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 топливо — 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.

     По  агрегатному состоянию выделяют твердое, жидкое и газообразное топливо:

     К твердому топливу относят дрова, бурые и каменные угли, торф, антрацит; к твердому искусственному топливу – кокс, древесный уголь, брикеты и пыль из бурого и каменного углей, термоантрацит.

     Жидкие  топлива – это в основном вещества органического происхождения, основные составляющие элементы которых – углерод, водород, кислород, азот и сера. Естественного жидкого топлива нет. В качестве искусственного жидкого топлива используют различные смолы и мазут.

     Газообразные  топлива – это в основном смесь различных газов, таких как метан, этилен, и других углеводородов. Также в состав газообразного топлива входят оксид углерода, диоксид углерода или углекислого газа, азот, водород, сероводород, кислород и другие газы, а также водяные пары. Газообразное топливо может быть естественным, таким как природный газ. В качестве искусственного газообразного топлива применяют газы, получаемые в коксовых печах (коксовые), в доменных печах (доменные или колошниковые) и в газогенераторах (генераторные). 

     Основной  показатель топлива — теплотворная способность (теплота сгорания). Для целей сравнения видов топлива введено понятие условного топлива. Теплота сгорания одного килограмма «условного топлива» (у.т.) составляет 29,3 МДж или 7000 ккал — что соответствует низшей теплотворной способности чистого антрацита.

     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.

     Также  можно разделить  виды топлива и по его происхождению:  растительное,  минеральное и продукты промышленной переработки. Свойства топлива  зависят главным образом от его химического состава. Основным элементом любого топлива природного происхождения является углерод  (его  содержание составляет от 30 до 85%  массы).  В состав топлива также входят H, O, N, S, зола, вода. 

     Теплота сгорания. Условное топливо. 

     Уде́льная теплота́ сгора́ния — физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг или объёмом 1 м³.

     Удельная  теплота сгорания измеряется в Дж/кг (Дж/м³) или калория/кг (калория/м³). Для  экспериментального измерения этой величины используются методы калориметрии.

     Чем больше удельная теплота сгорания топлива, тем меньше удельный расход топлива  при той же величине коэффициента полезного действия (КПД) двигателя.

     Теплота́  сгора́ния — это количество выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для твердых и жидких веществ) или объёмной (для газообразных) единицы вещества. Измеряется в джоулях или калориях. Теплота сгорания, отнесённая к единице массы или объёма топлива, называется удельной теплотой сгорания (дж или кал на 1 кг, м³ или моль).

     Теплота сгорания определяется химическим составом горючего вещества. Содержащиеся в  горючем веществе химические  элементы обозначаются принятыми символами  С, Н, О, N, S, а зола и вода — символами А и W соответственно.

     В зависимости от агрегатного состояния  влаги в продуктах сгорания имеет  место разделение на высшую и низшую теплоту сгорания.

     Теплота сгорания может быть отнесена к рабочей  массе горючего вещества Q^P, то есть к горючему веществу в том виде, в каком оно поступает к потребителю; к сухой массе вещества Q^C; к горючей массе вещества Q^Γ, то есть к горючему веществу, не содержащему влаги и золы.

     Различают высшую (Q_B) и низшую (Q_H) теплоту сгорания.

     Под высшей теплотой сгорания понимают то количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании вещества, включая теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания.

     Низшая  теплота сгорания соответствует тому количеству теплоты, которое выделяется при полном сгорании, без учёта теплоты конденсации водяного пара. Теплоту конденсации водяных паров также называют скрытой теплотой сгорания.

     Низшая  и высшая теплота сгорания связаны  соотношением:

     Q_B = Q_H + k(W + 9H),

     где k — коэффициент, равный 25 кДж/кг (6 ккал/кг);

           W — количество воды в горючем веществе, % (по массе);

           Н — количество водорода в горючем веществе, % (по массе).

     Теплоту сгорания определяют двумя методами: экспериментальным и расчетным.

     При экспериментальном определении  теплоты сгорания применяют калориметры.

     Методика  определения: навеску топлива сжигают в приборе (калориметре), теплота, выделяющаяся при горении топлива, поглощается водой. Зная массу воды, по изменению ее температуры можно вычислить теплоту сгорания. Этот метод хорош тем, что прост. Для определения теплоты сгорания достаточно иметь данные технического анализа.

     Расчетный метод. Здесь теплоту сгорания определяют по формуле Д. И. Менделеева:

     Q^p_H= 339С^p +1030Н^p -109(О^p-S^p) – 25 W^p кДж/ кг,

     где С^р, Н^р, О^р, S^p и W^р соответствуют содержание углерода, водорода, кислорода, серы и влаги в рабочем топливе, %.

     Условное  топливо – это понятие, которое используют для нормирования и учета расхода топлива.

     Условным  принято называть топливо с низшей теплотой сгорания (29 310 кДж/кг). Для  перевода любого топлива в условное, следует разделить его теплоту  сгорания на 29 310 кДж/кг, т. е. найти эквивалент данного топлива: для мазута он равен 1,37-1,43, для природных газов – 1,2-1,4.

     Горение топлива

     При адиабатическом сжигании горючей смеси  могут быть рассчитаны количество выделившегося  при горении тепла, температура  Т_Г, которая была бы достигнута при полном сгорании (адиабатическая температура горения) и состав продуктов, если известны состав исходной смеси и термодинамические функции исходной смеси и продуктов. Если состав продуктов заранее известен, Т_Г может быть рассчитана из условия равенства внутренней энергии системы при постоянном объёме или её энтальпии при постоянном давлении в исходном и конечном состояниях с помощью соотношения:

     Т_Г = Т₀  + Q_r/C

, где  Т₀ — начальная температура смеси,

        С — средняя в интервале температур от Т₀ до Т_Г удельная теплоёмкость исходной смеси (с учетом её изменения при возможных фазовых переходах),

       Q_r — удельная теплота сгорания смеси при температуре Т_Г.

     При относительном содержании а₀ в смеси компонентов, полностью расходуемых в реакции, Q_Г = Q*а₀ где Q — тепловой эффект реакции горения. Значение Т_Г при постоянном объёме больше, чем при постоянном давлении, поскольку в последнем случае часть внутренней энергии системы расходуется на работу расширения. На практике условия адиабатического горения обеспечиваются в тех случаях, когда реакция успевает завершиться прежде, чем станет существенным теплообмен между реакционным объёмом и окружающей средой, например в камерах сгорания крупных реактивных двигателей, в больших реакторах, при быстро распространяющихся волнах горения.

     Термодинамический расчёт даёт лишь частичную информацию о процессе — равновесный состав и температуру продуктов. Полное описание горения, включающее также определение скорости процесса и критических условий при наличии тепло- и массообмена с окружающей средой, можно провести только в рамках макрокинетического подхода, рассматривающего химическую реакцию во взаимосвязи с процессами переноса энергии и вещества.

     В случае заранее перемешанной смеси  горючего и окислителя реакция горения  может происходить во всём пространстве, занятом горючей смесью (объёмное горение), или в сравнительно узком слое, разделяющем исходную смесь и продукты и распространяющемся по горючей смеси в виде так называемой волны горения. В неперемешанных системах возможно диффузионное горение, при котором реакция локализуется в относительно тонкой зоне, отделяющей горючее от окислителя, и определяется скоростью диффузии реагентов в эту зону. 
 

     Твердое топливо и его  классификация

     Происхождение: Все виды твердого топлива нашей планеты своим происхождением обязаны солнечной энергии и хлорофиллу — особому веществу, содержащемуся в листьях и других зеленых частях растений, которые создают сложные органические вещества, а в дальнейшем превращаются в топливо. В своих превращениях вещество топлива последовательно проходит стадии образования торфа, бурого угля, каменного угля, антрацита. В природе существуют различные виды твердого топлива, отличающиеся разнообразными составом и свойствами. Твердое топливо в основном образуется из высокоорганизованных растений — древесины, листьев, хвои и т. п. Отмершие части высокоорганизованных растений разрушаются грибками при свободном доступе воздуха и превращаются в торф — рыхлую, расплывчатую массу перегноя, так называемых гуминовых кислот. Скопление торфа переходит в бурую массу, а затем в бурый уголь. В дальнейшем под воздействием высокого давления и повышенной температуры бурые угли подвергаются последующим превращениям, переходя в каменные угли, а затем в антрацит.

     Состав  топлива: Топливо в том виде, в котором оно добыто, включает в себя органическую массу и балласт. Органической массой топлива считают ту часть, которая произошла из органических веществ: углерода, водорода, кислорода и азота; в балласт включают серу, минеральные примеси — золу и влагу топлива: Твердое и жидкое топливо состоит из углерода С, водорода Н, органической серы So и горючей колчеданной серы SKS, кислорода О и азота N, находящихся в виде сложных соединений. Кроме указанных элементов, составляющих горючую массу топлива, в состав топлива входит еще балласт — зола А и влага W.

     В топочной технике различают рабочую, сухую и горючую массы топлива. В связи с этим при буквенном обозначении вещества, входящего в состав топлива, вверху ставят буквы р, с, или г.

     Под рабочей массой топлива понимают топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю. Состав рабочей массы топлива выражают так: Если из топлива исключить балласт, то получаем горючую массу топлива.

     Сухая масса топлива соответствует обезвоженному. Пересчет состава топлива с одной массы на другую производят с помощью коэффициентов.

     Углерод и водород — самые ценные части  топлива.

     Углерод содержится в значительном количестве в топливе всех видов: древесине  и торфе 50 — 58%, в бурых и каменных углях 65—80%, в тощих углях и  антрацитах 90—95%, в сланцах 61—73%, в  мазуте 84—87% (цифры даны в процентах  на горючую массу топлива). Чем  больше углерода в топливе, тем больше оно выделяет тепла при сгорании.

     Состав  рабочей массы топлива значительно  зависит от величины балласта, поэтому  чаще всего приводятся данные по составу  горючей массы топлива, которая  более стабильна для топлива  каждого вида и месторождения.

     Водород является второй важнейшей частью каждого  топлива. В топливе водород частично находится в связанном с кислородом виде, составляя внутреннюю влагу  топлива, вследствие чего понижается тепловая ценность топлива. Водород играет большую  роль в образовании летучих веществ, выделяющихся при нагревании топлива  без доступа воздуха. В состав летучих водород входит в чистом виде и в виде углеводородных и  других органических соединений.

     Содержание  водорода в процентах от горючей  массы топлива составляет: в дровах и торфе до 6, бурых каменных углях 3,8 — 5,8, горючих сланцах до 9,5, в  антраците 2 и в мазуте 10,6 — 11,1.