Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Топливно-энергетические ресурсы и топливно-энергетический баланс. – 2 часа
Летучие вещества и кокс. Спекаемость.
Если нагревать топливо без доступа воздуха, то под воздействием высокой температуры (в пределах 200—800° С) начинается термическое разложение его на газообразную часть — летучие вещества и твердый остаток — кокс. Если не учитывать водяных паров, которые образуются в результате испарения влаги нагреваемого топлива, летучие вещества содержат водород, метан, тяжелые углеводороды, окись углерода, немного углекислоты и некоторые другие газы, т. е. в основном газообразные горючие вещества.
Рис.2 Схема расположения слоев топлива в испытательном стакане при определении спекаемости топлива
Выход летучих веществ, их качественный состав, а также температура, при которой они начинают выделяться, при прочих равных условиях определяются химическим возрастом топлива; чем топливо химически старше, тем меньше выход летучих и выше температура начала выделения их. Например, если выход летучих торфа составляет приблизительно 70% общей массы горючей части топлива и они начинают выделяться при 120 - 150° С, то выход летучих бурых и молодых каменных углей падает приблизительно до 40 — 50% при возрастании температуры начала выделения газов до 170 — 250° С, а антрацита — до 3 — 4% при температуре начала выделения газов около 400° С. На количество и состав летучих данного топлива сильно влияют условия нагрева и температура, при которой протекает процесс термического разложения. Поэтому при оценке выхода летучих эти условия должны быть указаны. Выход летучих выражают в массовых процентах, относя его к горючей массе топлива. Кроме того, для антрацита и полуантрацита принят также показатель выхода летучих по объему выделившихся газов. Летучие вещества оказывают большое влияние на процесс горения топлива. Топливо с большим выходом летучих, например торф, бурый уголь, молодой каменный уголь, легко загорается и сгорает быстро и почти полностью (с малой потерей тепла). Наоборот, топливо с малым выходом летучих, как, например антрацит, загорается значительно труднее, горит значительно медленнее и притом сгорает неполностью (с повышенной потерей тепла), Кокс, оставшийся после полного выделения летучих, состоит из углерода и минеральной части топлива. В зависимости от вида термически разложенного топлива кокс может оказаться порошкообразным, слипшимся, спекшимся, сплавленным. Как правило, кокс получается порошкообразным у топлив с малой степенью метаморфизма (торф, бурые и молодые каменные угли) или с очень глубокой степенью его (антрацит, отчасти тощие угли). Для углей со средней степенью метаморфизма более характерен спекшийся или сплавленный кокс. Некоторые угли при нагревании размягчаются и переходят в пластичное состояние. При дальнейшем нагревании происходит процесс отвердевания пластичной массы. Это свойство называется спекаемостью угля. Такое явление наблюдается в основном в углях со средней степенью метаморфизма. Бурые угли, а также молодые и старые каменные угли при нагревании не размягчаются, т. е., другими словами, не спекаются. Для определения спекаемости углей принят так называемый пластометрический метод: стальной стакан заполняют пробой испытуемого угля, после чего начинают нагревать его. При этом уголь размягчается, образуя пластичный слой. Переход угля в пластичное состояние начинается у дна стакана, затем пластичный слой перемещается вверх, а нижняя часть загрузки отвердевает. В результате в интервале температур нагревания 350 — 650° С в стакане образуются три слоя (рис 2): нижний затвердевшего угля 3, средний пластичный 2 и верхний исходного угля 1. Наибольшее расстояние между верхней и нижней границами пластичного слоя определяет толщину его у, которая и принимается за характеристику спекаемости топлива. Теплота сгорания
Теплотой сгорания топлива называют количество тепла, выделяемое при полном сгорании единицы массы топлива. Теплоту сгорания твердого (и жидкого) топлива относят к 1 кг и в системах тепловых единиц, построенных на калории, выражают в ккал/кг, а в системе СИ в кдж/кг (1 ккал = 4, 1868103 дж = 4, 1868 кдж). Различают теплоту сгорания рабочего топлива Qр, аналитической Qа, сухой Qс, горючей QГ и органической Q° масс. Поскольку топливо содержит водород, который сгорает в водяные пары, а также влагу, которая при горении топлива испаряется, различают низшую Qн и высшую Qв теплоту сгорания топлива. Низшая теплота сгорания получается в том случае, когда образующиеся в результате сгорания водорода топлива водяные пары, а также испарившаяся влага топлива остаются в парообразном состоянии. Высшая теплота сгорания получается в том случае, когда образовавшиеся водяные пары, сконденсировавшись и охладившись до 0° С, отдают тепло, затраченное на их образование. Таким образом, величины высшей Qв и низшей Qн теплоты сгорания рабочего топлива связаны выражением
Qвр = Qн р +600 (9Нр∕ 100 + Wр∕ 100) = Qн р +6 (9Нр + Wр) (7)
где 600 — приблизительное значение энтальпии насыщенного пара при атмосферном давлении, ккал/кг. Так как в сухой, горючей и органической массах топлива (по условию) влага отсутствует, то для каждой из них величины высшей и низшей теплоты сгорания связываются формулой типа:
Qвс = Qнс + 54Нс (8)
Теплоту сгорания одной массы топлива в другую пересчитывают с использованием формул, приведенных в табл. 2. 2. При пересчете величин Qсн, Qгн, Q°н в величину Qрн следует учитывать тепло, затрачиваемое на испарение влаги, т. е. пользоваться формулой типа:
Qрн = Qгн (100 – Wр – Aр)/100 – 6Wр (9)
Для подсчета теплоты сгорания топлива по известному элементарному составу его был предложен ряд формул. Однако эти формулы, как правило, не были достаточно универсальными и давали во многих случаях заметные отклонения от действительных значений. Исключением является полуэмпирическая формула Д. И. Менделеева, предложенная в 1897 г., которая и доныне широко используется. Для высшей и низшей теплоты сгорания рабочего топлива эта формула соответственно имеет вид:
Qрв = 81СР + З00НР — 26 (Ор — Sрл), ккал ∕ кг; (10)
Qрн = 81СР + 246НР — 26 (Ор — Sрл) — 6Wр, ккал/кг. (11)
Теплоту сгорания твердого топлива определяют экспериментально в калориметрической бомбе путем сжигания навески топлива с массой 0, 8 — 1, 5 г с последующим определением количества выделенного тепла в калориметрической установке. Навеску сжигают в атмосфере чистого кислорода под давлением 25 — 35 кГ/см2, которым заполнена бомба. Зажигают навеску запальной проволокой, через которую пропускают электрический ток. Теплота сгорания топлива, определенная в калориметрической бомбе, несколько отличается от высшей теплоты сгорания топлива, так как в бомбе азот топлива реагирует с кислородом с образованием азотной кислоты НNО3, а сера топлива сгорает не в SО2, а в SО3, который затем растворяется в воде, образовавшейся в бомбе в результате сгорания водорода топлива и выделения его аналитической влаги. Теплота сгорания по бомбе Q пересчитывается в высшую теплоту сгорания топлива по формуле:
Qрв =Q6 — 22, 5 Saл — 0, 0015Qб, ккал/кг, (12)
где 22, 55л — теплота окисления сгоревшей в бомбе серы от SО2 до SО3 и растворения SО3 в воде; 0, 0015 Qб — теплота образования в бомбе азотной кислоты. Пользуясь понятием теплоты сгорания топлива, можно получить представляющие большой практический интерес при выборе топочного устройства так называемые «приведенные» значения содержания серы, золы и влаги в топливе. Под этими терминами понимают процентное содержание в топливе серы, золы и влаги, отнесенное к 1000 ккал низшей теплоты сгорания топлива, т. е. величины:
Sпр = Sр (1000∕ Qрн); Апр = Ар (1000∕ Qрн); Wпр = Wр (1000∕ Qрн); (13)
Размерность «приведенных» характеристик %∕ 1000 ккал/кг
Классификация
Твердое топливо классифицируют по различным признакам: степени метаморфизма, влажности, зольности, размерам кусков. Наибольший практический интерес представляет классификация ископаемых углей, которые, как упоминалось, разделяются на бурые, каменные и антрацит. К бурым относят неспекающиеся угли с высоким выходом летучих (обычно выше 40% на горючую массу) и теплотой сгорания влажной беззольной массы, не превышающей 5 700 ккал/кг. Эти угли отличаются большой пористостью, высокой гигроскопической влажностью и в большинстве случаев высокой общей влажностью. Содержание углерода пониженное, а содержание кислорода повышенное. Бурые угли имеют пониженную механическую прочность, плохо выдерживают длительное хранение, превращаясь в мелочь, а также обладают повышенной склонностью к самовозгоранию. По влажности их разделяют на три группы: группу Б1 с содержанием влаги более 40%, группу Б2 с содержанием влаги 30—40%; и группу БЗ с содержанием влаги до 30%. К каменным относят угли с выходом летучих на горючую массу 9—50% и более и теплотой сгорания влажной беззольной массы 5 700 ккал/кг и выше. Основная часть каменных углей спекается; не спекается только незначительная часть их с выходом летучих выше 42 и ниже 15%. Каменные угли довольно плотны и малопористые и содержание внешней влаги в них значительно ниже, чем в бурых углях. Так же мало в них и содержание коллоидальной влаги. Многие каменные угли отличаются повышенной механической прочностью. В хранении они более устойчивы, меньше подвержены самовозгоранию или совсем не самовозгораются. К антрацитам относят угли с выходом летучих на горючую массу 2—9% и теплотой сгорания горючей массы (по бомбе) менее 8 350 ккал/кг. Переходным между каменными углями и антрацитом является полуантрацит, имеющий выход летучих на горючую массу 5—9% и теплоту сгорания горючей массы (по бомбе) более 8 350 ккал/кг. Антрацит и полуантрацит не самовозгораются. Их механическая прочность высока. Каменные угли классифицируют по степени метаморфизма, но пока еще не удалось создать универсальной классификации, пригодной для всех каменных углей земного шара, так как количество месторождений каменного угля очень велико и угли их различны по своим свойствам. Поэтому приходится ограничиваться созданием региональных классификаций, охватывающих угли отдельных каменноугольных бассейнов либо в лучшем случае угли отдельных государств. В настоящее время приняты особые классификации углей каждого каменноугольного бассейна, построенные, однако, на общей основе. В качестве классификационных признаков приняты: выход 21 летучих на горючую массу, степень спекаемости угля и вид нелетучего остатка коксования. По этим признакам все каменные угли (включая полуантрацит и антрацит) разделены на 12 классов или марок
Жидкое и газообразное топливо. Происхождение.
Единственным природным жидким топливом является нефть, а единственным природным газообразным топливом — природный газ. И нефть, и природный газ залегают в недрах земли, зачастую вместе или поблизости друг от друга, в больших пустотных полостях, герметически закрытых, под большим давлением. Различают чисто нефтяные, чисто газовые и совместные месторождения. В чисто нефтяных и чисто газовых месторождениях нефть и газ залегают самостоятельно или в непосредственном соприкосновении с соленой водой. В совместных месторождениях газ занимает пространство над нефтью, а нефть залегает над соленой водой; такое разделение определяется их плотностью. И нефть, и природный газ принадлежат к одной и той же химической системе — углеводородам.
Жидкое топливо
Сырая нефть представляет собой смесь жидких углеводородов различного состава, в которых могут быть растворены твердые углеводороды. Элементарный состав нефти изменяется в относительно узких пределах. Состав ее органической массы может быть принят следующим: С° = 87, 0%; Н° = 12, 5%; О° + N = 0, 5%..Низшая теплота сгорания нефти составляет приблизительно 10 000 ккал/кг; плотность изменяется в не очень широких пределах; ориентировочно ее можно оценить в 0, 90 — 0, 95 кг/м3. Сырая нефть в качестве топлива не используется и перерабатывается в моторное топливо, смазочные масла различных марок, трансформаторное масло и т. п. В качестве энергетического топлива используется только отход нефтепереработки — мазут. Нефть, нефтепродукты и мазут характеризуются содержанием серы, плотностью, вязкостью, температурами застывания, вспышки и воспламенения. Сера — вредная примесь, так как она вызывает коррозию аппаратуры при переработке нефти и коррозию поверхностей нагрева котельных агрегатов при сжигании мазута, а также приводит к загрязнению атмосферы сернистым ангидридом SО2. При переработке нефти сера частично переходит в нефтепродукты, но большей частью остается в мазуте. По содержанию серы нефть и мазут делят на три класса: малосернистые с содержанием серы не более 0, 50%, сернистые с содержанием серы от 0, 51 до 2, 00% и многосернистые с содержанием серы более 2, 00%. Вязкость нефти и главным образом мазута определяет возможность транспортирования их по трубопроводам, а также распыления: чем выше вязкость топлива, тем труднее перекачивать и распылять его. Вязкость нефти, нефтепродуктов и мазута выражают обычно в единицах условной вязкости ВУ. Условной вязкостью называют отношение времени истечения из вискозиметра типа ВУ 200 мл испытуемого нефтепродукта при температуре испытания ко времени истечения 200 мя дистиллированной воды при температуре 20° С. Величина этого отношения выражается как число условных градусов. Условная вязкость при температуре t обозначается ВУt. С повышением температуры вязкость нефтепродуктов уменьшается по резко выраженной зависимости вида:
lg lg (ВУt+a) = A+ Blg T (14)
где а, А и В — постоянные коэффициенты; Т — абсолютная температура, К При понижении температуры наступает такой момент, когда нефть, нефтепродукт или мазут загустевает (застывает), превращаясь в нетранспортабельный твердый продукт. Температурой застывания нефтепродукта называют ту температуру, при которой он в условиях опыта загустевает настолько, что при наклоне пробирки под углом 45° к горизонту уровень продукта остается неподвижным в течение 1 мин. Для большинства нефтепродуктов температура застывания лежит в области отрицательных температур, причем, чем легче нефтепродукт, тем ниже эта температура. Однако для некоторых сортов нефти и мазута температура застывания становится положительной, доходя до 25° С и выше, а температура застывания нефти и мазута заметно влияет их состав и в первую очередь содержание парафина, который резко повышает температуру застывания. Температуры вспышки и воспламенения определяют воспламеняемость нефтепродукта и, в частности, пожарную опасность, которую он представляет. Температурой вспышки называют ту температуру данного нефтепродукта, нагреваемого в определенных лабораторных условиях, при которой пары его образуют с окружающим воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени. Температурой воспламенения нефтепродукта называют температуру, при которой нагреваемый в установленных лабораторных условиях продукт загорается при поднесении к нему пламени и горит не менее установленного времени. Температура воспламенения обычно превышает температуру вспышки на 10—40° С.. Для бензина температура вспышки составляет 20—50, а для мазута 80—140° С. Жидкое котельное топливо — топочный мазут — по своему элементарному составу мало отличается от сырой нефти. Горючая масса мазута имеет следующий состав: Sг = 85, 5 ~ 87, 7%; Hг= 10, 0 - 11, 7%; Ог + Nг = 0, 6 - 1, 0%, Sгобщ— 0, 5-3, 5%. Теплота сгорания горючей массы — около 10 000 ккал/кг. Мазут обычно содержит некоторое количество воды, увеличивающееся после водных перевозок, а также при разогреве в цистернах острым паром. Содержание минеральных примесей в мазуте заметно возрастает по сравнению с нефтью, составляя приблизительно 0, 3%. Мазут подразделяют на шесть марок: Ф5, Ф12, 40, 100, 200 и МП, из них в стационарных котельных установках сжигают только мазут марок 40, 100 и 200
Газообразное топливо
Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов, в которой может содержаться некоторое количество примесей: водяные пары, дисперсные влага и смолы, пыль. Количество газообразного топлива выражают в кубических метрах при нормальных условиях (760 мм рт. ст. и 0° С). Состав его дается в процентах объема. Все расчеты, а также теплоту сгорания относят к 1 м3 сухого газа при нормальных условиях. Наиболее распространенным газообразным топливом является природный газ. Он состоит из смеси углеводородов метанового ряда, в которой могут также содержаться углекислота, азот и сероводород в количестве от нескольких десятых процента до 10—15% и более. Основой природного газа является метан, который содержится в нем в количестве 75—98%. Другие газообразные соединения углеводородов входят в состав газа в значительно меньших количествах. Общее содержание их изменяется от 0, 5—1, 0 до 8—10%. Плотность природного газа составляет 0, 7—0, 9 кг/м3. Будучи значительно легче воздуха, этот газ при утечке обычно скапливается под перекрытиями помещений. Природный газ имеет высокую теплоту сгорания; для большинства отечественных месторождений низшая теплота сгорания сухого газа составляет 8 000—8 500 ккал/м3. Теплоту сгорания газообразного топлива можно вычислить с достаточной " точностью по его составу, пользуясь формулой смешения, так как в теплоте сгорания горючих газов, входящих в состав газообразного топлива, учтена теплота диссоциации молекул. Низшая теплота сгорания сухого газообразного топлива вычисляется по формуле
Qсн = 0, 01(Q H2S Н2S + Q CO СО + Q H2 Н2 + QCmHn СmНn), ккал/м3. (15)
где Q H2S = 5 585 ккал/м3; Q CO = 3 018 ккал/м3; Q H2 = 2 579 ккал/м3 — соответственно теплота сгорания Н2S, СО и Н2;
QCmHn—теплота сгорания соответствующих углеводородов.
Экспериментально теплоту сгорания газообразного топлива определяют в особых калориметрах, а теплоту сгорания природного и попутного газов, кроме того, путем сжигания в калориметрической бомбе по методу ВТИ. Искусственные горючие газы являются топливом местного значения. Генераторный газ получают путем неполного сжигания (до окиси углерода) твердого топлива в газогенераторах. Коксовый и доменный газы представляют собой отход коксовых и доменных печей. Крекинг-газ и пиролизный газ являются отходами переработки нефти. Перечисленные газы используют в пределах того производства, где они получаются, в качестве топлива технологических и энергетических установок.
Лекция 4
Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-04-11; Просмотров: 597; Нарушение авторского права страницы