырехуглеродный спирт, который также относится к биотопливу. Его делают из того же сырья, что и этанол. Преимущества биобутанола по сравнению с биоэтанолом заключаются в том, что биобутанол не смешивается с водой, имеет более высокое содержание энергии и более низкое давление паров, что означает более низкую летучесть в результате испарения.

Диметиловый эфир. Его можно получить из биомассы, но в промышленных масштабах исходным сырьем для него остается природный газ. Плюс такого топлива в том, что его энергоэффективность практически равна дизельному топливу, однако плотность энергии у диметилового эфира вдвое ниже, чем у дизельного топлива, поэтому для него требуется топливный бак в два раза больше. К тому же для транспортных средств нужна специально разработанная система для работы двигателя на диметиловом эфире.

Сейчас инженеры активно разрабатывают новое поколение жидкого биотоплива, полученного с помощью водорослей. Водоросли выращивают в больших бассейнах или на фермах, они превращают солнечный свет в энергию и хранят ее в виде масла. Масло извлекается механически (при прессовке биомассы) или с помощью химических растворителей, которые разрушают стенки клеток. Дальнейшая переработка и очистка дает биотопливо, подходящее для использования в качестве альтернативы традиционным видам топлива.

Газообразное биотопливо

Биогаз — это газ, состоящий в основном из метана и углекислого газа в различных пропорциях в зависимости от состава органического вещества, из которого он был получен. Основными источниками биогаза являются отходы животноводства и сельского хозяйства, сточные воды и органика из бытовых отходов. Биогаз образуется в результате процессов биологического разложения без доступа кислорода (анаэробное сбраживание).

Биоводород — аналог обычного водорода, который получают из биомассы. Термохимический способ представляет собой нагрев исходного сырья без доступа кислорода до высоких температур, например, древесных отходов, при котором выделяется водород и другие попутные газы. При биохимическом способе получения биоводорода в биомассу добавляют специальные микроорганизмы, которые ее разлагаются с выделением водорода.

Плюсы и минусы биотоплива

Преимущества:

Недостатки:

Где используется биотопливо

Пока речь в основном идет о потреблении его в домашних условиях. Обычно твердые виды биотоплива используют в бедных странах, где нет других источников энергии, для приготовления пищи, стирки и уборки или для обогрева самого дома. 80% всего потребляемого сегодня биотоплива используется как раз для этих целей. 18% биотоплива задействовано в промышленности как источник энергии и смазочных материалов. Биотопливо часто упоминают в качестве альтернативы бензину для автомобилей, но сейчас только 2% используется в транспортной отрасли.

Перспективы биотоплива

У биотоплива есть шанс занять только часть рынка, поскольку его потенциал ограничивают искусственно. Так, в ЕС действуют правила, запрещающие использовать более 7% продовольственных культур в качестве сырья для биотоплива. В краткосрочной перспективе биотопливо не требует замены существующей инфраструктуры и двигателей, но маловероятно, что весь энергетический комплекс сможет перейти исключительно на него.

Источник

Презентация к защите

Виды органического топлива

К основным видам органического энергетического топлива относятся бурые и каменные угли, полуантрацит и антрацит, торф, горючие сланцы, мазут, природный, доменный и другие газы.

К энергетическим топливам относятся вещества, которые целесообразно использовать для получения тепла в больших количествах. Из общего потребления топлива в нашей стране примерно 30% приходится на долю тепловых электрических станций. Около 50% топлива, сжигаемого электростанциями, составляют ископаемые твёрдые топлива, которые разделяются на следующие виды: торф, бурые угли, каменные угли, антрацит, горючие сланцы.

Все ископаемые твёрдые топлива, кроме сланцев, произошли в основном из растительности древних лесов и болот, покрывавших землю, с участием некоторого количества белковых и жировых веществ животного происхождения. В течение тысячелетий находясь под слоем воды или земли без доступа воздуха, исходное органическое вещество под воздействием окружающей среды постепенно подвергалось химическим преобразованиям. Более «активные» химические элементы и соединения вступали в реакцию с окружающей средой и частично покидали залежь, превращаясь в газообразные продукты.

Процесс преобразования исходной органической массы идёт, таким образом, в направлении постепенного обуглероживании (углефикации) топлива, то есть повышения в нём содержания углерода и уменьшение количества кислорода и водорода.

Органическим топливом называются вещества, способные активно соединяться с кислородом и образовывать продукты сгорания, нагретые до высокой температуры за счет содержащейся в нем химически связанной энергии. Углерод является основным горючим элементом органического топлива. Второе место занимает водород, которого хотя сравнительно немного, но удельное тепловыделение его большое. Сера, являющаяся третьим горючим элементом, дает тепловыделение, но наносит вред котельному оборудованию и окружающей среде. В состав органического топлива входят также влага и негорючие минеральные примеси, из которых в ходе горения образуется зола и шлак.

По происхождению топлива можно разделить на естественные, добытые в природных условиях, и искусственные, полученные в. итоге переработки природного топлива. По сфере потребления топлива подразделяются тоже на две группы: энергетические — идущие для сжигания при выработке электроэнергии и теплоты и технологические — на переработку для получения необходимых промышленных продуктов.

По агрегатному состоянию все используемые в энергетике органические топлива делятся на три группы: твердые, жидкие и газообразные. К твердым топливам относятся ископаемые угли, торф и сланцы; к жидким — мазут, являющийся продуктом переработки добываемой из-под земли нефти; к газообразным — горючий газ. На газ приходится немного больше 5% теплоты, содержащейся во всех разведанных мировых запасах органических топлив, на нефть 7% и на уголь около 80% — таким образом, ископаемые угли являются основным органическим топливом.

Процесс преобразования исходной органической массы идёт, таким образом, в направлении постепенного обуглероживании (углефикации) топлива, то есть повышения в нём содержания углерода и уменьшение количества кислорода и водорода.

Начальная стадия разложения растительной масс в заболоченных местах называется оторфенением.

Торф — это тёмно-бурая масса, в которой ещё встречаются остатки неразложившихся частей растений (листьев, стеблей). Торф является самым молодым из сжигаемых топлив. Электростанции сжигают преимущественно фрезерный торф, получаемый путём срезания с поверхности пласта тонкого слоя фрезами. Его, как и уголь сжигают в пылевидном состоянии. В бурых углях уже невозможно обнаружить структуру клетчатки растений. Дальнейшее обуглероживание приводит к образованию плотного глянцевочёрного каменного угля и антрацита.

Горючие сланцы представляют собой минеральные породы, пропитанные органическими веществами животного происхождения. Они образовались на дне лагун древних морей.

Газообразные и жидкие топлива в последние 20 лет получили всё большее применение. Использование газообразных и жидких топлив по сравнению с углем не только повышает общую культуру эксплуатации электростанций, но и приводит к ощутимому снижению стоимости основного оборудования и увеличению КПД установок. Например, КПД парогенераторов возрастает на 1 ¸ 3% по сравнению с КПД при сжигании каменных углей и на 3 ¸ 5% ― при сжигании торфа, сланцев и влажных бурых углей.

Естественным жидким топливом является сырая нефть, но как энергетическое топливо используется чрезвычайно редко (в основном на небольших котельных). После извлечения (отгонки) лёгких фракций (светлых нефтепродуктов — бензина, лигроина, керосина, газойля) остаётся 40 ¸ 60% сильновязких тяжёлых фракций ― мазута, который и используется как энергетическое жидкое топливо.

Газовые топлива могут быть природными и искусственными. Природные газы имеют «нефтяное» происхождение. Как и нефть, они либо являются продуктом длительного химического преобразования органических веществ (остатков живых организмов), скопившихся в осадочных породах, либо образовались в результате синтеза в присутствии воды и карбидов металлов на больших глубинах под воздействием высокого давления и температуры. Во многих случаях выход газов сопутствует добыче нефти. Это так называемые попутные газы. Искусственные газы, сжигаемые в топках парогенераторов, ― это, как правило, побочный продукт металлургической промышленности, получаемый в большом количестве. Из искусственных чаще всего сжигаются в смеси с другими топливами газ коксовых печей и доменный газ.

Элементарный состав топлива

Для анализа тепловых характеристик топлив, определения состава газов, полученных в процессе горения, для других тепловых расчётов необходимо знать химическую структуру каждого вида топлива.

В состав органической части топлива входят пять химических элементов: углерод С, водород Н, кислород О, сера S и азот N. Кроме того, топливо содержит минеральные примеси А, попавшие извне в исходную залежь, и влагу W, представляющие вместе внешний балласт топлива.

Горючими элементами топлива являются углерод, водород и сера. Наличие окислов серы в продуктах сгорания при определённых концентрациях опасно для всего живого, в том числе и для человека, и поэтому требует принятия мер для рассеяния их в атмосферу.

Углерод — С является главной горючей составляющей топлива. Содержание углерода в различных топливах различно. Например, в древесине и торфе содержание углерода составляет 50÷60%, в каменных углях и мазуте 75÷90%. При полном сгорании 1 кг углерода выделяется около 33,5 МДж теплоты. Содержание углерода в твердом топливе определяет степень обуглероживания растительных и животных остатков. Большое количество углерода увеличивает тепловую ценность топлива.

Водород — Н является второй важнейшей составляющей топлива. В различных видах топлива водорода содержится от 1 до 25%. При сгорании водорода образуется вода. При этом в зависимости от условий она может находиться в жидком или парообразном состоянии; при сжигании 1 кг водорода соответственно выделяется 142÷119,5 МДж теплоты. С увеличением степени обуглероживания твердого топлива (возраста топлива) содержание водорода уменьшается.

Кислород — О относится к балластной составляющей топлива, так как содержание его уменьшает горючую часть, вследствие чего снижается тепловая ценность топлива. Содержание кислорода в различных, топливах изменяется в пределах от 0,5 до 40%.

Азот — N также относится к внутреннему балласту топлива, содержание которого уменьшает горючую часть. Азот содержится в топливах в связанном состоянии. Содержание азота в твердом топливе составляет 0,5—3,0%. Однако в некоторых газообразных топливах (например, доменный и генераторный газы) азот содержится в большом количестве, что значительно снижает их тепловую ценность; часть его может быть превращена в аммиак. Последний является ценным сырьем для производства минеральных удобрений (сульфат аммония и другие аммонийные и азотные соли).

Сера — S в твердом топливе содержится в виде органических соединений (органическая сера SО), сернистых соединений с железом (колчеданная сера SК) и сернокислых соединений в виде сульфатов (сульфатная сера SС).

Органическая и колчеданная сера при сгорании топлива окисляется, образуя SO2 и SO3.

Поэтому органическая и колчеданная сера называется горючей или летучей серой, т.е. SЛ=S0+SК,%.

При полном сгорании 1 кг горючей серы выделяется около 9,05 МДж теплоты.

Сульфатная сера при сгорании топлива переходит в состав золы, практически не участвуя в горении. Поэтому сульфатная сера называется негорючей или нелетучей серой.

Содержание серы в твердом топливе достигает 8% и более.

Сера в жидком топливе содержится в виде сернистых соединений, а также в свободном состоянии. Содержание её достигает 3,5%.

Сера в газообразном топливе находится в виде сероводорода H2S и сернистого газа SO2.

Сера в составе топлива является нежелательной составляющей. Это объясняется тем, что продукты сгорания серы SО2 и SO3 в присутствии влаги могут образовать сернистую и серную кислоты, а последние вызывают интенсивную коррозию металлов парогенераторов, двигателей внутреннего сгорания, строительных конструкций в др. Кроме того, сернистый и серный газы, выбрасываемые с продуктами сгорания топлива в атмосферу, оказывают вредное действие на здоровье людей, а также на окружающий животный и растительный мир.

Зола — А представляет собой минеральный остаток, получаемый при полном сгорании топлива. Она является результатом разложения и частичного окисления минеральных примесей топлива. К таким примесям относятся сульфаты, карбонаты, силикаты, фосфаты, хлориды, пирита и другие соединения. В состав золы входят окислы MgO, CaO, Na2О, К2О, SiО2, FеO, Fе2О3, Аl2О3 и др.

Различают первичную, вторичную и третичную золу. Первичная зола образуется из минеральных примесей, входящих в состав веществ топливообразователей; вторичная зола — из минеральных примесей, попадающих в топливо в процессе топливообразования; и третичная — в момент добычи.

Влага ― W также является внешним балластом, так как она уменьшает тепловую ценность топлива. На испарение влаги тратится часть теплоты, выделяемой при сгорании топлива. Кроме того, испарившаяся влага, являясь составной частью газообразных продуктов сгорания, снижает их температуру, что уменьшает количество теплоты, передаваемой к поверхностям нагрева. Различают внешнюю и внутреннюю влагу.

Внешняя влага в топливе является результатом попадания влаги в топливо из окружающей среды в процессе добычи топлива, его транспортирования и хранения.

Содержание внешней влаги в топливах колеблется в широких пределах и достигает в отдельных случаях нескольких десятков процентов. При сушке топлива внешняя влага может быть удалена.

Внутренняя влага связана с органическим веществом топлива и его минеральными примесями. Часть этой влаги (гигроскопическая) в коллоидально связанном состоянии равномерно распределена в массе топлива. Другая часть (гидратная влага) представляет собой влагу, входящую в состав молекул некоторых соединений, содержащихся в минеральных примесях топлива. В газообразном топливе влага находится в виде паров, максимальное содержание которых определяется температурой насыщения при данном парциальном давлении. Понижение температуры газа приводит к конденсации водяных паров из газа.

1. Какое топливо называется органическим?

2. Какое топливо относится к органическому энергетическому?

3. Какие химические элементы входят в состав органической части топлива?

4. Что, кроме химических элементов, содержит топливо?

5. Какие элементы топлива являются горючими?

6. С чем связаны внешняя и внутренняя влага топлива?

Источник

Органические топлива (горючие)

Основные сведения.Топливом может быть названо любое вещество, способное при горении (окислении) выделять значительное количество теплоты. По определению, данному Д.И.Менделеевым, «топливом называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения тепла». Практическая целесообразность топлива определяется его количественными запасами, удобствами добычи, скоростью горения, теплотворной способностью, возможностью длительного хранения и безвредностью продуктов сгорания для людей, растительного и животного мира и оборудования. Существуют естественные (природные) и искусственные виды топлив.

Процесс освобождения химической энергии представляет собой реакцию окисления горючего. Поэтому химические топлива состоят из горючего и окислителя.

Горючие топлива бывают органического и неорганического происхождения. Те и другие могут быть твердыми, жидкими и газообразными.

В энергетике для получения электрической энергии на тепловых электрических станциях в основном используются топлива органического происхождения.

Все виды органического топлива (горючие) представляют собой углеводородные соединения, в которые входят небольшие количества других веществ.

К твердому топливу относятся: антрацит, каменный и бурый уголь, торф, дрова, сланцы, отходы лесопильных заводов и деревообделочных цехов, а также растительные отходы сельскохозяйственного производства — солома, костра, лузга, чинголак и др.

Твердые топлива используются в основном на ТЭС для получения электрической энергии, для отопления и технологических нужд промышленности и в незначительной степени для судовых и локомотивных двигателей.

К жидкому топливу относятся нефть, а также различные продукты ее переработки: бензин, керосин, лигроин, разнообразные масла и остаточный продукт нефтепереработки — мазут. Искусственное жидкое топливо и горючие смолы, а также масла получают и при переработке некоторых твердых топлив.

До 70 % жидких топлив расходуют транспортные средства — автомобили, трактора, тепловозы, суда, самолеты, вертолеты; около 30 % сжигается в виде мазута на тепловых электростанциях. Сырую нефть в качестве топлива в котельных и других установках не применяют.

К газообразному топливу относятся: природный газ, добываемый из недр земли; попутный нефтяной газ; газообразные отходы металлургического производства (коксовый и доменный газы); крекинговый газ; генераторный газ, получаемый искусственным путем из твердого топлива в особых газогенераторных установках.

Газообразные топлива (горючие) сжигаются на ТЭС для получения электрической и тепловой энергии. И в очень небольшом количестве используются на транспорте.

Элементарный состав твердого и жидкого топлив.Топливо в том виде, в каком оно поступает для сжигания в топки или в двигатели внутреннего сгорания и специальные аппараты, называется рабочим.

В состав рабочего (твердого или жидкого) топлива входят углерод С, водород Н, кислород О, азот N, летучая сера S, негорючая минеральная примесь — зола А, а также влага W.

Для рабочей массы топлива имеет место очевидное равенство

Влага, содержащаяся в топливе, совместно с золой называется балластом топлива. вредна тем, что, во-первых, на ее испарение при горении расходуется тепло и, во-вторых, уменьшается относительное количество горючего вещества в топливе. Наличие золы не только снижает теплоту сгорания, но и значительно затрудняет процесс горения в топке и ее эксплуатацию.

В естественных видах ископаемого твердого топлива встречается сера трех разновидностей:

• колчеданная S к в виде пирита, или серного колчедана FeS₂;

•сульфатная S сульф в виде солей серной кислоты (гипс, FeS0₄ и др.).

Сульфаты представляют собой высокие оксиды серы, поэтому находящаяся в них сера гореть не может. Присутствующие в топливе органическая и колчеданная сера сгорают, образуя токсичный сернистый ангидрид SO₂, и (в небольших количествах) еще более токсичный серный ангидрид SO₃. Выброс их с продуктами сгорания вызывает загрязнение воздушного бассейна.

Органическая и колчеданная сера образуют вместе летучую горючую серу S_л. Таким образом, общее содержание серы в топливе

Следовательно, в горючую часть топлива входит только летучая сера, остальная сера в горении участия не принимает и может быть отнесена к балласту (зола топлива).

Для правильного представления о тепловых свойствах топлива вводится понятие горючей массы, для которой

где индекс вверху показывает, что процентный состав отдельных элементов отнесен к горючей массе.

Название «горючая масса» носит условный характер, так как действительно горючими ее элементами являются только углерод, водород и сера. Углерод — преобладающий компонент твердых и жидких топлив, в топливах его обычно содержится от 50 до 95 %, тогда как содержание водорода Н г колеблется от 1 до 11 %, а серы S r от 0 до 8 %. Горючую массу можно характеризовать как топливо, не содержащее золы и в абсолютно сухом состоянии. Содержание азота в горючей массе твердых топлив обычно составляет 1. 2% по массе. Несмотря на столь малое количество азот является весьма вредным компонентом, поскольку при сгорании азотсодержащих соединений в высокотемпературных топках образуются сильнотоксичные оксиды N0 и N0₂ (они образуются также и из атмосферного азота, но в меньшей степени).

где индекс показывает, что процентный состав отдельных элементов отнесен к сухой массе.

Для взаимного пересчета массы топлива в соответствии с понятием о массах топлива служат формулы, приведенные в табл. 1.2.

В состав золы большинства видов твердого топлива входят: глинозем А1₂0₃, кремниевая кислота Si0₂, негашеная известь СаО, магнезия MgO, едкий натр Na₂OH, оксиды железа FeO и Fe₂O₃.

Зола способствует разрушению обмуровки топочных устройств и поверхностей камер сгорания, оседает в газоходах теплообменных аппаратов и ускоряет износ поверхностей, обтекаемых забалластированным газовым потоком, а также засоряет окружающую местность.

Таблица 1.2. Формулы для пересчета состава топлива с одной массы на другую

Влажность топлива.Определяется по ГОСТ 11014—81 высушиванием навески при 105. 110 °С. Максимальная влажность массы W p составляет 50 % и более и определяет экономическую целесообразность использования данного горючего материала и возможность его сжигания. Влага снижает температуру в топке и увеличивает объем дымовых газов. Для превращения 1 кг воды комнатной температуры в пар нужно затратить 2,5 МДж теплоты. Увеличенный объем дымовых газов требует дополнительной энергии на их удаление.

Очевидно, что влага является балластной примесью, так как уменьшает тепловую ценность исходного топлива. Кроме того, часть теплоты, выделяемой топливом при его сгорании, расходуется на испарение влаги.

Летучие вещества.При нагревании твердого топлива без доступа воздуха его органическая масса разлагается, в результате чего образуются газы, водяные и смоляные пары и углеродосодержащий остаток. Суммарное количество выделяющихся летучих веществ увеличивается с увеличением температуры и времени выдержки. Этот процесс в основном заканчивается при 700. 800 °С, поэтому по ГОСТ 6382—91 выход летучих веществ V, в процентах на горючую массу, определяется путем прокаливания 1 г топлива в закрытом тигле при температуре (850 ± 10) °С в течение 7 мин. Выход летучих веществ является важнейшей характеристикой горючей массы топлива и уменьшается по мере увеличения его возраста. Чем больше выход летучих веществ, т. е. чем больше топлива превращается при нагревании в горючий газ, тем проще зажечь это топливо и легче поддерживать устойчивое горение. Органическая часть древесины и горючих сланцев при нагревании без доступа воздуха почти целиком переходит в летучие вещества V = 85. 90%, в то время как у антрацитов V = 3. 4%. Именно большой выход летучих веществ определяет хорошую горючесть древесины.

Как видно из табл. 1.3, основными горючими составляющими частями твердых топлив являются углерод и водород.

Таблица 1.3. Примерный состав и теплотехнические характеристики горючей массы твердого топлива

*АШ — антрацитовый штыб.

Жидкие топлива.Практически все жидкие топлива пока получают путем переработки нефти (бензин, керосин, дизельное топливо и мазут). Мазут, как и моторные топлива, представляет собой сложную смесь жидких углеводородов, в состав которых входят в основном углерод (С р = 84. 86%) и водород (Н р = 10. 12%); О р + N p = 1. 2%; содержание воды и зольность не превышают 0,2. 1,5%.

Мазуты, полученные из нефти ряда месторождений, могут содержать большое количество серы (до 5 %), что резко усложняет защиту окружающей среды при их сжигании.

Характеристики жидких топлив — продуктов переработки нефти приведены в табл. 1.4.

Наиболее легкие сорта бензина применяются в авиации иназываются авиационными, более тяжелые — в автотранспорте (автомобильные). Лигроин и керосин могут применяться для тракторных, турбореактивных и других двигателей.

Из жидких топлив в котельных и промышленных печах сжигаются только топочные мазуты, которые классифицируются по степени их вязкости: М20, М40, М60, М80, Ml00 и Ml20 (цифры в марках мазута указывают условную вязкость в градусах Энглера).

Основные свойства жидких топлив — плотность, испаряемость, вязкость, стабильность при хранении, температуры застывания, вспышки, воспламенения и самовоспламенения, антидетонационная стойкость идр.

Температура воспламенения горючего — температура, при которой начинается самоподдерживающееся длительное горение с поверхности горючего. Не следует путать эту температуру с температурой вспышки, которая характеризует способность паров жидкого горючего воспламеняться от пламени над поверхностью горючего.

Эти две температуры характеризуют условия хранения и обращения с топливом (пожарная опасность).

Температура самовоспламенения определяет способность топлива самовоспламеняться от постороннего источника (например, в дизелях это нагретый от сжатия воздух, в карбюраторных двигателях — искра от электрической свечи).

Показателем воспламеняемости дизельных топлив является цетановое число, характеризующее склонность дизельного горючего к термическому распаду, окислению и самовоспламенению. Чем больше цетановое число, тем легче самовоспламеняется горючее.

Цетановое число определяется на специальной установке путем сравнения воспламеняемости испытуемого дизельного горючего с воспламеняемостью эталонных горючих. Последние представляют собой смеси различного состава из цетана С₁₆Н₃₄, самовоспламеняемость которого принята за 100 (цетановое число 100), и альфа-метилнафталина С₁₀Н₇СН₃, самовоспламеняемость которого принята за 0 (цетановое число 0).

Таблица 1.4. Характеристики жидких топлив, получаемых из нефти

Октановое число характеризует склонность жидкого топлива, обычно бензина, к детонационному, т. е. взрывному, сгоранию. Чем октановое число больше, тем склонность к детонации меньше. Если скорость нормального горения — скорость распространения фронта пламени — бензовоздушной смеси составляет 0,5. 50 м/с, то скорость детонационного горения достигает 1500. 3500 м/с и горение охватывает весь объем смеси сразу, т.е. носит характер взрыва.

Детонация наблюдается в карбюраторных двигателях и ведет к повышению износа двигателя, уменьшению его мощности, увеличению расхода горючего. Чем выше давление смеси, тем больше при прочих равных условиях возможность и сила детонации.

Октановое число жидкого топлива (бензина) определяется подобно цетановому. Только здесь за идеальное в антидетонационном отношении горючее принимается изооктан С₈Н₁₃ (октановое число 100), а за идеально детонирующее — нормальный гептан С₇Н₁₆ (октановое число 0).

У жидких топлив цетановое число 40. 50. Октановое число бензинов 60. 98, для авиационных, более легких, бензинов — близко к 100.

Газообразное топливо.Газообразное топливо по сравнению с другими видами топлива имеет ряд существенных преимуществ. Газообразное топливо сгорает при небольшом избытке воздуха, образуя продукты полного горения без дыма и копоти, не дает твердых остатков; оно удобно для транспортирования по газопроводам на большие расстояния и позволяет простейшими средствами осуществлять сжигание в установках самых различных конструкций и мощностей. Газообразное топливо подразделяется на естественное и искусственное. Естественное, в свою очередь, подразделяется на природное и нефтепромысловое.

Нефтепромысловые газы выделяются в большом количестве в районах месторождений нефти и, особенно, в районах эксплуатации нефтяных скважин.

При добыче нефти выделяется так называемый попутный газ, содержащий меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов и поэтому выделяющий при сгорании больше теплоты. Проблема полного его использования сейчас весьма актуальна.

В промышленности и особенно в быту находит широкое распространение сжиженный газ, получаемый при первичной переработке нефти и попутных нефтяных газов. По ГОСТ 20448—90 выпускают технический пропан (не менее 93 % С₃Н₈ + С₃Н₆), технический бутан (не менее 93 % С₄Н₁₀+ С₄Н₈) и их смеси. Температура конденсации пропана при атмосферном давлении составляет минус 44,5 °С, а бутана — 5 °С; соответственно при 20 °С давление паров пропана составляет около 0,8 МПа, а бутана — около 0,2 МПа. Поэтому эти газы транспортируют в жидком виде в баллонах под небольшим давлением (менее 2 МПа). В зависимости от назначения и условий использования смеси содержание в ней пропановой и бутановой фракций должно быть разным. Например, зимой цистерны без подогрева, размещаемые на улице, должны заполняться пропаном, ибо бутан при отрицательных температурах испаряться не будет. Небольшие баллоны, устанавливаемые в помещении, заполняют смесью, состоящей примерно поровну из пропана и бутана, в результате чего давление в баллоне обычно не превышает 0,6 МПа.

К искусственным газам относят: доменный газ, являющийся продуктом при выплавке чугуна на металлургических заводах; коксовый, образующийся при получении кокса в коксовых батареях; светильный, получаемый при сухой перегонке угля; генераторный, получаемый в газогенераторах, который для сжигания в топках котлов не применяют.

Коксовый и доменный газ используют главным образом на месте в доменном и других цехах металлургического завода.

Газы как горючее для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) имеют следующие достоинства: обладают высокими антидетонационными свойствами, широкими пределами воспламенения (по избытку воздуха); обеспечивают хорошие условия смесеобразования; приводят к меньшему, чем в ДВС на жидком горючем, износу; менее требовательны к качеству смазочных материалов и т. п. Однако все горючие газы имеют высокую температуру самовоспламенения и поэтому нуждаются в постороннем источнике зажигания.

Состав и теплота сгорания некоторых горючих газов представлены в табл. 1.5.

Теплота сгорания топлива. Основной характеристикой топлива является теплота сгорания. Теплотой сгорания твердого и жидкого топлива называется количество теплоты (Дж), выделяемое 1 кг топлива при его полном сгорании. Теплоту сгорания обозначают буквой Q и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Теплота сгорания зависит от химического состава топлива и условий его сжигания. Она может быть отнесена к органической, горючей или какой-либо другой массе топлива. Наибольший практический интерес представляет теплота сгорания рабочей массы топлива Q_н р .

Таблица 1.5. Состав и теплота сгорания горючих газов

Для перевода действительного топлива в условное пользуются соотношением (безразмерным коэффициентом)

В продуктах сгорания топлива, содержащего водород и влагу, имеется водяной пар Н₂O, обладающий определенной энтальпией (см. подразд. 2.3), равной примерно 2510 кДж/кг. Наличие в продуктах сгорания топлива водяного пара заставляет ввести понятие высшей теплоты сгорания Q%.

Высшей теплотой сгорания рабочего топлива называют теплоту, выделяемую при полном сгорании I кг топлива, считая, что образующиеся при сгорании водяные пары конденсируются.

Низшей теплотой сгорания рабочего топлива называют теплоту, выделяемую при полном сгорании 1 кг топлива, за вычетом теплоты, затраченной на испарение влаги как содержащейся в топливе, так и образующейся от сгорания водорода.

Теплоту сгорания топлива определяют по формулам, учитывающим, что углерод С, водород Н и сера S, участвующие в горении, выделяют определенное количество теплоты.

Наиболее распространена формула Д. И. Менделеева, которая дает достаточно точные результаты для самых разнообразных топлив. Эта формула для определения высшей теплоты сгорания (кДж/кг) твердых и жидких топлив имеет вид

а для низшей теплоты сгорания

где коэффициенты 338, 1249, 108,5, 1025 и 25 выражают теплоту сгорания отдельных горючих элементов, деленную на 100.

Низшую теплоту сгорания сухого газообразного топлива (кДж/м 3 ) определяют как сумму произведений теплоты сгорания горючих газов на их объемное содержание в смеси:

Точность формулы Д. И. Менделеева очень высока, по ней рекомендуется сверять результаты лабораторных определений теплоты сгорания.

Условное топливо.Большая разница значений теплоты сгорания у различных видов топлива затрудняет в некоторых случаях проведение сравнительных расчетов, например, при выявлении запасов топлива, при оценке целесообразности применения разных сортов топлива и пр. Поэтому принято понятие условного топлива. Условным называется такое топливо, теплота сгорания 1 кг или 1 м 3 которого равна 29330 кДж.

где Э_к — калорийный эквивалент, указывающий, какая часть теплоты сгорания условного топлива соответствует низшей теплоте сгорания рассматриваемого топлива. Расход условного топлива

где В — расход рассматриваемого натурального топлива; Q_н р — низшая теплота сгорания топлива; Q_yc — теплота сгорания условного топлива.

Источник