Топливо и его горение
Электростальский
Филиал московского института стали и сплавов
РЕФЕРАТ ПО ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ
ТОПЛИВО И ЕГО
ГОРЕНИЕ
Выполнила: студентка 1 курса
Электросталь 2010 год
Содержание:
1. Общее понятие топлива
2. Состав и характеристики:
- твердое топливо
- жидкое топливо
- газообразное топливо
3. Теплота сгорания топлива
4. Устройства для сжигания топлива
5. Нефть
6. Список литературы
1. Общее понятие топлива
Топливо — вещество или смесь веществ, способное к экзотермическим химическим реакциям с внешним или содержащимся в самом топливе окислителем, применяемое для выделения энергии, изначально тепловой.
Топливо, не содержащее в своём составе окислитель, часто называют горючее. Понятие топлива более общее, нежели горючее или горючее ископаемое, потому как включает в себя древесину и различные топливные смеси. В широком смысле — один из видов потенциальной энергии, энергоноситель.
Химическая или ядерная энергия топлива переводится в различные виды энергии, и чаще всего через преобразование выделяемого при реакциях тепла тепловыми двигателями.
Основной показатель топлива — теплотворная способность (теплота сгорания). Для целей сравнения видов топлива введено понятие условного топлива (теплота сгорания которого принят а равной 29,35 МДж/кг (7000 ккал/кг), что соответствует хорошему малозольному сухому углю).
В данной главе будут, рассматриваться органические топлива, применяемые в промышленности и энергетике. По своему состоянию они делятся на твердые, жидкие и газообразные.
2. Состав и основные характеристики
- твердое топливо
Ископаемые твердые топлива (за исключением сланцев) являются продуктами разложения органической массы растений. Самое молодое из них - торф, представляет собой плотную массу, образовавшуюся из перегнивших остатков болотных растений. Следующими по возрасту являются бурые угли - землистая или черная однородная масса, которая при длительном хранении на воздухе частично окисляется и рассыпается в порошок. Затем идут каменные угли, обладающие, как правило, повышенной прочностью и меньшей пористостью. Возобновляемым твердым топливом является древесина. Доля ее в энергобалансе мира сейчас не велика, но в некоторых регионах древесина еще используется в качестве топлива.
Свойства топлива как горючего материала определяются составом его в сухом беззольном состоянии. Поскольку химический состав твердого топлива сложен и обычно неизвестен, его характеризуют массовым содержанием образующих элементов, определяемым в результате элементного анализа:
,
где -суммарное содержание горючей серы.
Собственно горючими в органическом топливе являются углерод, водород и сера. С увеличением возраста топлива содержание углерода увеличивается. Кислород, как и остальные элементы, содержащиеся в виде сложных органических соединений. Чем больше в них кислорода, тем больше доля водорода и углерода топлива химически связана с ними.
При полном сгорании углерода образуется относительно безвредный диоксид углерода и выделяется 32,8 МДж теплоты на 1 кг углерода.
При сгорании серы образуется токсичный сернистый ангидрид и еще более токсичный серный ангидрид .
Топливо в том виде, в
котором оно сжигается в
При нагревании твердого топлива без доступа воздуха его органическая масса разлагается, в результате чего образуются газы, водяные и смоляные пары и углеродсодержащий остаток. Суммарное количество выделяющихся летучих веществ увеличивается с ростом температуры и времени выдержки. Этот процесс в основном заканчивается при С. Выход летучих является важнейшей характеристикой топлива и уменьшается по мере увеличения его возраста. Чем больше выход летучих, тем проще зажечь это топливо и легче поддерживать устойчивое горение.
- жидкое топливо
Практически все жидкие топлива пока получают путем переработки нефти. Сырую нефть нагревают до С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре: сжиженный газ, бензиновую, керосиновую, дизельную. Жидкий остаток с температурой начала кипения С называется мазутом. Указанные фракции служат исходным сырьем для получения смазочных материалов и топлив для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок - бензина, керосина, дизельного топлива и т.д.
Легкая фракция нефти, в особенности бензин, с температурой кипения от 50 до 200 ºС, состоит преимущественно из парафина и ограниченного количества углеводородов.
Средняя фракция нефти, подразделяется на бензин (температура кипения от 200 до 250 ºС) и газойль (температура кипения от 200 до 350 ºС). Газойль в прошлом использовался в качестве сырья для производства нефтепродуктов, а сегодня применяется в основном как дизельное топливо. К данной фракции также принадлежит сверхлегкие нефтепродукты, используемые для отопления.
Тяжелая фракция нефти (температура кипения свыше 350 oС) используется в основном как смазочный материал, а также в качестве топлива на тепловых электростанциях и горючего для машин, работающих на тяжелом топливе.
Мазутная фракция может подвергаться дальнейшей переработке на светлые нефтепродукты путем крекинга, т.е. расщепления тяжелых молекул на более легкие.
Поскольку мазут служит предметом экспорта, его потребление в качестве топлива уменьшается. Мазу, как и моторные топлива, представляет собой сложную смесь углеводородов, в состав которых входят в основном углерод и водород.
Мазуты получаемые из нефти ряда месторождений, могут содержать много серы (до 4,3%), что резко усложняет защиту оборудования и окружающей среды при их сжигании.
- газообразное топливо
К газообразным топливам относятся прежде всего природный газ. Основным его компонентом является метан , кроме того, в газе разных месторождений содержатся небольшие количества азота , высших углеводородов , диоксида углерода . В процессе добычи природного газа его очищают от сернистых соединений, но часть их может оставаться. Кроме того, в бытовой газ для обнаружения утечек добавляют так называемые одоризаторы, придающие газу специфический запах; они тоже содержат соединения серы.
При добычи нефти выделяется так называемый попутный газ, содержащий меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов и поэтому выделяющий при сгорании больше теплоты.
В промышленности и особенно в быту находит широкое распространение сжиженный газ, полученный при первичной переработке нефти и попутных нефтяных газов.
На металлургических заводах
в качестве попутных продуктов получают
коксовый и доменный газы. И тот
и другой используются здесь же на
заводах для отопления печей
и технологических аппаратов. Коксовый
газ иногда применяют для бытового
газоснабжения прилегающих
В последнее время в ряде мест все большее применение находит биогаз - продукт анаэробной ферментации (сбраживания) органических отходов (навоза, растительных остатков, мусора и т.д.).
Газовое топливо обладает рядом преимуществ перед жидкими и твёрдыми топливами. При сжигании газов не образуется золы. Основной недостаток г. т. — малая плотность.
3. Теплота сгорания топлива
Под теплотой сгорания понимается количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы топлива. Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива обычно относят к 1кг, а газообразного - к м (в нормальных условиях) на рабочее, сухое или сухое беззольное состояние.
Продукты сгорания пробы образуются в калоритметре до комнатной температуры. При этом вода, образующаяся во влажном топливе, оказывается в жидком виде. Если в результате сгорания вода получается в виде жидкости, теплота сгорания называется высшей - .
В технических устройствах вода обычно выбрасывается вместе с продуктами сгорания в виде пара. Если в результате сгорания вода получается в виде пара, теплота сгорания называется низшей - . Она меньше, чем на количество затрат теплоты на испарение.
Поскольку 1кг водорода дает при сгорании 9кг воды, а конденсация 1кг пара при С - около 2,5 МДж теплоты, то приближенно:
= + 25 ( + )
Значения дставляются в эту формулу в %, Q - в КДж/кг.
Максимальная теплота сгорания твердых топлив доходит до =28МДж/кг, минимальная может в зависимости от содержания балласта опускаться до 10 МДж/кг и ниже.
Теплота сгорания обезвоженных мазутов =41,5/39МДж/кг. Поскольку элементный состав всех жидких топлив, полученных перегонкой нефти, примерно одинаков, их теплота сгорания также примерно одинакова.
Зависимость теплоты сгорания
(МДж/кг) широкого круга органических веществ
от их элементного состава (%) хорошо иллюстрирует
формула Д.И. Менделеева:
=0,34 +1,03- 0,11 () - 0,025
Калориметр позволяет определить теплоту сгорания с большой точностью, чем эта и аналогичные ей формулы, поэтому она используется как иллюстративная и - для проверки точности элементного анализа.
Теплоту сгорания газообразного топлива обычно относят к 1 сухого газа (так называемая низшая теплота сгорания сухого газа ) в нормальных условиях и рассчитывают через теплоты сгорания составляющих его компонентов (кДж/). С другой стороны, теплоту сгорания нетрудно определить экспериментально в калориметре.
4. Топочные устройства
В промышленной теплоэнергетике
используются все виды топлива —
твердое, жидкое и газообразное. До
массового применения жидкого и
газообразного топлива в
Слоевые топочные устройства просты в эксплуатации, пригодны для работы на углях различных сортов в широком диапазоне нагрузок, характерны небольшим расходом электрической энергии на собственные нужды. Кроме того, они не требуют больших объемов топочных камер.
Топочные устройства для сжигания топлива в слое по степени механизации операций обслуживания (питание слоя топливом, шурование слоя и удаление шлака) делятся на механические (все операции механизированы), полумеханические (при обслуживании имеется доля ручного труда) и ручные (все операции по обслуживанию выполняются вручную). Промышленностью выпускаются слоевые топочные устройства:
механические — топки с чешуйчатой цепной решеткой прямого хода (ТЧ), топки обратного хода чешуйчатые (ТЧЗ), топки обратного хода ленточные (ТЛЗ);
полумеханические — топки
с пневмомеханическими
ручные - топки с решеткой с поворотными колосниками (РПК).
Указанные топочные устройства предназначены для установки под водотрубными котлами и могут быть применены в жаротрубных котлах при устройстве выносной топочной камеры с экранированием или без него.
5. Нефть
- Общие сведения о нефти
Нефть - это маслянистая, опалесцирующая жидкость с характерным запахом. Аромат нефти придают сопутствующий ей сероводород, остатки растительных и животных организмов.
Основную массу топлива и смазочных материалов вырабатывают из нефти. В состав нефти входят три основных класса углеводородов: парафиновые, нафтеновые и ароматические. Ответственной и важной частью при получении топлива является очистка нефтепродуктов. Цель отчистки - удаление из дистиллята вредных примесей (сернистых и азотных соединений, смолистых веществ, органических кислот и др.).
2. Переработка нефти
Различают три основных варианта переработки нефти: топливный, топливно-масляный, нефтехимический.
По топливному варианту нефть
перерабатывается в основном на моторные
и котельные топлива. Различают
глубокую и неглубокую топливную
переработку. При глубокой переработке
нефти стремятся получить максимально
возможный выход
По топливно-масляному варианту переработки нефти на ряду с топливами получают смазочные масла. Для производства смазочных масел обычно подбирают нефти с высоким потенциальным содержанием масляных фракций. В этом случае для выработки высококачественных масел требуется минимальное количество технологических установок. Масляные фракции (фракции, выкипающие выше 350С), выделенные из нефти, сначала подвергаются очистке избирательными растворителями: фенолом или фурфуролом, чтобы удалить часть смолянистых веществ, затем проводят депарафинизацию. Заканчивается обработка масляных фракций доочисткой отбеливающими глинами.
Нефтехимический вариант представляет собой сложное сочетание предприятий, на которых помимо выработки высококачественных моторных топлив и масел не только проводится подготовка сырья, но и осуществляются сложнейшие физико-химические процессы, связанные с многотоннажным производством азотных удобрений, синтетического каучука, пластмасс и т.д.
3. Принципы первичной переработки нефти
Нефть представляет собой сложную смесь парафиновых, нефтеновых и ароматических углеводородов, различных по молекулярному весу и температуре кипения. Кроме того, в нефти содержатся сернистые, кислородные и азотистые органические соединения. Для производства многочисленных продуктов различного назначения и со специфическими свойствами применяют методы разделения нефти на фракции и группы углеводородов, а также изменения ее химического состава. Различают первичные и вторичные методы переработки нефти:
к первичным относятся процессы разделения нефти на фракции, когда используются ее потенциальные возможности по ассортименту, количеству и качеству получаемых продуктов и полупродуктов - перегонка нефти;
ко вторичным относятся процессы деструктивной переработки нефти и очистки нефтепродуктов, предназначенные для изменения ее химического состава путем термического и каталитического воздействия. При помощи этих методов удается получить нефтепродукты заданного качества и в больших количествах, чем при прямой перегонке нефти.
4. Перегонка нефти
Различают перегонку с однократным, многократным и постепенным испарением. При перегонки с однократным испарением нефть нагревают до определенной температуры и отбирают все фракции, перешедшие в паровую фазу. Перегонка нефти с многократным испарением производится с поэтапным нагреванием нефти, и отбиранием на каждом этапе фракций нефти с соответствующей температурой перехода в паровую фазу. Перегонку нефти с постепенным испарением в основном применяют в лабораторной практике для получения особо точного разделения большого количества фракций. Отличается от других методов перегонки нефти низкой производительностью.
В настоящее время перегонку нефти в промышленности производят на непрерывно действующих трубчатых установках. У них устраивается трубчатая печь, для конденсации и разделения паров сооружаются огромные ректификационные колонны, а для приема продуктов перегонки выстраиваются целые городки резервуаров.
Трубчатая печь представляет собой помещение, выложенное внутри огнеупорным кирпичом. Внутри печи расположен многократно изогнутый стальной трубопровод. Длина труб в печах достигает километра. Когда завод работает, по этим трубам непрерывно, с помощью насоса, подается нефть с большой скоростью. Печь обогревается горящим мазутом, подаваемым в нее при помощи форсунок. В трубопроводе нефть быстро нагревается до 350-370С. При такой температуре более летучие вещества нефти превращаются в пар.
Так как нефть - это смесь углеводородов различного молекулярного веса, имеющих разные температуры кипения, то перегонкой ее разделяют на отдельные нефтепродукты. При перегонке нефти получают светлые нефтепродукты: бензин, логроин, керосин, легкий газойль-соляровое масло, а в остатке всякую черную жидкость-мазут. Мазут подвергают дальнейшей переработке. Его перегоняют под уменьшенным давлением и выделяют смазочные масла.
При перегонки с однократным испарением нефть нагревают в змеевике какого-либо подогревателя до заданной температуры. По мере повышения температуры образуется все больше паров, которые находятся в равновесии с жидкой фазой, и при заданной температуре парожидкостная смесь покидает подогреватель и поступает в адиабатический испаритель.
Перегонка с многократным испарением состоит из двух более однократных процессов перегонки с повышением рабочей температуры на каждом этапе.
Использование в промышленности принципа перегонки с одинаковым испарением в сочетании с ректификацией паровой и жидкой фаз позволяет достигать высокой четкости разделения нефти на фракции, непрерывности процесса и экономичного расходования топлива на нагрев сырья.
5.Для переработки нефти используют также крекинг и риформинг
Крекинг. В процессе крекинга крупные молекулы высококипящих фракций сырой нефти расщепляются на меньшие молекулы, из которых состоят низкокипящие фракции.
В результате крекинга получают бензины, а также алкены, необходимые как сырье для химической промышленности. Крекинг, в свою, очередь подразделяется на три важнейших типа: гидрокрекинг, каталитический крекинг и термический крекинг.
Гидрокрекинг. Эта разновидность крекинга позволяет превращать высококипящие фракции нефти (воски и тяжелые масла) в низкокипящие фракции. Процесс гидрокрекинга заключается в том, что подвергаемую крекингу фракцию нагревают под очень высоким давлением в атмосфере водорода. Это приводит к разрыву крупных молекул и присоединению водорода к их фрагментам. В результате образуются насыщенные молекулы небольших размеров. Гидрокрекинг используется для получения газойля и бензинов из более тяжелых фракций.
Каталитический крекинг. Этот метод приводит к образованию смеси насыщенных и ненасыщенных продуктов. Каталитический крекинг проводится при сравнительно невысоких температурах, а в качестве катализатора используется смесь кремнезема и глинозема. Таким путем получают высококачественный бензин и ненасыщенные углеводороды из тяжелых фракций нефти.
Термический крекинг. Крупные молекулы углеводородов, содержащихся в тяжелых фракциях нефти, могут быть расщеплены на меньшие молекулы путем нагревания этих фракций до температур, превышающих их температуру кипения. Как и при каталитическом крекинге, в этом случае получают смесь насыщенных и ненасыщенных продуктов.
Термический крекинг имеет особенно важное значение для получения ненасыщенных углеводородов, например, этилена и пропена. Для термического крекинга используются паровые крекинг-установки, в которых углеводородное сырье нагревают в печи до 800°С и разбавляют паром. Это увеличивает выход алкенов. После того, как крупные молекулы исходных углеводородов расщепятся на более мелкие молекулы, горячие газы охлаждают водой, которая превращается в сжатый пар. Затем охлажденные газы поступают в ректификационную (фракционную) колонну, где они охлаждаются до 40°С. Конденсация более крупных молекул приводит к образованию бензина и газойля. Несконденсировавшиеся газы сжимают в компрессоре, который приводится в действие сжатым паром, полученным на стадии охлаждения газов. Окончательное разделение продуктов производится в колоннах фракционной перегонки.
Риформинг. В отличие от процессов крекинга, которые заключаются в расщеплении более крупных молекул на менее крупные, процессы риформинга приводят к изменению структуры молекул или к их объединению в более крупные молекулы. Риформинг используется в переработке сырой нефти для превращения низкокачественных бензиновых фракций в высококачественные фракции. Кроме того, он используется с целью получения сырья для нефтехимической промышленности.
Список использованной литературы
1. Басков А.П. , уч. Теплотехника, М. 1991г.
2. Лышко Г.П. Топливо и смазочные материалы, М. 1985
3. Кузнецов А.В., Симоненко А.В, Теплотехника, топливо, М:Колос ,2001
4. "Нефтяная промышленность", М. винииоэнг№1, 1994
- Топливоподача на угольной ТЭС
- Топливо: понятие и свойство
- Топливо-смазочные материалы
- Топографическая анатомия лицевого отдела головы
- Топографическая карта с точки зрения географии
- Топографическая перкуссия легких, ее диагностическое значение
- Топографические диаграммы
- Топливно энергитический комплекс
- Топливные присадки
- Топливные ресурсы РФ
- Топливные элементы
- Топливный элемент как химический источник электроэнергии
- Топливо
- Топливо и его виды
