ВИДЫ ТОПЛИВА. КЛАССИФИКАЦИЯ ТОПЛИВА
По определению Д.И.Менделеева, «топливом называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения теплоты».
В настоящее время термин «топливо» распространяется на все материалы, служащие источником энергии (например, ядерное топливо).
Топливо по происхождению делят на:
Природное топливо (уголь, торф, нефть, горючие сланцы, древесина и др.)
Искусственное топливо (моторное топливо, генераторный газ, кокс, брикеты и др.).
По своему агрегатному состоянию его делят на твёрдое, жидкое и газообразное топливо, а по своему назначению при использовании – на энергетическое, технологическое и бытовое. Наиболее высокие требования предъявляются к энергетическому топливу, а минимальные требования – к бытовому.
Твёрдое топливо – древесно-растительная масса, торф, сланцы, бурый уголь, каменный уголь.
Жидкое топливо – продукты переработки нефти (мазут).
Газообразное топливо – природный газ; газ, образующийся при переработке нефти, а также биогаз.
Ядерное топливо – расщепляющиеся (радиоактивные) вещества (уран, плутоний).
Органическое топливо, т.е. уголь, нефть, природный газ, составляет подавляющую часть всего энергопотребления. Образование органического топлива является результатом теплового, механического и биологического воздействия в течение многих столетий на останки растительного и животного мира, откладывающиеся во всех геологических формациях. Всё это топливо имеет углеродную основу, и энергия высвобождается из него, главным образом, в процессе образования диоксида углерода.
ТВЁРДОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Твёрдое топливо. Ископаемое твёрдое топливо (за исключением сланцев) является продуктом разложения органической массы растений. Самое молодое из них – торф – представляет собой плотную массу, образовавшуюся из перегнивших остатков болотных растений. Следующими по «возрасту» являются бурые угли – землистая или чёрная однородная масса, которая при длительном хранении на воздухе частично окисляется («выветривается») и рассыпается в порошок. Затем идут каменные угли, обладающие, как правило, повышенной прочностью и меньшей пористостью. Органическая масса наиболее старых из них – антрацитов – претерпела наибольшие изменения и на 93 % состоит из углерода. Антрацит отличается высокой твёрдостью.
Мировые геологические запасы угля, выраженные в условном топливе, оцениваются в 14000 млрд.тонн, из которых половина относится к достоверным (Азия – 63%, Америка – 27%). Наибольшими запасами угля располагают США и Россия. Значительные запасы имеются в ФРГ, Англии, Китае, на Украине и в Казахстане.
Всё количество угля можно представить в виде куба со стороной 21 км, из которого ежегодно изымается человеком «кубик» со стороной 1,8 км. При таких темпах потребления угля хватит примерно на 1000 лет. Но уголь – тяжёлое неудобное топливо, имеющее много минеральных примесей, что усложняет его использование. Запасы его распределены крайне неравномерно. Известнейшие месторождения угля: Донбасский (запасы угля 128 млрд.т.), Печорский (210 млрд.т.), Карагандинский (50 млрд.т.), Экибастузский (10 млрд.т.), Кузнецкий (600 млрд.т.), Канско-Ачинский (600 млрд.т.). Иркутский (70 млрд.т.) бассейны. Самые крупные в мире месторождения угля – Тунгусское (2300 млрд.т. – свыше 15% от мировых запасов) и Ленское (1800 млрд.т. – почти 13% от мировых запасов).
Добыча угля ведётся шахтным методом (глубиной от сотен метров до нескольких километров) или в виде открытых карьерных разработок. Уже на этапе добычи и транспортировки угля, применяя передовые технологии, можно добиться снижения потерь при транспортировке. Уменьшения зольности и влажности отгружаемого угля.
Возобновляемым твёрдым топливом является древесина. Доля её в энергобалансе мира сейчас чрезвычайно невелика, но в некоторых регионах древесина (а чаще её отходы) также используется в качестве топлива.
В качестве твёрдого топлива могут быть также использованы брикеты – механическая смесь угольной и торфяной мелочи со связующими веществами (битум и др.), спрессованная под давлением до 100 МПа в специальных прессах.
ЖИДКОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Жидкое топливо. Практически всё жидкое топливо пока получают путём переработки нефти. Нефть, жидкое горючее полезное ископаемое, представляет собой бурую жидкость, содержащую в растворе газообразные и легколетучие углеводороды. Она имеет своеобразный смоляной запах. При перегонке нефти получают ряд продуктов, имеющих важное техническое значение: бензин, керосин, смазочные масла, а также вазелин, применяемый в медицине и парфюмерии.
Сырую нефть нагревают до 300-370 °С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре tª: сжиженный газ (выход около 1%), бензиновую (около 15%, tª=30 - 180°С). Керосиновую (около 17 %, tª=120 - 135°С), дизельную (около 18 %, tª=180 - 350°С). Жидкий остаток с температурой начала кипения 330-350°С называется мазутом. Мазут, как и моторное топливо, представляет собой сложную смесь углеводородов, в состав которых входят, в основном, углерод (84-86 %) и водород (10-12%).
Мазут, получаемый из нефти ряда месторождений, может содержать много серы (до 4.3%), что резко усложняет защиту оборудования и окружающей среды при его сжигании.
Зольность мазута не должна превышать 0,14 %, а содержание воды должно быть не более 1,5 %. В состав золы входят соединения ванадия, никеля, железа и других металлов, поэтому её часто используют в качестве сырья для получения, например, ванадия.
В котлах котельных и электростанций обычно сжигают мазут, в бытовых отопительных установках – печное бытовое топливо (смесь средних фракций).
Мировые геологические запасы нефти оцениваются в 200 млрд. т., из которых 53 млрд.т. составляют достоверные запасы. Более половины всех достоверных запасов нефти расположено в странах Среднего и Ближнего Востока. В странах Западной Европы, где имеются высокоразвитые производства, сосредоточены относительно небольшие запасы нефти. Разведанные запасы нефти всё время увеличиваются. Прирост происходит в основном за счёт морских шельфов. Поэтому все имеющиеся в литературе оценки запасов нефти являются условными и характеризуют только порядок величин.
Общие запасы нефти в мире ниже, чем угля. Но нефть более удобное для использования топливо. Особенно в переработанном виде. После подъёма через скважину нефть направляется потребителям в основном по нефтепроводам, железной дорогой или танкерами. Поэтому в себестоимости нефти существенную часть имеет транспортная составляющая.
ГАЗООБРАЗНОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Газообразное топливо. К газообразному топливу относится, прежде всего, природный газ. Это газ, добываемый из чисто газовых месторождений, попутный газ нефтяных месторождений, газ конденсатных месторождений, шахтный метан и т.д. Основным его компонентом является метан СН 4 ; кроме того, в газе разных месторождений содержатся небольшие количества азота N 2 , высших углеводородов СnНm , диоксида углерода СО 2 . В процессе добычи природного газа его очищают от сернистых соединений, но часть их (в основном сероводород) может оставаться.
При добыче нефти выделяется так называемый попутный газ, содержащий меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов и поэтому выделяющий при сгорании больше теплоты.
В промышленности и особенно в быту находит широкое распространение сжиженный газ, получаемый при первичной обработке нефти и попутных нефтяных газов. Выпускают технический пропан (не менее 93% С 3 Н 8 + С 3 Н 6), технический бутан (не менее 93% С 4 Н 10 + С 4 Н 8) и их смеси.
Мировые геологические запасы газа оцениваются в 140-170 триллионов м³.
Природный газ располагается в залежах, представляющих собой «купола» из водонепроницаемого слоя (типа глины), под которым в пористой среде (песчаник) под давлением находится газ, состоящий в основном из метана СН 4 . На выходе из скважины газ очищается от песчаной взвеси, капель конденсата и других включений и подаётся на магистральный газопровод диаметром 0,5 – 1,5 м длиной несколько тысяч километров. Давление газа в газопроводе поддерживается на уровне 5 МПа при помощи компрессоров, установленных через каждые 100-150 м. Компрессоры вращаются газовыми турбинами, потребляющими газ. Общий расход газа на поддержание давления в газопроводе составляет 10-12% от всего прокачиваемого. Поэтому транспорт газообразного топлива весьма энергозатратен.
В последнее время в ряде мест всё большее применение находит биогаз – продукт анаэробной ферментации (сбраживания) органических отходов (навоза, растительных остатков, мусора, сточных вод и т.д.). В Китае на самых разных отбросах работают уже свыше миллиона фабрик биогаза (по данным ЮНЕСКО – до 7 млн.). В Японии источниками биогаза служат свалки предварительно отсортированного бытового мусора. «Фабрика», производительностью до 10-20 м³ газа в сутки. Обеспечивает топливом небольшую электростанцию мощностью 716 кВт.
Анаэробное сбраживание отходов крупных животноводческих комплексов позволяет решить чрезвычайно острую проблему загрязнения окружающей среды жидкими отходами путём превращения их в биогаз (примерно 1 куб.м в сутки на единицу крупного рогатого скота) и высококачественные удобрения.
Весьма перспективным видом топлива, обладающим в три раза большей удельной энергоёмкостью по сравнению с нефтью, является водород, научно-экспериментальные работы по изысканию экономичных способов промышленного преобразования которого активно ведутся в настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом. Запасы водорода неистощимы и не связаны с каким-то регионом планеты. Водород в связанном состоянии содержится в молекулах воды (Н 2 О). При его сжигании образуется вода, не загрязняющая окружающую среду. Водород удобно хранить, распределять по трубопроводам и транспортировать без больших затрат.
В настоящее время водород в основном получают из природного газа, в ближайшем будущем его можно будет получать в процессе газификации угля. Для получения химической энергии водорода используется также процесс электролиза. Последний способ имеет значительное преимущество, так как приводит к обогащению кислородом окружающей среды. Широкое применение водородного топлива может решить три актуальные проблемы:
Уменьшить потребление органического и ядерного топлива;
Удовлетворить возрастающие потребности в энергии;
Снизить загрязнение окружающей среды.
ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ
Ядерное топливо. Единственный природный вид ядерного топлива – тяжёлые ядра урана и тория. Энергия в виде теплоты высвобождается под действием медленных нейтронов при делении изотопа 235 U, который составляет в природном уране 1/140 часть. В качестве сырья могут использоваться 238 U и 239 Th, которые при облучении нейтронами превращаются в новое ядерное топливо – соответственно 239 Pu и 239 U. При делении всех ядер, содержащихся в 1 кг урана, выделяется энергия 2·10 7 кВт·ч, что эквивалентно 2,5 тыс.т высококачественного каменного угля с теплотой сгорания 35 МДж/кг (8373 ккал/кг).
Ядерное топливо делится на два вида:
- Природное урановое, содержащее делящиеся ядра 235 U, а также сырьё 238 U, способное при захвате нейтрона образовывать плутоний 239 Pu;
- Вторичное топливо, которое не встречается в природе, в том числе 239 Pu, получаемый из топлива первого вида, а также изотопы 233 U, образующиеся при захвате нейтронов ядрами тория 232 Th.
По химическому составу, ядерное топливо может быть:
- Металлическим, включая сплавы;
- Оксидным (например, UO 2);
- Карбидным (например, PuC 1-x)
- Нитридным
- Смешанным (PuO 2 + UO 2)
Применение. Ядерное топливо используется в ядерных реакторах, где оно обычно располагается в герметично закрытых тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах) в виде таблеток размером в несколько сантиметров.
К ядерному топливу применяются высокие требования по химической совместимости с оболочками ТВЭЛов, у него должна быть достаточная температура плавления и испарения, хорошая теплопроводность, небольшое увеличение объёма при нейтронном облучении, технологичность производства.
Металлический уран сравнительно редко используют как ядерное топливо. Его максимальная температура ограничена 660 °C. При этой температуре происходит фазовый переход, в котором изменяется кристаллическая структура урана. Фазовый переход сопровождается увеличением объёма урана, что может привести к разрушению оболочки ТВЭЛов. При длительном облучении в температурном интервале 200-500°С уран подвержен радиационному росту. Это явление заключается в том, что облучённый урановый стержень удлиняется. Экспериментально наблюдалось увеличение длины уранового стержня в полтора раза.
Использование металлического урана, особенно при температуре больше 500 °C, затруднено из-за его распухания. После деления ядра образуются два осколка деления, суммарный объём которых больше объёма атома урана (плутония). Часть атомов - осколков деления являются атомами газов (криптона, ксенона и др.). Атомы газов накапливаются в по́рах урана и создают внутреннее давление, которое увеличивается с повышением температуры. За счёт изменения объёма атомов в процессе деления и повышения внутреннего давления газов уран и другие ядерные топлива начинают распухать. Под распуханием понимают относительное изменение объёма ядерного топлива, связанное с делением ядер.
Распухание зависит от выгорания и температуры ТВЭЛов. Количество осколков деления возрастает с увеличением выгорания, а внутреннее давление газа - с увеличением выгорания и температуры. Распухание ядерного топлива может привести к разрушению оболочки ТВЭЛа. Ядерное топливо менее подвержено распуханию, если оно обладает высокими механическими свойствами. Металлический уран как раз не относится к таким материалам. Поэтому применение металлического урана в качестве ядерного топлива ограничивает выгорание, которое является одной из главных оценок экономики атомной энергетики.
Радиационная стойкость и механические свойства топлива улучшаются после легирования урана, в процессе которого в уран добавляют небольшое количество молибдена, алюминия и других металлов. Легирующие добавки снижают число нейтронов деления на один захват нейтрона ядерным топливом. Поэтому легирующие добавки к урану стремятся выбрать из материалов, слабо поглощающих нейтроны.
К хорошим ядерным топливам относятся некоторые тугоплавкие соединения урана: окислы, карбиды и интерметаллические соединения. Наиболее широкое применение получила керамика - двуокись урана UO 2 . Её температура плавления равна 2800 °C, плотность - 10,2 т/м 3 . У двуокиси урана нет фазовых переходов, она менее подвержена распуханию, чем сплавы урана. Это позволяет повысить выгорание до нескольких процентов. Двуокись урана не взаимодействует с цирконием, ниобием, нержавеющей сталью и другими материалами при высоких температурах. Основной недостаток керамики - низкая теплопроводность - 4,5 кДж/(м·К), которая ограничивает удельную мощность реактора по температуре плавления. Так, максимальная плотность теплового потока в реакторах ВВЭР на двуокиси урана не превышает 1,4·10 3 кВт/м 2 , при этом максимальная температура в стержневых ТВЭЛах достигает 2200 °C. Кроме того, горячая керамика очень хрупка и может растрескиваться.
Плутоний относится к низкоплавким металлам. Его температура плавления равна 640 °C. У плутония плохие пластические свойства, поэтому он почти не поддаётся механической обработке. Технология изготовления ТВЭЛов усложняется ещё токсичностью плутония. Для приготовления ядерного топлива обычно идут двуокись плутония, смесь карбидов плутония с карбидами урана, сплавы плутония с металлами.
Высокими теплопроводностью и механическими свойствами обладают дисперсионные топлива, в которых мелкие частицы UO 2 , UC, PuO 2 и других соединений урана и плутония размещают гетерогенно в металлической матрице из алюминия, молибдена, нержавеющей стали и др. Материал матрицы и определяет радиационную стойкость и теплопроводность дисперсионного топлива. Например, дисперсионное топливо Первой АЭС состояло из частиц сплава урана с 9 % молибдена, залитых магнием.
УСЛОВНОЕ ТОПЛИВО
Условное топливо. Различные виды энергетических ресурсов обладают разным качеством, которое характеризуется энергоёмкостью топлива. Удельной энергоёмкостью называется количество энергии, приходящееся на единицу массы физического тела энергоресурса.
Для сопоставления различных видов топлива, суммарного учёта его запасов, оценки эффективности использования энергетических ресурсов, сравнения показателей теплоиспользующих устройств, принята единица измерения – условное топливо. Условное топливо – это такое топливо, при сгорании 1 кг которого выделяется 29309 кДж, или 700 ккал энергии. Для сравнительного анализа используется 1 тонна условного топлива.
1 ту.т = 29309 кДж = 7000 ккал = 8120 кВт·ч.
Этот показатель соответствует хорошему малозольному углю, который иногда называют угольным эквивалентом.
За рубежом для анализа используется условное топливо с теплотой сгорания 41900 кДж/кг (10000 ккал/кг). Этот показатель называется нефтяным эквивалентом. В нижеследующей таблице приведены значения удельной энергоёмкости для ряда энергетических ресурсов в сравнении с условным топливом.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, на основе вышеизложенного материала можно сделать следующие выводы:
Топливо – это горючее вещество, применяемое для получения теплоты.
По происхождению топливо бывает природное и искусственное.
По агрегатному состоянию выделяют твёрдое, жидкое и газообразное топливо.
По назначению при использовании топливо может быть энергетическим, технологическим и бытовым.
Как самостоятельный вид выделяют ещё ядерное топливо.
Для сравнения различных видов топлива по их теплотворной способности используют единицу измерения «условное топливо».
Условное топливо – условно принятое топливо с теплотворной способностью 7000 ккал/кг (для жидких и твёрдых видов топлива) и 7000 ккал/нм 3 (для газообразных видов топлива).
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Охрана труда и основы энергосбережения: Учеб. пособие /
Э.М. Краченя, Р.Н. Козел, И.П.Свирид. – 2-е изд. – Мн.: ТетраСистемс, 2005. – 156-161,166-167 с.
2. Википедия – свободная энциклопедия [Электронный ресурс] / Ядерное топливо. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/ Дата доступа: 04.10.2009.
3. Департамент по энергоэффективности Государственного комитета по стандартизации Республики Беларусь [Электронный ресурс] / Нормативные документы. Методические рекомендации по составлению технико-экономических обоснований для энергосберегающих мероприятий. Режим доступа: http://energoeffekt.gov.by/doc/metodika_1.asp. Дата доступа: 03.10.2009
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Таблица 1: Удельная энергоёмкость энергетических ресурсов
Министерство образования и науки
Российской Федерации
АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ им. И.И. ПОЛЗУНОВА
Кафедра «Автомобили и автомобильное хозяйство»
По дисциплине «Введение в специальность»
Тема «Виды топлива, применяемые на автотранспорте»
Выполнил студент гр. К(з)АиАХ - 01
С.С. Алексеев
Проверил проф., к.т.н
Ю.А. Шапошников
БАРНАУЛ 2010
Введение
Глава 1. Автомобильные топлива
1.1. Бензины
1.2. Дизельные топлива
1.3. Газообразные топлива
Глава 2. Альтернативные виды топлива
2.1 Природный газ
2.2 Газовый конденсат
2.3 Диметилэфир
2.4 Шахтный метан
2.5 Этанол и метанол
2.6 Синтетический бензин
2.7 Электрическая энергия
2.8 Топливные элементы
2.9 Биодизельное топливо
2.10 Воздух
2.11 Биогаз
2.12 Отработанное масло
2.13 Водород как альтернативное топливо
2.14 Спирты
2.15 Дизель и спирт
2.16 Метанол
2.17 Диметоксиметан (метилаль)
Заключение
Литература
ВВЕДЕНИЕ
Топливо и смазочные материалы широко используются во всех отраслях народного хозяйства. Одним из основных потребителей нефтепродуктов, вырабатываемых в стране, является сельское хозяйство, оснащенное большим количеством тракторов, автомобилей, комбайнов и других сельскохозяйственных машин.
Основной целью изучения дисциплины «Топливо и смазочные материалы» является овладение знаниями об эксплуатационных свойствах, количестве и рациональном применении в тракторах, автомобилях и сельскохозяйственной технике топлива, масел, смазок и специальных жидкостей.
Следует всегда помнить, что одним из основных видов расходов при работе тракторов и автомобилей являются расходы на горюче-смазочные материалы. Качество применяемых горюче-смазочных материалов должно соответствовать особенностям машин. Неправильно подобранные топливо и смазочные материалы приводят к перерасходу нефтепродуктов, а главное, снижают долговечность, надежность, эффективность работы машин и механизмов, иногда приводят к аварийным поломкам.
Глава I . АВТОМОБИЛЬНЫЕ ТОПЛИВА
1.1. Б ензины
Основные виды топлива для автомобилей - продукты переработки нефти - бензины и дизельные топлива. Они представляют собой смеси углеводородов и присадок, предназначенных для улучшения их эксплуатационных свойств. В состав бензинов входят углеводороды, выкипающие при температуре от 35 до 200 "С, а в состав дизельных топлив - углеводороды, выкипающие в пределах 180...360 "С.
Бензины в силу своих физико-химических свойств применяются в двигателях с принудительным зажиганием (от искры). Более тяжелые дизельные топлива вследствие лучшей самовоспламеняемости применяются в двигателях с воспламенением от сжатия, т.е. дизелях.
К автомобильным бензинам предъявляются следующие требования:
· бесперебойная подача бензина в систему питания двигателя;
· образование топливовоздушной смеси требуемого состава;
· нормальное (без детонации) и полное сгорание смеси в двигателях;
· обеспечение быстрого и надежного пуска двигателя при различных температурах окружающего воздуха;
· отсутствие коррозии и коррозионных износов;
· минимальное образование отложений во впускном и выпускном трактах, камере сгорания;
· сохранение качества при хранении и транспортировке.
Для выполнения этих требований бензины должны обладать рядом свойств. Рассмотрим наиболее важные из них. Бензин, подаваемый в систему питания смешивается с воздухом и образует топливовоздушную смесь. Для полного сгорания необходимо обеспечить однородность смеси с определенным соотношением паров бензина и воздуха. На протекание процессов смесеобразования влияют следующие физико-химические свойства. Плотность топлива - при +20 "С должна составлять 690...750 кг/м. При низкой плотности поплавок карбюратора тонет и бензин свободно вытекает из распылителя, переобогащая смесь. Плотность бензина со снижением температуры на каждые 10 "С возрастает примерно на 1%.
Вязкость - с ее увеличением затрудняется протекание топлива через жиклеры, что ведет к обеднению смеси. Вязкость в значительной степени зависит от температуры. При изменении температуры от +40 до --40 °С расход бензина через жиклер меняется на 20...30%.
Испаряемость - способность переходить из жидкого состояния в газообразное. Автомобильные бензины должны обладать такой испаряемостью, чтобы обеспечивались легкий пуск двигателя (особенно зимой), его быстрый прогрев, полное сгорание топлива, а также исключалось образование паровых пробок в топливной системе.
Давление насыщенных паров - чем выше давление паров при испарении топлива в замкнутом пространстве, тем интенсивнее процесс их конденсации. Стандартом ограничивается верхний предел давления паров летом - до 670 ГПа и зимой - от 670 до 930 ГПа. Бензины с более высоким давлением склонны к образованию паровых пробок, при их использовании снижается наполнение цилиндров и теряется мощность двигателя, увеличиваются потери от испарения при хранении в баках автомобилей и на складах.
Низкотемпературные свойства - характеризуют работоспособность топливоподающей системы зимой. При низких температурах происходит выпадение кристаллов льда в бензине и обледенение деталей карбюратора. В бензине в растворенном состоянии находится несколько сотых долей процента воды. С понижением температуры растворимость воды в бензине падает, и она образует кристаллы льда, которые нарушают подачу бензина в двигатель.
Сгорание бензина . Под "сгоранием" применительно к автомобильным двигателям понимают быструю реакцию взаимодействия углеводородов топлива с кислородом воздуха с выделением значительного количества тепла. Температура паров при горении достигает 1500...2400 °С.
Теплота сгорания (теплотворная способность) - количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг жидкого или твердого и м3 газообразного топлива (табл. 17.1).
Таблица 1.1 Теплота сгорания различных топлив
От теплоты сгорания зависит топливная экономичность: чем выше теплота, тем меньше топлива необходимо для м смеси. Нормальное и детонационное сгорание. При нормальном сгорании процесс протекает плавно с почти полным окислением топлива и скоростью распространения пламени 10...40 м/с. Когда скорость распространения пламени возрастает и достигает 1500...2000 м/с, возникает детонационное сгорание, характеризующееся неравномерным протеканием процесса, скачкообразным изменением скорости движения пламени и возникновением ударной волны.
Детонация вызывается самовоспламенением наиболее удаленной от запальной свечи части бензино-воздушной смеси, горение которой приобретает взрывной характер. Условия для детонации наиболее благоприятны в той части камеры сгорания, где выше температура и больше время пребывания смеси. Внешне детонация проявляется в появлении звонких металлических стуков - результата многократных отражений от стенок камеры сгорания образующихся ударных волн. Возникновению детонации способствует повышение степени сжатия, увеличение угла опережения зажигания, повышенная температура окружающего воздуха и его низкая влажность, особенности конструкции камеры сгорания. Вероятность детонационного сгорания топлива возрастает при наличии нагара в камере сгорания и по мере ухудшения технического состояния двигателя. В результате детонации снижаются экономические показатели двигателя, уменьшается его мощность, ухудшаются токсические показатели отработавших газов.
Бездетонационная работа двигателя достигается применением бензина с соответствующей детонационной скоростью. Углеводороды, входящие в состав бензинов, различаются по детонационной стойкости. Наименее стойки к детонации нормальные парафиновые углеводороды, наиболее - ароматические. Остальные углеводороды, входящие в состав бензинов, по детонационной стойкости занимают промежуточное положение. Варьируя углеводородным составом, получают бензины с различной детонационной стойкостью, которая характеризуется октановым числом (04).
04 - это условный показатель детонационной стойкости бензина, численно равный процентному содержанию (по объему) изооктана в смеси с нормальным гептаном, равноценной по детонагщонной стойкости испытуемому топливу.
Для любого бензина октановое число определяют путем подбора смеси из двух эталонных углеводородов (нормального гептана с 04=0 и изооктана с 04=100), которая по детонационным свойствам эквивалентна испытуемому бензину. Процентное содержание в этой смеси изооктана принимают за 04 бензина.
Определение 04 производится на специальных моторных установках. Существуют два метода определения 04 - исследовательский (04И - октановое число по исследовательскому методу) и моторный (04М - октановое число по моторному методу). Моторный метод лучше характеризует антидетонационные свойства бензина в условиях форсированной работы двигателя и его высокой теплонапряженности, а исследовательский - при эксплуатации в условиях города, когда работа двигателя связана с относительно невысокими скоростями, частыми остановками и меньшей теплонапряженностью.
Наиболее важным конструктивным фактором, определяющим требования двигателя к октановому числу, является степень сжатия. Повышение степени сжатия двигателей автомобилей позволяет улучшить их технико-экономические и эксплуатационные показатели. При этом возрастает мощность и снижается удельный расход топлива. Однако с увеличением степени сжатия необходимо повышать октановое число бензина. Поэтому важнейшим условием бездетонационной работы двигателей является соответствие требований к детонационной стойкости двигателей октановому числу применяемых бензинов.
В топлива, детонационная стойкость которых не соответствуют требованиям, добавляют высокооктановые компоненты (бензол, этиловый спирт) или антидетонаторы.
Антидетонаторы. Несколько десятилетий применяют тетраэтилсвинец (ТЭС) в сочетании с веществами, обеспечивающими отсутствие отложений окислов свинца в камере сгорания, так называемыми выносителями. Например, в 1 кг бензина А-76 содержится 0,24 г ТЭС.
В чистом виде ТЭС не применяют, а используют этиловую жидкость (ЭЖ), состоящую из ТЭС, выносителей и красителей. ТЭС ядовит, поэтому искусственное окрашивание бензина, предупреждает об опасности. Добавлением ЭЖ увеличивают 04 на 8...12 единиц. Главный недостаток ТЭС - ядовитость.
Ведутся исследования по созданию антидетонаторов на основе марганца. Один из них - циклопентадиенилтрикарбонил марганца -широко не применяется, так как отсутствует эффективный выноситель для него.
1.2 Дизельные топлива
Дизельные двигатели в силу особенностей рабочего процесса на 25...30% экономичнее бензиновых двигателей, что и предопределило их широкое применение. В настоящие время они устанавливается на большинство грузовых автомобилей и автобусов, а также на часть легковых.
Эксплуатационные требования к дизельным топливам (ДТ):
*бесперебойная подача топлива в систему питания двигателя;
*минимальное образование отложений в выпускном тракте, камере сгорания, на игле и распылителе форсунки;
*сохранение качества при хранении и транспортировке.
Наиболее важными эксплуатационными свойствами дизельного топлива являются его испаряемость, воспламеняемость и низкотемпературные свойства.
Испаряемость топлива определяется составом. При облегчении топлива ухудшается пуск дизелей, так как легкие фракции имеют худшую по сравнению с тяжелыми фракциями самовоспламеняемость. Поэтому пусковые свойства дизельных топлив для автомобилей в некоторой степени определяет температура выкипания 50% топлива. Температура выкипания 96% топлива регламентирует содержание в топливе наиболее тяжелых фракций, увеличение которых ухудшает смесеобразование, снижает экономичность, повышает нагарообразование и дымность отработавших газов.
Воспламеняемость ДТ характеризует его способность к самовоспламенению в камере сгорания. Это свойство в значительной мере определяет подготовительную фазу процесса сгорания - период задержки воспламенения, который в свою очередь складывается из времени, затрачиваемого на распад топливной струи на капли, частичное их испарение и смешение паров потлива с воздухом (физическая составляющая), а также времени, необходимого для завершения предпламенных реакций и формирование очагов самовоспламенения (химическая составляющая).
Физическая составляющая времени задержки воспламенения зависит от конструктивных особенностей двигателя, а химическая - от свойств применяемого топлива. Длительность периода задержки воспламенения существенно влияет на последующее течение всего процесса сгорания. При большой длительности периода задержки воспламенения увеличивается количество топлива, химически подготовленного для самовоспламенения. Сгорание топливовоздушной смеси в этом случае происходит с большей скоростью, что сопровождается резким нарастанием давления в камере сгорания. В этом случае дизель работает «жестко».
«Жесткость» работы оценивают по нарастанию давления на 1° поворота коленчатого вала (KB). Двигатель работает мягко при нарастании давления 2,5...5,0 кгс/см" на 1" поворота KB, жестко - при 6...9 кгс/см, очень жестко - при нарастании давления более 9 кгс/см2. При жесткой работе поршень подвергается повышенному ударному воздействию. Это ведет к повышенному износу деталей кривошипно-шатунного механизма, снижает экономичность двигателя.
Склонность ДТ к самовоспламенению оценивают по цетановому числу (ЦЧ). ЦЧ - это условный, показатель воспламеняемости дизельного топлива, численно равный объемному проценту цетана в эталонной смеси с альфаметилнафталином, которая равноценна, по воспламеняемости испытуемому топливу. Для определения ЦЧ составляют эталонные смеси. В их состав входят цетан и альфаметилнафталин. Склонность цетана к самовоспламенению принимают за 100 единиц, а альфаметилнафталина -за 0 единиц. Цетановое число смеси, составленной из них, численно равно процентному содержанию (по объему) цетана. Оценку самовоспламеняемости ДТ производят аналогично методу оценки детонационной стойкости бензинов. Образец сопоставляется с эталонными топливами на одноцилиндровых двигателях ИТ-9.
Самовоспламеняемость ДТ влияет на их склонность к образованию отложений, легкость пуска и работу двигателя. Для современных быстроходных дизелей применяются топлива с ЦЧ=45...50. Применение топлив с ЦЧ ниже 40 ведет к жесткой работе двигателя. Повышение ЦЧ выше 50 нецелесообразно, т.к. из-за малого периода задержки самовоспламенения топливо сгорает, не успев распространиться по всему объему камеры сгорания. При этом воздух, находящийся далеко от форсунки, не участвует в горении, поэтому топливо сгорает не полностью. Экономичность дизеля ухудшается, наблюдается дымление.
ЦЧ влияет на пусковые качества ДТ. При высоких ЦЧ время пуска снижается, особенно при низких температурах. ЦЧ может быть повышено двумя способами: регулированием углеводородного состава и введением специальных присадок:
1-й способ. В порядке убывания ЦЧ углеводороды располагаются следующим образом: нормальные парафины - изопарафины - нафтены -ароматические. ЦЧ можно существенно повысить, увеличивая концентрацию нормальных парафинов и снижая содержание ароматических.
2-й способ более эффективен. Вводят специальные кислородосодержащие присадки - органические перекиси, сложные эфиры азотной кислоты и др. Эти присадки являются сильными окислителями и способствуют зарождению и развитию процесса горения. Пример:
добавление 1% изопропилнитрата повышает ЦЧ на 10...12 единиц. Кроме того, эта присадка улучшает пусковые качества при низкой температуре и снижает нагарообразование.
Низкотемпературные свойства . При низких температурах высокоплавкие углеводороды, прежде всего нормальные парафины, кристаллизуются. По мере понижения температуры дизельное топливо проходит через три стадии; вначале мутнеет, затем достигает так называемого предела фильтруемости и, наконец, застывает. Связано это с тем, что сначала в топливе появляются разрозненные кристаллы, которые оседают на фильтрах и ухудшают подачу топлива. При дальнейшем охлаждении теряется подвижность нефтепродуктов вследствие образования из кристаллизующихся углеводородов каркаса.
Показатели, характеризующие начало кристаллизации углеводородов в топливе и потерю их подвижности стандартизованы.
Температурой помутнения называют температуру, при которой топливо теряет прозрачность в результате выпадения кристаллов углеводородов и льда. Бесперебойная работа двигателя обеспечивается при температуре помутнения топлива на 5...10 °С ниже температуры воздуха, при которой эксплуатируется автомобиль.
Температурой застывания называют температуру, при которой ДТ теряет подвижность, что определяют в стандартном приборе, наклоненном
под углом 45° к горизонтали, в течение 1 мин. Дизель работает бесперебойно при температуре застывания топлива на 5...10 °С ниже температуры воздуха, при которой эксплуатируется автомобиль. На нефтеперерабатывающих заводах температуру помутнения и температуру застывания понижают удалением избытка высокоплавких углеводородов (депарафинизация).
В эксплуатации такого же эффекта добиваются добавлением реактивного топлива. Например, при добавке 25% топлива Т-1 температура застывания летнего ДТ снижается на 8...12 °С.
Ассортимент ДТ:
*ДЛ - дизельное летнее - для эксплуатации при температуре окружающего воздуха не ниже 0 "С;
*ДЗ - дизельное зимнее - для эксплуатации при температуре окружающего воздуха не ниже -30 "С;
*ДА - дизельное арктическое - для эксплуатации при температуре окружающего воздуха не ниже -50 "С.
1.3 Газообразные топлива
По физическому состоянию горючие газы делятся на две группы:
сжатые и сжиженные. Если критическая температура углеводородов ниже обычных температур при эксплуатации автомобилей, то их применяют в сжатом виде, а если выше - то в сжиженном виде под давлением 1,5...2,0 МПа.
Требования к газообразным топливам:
*обеспечение хорошего смесеобразования;
*высокая калорийность горючей смеси;
*отсутствие коррозии и коррозионных износов;
*минимальное образование отложений во впускном и выпускном трактах;
*сохранение качества при хранении и транспортировании;
*низкая стоимость производства и транспортирования.
Сжиженные газы. Основные компоненты - пропан и бутан. Получают из попутных нефтяных газов, из газообразных фракций при переработке нефтепродуктов и каменных углей. Поэтому они получили название сжиженных нефтяных газов. Для их обозначения часто используют аббревиатуру «СНГ».
Критические температуры пропана (+97 "С) и бутана (+126 "С) выше температуры окружающей среды, поэтому их легко можно перевести в жидкое состояние. При +20 °С пропан сжижается при 0,716, а бутан - при 0,103 МПа.
СНГ хранят под давлением 1,6 МПа. Давление насыщенных парав СНГ изменяется от 0,27 МПа при -10 °С до 1,6 МПа при +45 °С. СНГ имеет высокий коэффициент теплового расширения. Повышение температуры на 1 °С влечет за собой рост давления в газовом баллоне на О,6...0,7 МПа, что может привести к его разрушению. Поэтому в баллонах предусматривается паровая подушка объемом не менее 10% полезной емкости.
Промышленность выпускает СНГ для автомобилей двух марок:
*СПБТЗ - смесь пропана и бутана техническая зимняя;
*СПБТЛ - ... летняя.
Таблица 1.1 Компонентный состав сжиженных нефтяных газов
В состав СНГ добавляют специальные вещества (одоранты), имеющие сильный запах, т.к. СНГ не имеет ни цвета не запаха, и обнаружить их утечку сложно. Для этой цели используют этилмеркаптан C2H4SH, имеющий резкий неприятный запах, который ощущается уже при концентрации 0,19 г на 1000 м3 воздуха.
Сжатые газы . Основные компоненты - метан СН», окись углерода СО и водород Нз. Получают из горючих газов различного происхождения -природных, попутных нефтяных, коксовых и других. Их называют сжатыми природными газами или СПГ. Содержание метана в СПГ составляет 40... 82%. Критическая температура метана составляет -82 °С, поэтому без охлаждения СПГ перевести в жидкое состояние нельзя. Существует две марки СПГ - А и Б, которые отличаются содержанием метана и азота (табл. 17.4).
Таблица 1.2 Компонентный состав сжатых природных газов
Компоненты | |||
Газобаллонные установки для СПГ рассчитаны на работу при давлении 19,6 МПА. Баллоны для СПГ изготавливаются толстостенными и имеют большую массу. Так, батарея из 8 50-литровых баллонов весит более 0,5 т. Следовательно, существенно снижается грузоподъемность автомобиля. Кроме того пробег автомобиля на одной заправке при работе на СПГ в 2 раза меньше, чем на бензине. Более перспективна криогенная технология хранения СПГ в сжиженном виде. Метан легче воздуха, поэтому при утечках скапливается в верхней части помещения. Метан имеет высокую детонационную стойкость, поэтому двигатели можно форсировать по степени сжатия. СПГ воспламеняется в камере сгорания при температуре 635...645 °С, что значительно выше температуры воспламенения бензина. Это затрудняет пуск двигателя, особенно при низких температурах воздуха. В то же время по опасности воспламенения и пожароопасносности они значительно безопаснее бензина.
Преимущества СПГ перед бензинами:
*повышается срок службы моторного масла в 2,0...3,0 раза;
*увеличивается ресурс двигателя на 35...40% вследствие отсутствия нагара на деталях цилиндро-поршневой группы;
*увеличивается на 40% срок службы свечей зажигания;
*на 90% снижается выброс вредных веществ с отработавшими газами, особенно СО. Недостатки СПГ:
*цена автомобиля возрастает примерно на 27%;
*трудоемкость ТО и ТР возрастает на 7...8;
*мощность двигателя снижается на 18...20%, время разгона увеличивается на 24...30%, максимальная скорость уменьшается на 5...6%, максимальные углы преодолеваемых подъемов уменьшаются на 30...40%, эксплуатация автомобиля с прицепом затрудняется;
*дальность ездки на одной заправке не превышает 200...250 км;
*грузоподъемность автомобиля снижается 9...14%.
С учетом достоинств и недостатков автомобилей, работающих на СПГ, определена область их рационального использования - перевозки в крупных городах и прилегающих к ним районах.
Глава 2. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ВИДЫ ТОПЛИВА
2.1 Природный газ
Природный газ в большинстве стран является наиболее распространенным видом альтернативного моторного топлива. Природный газ в качестве моторного топлива может применяться как в виде компримированного, сжатого до давления 200 атмосфер, газа, так и в виде сжиженного, охлажденного до -160°С газа. В настоящее время наиболее перспективным является применение сжиженного газа (пропан-бутан). В Европе это топливо называется LPG (Liquefied petroleum gas - сжиженный бензиновый газ). В то время как сжатый газ (метан) находится в баках под давлением 200 бар, что само по себе представляет повышенную опасность, LPG сжиживается при давлении 6-8 бар. В Европе сегодня насчитывается около 2,8 млн машин, работающих на LPG.
2.2 Газовый конденсат
Использование газовых конденсатов в качестве моторного топлива сведено к минимуму из-за следующих недостатков: вредное воздействие на центральную нервную систему, недопустимое искрообразование в процессе работы с топливом, снижение мощности двигателя (на 20%), повышение удельного расхода топлива.
2.3 Диметилэфир
Диметилэфир является производной метанола, который получается в процессе синтетического преобразования газа в жидкое состояние. Существуют разработки по переоборудованию дизельных двигателей под диметилэфир. При этом существенно улучшаются экологические характеристики двигателя.
На сегодняшний день в мире потребление диметилэфира составляет около 150 тыс. т в год.
В последние годы разрабатываются технологические процессы получения диметилэфира из синтетического горючего газа, производимого из угля.
В отличие от сжиженного природного газа, диметилэфир менее конкурентоспособен, в основном по причине того, что теплотворная способность на тонну диметилэфира на 45% ниже теплотворности на тонну сжиженного природного газа. Также для производства диметилэфира требуется не только более высокий уровень предварительных капиталовложений, но и больший объем сырьевого газа для производства продукта с эквивалентной теплотворной способностью.
В будущем диметилэфир можно рассматривать только в качестве продукта, имеющего ограниченные возможности, так как производство сжиженного природного газа характеризуется более значительной экономией за счет масштабов производства, более низким уровнем капитальных затрат и более высокой эффективностью процесса производства.
2.4 Шахтный метан
В последнее время к числу альтернативных видов автомобильных топлив стали относить и шахтный метан, добываемый из угольных пород. Так, к 1990 г. в США, Италии, Германии и Великобритании на шахтном метане работали свыше 90 тыс. автомобилей. В Великобритании, например, он широко используется в качестве моторного топлива для рейсовых автобусов в угольных регионах страны. Содержание метана в шахтном газе колеблется от 1 до 98%. В США добыча угольного метана из специальных скважин возросла от 1 млрд до 40 мрлд м3 и в будущем еще удвоится. Прогнозируется, что газовая добыча метана в угольных бассейнах мира уже в ближайшее время составит 96-135 млрд м3. Общие ресурсы метана в угольных пластах России составляют, по различным источникам, 48-65 трлн м3.
2.5 Этанол и метанол
Этанол (питьевой спирт), обладающий высоким октановым числом и энергетической ценностью, добывается из отходов древесины и сахарного тростника, обеспечивает двигателю высокий КПД и низкий уровень выбросов и особо популярен в теплых странах. Так, Бразилия после своего нефтяного кризиса 1973 г. активно использует этанол - в стране более 7 млн автомобилей заправляются этанолом и еще 9 млн - его смесью с бензином (газохолом). США является вторым мировым лидером по масштабному изготовлению этанола для нужд автотранспорта. Этанол используется как “чистое” топливо в 21 штате, а этанол-бензиновая смесь составляет 10% топливного рынка США и применяется более чем в 100 млн двигателей. Стоимость этанола в среднем гораздо выше себестоимости бензина. Всплеск интереса к его использованию в качестве моторного топлива за рубежом обусловлен налоговыми льготами.
Метанол как моторное топливо имеет высокое октановое число и низкую пожароопасность. Данные обстоятельства обеспечивают его широкое применение на гоночных автомобилях. Метанол может смешиваться с бензином и служить основой для эфирной добавки - метилтретбутилового эфира, который в настоящее время замещает в США большее количество бензина и сырой нефти, чем все другие альтернативные топлива вместе взятые.
2.6 Синтетический бензин
Сырьем для его производства могут быть уголь, природный газ и другие вещества. Наиболее перспективным считается синтезирование бензина из природного газа. Из 1 м3 синтез-газа получают 120-180 г синтетического бензина. За рубежом, в отличие от России, производство синтетических моторных топлив из природного газа освоено в промышленном масштабе. Так, в Новой Зеландии на установке фирмы “Мобил” из предварительно полученного метанола ежегодно синтезируется 570 тыс. т моторных топлив. Однако в настоящее время синтетические топлива из природного газа в 1,8-3,7 раза (в зависимости от технологии получения) дороже нефтяных. В то же время разработки по получению синтетического бензина из угля достаточно активно ведутся в настоящее время в Англии.
2.7 Электрическая энергия
Заслуживает внимания применение электроэнергии в качестве энергоносителя для электромобилей. Кардинально решается вопрос, связанный с токсичностью отработанных газов, появляется возможность использования нефти для получения химических веществ и соединений. К недостаткам электроэнергии как вида электроносителя можно отнести: ограниченный запас хода электромобиля, увеличенные эксплуатационные расходы, высокая первичная стоимость, высокая стоимость энергоемких аккумуляторных батарей.
2.8 Топливные элементы
Топливные элементы - это устройства, генерирующие электроэнергию непосредственно на борту транспортного средства, - в процессе реакции водорода и кислорода образуются вода и электрический ток. В качестве водородосодержащего топлива, как правило, используется либо сжатый водород, либо метанол. В этом направлении работает достаточно много зарубежных автомобильных фирм, и если им в итоге удастся приблизить стоимость автомобилей на топливных элементах к бензиновым, то это станет реальной альтернативой традиционным нефтяным топливам в странах, импортирующих нефть. В настоящее время стоимость зарубежного экспериментального легкового автомобиля с топливными элементами составляет порядка 1 млн долл. США. Кроме того, к недостаткам применения топливных элементов следует отнести повышенную взрывоопасность водорода и необходимость выполнения специальных условий его хранения, а также высокую себестоимость получения водорода.
2.9 Биодизельное топливо
В последние годы в США, Канаде и странах ЕС возрос коммерческий интерес к биодизельному топливу, в особенности к технологии его производства из рапса (возможно также производство из отработанного растительного масла). В Австрии такое топливо уже сейчас составляет 3% общего рынка дизельного топлива при наличии производственных мощностей до 30 тыс. т/год; во Франции эти мощности составляют 20 тыс. т/год; в Италии - 60 тыс. т/год. В США планируется на 20% заменить обычное дизельное топливо биодизельным и использовать его на морских судах, городских автобусах и грузовых автомобилях. Применение биодизельного топлива связано, в первую очередь, со значительным снижением эмиссии вредных веществ в отработанных газах (на 25-50%), улучшением экологической обстановки в регионах интенсивного использования дизелей (города, реки, леса, открытые разработки угля (руды), помещения парников и т.п.) - cодержание серы в биодизельном топливе составляет 0,02%.
2.10 Воздух
Во Франции уже начато производство автомобиля, в качестве топлива для которого будет использоваться сжатый воздух. Принцип работы мотора машины очень похож на принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Только в двух цилиндрах воздух-кара не бензин “встречается” с искрой, а холодный воздух с теплым. По предварительным данным, автомобиль будет стоить порядка 13 тыс. евро. Запас хода - 200 км.
2.11 Биогаз
Представляет собой смесь метана и углекислого газа и является продуктом метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения. Биогаз относится к топливам, получаемым из местного сырья. Хотя потенциальных источников для его производства достаточно много, на практике круг их сужается вследствие географических, климатических, экономических и других факторов.
Биогаз как альтернативный энергоноситель может служить высококалорийным топливом. Предназначен для улучшения технико-эксплуатационных и экологических показателей работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и стационарных энергоустановок. Биогаз, представляющий собой продукты брожения отходов биологической деятельности человека и животных, содержит приблизительно 68% СН4, 2% Н2 и до 30% СО2. После отмывки от углекислоты этот газ является достаточно однородным топливом, содержащим до 80% метана с теплотворной способностью более 25 МДж/м3. Применение биогаза в качестве топлива для ДВС осуществляется путем использования серийно выпускаемой топливной аппаратуры для природного газа с коррекцией соотно-шения “топливо-воздух”. Предлагаемая система в сравнении с газовым двигателем позволяет снизить выбросы оксидов азота на 25% и оксида 15%.углерода - на 20%, а также улучшить топливную экономич-ность на 12. Некоторое снижение эффективной мощности, вызванное присутствием балластных компонентов, практически полностью компенсируется за счет высоких антидетонационных качеств биогаза путем соответствующего повышения степени сжатия. Присутствие небольшого количества водорода в биогазе положительно сказывается на качестве протекания рабочего процесса ДВС и не вызывает характерных для водородных двигателей преждевременного воспламенения рабочей смеси и так называемой обратной вспышки.
2.12 Отработанное масло
В настоящее время на ряде предприятий различных стран мира весьма эффективно работают установки, преобразующие отработанное масло (моторное, трансмиссионное, гидравлическое, индустриальное, трансформаторное, синтетическое и т. д.) в состояние, которое позволяет полностью использовать его в качестве дизельного или печного топлива. Установка подмешивает высокоочищенные (в установке) масла в соответствующее топливо, в точно заданной пропорции, с образованием навсегда стабильной, неразделяемой топливной смеси. Полученная смесь имеет более высокие параметры по чистоте, обезвоживанию и теплотворной способности, чем дизельное топливо до его модификации в установке.
Например, в России практически отсутствует сырьевая база для получения этанола и биодизельного топлива (необходимо отметить, что наиболее эффективными продуцентами для их топлив являются представители тропической и субтропической флоры). С другой стороны, использование LPG, учитывая огромные запасы газа в нашей стране, крайне актуально. Из всех видов моторных топлив, получаемых из местного сырья, только биогаз, с точки зрения промышленного производства и применения в двигателях транспортных средств, представляет серьезный практический интерес для России. Кроме того, шахтный метан уже в настоящее время может рассматриваться как перспективный источник альтернативного моторного топлива для угольных регионов нашей страны.
Однако без должного развития инфраструктуры и поддержания экономически обоснованного спроса ни один из видов альтернативного топлива не может рассматриваться как полноценная замена бензина и дизельного топлива. Эффект от использования установок по производству биодизельного топлива, синтетического бензина, по преобразованию отработанного масла и т.п. вне рамок реализации масштабной государственной программы может носить лишь исключительно локальный характер. В связи с этим остается только надеяться, что часть тех огромных финансовых ресурсов, которые столь внушительными темпами аккумулируются в настоящее время государством и нефтяными компаниями при реализации нефти и нефтепродуктов пойдет на своевременную разработку и внедрение высокоэффективных энергосберегающих технологий.
2.13 Водород как альтернативное топливо
Водород является эффективным аккумулятором энергии. Применение водорода в качестве топлива возможно в разнообразных условиях, что может дать существенный вклад в мировую энергетику, когда ресурсы ископаемого топлива будут близки к полному истощению. По сравнению с бензином и дизельным топливом водород более эффективен и меньше загрязняет окружающую среду. Взрывоопасность водорода резко снижается с применением специальных присадок (например, добавка 1% пропилена делает Н2 безопасным).
Еще одно направление использования водорода - применение в аккумуляторных батареях электромобилей. Лидерство в этой области принадлежит японским фирмам, которые разработали эффективные водородные электроды, используемые в топливных элементах.
Однако во всех методах использования водородного топлива основная проблема - хранение водорода. Известны три основных способа хранения:
· сжатый газ;
· сжиженный газ;
· металлогидридный способ.
Использование жидкого водорода и водорода под давлением довольно неэффективно. Третий способ хранения водорода - металлогидридный, наиболее перспективный. Гидриды металлов служат источником водорода, который получается за счет химической реакции или термического разложения. Обратимое гидрирование системы Pd-H было исследовано Т.Грэмом более 100 лет назад. В настоящее время исследовано большое количество систем Ме-Н, которые поглощают большое количество водорода, а затем при изменении условий возвращают его обратно.
2.14 Спирты
Среди альтернативных видов топлива в первую очередь следует отметить спирты, в частности метанол и этанол, которые можно применять не только как добавку к бензину, но и в чистом виде. Их главные достоинства - высокая детонационная стойкость и хороший КПД рабочего процесса, недостаток - пониженная теплотворная способность, что уменьшает пробег между заправками и увеличивает расход топлива в 1,5-2 раза по сравнению с бензином. Кроме того, из-за плохой испаряемости метанола и этанола затруднён запуск двигателя.
Существуют два способа применения спирта в качестве горючего для автомобильных моторов - при частичной (до 20%) и при полной замене бензина и дизельного топлива. Высокие антидетонационные качества определяют преимущественное использование спирта в двигателях внутреннего сгорания с принудительным (искровым) зажиганием.
2.15 Дизель и спирт
Адаптировать дизельный мотор для сжигания в его цилиндрах спирта гораздо сложнее. Исследования показали, что дизель работает на этаноле практически бездымно. По сравнению с работой на дизельном топливе выброс NOx снижается, что является результатом уменьшения температуры вследствие повышенной теплоты испарения этанола. Выброс СО такой же, как у бензинового ДВС, выброс СН относительно высок, однако может быть радикально снижен при применении простейшего окислительного нейтрализатора. При переходе на дизельное горючее дымность и расход топлива у переоборудованного дизеля значительно выше, чем первоначально. Объемный расход у этанола почти в 2 раза больше, чем у дизельного топлива, что является следствием его более низкой теплоты сгорания, а удельный приведенный расход лишь немногим выше.
После переоборудования двигатели могут работать на метаноле, этаноле, сжатом и сжиженном природном газах.
Этанол (С2Н5ОН) - винный, или питьевой спирт, являющийся важнейшим представителем одноатомных спиртов. Эта бесцветная жидкость, которая смешивается в любых соотношениях с водой, спиртами, эфирами, глицерином, бензином и другими органическими растворителями, горит бесцветным пламенем. Этанол, обладая высоким октановым числом и энергетической ценностью, является отличным моторным топливом. Для получения бензина АИ-95 требуется добавить в бензин АИ-92 около 10% этанола.
2.16 М етанол
Теплота сгорания метанола в 2,24 раза меньше, чем у бензина. Метанол имеет более высокую скрытую теплоту испарения, низкую упругость паров, низкую температуру кипения, повышенную гигроскопичность и повышенную склонность к образованию с некоторыми составляющими бензина азеотропных смесей, а также повышенную склонность к калильному сжиганию.
Помимо этого, метанол обладает повышенной коррозийной агрессивностью к металлам и некоторым пластмассам. Пары метанола токсичнее паров бензина и вызывают сильные отравления при попадании в организм человека, слепоту и даже летальный исход.
В качестве положительных свойств метанола можно указать его высокую детонационную стойкость и более высокие скорости сгорания топливовоздушных смесей. При этом низкая теплота сгорания не снижает мощностных показателей двигателя, так как их определяющим фактором является не теплота сгорания топлива, а теплота сгорания единицы массы топливообразующей смеси, которая у метаноловоздушных смесей на 3-5% выше, чем у бензинов. Стоит сказать, что при этом и метанола требуется в 2,3 раза больше.
Высокая скрытая теплота испарения метанола (в 3,66 раза выше, чем у бензина) оказывает качественное влияние на процесс смесеобразования. В первую очередь, этот факт является причиной худших пусковых качеств холодного двигателя при низких температурах. С другой стороны, это свойство метанола ведет к уменьшению теплонапряженности деталей двигателя и увеличению весового наполнения цилиндров свежим зарядом, что способствует увеличению мощности двигателя.
Кроме всего прочего, при использовании метанола существенно ниже загрязнение атмосферы, ниже нагарообразование на рабочих поверхностях камеры сгорания и меньшее закоксование деталей цилиндропоршневой группы.
2.17 Диметоксиметан (метилаль)
Вполне вероятно, это вещество станет перспективным топливом, получаемым на базе метанола. Это бесцветная прозрачная жидкость с высоким содержанием кислорода (42%). Уже не раз проводились испытания этого продукта, которые показали хорошие результаты в отношении технических характеристик двигателей и низкой эмиссии дыма. Диметоксиметан улучшает смазывающую способность дизельного топлива и полностью смешивается с этим топливом при всех температурах.
Он изготавливается путем метоксилирования формальдегида метанолом. Являясь превосходным окислителем дизельного топлива, его использование может стать одним из вариантов уменьшения образования дыма от сжигания дизельного топлива.
Заключение
В завершение настоящей книги хотелось бы указать, что в наше время горюче-смазочные материалы используются практически во всех отраслях народного хозяйства, предприятиями всех форм собственности. Бухгалтерский учет и налогообложение покупки и использования бензина и иных горюче-смазочных материалов вызывают определенные трудности на предприятии, связанные, в первую очередь, со значительным количеством первичной документации.
Однако, для того чтобы при возможной налоговой проверке в организации не было проблем с налоговыми органами в части правильного отражения реализации ГСМ или же их покупки и использовании в своей деятельности, автор рекомендует особое внимание обращать на правильность и четкость оформления именно первичных документов, связанных с производством (использованием) нефтепродуктов.
Литература
1. Горелик Д.О., Конопелько Л.А. Мониторинг загрязнения атмосферы и источников выбросов. Аэроаналитические измерения. - М.:Издательство стандартов, 1992.
2. Примак А.В., Кафаров В.В., Системный анализ контроля и управления качества воздуха и воды.- Киев.: Наука, 1991.
3. Израэль Ю.А. Концепция мониторинга состояния биосферы. - Л.: Гидрометеоиздат,1987.
4. Герасимов И.П. Научные основы мониторинга окружающей среды. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987.
5. Вавилин В.А. Моделирование - метод исследования при решении задач регионального мониторинга. - Л.: Гидрометеоиздат, 1977.
6. Аксёнов И.Я., Аксёнов В.И. Транспорт и охрана окружающей среды. - М.: Транспорт, 1986.
7. Голубев И.Р., Новиков Ю.В. Окружающая среда и транспорт. - М.: Транспорт, 1987.
8. Иванов В.Н., Сторчевус В.К., Доброхотов В.С. Экология и автомобилизация. - Киев: Будiвельник, 1983.
9. Хомяк Я.В., Скорченко В.Ф. Автомобильные дороги и окружающая среда. - Киев: Вища школа, 1983.
10. Якубовский Ю. Автомобильный транспорт и защита окружающей среды. - М.: Транспорт, 1979.
Введение
Общие сведения о топливе
Классификация топлива
Свойства топлива
Понятие об условном топливе
Процессы горения
Горение газообразного топлива
Горение твердого топлива
Горение жидкого топлива
Заключение
Список литературы
топливо горение летучий
Введение
Роль топлива в народном хозяйстве велико и все время возрастает. Современные предприятия машиностроения являются крупнейшими потребителями энергии и энергоносителей, в частности такого вида энергии, как топливо. Топливо играет очень важную роль в жизни человека, так как топливо во многом удовлетворяет человеческие потребности. Например, газ. С помощью газа мы отапливаем дома, на газовой плите готовим еду. Многие автомобилисты переходят с бензина на газ, так как он дешевле. Твердые топлива, такие как уголь, древесина также служат для отопления домов, в основном деревенских, и бань.
Основным источником получения жидких топлив является нефть. Для более рационального использования нефть подвергают разгонке на отдельные составляющие (фракции). Для этого ее нагревают до различных температур, а получаемые при этом в определенных пределах температур пары подвергают охлаждению (конденсируют). Таким способом получают различные бензины, лигроин, керосин, соляровое масло и отходы - мазут, которые используют в промышленности.
Целью данного реферата является разобрать сущность топлива, его разновидности, его применение, а также рассмотреть основные процессы горения жидких, твердых и газообразных топлив.
Общие сведения о топливе
В настоящее время основным источником энергии на земле является химическая энергия топлива. За счет природного ископаемого топлива получают от 70 до 80% всей потребляемой энергии.
Топливо - это вещество, которое при сжигании выделяет значительное количество теплоты и используется как источник получения энергии. Топливо может быть естественным, имеющимся в природе, и искусственным, получаемым переработкой естественного.
Топливо состоит из горючей и негорючей частей. В твердом топливе горючая часть содержит пять элементов: углерод, водород, серу, кислород и азот. Углерод, водород и горючая сера участвуют в горении топлива, а азот и кислород составляют балласт горючей части (внутренний топливный балласт). К негорючей части (внешнему балласту) относят неорганические вещества, переходящие после сжигания топлива в золу, а также во влагу. Зола представляет собой минеральный остаток, получаемый при полном сгорании топлива. В ее состав входят такие окислы: MgO, CaO, Na2O, K2O, FeO, Fe2O3 и др. Тугоплавкая зола (с температурой плавления выше 1425 °С) представляет собой легко удаляемую сыпучую массу, легкоплавкая зола (с температурой плавления ниже 1200 °С) - твердый остаток (шлак) в виде сплошной слипшейся массы или отдельных кусков. Влага подразделяется на внешнюю и внутреннюю. Внешняя влага является результатом попадания в топливо влаги из окружающей среды. Внешнюю влагу удаляют высушиванием топлива. Внутренняя влага подразделяется на гигроскопическую (находящуюся в адсорбированном состоянии с поверхностью частиц топлива) и гидратную (входящую в состав молекул некоторых соединений, т. е. химически связанную).
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 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 + Sл + O + N + A + W = 100%
В горючую часть топлива входят углерод, водород и сера (летучая). Летучая сера Sл - это сера, входящая в состав органических соединений и серного колчедана FeS2.
При изучении свойств 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:
Сухая масса топлива в отличие от рабочей массы не содержит влаги и может быть представлена равенством:
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:
Название «горючая масса» - условное, так как действительно горючими ее элементами являются только С, Н и Sл. 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 Сг = 50÷60 %, в буром угле С = 60÷75 %, в каменном угле Сг = 75÷90 %. С уменьшением геологического возраста содержание растительных остатков в топливе увеличивается.
Во всех теплотехнических расчетах состав топлива берется по его рабочей массе, являющейся наиболее полной характеристикой состояния топлива перед его сжиганием.
Классификация топлива
В зависимости от характера использования топливо подразделяется на энергетическое, технологическое и комплексное. В последнее время все чаще прибегают к комплексному энергетическому использованию топлива, сущность которого заключается в том, что топливо предварительно подвергают технологической обработке в целях выделения из него ценных веществ, используемых в качестве сырья для химической промышленности. Остаточный продукт используется как энергетическое топливо (в процессе полукоксования, переработки горючих сланцев и др.)
По максимальной температуре, получаемой при полном сгорании, топливо бывает высокой жаропроизводительности (более 2000 °С - природный газ, нефтепродукты, каменный уголь) и пониженной жаропроизводительности (менее 2000 ° С - бурые угли, торф, дрова).
По агрегатному состоянию их делят на твердые, жидкие и газообразные. Твердое топливо в основном образуется из высокоорганизованных растений - древесины, листьев, хвои и т. п. Отмершие части высокоорганизованных растений разрушаются грибками при свободном доступе воздуха и превращаются в торф - рыхлую, расплывчатую массу перегноя, так называемых гуминовых кислот. Скопление торфа переходит в бурую массу, а затем в бурый уголь. В дальнейшем под воздействием высокого давления и повышенной температуры бурые угли подвергаются последующим превращениям, переходя в каменные угли, а затем в антрацит. К жидкому топливу относятся: нефтепродукты, производящиеся путем перегонки сырой нефти; креозот, являющийся продуктом низкотемпературного коксования и возгонки угля; синтетические масла, образующиеся в результате сжижения угля; прочие виды жидкого топлива, например, производящиеся из растений (картофель, рапс и т.д.) Состав газообразного топлива выражается содержанием в нем отдельных газов в процентах. В газообразном топливе также имеется как его горючая часть, так и негорючая, образующая его балласт.
Свойства топлива
1. Теплота сгорания
Количество теплоты, выделяемое при полном сгорании твердого, жидкого или газообразного топлива в нормальных условиях, называется теплотой сгорания. Выделение теплоты при горении топлива объясняется тепловым эффектом реакций горения.
Не все составляющие, входящие в состав рабочей массы топлива, выделяют теплоту при горении. Влага топлива при переходе в пар поглощает теплоту; сера, входящая в состав сульфатов, при их диссоциации также поглощает теплоту. Условно различают высший предел теплоты сгорания топлива, если влагу в продуктах сгорания учитывают в виде жидкости, и низший предел теплоты сгорания, если влагу в продуктах сгорания считают паром.
Зольность и влажность
Зола и влага снижают качество топлива и являются нежелательными примесями. Влага снижает теплоту сгорания, затрудняет воспламенение топлива; влажное топливо труднее транспортировать. Зола представляет собой минеральную массу. Она может содержаться в веществе, послужившем образованию топлива, или попасть в него при залегании в недрах земли как случайная примесь. Например, угли с пористой структурой типа бурых содержат в порах выкристаллизовавшиеся из грунтовых вод соли. Зола препятствует полному сгоранию топлива, образуя на поверхности кусков горящего топлива воздухонепроницаемый слой. Если зола плавится, то спекшиеся ее куски образуют шлак, еще более препятствующий выгоранию кокса, чем рассыпчатый зольный остаток.
Сернистость
Сера является нежелательной примесью в топливе, несмотря на то, что она в виде серного колчедана повышает его теплоту сгорания. При горении серы образуется ядовитый сернистый газ, присутствие которого в рабочем помещении даже в незначительных количествах ухудшает условия труда. Присутствие в среде при тепловой обработке сернистого газа ухудшает качество готовой продукции. Во влажной среде при низких температурах сернистый газ образует пары серной кислоты, вызывающие коррозию металлических частей тепловых установок.
Летучие горючие вещества и коксовый остаток
Из твердого топлива, нагретого до температуры 870-1070К 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 O2, 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 и относится только к горючей массе.
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 в твердом остатке кроме золы может оказаться часть элементов (С, N, Бл, 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.
Понятие об условном топливе
Условное топливо - понятие, введенное для более удобного сравнения отдельных видов топлива, суммирования их и установлении количественной замены одного вида топлива другим.
В качестве единицы условного топлива принимается 1 кг топлива с теплотой сгорания 7000 ккал/кг (29,3 Мдж/кг). Соотношение между условным топливом и натуральным топливом выражается формулой:
где By - масса эквивалентного количества условного топлива, кг;
Вн - масса натурального топлива, кг (твёрдое и жидкое топливо) или м3(газообразное);
Низшая теплота сгорания данного натурального топлива, ккал/кг или ккал/м3;
Калорийный эквивалент.
Пересчет количества топлива данного вида в условное производится с помощью коэффициента, равного отношению теплосодержания 1 кг топлива данного вида к теплосодержанию 1 кг условного топлива.
Значение Э принимают: для нефти 1,4; кокса 0,93; торфа 0,4; природного газа 1,2.
Использование условного топлива особенно удобно для сопоставления экономичности различных теплоэнергетических установок. Например, в энергетике используется следующая характеристика - количество условного топлива, затраченное на выработку единицы электроэнергии. Эта величина g, выраженная в г условного топлива, приходящихся на 1 квт×ч электроэнергии, связана с кпд установки соотношением:
Приведение всех видов топлива к условному или к нефтяному эквиваленту дает возможность сопоставлять технико-экономические показатели работы топливопотребляющих установок, использующих различные виды топлива. Кроме того, это дает возможность сопоставлять запасы и добычу различных видов топлива с учетом их энергетической ценности. Также с помощью условного топлива можно составить топливный баланс или суммарный энергетический баланс отрасли, страны и мира в целом.
Процессы горения
Процесс горения топлива состоит из горения промежуточных продуктов его разложения: летучих горючих веществ и твердого остатка - кокса. Сначала горят летучие вещества, а затем кокс. Горению летучих веществ предшествует их разложение при нагревании на еще более простые вещества, которые сгорают пламенем в топочной камере над слоем топлива при взаимодействии с кислородом воздуха. Увеличение концентрации кислорода в воздухе, хорошее перемешивание с ним летучих веществ, своевременный отвод продуктов горения - все это способствует ускорению процесса сгорания летучих веществ.
Горение топлива - химическая реакция соединения горючих элементов топлива с окислителем при высокой температуре, сопровождающийся интенсивным выделением теплоты. В качестве окислителя используют кислород. Известно, что при низких температурах наличие топлива и окислителя не обеспечивает их химического соединения, называемого горением. Горение начинается только после того, как частицы прогрелись до температуры, обеспечивающей им энергию активации Е, достаточную для вступления в реакцию.
Горение - это в основном химический процесс, т.к. в результате его протекания происходит качественные изменения состава реагирующих масс. Но в то же время химическая реакция горения сопровождается различными физическими явлениями: перенос теплоты, диффузионный перенос реагирующих масс и др. Время горения топлива складывается из времени протекания физических () и химических процессов ():
= .
Время протекания физических процессов состоит из времени, необходимого для смешивания топлива с окислителем () и времени, в течении которого топливо - воздушная смесь подогревается до температуры воспламенения (tн):
tФИЗ = tСМ + tН
Время горения (tГОР) определяется скоростью наиболее медленного процесса.
Горение газообразного топлива
Процесс горения газообразного топлива гомогенный, т. е. и топливо, и окислитель находятся в одном агрегатном состоянии и граница раздела фаз отсутствует. Для того чтобы началось горение, газ должен соприкасаться с окислителем. При наличии окислителя для начала горения необходимо создать определенные условия. Окисление горючих составляющих возможно и при относительно низких температурах. В этих условиях скорости химических реакций имеют незначительную величину. С повышением температуры скорость реакций возрастает. При достижении некоторой температуры газовоздушная смесь воспламеняется, скорости реакций резко возрастают и количество теплоты становится достаточным для самопроизвольного поддержания горения. Минимальная температура, при которой происходит воспламенение смеси, называется температурой воспламенения. Значение этой температуры для различных газов неодинаково и зависит от теплофизических свойств горючих газов, содержания горючего в смеси, условий зажигания, условий отвода теплоты в каждом конкретном устройстве и т. д. Например, температура воспламенения водорода находится -в пределах 820-870 К, а окиси углерода и метана - соответственно 870-930 и 1020-1070 К.
Горючий газ в смеси с окислителем сгорает в факеле. Факел - некоторый определенный объем движущихся газов, в котором протекают процессы горения. В соответствии с общими положениями теории горения различают два принципиально различных метода сжигания газа в факеле-кинетический и диффузионный. Для кинетического сжигания характерно предварительное (до начала горения) смешивание газа с окислителем. Газ и окислитель подаются сначала в смешивающее устройство горелки. Горение смеси осуществляется вне пределов смесителя. В этом случае скорость процесса будет лимитироваться скоростью химических реакций горения.
Диффузионное горение происходит в процессе смешивания горючего газа с воздухом. Газ поступает в рабочий объем отдельно от воздуха. Скорость процесса в данном случае будет ограничена скоростью смешивания газа с воздухом.
Разновидностью диффузионного горения является смешанное (диффузионно-кинетическое) горение. Газ предварительно смешивается с некоторым количеством воздуха. Этот воздух называется первичным. Образовавшаяся смесь подается в рабочий объем. Туда же отдельно от нее поступает остальная часть воздуха (вторичный воздух).
В топках котельных агрегатов чаще используются кинетический и смешанный принципы сжигания топлива. Диффузионный способ чаще всего используется в технологических промышленных печах.
Горение газа происходит в узкой зоне, называемой фронтом горения. Газ, предварительно перемешанный с окислителем, сгорает во фронте горения, который называется кинетическим. Этот фронт представляет собой поверхность раздела между свежей газовоздушной смесью и продуктами сгорания. Площадь поверхности кинетического фронта горения определяется скоростью химических реакций.
В случае диффузионного сжигания газа образуется диффузионный фронт горения, который является поверхностью раздела между продуктами сгорания и смесью газа с продуктами сгорания, диффундирующими навстречу потоку газа. Площадь поверхности этого фронта определяется скоростью смешивания газа с окислителем.
Важнейшей характеристикой горения газообразного топлива является скорость нормального распространения пламени - скорость, с которой перемещается фронт горения по нормали к своей поверхности в направлении набегающей газовоздушной смеси. Основными факторами, от которых (зависит скорость нормального распространения пламени, являются реакционная способность газа, его концентрация в смеси, температура предварительного подогрева смеси.
Другая важная особенность горения газовоздушных смесей - наличие концентрационных пределов. Различают нижний (НПВ) и верхний (ВПВ) концентрационные пределы воспламенения. Горение газа прекращается, если его концентрация в смеси будет меньше, чем концентрация на НПВ, или больше, чем на ВПВ. Это связано с тем, что при малых концентрациях газа теплоты становится явно недостаточно для поддержания реакции. При больших концентрациях газа ощущается нехватка окислителя, что приводит также к уменьшению количества теплоты и спаду температуры во фронте горения ниже температуры воспламенения.
Горение твердого топлива
Процесс горения состоит из следующих стадий:
Подсушка топлива и нагревание до температуры начала выхода летучих веществ;
Воспламенение летучих веществ и их выгорание;
Нагревание кокса до воспламенения;
Выгорание горючих веществ из кокса.
Из всех этих стадий определяющей является стадия горения коксового остатка, т. е. стадия горения углерода, интенсивность которой и определяет интенсивность топливосжигания и газификации в целом. Определяющая роль горения углерода объясняется следующим.
Во-первых, твердый углерод, содержащийся в топливе, является главной горючей составляющей почти всех натуральных твердых топлив. Так, например, теплота сгорания коксового остатка антрацита составляет 95% теплоты сгорания горючей массы. С увеличением выхода летучих веществ доля теплоты сгорания коксового остатка падает и в случае торфа составляет 40,5% теплоты сгорания горючей массы.
Во-вторых, стадия горения коксового остатка оказывается наиболее длительной из всех стадий и может занимать до 90% всего времени, необходимого для горения.
И, в-третьих, процесс горения кокса имеет решающее значение в создании тепловых условий протекания других стадий. Следовательно, основой правильного построения технологического метода сжигания твердых топлив является создание оптимальных условий для процесса горения углерода.
Горение жидкого топлива
Каждое жидкое горючее, так же как любое жидкое вещество, при данной температуре обладает определенной упругостью пара над своей поверхностью, которая увеличивается с ростом температуры.
Наибольшее практическое применение имеет метод сжигания жидкого топлива в распыленном состоянии. Распыление топлива позволяет значительно ускорить его сгорание и получить высокие тепловые напряжения объемов топочных камер вследствие увеличения площади поверхности контакта топлива с окислителем.
Температура кипения жидких топлив всегда ниже температуры их самовоспламенения, т. е. той минимальной температуры среды, начиная с которой топливо воспламеняется и в дальнейшем горит без постороннего теплового источника. Эта температура выше, чем температура воспламенения, при которой топливо горит только в присутствии постороннего источника зажигания (искры, раскаленной спирали и т. п.). Вследствие этого при наличии окислителя горение жидких топлив возможно только в парообразном состоянии. Это обстоятельство является важнейшим для понимания механизма процесса горения жидкого топлива. Процесс этот можно разделить на следующие стадии:
Нагревание и испарение топлива;
Образование горючей смеси (перемешивание паров топлива с окислителем);
Воспламенение горючей смеси;
Горение смеси.
Капля жидкого топлива, попавшая в нагретый объем, температура которого выше температуры самовоспламенения, начинает частично испаряться. Пары топлива смешиваются с воздухом, и образуется паровоздушная смесь. Воспламенение происходит в тот момент, когда концентрация паров в смеси достигнет величины, превышающей ее значение на нижнем концентрационном пределе воспламенения. Горение затем поддерживается самопроизвольно за счет теплоты, получаемой каплей от сжигания горючей смеси. Начиная с момента воспламенения скорость процесса испарения возрастает, так как температура горения горючей паровоздушной смеси значительно превышает начальную температуру объема, куда вводится распыленное топливо.
При зажигании жидкого горючего, имеющего свободную поверхность, загорается его пар, содержащийся в пространстве над поверхностью, образуя горящий факел. За счет тепла, излучаемого факелом, испарение резко увеличивается. При установившемся режиме теплообмена между факелом и зеркалом жидкости количество испаряющегося, а следовательно, и сгорающего горючего достигает максимального значения и далее остается постоянным во времени.
Температура жидкого горючего, при которой пары над его поверхностью образуют с воздухом смесь, способную воспламениться при поднесении источника зажигания, называется температурой вспышки.
Поскольку жидкие горючие сгорают в паровой фазе, то при установившемся режиме скорость горения определяется скоростью испарения жидкости с ее зеркала.
Процесс горения жидких горючих со свободной поверхности происходит следующим образом. При установившемся режиме горения за счет тепла, излучаемого факелом, жидкое горючее испаряется. В восходящий поток горючего, находящегося в паровой фазе, посредством диффузии проникает воздух из окружающего пространства. Полученная таким образом смесь образует горящий факел в виде конуса, отстоящего от зеркала испарения на 0,5-1 мм. Устойчивое горение протекает на поверхности, где смесь достигает пропорции, соответствующей стехиометрическому соотношению горючего и воздуха. Это предположение следует из тех же соображений, что и в случае диффузионного горения газа. Химическая реакция протекает в очень тонком слое фронта факела, толщина которого не превышает нескольких долей миллиметра. Объем, занимаемый факелом, зоной горения делится на две части: внутри факела находятся пары горючей жидкости и продукты сгорания, а вне зоны горения - смесь продуктов горения с воздухом.
Горение восходящих внутри факела паров жидких топлив можно представить состоящим из двух стадий: диффузионного подвода кислорода к зоне горения и самой химической реакции, протекающей во фронте пламени. Скорости этих двух стадий не одинаковы: химическая реакция при имеющих место высоких температурах протекает очень быстро, тогда как диффузионный подвод кислорода является медленным процессом, ограничивающим общую скорость горения. Следовательно, в данном случае горение протекает в диффузионной области, а скорость горения определяется скоростью диффузии кислорода в зону горения. Так как условия подвода кислорода к зоне горения при сжигании различных жидких горючих со свободной поверхности примерно одинаковы, следует ожидать, что скорость их горения, отнесенная к фронту пламени, т. е. к боковой поверхности факела, также должна быть одинаковой. Длина факела будет тем больше, чем больше скорость испарения.
Специфической особенностью горения жидких горючих со свободной поверхности является большой химический недожог. Химический недожог является прежде всего следствием общего или локального недостатка воздуха в зоне горения. Каждое горючее, представляющее собой углеродистое соединение при сжигании со свободной поверхности, имеет свойственную ему величину химического недожога, которая составляет, %:
для спирта......... 5,3
для керосина........ 17,7
для бензина........ 12,7
для бензола......... 18,5.
Картину возникновения химического недожога можно представить следующим образом: парообразные углеводороды при движении внутри конусообразного факела до фронта пламени при нахождении в области высоких температур при отсутствии кислорода, подвергаются термическому разложению вплоть до образования свободного углерода и водорода.
Свечение пламени обусловливается нахождением в нем частиц свободного углерода. Последние, раскалившись за счет выделяемого при горении тепла, излучают более или менее яркий свет. Часть свободного углерода не успевает сгорать и в виде сажи уносится продуктами сгорания, образуя коптящий факел. Кроме того, наличие углерода вызывает образование СО. Высокая температура и пониженное парциальное давление СО и СО2 в продуктах сгорания благоприятствуют образованию СО. Присутствующие в продуктах сгорания количества углерода и СО обусловливают величину химического недожога. Чем больше содержание углерода в жидком топливе и чем меньше он насыщен водородом, тем больше образование чистого углерода, ярче факел, больше химический недожог.
Таким образом, исследования горения жидких горючих со свободной поверхности показали, что:
Горение жидких топлив происходит после их испарения в паровой фазе. Скорость горения жидких топлив со свободной поверхности определяется скоростью их испарения за счет тепла, излучаемого зоной горения, при установившемся режиме теплообмена между факелом и зеркалом испарения;
Скорость горения жидких горючих со свободной поверхности растет с увеличением температуры их подогрева, с переходом к горючим с большей интенсивностью излучения зоны горения, меньшей теплотой парообразования и теплоемкостью и не зависит от величины и формы зеркала испарения;
Интенсивность излучения зоны горения на зеркало испарения, горящего со свободной поверхности жидкого горючего, зависит только от его физико-химических свойств и является характерной константой для каждого жидкого горючего;
Теплонапряжение фронта диффузионного факела над поверхностью испарения жидкого горючего практически не зависит от диаметра тигля и рода топлива;
Горению жидких горючих со свободной поверхности присущ повышенный химический недожог, величина которого характерна для каждого горючего.
Имея в виду, что горение жидких топлив происходит в паровой фазе процесс горения капли жидкого горючего можно представить следующим образом. Капля жидкого топлива окружена атмосферой, насыщенной парами этого горючего. Вблизи от капли по сферической поверхности устанавливается зона горения. Химическое реагирование смеси паров жидкого топлива с окислителем происходит весьма быстро, поэтому зона горения весьма тонка. Скорость горения определяется наиболее медленной стадией - скоростью испарения горючего. В пространстве между каплей и зоной горения находятся пары жидкого топлива и продукты горения. В пространстве вне зоны горения - воздух и продукты сгорания. В зону горения изнутри диффундируют пары топлива, а снаружи - кислород. Здесь эти компоненты смеси вступают в химическую реакцию, которая сопровождается выделением тепла. Из зоны горения тепло переносится наружу и к капле, а продукты сгорания диффундируют в окружающее пространство и в пространство между зоной горения и каплей. Однако механизм передачи тепла еще не представляется ясным.
Ряд исследователей считает, что испарение горящей капли происходит за счет молекулярного переноса тепла через застойную пограничную пленку у поверхности капли.
По мере выгорания капли из-за уменьшения поверхности общее испарение уменьшается, зона горения суживается и исчезает при полном выгорании капли.
Так протекает процесс горения капли полностью испаряющихся жидких топлив, находящейся в покое в окружающей среде или движущейся вместе с ней с одинаковой скоростью.
Количество кислорода, диффундирующее к шаровой поверхности при прочих равных условиях, пропорционально квадрату ее диаметра, поэтому установление зоны горения на некотором удалении от капли обусловливает большую скорость ее горения по сравнению с такой же частицей твердого топлива, при горении которой химическая реакция практически протекает на самой поверхности.
Скорость горения капли жидкого топлива определяется скоростью испарения, и время ее выгорания можно рассчитать на основе уравнения теплового баланса ее испарения за счет тепла, получаемого из зоны горения.
Таким образом, процесс горения жидкого топлива можно разбить на следующие фазы:
распыление жидкого топлива;
испарение и образование газовоздушной смеси;
воспламенение горючей смеси и горение последней.
Температура и концентрация газовоздушной смеси изменяются по сечению струи. По мере приближения к внешней границе струи температура повышается, а концентрация компонентов горючей смеси падает. Скорость распространения пламени в паровоздушной смеси зависит от состава, концентрации и температуры и достигает максимальной величины в наружных слоях струи, где температура близка к температуре окружающих топочных газов несмотря на то, что здесь горючая смесь сильно разбавлена продуктами сгорания. Поэтому воспламенение в мазутном факеле начинается у корня с периферии и затем распространяется вглубь струи на все сечение, достигая ее оси на значительном расстоянии от форсунки, равном перемещению центральных струй за время распространения пламени от периферии до оси. Зона воспламенения принимает форму вытянутого конуса, основание которого находится на малом расстоянии от выходного сечения амбразуры горелки.
Положение зоны воспламенения зависит от скорости смеси; зона занимает такое положение, при котором во всех ее точках устанавливается равновесие между скоростью распространения пламени и скоростью движения. Центральные струи, имеющие наибольшую скорость, затухают по мере продвижения в топочном пространстве, определяя длину зоны воспламенения местом, где скорость падает до абсолютной величины скорости распространения пламени.
Горение основной части парообразных углеводородов происходит в зоне воспламенения, занимающей наружный слой факела небольшой толщины. Горение высокомолекулярных углеводородов, сажи, свободного углерода и неиспарившихся капель жидкого топлива продолжается за зоной воспламенения и требует определенного пространства, обусловливая общую длину факела.
Зона воспламенения делит пространство, занимаемое факелом, на две области: внутреннюю и наружную. Во внутренней области протекает процесс испарения и образования горючей смеси.
Во внутренней области парообразные углеводороды подвергаются нагреву, который сопровождается окислением и расщеплением их. Процесс окисления начинается при сравнительно низких температурах - порядка 200-300°С. При температурах 350-400°С и выше наступает процесс термического расщепления.
Процесс окисления углеводородов благоприятствует последующему процессу горения, так как при этом выделяется некоторое количество тепла и повышается температура, а наличие кислорода в составе углеводородов способствует дальнейшему их окислению. Напротив, процесс термического расщепления является нежелательным, так как образующиеся при этом высокомолекулярные углеводороды сгорают трудно.
Из нефтяных топлив в энергетике применяется лишь мазут. Мазут представляет собой остаток от перегонки нефти при температуре порядка 300°С, но ввиду того, что процесс перегонки происходит не полностью, мазут при температурах ниже 300°С еще выделяет некоторое количество паров более легких погонов. Поэтому при входе распыленной струи мазута в топку и постепенном нагревании часть его превращается в пары, а часть еще может находиться в жидком состоянии даже при температуре порядка 400°С.
Поэтому при сжигании мазута необходимо способствовать протеканию окислительных реакций и всемерно препятствовать термическому разложению при высоких температурах. Для этого весь воздух, необходимый для горения, следует подавать в корень факела. В этом случае наличие большого количества кислорода во внутренней области будет, с одной стороны, благоприятствовать окислительным процессам, а с другой - понижать температуру, что обусловит расщепление молекул углеводородов более симметрично без образования значительного количества трудно сжигаемых высокомолекулярных углеводородов.
Смесь, получающаяся при сжигании мазута, содержит паро- и газообразные углеводороды, а также твердые соединения, образующиеся в результате расщепления углеводородов (т. е. все три фазы - газообразную, жидкую и твердую). Паро- и газообразные углеводороды, смешиваясь с воздухом, образуют горючую смесь, горение которой может протекать по всем возможным способам горения газов. Аналогично сгорает и СО, образовавшийся при горении жидких капель и кокса.
В факеле зажигание капель осуществляется за счет конвективного нагрева; вокруг каждой капли устанавливается зона горения. Горение капли сопровождается химическим недожогом в виде сажи и СО. Капли высокомолекулярных углеводородов при горении дают твердый остаток - кокс.
Образующиеся в факеле твердые соединения - сажа и кокс сгорают так же, как происходит гетерогенное горение частиц твердого топлива. Наличие накаленных частиц сажи обусловливает свечение факела.
Свободный углеводород и сажа в среде с высокой температурой при наличии достаточного количества воздуха могут сгореть. В случае же местного недостатка воздуха или недостаточно высокой температуры они сгорают не полностью с определенной химической неполнотой горения, окрашивая продукты сгорания в черный цвет - коптящий факел.
Химический недожог, характерный для горения жидких топлив со свободной поверхности при сжигании их в факеле, соответствующими режимными мероприятиями может и должен быть сведен практически к нулю.
Таким образом, для интенсификации сжигания мазута необходимо хорошее распыление. Предварительный подогрев воздуха и мазута способствует газификации мазута, поэтому будет благоприятствовать зажиганию и горению. Весь воздух, необходимый для горения, следует подавать в корень факела. Температура в факеле должна поддерживаться на достаточно высоком уровне и для обеспечения интенсивного завершения процесса горения в конце факела должна быть не ниже 1000-1050°С.
Заключение
На основании выше сказанного можно сделать следующие выводы. Топливо - это вещество, которое при горении выделяет теплоту, из которой можно получить энергию. Топливо может быть в трех агрегатных состояниях: твердое, жидкое и газообразное, каждый из которых может иметь свой молекулярный состав. Процесс горения у этих видов топлива происходит по-разному. Так для твердого топлива процесс горения проходит следующие стадии: подсушка топлива и нагревание до температуры начала выхода летучих веществ; воспламенение летучих веществ и их выгорание; нагревание кокса до воспламенения; выгорание горючих веществ из кокса. Последняя стадия является основной, так как она определяет интенсивность топливосжигания и газификации в целом.
Жидкое топливо сжигают обычно в распыленном состоянии. Распыление топлива позволяет значительно ускорить его сгорание и получить высокие тепловые напряжения объемов топочных камер вследствие увеличения площади поверхности контакта топлива с окислителем. Горение жидких топлив происходит после их испарения в паровой фазе. Скорость горения жидких горючих со свободной поверхности растет с увеличением температуры их подогрева.
Сжигание газов производится в топочной камере, куда горючая смесь подается через горелки. В топочном пространстве в результате сложных физико-химических процессов образуется струя горящего газа, называемая факелом. В зависимости от способа подачи воздуха, необходимого для горения, возможны следующие виды сжигания газов: горение однородной газовой смеси, когда сжигается предварительно подготовленная горючая газовая смесь; диффузионное горение газов, когда газ и воздух подаются раздельно; горение смеси газов с недостаточным количеством воздуха, когда газ подается в смеси с воздухом, но количество последнего недостаточно для полного сгорания.
Горение всех видов топлив позволяет получать тепловую энергию, которая может быть полезна во всех отраслях промышленности, но также это приводит к неблагоприятным последствиям, так как при горении в атмосферу попадают вредные вещества.
Также стоит отметить условное топливо, которое позволяет сопоставить тепловую ценность различных видов органического топлива.
Список литературы
1. Оптимизация городского газоснабжения (Ляуконис А. Ю.) Рецензент доктор техн. наук, проф. А. Ю. Гарляускас Л.: Недра, 1989
Теплотехническое оборудование, Цыпков В.Ш. Фокин К.Ф; Москва «Стройиздат», 1973
Интернет-ресурс: www.knowhouse.ru
Интернет-ресурс: www.belenergetics.ru
Интернет-ресурс: www.xumuk.ru/teplotehnika/051
Интернет-ресурс: www.bibliotekar.ru/spravochnik-4/27
Репетиторство
Нужна помощь по изучению какой-либы темы?
Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку
с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.
Топливо — горючие вещества, используемые для получения тепла. В широком смысле, под топливом понимают, один из видов потенциальной энергии (энергоноситель).
Различают : естественное топливо (непосредственно существующее в природе) — древесина, уголь, торф , природный газ , и искусственное (являющееся продуктом переработки естественного топлива) — древесный уголь , мазут, искусственные газы . В зависимости от величины теплоты сгорания различают: высокосортное топливо (с высокой теплотой сгорания) и низкосортное топливо .
Основной показатель топлива — его теплотворная способность. Для сравнения различных видов топлива существует понятие условного топлива. Теплота сгорания одного килограмма условного топлива (у.т.) равна 29,3 МДж или 7000 ккал, что приблизительно соответствует каменному углю.
Основные виды топлива: твердое, жидкое и газообразное топливо. В зависимости от вида используемого топлива различают: газовые котлы, жидкотопливные котлы, твердотопливные котлы, электрические котлы и комбинированные котлы.
Твердое топливо — древесина, древесная щепа, древесные пеллеты, торф, бурый и каменный уголь, горючие сланцы, сапропель, битуминозные пески. Из твердых видов топлив в отопительных котельных в основном сжигают ископаемые угли — бурые, каменные и антрациты.
Бурый уголь — твердый ископаемый уголь, образовавшийся из торфа; содержит 65-70% углерода, имеет бурый цвет. Относится к группе углей с большим содержанием золы и влаги, поэтому имеет низкую теплоту сгорания — 1800-3250 ккал/кг. К недостаткам данного топлива относится также большое содержание серы, что приводит к усиленной коррозии стальных частей в котельных установках, а также способность к самовозгоранию при длительном хранении в штабелях. Бурый уголь целесообразно сжигать в топках крупных котлов.
Каменный уголь — твердое горючее полезное ископаемое растительного происхождения, черного цвета с блестящей, матовой или полуматовой поверхностью; при сгорании пламя тем больше, чем выше содержание водорода . Ряд органических соединений, входящих в состав каменного угля, обладают канцерогенными свойствами.
Антрацит — старейший из всех групп ископаемых углей. Он сгорает без пламени с выделением небольшого количества дыма, удобен для сжигания в топках любых котлов.
Жидкое топливо — нефть и продукты ее переработки (мазут, керосин, дизельное топливо); масла (сланцевое масло, отработавшее машинное масло, растительные или животные масла). Из жидких топливв отопительных котельных самым распространенным является мазут (остаточный продукт переработки нефти с плотностью 0,96-0,98 т/м³). Его хранят в подземных стальных или железобетонных резервуарах, установленных вне котельных. Емкость резервуаров рассчитывают на потребность не менее 15 сут. работы котельной.
Газообразное топливо — природные и искусственные газы. Газообразное топливо — смесь горючих и негорючих газов. В естественном газе в основном содержатся метан, этан и тяжелые углеводороды, а также негорючие газы — углекислый газ и азот . В среднем природные газы состоят из 96% метана, 2% этана, 0,5% тяжелых углеводородов и 1,5% углекислого газа и азота.
По сравнению с твердым топливом газообразное имеет ряд преимуществ: простота и меньшая трудоемкость обслуживания котлов; лучшее перемешивание горючего с воздухом, в результате чего возможно горение с наименьшим избытком воздуха и, следовательно, меньшими потерями тепла с отходящими газами.
Однако при сжигании газа следует учитывать особенности этого процесса, а также взрывоопасность и ядовитость газа. Природный газ при содержании его в воздухе от 3,8 до 17,8% (по объему) образует смесь, которая при наличии огня или искры взрывается. Утечки газа опасны, так он ядовит.
Отечественная энергетика развивается за счет строительства электростанций на органическом и ядерном топливе.
Органическим топливом называют горючие вещества, способные активно вступать в реакцию с кислородом и обладающие значительным удельным тепловыделением (на единицу массы или объема).
К энергетическим видам топлив относятся такие, которые экономически целесообразно использовать для получения больших коли-, честв теплоты. Запасы их должны быть огромны и относительно легко доступны для массового использования. Кроме того, они не должны являться ценным сырьем для других отраслей промышленности. В качестве энергетических топлив электростанций наибольшее, значение имеют: твердое - каменные и бурые, угли и отходы их переработки, антрацит и полуантрацит; жидкое - мазут; газовое - природный газ. В меньшей мере используются торф и горючие сланцы, стабилизированная нефть и горючие газы промышленности (доменный, коксовый), хотя в отдельных районах страны они составляют заметную часть топливного баланса.
В последнее время все возрастающее значение для получения энергии и прежде всего электрической приобретает широкое строительство АЭС, использующих энергию распада радиоактивных ядер атомов тяжелых металлов урана (235U) и плутония (239Ри). Самая богатая урановая руда - уранинит - содержит 65-90% двуокиси урана UO2, в составе которой радиоактивного 236U содержится всего >0,72%, а остальное составляет обычный 238U. Для повышения содержания 235U в исходном ядерном топливе его подвергают обогащению на газодиффузионных заводах до 1,5-3,5% 235U, после чего загружают в ядерные реакторы. При делении 1 кг 235U выделяется около 85 млн. МДж теплоты, что эквивалентно сжиганию 3500 т каменного угля с теплотой сгорания 24,5 МДж/кг.
Из общего потребления органического топлива в стране около 40% приходится на долю энергетики. В топливном балансе тепловых электростанций преимущество имеют угли, мазут и природный газ. Доля сжигаемого угля на ТЭС возрастает за счет использования угольных месторождений Сибири и Северного Казахстана. Примерно на таком же уровне находится использование мазута и природного газа. На остальные виды твердого топлива - торф, сланцы приходится всего 6-7% общего расхода топлива электростанциями. Ускоренное развитие получит добыча углей в новых месторождениях более дешевым способом - открытым.
Все ископаемые - твердые топлива и нефть получились в процессе длительного преобразования исходной растительной массы и отмерших животных организмов под слоем земли или воды, причем этот процесс протекал с различной скоростью в направлении постепенного обуглероживания (углефикации) топлива, т. е. повышения в нем содержания углерода и уменьшения количества кислорода и водорода (рис. 2.1).
Степень обуглероживания, характеризующая глубину химических превращений в топливе (так называемый химический возраст топлива), не определяется прямо его геологическим возрастом, т. е. длительностью во времени процесса углеобразования.
Сырая нефть является смесью органических соединений и включает в себя небольшое количество жидких сернистых и азотных соединений, парафинов и смол. После извлечения легких фракций и масел (бензина, лигроина, керосина, газойля, солярового масла) остаются сильновязкие тяжелые фракции - мазут, который и используется как энергетическое жидкое топливо. При этом минеральные примеси, входящие в нефть, концентрируются в мазуте.
Природные газы образуются одновременно с нефтью либо получаются 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, которые также возможно использовать в качестве энергетического топлива.
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, росту к. п. д. установок. Так, при сооружении электростанций, сжигающих газ и мазут, удельные капиталовложения по сравнению с электростанцией равной мощности на угле снижаются на 20-24%, а экономичность газомазутных станций по отпуску электроэнергии на 4% выше, чем работающих на угле.
Однако разведанные запасы природных газов и нефти ограничены и составляют около 6% всех мировых запасов органических топлив. Кроме того, природные газы и нефть являются ценнейшим сырьем для народного хозяйства. Запасы же угля превышают 71% мировых разведанных ресурсов топлива и являются основным органическим топливом.
Органическая часть твердых и жидких топлив состоит из большого количества сложных химических соединений, в состав которых в основном входят пять химических элементов: углерод С, водород Н, кислород О, сера S и азот N. Кроме того, топливо содержит минеральные примеси А, попавшие в исходную залежь в основном извне, и влагу W. Поэтому химический состав твердых и жидких топлив определяют не по количеству соединений, а по суммарной массе химических элементов в топливе в процентах от 1 кг, т. е. устанавливают элементарный состав топлива.
Различают следующие пять основных элементарных масс топлива :
Рабочая масса топлива
Аналитическая масса топлива
Cc + Hc + Oc + Nc + S<>-Mc== 100%; (2.3) условная горючая масса топлива
Сг + Нг+Ог + Ыг+5гл= 100%; (2.4) і" Органическая масса топлива
C°-j-H0-f00-f №-f S0-100%. (2.5)
Рабочей считается масса топлива в том виде, в каком она поступает на ТЭС. Расчет расхода топлива и полученных объемов продуктов сгорания производится по составу рабочей массы. Рабочее топливо, измельченное до порошкообразного состояния и доведенное в лабораторных условиях до воздушно-сухого состояния, теряет внешнюю влагу, и масса его называется аналитической. Оставшуюся влагу W& топлива, связанную с его исходным веществом, называют чаще гигроскопической, т. е. Wa=Wril.
Если топливо нагреть до 102-105°С, то испарится вся влага и тогда получится сухая масса топлива. В горючую массу топлива входят химические элементы исходного органического вещества; кроме того, сюда причисляют серу минеральных горючих соединений (например, серного колчедана FeS2), поэтому она называется условной горючей массой.
В уравнениях (2.1) - (2.4) через Бд обозначена летучая сера, представляющая собой сумму колчеданной и органической серы, способной к окислению в топке: Sj4=SK+S°.
Органическая масса отличается от горючей только отсутствием колчеданной серы. Кроме указанных двух видов серы, существует еще сульфатная сера Sc, которая входит в состав высших окислов (например, CaS04) и дальнейшему окислению не подвергается. Схема элементарного состава различных масс твердого топлива приведена на рис. 2.2. В составе топлива различают внешний балласт, состоящий из влаги и минеральной части, и внут-
Ренний балласт, входящий в исходное органическое вещество топлива. К нему относятся кислород и азот.
Г орючими элементами топлива являются углерод, водород и сера. Углерод является основным горючим элементом топлива. Он имеет высокую теплоту сгорания (34,1 МДж/кг) и составляет большую часть рабочей массы топлива (50-75% в твердых топливах и 83 - 85% в мазутах). Водород имеет высокую теплоту сгорания (120,5 МДж/кг), но его количество в твердых топливах невелико (№- =2-^-4%) и несколько больше в жидких (10- 11%). Сера имеет невысокую теплоту сгорания (9,3 МДж/кг) и содержится в топливах в малых количествах (Sp=0,3-^4%), поэтому не представляет ценности как горючий элемент. Наличие окислов серы в продуктах сгорания увеличивает опасность коррозии металла поверхностей нагрева и при определенных концентрациях опасно для организмов и растительности, что требует принятия мер для их улавливания. В зависимости от содержания серы различают малосернистый (Sp<0,5%), сернистый (Sp=0,5-5-2%) и высокосернистый (Sp>2%) мазуты.
В отличие от твердого и жидкого топлива газовое топливо представляет собой механическую смесь горючих и негорючих газов. Природные газы преимущественно (до 90 - 96%) содержат метан СН4, в небольшом количестве тяжелые углеводороды (этан СгНб, пропан СзНв, бутан С4Н10 и др.), которые часто записываются в виде общей формулы CmH„ (1-6%). Кроме того, природный газ содержит негорючие компоненты: немного азота N2 (1-4%) и двуокись углерода С02 (0,1-0,2%).
