какой основной горючий элемент органического топлива
Какой основной горючий элемент органического топлива
Твердые и жидкие органические топлива представляют собой сложные химические соединения горючих и негорючих веществ, структура которых до настоящего времени изучена недостаточно. Методами химического анализа определяется так называемый элементарный состав этих видов топлива, т.е. процентное содержание в массе органического топлива тех или иных химических элементов.
Основными химическими элементами, входящими в состав любого твердого или жидкого топлива, являются: углерод С, водород Н, кислород О, азот N и сера S. Помимо указанных элементов в составе твердого или жидкого топлива имеется влага W и негорючие минеральные вещества, образующие при сжигании золу А. Золу и влагу называют внешним балластом топлива.
Топливо в том виде, в каком оно поступает непосредственно к потребителю, называется рабочим топливом, а его масса — рабочей массой. Процентное содержание указанных химических элементов вместе с составляющими внешнего балласта в общей массе топлива называют элементарным составом рабочей массы топлива. Элементарный состав рабочей массы топлива, %, определяется по формуле
где верхний индекс «р» указывает на то, что данный состав относится к рабочей массе топлива, а нижний индекс «орг + к» указывает на происхождение серы (орг — органическая, к — колчеданная).
Для одного и того же топлива количества минеральных примесей и влажность могут изменяться в достаточно широких пределах в зависимости от условий его добычи, транспортировки, хранения и т.п. В связи с этим для удобства сравнительной оценки теплотехнических свойств различных сортов топлива введены условные понятия сухой, горючей и органической масс топлива. Составляющие этих расчетных масс топлива те же, что и для рабочей массы, но обозначаются соответственно индексами «с», «г» и «о» вместо индекса «р».
Сухой массой называется обезвоженная, а горючей — обезвоженная и обеззоленная масса топлива. Таким образом, элементарный состав сухой и горючей массы топлива, %, вычисляют по формулам
В элементарный состав приведенных ранее расчетных масс входит сера, которая в конкретном топливе может находиться в трех видах: органической Sopr, колчеданной SK и сульфатной Sc. Органическая сера входит в состав высокомолекулярных органических соединений топлива, колчеданная сера представляет собой сульфиды металлов (чаще всего железистый колчедан FeS2), сульфатная сера — это сульфаты CaS04, MgS04, FeS04 и т.д., сульфатная сера входит в минеральную часть топлива.
Органическая и колчеданная сера Sopr+к при горении топлива окисляется с выделением теплоты, а сульфатная сера дальнейшему окислению не подвергается и переходит в золу.
В жидком топливе сера содержится в виде сероорганических соединений, элементарной серы S и сероводорода H2S. Исключение из элементарного состава горючей массы топлива колчеданной серы позволяет получить следующий состав органической массы топлива, %:
Для наглядности на рис. 2.1 приведены данные, позволяющие судить об элементарном составе топлива в целом и отдельных расчетных массах топлива.
Зная элементарный состав рабочей массы топлива, легко получить составы расчетных масс, используя простые пропорциональные соотношения и имея в виду, что при переходе, например, от рабочей массы к сухой, горючей или органической происходит относительное увеличение процентного содержания остающихся элементов топлива. Так, содержание углерода С и водорода Н в сухой (индекс «с»), рабочей («р»), горючей («г») массах топлива составит, %:
Газовое топливо (природное или искусственное) представляет собой смесь горючих и негорючих газов. Состав газового топлива определяется содержанием, %, соответствующих газов и для сухого топлива в общем случае представляется в следующем виде:
где СО, Н2, СmНn, H2S — горючая часть газообразного топлива, об. %; С02, N2, 02 — негорючая часть газообразного топлива (балласт), об. %;
СmНn=СН4 + С2НЬ+ С3Н8 + С4Н10 + С5Н|2 — суммарное содержание углеводородов: метана, этана, пропана, бутана, пентана соответственно, об. %.
Какой основной горючий элемент органического топлива
Виды органического топлива
К основным видам органического энергетического топлива относятся бурые и каменные угли, полуантрацит и антрацит, торф, горючие сланцы, мазут, природный, доменный и другие газы.
К энергетическим топливам относятся вещества, которые целесообразно использовать для получения тепла в больших количествах. Из общего потребления топлива в нашей стране примерно 30% приходится на долю тепловых электрических станций. Около 50% топлива, сжигаемого электростанциями, составляют ископаемые твёрдые топлива, которые разделяются на следующие виды: торф, бурые угли, каменные угли, антрацит, горючие сланцы.
Все ископаемые твёрдые топлива, кроме сланцев, произошли в основном из растительности древних лесов и болот, покрывавших землю, с участием некоторого количества белковых и жировых веществ животного происхождения. В течение тысячелетий находясь под слоем воды или земли без доступа воздуха, исходное органическое вещество под воздействием окружающей среды постепенно подвергалось химическим преобразованиям. Более «активные» химические элементы и соединения вступали в реакцию с окружающей средой и частично покидали залежь, превращаясь в газообразные продукты.
Процесс преобразования исходной органической массы идёт, таким образом, в направлении постепенного обуглероживании (углефикации) топлива, то есть повышения в нём содержания углерода и уменьшение количества кислорода и водорода.
Органическим топливом называются вещества, способные активно соединяться с кислородом и образовывать продукты сгорания, нагретые до высокой температуры за счет содержащейся в нем химически связанной энергии. Углерод является основным горючим элементом органического топлива. Второе место занимает водород, которого хотя сравнительно немного, но удельное тепловыделение его большое. Сера, являющаяся третьим горючим элементом, дает тепловыделение, но наносит вред котельному оборудованию и окружающей среде. В состав органического топлива входят также влага и негорючие минеральные примеси, из которых в ходе горения образуется зола и шлак.
По происхождению топлива можно разделить на естественные, добытые в природных условиях, и искусственные, полученные в. итоге переработки природного топлива. По сфере потребления топлива подразделяются тоже на две группы: энергетические — идущие для сжигания при выработке электроэнергии и теплоты и технологические — на переработку для получения необходимых промышленных продуктов.
По агрегатному состоянию все используемые в энергетике органические топлива делятся на три группы: твердые, жидкие и газообразные. К твердым топливам относятся ископаемые угли, торф и сланцы; к жидким — мазут, являющийся продуктом переработки добываемой из-под земли нефти; к газообразным — горючий газ. На газ приходится немного больше 5% теплоты, содержащейся во всех разведанных мировых запасах органических топлив, на нефть 7% и на уголь около 80% — таким образом, ископаемые угли являются основным органическим топливом.
Процесс преобразования исходной органической массы идёт, таким образом, в направлении постепенного обуглероживании (углефикации) топлива, то есть повышения в нём содержания углерода и уменьшение количества кислорода и водорода.
Начальная стадия разложения растительной масс в заболоченных местах называется оторфенением.
Торф — это тёмно-бурая масса, в которой ещё встречаются остатки неразложившихся частей растений (листьев, стеблей). Торф является самым молодым из сжигаемых топлив. Электростанции сжигают преимущественно фрезерный торф, получаемый путём срезания с поверхности пласта тонкого слоя фрезами. Его, как и уголь сжигают в пылевидном состоянии. В бурых углях уже невозможно обнаружить структуру клетчатки растений. Дальнейшее обуглероживание приводит к образованию плотного глянцевочёрного каменного угля и антрацита.
Горючие сланцы представляют собой минеральные породы, пропитанные органическими веществами животного происхождения. Они образовались на дне лагун древних морей.
Газообразные и жидкие топлива в последние 20 лет получили всё большее применение. Использование газообразных и жидких топлив по сравнению с углем не только повышает общую культуру эксплуатации электростанций, но и приводит к ощутимому снижению стоимости основного оборудования и увеличению КПД установок. Например, КПД парогенераторов возрастает на 1 ¸ 3% по сравнению с КПД при сжигании каменных углей и на 3 ¸ 5% ― при сжигании торфа, сланцев и влажных бурых углей.
Естественным жидким топливом является сырая нефть, но как энергетическое топливо используется чрезвычайно редко (в основном на небольших котельных). После извлечения (отгонки) лёгких фракций (светлых нефтепродуктов — бензина, лигроина, керосина, газойля) остаётся 40 ¸ 60% сильновязких тяжёлых фракций ― мазута, который и используется как энергетическое жидкое топливо.
Газовые топлива могут быть природными и искусственными. Природные газы имеют «нефтяное» происхождение. Как и нефть, они либо являются продуктом длительного химического преобразования органических веществ (остатков живых организмов), скопившихся в осадочных породах, либо образовались в результате синтеза в присутствии воды и карбидов металлов на больших глубинах под воздействием высокого давления и температуры. Во многих случаях выход газов сопутствует добыче нефти. Это так называемые попутные газы. Искусственные газы, сжигаемые в топках парогенераторов, ― это, как правило, побочный продукт металлургической промышленности, получаемый в большом количестве. Из искусственных чаще всего сжигаются в смеси с другими топливами газ коксовых печей и доменный газ.
Элементарный состав топлива
Для анализа тепловых характеристик топлив, определения состава газов, полученных в процессе горения, для других тепловых расчётов необходимо знать химическую структуру каждого вида топлива.
В состав органической части топлива входят пять химических элементов: углерод С, водород Н, кислород О, сера S и азот N. Кроме того, топливо содержит минеральные примеси А, попавшие извне в исходную залежь, и влагу W, представляющие вместе внешний балласт топлива.
Горючими элементами топлива являются углерод, водород и сера. Наличие окислов серы в продуктах сгорания при определённых концентрациях опасно для всего живого, в том числе и для человека, и поэтому требует принятия мер для рассеяния их в атмосферу.
Углерод — С является главной горючей составляющей топлива. Содержание углерода в различных топливах различно. Например, в древесине и торфе содержание углерода составляет 50÷60%, в каменных углях и мазуте 75÷90%. При полном сгорании 1 кг углерода выделяется около 33,5 МДж теплоты. Содержание углерода в твердом топливе определяет степень обуглероживания растительных и животных остатков. Большое количество углерода увеличивает тепловую ценность топлива.
Водород — Н является второй важнейшей составляющей топлива. В различных видах топлива водорода содержится от 1 до 25%. При сгорании водорода образуется вода. При этом в зависимости от условий она может находиться в жидком или парообразном состоянии; при сжигании 1 кг водорода соответственно выделяется 142÷119,5 МДж теплоты. С увеличением степени обуглероживания твердого топлива (возраста топлива) содержание водорода уменьшается.
Кислород — О относится к балластной составляющей топлива, так как содержание его уменьшает горючую часть, вследствие чего снижается тепловая ценность топлива. Содержание кислорода в различных, топливах изменяется в пределах от 0,5 до 40%.
Азот — N также относится к внутреннему балласту топлива, содержание которого уменьшает горючую часть. Азот содержится в топливах в связанном состоянии. Содержание азота в твердом топливе составляет 0,5—3,0%. Однако в некоторых газообразных топливах (например, доменный и генераторный газы) азот содержится в большом количестве, что значительно снижает их тепловую ценность; часть его может быть превращена в аммиак. Последний является ценным сырьем для производства минеральных удобрений (сульфат аммония и другие аммонийные и азотные соли).
Сера — S в твердом топливе содержится в виде органических соединений (органическая сера SО), сернистых соединений с железом (колчеданная сера SК) и сернокислых соединений в виде сульфатов (сульфатная сера SС).
Органическая и колчеданная сера при сгорании топлива окисляется, образуя SO2 и SO3.
Поэтому органическая и колчеданная сера называется горючей или летучей серой, т.е. SЛ=S0+SК,%.
При полном сгорании 1 кг горючей серы выделяется около 9,05 МДж теплоты.
Сульфатная сера при сгорании топлива переходит в состав золы, практически не участвуя в горении. Поэтому сульфатная сера называется негорючей или нелетучей серой.
Содержание серы в твердом топливе достигает 8% и более.
Сера в жидком топливе содержится в виде сернистых соединений, а также в свободном состоянии. Содержание её достигает 3,5%.
Сера в газообразном топливе находится в виде сероводорода H2S и сернистого газа SO2.
Сера в составе топлива является нежелательной составляющей. Это объясняется тем, что продукты сгорания серы SО2 и SO3 в присутствии влаги могут образовать сернистую и серную кислоты, а последние вызывают интенсивную коррозию металлов парогенераторов, двигателей внутреннего сгорания, строительных конструкций в др. Кроме того, сернистый и серный газы, выбрасываемые с продуктами сгорания топлива в атмосферу, оказывают вредное действие на здоровье людей, а также на окружающий животный и растительный мир.
Зола — А представляет собой минеральный остаток, получаемый при полном сгорании топлива. Она является результатом разложения и частичного окисления минеральных примесей топлива. К таким примесям относятся сульфаты, карбонаты, силикаты, фосфаты, хлориды, пирита и другие соединения. В состав золы входят окислы MgO, CaO, Na2О, К2О, SiО2, FеO, Fе2О3, Аl2О3 и др.
Различают первичную, вторичную и третичную золу. Первичная зола образуется из минеральных примесей, входящих в состав веществ топливообразователей; вторичная зола — из минеральных примесей, попадающих в топливо в процессе топливообразования; и третичная — в момент добычи.
Влага ― W также является внешним балластом, так как она уменьшает тепловую ценность топлива. На испарение влаги тратится часть теплоты, выделяемой при сгорании топлива. Кроме того, испарившаяся влага, являясь составной частью газообразных продуктов сгорания, снижает их температуру, что уменьшает количество теплоты, передаваемой к поверхностям нагрева. Различают внешнюю и внутреннюю влагу.
Внешняя влага в топливе является результатом попадания влаги в топливо из окружающей среды в процессе добычи топлива, его транспортирования и хранения.
Содержание внешней влаги в топливах колеблется в широких пределах и достигает в отдельных случаях нескольких десятков процентов. При сушке топлива внешняя влага может быть удалена.
Внутренняя влага связана с органическим веществом топлива и его минеральными примесями. Часть этой влаги (гигроскопическая) в коллоидально связанном состоянии равномерно распределена в массе топлива. Другая часть (гидратная влага) представляет собой влагу, входящую в состав молекул некоторых соединений, содержащихся в минеральных примесях топлива. В газообразном топливе влага находится в виде паров, максимальное содержание которых определяется температурой насыщения при данном парциальном давлении. Понижение температуры газа приводит к конденсации водяных паров из газа.
1. Какое топливо называется органическим?
2. Какое топливо относится к органическому энергетическому?
3. Какие химические элементы входят в состав органической части топлива?
4. Что, кроме химических элементов, содержит топливо?
5. Какие элементы топлива являются горючими?
6. С чем связаны внешняя и внутренняя влага топлива?
Технические характеристики топлива
Элементарный состав твердого и жидкого топлив
По техническим характеристикам твердое и жидкое топлива представляют собой комплекс сложных органических и минеральных соединений и состоят из горючей и негорючей частей.
Молекулярная и химическая структура горючей части изучена не достаточно полно и до настоящего времени не поддается подробной расшифровке. Вследствие этого химический состав горючей части выявить (т. е. определить вид и формулу химических соединений) чрезвычайно сложно. Структура и химические соединения, входящие в негорючую часть, наоборот, исследованы достаточно подробно.
Органическое твердое и жидкое топлива характеризуются элементарным составом, который условно представляют как сумму всех химических элементов и соединений, входящих в топливо. При этом их содержание дается в процентах к массе 1 кг топлива. Элементарный состав не дает представления о молекулярной и химической структуре топлива. Для твердого и жидкого топлив элементарный состав можно записать в следующем виде:
C + H + Sл + O + N + A + W = 100%.(18.1)
где Sк принято называть колчеданной серой.
Следует отметить, что летучая сера, входящая в горючую часть топлива, является только частью общего содержания серы. Другую часть составляет сера, входящая в минеральные соли (CaSО4, MgSО4, FeSО4 и др.). Сера, содержащаяся в минеральных солях, называется сульфатной Sc. Следовательно,
В негорючую часть топлива входят азот N, кислород О, влага W, минеральные негорючие вещества, которые после сжигания топлива образуют золовый остаток А.
Элементарный состав рабочей массы записывают следующим образом:
C p + H p + S p /л + O p + N p + A p + W р = 100 % (18.4)
В рабочий состав отдельных видов топлива некоторые элементы могут и не входить, например в дровах отсутствует летучая сера.
Сухая масса топлива в отличие от рабочей массы не содержит влаги и может быть представлена равенством:
Формулы пересчета с рабочей массы на сухую имеют вид:
Зольность топлива всегда проверяется только по сухой массе топлива.
Горючий состав топлива не содержит внешнего балласта, т. е. влаги и золы, и может быть записан так:
С г + H r + S r /л + O r + N r = 100%(18.7)
Содержание углерода в твердом топливе растет с его геологическим возрастом, а содержание водорода уменьшается. Так, например, содержание углерода в торфе составляет Сг = 50 ÷ 60 %, в буром угле Сг = 60 ÷ 75 %, в каменном угле Сг = 75 ÷ 90 %. С уменьшением геологического возраста содержание растительных остатков в топливе увеличивается.
Пересчет с сухой и рабочей масс топлива на горючую производят по формуле
Органическая масса топлива в отличие от горючей содержит только органическую серу и не включает колчеданную. Состав этой массы может быть выражен равенством:
Во всех теплотехнических расчетах состав топлива берется по его рабочей массе, являющейся наиболее полной характеристикой состояния топлива перед его сжиганием.
Технические характеристики топлива: влажность топлива.
При нагревании сланцевой золы карбонатные соединения разлагаются с выделением свободной двуокиси углерода СО к /2. Вследствие этого видимая масса золы получается меньше действительной ее массы в топливе. Зольность сланцев определяют по специальной методике.
Химический состав летучих веществ зависит от условий процесса нагревания топлива. Сумма летучих веществ обозначается Vr и относится только к горючей массе.
Твердый остаток, который получается после нагревания топлива (без доступа окислителя) и выхода летучих, называется коксом. В состав кокса входят остаточный углерод и зола. В зависимости от условий нагревания (например, при низких температурах) в твердом остатке кроме золы может оказаться часть элементов (С, N, Sл, Н), входящих в состав сложных органических соединений, для термического разложения которых требуется более высокая температура. В этом случае твердый остаток называется полукоксом.
По своим механическим свойствам твердый остаток (кокс) может быть порошкообразным, слабоспекшимся и спекшимся. Свойство некоторых углей (коксующихся) давать спекшийся, механически прочный кокс используется для получения металлургического кокса, применяемого в доменном процессе.
В зависимости от выхода летучих веществ и характеристики кокса каменные угли разделяются на 10 марок: длиннопламенный Д, газовый Г, газовый жирный ГЖ, жирный Ж, коксовый жирный КЖ, коксовый К, коксовый второй к2, отощенный спекающийся ОС, слабоспекающийся СС, тощий Т.
Таблица 18.2. Основные характеристики твердого и жидкого топлива
Таблица 18.3. Основные характеристики горючих газов
Состав газообразного топлива задается в объемных долях, так как количественное содержание и химические формулы компонентов определяются достаточно точно с помощью химического или хромато графического анализов.
В общем виде состав газообразного топлива можно записать следующим образом:
Для влажного газа объемный состав, %, определяют по формуле:
Теплотехнические расчеты ведутся обычно для сухого состава топлива.
(18.11)
Более подробно применение этого метода изложено в специальной литературе.
Различают теплоту сгорания топлива высшую QB и низшую Qn. Различие между ними состоит в том, что в высшую теплоту сгорания топлива входит количество теплоты, которое может быть выделено при конденсации водяных паров, находящихся в продуктах сгорания топлива, а в низшую теплоту сгорания это количество теплоты не входит.
Водяные пары в дымовых газах образуются за счет испарения влаги самого топлива, при сгорании водорода, находящегося в топливе, и влаги, входящей в состав воздуха, который используют в качестве окислителя горючих компонентов топлива.
В лабораторных условиях теплоту сгорания твердого и тяжелого жидкого топлива (мазута) определяют с помощью калориметрической бомбы.
Рис. 18.2. Калориметрическая установка
При известном элементарном составе твердого и жидкого топлив теплоту их сгорания, кДж/кг, можно приближенно определить по эмпирическим формулам, из которых наиболее распространена предложенная Д. И. Менделеевым:
Теплоту сгорания сухого газа определяют по объемному составу, %, и известной теплоте сгорания компонентов.
Низшая теплота сгорания, кДж/м 3, составит:
Величины Q с /н и Q с /в определяют по составу сухого газа.
Если в состав газа входят неизвестные углеводородные компоненты (при условий, что содержание метана известно), то сумму углеводородов условно принимают как содержание этана С2Н4 и теплоту сгорания рассчитывают по формулам, аналогичным уравнениям (18.16) и (18.17).
Теплоту сгорания природного газа можно также определять по углеродному числу n с помощью следующих линейных зависимостей, предложенных Г. Ф. Кнорре:
Для сравнения различных видов топлива по их тепловому эффекту и облегчения государственного планирования топливных ресурсов страны введено понятие об условном топливе, теплота сгорания которого принята равной 29 300 кДж/кг.
Отношение данного топлива к Q условного топлива называется топливным эквивалентом, обозначаемым буквой Э. Тогда для пересчета расхода натурального топлива Вн в условное Ву.т достаточно величину Вн умножить на эквивалент Э, т. е.