Реферат на тему сгорания топлива

Обновлено: 02.07.2024

Горение — это химический процесс окисления горючих компонентов топлива, сопровождающийся интенсивным выделением теплоты.
Известно, что при низких температурах наличие топлива и воздуха (окислителя) не обеспечивает их химического соединения, называемого горением. Горение начинается только после того, как частицы прогрелись до температуры, обеспечивающей им энергию активации Е, достаточную для вступления в реакцию.

Содержание

Особенности горения жидкого топлива и его расчеты……………………….3

Типы горелок для жидкого топлива……………………………………………6

Прикрепленные файлы: 1 файл

горение жидкого топлива.docx

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

(ФГБОУ ВПО КНИТУ)

студент 2 курса

доцент Сагадеев В.В.

Казань 2013г
Содержание

  1. Особенности горения жидкого топлива и его расчеты……………………….3

Особенности горения жидкого топлива и основы его расчета.

Горение — это химический процесс окисления горючих компонентов топлива, сопровождающийся интенсивным выделением теплоты.

Известно, что при низких температурах наличие топлива и воздуха (окислителя) не обеспечивает их химического соединения, называемого горением. Горение начинается только после того, как частицы прогрелись до температуры, обеспечивающей им энергию активации Е, достаточную для вступления в реакцию.

График на 82 иллюстрирует энергию реакции и активации. Частицы топлива и окислителя, обладающие начальным энергетическим уровнем Н, должны приобрести энергию активации. Для достижения энергетического уровня А, при котором реакция будет идти самопроизвольно, необходимо предварительно преодолеть энергетический барьер, равный разности энергетических уровней А и Н, после чего начинается экзотермическая реакция, идущая до точки К и сопровождающаяся выделением энергии (теплоты) в количестве ЕА_К

Предварительный подогрев, необходимый для зажигания топлива, первоначально создается внесением в топку горящего факела, искры или другого источника высокой температуры. В дальнейшем частицы горящего топлива, горячие газы, а также накаленные теплоизлучающие стенки топочной камеры способствуют подогреву и протеканию реакции горения вновь поступающей топливно-воздушной смеси.

При нагреве жидкого топлива с недостатком воздуха происходит испарение углеводородов и их термическое разложение, сопровождающееся расщеплением углеводородов.

В результате расщепления образуются легкие и тяжелые углеводороды. Легкие углеводороды и водород быстро сгорают при благоприятных условиях (достаточная температура, наличие кислорода). Тяжелые, высокомолекулярные углеводороды и сажистый углерод очень трудно сгорают, вследствие чего значительная несгоревшая их часть уносится из топки либо образует в топках коксовые наросты. Копоть и сажа в пламени также являются результатом образования тяжелых, высокомолекулярных углеводородов.

При достаточном количестве кислорода углеводороды окисляются. Начальная стадия окисления проходит с образованием горячих газов — оксидов углерода и водорода 2СХ.

В результате облегчается конечная стадия горения, проходящего по реакциям:

Таким образом, процесс горения жидкого топлива проходит следующие стадии: смешение капель топлива с воздухом, подогрев их и испарение, термическое разложение (расщепление), образование газовой фазы, воспламенение и завершение оксидирования (горения) газовой фазы. Стадии эти неотделимы одна от другой и в какой-то, мере совмещаются.

Образовавшаяся после прохождения первых стадий горения газовая смесь легко воспламеняется и быстро сгорает.

Если процесс нагрева и испарения частиц топлива протекает быстро, то при достаточном количестве кислорода создаются наиболее благоприятные условия для полного горения, в противном случае происходит глубокий распад углеводородов с образованием трудносжигаемых частиц. Мелкое распыление частиц топлива и равномерное их распределение увеличивают активную поверхность реакции, облегчают нагрев и испарение частиц и способствуют процессу быстрого и полного горения.

Разложение углеводородов идет симметрично при сравнительно низких температурах (до 600 °С). При более же высоких температурах распад молекул идет несимметрично: наряду с легкими углеводородами образуются тяжелые углеводородные комплексы, наиболее трудносжигаемые. При условии тонкого, равномерного распыления топлива и хорошего смешения его с воздухом, по возможности подогретым, подводе всего воздуха к корню факела создаются наилучшие условия горения жидкого топлива. Важно также, чтобы образование частиц тяжелых углеводородов и сажистого углерода, неизбежное в той или иной степени, происходило возможно раньше, чтобы частицы не уносились в атмосферу, а успевали полностью сгорать в зоне интенсивного горения.

Таким образом, основные условия эффективного сжигания жидкого топлива сводятся к следующему: необходимо обеспечить подвод всего количества воздуха к устью факела, мелкое и равномерное распыление топлива, тщательное смешение частиц топлива и воздуха, турбулентность потока, подогрев воздуха, высокую температуру и хорошую воспламеняемость топлива в топке.

Подвод воздуха в количествах, теоретически необходимых для горения топлива (стехиометрическая смесь), может обеспечить полное сгорание топлива лишь в случае очень тонкого его распыления и тщательного смешения с воздухом. Поэтому практически воздух подают в количестве, несколько большем, чем это необходимо для создания стехиометрической смеси. Однако во избежание чрезмерного охлаждения смеси избыток воздуха недолжен быть слишком большим. При двойном количестве воздуха воспламенение и горение топлива чрезвычайно затрудняется и даже становится невозможным.

Сгорание отдельной капли топлива можно представить следующим образом: в результате подогрева капля начинает испаряться, пары топлива, окружающие каплю, диффундируют в окружающую среду, происходит взаимопроникание частиц воздуха и топлива. Капля, движущаяся относительно окружающей среды, будет иметь в передней части и сбоку более тонкую, а сзади — удлиненную зону горения.

При достаточной температуре смесь паров топлива и кислорода воздуха начинает активно реагировать, происходит процесс диффузионного сгорания газовой фазы топлива. Скорость химической реакции очень велика, скорость же физических процессов (испарение капли, смешение паров топлива с окислителем, подогрев смеси) значительно меньше, и очевидно эти физические процессы определяют скорость сгорания.

В основном время сгорания зависит от времени испарения и времени диффузии молекул. Ламинарная диффузия определяет спокойный, сравнительно медленный процесс, турбулентная — ускоренный процесс. С уменьшением размера капель уменьшается время их испарения. Испаряемость топлива, его плотность, состав и условия теплообмена с окружающей средой также влияют на скорость горения.

Горение жидкого топлива состоит из процессов его распыления, смешения с воздухом (окислителем), испарения и реакции соединения с окислителем.

Величина поверхности частиц топлива, омываемых воздухом и вступающих в реакцию с кислородом, имеет решающее значение для интенсивного и полного сгорания топлива. Величина активно реагирующей поверхности топлива определяется степенью и качеством его распыления, а также качеством смешения его с воздухом. Однородное и тонкое распыление топлива является обязательным и важным фактором подготовки топлива к сжиганию,

Распыление топлива — процесс дробления струи на мелкие капли. Для распыления струи жидкого топлива необходимо преодолеть силы сцепления и поверхностного натяжения.

Для создания развитой поверхности топливных струй применяются следующие методы: распыление топлива сжатым воздухом, паром или дутьевым воздухом от вентилятора; распыление топливной струи за счет действия центробежных сил в механических форсунках; создание тонкой конусовидной пленки вращающимся распылителем в ротационных форсунках; газификация топлива; распределение топлива тонкой пленкой на поверхностях корпуса горелки.

Наиболее совершенное распыление достигается сжатым воздухом или паром, однако для этого требуется компрессор или паровой котел. При распылении топлива дутьевым воздухом также получается хорошее качество распыления, однако здесь необходим вентилятор высокого или среднего давления (не менее 3000—4000 Па). Недостатком метода распыления с помощью форсунок является наличие вращающихся механизмов с довольно сложной кинематической передачей в механических форсунках, а в ротационных — еще требуется топливный насос высокого давления, а также система фильтрации топлива.

Все перечисленные способы распыления топлива применяются при расходах топлива не ниже 5—10 кг/ч, что существенно превышает потребность в топливе бытовых печей. По этим причинам для установки в бытовых отопительных и отопительно-варочных печах могут быть рекомендованы только методы газификации и распределения топлива тонкой пленкой в корпусе горелки. При этом требуется минимальное количество вспомогательного оборудования, причем расход топлива может быть минимальным.

Для того чтобы обеспечить эффективное протекание процесса горения жидкого топлива, необходимо правильно проводить его теоретический расчет.

При расчетах горения топлива требуется определять следующие величины: количество воздуха, теоретически необходимого для горения; количество образующихся продуктов сгорания; коэффициент избытка воздуха в продуктах сгорания; теоретическую температуру горения.

Точный расчет этих величин производится по данным элементарного состава топлива на основе количественных соотношений реакций горения. Для различных марок жидкого топлива, имеющего достаточно стабильный элементарный состав, выведены упрощенные формулы для расчета процессов горения в следующем виде.

Зависимость теплоемкости и объемов газов от величины избытка воздуха показана на рис. 83. Величины сг и св можно определить по графику на рис. 83, а.

Определение величины коэффициента избытка воздуха может быть произведено по данным элементарного анализа продуктов сгорания по углекислоте и кислороду.

Согласно выведенным зависимостям, основные характеристики продуктов сгорания жидкого топлива определяются величиной а. На 83, б показаны зависимости объемов воздуха, необходимого для горения продуктов сгорания и температуры сгорания от величины.

Типы горелок для жидкого топлива.

Для установки в бытовых печах могут быть использованы горелки с газификацией жидкого топлива. Принцип действия этих горелок основан на предварительном нагреве топлива до температуры кипения и последующем полном его испарении. При этом энергия паровой топливной струи используется для инжекции (подсоса) воздуха в горелку. Таким образом, для газификационной горелки не требуется вентилятор, подающий воздух в топку. Это существенное достоинство горелки, однако, для возм-ожности инжекции необходимого объема воздуха необходимо, чтобы топливные пары поступали к соплу горелки под значительным давлением. Значительное избыточное давление в топливном тракте и связанная с ним повышенная пожарная опасность являются специфическим недостатком газификационных горелок. На рис. 84 показана газифика-ционная горелка для жидкого топлива. На рис. 84, а показана ее общая схема, согласно которой топливо из бака поступает в кожух горелки 2, в котором нагревается до температуры парообразования и испаряется. Образовавшиеся пары, вытекая с высокой скоростью из сопла 3, инжектируют атмосферный воздух в смеситель 4 и далее сгорают в объеме топки. Давление в топливной системе (рис. 84,б) создается ручным воздушным насосом, смонтированным в топливном баллоне. Нагрев горелки при розжиге производится путем разведения огня в лотке для розжига 10. Для защиты испарителя от загрязнений на входном патрубке устанавливается топливный фильтр 6. Поддон 13 служит для сбора неиспарившихся топливных капель, выпавших из паровой струи. Для эффективной инжекции воздуха целесообразно повышать давление топлива в системе, однако это вызывает увеличение температуры нагрева топлива, его термическое разложение с образованием смолы и кокса. Твердые отложения загрязняют испаритель и горелка выходит из строя. Для повышения срока службы горелки необходимо снижать давление топлива в испарителе без ухудшения процесса горения. В значительной мере этого можно достичь направляя поток подсасываемого воздуха по касательной. При этом существенно снижаются гидравлические потери в смесителе за счет уменьшения потерь на удар. Как показали экспериментальные работы, применение горелок с таким принципом смесеобразования позволяет понизить давление в системе и значительно уменьшить пиролиз топлива и отложение кокса в испарителе и в отверстии сопла. Несмотря на указанное улучшение, в газификационных горелках рекомендуется использовать только легкие сорта жидкого топлива — керосин и легкие (зимние) марки дизельного топлива. Наиболее универсальными горелками для сжигания жидкого топлива в отопительных и отопительно-варочных печах являются : испарительные горелки (рис. 85).

Топливо по происхождению делят на:

- природное топливо (уголь, торф, нефть, горючие сланцы, древесина и др.)

- искусственное топливо (моторное топливо, генераторный газ, кокс, брикеты и др.).

По своему агрегатному состоянию его делят на твёрдое, жидкое и газообразное топливо, а по своему назначению при использовании – на энергетическое, технологическое и бытовое. Наиболее высокие требования предъявляются к энергетическому топливу, а минимальные требования – к бытовому.

Твёрдое топливо – древесно-растительная масса, торф, сланцы, бурый уголь, каменный уголь.

Жидкое топливо – продукты переработки нефти (мазут).

Газообразное топливо – природный газ; газ, образующийся при переработке нефти, а также биогаз.

Ядерное топливо – расщепляющиеся (радиоактивные) вещества (уран, плутоний).

Органическое топливо, т.е. уголь, нефть, природный газ, составляет подавляющую часть всего энергопотребления. Образование органического топлива является результатом теплового, механического и биологического воздействия в течение многих столетий на останки растительного и животного мира, откладывающиеся во всех геологических формациях. Всё это топливо имеет углеродную основу, и энергия высвобождается из него, главным образом, в процессе образования диоксида углерода.

ТВЁРДОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Мировые геологические запасы угля, выраженные в условном топливе, оцениваются в 14000 млрд.тонн, из которых половина относится к достоверным (Азия – 63%, Америка – 27%). Наибольшими запасами угля располагают США и Россия. Значительные запасы имеются в ФРГ, Англии, Китае, на Украине и в Казахстане.

Добыча угля ведётся шахтным методом (глубиной от сотен метров до нескольких километров) или в виде открытых карьерных разработок. Уже на этапе добычи и транспортировки угля, применяя передовые технологии, можно добиться снижения потерь при транспортировке. Уменьшения зольности и влажности отгружаемого угля.

Возобновляемым твёрдым топливом является древесина. Доля её в энергобалансе мира сейчас чрезвычайно невелика, но в некоторых регионах древесина (а чаще её отходы) также используется в качестве топлива.

В качестве твёрдого топлива могут быть также использованы брикеты – механическая смесь угольной и торфяной мелочи со связующими веществами (битум и др.), спрессованная под давлением до 100 МПа в специальных прессах.

ЖИДКОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Жидкое топливо. Практически всё жидкое топливо пока получают путём переработки нефти. Нефть, жидкое горючее полезное ископаемое, представляет собой бурую жидкость, содержащую в растворе газообразные и легколетучие углеводороды. Она имеет своеобразный смоляной запах. При перегонке нефти получают ряд продуктов, имеющих важное техническое значение: бензин, керосин, смазочные масла, а также вазелин, применяемый в медицине и парфюмерии.

Сырую нефть нагревают до 300-370 °С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре tª: сжиженный газ (выход около 1%), бензиновую (около 15%, tª=30 - 180°С). Керосиновую (около 17 %, tª=120 - 135°С), дизельную (около 18 %, tª=180 - 350°С). Жидкий остаток с температурой начала кипения 330-350°С называется мазутом. Мазут, как и моторное топливо, представляет собой сложную смесь углеводородов, в состав которых входят, в основном, углерод (84-86 %) и водород (10-12%).

Мазут, получаемый из нефти ряда месторождений, может содержать много серы (до 4.3%), что резко усложняет защиту оборудования и окружающей среды при его сжигании.

Зольность мазута не должна превышать 0,14 %, а содержание воды должно быть не более 1,5 %. В состав золы входят соединения ванадия, никеля, железа и других металлов, поэтому её часто используют в качестве сырья для получения, например, ванадия.

В котлах котельных и электростанций обычно сжигают мазут, в бытовых отопительных установках – печное бытовое топливо (смесь средних фракций).

Мировые геологические запасы нефти оцениваются в 200 млрд. т., из которых 53 млрд.т. составляют достоверные запасы. Более половины всех достоверных запасов нефти расположено в странах Среднего и Ближнего Востока. В странах Западной Европы, где имеются высокоразвитые производства, сосредоточены относительно небольшие запасы нефти. Разведанные запасы нефти всё время увеличиваются. Прирост происходит в основном за счёт морских шельфов. Поэтому все имеющиеся в литературе оценки запасов нефти являются условными и характеризуют только порядок величин.

Общие запасы нефти в мире ниже, чем угля. Но нефть более удобное для использования топливо. Особенно в переработанном виде. После подъёма через скважину нефть направляется потребителям в основном по нефтепроводам, железной дорогой или танкерами. Поэтому в себестоимости нефти существенную часть имеет транспортная составляющая.

ГАЗООБРАЗНОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Газообразное топливо. К газообразному топливу относится, прежде всего, природный газ. Это газ, добываемый из чисто газовых месторождений, попутный газ нефтяных месторождений, газ конденсатных месторождений, шахтный метан и т.д. Основным его компонентом является метан СН4 ; кроме того, в газе разных месторождений содержатся небольшие количества азота N2 , высших углеводородов СnНm , диоксида углерода СО2 . В процессе добычи природного газа его очищают от сернистых соединений, но часть их (в основном сероводород) может оставаться.

При добыче 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, получаемый при первичной обработке нефти и попутных нефтяных газов. Выпускают технический пропан (не менее 93% С3 Н8 + С3 Н6 ), технический бутан (не менее 93% С4 Н10 + С4 Н8 ) и их смеси.

Мировые геологические запасы газа оцениваются в 140-170 триллионов м³.

Анаэробное сбраживание отходов крупных животноводческих комплексов позволяет решить чрезвычайно острую проблему загрязнения окружающей среды жидкими отходами путём превращения их в биогаз (примерно 1 куб.м в сутки на единицу крупного рогатого скота) и высококачественные удобрения.

Весьма перспективным видом топлива, обладающим в три раза большей удельной энергоёмкостью по сравнению с нефтью, является водород, научно-экспериментальные работы по изысканию экономичных способов промышленного преобразования которого активно ведутся в настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом. Запасы водорода неистощимы и не связаны с каким-то регионом планеты. Водород в связанном состоянии содержится в молекулах воды (Н2 О). При его сжигании образуется вода, не загрязняющая окружающую среду. Водород удобно хранить, распределять по трубопроводам и транспортировать без больших затрат.

В настоящее время водород в основном получают из природного газа, в ближайшем будущем его можно будет получать в процессе газификации угля. Для получения химической энергии водорода используется также процесс электролиза. Последний способ имеет значительное преимущество, так как приводит к обогащению кислородом окружающей среды. Широкое применение водородного топлива может решить три актуальные проблемы:

- уменьшить потребление органического и ядерного топлива;

- удовлетворить возрастающие потребности в энергии;

- снизить загрязнение окружающей среды.

ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ

Ядерное топливо. Единственный природный вид ядерного топлива – тяжёлые ядра урана и тория. Энергия в виде теплоты высвобождается под действием медленных нейтронов при делении изотопа 235 U, который составляет в природном уране 1/140 часть. В качестве сырья могут использоваться 238 U и 239 Th, которые при облучении нейтронами превращаются в новое ядерное топливо – соответственно 239 Pu и 239 U. При делении всех ядер, содержащихся в 1 кг урана, выделяется энергия 2·10 7 кВт·ч, что эквивалентно 2,5 тыс.т высококачественного каменного угля с теплотой сгорания 35 МДж/кг (8373 ккал/кг).

Ядерное топливо делится на два вида:

  • Природное урановое, содержащее делящиеся ядра 235 U, а также сырьё 238 U, способное при захвате нейтрона образовывать плутоний 239 Pu;
  • Вторичное топливо, которое не встречается в природе, в том числе 239 Pu, получаемый из топлива первого вида, а также изотопы 233 U, образующиеся при захвате нейтронов ядрами тория 232 Th.

По химическому составу, ядерное топливо может быть:

  • Металлическим, включая сплавы;
  • Оксидным (например, UO2 );
  • Карбидным (например, PuC1-x )
  • Нитридным
  • Смешанным (PuO2 + UO2 )

Применение. Ядерное топливо используется в ядерных реакторах, где оно обычно располагается в герметично закрытых тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах) в виде таблеток размером в несколько сантиметров.

К ядерному топливу применяются высокие требования по химической совместимости с оболочками ТВЭЛов, у него должна быть достаточная температура плавления и испарения, хорошая теплопроводность, небольшое увеличение объёма при нейтронном облучении, технологичность производства.

Металлический уран сравнительно редко используют как ядерное топливо. Его максимальная температура ограничена 660 °C. При этой температуре происходит фазовый переход, в котором изменяется кристаллическая структура урана. Фазовый переход сопровождается увеличением объёма урана, что может привести к разрушению оболочки ТВЭЛов. При длительном облучении в температурном интервале 200—500°С уран подвержен радиационному росту. Это явление заключается в том, что облучённый урановый стержень удлиняется. Экспериментально наблюдалось увеличение длины уранового стержня в полтора раза.

Использование металлического урана, особенно при температуре больше 500 °C, затруднено из-за его распухания. После деления ядра образуются два осколка деления, суммарный объём которых больше объёма атома урана (плутония). Часть атомов — осколков деления являются атомами газов (криптона, ксенона и др.). Атомы газов накапливаются в по́рах урана и создают внутреннее давление, которое увеличивается с повышением температуры. За счёт изменения объёма атомов в процессе деления и повышения внутреннего давления газов уран и другие ядерные топлива начинают распухать. Под распуханием понимают относительное изменение объёма ядерного топлива, связанное с делением ядер.

Распухание зависит от выгорания и температуры ТВЭЛов. Количество осколков деления возрастает с увеличением выгорания, а внутреннее давление газа — с увеличением выгорания и температуры. Распухание ядерного топлива может привести к разрушению оболочки ТВЭЛа. Ядерное топливо менее подвержено распуханию, если оно обладает высокими механическими свойствами. Металлический уран как раз не относится к таким материалам. Поэтому применение металлического урана в качестве ядерного топлива ограничивает выгорание, которое является одной из главных оценок экономики атомной энергетики.

Радиационная стойкость и механические свойства топлива улучшаются после легирования урана, в процессе которого в уран добавляют небольшое количество молибдена, алюминия и других металлов. Легирующие добавки снижают число нейтронов деления на один захват нейтрона ядерным топливом. Поэтому легирующие добавки к урану стремятся выбрать из материалов, слабо поглощающих нейтроны.

К хорошим ядерным топливам относятся некоторые тугоплавкие соединения урана: окислы, карбиды и интерметаллические соединения. Наиболее широкое применение получила керамика — двуокись урана UO2 . Её температура плавления равна 2800 °C, плотность — 10,2 т/м 3 . У двуокиси урана нет фазовых переходов, она менее подвержена распуханию, чем сплавы урана. Это позволяет повысить выгорание до нескольких процентов. Двуокись урана не взаимодействует с цирконием, ниобием, нержавеющей сталью и другими материалами при высоких температурах. Основной недостаток керамики — низкая теплопроводность — 4,5 кДж/(м·К), которая ограничивает удельную мощность реактора по температуре плавления. Так, максимальная плотность теплового потока в реакторах ВВЭР на двуокиси урана не превышает 1,4·10 3 кВт/м 2 , при этом максимальная температура в стержневых ТВЭЛах достигает 2200 °C. Кроме того, горячая керамика очень хрупка и может растрескиваться.

Плутоний относится к низкоплавким металлам. Его температура плавления равна 640 °C. У плутония плохие пластические свойства, поэтому он почти не поддаётся механической обработке. Технология изготовления ТВЭЛов усложняется ещё токсичностью плутония. Для приготовления ядерного топлива обычно идут двуокись плутония, смесь карбидов плутония с карбидами урана, сплавы плутония с металлами.

Высокими теплопроводностью и механическими свойствами обладают дисперсионные топлива, в которых мелкие частицы UO2 , UC, PuO2 и других соединений урана и плутония размещают гетерогенно в металлической матрице из алюминия, молибдена, нержавеющей стали и др. Материал матрицы и определяет радиационную стойкость и теплопроводность дисперсионного топлива. Например, дисперсионное топливо Первой АЭС состояло из частиц сплава урана с 9 % молибдена, залитых магнием.

Условное топливо. Различные виды энергетических ресурсов обладают разным качеством, которое характеризуется энергоёмкостью топлива. Удельной энергоёмкостью называется количество энергии, приходящееся на единицу массы физического тела энергоресурса.

Для сопоставления различных видов топлива, суммарного учёта его запасов, оценки эффективности использования энергетических ресурсов, сравнения показателей теплоиспользующих устройств, принята единица измерения – условное топливо. Условное топливо – это такое топливо, при сгорании 1 кг которого выделяется 29309 кДж, или 700 ккал энергии. Для сравнительного анализа используется 1 тонна условного топлива.

1 ту.т = 29309 кДж = 7000 ккал = 8120 кВт·ч.

Этот показатель соответствует хорошему малозольному углю, который иногда называют угольным эквивалентом.

За рубежом для анализа используется условное топливо с теплотой сгорания 41900 кДж/кг (10000 ккал/кг). Этот показатель называется нефтяным эквивалентом. В нижеследующей таблице приведены значения удельной энергоёмкости для ряда энергетических ресурсов в сравнении с условным топливом.

Таким образом, на основе вышеизложенного материала можно сделать следующие выводы:

-Топливо – это горючее вещество, применяемое для получения теплоты.

-По происхождению топливо бывает природное и искусственное.

-По агрегатному состоянию выделяют твёрдое, жидкое и газообразное топливо.

-По назначению при использовании топливо может быть энергетическим, технологическим и бытовым.

-Как самостоятельный вид выделяют ещё ядерное топливо.

-Условное топливо – условно принятое топливо с теплотворной способностью 7000 ккал/кг (для жидких и твёрдых видов топлива) и 7000 ккал/нм 3 (для газообразных видов топлива).

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Охрана труда и основы энергосбережения: Учеб. пособие /

Э.М. Краченя, Р.Н. Козел, И.П.Свирид. – 2-е изд. – Мн.: ТетраСистемс, 2005. – 156-161,166-167 с.

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.

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

Работа содержит 1 файл

РЕФЕРАТ.docx

Электростальский политехнический институт

Филиал московского института стали и сплавов

РЕФЕРАТ ПО ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ

ТОПЛИВО И ЕГО ГОРЕНИЕ

Выполнила: студентка 1 курса

Проверила: Сорокина И.А.

Электросталь 2010 год

1. Общее понятие топлива

2. Состав и характеристики:

  • твердое топливо
  • жидкое топливо
  • газообразное топливо

3. Теплота сгорания топлива

4. Устройства для сжигания топлива

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

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 технических устройствах, характеризуется его рабочим состоянием. В его состав входят зола A и влага W, составляющие балласт топлива:

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.

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 o С) 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.

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 жилых массивов.

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:

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 промышленных котельных слоевой способ сжигания твердого топлива был преобладающим.

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 забрасывателями и решеткой с поворотными колосниками (ПМЗ-РПК);

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.

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.).

Целью данного реферата является рассмотреть сущность, виды топлива и процессы его горения. Для достижения поставленной цели, необходимо выполнить следующие задачи задач:
- определить понятие и сущность топлива;
- разобрать виды топлива;
- рассмотреть процессы горения топлива;

Оглавление
Файлы: 1 файл

Топливо и процессы горения в энергоснабжении предприятия.doc

  1. Понятие и сущность топлива……………………………………………………….. .4
  2. Виды топлива…………………………………………………………… …………….6
  3. Процессы горения топлива…………………………………………………………. 14

Список использованной литературы…………………………………………………. 18

Роль топлива в народном хозяйстве страны велико и все время возрастает. Современные предприятия машиностроения являются крупнейшими потребителями энергии и энергоносителей, в частности такого вида энергии как топливо.

Топливом называют существующие в природе или искусственно полученные вещества, являющиеся источником тепловой энергии и сырьем для промышленности.

Все топлива можно разделить по агрегатному состоянию на твердые, жидкие и газообразные, а по происхождению на естественные в искусственные:

    • твердые (угли, древесина, сланцы, торф);
    • жидкие (нефть);
    • газообразные (природные и попутные газы).

    Искусственные топлива получают главным образом при переработке естественных топлив:

      • твердые искусственные топлива (кокс, полукокс, древесный уголь);
      • жидкие (бензин, керосин, лигроин и др.);
      • газообразные (генераторные газы, коксовый газ, газы переработки нефти и др).

      Целью данного реферата является рассмотреть сущность, виды топлива и процессы его горения. Для достижения поставленной цели, необходимо выполнить следующие задачи задач:

      - определить понятие и сущность топлива;

      - разобрать виды топлива;

      - рассмотреть процессы горения топлива;

      Топливо — вещество, из которого с помощью определённой реакции может быть получена тепловая энергия [1].

      Понятие топлива [1]

      Чаще всего, под топливом понимают вещество, способное гореть при наличии окислителя (например, дрова или дизельное топливо). В таком случае, смесь топлива с окислителем образует взрывчатое вещество. Тепловой двигатель может преобразовывать тепловую энергию топлива в кинетическую. Существует также ядерное топливо — вещество, выделяющее большое количество тепла в результате реакций распада или объединения ядер атомов.

      Печное бытовое топливо предназначено для сжигания в отопительных установках небольшой мощности, расположенных непосредственно в жилых помещениях, а также в теплогенераторах средней мощности, используемых в сельском хозяйстве для приготовления кормов, сушки зерна, фруктов, консервирования и других целей.

      Стандарт на котельное топливо — ГОСТ 10585-99 предусматривает выпуск четырёх его марок: флотских мазутов Ф-5 и Ф-12, которые по вязкости классифицируются как лёгкие топлива, топочных мазутов марки 40 — как среднее и марки 100 — тяжёлое топливо. Цифры указывают ориентировочную вязкость соответствующих марок мазутов при 50° C.

      Печное топливо тёмное вырабатывается из дизельных фракций прямой перегонки и вторичного происхождения — дистиллятов термического, каталитического крекинга и коксования.

      По фракционному составу печное топливо может быть несколько тяжелее дизельного топлива по ГОСТ 305-82 (до 360° C перегоняется до 90 процентов вместо 96 процентов, вязкость печного топлива до 8,0 мм 2 /с при 20° C против 3,0-6,0 мм 2 /с дизельного).

      При изготовлении печного топлива не нормируются цетановое и йодное числа, температура помутнения. При переработке сернистых нефтей массовая доля серы в топливе — до 1,1 процента.

      Для улучшения низкотемпературных свойств печного топлива в промышленности применяют депрессорные присадки, синтезированные на основе сополимера этилена с винилацетатом.

      • 10 процентов перегоняется при температуре, С, не ниже 160;
      • 90 процентов перегоняется при температуре, C, не выше 360;
      • кинематическая вязкость при 20° C, мм 2 /с, не более 8,0;
      • температура вспышки в закрытом тигле, С, не ниже 45;
      • массовая доля серы, процентов, не более: в малосернистом топливе 0,5, в сернистом топливе 1,1;
      • испытание на медной пластинке выдерживает;
      • кислотность, мг КОН/100 см 3 топлива, не более 5,0;
      • зольность, процентов, не более 0,02;
      • коксуемость 10 процентного остатка, не более 0,35 процентов;
      • содержание воды: следы;
      • цвет: от светло-коричневого до чёрного;
      • плотность при 20° C, кг/м 3 : не нормируется, определение обязательно.

      Твердое топливо [2]

      Твердое топливо — горючие вещества, основной составной частью которых является углерод. К твердому топливу относят каменный уголь и бурые угли, горючие сланцы, торф и древесину. Свойства топлива в значительной степени определяются его химическим составом — содержанием углерода, водорода, кислорода, азота и серы. Твердое ракетное топливо — твёрдое вещество или смесь отдельных веществ, способных гореть без доступа воздуха, создавая при этом, реактивную тягу двигателя. В зависимости от способа обработки твердое топливо можно разделить на две группы: природное и очищенное. К природному твердому топливу относятся уголь, бурый уголь, торф, древесина и солома. Уголь и торф являются осадком, образующимся в результате распада и разложения растений в древние времена под воздействием высокого давления и недостатка кислорода.

      Уголь [1] — вид ископаемого топлива, образовавшийся из частей древних растений под землей без доступа кислорода. Уголь был первым из используемых человеком видов ископаемого топлива. Он позволил совершить промышленную революцию, которая в свою очередь способствовала развитию угольной промышленности, обеспечив её более современной технологией.

      Виды угля — различают: бурые угли, каменные угли, антрациты и графиты. Интересно, что в западных странах имеет место несколько иная классификация: соответственно, лигниты, суббитуминозные угли, битуминозные угли, антрациты и графиты (не используется в теплоэнергетике).

      • Бурые угли. Содержат много воды (43 %), и поэтому имеют низкую теплоту сгорания. Кроме того, содержат большое кол-во летучих веществ (до 50 %). Образуются из отмерших органических остатков под давлением нагрузки и под действием повышенной температуры на глубинах порядка 1 километра.
      • Каменные угли. Содержат до 12 % влаги (3-4 % внутренней), поэтому имеют более высокую теплоту сгорания. Содержат до 32 % летучих веществ, за счёт чего неплохо воспламеняются. Образуются из бурого угля на глубинах порядка 3 километров.
      • Антрациты. Почти целиком (96 %) состоят из углерода. Имеют наибольшую теплоту сгорания, но плохо воспламеняются. Образуются из каменного угля при повышении давления и температуры на глубинах порядка 6 километров. Используются в основном в химической промышленности.

      Древесина. [1] Тепло, выделяемое при сгорании древесины, зависит от породы дерева и влажности. Влажность снижает теплотворность древесины, так как испаряемая вода уносит часть тепловой энергии. Потери от влажности незначительно зависят от начальной температуры древесины (точнее, воды в ней) и принимаются равными 0,63 кВт*ч на килограмм воды. Абсолютно сухая древесина лиственных пород выдает около 5 кВт*ч тепла на килограмм. Абсолютно сухая древесина хвойных пород дает около 5,2 кВт*ч тепла на килограмм, в связи с химическим отличием.

      Россия обладает четвертью мировых запасов древесины. Годовая расчетная лесосека (количество древесины, которое можно использовать в народном хозяйстве без ущерба природе) нашей страны оценивается в 540 млн. м 3 . [2]

      При текущем уровне добычи количество отходов и низкосортной древесины составляет не менее 50 млн. м 3 . Из них находит применение не более 30%. Общий объем неиспользуемого малоликвидного сырья составляет по меньшей мере 35 млн. м 3 . Оно гниет, выделяя углекислый газ и метан. Вместе с тем ежегодные безвозвратные потери низкосортной древесины, лесосечных и иных отходов первичной деревообработки могли бы заменить 5—6 млн. т мазута. В данных расчетах не учтены сухостои и деревья, которые необходимо устранять из-за поражения болезнями, вредителями, радиацией. Если объемы производства древесины возрастут до уровня 90-х гг., то количество отходов увеличится до 100—120 млн. м 3 /год. В государствах Европы утилизация отходов деревообработки достигает 60—70%. [2]

      В мире накоплен большой опыт по использованию в энергетике биомассы. Будучи богатой природными ресурсами, наша страна значительно отстает в данной области.

      Горючие сланцы [2] - полезное ископаемое из группы твёрдых каустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы (близкой по составу к нефти). Г. с. состоят из преобладающей минеральной (кальциты, доломит, гидрослюды, монтмориллонит, каолинит, полевые шпаты, кварц, пирит и др.) и органических частей (кероген), последняя составляет 10—30% от массы породы и только в сланцах самого высокого качества достигает 50—70%. Органическая часть является био- и геохимически преобразованным веществом простейших водорослей, сохранившим клеточное строение (талломоальгинит) или потерявшим его (коллоальгинит); в виде примеси в органической части присутствуют измененные остатки высших растений (витринит, фюзенит, липоидинит). В зависимости от соотношений водорослевых и гумусовых компонентов Г. с. разделяются на сапропелитовые и гумитосапропелитовые. Первая группа Г. с. отличается от второй повышенным содержанием водорода (8—10%) и низким — гуминовых кислот (0,5% ) в органической массе. Сапропелитовые Г. с. обладают повышенным выходом смол до 20—30% и теплотой сгорания до 14,6—16,7 Мдж/кг (3500—4000 ккал/кг). Эти показатели у гумито-сапропелитовых Г. с. ниже при равном содержании минеральной примеси. В мировой практике добычи и использования Г. с. диапазон важнейших показателей очень широк.

      Торф [2] - горючее полезное ископаемое; образовано скоплением остатков растений, подвергшихся неполному разложению в условиях болот. Для болота характерно отложение на поверхности почвы неполно разложившегося органического вещества, превращающегося в дальнейшем в торф. Слой торфа в болотах не менее 30 см, (если меньше, то это заболоченные земли). Содержит 50—60 % углерода. Теплота сгорания (максимальная) 24 МДж/кг. Используется комплексно как топливо, удобрение, теплоизоляционный материал и др.

      Битуминозные пески - горючее полезное ископаемое, орг. часть которого представляет собой природный битум. По содержанию битума делятся на богатые, или интенсивные (более 10% по массе битума), средние (5-10%) и тощие (до 5%). Битумы подразделяют на несколько типов: мальты (вязкие жидкости, плотность 0,86-1,03 г/см3, динамическая вязкость 10 Па*с); асфальты (твердые легкоплавкие вещества, плотность 1,03-1,10 г/см3, т. пл.

      Читайте также: