Топливо. Его характеристики и применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

на тему:

«Топливо. Его характеристики и применение»

По дисциплине

«Теплоэнергетические процессы и установки»

Введение

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. Такие вещества должны сгорать с высоким коэффициентом полезного действия и не выделять при этом вредных (токсичных) веществ. В теплоэнергетических установках выделившаяся из топлива тепловая энергия используется для получения рабочего тела - водяного пара или горячей воды, используемых в дальнейшем в технологических и отопительных установках, а также для производства электрической энергии.

1. Топливо: виды, характеристика, области использования, топливный баланс

Топливо представляет из себя смесь (механическую) горючего и окислителя (как правило кислород). В широком смысле понятие топлива более общее, нежели горючее или горючее ископаемое. Например, строго говоря, древесину нельзя назвать топливом, древесина - горючее, так как для её горения нужен окислитель (кислород). 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.

К топливу относятся нефть и нефтепродукты (керосин, бензин, мазут, дизельное топливо), уголь, природный горючий газ, древесина и растительные отходы (солома, лузга и т.п.), торф, горючие сланцы, а в настоящее время и вещества, используемые в ядерных реакторах на АЭС и ракетных двигателях. На рисунке 1. приведена классификация топлива по агрегатному состоянию и происхождению.

Рисунок 1. Классификация топлива

Таким образом, классификацию топлива можно провести, например по его агрегатному состоянию: твердое (уголь, торф, древесина, сланцы), жидкое (нефть и нефтепродукты) и газообразное (природный газ). Также можно разделить виды топлива и по его происхождению: растительное, минеральное и продукты промышленной переработки.

Кроме того, топливо можно разделить на две группы: горючее и расщепляющееся. Горючее - топливо, которое выделяет необходимое количество теплоты при взаимодействии с другим веществом (окислителем); при этом химические компоненты горючего переходят в его окислы. Расщепляющееся топливо - это топливо, которое выделяет необходимое количество теплоты в результате расщепления при определенных условиях молекул его вещества с одновременным образованием молекул других химических элементов.

Горючее топливо делится на органическое и неорганическое. Органическое топливо включает углеводородные химические соединения природного и искусственного происхождения, углерод и водород, а также их смеси. Неорганическим топливом являются неорганические вещества и их композиции, которые при взаимодействии с окислителем выделяют большое количество теплоты. Такими веществами могут быть металлы: алюминий (А1), магний (Mg), железо (Fe) и др.

Свойства топлива зависят главным образом от его химического состава. Основным элементом любого топлива природного происхождения является углерод (его содержание составляет от 30 до 85% массы). В состав топлива также входят H, N, S, зола, вода.

Топливо состоит из горючей и негорючей составляющих. Горючая часть - смесь углеводородов, элементный состав: С, Н, а также S. Негорючая часть - влага и минеральные соли, элементный состав: О, N, Me (металлы). При полном сгорании одного килограмма химических элементов, составляющих топливо, выделяется различное количество тепловой энергии (табл. 1).

Основным оценочным показателем любого топлива является теплота сгорания топлива (ТСТ). Это количество тепла, кДж/кг, выделяющегося при полном сгорании одного килограмма топлива. Различают высшую Q_В и низшую Q_Н теплоту сгорания. Высшей теплотой сгорания Q_В топлива называют количество теплоты, выделяющееся при сгорании 1 кг твёрдого или жидкого топлива или 1 м³ газообразного (при температуре 0єС и давлении 0,1013 Мпа) и превращении водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, в жидкость. При определении Q_В учитывают теплоту, которая выделяется при конденсации воды, содержащейся в продуктах сгорания. Величину Q_Н определяют без учета этой составляющей. В расчетах для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) обычно принимают значение Q_Н, так как пары воды в цилиндрах не конденсируются.

Таблица 1. Содержание химических элементов в топливе и теплота их сгорания

Так как каждое топливо характеризуется различным химическим составом, оно обладает различной теплотой сгорания (табл. 2).

Таблица 2. Теплотворная способность топлива

Таким образом, по величине Q_Н различают 3 группы топлива:

- высококалорийное - Q_Н > 42000 кДж/кг (сжиженный газ, бензин, дизтопливо, керосин);

- среднекалорийное - Q_Н = 25000 - 42000 кДж/кг (природный газ, мазут, каменный уголь и пр.);

- низкокалорийное - Q_Н < 25000 кДж/кг (бурый уголь, древесина, сланцы и пр.).

Практическая ценность топлива определяется количеством теплоты, выделяющейся при его полном сгорании. Так, при сжигании 1 кг древесины выделяется теплота, равная 10,2 МДж, каменного угля - 22 МДж, бензина - 44 МДж. Эта величина прямо зависит от содержания в топливе углерода и водорода и обратно - от содержания кислорода и азота.

Другая важнейшая характеристика топлива - его жаропроизводительность, оцениваемая значением максимальной температуры, какую теоретически можно получить при полном сгорании топлива в воздухе. При сгорании дров, например, максимальная температура не превышает 1600єС, каменного угля - 2050єС, бензина - 2100єС.

Доля топлива в общей структуре энергоресурсов, потребляемых человечеством, преобладает примерно с начала нашей эры. До 1970-х гг. на первом месте был уголь, сейчас это положение заняла нефть. По-видимому, в обозримом будущем ведущая роль останется за природным топливом.

Для сопоставления запасов различных видов топлива и уровня его использования применяют так называемое условное топливо (у.т.), удельная теплота сгорания которого равна 7000 ккал/кг (29,3 МДж/кг) Ї что соответствует низшей теплотворной способности чистого антрацита.

По существу все добываемое топливо сжигается, лишь около 10% нефти и газа перерабатываются химической промышленностью. Наибольшее количество топлива расходуется на тепловых электростанциях (ТЭС), в различного рода тепловых двигателях, на технологические нужды (Например, при выплавке металла, для нагрева заготовок в кузнечных и прокатных цехах), а также на отопление жилых, общественных и производственных помещений.

Основной недостаток природного топлива - его крайне медленная восполняемость. Существующие ныне запасы были образованы десятки и сотни миллионов лет назад. В то же время добыча топлива непрерывно увеличивается, что в будущем может привести к серьезному глобальному энергетическому кризису. С 1970-х гг. в мире произошел переход к другим принципам потребления ресурсов вообще и топлива в частности.

Человечество должно переориентироваться на другие энергоресурсы, прежде всего на огромные гидроресурсы Земли.

Все процессы добычи, переработки и транспортировки топлива охватывает топливная промышленность, которая является составной частью топливно-энергетического комплекса (ТЭК). Все отрасли ТЭК взаимосвязаны. Чтобы учитывать пропорции в добыче различных видов топлива, его распределении и использовании в стране, применяют топливные балансы - таблицы, выражающие соотношения добычи различных видов топлива и их использованием в хозяйстве. Топливные балансы составляются, как правило, на основе единицы условного топлива. В топливном балансе СССР до 1990 г. лидировала нефть, с 1990 г. на первое место вышел газ. Эта ситуация сохраняется до сих пор, а газ является основным экспортным продуктом России.

2. Теплотехническая оценка топлива

Для оценки эффективности использования топлив в парогенераторах важными теплотехническими характеристиками топлив являются: содержание и состав минеральных примесей, влажность, выход летучих, свойства коксового остатка и величина теплоты сгорания. Определение этих характеристик входит в технический анализ топлива. Свойства топлива как горючего материала зависят от его химического состава, который определяется элементарным химическим анализом.

1. Минеральные примеси топлива

В твердом топливе значительную часть примесей составляют внешние примеси. Поэтому содержание минеральных примесей даже в одном и том же виде топлива может сильно колебаться. Основными минеральными примесями являются: силикаты (кремнезем Si2, глинозем А1203, глина), сульфиды (преимущественно FeS2), карбонаты (СаСО3, MgC3, FeC3), сульфаты (CaS4, MgS04), закиси и окиси металлов, фосфаты, хлориды, соли щелочных металлов.

В процессе горения в среде высоких температур в минеральных примесях топлива происходят физические и химические преобразования. По мере повышения температуры топлива гипс и силикаты теряют свою кристаллизационную влагу.

2. Балласт топлива

Негорючие минеральные примеси и влага являются внешним балластом твердого топлива. Своим присутствием минеральные примеси и влага уменьшают содержание горючей массы в единице массы рабочего топлива; кроме того, при сжигании топлива на испарение влаги затрачивается определенное количество тепла. Поэтому с увеличением зольности и влажности уменьшается теплота сгорания топлива, увеличивается его расход у потребителя, соответственно увеличиваются расходы на добычу и перевозку.

По происхождению различают три вида минеральных примесей.

Первичные примеси в составе материнского вещества перешли в топливо из углеобразователей. Эти примеси связаны с органической массой топлива. По количеству их обычно немного, они равномерно распределены по всей массе топлива и не могут быть удалены из него.

Некоторое количество примесей внесено в топливо в процессе углеобразования как наносы ветром и водой. Эти примеси, называемые вторичными, распределены в топливе менее равномерно, иногда встречаются в виде тонких прослоек. Первичные и вторичные минеральные примеси являются внутренними примесями топлива.

Третичные примеси попадают в топливо в виде породы при его добыче от внешнего минерального окружения вырабатываемого пласта и распределены в топливе неравномерно, сравнительно легко отделяются и являются внешними примесями.

3. Зола топлива

Твердый негорючий остаток, получающийся после завершения преобразований в минеральной части топлива в процессе его горения, называют золой. Выход газифицирующейся части примесей уменьшает массу золы по отношению к исходным минеральным примесям топлива, а некоторые реакции, например окисление железного колчедана, приводят к его увеличению. Обычно масса золы немного меньше массы минеральных примесей в топливе, лишь в горючих сланцах вследствие разложения содержащихся в них карбонатов золы получается значительно меньше по сравнению с массой минеральных примесей.

В топочной камере при высоких температурах часть золы расплавляется, образуя раствор минералов, который называется шлаком. Из топки шлаки удаляются в жидком или гранулированном состоянии.

Для оценки степени засоренности горючей массы топлива зольность относят к его сухой массе, выражая ее в процентах. Зольность определяется сжиганием предварительно высушенной пробы топлива определенной массы в платиновом тигле и прокаливанием до постоянной массы (твердых топлив при температуре 800±25°С, а жидких топлив - 500°С). Зольность топлива изменяется от долей процента в мазуте и древесине до 40-60% в сланцах. Зола, образующаяся при сгорании топлива при высоких температурах и кратком времени пребывания в топочной камере, по своему химико-минералогическому составу отличается от золы, образующейся при анализе на зольность сжиганием топлива в лабораторных условиях.

Важными свойствами золы являются ее абразивность и характеристики плавкости. Зола с высокой абразивностью вызывает сильный износ конвективных поверхностей нагрева парогенераторов.

4. Влага топлива

Влагу топлива подразделяют на две части: внешнюю и внутреннюю.

При добыче топлива, транспортировке и хранении в него попадают подземные и грунтовые воды, влага из атмосферного воздуха, вызывая поверхностное увлажнение кусков топлива. С уменьшением размера кусков удельная поверхность топлива увеличивается и увеличивается количество удерживаемой ею внешней влаги. Ко внешней также относится капиллярная влага, т.е. влага, заполняющая капилляры и поры, сильно развитые в торфе и бурых углях. Внешняя влага может быть удалена механическими средствами и тепловой сушкой.

Ко внутренней относят коллоидную и гидратную влагу. Коллоидная влага является составной частью топлива. В его массе она распределяется очень равномерно. Количество коллоидной влаги зависит от химической природы и состава топлива и содержания влаги в атмосферном воздухе. По мере увеличения степени углефикации топлива содержание коллоидной влаги падает. Много коллоидной влаги в торфе, меньше в бурых углях и мало в каменных углях и антрацитах. Гидратная или кристаллизационная влага химически связана с минеральными примесями топлива, главным образом сернокислым кальцием и алюмосиликатом. Гидратной влаги в топливе содержится мало, она становится заметной в многозольных топливах. При подсушке испаряется часть коллоидной влаги, но практически не изменяется содержание гидратной влаги. Последняя может быть удалена лишь при высоких температурах.

Влажность рабочей массы различных топлив колеблется в широких пределах. Для определения влажности топлива готовят лабораторную пробу измельчением топлива до кусочков размером 3 мм и меньше. Пользуются и аналитической пробой, подготовленной из лабораторной измельчением ее частиц до размеров меньше 100 мкм и подсушкой до воздушно-сухого состояния. Влажность рабочего топлива определяют сушкой лабораторной пробы при температуре около 105°С до достижения ею постоянной массы. Аналитическую влагу определяют тем же методом сушкой аналитической пробы топлива.

Повышенная влажность приводит к снижению теплоты сгорания топлива и увеличению его расхода, к увеличению объема продуктов сгорания, а следовательно, потерь тепла с уходящими газами и затрат на удаление их из парогенератора. Кроме того, высокая влажность способствует выветриванию и самовозгоранию твердого топлива при его хранении. С повышением влажности ухудшается сыпучесть твердых топлив. В зимнее время высокая влажность может вызвать смерзаемость топлива, нарушающую нормальную работу устройств топливоподачи с резким уменьшением подачи топлива.

5. Выход летучих и свойства кокса

Одними из наиболее важных теплотехнических характеристик топлив являются величина выхода летучих и свойства коксового остатка.

При нагревании твердых топлив происходит распад термически нестойких сложных, содержащих кислород углеводородистых соединений горючей массы с выделением горючих газов: водорода, углеводородов, окиси углерода и негорючих газов - углекислоты и водяных паров. Выход летучих веществ определяют нагреванием пробы воздушно-сухого топлива в количестве 1 г без доступа воздуха при температуре 850°С в течение 7 мин. Выход летучих, определенный как уменьшение массы пробы испытываемого топлива за вычетом содержащейся в нем влаги, относят к горючей массе топлива.

У разных топлив состав и теплота сгорания летучих веществ различны. По мере увеличения химического возраста топлива содержание летучих веществ уменьшается, а температура их выхода увеличивается. При этом вследствие уменьшения количества инертных газов теплота сгорания летучих веществ увеличивается. Для сланцев выход летучих составляет 80-90% от горючей массы; торфа - 70%. Для бурых углей - 30-60%, каменных углей марок Г и Д - 30-50%. У тощих углей и антрацитов выход летучих мал и соответственно равняется 11-13 и 2-9%. Поэтому содержание летучих веществ и их состав могут быть приняты в качестве признаков степени углефикации топлива, его химического возраста.

После отгонки летучих веществ из топлива образуется так называемый коксовый остаток. При содержании в угле битуминозных веществ, которые при нагревании переходят в пластическое состояние или расплавляются, порошкообразная проба угля, испытываемого на содержание летучих, может спекаться и вспучиваться. Способность топлива при термическом разложении образовывать более или менее прочный кокс называется спекаемостью. Торф, бурые угли и антрацит дают порошкообразный кокс. Каменные угли с выходом летучих 42-45% и тощие угли с выходом летучих менее 17% дают порошкообразный или слипшийся коксовый остаток.

Угли, образующие спекшийся коксовый остаток, являются ценным технологическим топливом и используются в первую очередь для производства металлургического кокса. Кокс в виде спекшегося или сплавленного остатка получается нагреванием измельченного до размеров 3-3,5 мм угля при температуре 1000°С без доступа воздуха. Свойства кокса зависят от состава органических соединений горючей массы топлива и содержания летучих веществ в нем.

6. Коэффициент использования тепла топлива

В общем случае не все тепло, выделяющееся при сгорании топлива, используется по назначению. Так, при работе парогенератора часть тепла Q₁ расходуется на производство пара, а другая - теряется с уходящими газами, шлаком, передается в окружающую среду процессами теплообмена или вовсе не используется из-за химического и механического недожога топлива[5]. Поэтому отношение Q₁ к низшей теплоте сгорания топлива Q_Н^р называется коэффициентом полезного действия парогенератора, который по своей физической сущности является коэффициент использования тепла топлива.

Будем называть отношение количества теплоты, использованного по назначению, к выделившейся при этом низшей теплоты сгорания топлива коэффициентом использования тепла топлива.

топливо энергия теплота балласт

3. Уровень и структура потребления топлива

Несмотря на огромное разнообразие видов топлива, основными источниками энергии остаются нефть, природный газ и уголь. Положение дел 100 лет назад было освещено Менделеевым. Первые два ископаемых топлива исчерпаемы в ближайшем будущем. Нефтяные топлива обладают особой ценностью для транспортных средств (основных потребителей энергии), в силу удобства перевозки, поэтому в настоящий момент ведутся исследования по использованию угля для выработки жидких топлив, в том числе и моторных. Также огромны запасы ядерного топлива, однако его использование накладывает высокие требования к безопасности, высокие затраты на подготовку, эксплуатацию и утилизацию топлива и попутных материалов.

Основная трудность использования угля состоит в высоком уровне выбросов от сжигания угля - газообразных и твёрдых (зола). В большинстве развитых стран, включая Россию, действуют жёсткие требования по уровню выбросов, допустимых при сжигании угля. В странах ЕС используются жёсткие штрафные санкции к ТЭЦ, превышающим нормы (вплоть до 50 евро за каждый выработанный МВт*ч электроэнергии). Выходом из ситуации является использование различных фильтров (например, электрофильтров) в газоходах котлов, либо сжигание угля в виде водоугольных суспензий (Водоугольное топливо). В последнем случае из-за более низкой температуры горения угля существенно (до 70%) снижаются выбросы оксидов Nx (температурный Nx). Зола, получаемая от сжигания угля, в ряде случаев может быть использована в строительной индустрии. Ещё в СССР были разработаны ГОСТы, предусматривающие добавку золы в шлакопортландцементы. Трудностью использования золы является то, что удаление золы происходит в большинстве случаев путём гидрозолоудаления, что затрудняет её погрузку для дальнейшей транспортировки и использования.

Наука тоже не стоит на месте: разрабатываются новые виды топлива. Интересным нововведением являются топливные гранулы (пемллеты) - биотопливо, получаемое из торфа, древесных отходов и отходов сельского хозяйства. Представляет собой цилиндрические гранулы стандартного размера. Сырьём для производства гранул могут быть торф, балансовая (некачественная) древесина и древесные отходы: кора, опилки, щепа и другие отходы лесозаготовки, а также отходы сельского хозяйства: отходы кукурузы, солома, отходы крупяного производства, лузга подсолнечника и т.д. Топливные гранулы - экологически чистое топливо с содержанием золы не более 3%. При сжигании гранул в атмосферу выбрасывается ровно столько СО2, сколько было поглощено растением во время роста. Однако, если в месте произрастания сырья окружающая среда содержит токсины или радиоактивные вещества, то при сжигании гранул эти вещества могут быть распылены в атмосферу.

Гранулы менее подвержены самовоспламенению, так как не содержат пыли и спор, которые также могут вызывать аллергическую реакцию у людей.

Гранулы отличаются от обычной древесины высокой сухостью (8-12% влаги против 30-50% в дровах) и большей - примерно в полтора раза - плотностью. Эти качества обеспечивают высокую теплотворную способность по сравнению со щепой или дровами - при сгорании тонны гранул выделяется приблизительно 5 тыс. кВт·ч тепла, что в полтора раза больше, чем у обычных дров.

Низкая влажность - это не только преимущество гранул как топлива, но и проблема их производства. Сушка может оказаться одной из основных статей расходов при производстве топливных материалов из отходов деревообработки. Кроме того, в зависимости от производства, сбор, сортировка и очистка сырья также могут повлечь дополнительные затраты. Процесс сушки важно тщательно спланировать, что позволит уменьшить риски, связанные с качеством готовой продукции, её себестоимостью и пожароопасностью производства. Лучшим вариантом является производство биотоплива из сухой стружки.

Одно из важнейших преимуществ гранул - высокая и постоянная насыпная плотность, позволяющая относительно легко транспортировать этот сыпучий продукт на большие расстояния. Благодаря правильной форме, небольшому размеру и однородной консистенции продукта гранулы можно пересыпать через специальные рукава, что позволяет автоматизировать процессы погрузки-разгрузки и также сжигания этого вида топлива.

Заключение

За период с 1985 по 2005 гг. мировое энергопотребление возросло на 30% (и этот рост, по-видимому, продолжится в связи ростом потребности бурно развивающихся стран азиатского региона). В развитых странах за тот же период сильно изменилась структура потребления - произошло замещение части угля более экологичным газом (Европа и прежде всего Россия, где доля газа в потреблении составила до 40%), а также возросла с 4% до 10% доля атомной энергии.

После приведения цифр стоит указать пример Австралии, в балансе которой солнечная энергетика занимает около 30%. Эту долю потребляет солевая промышленность, вырабатывающая продукцию естественным испарением на солнце.

Список источников

1. З.Ф. Немцев, Г.В. Арсеньев. Теплоэнергетические установки и теплоснабжение: учебное пособие для втузов. - М.: Энергоиздат, 1982.

2. Электронный ресурс http://ru.wikipedia.rg/wiki/Топливо

Размещено на Allbest.ru