Состав и компоненты топлива

Лекция № 2 Состав и компоненты топлива.

Состав топлива.

При изучении того или иного конкретного вида топлива его подвергают анализу, в результате которого узнают состав топлива. Используют три метода анализа: 1) элементарный химический анализ; 2) технический анализ; 3) вещественный анализ.

Как уже было сказано все виды топлива представляют собой химическую или механическую комбинацию углерода с водородом. Кроме этих горючих элементов, в топливе могут находиться различного рода негорючие примеси, попавшие в топливо в процессе его образования в природных условиях и процессе добычи. Сюда прежде всего нужно отнести минеральные примеси, которые принято называть “золой” (А) и влагу (W). Зола и влага являются балластом топлива. Роль балласта в топливе могут играть азот (N₂) и углекислый газ (СО₂). В топливе может содержаться кислород (О₂) и его соединения (СО₂, Н₂О и др.), и, следовательно, входит в состав балласта топлива.

Состав газообразного топлива.

Газообразное топливо состоит из горючих и негорючих компонентов. К горючим компонентам газовой смеси относятся: окись углерода (СО), водород (Н₂), углеводороды (С_mН_n), сероводород (Н₂S). К негорючим компонентам относятся: углекислый газ (СО₂), азот (N₂), сернистый газ (SO₂), водяной пар (Н₂О), кислород (О₂). Различают сухой и влажный газ (рабочий газ). В первом случае при каждом компоненте ставят значок “с”, а во втором - “в” или “р”.

Химическим анализом определяют вещественный состав практически сухого газа в объемных процентах, т.к. при взятии пробы газа с высокой температурой происходит его охлаждение и водяные пары конденсируются до поступления в газоанализатор. Влажность газа (коэффициент влажности) выражают чаще всего количеством граммов влаги, приходящимся на 1 м³ сухого газа при температуре 0^оС и давлении 101 кПа и обозначают буквой f.

Коэффициент пересчета с сухого газа на влажный определяется по формуле

Рекомендуемые материалы

К_с-в =  ,                                                          (2.1)

где  - удельный объем влаги, м³/г.

Коэффициент К_с-в может быть также определен по известному объемному процентному содержанию водяных паров во влажном газе, %

К_с-в =                                                            (2.1а)

Объемный процент водяных паров во влажном газе может определятся по формуле

 %,                                                          (2.2)

где 803,6 - плотность водяных паров, г/м³ при 0 ^оС

После пересчета состава сухого газа на влажный сумма всех составляющих, включая водяные пары, должна быть равной 100%

Состав твердого и жидкого топлива

Различают технический и элементарный состав твердого и жидкого топлива. Технический анализ предшествует элементарному и доступен любой заводской лаборатории, а полученные данные являются достаточно надежными характеристиками для контроля качества топлива.

Технический состав. Для проведения технического анализа изготовляют лабораторную и аналитическую пробы. Аналитическая проба отличается меньшим размером частиц и большей точностью их взвешивания.

Во время технического анализа определяют: содержание влаги, золы, выход летучих веществ (Л) и выход нелетучего остатка - кокса (К). Для определения влажности часть пробы (1¸2 г) высушивают в сушильном шкафу при температуре 102¸105 ^оС до постоянной массы. Изменение в массе, вычисленное в процентах, представляет собой содержание влаги W^p. Для определения количества золы тигель с навеской топлива прокаливаются в окислительной среде при t = 800 ^oC до тех пор, пока масса негорючего остатка (золы) не окажется постоянной. Для определения выхода летучих навеску сухого топлива (»1г) помещают в фарфоровый тигель с притертой крышкой и нагревают при t=850 ^oC в электрической печи без доступа воздуха в течение 7 мин. Летучие вещества, образующиеся в результате термического разложения топлива, выходят через неплотность между тиглем и крышкой. После нагревания тигель охлаждают и взвешивают. За выход летучих веществ принимают потерю в массе, вычисленную в процентах от навески топлива. Остаток в тигле после удаления летучих веществ представляет собой кокс. Кроме того при анализе твердого топлива определяют также содержание серы и теплоту сгорания. Методика анализа жидкого топлива, в особенности определения влаги и серы, сложнее, чем твердого. При анализе жидкого топлива определяют также вязкость и температуру застывания.

Элементарный химический состав. Сущность элементарного анализа состоит в сжигании определенного количества топлива в струе кислорода и поглощении продуктов сгорания специальными поглотителями. Содержание каждого элемента топлива в % по массе определяют взвешиванием поглотителя  до и после опыта соответствующим расчетом. Результаты расчета представляют в виде табл. 2.1

Таблица 2.1-Результаты элементарного химического анализа

Пересчет состава топлива с одной какой-либо его массы на другую производят при помощи коэффициентов приведенных в табл. 2.2

Для суждения о реальном составе топлива нужно знать его рабочий состав.

Таблица 2.2-Коэффициенты для пересчета элементарного состава топлива

Компоненты топлива.

Углерод является наиболее важной горючей составной частью топлива. Углерод в топливе может находиться в форме разнообразных соединений с водородом, кислородом, азотом и серой. Эти соединения могут подвергаться естественному разложению в природных условиях и искусственному разложению при нагревании топлива без доступа воздуха. В результате получаются соединения приближающиеся к чистому углероду и содержащие в своей органической части водород, кислород, азот и серу в ничтожных количествах (антрацит, кокс, древесный уголь).

В органической части различных твердых топлив содержание углерода колеблется от 50 % в древесине до 95 % в антраците. В различных сортах жидкого топлива содержится 85¸90 % углерода и 10¸15 % водорода.

Окись углерода входит в состав газообразного топлива. Наибольшее количество ее содержится в доменном и генераторном газах (25¸35 %) в коксовом газе содержится примерно 6¸10 %, а в природном газе заметны лишь следы окиси углерода. Окись углерода способна вступать в соединение с гемоглобином крови.

Водород в топливе может находиться в свободном виде, а также в виде различных соединений с углеродом, серой и кислородом. Водород с углеродом и серой образуют непрочные соединения и дает при сгорании тепла примерно в таком же количестве, как и свободный. Водород, связанный с кислородом, остается инертным при горении, следовательно, является балластом топлива, причем условно считают, что весь кислород топлива связан с водородом в виде воды.

Общее содержание водорода в естественном твердом топливе колеблется в пределах 1¸6 %, в жидком - 10¸15 %, а в газообразном может достигать 60% (коксовый газ). Наибольшее количество свободного водорода содержится в коксовом газе, наименьшее в доменном и генераторном газах.

Углеводороды.

Естественные виды топлива, являясь продуктами органического мира, содержат соединения углерода, водорода и кислорода. Углерод и водород склоны вступать в прочные химические соединения между собой. Атомы углерода способны соединяться друг с другом, образуя “углеродный скелет” молекулы. Каждый атом углерода играет роль звена в углеродной цепи. Атом углерода может образовать 4 химические связи, из которых обычно 2 связи идут на образование углеродной цепи, а остальные могут быть заняты атомами водорода. Между атомами углерода могут быть двойные и тройные связи.

Углеводороды получают свои названия в зависимости от строения молекул.

Алканы (парафины) имеют молекулу с общей формулой C_nH_2n+2 (метан CH₄, этан C₂H₆, пропан C₃H₈, бутан C₄H₁₀ и т.д). Углеводороды метанового ряда являются основными составляющими естественного газообразного топлива, а также входят в состав некоторых видов нефти.

Алкены (олефины) имеют молекулу с общей формулой C_nH_2n (этилен иначе этен C₂H₄, пропилен C₃H₆, бутен C₄H₈ и т.д).

Алкины имеют молекулу с общей формулой C_nH_2n-2 (ацетилен иначе этин C₂H₂, пропин C₃H₄, бутин C₄H₆ и т.д).

Углеводороды могут окисляться, т.е. вступать в соединение с кислородом, в результате чего образуются вещества: спирты, эфиры, альдегиды, карбоновые кислоты, углеводы в виде сахаридов, крахмал, клетчатка или целлюлоза.

Бесплатная лекция: "35 Охлаждаемые витрины" также доступна.

Кислород в топливе находится, как правило, в прочных химических соединениях с горючими элементами и является балластом. В твердом топливе содержание кислорода достигает 44% (в древесине), в жидком до 1,5%, а в газообразном топливе содержание свободного кислорода незначительно до 0,5%.

Азот является негорючей составной частью топлива и, следовательно, представляет собой балласт. Содержание азота в твердых и жидких топливах весьма незначительно (0,5¸1%). Иначе обстоит дело с газообразными топливами, где азот в свободном состоянии может содержаться в больших количествах (60% в доменном газе).

Сера в твердом топливе может содержаться в трех видах: в виде органических соединений с углеродом, водородом, азотом и кислородом (S_o); в виде сернистого соединения (железный колчедан) - называется колчеданной (S_к); в виде сернокислых сульфатных соединений CaSO₄, FeSO₄ и т.д. - называется сульфатной (S_с). При нагревании топлива без доступа воздуха (при сухой перегонки) вся органическая и колчеданная сера улетучивается - такую серу называют летучей. При горении летучей серы выделяется тепло в значительных количествах. Присутствие серы в топливе нежелательно по следующем причинам: сернистый газ разъедает металлические части топки, а выброшенный в атмосферу вредно действует на растительный и животный мир; при нагревании или плавлении металла часть серы может переходить в металл, резко снижая его качество. Содержание серы в различных видах топлива колеблется от десятых долей процента в газообразном топливе до нескольких процентов в твердом.

Зола топлива является балластом. В состав золы входят кислотные окислы (SiO₂, Al₂O₃) основные окислы (CaO, MgO, FeO, Fe₂O₃, Na₂O, K₂O и др.). Зола входит главным образом в состав твердого топлива. Жидкое топливо содержит мало золы, а газообразное топливо может содержать немного минеральной пыли.

Влага, являясь балластом топлива, способствует самовозгоранию твердого топлива в процессе хранения и его смерзанию в зимнее время. Различают влагу внешнюю и внутреннюю. Количество внешней влаги зависит от атмосферных условий. Внешняя влага удаляется при естественной подсушке топлива (без подогрева).

Внутренняя влага включает в себя гигроскопическую и гидратную влагу. Гигроскопическая влажность иначе называется влажностью аналитической пробы. Эта влага удаляется из топлива при нагревании его до 105 ^оС. В золе содержится гидратная влага, входящая в состав различных химических соединений. Эта влага удаляется при температуре порядка 400¸500 ^оС в процессе нагревания топлива.