Топливом называется горючее вещество, которое используют как источник получения теплоты в энергетических, промышленных и отопительных установках.
Основные требования к веществам, которые используются в качестве топлива, заключаются в следующем:
- Запасы вещества должны быть достаточным для того, чтобы их было экономически выгодно добывать и использовать;
- Продукты сгорания должны легко удаляться из зоны горения;
- Продукты сгорания должны быть легко безвредными для окружающей среды и устройств для сжигания.
- Процесс горения должен быть легко управляемым.
Этим требованиям отвечают органические соединения, яки содержат С, Ни атомы других элементов. По своему состоянию топливо разделяют на жидкое, твердое и газообразное, по способу получения - на естественное и искусственное.
Химический состав топлива. Большинство видов топлива имеют органическое происхождение, поэтому основными его составляющими являются углерод и водород, находящиеся в топливе в виде различных соединений. В состав топлива обычно входят кислород, азот и сера. Все эти элементы образуют различные соединения, яки составляют основу топлива. Кроме того, в топливе всегда присутствуют вода и зола.
Зола - это негорючая минеральная часть твердого и жидкого топлива. Обозначают золу - А. В состав золы входят преимущественно соли щелочных и щелочно-земельных металлов, окислы железа, алюминия, а также сульфатная сера. Минеральные остатки, образующиеся после сгорания топлива, имеют вид или сыпучей массы (золы), или сплавленных кусков (шлак). При высоких температурах зола размягчается, а затем плавится. Размягчена зола и шлак прилипают к стенкам обмуровки топки, уменьшая сечение газоходов откладываются на поверхностях нагрева, увеличивая тем самым термическое сопротивление в процессе теплопередачи от газов к среде, нагреваемой забивают отверстия для прохода воздуха в колосниковой решетке, обволакивают частицы топлива, затрудняя их сжигания.
Влага, содержащаяся в топливе, подразделяется на гигроскопическую (химически связанную) и внешнюю, которая механически содержится в топливе и теряется при сушке. Обозначают влагу - W.
Чтобы установить состав топлива, проводят технический и химический (элементарный) анализ топлива. При техническом анализе определяют влагу, летучие компоненты и золу. Химический анализ топлива можно выполнить по элементному составу (С, Н, О, N, S) или путем определения содержания в топливе отдельных химической соединений (СО, СО2, СН4 и др..). Первый метод анализа применяют для твердого и жидкого топлива, второй - для газообразного топлива.
Элементный анализ проводят с целью определения содержания углерода, водорода, кислорода, азота и серы в процентах по массе. Однако подобный метод анализа не дает возможности судить о том, из каких соединений этих элементов состоит топливо, а следовательно, и о свойствах топлива. Элементный анализ дает представление о топливе как о механическую смесь отдельных элементов, достаточно для проведения необходимых расчетов сжигания топлива. Элементный состав твердого и жидкого топлива дается в процентах к массе 1 кг топлива.
Согласно элементного анализа в жидком или твердом топливе различают
- Органическую массу (С, Н, О, N),
- Горючую массу (С, Н, О, N, S),
- Сухую массу (С, Н, О, N, А),
- Рабочее топливо (C, Н, О, N, А, W).
Органическая масса топлива дает возможность судить о его природе, а горючая масса - о топливе как о горючем. Рабочая масса - это масса и состав топливо, в котором поступает к потребителю и подвергается сжиганию.
Теплота сгорания топлива. При сжигании топлива выделяется тепловая энергия. Количество тепла, которое выделилось, связана с химическим составом топлива.
Количество тепла, выделяемое при сжигании единицы топлива, называется теплотой сгорания топлива (кДж / кг; кДж / м или кДж / кмоль). Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива обычно относят к 1 кг, а газового - до 1 м при нормальных условиях.
При сгорании топлива влага, содержащаяся в нем, переходит в газообразное состояние - водяной пар, на что затрачивается часть тепла, выделившегося при горении топлива. Некоторое количество водяного пара поступает в продукты сгорания и другим путем, например с воздухом, поступающим в топку для поддержания горения. В зависимости от того, в каком состоянии - жидком или газообразном-находится вода в продуктах сгорания после их охлаждения, различают теплоту сгорания высшую и низшую.
В технике различают высшую и низшую теплоты сгорания топлива.
Высшая теплота сгорания топлива Qf соответствует условию, что весь водяной пар, образовавшихся при горении, доводится до жидкого состояния при 273 К, т.е. продукты сгорания охлажденные таким образом, что водяной пар превращается в жидкость. Высшая теплота сгорания топлива Qep включает скрытую теплоту парообразования водяного пара, скондесувалася. В котельных установках продукты сгорания оставляют котел при таких температурах, при которых водяной пар, находящийся в них, не конденсируется, а поэтому тепло, которое расходуется на образование этой пары, теряется, таким образом, при горении топлива в котельных установках используется только его ниже теплота сгорания.
При использовании топлива для практических целей необходимо определять его теплоту сгорания. Теплоту сгорания топлива можно измерять сжиганием навески или определенного объема топлива в специальных приборах - калориметрах. В инженерной практике теплоту сгорания топлива часто определяют расчетом на основании данных элементного анализа с использованием тепловых эффектов реакций горения отдельных составляющих топлива.
Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива на основании элементного анализа обычно определяют по формулам, яки получают эмпирически. Для отечественных видов твердого и жидкого топлива достаточно точные результаты дает формула Д.И. Менделеева. Если в состав газа входят неизвестные углеводные компоненты, то сумму углеводородов условно принимают как содержание этана С2Н4 и теплоту сгорания рассчитывают по уравнениям, аналогичным уравнениям (4.13) и (4.14).
Условное топливо. Чтобы сравнить топливо разных видов, иногда используется понятие условного топлива, которое характеризуется теплотой сгорания 29300 кДж / кг. Для перевода любого топлива в условное следует разделить его теплоту сгорания на 29300 кДж / кг, т.е. найти эквивалент данного топлива.
Эту характеристику используют также для сравнения расходов различных топлив в пересчете на единицу продукции, особенно если они имеют разные значении теплоты сгорания. Расход условного топлива по известной расходе настоящего топлива и его теплоте сгорания можно получить по уравнению. Газообразное топливо. Газообразное топливо по сравнению с жидким и твердым имеет ряд преимуществ, главные из которых:
- Более простое смешивание топлива и воздуха, что позволяет проводить сжигание газа с меньшим избытком воздуха;
- Легкость транспортировки;
- Простота обслуживания печей, работающих на газе.
Все это приводит к тому, что газообразное топливо становится преобладающим.
Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов. Горючая часть состоит из насыщенных (СпН2п +2) и ненасыщенных (СпН2п) углеводородов, водорода Н2, окиси углерода СО, и сернистого водорода (H2S). В состав негорючих элементов входит азот (N2), углекислый газ (С02) и кислород (О2). Важной характеристикой газового топлива служит его плотность при нормальных условиях обычно определяют на сухую массу. Если рассматривать газовое топливо как смесь идеальных газов, то его плотность можно найти по уравнению.
Газообразное топливо бывает естественное и искусственное. Природными видами газообразного топлива является природный газ и беглый газ улавливают при добыче нефти. Искусственными видами газообразного топлива является коксовый и доменный газы, яки получают соответственно при коксовании угля и при доменной плавке. Кроме того, к искусственному относятся генераторные газы, в последние годы вполне вышли из употребления на предприятиях черной металлургии. Склады естественного и искусственного газообразных топлив разные.
Природный газ. Природный газ - наиболее дешевое топливо. Себестоимость его значительно ниже себестоимости угля и нефти.
Природный газ представляет собой смесь различных газов. Состав его зависит от месторождения, однако не очень отличается для разных мест добычи. В основном природный газ состоит из метана СН4, содержание которого составляет 80-98% по объему. Теплота сгорания метана 35700 кДж / м. В природном газе присутствуют также углеводороды типа СтНп (1-5%), инертные газы: азот N2 (114%); углекислый газ СО2 (менее 1%), незначительное количество водяного пара и минеральных примесей.
Искусственное газообразное топливо. Коксовый газ, получаемый при коксовании угля, играет очень важную роль в топливном балансе металлургических заводов.
Доменный (колошниковая) газ получают в больших количествах (около 3 м3 на 1 кг чугуна) в процессе доменной плавки. На металлургических заводах доменный газ играет существенную роль в тепловом балансе, на его образование расходуется более 40% теплоты сгорания кокса, загруженного в доменную печь. Доменные воздухонагреватели, печи коксовых и прокатных цехов в большей или меньшей мере отапливают доменным газом в смеси с коксовым или природным газом.
Генераторные газы представляют собой продукты беззалишковои газификации твердого топлива. Газификация может быть проведена с помощью кислорода, вводимого с воздухом, водяного пара. Аппараты, в которых твердое топливо превращается в газообразное, называют газогенераторами, процесс газификации - газогенераторные.
Жидкое топливо.
Естественное жидкое топливо. К природным жидких топлив относит сырую нефть, как топливо используют очень ограниченно. Использование продуктов переработки нефти дает более высокий эффект, чем использование нефти в сыром виде.
Искусственное жидкое топливо. Основную массу искусственного жидкого топлива составляют продукты переработки сырой нефти.
Бензин представляет собой жидкое топливо, состоящее из наиболее легкокиплячих фракций нефти (температура кипения до 473 К). Элементный состав бензина зависит от содержания в нем различных углеводородов. Можно считать, что бензин в среднем состоит из 85% С и 15% Н. Низшая теплота сгорания составляет около 41900 кДж / кг. Бензин служит топливом для авиационных и автомобильных двигателей.
Чуть более высокую температуру кипения (473-493 К) имеет лигроин, который используется как топливо для тракторных двигателей.
Содержание серы в мазуте, который получают при переработке малосирнистои нефти, составляет около 0,5%, в мазуте, который получают из багатосирнистои нефти, содержание серы может быть около 4%. Выпускают топочные мазуты марок 40, 100, 200 и МП (мазут для мартеновских печей). Для этих мазутов температура вспышки составляет 363-383 К, а температура застывания 283298 К. температура застывания и в вязкость. Вязкость в значительной степени снижается при повышении температуры нефтепродукта. Поэтому для обеспечения возможности перекачки и сжигания форсунках вязкие мазута приходится предварительно подогревать до 343-353 К.
Низшая теплота сгорания мазута в зависимости от его состава и содержания влаги колеблется в пределах 35615-39805 кДж / кг.
В практике металлургического производства в качестве заменителя мазута в виде добавки к газообразного топлива нередко применяют смолы, яки получают как продукт переработки твердых топлив.
Твердое топливо. Для естественного твердого топлива всех видов общим является не только одинаковый агрегатное состояние, но и общность условий происхождения. Твердое топливо естественного вида - растительного происхождения. Чем старше топливо, тем выше в нем содержание углерода и теплота сгорания.
Твердое топливо, кроме данных элементного анализа, характеризуется также данным технического анализа, при котором определяют:
- Содержание влаги,
- Выход летучих веществ и кокса,
- Зольность,
- Количество серы,
- Теплоту сгорания топлива.
Влажность является очень важной характеристикой твердого топлива и в большой мере определяет эффективность его использования
Летучие вещества выделяются из топлива при его термическом разложении без доступа воздуха. При этом происходит разложение неустойчивых молекул и выделение газообразных горючих веществ.
Кроме летучих веществ, продуктом термического разложения также кокс - твердый остаток продуктов разложения. Летучие вещества играют очень важную роль в процессе сгорания твердого топлива, так как загораются первыми и способствуют развитию процесса горения.
Твердое топливо содержит в составе негорючие элементы, составляющие основу золы. Чем выше количество этих негорючих элементов и выше зольность, тем ниже качество топлива.
Сера является крайне вредной примесью твердого топлива. При сжигании топлива, в состав которого входит сера, образуется оксид серы S02, который является очень сильным окислителем. При применении твердого топлива (кокса) в доменном производстве сера, содержащаяся в топливе, в значительной части переходит в чугун, снижая его качество и усложняя операции по дальнейшему переделе в сталь.
Твердое топливо в металлургических печах практически не применяют. Исключение составляет кокс, необходимый для доменного процесса. Кокс получают в специальных печах - коксовых батареях из каменных углей, имеющих необходимые свойства (коксующиеся угли). Исходным материалом для производства кокса в коксовых батареях служить угля дает испеченный кокс.