Важнейшие свойства топлива. Жаропроизводительность бензина


ЖАРОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ГОРЮЧИХ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА | Газогенераторы МСД

Основным горючим компонентом топлива является, как известно, углерод. Теплота сгорания 1 кг-атома углерода в виде графита равна около 94 000 ккал [49], т. е. около 7830 ккал/кг.

При сгорании углерода в воздухе по уравнению

С + 02 + 3,76N2 =С02 + 3,76N2

На каждый килограмм углерода образуется 1,87 м3 СОг и 7,03 м3 N2. Отсюда жаропроизводительность углерода, подсчитанная по формуле (VII.3), равна 2175 °С.

При сжигании углерода во влажном воздухе с содержанием 1% (по массе) Н20 жаропроизводительность углерода равна около 2145°С.

Если принять, по Менделееву, теплоту сгорания углерода в твердом и жидком топливе равной 8100 ккал/кг, то жаропроизводительность углерода при сжигании в сухом воздухе составляет около 2240 °С, а с учетом влажности воздуха — около 2200 °С.

Теплота сгорания Qh (низшая) газообразного молекулярного водо — реда равна 57 740 ккал/імоль, или 28 640 «кал/кг, или 2576 ккал/м3 [41].

При сгорании 1 м3 водорода в сухом воздухе согласно уравнению

2На + О, + 3,76N2= 2Н20 + 3,76^

Образуются продукты сгорания, состоящие из 1 м3 водяного пара и 1,88 м3 азота.

Жаропроизводительность водорода при сжигании в сухом воздухе равна 2235°С, а при сжигании в воздухе, содержащем 1% влаги, — око­ло 2200 °С.

Таким образом, несмотря на большое различие в теплотах сгорания, жаропроизводительности углерода и газообразного молекулярного водо­рода весьма близки.

Закономерность этого положения отчетливо выявляется при сопо­ставлении отношений теплоты сгорания и объемов продуктов сгорания углерода и водорода в теоретически необходимом количестве воздуха. Теплота сгорания углерода (графита) равна 94000 ккал/кг-атом, а во­дорода 57 740 ккал/кмоль. Отношение Qс : Qн2 = 1,64, а отношение объе­мов продуктов сгорания Vc, равного 106,8 м3/кг-атом, и Fh3, равного 64,5 м3/кмоль, составляет 1,65. Отсюда ясно, что с учетом близкой объемной теплоемкости продуктов сгорания углерода и водорода в тео­ретически необходимом объеме воздуха жаропроизводительности угле­рода и газообразного водорода мало отличаются, несмотря на большое различие в их теплоте сгорания.

Д. И. Менделеев подсчитал жаропроизводительность водорода с высшей теплотой сгорания 30 000 ккал/кг и указал, что если бы сущест­вовал такой твердый водород, то он, югорая — в воздухе, дал бы іболее низкую температуру, чем углерод.

Если бы высшая теплота сгорания водорода равнялась 30 000 ккал/кг я низшая теплота сгорания 24 600 ккал/кг, то жаропроизводительность водорода, подсчитанная по современным значениям теплоемкости про­дуктов сгорания, равнялась бы примерно 1945 °С при сжигании в сухом воздухе и ~ 1915 °С при сжигании во влажном воздухе, содержащем 1% (по массе) Н20.

Жидкое нефтяное топливо, а также природные, нефтезаводские и сжиженные газы состоят в основном из углеводородов. Поскольку жа­ропроизводительности водорода и углерода близки между собой, соз­даются предпосылки для того, чтобы жаропроизводительности различ­ных углеводородов также не отличались сколько-нибудь существенно от жаропроизводительности углерода и водорода.

Однако жаропроизводительность углеводородов не определяется од­нозначно лишь жаропроизводительностью углерода и водорода, так как на нее влияет теплота разрыва связей между атомами в молекулах угле­водородов различного строения и молекулярной массы.

Влияние теплот разрыва связей в молекулах углеводородов на их теплоту сгорания было рассмотрено в гл. II. Аналогично влияет теплота разрыва связей между атомами и на жаропроизводительность углево­дородного топлива.

Если расщепление молекул углеводородов с образованием углерода и молекулярного водорода является эндотермическим процессом, как, например, у алканов и особенно у метана, то жаропроизводительность углеводородов соответственно ниже жаропроизводительности углерода и водорода. Если же рассматриваемый процесс — экзотермический и со-

85

О ь в // re го

Числа атомов углерода 0молекуле

.35000 30000

Z0000

Ч

W000

8 tmax, О ^ —

СН<, С2Не CjHe С*Н)0 с5н

Рис. 6. Жаропроизводительность углеводородов

1 — алканы; 2 — цнкланы; 3 — алкены; 4 — ароматические углеводороды; 5 — алкины.

Рис. 7. Теплота сгорания QH) жаропроизводительность tmax и максимальная энтальпия* продуктов сгорания углеводородов Р

Провождается выделением значительного количества тепла, как у не­предельных углеводородов, например у этилена и особенно у ацетиле­на, то жаропроизводительность углеводородов превышает жаропроиз­водительность углерода и водорода.

Различия в жаропроизводительности особенно значительны у первых членов различных гомологических рядов. С увеличением числа атомов; углерода в молекуле углеводородов и числа так называемых групп го­мологической разности СН2 различия в жаропроизводительности алке — нов, алкинов и ароматических углеводородов и цикланов сглаживаются и жаропроизводительности всех углеводородов асимптотически при­ближаются примерно к 2140 °С, т. е. к жаропроизводительности цикла­нов, молекулы которых состоят только из групп СН2 [37]. Это нагляд­но иллюстрируется кривой 2 на рис. 6.

С увеличением числа групп гомологической разности СН2 в моле­куле жаропроизводительность алканов (кривая 1) возрастает с 2043 у метана до 2132 °С у эйкозана (СгоНи), жаропроизводительность алкенов — (кривая 3) снижается с 2284 у этана (этилена) до 2151 °С у эйкозена (С20Н40), а жаропроизводительность алкинов (кривая 5) падает с 2620 у этина (ацетилена) до 2167°С у эйкозина (С2оНзв).

Углеводороды различных гомологических рядов (в парообразном со­стоянии) имеют следующие значения жаропроизводительности, °С при сгорании в абсолютно сухом воздухе:

Алканы (СпНгпч-г)

Алкены (СлНгл)

Метан (СН4)

2043

Этен (С2Н4)

2284

Этан (С2Н6)

2097

Пропен (СзНв)

2224

Пропан (СзН8)

2110

Бутен (С4Н8)

2203

Бутан (С4Ню)

2118

Пентен (С5Ню)

2189-

Пентан (С5Н12)

2119

Децен (СюНго)

2164

Гексан (СвНн)

2124

Пентадецен (С15Н30)

2153

Октан (С8Ні8)

2128

ЭЙКОЗеН (С20Н40)

2151

Декан (С10Н22)

2129

. Алкины (СпНгп-г)

Пентадекан (С15Н32)

2132

Этин (С2Н2)

2620

Эйкозан (С20Н42)

2132

Пропин (С3Н4)

2420)

Бутнн (С4Нв)

2340»

Пентин (С5Н8) Гекснн (С6Ню)

ГеПТНН (С7Н12)

Ароматические углеводороды (СпН2п-б)

Октнн (С8Ни) Децнн (СюНів)

Пентадецнн (Сі5Н28) ЗЙКОЗИН (СгоНзв)

Бензол (С6Н6)

2300 2275 2250 2235 2213 2180 2167

ТОЛУОЛ (С7Н8)

Ксилол (С8Ню) Пропнлбензол (C9h22) Цимол (CioHu) Феннлнонан (С15Н24) Феннлтетрадекан (С20Н34)

2153 2149 2145 2144 2144 2140

Цикланы (Cnh3n) Циклопентан (С5Н10) Метнлцнклопентан і(С6Ні2) Этнлцнклопентан (С7Н14) Пропнлцнклопентан (С8Ніб) Амилциклопентан (СюНго) Цнклопентнлдекан (С15Н30)

Сближение жаропроизводительности насыщенных и ненасыщенных углеводородов с увеличением числа атомов углерода в молекуле пока­зано на рис. 6.

Рис. 7 иллюстрирует практически постоянную жаропроизводитель­ность насыщенных углеводородов — алканов при резком увеличении их объемной теплоты сгорания.

Жаропроизіводительноість углеводоредов нормального ‘строения и различных изомеров весьма близки между собой вследствие малого значения теплоты изомеризации по сравнению с теплотой сгорания. Так, различия в жаропроизводительности нормального октана и 16 изоокта — нов различного строения не превышают 6 град., т. е. 0,3%.

Жаропроизводительность углеводородов в парообразном состоянии выше, чем в жидком, примерно на 15 град, или на 0,8%. В свою оче­редь, жаропроизводительность углеводородов в жидком состоянии не­сколько больше жаропроизводительности твердых углеводородов вследст­вие затраты тепла на их плавление.

Замена атома ‘водорода в углеводородной молекуле на ягидроксил ОН или карбоксил СООН, т. е. образование из углеводородов спиртов или органических кислот, резко снижает теплоту сгорания вследствие уменьшения процентного содержания в горючем углерода и водорода, а также ввиду частичного окисления С и Н (см. гл. II).

Так, теплота сгорания метилового спирта (метанола) СН3ОН (или СН4О) составляет лишь 43% от теплоты сгорания метана СН4.

При столь большом различии в теплотах сгорания жаропроизводи­тельности СН4 и СН40 практически совпадают. Объясняется этот на первый взгляд неожиданный факт тем, что при внедрении кислорода в состав горючей массы топлива соответственно снижается потребность в кислороде воздуха для сгорания топлива, что обусловливает меньшее поступление азота воздуха в продукты сгорания и, следовательно, уменьшение их объема. Поэтому жаропроизводительность может прак­тически не меняться, как это происходит при замене водорода гидрокси — лом, или лишь незначительно снижается при замене атома водорода карбоксильной группы [37]. Кривые на рис. 8 иллюстрируют указанное положение.

Горючая масса дров и торфа с высоким содержанием кислорода об­ладает теплотой сгорания, значительно более низкой, чем горючая мас­са антрацита или каменного угля. Однако различие в жаропроизводи­тельности указанных видов топлива существенно меньше. Так, теплота сгорания горючей массы дров на 44% меньше, чем антрацита, а жаро­производительность горючей массы ниже лишь на 9%.

Более сложная зависимость выявляется при сопоставлении теплот сгорания и жаропроизводительности углерода и окиси углерода. Тепло-

87

Ккал/кг /,гооо

^Ч____

Г

/

І і

T/mx

І і і

/оооо 8000 еооо

4000

Woo

T/nax, °С

Ггоо

Гооо

—————

J/

~

Tfnaxi "V

Ггоо

І

Г —

1 1

Гооо

Рис. 8. Теплота сгорания и жаропроизводительность углеводородов, спиртов и кислот. / — углеводороды; 2 — спирты; 3 — органические кислоты.

Та сгорания 1 кг-атома углерода в виде графита равна около 94 000 ккал, а 1 моля окиси углерода — лишь около 68 000 ккал. Тем не менее жаропроизводительность окиси углерода равна 2370 °С, т. е. почти на 200 град, выше жаропроизводительности графита (2175°С).

Указанное положение обусловлено тем, что присоединение к углеро­ду первого атома кислорода связано с большой затратой энергии на разрыв связей между атомами углерода в графите. Вследствие этого из 94 000 ккал потенциального тепла 1 кг-атома углерода лишь около 26 000 ккал, т. е. менее 30%, выделяется в результате присоединения первого атома кислорода и образования окиси углерода. Присоединение же второго атома кислорода с окислением СО до СОг сопровождается выделением 68 000 ккал тепла:

TOC o "1-3" h z C + 0,5O2+l,88N2=CO+l,88N2+26 000 ккал/кг-атом (а>

СО + 0,502 + 1,88N2=С02 + 1,88N2 + 68 000 ккал/моль (б)

C + 02 + 3,76N2=C02 + 3,76N2 + 94 000 ккал/(кг-атом) (в)

В результате при горении графита (а) на 1 моль продуктов сгора­ния выделяется около 20 000 ккал (94 000 : 4,76), а при горении СО (б) на 1 моль продуктов сгорания выделяется около 23 500 ккал (68 000 : 2,88), т. е. значительно больше тепла. Этим и объясняется, что максимальная температура нагрева продуктов сгорания СО, т. е. жаро­производительность окиси углерода, значительно выше жаропроизводи­тельности графита.

Таким образом, горючая масса всех видов топлива — от антрацита и кокса до дров и торфа — с различным содержанием кислорода и раз­личной теплотой сгорания характеризуется высокой жаропроизводитель — ностью порядка 2000—2200 °С.

Комментирование на данный момент запрещено, но Вы можете оставить

на Ваш сайт.

gazogenerator.com

ЖАРОПРОИЗВОДИТЕЛЫГОСТЬ ГОРЮЧИХ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА | Газогенераторы МСД

Основным горючим компонентом топлива является, как известно, угле­род. Теплота сгорания 1 кг-атома углерода в виде графита равна ОКОЛО

94 ООО ккал [46], т. е. около 7830 ккал/кг.

При сгорании углерода в воздухе по уравнению

С + 02 + 3,76 N3 = СОа + 4,76 N2

На каждый килограмм углерода образуется 1,87 нм3 С02 и 7,03 нм3 N2- Отсюда жаропроизводительность углерода, подсчитанная по формуле (VIII.3), равна 2175°.

При сжигании углерода во влажном воздухе с содержанием одного про­цента влаги по массе жаропроизводительность углерода равна около 2145°.

Если принять, по Менделееву, теплоту сгорания углерода в твердом и жидком топливе равной 8100 ккал/кг, то жаропроизводительность углерода при сжигании в сухом воздухе равна около 2240°, а с учетом влажности воз­духа — около 2200°.

Теплота сгорания (низшая) газообразного молекулярного водорода равна 57 740 ккал/молъ, или 28 640 ккал/кг, или 2576 ккал/нм3 [38].

При сгорании 1 нм3 водорода в сухом воздухе согласно уравнению

2 Н2 + 02 + 3,76 N5, = 2Н20 + 3,76 К2

Образуются продукты сгорания, состоящие из 1 нм3 водяного пара и 1,88 нм3 азота.

Жаропроизводительность водорода при сжигании в сухом воздухе равна 2235°, а при сжигании в воздухе, содержащем 1% влаги, около 2200°.

Таким образом, несмотря на большое различие в теплотах сгорания, жа — ропроизводительности углерода и газообразного молекулярного водорода весьма близки.

Закономерность этого положения отчетливо выявляется при сопостав­лении отношений теплоты сгорания и объемов продуктов сгорания углерода и водорода в теоретически необходимом количестве воздуха (табл. 29).

Таблица 29

Отношения теплоты сгорания ‘я теоретических объемов продуктов сгорания

Топлиио

Теплота сгорания Уц

‘ой.

Объем продуктов сгорания

Л

Унг

Углерод (графит)

94 000 ккал/кг-атпом

106,8 им3/кг-атом

Водород

57 740 ккал/моль

1,54

04,5 нм31 к г-моль

1,

Теплота сгорания 1 кг-атома углерода превышает теплоту сгорания (низ­шую) 1 кг/моль газообразного водорода в 1,64 раза, а теоретический объем продуктов сгорания 1 кг-атома углерода почти во столько же раз превышает объем продуктов сгорания {кг/моль водорода (в 1,65 раза). Отсюда ясно, что с учетом близкой объемной теплоемкости продуктов сгорания углерода и водорода в теоретически необходимом объеме воздуха жаропроизводительно — сти углерода и газообразного водорода мало отличаются, несмотря на боль­шое различие в теплоте сгорания углерода и водорода.

Д. И. Менделеев подсчитал жаропроизводительность водорода с высшей теплотой сгорания 30 ООО ккал/кг и указал, что если бы существовал твердый

Водород ((}ъ около 30 ООО), то и он, сгорая в воздухе, дал бы более низкую-

Температуру, чем углерод.

Если бы высшая теплота сгорания водорода равнялась 30 000 ккал/кг и низшая теплота сгорания 24 600 ккал/кг, то жаропроизводительность водо­рода, подсчитанная по современным значениям теплоемкости продуктов сго­рания, равнялась бы примерно 1945° при сжигании в сухом воздухе и — 1915° при сжигании во влажном воздухе, содержащем 1% Н20 (по весу).

Жидкое нефтяное топливо, а также природные, нефтезаводские и сжи­женные газы состоят в основном из углеводородов. Поскольку жаропроизво- дительности водорода и углерода близки между собой, создаются предпосыл­ки для того, чтобы жаропроизводительности различных углеводородов также не отличались сколько-нибудь существенно от жаропроизводительности угле­рода и водорода.

Однако жаропроизводительность углеводородов не определяется одно­значно лишь жаропроизводительностью углерода и водорода, так как на нее оказывает определенное влияние теплота разрыва связей между атома­ми в молекулах углеводородов различного строения и молекулярного веса.

Влияние теплот разрыва связей в молекулах углеводородов на их теплоту сгорания было рассмотрено в гл. IV. Аналогичным образом влияет теплота разрыва связей между атомами и на жаропроизводительность углеводород­ного топлива.

Если расщепление молекул углеводородов с образованием углерода и мо­лекулярного водорода является эндотермическим процессом, как это имеет место у алканов и особенно отчетливо выражено у метана, то жаропроизво- дительность углеводородов соответственно ниже жаропроизводительности

Углерода и водорода. Если же рассматриваемый процесс является экзотер­мическим и сопровождается выделением значительного количества тепла, как у непредельных углеводородов, например у этилена и в особенности у ацети­лена, то жаропроизводительность углеводородов превышает жаропроизво — дительность углерода и водорода.

Различия в жаропроизводительности особенно значительны у первых членов различных гомологических рядов. С увеличением молекулярного веса углеводородов и возрастанием в молекулах числа так называемых групп гомологической разнос™ «СН2» различия в жаропроизводительности алка- нов, алкенов, алкинов и ароматических углеводородов и цикланов сглажи­ваются и жаропроизводительности всех углеводородов асимптотически при­ближаются примерно к 2140°, т. е. к жаропроизводительности цикланов, молекулы которых состоят только из групп СН2 [6].

Рис. 6 наглядно иллюстрирует указанное положение. С увеличением молекулярного веса и числа групп гомологической разности «СН2» в молеку­ле жаропроизводительность алканов возрастает с 2043° у метана до 2132* у эйкозана (С20Н42), жаропроизводительность алкенов снижается с 2284" у этеиа (этилена) до 2151° у эйкозена (С20Н40), а жаропроизводительность ал­кинов с 2620° у этина (ацетилена) до 2167° у эйкозина (С20Н38).

Углеводороды различных гомологических рядов (в парообразном состоя­нии) имеют следующие значения жаропроизводительности (°С) при сгорании в абсолютно сухом воздухе:

Алканы (СлН2п+2)

ІІентнн (СьНз)

2300

Метан (СНі)

2043

Гексин (СсНщ)

2275

Этап (СгНо)

2097

Гсптіш (С7Н;;’!

2250

Пропан (С3Н8)

2110

Октііи (С8Нп)

2235

Бутан (СіШо)

2118

Децші (CioHis)

2213

ІІентан (С^їїіг)

2119

Пеитадеции (Сі. Д

2,180

Гексан (СсНц)

2124

Оіікозіш (Csollas)

2167

Октан (С8Н]§)

2128

Ароматическ углевидо,]к ( 2ті.—6^

Декан (СмНм) .

2І29

Пентадекан (Сі5]Ь-.

2132

Беизол (СеН.)

2258

Зіікозап (СгоНі>)

2132

Толуол (С7Нв)

22И

Алкеиы (СПН2П)

Ксилол (Сзіїю)

>,203

Этен (СгП-і)

2284

Пропилбопзол (C.,

,:197

Пропен (СзНй)

2224

Цимол (СюНі.)

2188

Бутен (Сіїї8)

2203

Феишшоиаи (СюІ. Іг )

2171

Пентен (СаНіо)

2189

Фсиплтотрадекаи (С» ЛЬ

2,160

Децен (СіоНао) . ІІентадеден (СиїЬі’/

2164

2153

Циклат,! (СпН2м)

2153

Эйкозен (СгоШо)

2151

Циклопентан (С,-,Нш) .

Мегіїдциклоцспгаи (СлПіа)

2149

Ллкини (СПП2„_2)

Эгллциклопентан (С71Іі■)

2145

Этпн (СгНг)

2620

ІІроцилциклопоитаи (Celli )

2144

Проппн (СзНл)

2420

Амилциклопентан (СюШо)

2144

Бутпн (СЛо)

2340

Цпклопентплдскип (Сі;,ІІзо)

2140

Сближение жаропроизводительности насыщенных и ненасыщенных угле­водородов с увеличением числа атомов углерода в молекуле показано на рис. 6.

Рис. 7 иллюстрирует практически постоянную жаропроизводительность насыщенных углеводородов — алканов при резком увеличении их объемной теплоты сгорания.

Жаропроизводительности углеводородов нормального строения и различ­ных изомеров весьма близки между собой вследствие малого значения теп­лоты изомеризации по сравнению с теплотой сгооагия. Так, различия в жа-

Макс’

И17.гло атома# углерод? В молекуле

 

IIн, к кал/нм1

Тао

 

 

Рис. Жаропропзкодитслыюсть углеводородов различных гомологических рпдов

1 — алкшхсш; 4 — цинланов;

2 — ароматических углеводородов; 5 — алканов

3 — алкспов;

Рис. Теплота сгорании и жаропроизводительность уГЛеВОДОрОДОП

С,)и — низшая темплота сгорали«;

Р — то же, отнесенная к 1 нм9 сухих продуктов горения;

Сс — жаропроизнодитслшюсть

Ропроиэводитсльности нормального октана и шестнадцати изооктанов раз — личного строения не превышают 6°, т. е. 0,3%.

Жаропроизводительность углеводородов в парообразном состоянии выше, чем г, жидком, примерно на 15°, или па 0,8%. В свою очередь жаропроизво — дптелыюсть углеводородов в жидком состоянии несколько больше жаро- производительпости твердых углеводородов вследствие затраты тепла на плавление углеводородов.

Замена атома водорода в углеводородной молекуле на гидроксил (ОН) или карбоксил (СООН), т. с. образование из углеводородов спиртов или орга­нических кислот резко снижает теплоту сгорания вследствие уменьшения процентного содержания в горючем углерода и водорода и дополнительно к этому ввиду частичного окисления С И Н (см. гл. II).

Так, теплота сгорания метилового спирта СН30Н (или СН40) составляет всего лишь 43% от теплоты сгорания метана СН4.

При столь большом различии в теплотах сгорания жаропроизводитель — ности СП4 и С1140 практически совпадают. Объясняется этот на первый иаг.’м’д неожиданный факт тем, что при внедрении кислорода в состав горю­чей массы топлива соответственно снижается потребность в кислороде возду­ха для сгорания топлива, что обусловливает меньшее поступление азота воз­духа.1 продукты сгорания и, следовательно, уменьшение их объема. Поэтому жаронронзводительность может практически не меняться, как это имеет место прп замене водорода гидроксилом, или лишь незначительно снижается при замене атома водорода карбоксильной группой [6]. Кривые на рис. 8 и А иллюстрируют указанное положение.

Горючая масса дров и торфа с высоким содержанием кислорода обладает теплотой сгорания, значительно более низкой, чем горючая масса антрацита или каменного угля. Однако различие в жаропронзводительпости указанных видов топлива существенно меньше. Так, теплота сгорания горючей массы дров па 44% меньше, чем антрацита, а жаропроизводительность горючей массы ниже лишь на 9%.

Более сложный характер имеет сопоставление теплот сгорания и жаро­производительпости углерода и окиси углерода. Теплота сгорания 1 кг-ато­ма углерода в виде графита равна около 94 ООО ккал, а 1 моля окиси углерода — лишь около 08 ООО ккал. Тем не менее жаропроизводительность окиси углерода

Углеводородов и спиртов

— жаропроиэводительность углеводородов 1тах; 4 ————— ТО же спиртой

Рис. 8. Теплота сгорания и исаропроизводитсльность

1 — низшая теплота сгорания ()я углеводородов; 3 г — то же спиртов;

(1н, и кал/кг

/геоо

 

 

 

 

Рис. 9. Теплота сгорания и жаропроиэводительность

1 — низшая теплота сгорания углеводородов;

2 — то же. органических кислот;

Углеводородов и органических кислот

3 — жаропроиэводительность углеводородов;

4 — то же, органических; нислот

Равна 2370°, т. е. почти на 200° выше жаропроизводительности графита (2175°).

Указанное положение обусловлено тем, ЧТО присоединение К углероду первого атома кислорода связано с большой затратой энергии на разрыв связей между атомами углерода в графите. Вследствие этого из 94 ООО ккал потенциального тепла 1 кг-атома углерода лишь около 26 ООО ккал, т. е. менее 30%, выделяется в результате присоединения первого атома кислорода и образования окиси углерода. Присоединение же второго атома кислорода С окислением СО до С02 сопровождается выделением 68 ООО ккал тепла

С ■+ 0,502 ■+ 1,88 К2 = СО + 1,85 N2 26ООО ккал/кг-атом (VIII.4а) ^ СО + 0,5 Оа -р 1,88 N2 = С02 1,Ь8 N2 -(- 68000 ккая/молъ (VIII.46)

С -1- 0а 4- 3,76 ]Мг = С02 3,76 N2 + 94000 ккал/кг-атом (УШ.4в)

В результате при горении графита по уравнению (УШ.4в) на 1 моль

Продуктов сгорания выделяется около 20 ООО ккал (94 000 4,76), а при горе­нии СО по уравнению (VIII.46) на 1 моль продуктов сгорания выделяется около 23 500 ккал (68 000 2,88), т. е. значительно больше тепла. Этим и об-

Ясняется, что максимальная температура нагрева продуктов сгорания СО, т. е. жаропроиэводительность окиси углерода, значительно выше жаропроиз­водительности графита.

Таким образом, горючая масса всех видов топлива — от антрацита и кокса до дров и торфа — с различным содержанием кислорода и различной теплотой сгорания характеризуется высокой жаропроизводительностью по-

Рядка 2000—2200°.

Комментирование на данный момент запрещено, но Вы можете оставить

на Ваш сайт.

gazogenerator.com

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖАРОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ТОПЛИВА | Газогенераторы МСД

Жаропропзводптельность топлива можно подсчитать тремя методами.

1. Определение по теплоте сгорания топлива и теплоемкости продуктов сгорания. При подсчете по первому методу жаропроизводительность топлива определяют по формуле

(VIII.5)

Причем значения теплоемкостей двуокиси углерода С со*, водяного пара Сн. о и азота С^ даются в виде функции температуры и имеют достаточно сложный вид, например

Со = а — р Ы + с1г.

При выполнении теплотехнических расчетов обычно не подсчитывают тепло­емкость но формлуе (VIII.6), а пользуются табулированными значениями теплоемкости компонентов продуктов сгорания от нуля до £ и подсчет жаро — цроизводителъности ведут по методу последовательных приближений, оп­ределяя каждый раз средневзвешенную теплоемкость продуктов сгорания

Того или иного состава.

2. Определение по методу последовательных приближений. Этот метод основан на том, что подсчет ведут, задаваясь определенной температурой продуктоп сгорания ^ (2100° при малом содержании в топливе балласта, переходящего в продукты сгорания, п более низкой температурой при высо­ком содержании балласта), а затем подсчитывают средневзвешенную тепло­емкость продуктов сгорания от нуля до

Потом подсчитывают, какой теплотой сгорания должно обладать топливо, если продукты его сгорания нагреты до температуры ^

= О^со, ■ £-со, Vu. fi-С им У№-СМ,)*1. (VIII.7)

Если подсчитанная таким путем теплота сгорания топлива ( ниже дейст­вительной теплоты сгорания то задаются температурой ^2 на 100° выше, чем tu и аналогичным путем определяют значение (}2. Если же подсчитанная теплота сгорания выше действительной теплоты сгорания топлива С}?, то задаются температурой £2 на 100° ниже, чем £х, и определяют значение (^.2 при этой температуре. После подсчета величин и (?2, между которыми находится действительная теплота сгорания топлива ()р определяют жа­ропроизводительность топлива методом интерполяции.

В качестве примера ниже приводится подсчет по методу последователь­ных приближений жаропроизводительности пропана.

1) Низшая теплота сгораппя пропана 21800^ккал/нмэ.

2) Уравнение гоюевия пропана в стехиометрическом объеме воздуха:

Г,0! Г8 + 502 + 5-3,76 N2 = 3 С02 + 4 Н20 + 18,8 Гт2.

3) Задаемся температурой сгораппя 2100°, определяем по табл. 24 (гл. VII) средние тепло — "" емкссти СО,, Н20 и N5 от 0 до 2100° С02 — 0,581 Щккал/нм3; Н2СГ— 0,4735 ккал/нм2 “ М2 — 0,3557 ккал/нм3 и подсчитываем, какой теплотой сгорапия [обладал бы пропап,

*’ если бы при но сгорании в стехиометрическом объеме воздуха развивалась темпера-

21660 ккал/нм3.

Найдепвая величина ппже ()н, следовательно, жаропроизводительность пропана выше 2100е.

Рис. 12. Графический метод линей* вой интерполяции

4)

Подсчитываем аналогичным образом, какой теплотой сгорания должен был бы обла­дать пропан, если бы при его сгорании развивалась температура 2200*

<?Й00* = (З-0.5848 + 4-0,4779 + 18,8-0,3571)-2200 = 22 830 ккал/нм[4].

Найденная величина выше (^н, следовательно, жаропроизводительность пропана ниже 2200°.

5) Определяем 2гаах пропана путем интерполяции:

__ 22830 ккал/нм3 — 2200°

21680 » — 2100°

1150 ккал/м3 — 100°

— 21800 ккал! м3 — 2100° + х°

21680 » — 2100°

0,400 ккал/нм3 °С для продуктов сгорания газообразного топлива;

0,401 ккал/нм3 °С для продуктов сгорания жидкого топлива;

0,405 ккал/нм3 °С для продуктов сгорания твердого топлива.

В соответствии с этим формула для упрощенного подсчета жаропроизводи — тельности газообразного топлива приобретает следующий вид

«ш ах = <2н (0,4у£), (VIII.8)

R, T,eF°s — суммарный объем продуктов полного сгорания без избытка воздуха, нм3/нм3 газа.

Аналогичны формулы для подсчета жаропроизводительности жидкого топлива

W = QE (0,40114) (VIII.9)

Твердого топлива

W = <?H (0,405Fe )• (VIII.10)

В формулах (VIII.9) и (VIII. 10)7®, — суммарный объем продуктов полного сгорания без избытка воздуха, нм3/кг топлива.

Приводим для сопоставления упрощенный подсчет imax пропана;

1) Низшая теплота сгорания пропапа 21 800 ккал/нм3.

2) Уравнение горения пропана

СзНя + 50. + 5-3,76N» = ЗСОг + 4Н20 + 18,8N2;

7^, = 25,8 им3,

3) Жаропроизводительность пропана по формуле (VII 1.8)

W = 21 800 (25,8-0,4) — 2113°

Jmax пропана при подсчете по методу последовательных приближений равна 2110°.

При подсчете жаропроизводительности без учета содержания влаги в воз­духе и нагрева золы топлива ее обозначают а при подсчете жаропроиз­водительности с учетом содержания в воздухе 1 % влаги по массе, как это

Принято в теплотехнических расчетах,— *тах; ^тах примерно на 30° ниже, чем ^тах — Значение £’шах можно подсчитать по формуле (VIII.5), включая в суммарный объем продуктов сгорания содержащийся в воздухе водяной пар, или по формуле

1т пт = t — а——— !—- Г (VIII. И)

M V], + 0,0"Fp

Значения t’ x важнейших видов топлива даны в табл. 27. Более полные данные по жаропроизводительности даны в таблицах теплотехнических ха­рактеристик отдельных видов топлива, приведенных в гл. XI—XXVI.

При сжигании сланцев и высокозольных углей подсчитывают также вели­чину £|Пах — жаропроизводительность с учетом содержания в воздухе 1% влаги по массе, а также расхода тепла на расплавление золы топлива и на­грев ее до максимальной температуры продуктов сгорания, т. е. до

= tvi пк-тг———— Г————— Й-. (VIII-12)

,jnx Г" + 0,027“ + 0.0075АР

Определение величин tmax, <max и t’max иллюстрируется подсчетом. Подсчет.

Определить жаропроизводительность антрацита состава: Ср — 70,5%; Sp— 1.7%; Нр — 1,4%; Ор — 1,9%; Np = 0,8%; Ар = 16,7%; Wp = 7,0%.

7 М. Б. Равич

Низшая теплота сгорания антрацита ()*■ = 6010 к кал/кг.

КР = СР + 0,375 ЭР = 70,5 + 0,375-1,7 = 71,14%.

По формулам (III.4), (III.11), (111,12), (111.13)

У^0г = 0,01 -1,87КР = 0,01.1,87-71,14 = 1,33 нм?/ке

УН,0 =0-111 Нр + 0,отИ’1’=0,111-1,4+ 0,0124-7 = 0,20 нм3/кг;

1 1

(2,67КР + 8НР — Ор) = — эд 201 = 6,63 пм*/кг’,

= 0,797° +0,008МР = 0,79-6,63 + 0,008-0,8 = 5,25 пм^/кг — У° = 1,33 + 0,20 + 5,25 = 6,78 нм3/кг.

По формуле (УШЛО)

«тах=(?Р (^-0,405) = 6010 (6,78-0,405) = 2190°

По формуле (VIII.11)

‘тах = 2190-6,78 (6,78 + 0,02-6,63) = 2150°

По формуле (VI 11.12)

‘шах = 2190-6,78 (6,78 + 0,02-6,63 + 0,0075-16,7) = 2120°

Комментирование на данный момент запрещено, но Вы можете оставить

на Ваш сайт.

gazogenerator.com

Важнейшие свойства топлива — МегаЛекции

Основные характеристики топлива, определяющие его ценность, удобство использования, эффективность и др., приведены ниже:

Теплотворная способность, или теплота сгорания. Представляет собой количество теплоты, которое выделяется при сгорании либо 1 кг, либо 1м3 топлива. Эта характеристика определяет расход топлива и транспортные расходы на единицу энергии.

Жаропроизводительность. Представляет собой максимальную температуру, которой можно достигнуть при сжигании топлива в адиабатических условиях. Определяет эффективность топлива в высокотемпературных процессах.

Содержание балласта, т.е. минеральной несгораемой массы, а также влаги в твердом и жидком топливе, а азота и углекислого газа – в газообразном топливе. Чем выше содержание балласта, тем ниже теплотворная способность и жаропроизводительность.

Содержание вредных примесей, снижающих ценность топлива и обуславливающих загрязнение окружающей среды (например, серы).

Выход летучих веществ и обуглероженных остатков (например, кокса), определяющий легкость его зажигания и целесообразность применения в данном технологическом процессе.

Удобство сжигания топлива (простота устройств для сжигания, легкость регулировки процесса горения).

Сложность и затраты подготовки топлива к сжиганию.

Степень сложности разведки, трудности добычи и себестоимость топлива.

Удаленность месторождения от районов потребления и стоимость перевозки, транспортировки.

 

Важнейшие компоненты топлива

Углерод. Имеет наибольшее значение. Его содержание в горючей массе (массе за вычетом воды и минеральных примесей) находится обычно в пределах от 50 до 99%.

Далее в тексте содержание какого-либо компонента в горючей массе обозначается верхним индексом "г".

В таблице 5 приведено содержание углерода и других важных компонентов в некоторых твердых видах топлива.

Т а б л и ц а 5

Содержание важных компонентов в некоторых твердых видах топлива

(в горючей массе), %

Топливо Сг Ог Выход летучих
Дрова - 6,1 42,3
Торф 50 - 60 0,1 – 1,5 5 – 6,5 30 - 40
Сланцы 60-75 4-13 7-10 12-17 80-90
Бурый уголь 64-78 0,3-6 3,8-6,3 15-26 40-60
Каменный уголь 75-90 0,5-6 4-6 2-13 9-50
Антрацит 93-94 2-3 1-2 3-4

 

В природном газе содержится 75-90% углерода, в бензине 85%, в керосине – 86%.

В среднем горение углерода в различных видах топлива, независимо от его состава, дает около 33мДж/кг.

Жаропроизводительность углерода равна 2240°С (средняя по всем видам топлива).

Водород. Второй по значению компонент. Содержание в твердых видах топлива см. табл. 5. В дизельном топливе содержится 13%, в мазуте – 11-12%, в керосине 14%, в бензине 15%, в сжиженном газе 18%, а в природном газе до 25%.

В среднем сгорание 1 кг водорода в составе топлива дает 141,5мДж теплоты, что в 4,2 раза выше теплоты сгорания углерода. Поэтому с увеличение содержания водорода в топливе растет его теплотворная способность и жаропроизводительность. Из углеводородов наибольшая теплотворная способность у метана (50мДж/кг). У мазута, к примеру, она равна 42мДж/кг.

Жаропроизводительность водорода равна 2235°С.

Кислород. Третий важнейший компонент горючей массы. Его практически нет в жидком и газообразном топливе.

Чем моложе твердое топливо, тем больше оно содержит кислорода (см. табл. 5, в которой сверху вниз растет возраст топлива).

Кислород в топливе снижает теплоту сгорания. В этом смысле он является балластом. В основном он находится в составе таких функциональных групп, как -ОН, -СООН, и уже не способен окислять углерод и водород топлива.

С другой стороны, топливо с высоким содержанием кислорода характеризуется высоким выходом летучих веществ и легко зажигается.

Сера. Сера может содержаться в трех состояниях:

Органическая – в составе сложных органических соединений. Встречается в жидком и твердом топливе.

Колчеданная, или пиритная. Содержится в виде железного колчедана FeS2. Содержится только в твердом топливе.

Сульфатная – в составе сульфатов различных металлов (кальция, железа и др.). Содержится только в твердом топливе.

Сера не только снижает теплотворную способность, но и сильно загрязняет окружающую среду, выделяясь в виде оксидов.

 

Теплотворная способность топлива

Любое топливо представляет собой смесь сложных органических соединений, поэтому для расчета теплотворной способности невозможно применять термодинамические методы расчета, в частности первое следствие закона Гесса. Для этого требуется знание точного состава топлива. Поэтому используется другой подход, основанный на знании элементного состава. Автором расчетной формулы является Д.И.Менделеев.

Д.И.Менделеев вывел формулу на основании изучения теплоты сгорания различных видов твердого топлива. В формулу входит т.н. рабочее содержание компонентов, то есть содержание компонентов в массе топлива с водой и минеральными веществами. Рабочее содержание обозначается с помощью верхнего индекса "р".

Существует два вида теплоты сгорания – высшая и низшая. Низшая теплота характеризует теплоту, выделяющуюся при сгорании топлива с выделением воды в газообразном состоянии, а высшая – с выделение воды в жидком состоянии. Высшая теплота больше низшей на величину энергии испарения воды, содержащейся в топливе, а также воды, образующейся при его сгорании.

Для расчета низшей теплоты сгорания используется формула:

Qнр = 339Cр + 1025Нр – 109 (Op – Sp) -25Wp, кДж/кг, (51)

Где Wp – содержание влаги.

Формула применяется в основном для твердого и жидкого топлива, но дает достаточную точность и для расчета теплоты сгорания и газообразного топлива.

Для примера, низшая теплота сгорания древесины и торфа равна примерно 10,5мДж/кг, бурых углей 6-17, каменных углей 17-28, антрацита 25-27, нефти 42-44, мазута 42, а природного газа 60мДж/кг.

Формула Менделеева, хоть и была создана очень давно, широко применяется по настоящее время.

Для расчета высшей теплоты сгорания из низшей применяется формула (52):

Qвр = Qнр + 25,14(9Нр + Wp) (52)

 

Твердое топливо

Торф является продуктом отмирания и неполного распада остатков болотных растений под воздействием грибков и бактерий в условиях избыточного увлажнения и недостаточного доступа воздуха. Торфяные болота образуются в условиях влажного климата при плоском рельефе местности и плохом стоке воды. При образовании торфа из органической массы растений выделяются СО2, Н2О и СН4. В результате сложных биохимических процессов образуются сложные темноокрашенные гуминовые кислоты, содержащие ароматические соединения и такие функциональные группы, как –СООН (кислотные), –ОН (спиртовые), –С=О (карбонильные), –ОСН3 (метоксильные). Суммарное содержание гуминовых кислот может достигать 40 – 50%.

В процессе торфообразования увеличивается содержание углерода в топливе за счет снижения содержания кислорода. В зависимости от степени разложения растений соотношение углерода и кислорода в торфе может колебаться в значительных пределах (см. табл. 5). В среднем содержание углерода составляет 58-60%, водорода 6%, кислорода 6%, а серы 0,2 – 0,3%. Сильно меняется и зольность. Для низинных залежей, связанных с грунтовыми водами, зольность может достигать 6 – 18%. Для верховых залежей, снабжаемых атмосферной водой, зольность меньше, и находится в пределах 2 – 4%. В среднем зольность торфа составляет 11%.

Размер площади, занимаемой торфяными месторождениями и болотами, в мире составляет около 350 млн. га, из которых промышленное значение имеет около 100 млн. га. На территории Западной Европы расположено около 50 млн. га, Азии – свыше 100 млн. га, Северной Америки – свыше 18 млн. га. Мировые ресурсы торфа оцениваются величиной более 300 млрд. тонн.

Торф в качестве топлива применяется достаточно давно. В России промышленную добычу торфа начали в 18 веке. Он широко применялся в текстильной промышленности, а позднее и на тепловых электростанциях. В настоящее время торф применяют в котельных установках для коммунально-бытовых нужд, а также для производства торфяных брикетов. Сейчас торф не имеет такого большого промышленного значения, как газообразное или жидкое топливо.

Ископаемые угли, как и торф, имеют растительное происхождение. Они делятся на сапропелевые и гумусовые. Сапропелевые угли в основном образовались из планктона (простейших водорослей) в результате длительного биохимического процесса, называемого углефикацией. Сапропелевые угли отличаются большим содержанием водорода (до 9%) и высоким выходом летучих веществ. Они легко загораются и горят ярким коптящим пламенем.

Гумусовые угли образовались из остатков высших растений - деревьев и гигантских папоротников, произраставших миллионы лет тому назад. В наиболее молодых углях – бурых иногда отчетливо просматривается древесная структура.

Общие геологические запасы углей оцениваются величиной более 1 триллиона тонн.

В зависимости от длительности процесса углефикации различают бурые, каменные угли и антрацит. Образование ископаемых углей проходит следующие стадии: отмершие растения - торф – бурые угли - каменные угли – антрацит. Бурые угли имеют возраст 10-60 млн. лет, каменные – 100-180 млн. лет, а антрацит – 200-250 млн. лет.

В процессе образования бурых углей из древесины выделяются в основном Н2О, СН4 и СО2 и из 1 т. древесины получается около 730 кг бурых углей. При превращении бурых углей в каменные выделяется в основном СО2 и образуется около 530 кг углей на тонну исходной древесины. При превращении каменных углей в антрацит выделяется Н2О, СН4 и СО2. В итоге из 1 т древесины образуется около 370 кг антрацита. В табл. 5 можно наблюдать, что в процессе углефикации снижается содержание летучих веществ, а также водорода и кислорода, и возрастает содержание углерода в ископаемых углях.

Бурые угли.Наиболее молодые угли, представляющие собой переходную форму от торфа к каменным углям. От торфа бурые угли отличаются большей плотностью и меньшим содержанием растительных остатков. От каменных углей они отличаются окраской бурых тонов. На воздухе бурые угли довольно быстро распадаются на мелкие куски. После отгонки летучих веществ распадается в порошок. Для бурых углей характерно довольно высокое содержание гуминовых кислот и высокая влажность, а также высокий выход летучих веществ. Высшая теплота сгорания горючей массы лежит в диапазоне 22,6 – 31,0 мДж/кг.

Наиболее крупные месторождения и бассейны бурых углей характерны для мезозойского и кайнозойского возраста. Встречаются как в виде небольших прослоек, так и в виде мощных пластов – до 100-120 м; большинство из них доступно для открытой добычи (Канско-Ачинский бассейн в Восточной Сибири, Бабаевское месторождение, Южно-Уральский бассейн, Свободенское месторождение Амурской области, Черновское месторждение в Читинской области и др.).

В зависимости от влажности бурые угли делятся на три группы: Б1 с влажностью свыше 40%; Б2 – 30-40% и Б3 – менее 30%.

Бурый уголь используется как энергетическое топливо и химическое сырье для получения жидкого топлива и различных синтетических веществ, газа и удобрений. Из-за высокой влажности и зольности имеет низкую теплотворную способность и жаропроизводительность, поэтому имеет меньшую ценность как топливо по сравнению с каменными углями.

Каменные угли.Каменные угли являются разновидностью ископаемых углей с более высоким содержанием углерода и большей плотностью, чем у бурых углей. Представляют собой плотную породу черного, иногда серо-черного цвета с блестящей, полуматовой или матовой поверхностью. Высшая теплота сгорания, рассчитанная на влажную беззольную массу, составляет величину не менее 23,8 мДж/кг. Каменные угли представляют собой важнейший вид твердого топлива. В зависимости от марки используется либо для непосредственного сжигания в топках, либо для получения кокса в металлургии.

Антрацит.Антрацит является наиболее углефицированным видом ископаемых углей. Он отличается металлическим блеском и серовато-черным цветом. Антрацит характеризуется значительной вязкостью и раковистым изломом.

В странах СНГ антрацит в основном добывается с Донецком бассейне (Украина). Общие запасы антрацита не превышают 3% от общих запасов ископаемых углей. Он имеет высокое содержание углерода и низкую влажность. Из-за низкого содержания водорода теплота его сгорания ниже, чем теплота сгорания каменных углей.

Антрацит представляет собой ценный вид топлива для газогенераторов, печей и котлов с топками для слоевого сжигания углей. В измельченном виде применяется в камерных топках. Из-за малой термической стойкости, обуславливающей его растрескивание и образование мелочи, повышающей сопротивление шихты, антрацит неприменим в шахтных печах. Однако после специальной термической обработки при 1200°С термостойкость антрацита возрастает, а также увеличивается его пористость и реакционная способность. Поэтому после такой обработки антрацит способен заменять часть кокса в металлургической промышленности.

Антрацит применяют также для получения карбида кальция (сырье для получения ацетилена), и для получения угольных электродов для электрохимической промышленности.

Горючие сланцы.Этот вид ископаемого твердого топлива имеет возраст более миллиарда лет. Встречаются на Кольском полуострове, на Украине, в Сибири, в Северной и Южной Америке и других регионах мира. Общий запас сланцев оценивается в ~200 млрд. т. В Европейской части основные месторождения – Эстонское и Ленинградское, а также Печоро-Вычегодское.

По своему составу горючие сланцы очень разнообразны. Образуются сланцы в основном из остатков простейших водорослей, а также из водорослей подводных лугов и даже низших представителей животного мира. По генезису они могут быть морскими, лагунными и озерными. По составу балласта - глинистыми, карбонатными, кремнистыми. В некоторых сланцах из-за длительного воздействия высоких температур и давлений органическое вещество имеет графитоподобный характер, и такие сланцы характеризуются повышенным содержанием углерода.

Горючие сланцы отличаются довольно большим содержанием водорода (до 10% в горючей массе), и по этому показателю они приближаются к мазуту. Сланцы отличаются сравнительно низким содержанием кислорода в горючей массе и высоким содержанием углерода. Основной недостаток горючих сланцев – высокое содержание балласта (до 60-75%, иногда до 85%). Поэтому они имеют невысокую теплотворную способность и жаропроизводительность, так как основная часть теплоты их сгорания тратится на нагрев минеральных примесей. По этой же причине они менее экономичны при перевозках на большие расстояния. Поэтому для получения тепловой и электрической энергии сланцы используются в основном как местное топливо (например, в Прибалтике). Теплота сгорания сланцев находится в пределах от 4 до 25 мДж/кг, но преобладают в основном сланцы с теплотой сгорания 4 – 6 мДж/кг.

Большим недостатком горючих сланцев является высокое содержание в них серы (в основном колчеданной). Из-за вредного воздействия на окружающую среду выбросов оксидов серы применение сланцев в энергетике во многих странах запрещено.

Горючие сланцы имеют промышленное применение прежде всего как топливо. Кроме того, с помощью специальных технологий из сланцев получают более 60 наименований химических продуктов: сланцевая смола и получаемые из нее фенолы, топливное масло, масло для пропитки древесины, клеи, моющие средства и др.

Некоторые виды золы являются ценным сырьем для промышленности стройматериалов. Например, золы, имеющие не менее 15% оксида кальция, обладают вяжущими свойствами и пригодны для приготовления бетонов и изделий из них. Карбонатные золы находят применение в сельском хозяйстве для известкования кислых почв. Золы алюмосиликатного состава применяются в промышленности стройматериалов (кирпичи, цементы и изготавливаемые из них блоки и панели), а также в дорожном строительстве.

Искусственное твердое топливо.В домашнем и коммунальном хозяйстве применение несортированного топлива создает проблемы: мелкие частицы проваливаются через колосниковые решетки, что приводит к их потере. Поэтому мелкие фракции твердого топлива подвергают брикетированию, причем торф и бурые угли без применения связующего, а каменные угли, антрацит и отсев кокса брикетируют с использованием связующего, например нефтяных битумов. Битумы представляют собой естественные или искусственные асфальтоподобные продукты, получаемые переработкой остатков от перегонки нефти. Они содержат асфальтены – твердые нелетучие асфальтоподобные органические высокомолекулярные вещества. Битумы используют для производства рубероида, битумных мастик для гидроизоляции, асфальта.

При получении брикетов топливо измельчают, сушат и брикетируют с помощью пресса под давлением 1000 – 1200 кг/см2 в виде призм или других геометрических тел различного размера.

 

Жидкое топливо

Нефть известна человечеству с незапамятных времен. Уже за 6000 лет до нашей эры люди использовали нефть для отопления и освещения. Наиболее древние промыслы нефти находились на берегах Евфрата и Керчи.

Существуют две теории происхождения нефти: органическая и неорганическая.

Сторонники неорганической нефти считают, что нефть образовалась из минеральных веществ. К приверженцам неорганического происхождения нефти относится и Д.И.Менделеев. Согласно этой теории нефть образуется на больших глубинах при высокой температуре вследствие взаимодействия воды с карбидами металлов. Вода проникает внутрь по трещинам-разломам во время горообразовательных процессов. Схема процесса с образованием этана иллюстрируется на примере карбида железа: 2FeC + 3h3O = Fe2O3 + C2H6. В общем виде реакцию можно представить так: МСm + mh3O = MOm + (Ch3)m. Образующиеся в газообразном состоянии углеводороды, по мнению Менделеева, поднимаются по тем же трещинам в верхнюю холодную часть земной коры, где они конденсируются и накапливаются в пористых осадочных горных породах.

Интересно, что в момент выдвижения Менделеевым этой теории карбиды металлов в глубинных породах еще не были известны. Только в сравнительно недавнее время обнаружены карбиды железа, титана, хрома, вольфрама, кремния и других элементов. Однако они встречаются редко и не образуют крупных скоплений. Поэтому трудно объяснить крупные месторождения нефти с помощью этой теории. Кроме того, в настоящее время считается, что вода с поверхности земли не способна поступать по трещинам на большие глубины. А своей воды глубинные слои земли не содержат. Поэтому можно предполагать, что такой способ образования углеводородов возможен, но он не является основным для образования нефти.

В середине 20 века Н.А.Кудрявцев выдвинул новую гипотезу о минеральном происхождении нефти. Согласно этой гипотезе, в основе механизма образования нефти лежит глубинная высокотемпературная реакция CO и водорода с образованием метана и воды, а также другие реакции между компонентами смеси CO, CO2, h3O и Ch5, которая существует в глубине Земли. По мнению Кудрявцева, при высоких температурах в результате взаимодействия водорода и углерода могут образовываться различные радикалы (СН, СН2 и СН3), которые в результате соединения между собой образуют различные углеводороды. Образующиеся вещества при высоких температурах в глубинных слоях подвергаются деструкции и полимеризации и образуют сложную смесь углеводородов, которую представляет собой нефть.

Сторонники органического происхождения нефти считают, что она произошла вследствие воздействия высоких температур на органические вещества растительного и животного происхождения. Большое влияние на эту гипотезу оказал ученый И.М.Губкин. В пользу теории органического происхождения нефти говорит гораздо большее число фактов.

Мировые запасы нефти

В настоящее время более 15 стран являются производителями нефти. Одна из последних оценок мировых запасов нефти и прогнозов сокращения запасов сделана в 1995г. Ниже приведены данные по сокращению запасов исходя из объемов добычи по состоянию на 1995г (см. табл. 6).

Табл. 6

Мировые запасы нефти на 1996г и темпы их предполагаемых сокращений (млн. тонн).

Страна Запасы, млн т, на 1995г. Добыча в 1995г. Запасы на 1.1.2010г. Запасы на 1.1.2020г. Запасы на 1.1.2030г.
Великобритания 588,1
Норвегия 1153,7
Алжир 1260,3
Россия (оценка) ???
Казахстан
Ливия 4041,1
Иран 12082,0
Ирак 13698,6 ?
Кувейт 13220,2
ОАЭ 13438,3
Сауд. Аравия 35782,2
США 3076,3
Канада
Нигерия 2853,2
Мексика 6818,5
Венесуэла 8832,7
Китай 3287,7

 

В настоящее время в мире добывается свыше 3 млрд. тонн нефти, две трети которой потребляется развитыми странами Запада и Японией. Только США потребляет около 1 млрд. тонн.

В западном полушарии наиболее богаты нефтью Венесуэла, Мексика и США. В восточном полушарии основные запасы нефти находятся в Саудовской Аравии (25% от общих запасов) и в странах Персидского залива (Иране, Ираке, Кувейте и ОАЭ). В ближайшие 20-30 лет эти страны окажутся едва ли не единственными нефтедобывающими странами (до 90% запасов). Неплохие запасы имеет и Россия, но по прогнозам ее запасы закончатся также через 30 лет.

Состав нефти

Если говорить об элементном составе, то основными ее элементами являются углерод (83-87%) и водород (11-14%). Наиболее часто встречающаяся примесь - сера. Ее содержание может доходить до 7%, но во многих нефтях ее гораздо меньше или практически нет. Сера может содержаться в чистом виде, в виде сероводорода и меркаптанов. Сера усиливает коррозию металлов и обуславливает загрязнение окружающей среды, так как она окисляется в диоксид серы – один из наиболее вредных выбросов от сжигания топлива. Нефть считается малосернистой, если содержит менее 0,5% серы и высокосернистой, если содержит более 2% серы.

Азот встречается в количестве не более 1,7%.

Кислород встречается в виде соединений (кислоты, эфиры, фенолы) и его в нефти не более 3,6%.

Групповой состав нефти – это содержание в ней различных углеводородов. Нефть представляет собой очень сложную смесь различных углеводородов – несколько сотен видов. Она содержит такие группы углеводородов, как парафиновые (алканы), нафтеновые и ароматические. Ненасыщенные углеводороды (алкены) в нефти отсутствуют.

Парафиновые углеводороды. Это линейные (нормальные) насыщенные углеводороды общей формулы Cnh3n+2. При n от 1 до 4 это газы. При n от 5 до 16 это жидкости с температурой кипения от 36 до 287°С, остальные – твердые вещества при обычных температурах. Твердые углеводороды называют парафинами. При снижении температуры они могут выделиться в кристаллическом состоянии и создать проблемы с транспортировкой нефти по нефтепроводам.

Максимальное количество углеродных атомов в алканах нефти достигает 60. Температура плавления твердых алканов равна меняется от 22°С до 102°С.

Нафтены. Кроме нормальных углеводородов в нефти содержатся циклические алканы, начиная с циклопентана С5Н10, и его гомологи. Общая формула нафтенов Cnh3n. Это важнейшие компоненты топлив и смазочных масел (улучшают эксплуатационные свойства бензинов), а также сырье для получения ароматических углеводородов.

Ароматические углеводороды (арены). К ним относится бензол С6Н6 и его более высокомолекулярные гомологи, состоящие из двух колец (нафталин) и более. Ароматические углеводороды являются важнейшими компонентами моторных топлив, и их концентрация увеличивается при риформинге нефти.

Кроме углеводородов в нефти встречается большое количество кислородных, серных и азотистых соединений. К числу основных кислородных соединений относятся нафтеновые кислоты и асфальто-смолистые вещества. Нафтеновые кислоты имеют общую формулу Сnh3n-1COOH. Они вызывают коррозию металлов. Асфальто-смолистые вещества – это сложные высокомолекулярные соединения, содержащие кроме, углерода и водорода, серу (до 7%) и азот (до 1%). При обычных температурах они представляют собой малотекущее или твердое вещество. Часть, растворимая в воде, называется смолами, а нерастворимая – асфальтами, или асфальтенами. Молекулярная масса асфальтенов находится в диапазоне 1500-3000.

Азотистые соединения представлены порфиринами, которые, как считается, образовались из хлорофилла растений и гемоглобина животных.

Переработка нефти

При переработке нефти от нее отделяют газ, очищают от механических примесей, удаляют соли, влагу и сероводород, и подвергают фракционной перегонке.

При перегонке нефть разделяется на следующие фракции:

Бензиновая с температурой кипения углеводородов 40 - 180°С. Основные углеводороды С5 – С12.

Керосиновая с температурой кипения углеводородов 180 -240°С. Основные углеводороды С9 – С16.

Дизельная (газойль) с температурой кипения углеводородов 180-350°С. Основные углеводороды С12 – С20.

Мазут с температурой кипения более 350°С.

Мазут также может перегоняться, но только под вакуумом. Он делится на топливный мазут (350-500°С), гудрон (более 500°С) и различные масла.

Одной перегонки нефти недостаточно для получения бензинов. Важную роль в бензинах играют ароматические углеводороды, которых в нефти мало, а также разветвленные углеводороды (алканы), и ненасыщенные углеводороды (алкены), которых в нефти нет совсем. Эти углеводороды улучшают детонационные свойства бензинов, и от их концентрации зависит октановое число (марка) бензина. Поэтому после ректификации нефтяные фракции подвергаются крекингу и риформингу.

 

Крекинг

Это слово означает расщепление. Крекинг является каталитическим высокотемпературным процессом. В качестве катализатора используют смесь глинозема и кремнезема, оксиды хрома и молибдена. При крекинге происходит распад углеводородов на более маленькие молекулы, при этом одновременно образуются алканы и алкены. Например, расщепление С24Н50:

С24Н50 = С12Н24 (алкен)+ С12Н26(алкан) (53)

В свою очередь, образующийся алкан также распадается по аналогичной схеме:

С12Н26 = С6Н12(алкен)+ С6Н14(алкан) (54)

Одновременно происходит изомеризация линейных углеводородов в разветвленные и дегидрогенизация насыщенных углеводородов с образованием алкенов.

Таким образом, в результате крекинга в нефтяной фракции возрастает количество разветвленных алканов и ненасыщенных углеводородов.

Основным сырьем для крекинга является мазут, но можно использовать и другие нефтяные фракции от перегонки нефти.

 

 

Риформинг

Риформинг представляет собой процесс превращения циклических и линейных углеводородов в ароматические. Ароматические углеводороды имеют высокое октановое число и должны содержаться в высокооктановых марках бензина.

Риформинг, также как и крекинг, является каталитическим процессом, протекающим при высоких температурах (до 540°С). Обычно его применяют к парафиновым фракциям, кипящих в диапазоне 95-105°С.

Наиболее широко для получения бензинов применяют платиновые катализаторы, нанесенные на алюминийоксидные или алюмосиликатные носители. Применяется также алюмомолибденовый катализатор (оксид молибдена на оксиде алюминия), а также парные катализаторы платина-иридий или платина-рений на оксиде алюминия.

Большинство установок риформинга – это установки с неподвижным слоем катализатора. Такой вариант риформинга называется платформингом.

В основе риформинга лежат три типа реакций:

Дегидрирование шестичленных нафтенов:

С6Н12(циклогексан) = С6Н6(бензол)+ 3Н2 (55)

Ароматизация (дегидроциклизация) парафинов. В этом процессе происходит отщепление водорода от насыщенных углеводородов и превращение их в ненасыщенные. При циклизации последних и продолжении дегидрирования образуются ароматические углеводороды (бензол, толуол и др.).

Дегидроизомеризация пятичленных нафтенов. Происходит дегидрирование насыщенных циклических углеводородов и каталитическая изомеризация продуктов их дегидрирования в ароматические углеводороды (бензол, толуол и др.).

В таблице 7 приведены октановые числа некоторых углеводородов.

 

Т а б л и ц а 7

megalektsii.ru

Учебное пособие (Разделы 1-9. Газообразное топливо. Расчеты эффективности использования топлива), страница 9

Для некоторых газов и газообразных топлив значения жаропроизводительности при сжигании в сухом воздухе приведены в табл. 4.1. Чтобы определить жаропроизводительность при сжигании газа в атмосферном воздухе, содержащем около 1 % влаги по массе, приведенное в таблице значение следует уменьшить на 25...30 .

Таблица 4.1

Жаропроизводительность простых и сложных газов в сухом воздухе

Газ

Жаропроизводительность tmax,

Газообразное топливо среднего состава

Жаропроизводительность tmax,

Водород

2235

Природный газ газовых месторождений

2040

СО

2370

Природный газ нефтяных месторождений

2080

Метан

2043

Коксовый газ

2120

Этан

2097

Газ высокотемпературной перегонки сланцев

1980

Пропан

2110

Газ парокислородного дутья под давлением

2050

Бутан

2118

Генераторный газ из жирных углей

1750

Пентан

2119

Генераторный газ паро-воздушного дутья из тощих топлив

1670

Этилен

2284

Швельгаз из жирных каменных углей

2050

Пропилен

2224

Сжиженный газ (50 % C3H8 и 50 % C4h20)

2115

Бутилен

2203

Водяной газ

2210

Пентилен

2189

Доменный газ из кокса

1470

Ацетилен

2620

4.1.2. Калориметрическая температура

Калориметрическая температура отличается от жаропроизводительности тем, что учитывает действительные температуры топлива и воздуха, их влажность, а также значение коэффициента избытка воздуха. С этой целью в составе продуктов сгорания учитываются все действительные составляющие, а теплота сгорания дополняется физической теплотой  топлива и воздуха, в соответствии с выражением

,                                          (4.2)

где средние объемные теплоемкости отдельных составляющих продуктов сгорания при постоянном давлении, , кДж/(м3K), принимаются в диапазоне температур от 0 до , .

По определению калориметрической температуры физическая теплота, то есть удельная объемная энтальпия воздуха и топлива , кДж/м3 газа, отсчитывается от температуры 0  с учетом действительной потребности во влажном воздухе , в соответствии с выражением

,                                      (4.3)

где  — температура воздуха перед сжиганием, 0 ;  — средняя объемная теплоемкость воздуха при постоянном давлении в интервале температур от 0 до , кДж/м3;  — температура газа перед сжиганием, 0 ;  — средняя объемная теплоемкость газа при постоянном давлении в интервале температур от 0 до , , кДж/м3.

С учетом (4.3) формулу (4.2) можно записать в развернутом виде

.                 (4.4)

Необходимо отметить, что природные и сжиженные газы в тепловых установках достаточно редко подогреваются перед сжиганием, а их объем незначителен по сравнению с объемом воздуха. Поэтому второе слагаемое в формуле (4.3), то есть энтальпию топлива, можно не учитывать. Однако при сжигании газов со сравнительно низкой теплотой сгорания (генераторные, доменные и др.), особенно в случае их подогрева перед сжиганием, энтальпия топлива оказывает существенное влияние на величину калориметрической температуры горения и должна учитываться в расчетах.

В табл. 4.2 приведены значения калориметрической температуры сгорания во влажном воздухе с учетом фактического избытка воздуха для природного газа следующего объемного состава, %: Ch5 — 97; C2H6 — 2; C3H8+C4h20 — 0,5; N2+CO2 — 0,5.

Аналогичные данные для сгорания технического пропана в сухом воздухе приведены в табл. 4.3.

vunivere.ru


Смотрите также