Состав и основные характеристики различных видов топлива.
Условное топливо
![Реферат: Состав и основные характеристики различных видов топлива. Условное топливо](https://gugn.ru/work/1329450/cover.png)
Все виды топлива состоят из одних и тех же элементов. Разница между видами топлива заключается в том, что эти элементы содержатся в топливе в различных количествах. Элементы делятся на две группы. К первой группе относятся те элементы, которые горят сами или поддерживают горение. К таким относятся углерод, водород, кислород. Ко второй группе принадлежат те, которые сами не горят и не способствуют… Читать ещё >
Состав и основные характеристики различных видов топлива. Условное топливо (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Состав и основные характеристики различных видов топлива. Условное топливо История развития человечества теснейшим образом связана с получением и использованием энергии. Уже в древнем мире люди использовали тепловую энергию для обогрева жилища, приготовления еды, изготовления из меди, бронзы, железа и других металлов предметов быта, инструментов и т. д.
С древнейших времен известны уголь и нефть — вещества, дающие при сжигании большое количество теплоты. Сейчас формулировка «топливо» включает все вещества, которые дают при сжигании большое количество теплоты, широко распространены в природе и (или) добываются промышленным способом.
Чаще всего под топливом понимают вещество, способное гореть при наличии окислителя. В таком случае смесь топлива с окислителем образуют взрывчатое вещество. Тепловой двигатель (устройство, совершающее за счёт использования внутренней энергии топлива) может преобразовать тепловую энергию топлива в кинетическую (энергия механической системы, зависящая от скоростей движения её точек). Существует также ядерное топливо — вещество, выделяющее большое количество тепла в результате реакций распада или объединения ядер атомов.
СОСТАВ ТОПЛИВА. УСЛОВНОЕ ТОПЛИВО Все существующие виды топлива разделяются на твёрдые, жидкие, газообразные. Для нагрева используются также тепловое действие электрического тока и пылевидное топливо. Некоторые группы топлива, в свою очередь, делятся на две подгруппы, из которых одна представляет собой топливо в том виде, в каком оно добывается, и это естественное топливо; другая подгруппа — топливо, которое получается путём переработки естественного топлива, и оно называется искусственным.
Твёрдое топливо:
А). естественное — дрова, каменный уголь, антрацит, торф.
Б). искусственное — древесный уголь, кокс и пылевидное, которое получается из измельчённых частей.
Жидкое топливо:
А). естественное — нефть.
Б). искусственное — бензин, керосин, мазут, смола.
Газообразное топливо:
А). естественное Газообразное топливо:
А). естественное — природный газ.
Б). искусственное — генераторный газ, получаемый при газификации различных видов топлива (торфа, дров, каменного угля и другого), коксовальный и другие газы.
Все виды топлива состоят из одних и тех же элементов. Разница между видами топлива заключается в том, что эти элементы содержатся в топливе в различных количествах. Элементы делятся на две группы. К первой группе относятся те элементы, которые горят сами или поддерживают горение. К таким относятся углерод, водород, кислород. Ко второй группе принадлежат те, которые сами не горят и не способствуют горение; к ним относятся азот и вода. Особо от названных элементов стоит сера. Она является горючим веществом и при горении выделяет тепло, но её присутствие в топливе нежелательно, так как при горении серы выделяется сернистый газ, который переходит в нагреваемый металл и ухудшает его механические свойства.
Количество тепла, выделяемое топливом при сгорании, измеряется калориями. Каждое топливо при горении выделяет неодинаковое количество тепла. Количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг твёрдого или жидкого топлива или при сгорании 1мі газообразного, называется теплотворной способностью. Теплотворная способность имеет широкие пределы. Например, для мазута теплотворная способность составляет около 10 000 ккал/кг, для качественного каменного угля — 7000 ккал/кг. Чем выше теплотворная способность топлива, тем оно ценнее, так как для получения одного и того же количества тепла его потребуется меньше. Для сравнения тепловой ценности топлива применяется общая единица измерения. В качестве такой единицы принято топливо, имеющее теплотворную способность 7000ккал/кг (29,31 МДж/кг). Эта единица называется условным топливом. В некоторых странах применяется другие единицы. Например, во Франции это топливо, имеющее либо низшую теплоту сгорания 27,3МДж/кг (6500 ккал/кг), либо высшую 28,3 МДж/кг (6750 ккал/кг).
ТВЁРДОЕ ТОПЛИВО Дрова обладают сравнительно небольшой теплопроизводительностью (удельная теплота сгорания 10,2МДж/кг), повышенной влажностью и лёгким весом. Перевозить их на большое расстояние невыгодно, поэтому дрова являются преимущественно местным топливом.
Дрова удобны тем, что они содержат мало золы (1−2%), легко загораются и дают длинное пламя. Это делает их одним из самых подходящих видов топлива для обжига кирпича во всех периодических, в частности в напольных, печах, в которых длинное пламя способствует более равномерному обжигу по высоте камеры.
Влажность свежесрубленных дров, равная примерно 45−46%, зависит от породы дерева, его возраста и времени рубки. Чем моложе дерево, тем больше оно содержит влаги. Зимой и осенью деревья содержат меньше влаги, чем весной и летом, поэтому лес нужно рубить в это время.
Плотные тяжёлые породы дров горят медленнее, выделяя большое количество тепла и развивая в топках более высокую температуру. Лёгкие же породы дров сгорают быстро и дают более длинное пламя, поэтому они более пригодны для равномерного обжига.
Плотность древесины при влажности 12%
порода | плотность, г/куб.см | |
Мягкая плотность | ||
бальса | 0.15 | |
пихта сибирская | 0.39 | |
ель | 0.45 | |
ива | 0.46 | |
осина | 0.51 | |
сосна | 0.52 | |
липа | 0.53 | |
ольха | 0.55 | |
клён | 0.60 | |
Твёрдые породы | ||
берёза | 0.65 | |
вишня | 0.66 | |
бук | 0.68 | |
дуб | 0.69 | |
ясень | 0.75 | |
слива | 0.80 | |
хурма | 1.08 | |
топливо энергия газообразный жидкий Дрова — единственный источник энергии, который полностью поглощает собственные газообразные продукты горения и не приводит к возникновению парникового эффекта.
Торф — это ценный природный биологический материал. Это самое молодое из всех видов топлива отложение, которое образовалось естественным образом: разложением отмерших частей деревьев, кустарников, трав. Это происходит при повышенной влажности и ограниченном доступе кислорода.
Торф как биотопливо применяется чаще всего в сельском хозяйстве, животноводстве, медицине, биохимии и энергетике. Благодаря современным технологиям развития производства стали получать высокопродуктивные почвы, как для выращивания продуктов питания, так и для удобрений, изоляционных и упаковочных материалов, углеродного восстановителя металла и др.
Торф в качестве топлива используется благодаря его составу. Сюда входят большое содержание углерода (50−60%), малое содержание серы, вредные негорючие остатки и примеси. По сути, торф и есть молодой уголь.
Но также у торфа есть и недостатки. Это более низкая, чем у угля энергетическая калорийность и трудности сжигания из-за высокого содержания влаги (до 65%). Зато преимущества торфа это не что иное как экологическая чистота сгорания и низкая себестоимость производства.
Торф содержит:
— растительные волокна, улучшающие водно-воздушное состояние почвы;
— гуминовые кислоты, активирующие рост растений;
— микроэлементы — азот, калий, фосфор, кальций, железо, магний.
Важнейшей характеристикой является зольность, определяемая при его сжигании и показывающая процент содержания минеральных компонентов. Чем выше их содержание, тем плодороднее торф. Зольность может варьироваться от 1% в верховом торфе и до 50% - в низинном.
По происхождению торф бывает:
— низинный и переходной. Они состоят из перепревших остатков древесной травянистой растительности. Характеризуются высокой зольностью, малой теплотворной способностью, средне и слабокислой реакцией среды, высоким содержанием питательных веществ, богатством микроэлементов;
— верховой. Состоит из остатков сфагновых мхов, пушицы, багульников. Характеризуется низкой зольностью, высокой теплотворной способностью, высокой влагоёмкостью (от 600 до 1200%), повышенной кислотностью, низкой степенью разложения.
Теплота сгорания торфа 24 МДж/кг.
Каменный уголь имеет лучшие теплоэнергетические характеристики, поэтому является фаворитом потребительского спроса. Каменный уголь содержит: углерода 75−95%, водорода 1,5−5,7%, кислорода 1,5−15%, азота до1,5%, серы 0,5−4%, золы 3−4,5%, влаги до 12%, а также до 32% летучих веществ. Теплотворная способность достигает 7000 ккал/кг, а 1 кг каменного угля позволяет получить 6,67 кВт/час тепловой энергии.
Каменный уголь относится к наименее экологичным видам топлива, так как при его сжигании в атмосферу выбрасывается большое количество вредных выбросов.
Применение угля очень разнообразно и широко. Его используют для выработки электроэнергии на тепловых электростанциях, а также сжигают и для других энергетических целей; из него получают кокс для металлургического производства, а при химической переработке делают ещё около 300 различных продуктов промышленности.
Теплота сгорания 29,3 МДж/кг.
Антрацит — это самый древний ископаемый уголь. По своим характеристикам и свойствам он более похож на каменный уголь. Их разница заключается в том, что в составе антрацита больше углерода (более 90%). То есть, это значит, что антрацит более горючее вещество, чем используемый обычно уголь.
Горит антрацит только при сильной тяге воздуха. Причём горит либо почти без пламени, либо вообще без пламени. А также без запаха и без дыма.
Антрацит твёрже каменного угля и имеет следующую характеристику: плотность 1500−1700 кг/мІ, теплота сгорания 33,8−35,2 МДж/кг, в составе в горючей массе 9% летучих веществ.
Древесный уголь — твёрдый, пористый, высокоуглеродистый продукт (84% углерода), образующийся при нагревании древесины без доступа (или при незначительном доступе) воздуха в печах и ретортах (иногда даже в кострах). В зависимости от вида древесины из 1мі получают 140−180 кг угля, 280−400 кг жидких продуктов и около 80 кг горючих газов. Теплота сгорания 31 МДж/кг (7000−8100 ккал/кг). Плотность берёзового угля 380 кг/мі, менее плотные угли дают сосна (300 кг/мі) и ель (260 кг/мі). Большая пористость древесного угля обуславливает его высокие адсорбционные свойства. Древесный уголь обладает способностью при обычной температуре соединяться с кислородом воздуха; этим объясняются случаи его самовозгорания. При выгрузке из печей и реторт его влажность составляет 2−4%, при хранении она повышается до 7−15%. Зольность угля должна быть не более 3%, содержание летучих веществ — не более 20%. Особенность древесного угля — низкое содержание таких примесей, как фосфор и сера, что делает его необходимым для некоторых металлургических процессов.
Кокс — искусственное твёрдое топливо повышенной прочности; получается при нагревании до высоких температур без доступа воздуха природных топлив или продуктов их переработки. В зависимости от вида сырья различают каменноугольный, электродный пековый и нефтяной кокс. Основное количество кокса производится из каменного угля.
Каменноугольный кокс представляет собой удлинённые куски серого цвета.
Относительная плотность 1,8−1,95 г/мі, пористость в среднем около 50%. Насыпная масса кокса 400−500 кг/мі. теплота сгорания около 29МДж/кг (около 7000 ккал/кг), а его горючей массы около 33МДж/кг (около 8000 ккал/кг).
Содержание углерода в горючей массе кокса выше 96%, выход летучих веществ 0,8−1%. Содержание влаги при сухом тушении не превышает 0,5%, а при мокром — обычно 2−4%; серы 0,4−1,9%. Зольность должна быть не выше 9−10,5%.
Пылевидное топливо. В настоящее время всё шире применяется для отопления нагревательных, в частности кузнечных печей, пылеугольное отопление. Его особенно выгодно применять на тех заводах, где нет газа, а имеется местное топливо (угли), которое нельзя газифицировать.
Уголь, сжигаемый в кузнечных печах в виде пыли, должен иметь золы не более 15−20%, летучих не менее 20%. Чем меньше уголь имеет золы, тем его пыль горит лучше. Важным фактором, который необходимо учитывать при использовании пылеугольного топлива, является температура плавления золы. Наилучший уголь тот, у которого зола тугоплавкая (выше 1300°С).
Чем больше летучих содержит уголь, тем лучше загорается пыль, приготовляемая из него; факел горения пыли получается короче. При содержании летучих менее 17% пыль сжигается неустойчиво, происходит затухание факела, печь работает с перебоями. Поэтому пыль из кокса и антрацита непригодна для нагревательных печей.
ЖИДКОЕ ТОПЛИВО Технологические свойства жидкого топлива, так же, как и природного газа, существенно лучше, чем твёрдого топлива: в нём отсутствуют зола и шлаки, не требуются специальные устройства для подготовки его к сжиганию, оно имеет высокую теплоту сгорания и позволяет получить высокую температуру в топке.
Жидкое топливо почти целиком состоит из углеводородов (96−98%), причём массовое содержание углевода составляет 80−90%, а водорода 8−14%. Также жидкое топливо часто содержит свободную и связанную серу 0,5−3%, небольшое количество связанного кислорода и азота, воду.
Нефть — это природная маслянистая горючая жидкость, состоящая из сложной смеси углеводорода и других органических соединений. Сегодня нефть является одним из важнейших для человечества полезных ископаемых.
Плотность нефти составляет 0,65−1,05 г/смі и зависит от температуры и давления. Она содержит большое число разных органических веществ и поэтому характеризуется не температурой кипения, а температурой начала кипения жидких углеводородов (обычно > 28 °C, реже? 100°С) и фракционным составом — выходом отдельных фракций, перегоняющихся сначала при атмосферном давлении, а потом под вакуумом в определённых температурных пределах.
Удельная теплоёмкость 1,7−2,1 кДж/кг.
Удельная теплота сгорания 43,7−46,2 МДж/кг.
Нефть представляет собой смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых большая часть — жидкие углеводороды (80−90%) и гетероатомные органические соединения (4−5%), преимущественно сернистые (? 250 веществ), азотистые (> 30 веществ) и кислородные (? 85 веществ), а также металлоорганические соединения; остальные компоненты — растворённые углеводородные газы, вода, минеральные соли, растворы солей органических кислот и другие механические примеси (частицы песка, известняка).
Нефть уникальна своей комбинацией качеств: высокая плотность энергии, легко транспортировать, из неё легко получить массу продуктов (моторное топливо, растворитель, сырьё для химической промышленности и т. д.). Истощение ресурсов нефти, рост цен на неё и другие причины вызвали интенсивный поиск заменителей жидких топлив.
Бензин — горючая смесь лёгких углеводородов с температурой кипения от 30 до 200 °C. Плотность? 0,75 г/смі. Теплотворная способность? 10 500 ккал/кг. Температура замерзания ниже -60°С.
Бензин получают путём разгонки и отбора фракций нефти, выкипающих в определённых температурных пределах.
Пары бензина очень токсичны для человека, и их вдыхание может вызвать как острое, так и хроническое отравление.
Керосин — смеси углеводородов, выкипающие в интервале температур 150−250°С, прозрачная, слегка маслянистая на ощупь, горючая жидкость, получаемая путём прямой перегонки или ректификации нефти.
Плотность 0,78−0,85 г/смі (при20°С), вязкость 1,2−4,5 ммІ/с (при 20°С), температура вспышки 28−72°С; теплота сгорания около 43 МДж/кг.
В зависимости от химического состава и способа переработки нефти, из которой получен керосин, в его состав входят:
— предельные алифатические углеводороды 20−60%;
— нафтеновые 20−50%;
— бициклические ароматические 5−25%;
— непредельные до 2%;
— примеси сернистых, азотистых или кислородных соединений.
Керосин применяют как реактивное топливо, горючий компонент жидкого ракетного топлива, горючее при обжиге стеклянных и фарфоровых изделий, для бытовых нагревательных и осветительных приборов, в аппаратах для резки металлов, как растворитель, сырьё для нефтеперерабатывающей промышленности. Допускается добавление до 20% керосина в летнее дизельное топливо для снижения температуры застывания, при этом не ухудшаются эксплуатационные характеристики.
Мазут — это жидкий продукт тёмно-коричневого цвета, остаток после выделения из нефти или продуктов её вторичной переработки бензиновых, керосиновых или газойлевых фракций, выкипающих до 350−360°.
Мазут это смесь углеводородов, нефтяных смол, асфальтенов, карбенов, карбоидов и органических соединений, содержащих металлы (V, Ni, Fe, Mg, Na, Ca). Физико-химические свойства зависят от химического состава исходной нефти и характеризуются следующими данными:
— вязкость 8−80 ммІ/с (при 100°С);
— плотность 0,89−1 г/смі (при 20°С);
— температура застывания 10−40°С;
— содержание серы 0,5−3,5%;
— содержание золы до 0,5%;
— низшая теплота сгорания 39,4−40,7 МДж/моль.
Мазуты применяются в качестве топлива для паровых котлов, котельных установок и промышленных печей, для производства флотского мазута, тяжёлого моторного топлива для крейцкопфных дизелей и бункерного топлива.
Выход мазута составляет около 50% по массе в расчёте на исходную нефть.
ГАЗООБРАЗНОЕ ТОПЛИВО Газообразное топливо с каждым годом находит всё более широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. В сельскохозяйственном производстве широко используется для технологических (при отоплении теплиц, парников, сушилок, животноводческих и птицеводческих комплексов) и бытовых целей. В последнее время его всё больше стали применять для двигателей внутреннего сгорания.
По сравнению с другими видами газообразное топливо обладает следующими преимуществами:
— сгорает в теоретическом количестве воздуха, что обеспечивает высокие тепловые кпд и температуру кипения;
— при сгорании не образует нежелательных продуктов сухой перегонки и сернистых соединений, копоти и дыма;
— сравнительно легко подводится по газопроводам к удалённым объектам потребления и может храниться централизованно;
— легко зажигается при любой температуре окружающего воздуха;
— требует значительно небольших затрат при добыче, а значит, является по сравнению с другими более дешёвым видом топлива;
— может быть использовано в сжатом и сжиженном виде для двигателей внутреннего сгорания;
— при сгорании не образует конденсата, что обеспечивает значительное уменьшение износа деталей двигателей и др.;
Вместе с тем газообразное топливо имеет также определённые отрицательные свойства, к которым относятся: отравляющее действие, образование взрывчатых смесей при смешении с воздухом, лёгкое протекание через неплотности соединений и др. Поэтому при работе с газообразным топливом требуется тщательное соблюдение соответствующих правил техники безопасности.
Природный газ — смесь газов, образовавшаяся в недрах земли при анаэробном разложении органических веществ (метановое брожение).
Природный газ относится к полезным ископаемым. В пластовых условиях (условиях залегания в зелёных недрах) он находится в газообразном состоянии — в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде. Также он может находиться в кристаллическом состоянии в виде естественных газогидратов.
Основную часть природного газа составляет метан — от 92 до 98%. В состав могут также входить более тяжёлые углеводороды: этан — до 6%, пропан — до 1,5%, бутан — до 1%; а также другие неуглеводные вещества: водород, сероводород, диоксид углерода, азот, гелий.
Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество веществ, имеющих сильный неприятный запах — одорантов. Чаще всего в качестве одоранта применяется этилмеркаптан.
Для облегчения транспортировки и хранения природного газа его сжижают, охлаждая при повышенном давлении.
Ориентировочные физические характеристики:
— плотность — от 0,68 до 0,85 кг/мі относительного воздуха (сухой, газообразный), от 400 кг/мі (жидкий);
— температура самовозгорания 650 °C;
— взрывоопасные концентрации смеси газа с воздухом — от 5 до 15% объёмных;
— удельная теплота сгорания 28−46 МДж/мі;
— октановое число при использовании в двигателях внутреннего сгорания 120−130;
— легче воздуха в 1,8 раз, поэтому при утечке не собирается в низинах, а поднимается вверх.
Генераторный газ — газовая смесь, содержащая окись углерода (СО) и молекулярный водород (Н?).
Получают его путём пропускания воздуха над раскалённым каменным углём или коксом в специальных печах — газогенераторах. Выход из кокса 4,65 мі/кг. Далее окись углерода смешивается с водяным паром и получается водородная составляющая генераторного газа СО+Н?О= =Н?+СО?.
Теплотворная способность составляет 800−1000 ккал/мі, причём замена воздуха на кислород при его получении ведёт к значительному увеличению доли монооксида углерода и, соответственно, к увеличению теплотворной способности.
Генераторный газ применяется как топливо в металлургической, стекольной, керамической промышленности, для двигателей внутреннего сгорания.
Коксовый газ — горючий газ, образующийся в процессе коксования каменного угля, то есть при нагревании его без доступа воздуха до 900−1100°С. Содержит множество ценных веществ. Кроме водорода, метана, оксидов углерода в его состав входят пары каменно — угольной смолы, бензол, аммиак, сероводород и др.
Сырой коксовый газ последовательно очищают от аммиака и сероводорода, промывают поглотительным маслом, серной кислоты. Очищенный газ (14−15% от массы угля) используют в качестве топлива для обогрева батареи коксовых печей и для других целей.
Типичные показатели:
— водород 50%, метан 35%, окись углерода 10%, этилен 5%;
— количество лету3чих продуктов до 25% от массы угля;
— теплота сгорания 10 000−20 000 кДж/мі.
Cписок используемой литературы
1. Стаскевич Н. Л. Справочник по газоснабжению и использованию газа, — М., 1990 г.;
2. Топливо и теория горения. Подготовка и сжигание топлива, — СЗТУ, 2007 г.;
3. Топливо. Справочник. Книга 3. Под ред. В. Д. Лисленко, Я. М Щелокова, — Теплотехник, 2004 г.