Что такое топливо?
Это один компонент либо смесь веществ, которые способны к химическим превращениям, связанным с выделением тепла. Разные виды топлива отличаются количественным содержанием в них окислителя, который применяется для выделения тепловой энергии.
В широком смысле топливо является энергоносителем, то есть, потенциальным видов потенциальной энергии.
Классификация
В настоящее время виды топлива подразделяют по агрегатному состоянию на жидкое, твердое, газообразное.
К твердому природному виду причисляют каменный и дрова, антрацит. Брикеты, кокс, термоантрацит это разновидности искусственного твердого топлива.
К жидкостям причисляются вещества, имеющие в составе вещества органического происхождения. Основными их компонентами являются: кислород, углерод, азот, водород, сера. Искусственным жидким топливом будут разнообразные смолы, мазут.
Является смесью разнообразных газов: этилена, метана, пропана, бутана. Помимо них в составе газообразного топлива есть углекислый и угарный газы, сероводород, азот, водяной пар, кислород.
Показатели топлива
Основной показатель сгорания. Формула для определения теплотворной способности рассматривается в термохимии. выделяют «условного топлива», которое подразумевает теплоту сгорания 1 килограмма антрацита.
Бытовое печное топливо предназначается для сжигания в отопительных устройствах незначительной мощности, которые находятся в жилых помещениях, теплогенераторах, применяемых в сельском хозяйстве для сушки кормов, консервирования.
Удельная теплота сгорания топлива - это такая величина, что демонстрирует количество теплоты, которое образуется при полном сгорании топлива объемом 1 м 3 либо массой один килограмм.
Для измерения этой величины используют Дж/кг, Дж/м 3 , калория/м 3 . Чтобы определить теплоту сгорания, используют метода калориметрии.
При увеличении удельной теплоты сгорания топлива, снижается удельный расход топлива, а коэффициент полезного действия остается неизменной величиной.
Теплота сгорания веществ является количеством энергии, выделяющейся при окислении твердого, жидкого, газообразного вещества.
Она определяется химическим составом, а также агрегатным состоянием сгораемого вещества.
Особенности продуктов сгорания
Высшая и низшая теплота сгорания связана с агрегатным состоянием воды в получаемых после сгорания топлива веществах.
Высшая теплота сгорания это количество теплоты, выделяемое при полном сгорании вещества. В эту величину включают и теплоту конденсации водяного пара.
Низшая рабочая теплота сгорания является той величиной, что соответствует выделению тепла при сгорании без учета теплоты конденсации водяных паров.
Скрытой теплотой конденсации считают величину энергии конденсации водяного пара.
Математическая взаимосвязь
Высшая и низшая теплота сгорания связаны следующим соотношением:
Q B = Q H + k(W + 9H)
где W - количество по массе (в %) воды в горючем веществе;
H-количество водорода (% по массе) в горючем веществе;
k - коэффициент, составляющий величину 6 ккал/кг
Способы проведения вычислений
Высшая и низшая теплота сгорания определяется двумя основными методами: расчетным и экспериментальным.
Для проведения экспериментальных вычислений применяют калориметры. Сначала сжигают в нем навеску топлива. Теплота, которая будет при этом выделяться, полностью поглощается водой. Имея представление о массе воды, можно определить по изменению ее температуры, величину ее теплоты сгорания.
Данная методика считается простой и эффективной, она предполагает только владение информацией о данных технического анализа.
В расчетной методике высшая и низшая теплота сгорания вычисляется по формуле Менделеева.
Q p H = 339C p +1030H p -109(O p -S p) - 25 W p (кДж/ кг)
Оно учитывает содержание углерода, кислорода, водорода, водяного пара, серы в рабочем составе (в процентах). Количество теплоты при сгорании определяется с учетом условного топлива.
Теплота сгорания газа позволяет проводить предварительные расчеты, выявлять эффективность применения определенного вида топлива.
Особенности происхождения
Для того чтобы понять, сколько теплоты выделяется при сгорании определенного топлива, необходимо иметь представление об его происхождении.
В природе есть разные варианты твердого топлива, которые отличаются между собой составом и свойствами.
Его образование осуществляется через несколько стадий. Сначала образуется торф, затем получается бурый и каменный уголь, потом формируется антрацит. В качестве основных источников образования твердого топлива выступают листья, древесина, хвоя. Отмирая, части растений при воздействии воздуха, разрушаются грибками, образуют торф. Его скопление превращается в бурую массу, потом получается бурый газ.
При высоком давлении и температуре, бурый газ переходит в каменный уголь, потом топливо накапливается в виде антрацита.
Помимо органической массы, в топливе есть дополнительный балласт. Органической считают ту часть, что образовалась из органических веществ: водорода, углерода, азота, кислорода. Помимо этих химических элементов, в его составе есть балласта: влага, зола.
Топочная техника предполагает выделение рабочей, сухой, а также горючей массы сжигаемого топлива. Рабочей массой называют топливо в исходном виде, поступающем к потребителю. Сухая масса - это состав, в котором отсутствует вода.
Состав
Самыми ценными компонентами считаются углерод и водород.
Эти элементы содержатся в любом виде топлива. В торфе и древесине процентное содержание углерода достигает 58 процентов, в каменном и буром угле - 80%, а в антраците оно достигает 95 процентов по массе. В зависимости от этого показателя меняется количество теплоты, выделяемой при сгорании топлива. Водород это второй по важности элемент любого топлива. Связываясь с кислородом, он образует влагу, которая существенно снижает тепловую ценность любого топлива.
Его процентное содержание колеблется от 3,8 в горючих сланцах до 11 в мазуте. В качестве балласта выступает кислород, входящий в состав топлива.
Он не является теплообразующим химическим элементом, поэтому негативно отражается на величине теплоты его сгорания. Сгорание азота, содержащегося в свободном либо связанном виде в продуктах сгорания, считается вредными примесями, поэтому его количество четко лимитируется.
Сера входит в состав топлива в виде сульфатов, сульфидов, а также в качестве сернистых газов. При гидратации оксиды серы образуют серную кислоту, которая разрушает котельное оборудование, негативно воздействует на растительность и живые организмы.
Именно поэтому сера является тем химическим элементом, присутствие которого в природном топливе является крайне нежелательным. При попадании внутрь рабочего помещения, сернистые соединения вызывают существенные отравления обслуживающего персонала.
Выделяют три вида золы в зависимости от ее происхождения:
- первичную;
- вторичную;
- третичную.
Первичный вид формируется из минеральных веществ, которые содержатся в растениях. Вторичная зола образуется как результат попадания во время пластообразования растительных остатков песком и землей.
Третичная зола оказывается в составе топлива в процессе добычи, хранения, а также его транспортировки. При существенном отложении золы происходит уменьшение теплопередачи на поверхности нагрева котельного агрегата, снижает величину теплопередачи к воде от газов. Огромное количество золы негативно отражается на процессе эксплуатации котла.
В заключение
Существенное влияние на процесс горения любого вида топлива оказывают летучие вещества. Чем больше их выход, тем объемнее будет объем фронта пламени. Например, каменный уголь, торф, легко загораются, процесс сопровождается незначительными потерями тепла. Кокс, который остается после удаления летучих примесей, в своем составе имеет только минеральные и углеродные соединения. В зависимости от особенностей топлива, величина количества теплоты существенно изменяется.
В зависимости от химического состава выделяют три стадии формирования твердого топлива: торфяную, буроугольную, каменноугольную.
Натуральную древесину применяют в небольших котельных установках. В основном используют щепу, опилки, горбыли, кору, сами дрова применяют в незначительных количествах. В зависимости от породы древесины величина выделяемой теплоты существенно изменяется.
По мере снижения теплоты сгорания, дрова приобретают определенные преимущества: быструю воспламеняемость, минимальную зольность, отсутствие следов серы.
Достоверная информация о составе природного либо синтетического топлива, его теплотворной способности, является отличным способом проведения термохимических вычислений.
В настоящее время появляется реальная возможность выявления тех основных вариантов твердого, газообразного, жидкого топлива, которые станут самыми эффективными и недорогими в использовании в определенной ситуации.
Кроме основных компонентов, уголь содержит различные негорючие золообразующие добавки, «породу». Зола
загрязняет окружающую среду и спекается в шлак на колосниках, что затрудняет горение угля. Кроме того, наличие породы уменьшает удельную теплоту сгорания угля. В зависимости от сорта и условий добычи количество минеральных веществ различается очень сильно, зольность каменного угля около 15% (10–20%).
Еще один вредный компонент угля - сера
. В процессе сгорания серы образуются окислы, которые в атмосфере превращаются в серную кислоту. Содержание серы в угле, который мы поставляем покупателям через сеть своих представителей, около 0,5%, это весьма низкое значение, значит, экологию Вашего дома удастся сохранить.
Основной показатель любого топлива - удельная теплота сгорания
. Для угля этот показатель составляет:
Указанные цифры относятся к угольному концентрату. Реальные цифры могут существенно отличаться. Так, для рядового каменного угля, который можно купить на угольных складах, указывается значение 5000-5500 ккал/кг. Мы в своих расчетах используем 5300 ккал/кг.
Плотность угля от 1 до 1,7 (каменный уголь - 1,3–1,4) г/см 3 в зависимости от вида и содержания минеральных веществ. В технике используют также «насыпную плотность», она составляет около 800-1 000 кг/м 3 .
Виды и сорта угля
Уголь классифицируется по многим параметрам (география добычи, химический состав), но с «бытовой» точки зрения, покупая уголь для использования в печах, достаточно разобраться в маркировке и возможности использования в Термороботе.
По степени углефикации выделяют три вида угля: бурый , каменный и антрацит. Используют следующую систему обозначений угля: Сорт = (марка) + (класс крупности).
Кроме основных марок, приведенных в таблице, выделяют также промежуточные марки каменного угля: ДГ (длиннопламенно-газовые), ГЖ (газовые жирные), КЖ (коксовые жирные), ПА (полуантрациты), бурые угли также делятся по группам.
Коксующиеся марки угля (Г, кокс, Ж, К, ОС) в теплоэнергетике практически не используются, так как они являются дефицитным сырьем для коксохимической промышленности.
По классу крупности (размеру кусков, фракции) сортовой каменный уголь подразделяется на:
Кроме сортового угля в продаже присутствуют совмещенные фракции и отсевы (ПК, КО, ОМ, МС, СШ, МСШ, ОМСШ). Размер угля определяют исходя из меньшего значения самой мелкой фракции и большего значения самой крупной фракции, указанных в названии марки угля.
Например, фракция ОМ (М - 13–25, О - 25-50) составляет 13–50 мм.
Кроме указанных сортов угля в продаже можно встретить угольные брикеты, которые прессуют из низкообогащенного угольного шлама.
Как горит уголь
Уголь состоит из двух горючих компонентов: летучие вещества и твердый (коксовый) остаток .
На первом этапе горения выделяются летучие вещества; при избытке кислорода они быстро сгорают, давая длинное пламя, но малое количество тепла.
После этого выгорает коксовый остаток; интенсивность его горения и температура воспламенения зависит от степени углефикации, то есть, от вида угля (бурый, каменный, антрацит).
Чем выше степень углефикации (самая высокая она у антрацита), тем выше температура воспламенения и теплота сгорания, но ниже интенсивность горения.
Уголь марок Д, Г
Из-за высокого содержания летучих веществ такой уголь быстро разгорается и быстро сгорает. Уголь этих марок доступен и пригоден практически для всех видов котлов, однако для полного сгорания этот уголь должен подаваться маленькими порциями, чтобы выделяющиеся летучие вещества успевали полностью соединяться с кислородом воздуха. Полное сгорание угля характеризуется желтым пламенем и прозрачными дымовыми газами; неполное сгорание летучих веществ дает багровое пламя и чёрный дым.
Для эффективного сжигания такого угля процесс должен постоянно контролироваться, такой режим работы реализован в автоматической котельной Терморобот.
Уголь марок А
Разжечь его труднее, зато он горит долго и выделяет намного больше тепла. Уголь можно загружать большими партиями, так как в них горит преимущественно коксовый остаток, нет массового выделения летучих веществ. Очень важен режим поддува, так как при недостатке воздуха горение происходит медленно, возможно его прекращение, либо, напротив, чрезмерное повышение температуры, приводящее к уносу тепла и прогоранию котла.
Всякое топливо, сгорая, выделяет теплоту (энергию), оцениваемую количественно в джоулях или в калориях (4,3Дж = 1кал). На практике для измерения количества теплоты, которое выделится при сгорании топлива, пользуются калориметрами - сложными устройствами лабораторного применения. Теплоту сгорания называют также теплотворной способностью.
Количество теплоты, получаемой от сжигания топлива, зависит не только от его теплотворной способности, но и от массы.
Для сравнения веществ по объёму энергии, выделяемой при сгорании, более удобна величина удельной теплоты сгорания. Она показывает количество теплоты, образуемой при сгорании одного килограмма (массовая удельная теплота сгорания) или одного литра, метра кубического (объёмная удельная теплота сгорания) топлива.
Принятыми в системе СИ единицами удельной теплоты сгорания топлива считаются ккал/кг, МДж/кг, ккал/м³, Мдж/м³, а также их производные.
Энергетическая ценность топлива определяется именно величиной его удельной теплоты сгорания. Связь между количеством теплоты, образуемой при сгорании топлива, его массой и удельной теплотой сгорания выражается простой формулой:
Q = q · m , где Q - количество теплоты в Дж, q - удельная теплота сгорания в Дж/кг, m - масса вещества в кг.
Для всех видов топлива и большинства горючих веществ величины удельной теплоты сгорания давно определены и сведены в таблицы, которыми пользуются специалисты при проведении расчётов теплоты, выделяемой при сгорании топлива или иных материалов. В разных таблицах возможны небольшие разночтения, объясняемые, очевидно, несколько отличающимися методиками измерений или различной теплотворной способностью однотипных горючих материалов, добываемых из разных месторождений.
Наибольшей энергоёмкостью из твёрдых видов топлива обладает каменный уголь - 27 МДж/кг (антрацит - 28 МДж/кг). Подобные показатели имеет древесный уголь (27 МДж/кг). Намного менее теплотворен бурый уголь - 13 Мдж/кг. Он к тому же содержит обычно много влаги (до 60 %), которая, испаряясь, снижает величину общей теплоты сгорания.
Торф сгорает с теплотой 14-17 Мдж/кг (зависит от его состояния - крошка, прессованый, брикет). Дрова, подсушенные до 20 % влажности, выделяют от 8 до 15 Мдж/кг. При этом количество энергии, получаемой от осины и от берёзы, может разниться практически вдвое. Примерно такие же показатели дают пеллеты из разных материалов - от 14 до 18 Мдж/кг.
Намного меньше, чем твёрдые, различаются величинами удельной теплоты сгорания жидкие виды топлива. Так, удельная теплота сгорания дизельного топлива - 43 МДж/л, бензина - 44 МДж/л, керосина - 43,5 МДж/л, мазута - 40,6 МДж/л.
Удельная теплота сгорания природного газа составляет 33,5 МДж/м³, пропана - 45 МДж/м³. Наиболее энергоёмким топливом из газообразных является газ водород (120 Мдж/м³). Он весьма перспективен для использования в качестве топлива, но на сегодняшний день пока не найдены оптимальные варианты его хранения и транспортировки.
Сравнение энергоемкости различных видов топлива
При сравнении энергетической ценности основных видов твёрдого, жидкого и газообразного топлива можно установить, что одному литру бензина или дизтоплива соответствует 1,3 м³ природного газа, одному килограмму каменного угля - 0,8 м³ газа, одному кг дров - 0,4 м³ газа.
Теплота сгорания топлива - это важнейший показатель эффективности, однако широта распространения его в сферах человеческой деятельности зависит от технических возможностей и экономических показателей использования.
Достаточно часто в учет принимается теплотворная способность топлива при выборе отопительных приборов для домов и дач, при выборе систем отопления для квартиры. Данный параметр важен и при выборе топливных систем для автомобилей (при переходе с жидкого топлива на газ или электричество).
Стоит отметить, что на данный момент многие научные организации, научно-исследовательские институты, лаборатории и даже специализированные компании занимаются разработкой систем, которые способны повысить данный параметр и позволят более оптимально использовать выделяемую при сгорании энергию. Обычно это достигается путем повышения коэффициента полезного действия установки.
Наличие подобного параметра связано с тем, что разные типы выделяют разное количество теплоты (энергии) в процессе сгорания, что особенно актуально для промышленных установок и котельных, поскольку подбор оптимального вида позволит сэкономить значительное количество финансовых средств на работе промышленных установок.
Ниже будет приведено определение теплотворной способности топлива, будет рассмотрено, что такое удельная теплота сгорания топлива и приведены значения некоторых энергоресурсов (удельная теплота сгорания дров, угля, нефтепродуктов).
Под теплотворной способностью различных видов энергоресурсов понимают то, какое количество тепловой энергии (килокалории) будет на выходе при сгорании одной единицы топливного материала. Для определения данного параметра используется специальный прибор, который называют калориметром. Есть и другое приспособление — калориметрическая бомба.
В измерительных приборах одной единицей топливного материала нагревают воду, в результате чего получают водяной пар. Далее пар конденсируется, переходя полностью в жидкое состояние, что называют конденсацией. При этом пар полностью отдает тепловую энергию измерительному прибору. Однако недостатком таких измерительных приборов является то, что тепловая энергия, которая выходит при сгорании топлива, измеряется не вся. Это связано с тем, что при парообразовании количество тепловой энергии больше, чем при конденсации. Это делает невозможным измерить всю выделяемую энергию. К недостаткам приборов стоит отнести и не идеальную теплопроводность материалов, из которых они изготавливаются, что тоже снижает реальный показатель сгорания. Данные критерии достаточно важны для лабораторных исследований, однако при измерениях для практических целей ими пренебрегают. При работе промышленных установок эти потери увеличиваются за счет КПД (не 100%).
При этом показатели, которые получились в калориметрической бомбе (где процесс измерения точнее, чем в калориметре), называются высшим значением теплотворной способности топливного материала.
Показатели калориметра — низшая теплота сгорания топлива, которая отличается от высшей значением 600х(9Н+W)/100, где Н и W — количество содержащегося водорода и влаги в единице конкретного топливного материала. Следует помнить, что по американским стандартам для расчетов применяется высшее значения, а для стран с метрической системой — низшее. На данный момент стоит вопрос о переходе метрической системы на высший показатель, поскольку он рядом ученых признан более оптимальным.
Значения для разных видов топливного материала
Часто многих людей интересует значение удельной теплоты сгорания топлива для того или иного вида энергоносителя, при этом довольно часто людей интересует теплотворная способность дров. Особенно актуально это стало в последнее время, когда пошла мода на классические печи в домах. Теплотворная способность дров у разных пород древесины разная, достаточно часто приводится усредненное значение. Ниже приведем значения для следующих видов топливного материала:
- Теплотворная способность дров (березовых, хвойных) составляет в среднем 14,5-15,5 МДж/кг. Такой же показатель теплоотдачи имеет и бурый уголь.
- Теплоотдача каменного угля составляет 22 МДж/кг.
- Данное значение для торфа колеблется в пределах 8-15 МДж/кг.
- Значение для топливных брикетов находится в пределах 18,5-21 МДж/кг.
- Газ, который подается в жилые дома, имеет показатель 45,5 МДж/кг.
- Для баллонного газа (пропан-бутана) показатель составляет 36 МДж/кг.
- Дизельное топливо имеет показатель 42,8 МДж/кг.
- Для разных марок бензина значение колеблется в пределах 42-45 МДж/кг.
Удельные значения
Для ряда топливного материала подсчитаны удельные значения сгорания. Это физические величины, которые показывают количество тепловой энергии, образующееся в результате сгорания одной единицы. Обычно измеряется в джоулях на килограмм (либо метр кубический). В США значения приводятся в калориях на килограмм. Данные коэффициенты — это теплоотдача. Их измеряют лабораторно, после чего данные заносятся в специальные таблицы, которые общедоступны. Чем выше теплоотдача энергоресурса (тепло, которое дает сгорание топлива), тем более эффективным считается топливо. То есть в одной и той же установке с одним КПД расход будет меньшим у того топлива, которое имеет более высокое значение теплоотдачи.
Удельная теплота сгорания топлива практически всегда используется при конструкторских расчетах (при проектировании различного оборудования), а также при определении отопительных систем и оборудования для дома, квартиры, дачи и т.д.
Важная теплотехническая характеристика топлива – его удельная теплота сгорания.
Удельной теплотой сгорания топлива
Различают удельную высшую и низшую теплоту сгорания. Удельная теплота сгорания рабочего топлива с учетом дополнительной теплоты, которая выделяется при конденсации водяных паров, находящихся а продуктах сгорания, называется высшей удельной теплотой сгорания рабочего топлива . Это дополнительное количество теплоты можно определить путем умножения массы водяных паров, образующихся от испарения влаги топлива /100 и от горения водорода9 /100 , на скрытую теплоту конденсации водяного пара, равную примерно 2500 кДж/кг.
Удельная низшая теплота сгорания топлива – то количество теплоты, которая выделяется в обычных практических условиях, т.е. когда водяные пары не конденсируются, а выбрасываются в атмосферу.
Таким образом связь между высшей и низшей удельной теплотой сгорания может быть выражена уравнением - = =25(9 ).
64. Условное топливо.
Топливом называется любое вещество, которое при сгорании (окислении) выделяется значительное количество теплоты на единицу массы или объёма и доступно для массового использования.
В качестве топлива применяют природные и производные органические соединения в твердом, жидком и газообразном состояниях.
Любое органическое топливо состоит из углерода, водорода, кислорода, азота, летучей серы, а твердые и жидкие топлива - из золы (минеральные остатки) и влаги.
Важная теплотехническая характеристика топлива – его удельная теплота сгорания.
Удельной теплотой сгорания топлива называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы количества вещества топлива.
Чем меньше удельная теплота сгорания топлива, тем больше его расходуется в котельном агрегате. Для сравнения различных видов топлива по их тепловому эффекту введено понятие об условном топливе, удельная теплота сгорания которого принята =29,3 МДж/кг.
Отношение Q Н Р
данного топлива к Q уд
условного топлива называется эквивалентом
Э. Тогда пересчет расхода натурального
топлива В Н
в условное топливо В УТ
осуществляется по формуле:
Условное топливо - принятая при расчетах единица учёта органического топлива, то есть нефти и ее производных, природного и специально получаемого при перегонке сланцев и каменного угля, газа, торфа – которая используется для счисления полезного действия различных видов топлива в их суммарном учёте.
В СССР и России за единицу условного топлива (у.т.) принималась теплотворная способность 1 кг каменного угля = 29,3 МДж или 7000 ккал.Международное энергетическое агентство (IEA ) приняло за единицу нефтяной эквивалент, обычно обозначаемый аббревиатурой TOE (англ. Tonne of oil equivalent ). Одна тонна нефтяного эквивалента равняется 41,868 ГДж или 11,63 МВт·ч. Применяется также единица - баррель нефтяного эквивалента (BOE ).
65. Коэффициент избытка воздуха.
Число, показывающее, во сколько раз действительный расход воздуха больше теоретически необходимого количества воздуха, называется коэффициентом избытка воздуха, т. е. действительный расход воздуха L (в кг/кг) или V (м 3 /м 3) равен теоретически необходимому его количеству L o или V o > умноженному на коэффициент избытка воздуха а
V = aV 0 .