Топливо и процессы горения

Спирты [2] - органические соединения, содержащие в молекуле одну или несколько гидроксильных групп ОН у насыщенных атомов углерода. По количеству этих групп различают одно- (иногда термин "алкоголи" относят только к одноатомным спиртам), двух- (гликоли), трех- (глицерины) и многоатомные спирты.

Ракетное  топливо [2] - вещество, подвергающееся химическим, ядерным или термоэлектрическим реакциям. Жидкое ракетное топливо состоит из таких видов горючего, как КЕРОСИН, жидкий ВОДОРОД или ГИДРАЗИН (N2H4), который вступает в реакцию с окислителем, например, с жидким КИСЛОРОДОМ. Твердое ракетное топливо содержит горючее и окислитель в виде порошков. В состав ядерного ракетного топлива входят УРАН и ПЛУТОНИЙ. Разновидности ионного ракетного топлива включают металл ЦЕЗИЙ, который, кипя, выделяет ионы в электрическое поле, которое разгоняет их до больших скоростей.

Синтетическое жидкое топливо [2] - горючие жидкости, получаемые синтетическим путём и применяемые в двигателях внутреннего сгорания. С. ж. т. синтезируют из смеси CO и 2, вырабатываемой из природных газов и угля (см. Конверсия газов. Газификация топлив), процесс проводят при повышенных температуре и давлении и в присутствии катализаторов — Ni, Со, Fe и др. (метод Фишера и Тропша). В зависимости от условий процесса получаемое С. ж. т. содержит различные количества парафиновых и олефиновых углеводородов в основном нормального строения.

Нефть [2] - горючая маслянистая жидкость со специфическим запахом, распространённая в осадочной оболочке Земли, являющаяся важнейшим полезным ископаемым. Образуется вместе с газообразными углеводородами (см. Газы природные горючие)обычно на глубинах более 1,2—2 км. Вблизи земной поверхности Н. преобразуется в густую мальту, полутвёрдый асфальт и др. Нефть состоит из различных углеводородов (алканов, циклоалканов, аренов — ароматических углеводородов — и их гибридов) и соединений, содержащих, помимо углерода и водорода, гетероатомы — кислород, серу и азот. Нефть сильно варьирует по цвету (от светло-коричневой, почти бесцветной, до темно-бурой, почти чёрной) и по плотности — от весьма лёгкой (0,65—0,70 г/см3) до весьма тяжёлой (0,98—1,05 г/см3). Пластовая Нефть, находящаяся в залежах на значительной глубине, в различной степени насыщена газообразными углеводородами. По химическому составу Нефть также разнообразны. Поэтому говорить о среднем составе Нефть или "средней" Нефть можно только условно (рис. 1). Менее всего колеблется элементный состав: 82,5—87% С; 11,5—14,5% Н.; 0,05—0,35, редко до 0,7% О; 0,001—5,3% S; 0,001—1,8% N. Преобладают малосернистые Нефть (менее 0,5% S), но около 1/3 всей добываемой в мире Нефть содержит свыше 1% S.

 

Газообразное  топливо [2]

Газообразное  топливо делится на природное и искусственное и представляет собой смесь горючих и негорючих газов, содержащую некоторое количество водяных паров, а иногда пыли и смолы. Количество газообразного топлива выражают в кубических метрах при нормальных условиях, а состав — в процентах по объему. Под составом топлива понимают состав его сухой газообразной части. Наиболее распространенное газообразное топливо — это природный газ, обладающий высокой теплотой сгорания. Основой природных газов является метан, содержание которого в газе 76,7-98%. Другие газообразные соединения углеводородов входят в состав газа от 0,1 до 4,5%.В состав горючих газов входят: водород Н2, метан СН4, другие углеводородные соединения CmHn, сероводород H2S и негорючие газы, двуокись углерода СО2, кислород О2, азот N2 и незначительное количество водяных паров Н2О. Индексы m и n при С и H характеризуют соединения различных углеводородов, например для метана СН4 m = 1 и n = 4, для этана С2Н6 m = 2 и n = 6 и т. д.

Пропан [2] - это сжиженный нефтяной газ (транспортируется под давлением 10-15 атмосфер). Метан - это природный газ (в машине под давлением 200-250 атмосфер). Из за такой разницы давления этим двум топливам требуются разные баллоны. Для пропана достаточно металлического баллона с толщиной стенок 4-5 мм, а для метана баллоны нужны гораздо толще. Это накладывает ограничение на использование метана в легковых автомобилях. Для метана требуются прочные баллоны способные выдержать такое давление. Чтобы облегчить массу баллонов их делают металлопластиковыми.

Бутан или водородистый бутил, С4Н10 [2] - простейший предельный углеводород, начиная с которого современные теории допускают возможным появление изомерии, т. е. существование двух или более химических видоизменений, процентный состав и величина частицы которых одинаковы, распределение же элементарных атомов, составляющих частицу, различно. Для формулы C4H10 является возможным существование двух изомеров: нормального бутана или ди-этила, СН3СН2. СН2СНз, и изобутана или триметилметана СН(СНз)з. Образуется при действии сухого металлического цинка на йодистый этил C2H5J; это газ, легко сгущающийся при сильном охлаждении в жидкость, кипящую при 1°; он медленно реагирует с хлором. Присутствие его указано в американской нефти. Изобутан получен при действии цинка на йодистый третичный бутил JC(СНз)з в присутствии воды, причем йод заменяется водородом; газ, трудно сгущаемый в жидкость, кипящую при - 17°, очень легко реагирует с хлором, образуя с ним хлористый третичный бутил СlС(СНз)з.

Метан CH4 [2] – газ без цвета и запаха, почти в два раза легче воздуха. Он образуется в природе в результате разложения без доступа воздуха остатков растительных и животных организмов. Поэтому он может быть обнаружен, например, в заболоченных водоемах, в каменноугольных шахтах. В значительных количествах метан содержится в природном газе, который широко используется сейчас в качестве топлива в быту и на производстве.

Природный газ [2] - смесь газов, образовавшаяся в недрах земли при анаэробном разложении органических веществ. Относится к полезным ископаемым. Часто является попутным газом при добыче нефти. Природные газы состоят из метана, этана, пропана и бутана, иногда содержат примеси легкокипящих жидких углеводородов - пентана, гексана и др.; в них присутствуют также углекислый газ, азот, сероводород и инертные газы.

Биогаз [2] - это газ, который получается метановым брожением биомассы. Разложение биомассы на компоненты происходит под воздействием 3-х видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид — бактерии гидролизные, второй кислото-образующие, третий — метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида. Биогаз - смесь газов, в которой преобладают метан (55-65%) и диоксид углерода (35-45%). Биогаз образуется в процессе анаэробного разложения навоза, соломы и других органических отходов. Как источник энергии Биогаз получается в специальных установках (метантенках), в которых сбраживается биомасса остатков продуктов растениеводства, животноводства, навоз, фекалии и т. д.

Водород [2] - бесцветный газ, без вкуса и запаха, по виду не отличающийся от воздуха. Впервые замечен он был Парацельзом в первой половине XVI века; но только Лемери, в конце XVII века, отличил Водород от обыкновенного воздуха, показав его горючесть. Более подробно изучил это вещество Кавендиш в прошлом столетии. Это самый легкий газ: один литр Водород, при 0°и 760 мм. давления, весит 0,089538 гр. для широты 45° и при уровне моря. Плотность относительно воздуха - 0,06949, т. е. Водород почти в 141/2 раз легче воздуха; благодаря этому он удерживается на некоторое время в сосуде, обращенном открытым горлом книзу, и очень быстро улетает при приведении сосуда в нормальное положение.

Сжатый природный  газ CNG [2] - это практически чистый метан. Он транспортируется по магистральным газопроводам и используется для тепло- и электростанций, промышленных предприятий, а также для бытовых целей. По газопроводу метан идет под давлением 50–70 АТ. А в квартиры подается под низким давлением, чуть превышающим атмосферное.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Процессы горения топлива

Горение топлива [4] – химическая реакция соединения горючих элементов топлива с окислителем при высокой температуре, сопровождающийся интенсивным выделением теплоты. В качестве окислителя используют кислород воздуха. 
Процессы горения разделяют на 2 группы [5]:

• гомогенное горение – горение газообразных горючих (характеризуется системой "газ+газ");
• гетерогенное горение – горение твердых и жидких горючих (характеризуется системой "твердое тело+газ" или "жидкость+газ").

Процесс горения может протекать с разной скоростью – от медленного до мгновенного. Медленное горение – самовозгорание твердого топлива при его хранении на складах. Мгновенное горение представляет собой взрыв. В теплоэнергетических установках практическое значение имеет такая скорость реакции, при которой происходит устойчивое горение, т.е. при постоянной подаче в зону горения топлива и окислителя. При этом соотношение концентрации топлива и окислителя должен быть определенным. При нарушении этого соотношения (богатая смесь, бедная смесь) скорость реакции снижается и уменьшается тепловыделение на единицу объема.

Горение – это в основном химический процесс, т.к. в результате его протекания происходит качественные изменения состава реагирующих масс. Но в то же время химическая реакция горения сопровождается различными физическими явлениями: перенос теплоты, диффузионный перенос реагирующих масс и др. [4]

Время горения топлива складывается из времени протекания физических (i_физ) и химических процессов (i_хим):

i_гор = i_физ + i_хим  (1)

Время протекания физических процессов состоит из времени, необходимого для смешивания топлива с окислителем (i_см) и времени, в течении которого топливо – воздушная смесь подогревается до температуры воспламенения (t_н):

i_физ = i_см + i_н  (2)

Время горения (i_гор) определяется скоростью наиболее медленнего процесса.

Горение газообразного топлива. Минимальная температура при которой происходит воспламенение смеси, называется температурой воспламенения. Значение этой температуры для различных газов неодинаково и зависит от теплофизических свойств горючих газов, содержания горючего в смеси, условий зажигания, условий отвода теплоты в каждом конкретном устройстве и т.д.

Горючий газ в смеси с окислителем сгорает в факеле. Различают два метода сжигания газа в факеле – кинетический и диффузионный. При кинетическом сжигании до начала горения газ предварительно смешивается с окислителем. Газ и окислитель подаются сначала в смешивающее устройство горелки. Горение смеси осуществляется вне пределов смесителя. При этом скорость горения не должна превышать скорости химических реакций горения i_гор = i_хим.

Диффузионное горение происходит в процессе смешивания горючего газа с воздухом. Газ поступает в рабочий объем отдельно от воздуха. Скорость процесса будет ограничена скоростью смешивания газа с воздухом i_гор = i_физ.

Кроме этого существует смешанное (диффузионно-кинетическое) горение. При этом газ предварительно смешивается с некоторым количеством воздуха, затем полученная смесь поступает в рабочий объем, где отдельно подается остальная часть воздуха.

В топках котельных агрегатов в основном используют кинетический и смешанный способы сжигания топлива.

Горение твердого топлива. Процесс горения состоит из следующих стадий:

• подсушка топлива и нагревание до температуры начала выхода летучих веществ;
• воспламенение летучих веществ и их выгорание;
• нагревание кокса до воспламенения;
• выгорание горючих веществ из кокса. Эти стадии иногда частично накладываются одна на другую.

Выход летучих веществ у различных топлив начинается при различных температурах: у торфа при 550-660К, у бурых углей при 690-710К, у тощих углей и антрацита при 1050-1070К.

Горение жидкого топлива. Основным жидким топливом, используемым в теплоэнергетике и промышленной теплотехнике является мазут. В установках небольшой мощности также используют смесь технического керосина со смолами. 
Наибольшее применение получило метод сжигания в распыленном состоянии.

Этот метод позволяет  значительно ускорить его сгорание и получить высокие тепловые напряжения объемов топочных камер вследствие увеличения площади поверхности контакта топлива с окислителем.

Процесс горения жидкого топлива можно разделить на следующие стадии:

• нагревание и испарение топлива;
• образование горючей смеси;
• воспламенение горючей смеси от постороннего источника (искры, раскаленной спирали и т.п.);
• собственно горение смеси.

Заключение

Современные промышленные предприятия потребляют огромное количество топлива, а точнее его энергии. Она идет на механизацию, автоматизацию, транспорт, нагрев, отопление, освещение, электролитические процессы производства и т. д.