Жидкое топливо

Основная часть жидкого топлива, используемого в энергетике, получается из нефти методами ее термохимической разложения. Нефть – природная смесь жидких органических соединений, состоит в основном из углеводородов.

Усредненный состав:

С = 83 - 87 %

Н = 11 - 14 %

S = 0,1 – 5 %

N = 0,05 – 1,5%

О₂ = 0,1 – 1%

Содержит не более 0,3% минеральных примесей и свыше 2% влаги в виде механических включений.

Нефтепродукты это синтетическое топливо, полученное методом термической разгонки или термического крекинга.

Термическая разгонка – разделение нефти по фракциям по температуре их кипения без разрушения молекулярной структуры этих фракций:

1. бензиновые

2. керосиновые

3. дизельные

4. соляровые

5. мазутные

Термический крекинг – разложение нефти на фракции с разрушением их структуры и образованием новых соединений с меньшей молекулярной массой.

Мазуты

Мазуты делятся:

- флотские

- топочные марок М40, М100, М200.

По сернистости мазуты делятся:

- Малосернистые 0,1 – 0,5% серы

- Среднесернистые 0,5 – 2% серы

- Многосернистые более 2% серы

Физические свойства жидкого топлива:

- относительная плотность

- условная и динамическая вязкость

- температура вспышки

- температура застывания.

Газообразное топливо

Газообразное топливо представляет собой смесь нескольких индивидуальных горючих газов.

Газообразное топливо может быть природным или искусственным.

Природный – газ из чисто газовых месторождений, попутный и из конденсатных месторождений. Основные составляющие этан и метан.

Искусственный – газ получаемый при переработке нефти, угля, при газификации угля, сжиженный газ.

Горение топлив.

Реакция горения - это одна из форм процесса окисления, то есть соединение горючих элементов топлива с кислородом воздуха, сопровождающаяся выделением значительного количества тепла.

Гетерогенное горение протекает на поверхности раздела фаз твердой жидкой и газообразной.

Гомогенное горение протекает между компонентами находящимися в одной фазе (горение газов).

Каждый процесс горения топлива является поточным, сопровождающийся подводом топлива и воздуха и отводом продуктов горения.

Температуры воспламенения:

Торф = 225 С⁰

Дрова = 300 С⁰

Бурый уголь =300-400 С⁰

Каменный уголь = 450 – 500 С⁰

Антрацит = 700 – 750 С⁰

Мазут = 500 С⁰

Газ = 600 - 700 С⁰

Чем больше выход летучих при разложении топлива, тем ниже температура его воспламенения.

С + О₂ → СО₂ (на 1кг 33705 кДж/кг)

С + О₂ → СО (на 1кг 9520 кДж/кг) - недожог

2Н₂ + О₂ → 2Н₂О (142360 кДж/кг)

S + О₂ → SО₂ (9045 кДж/кг)

СН₄ +2 О₂ = СО₂+2Н₂О (56100 кДж/кг)

Процесс горения топлива довольно сложен, условно его можно разделить на несколько стадий.

Стадии горения твердого топлива:

1. Воспламенение. Топливо подогревается, подсушивается при температуре 105 – 110 С⁰, теряя свою внешнюю влагу, при температуре 150 – 190 С⁰ топливо начинает разлагаться на летучие и твердый остаток – кокс, наиболее интенсивно процесс протекает при температуре 300 – 400 С⁰ . При дальнейшем нагреве, когда температура равна температуре воспламенения -топливо загорается.

2. Активное горение. Стадия горения, при которой происходит интенсивное выгорание топлива, которое требует максимального потребления кислорода и протекает, пока не выгорят летучие и основная часть кокса.

3. Догорание. На завершающей стадии происходит догорание невыгоревших частиц топлива, потребность в кислороде уменьшается.

Стадии горения жидкого топлива.

1. Испарение компонентов жидкого топлива с поверхности капель.

2. При достижении температуры воспламенения – горение парогазовой среды, образовавшейся при испарении жидкого топлива.

3. Догорание коксовых остатков.

Интенсивность испарения топлива повышается с повышением площади испарения и количества подводимой теплоты. Скорость горения топлива определяется скоростью его испарения с поверхности и резко повышается при распыливании топлива с помощью форсунок.

Стадии горения газообразного топлива.

1. Образование горючей смеси (смешение горючих газов и воздуха).

2. Нагревание до температуры воспламенения.

3. Горение.

Существует следующие методы сжигания газов в факеле:

Кинетический метод. До начала горения газ предварительно смешивается с окислителем в горелке, при этом скорость горения не должна превышать скорость химической реакции горения.

Диффузионный метод. Горение происходит в процессе смешивания горючего газа с воздухом (то есть без предварительного смешивания). Скорость процесса горения будет ограничена скоростью смешивания газов с воздухом.

Горение частицы твердого топлива в потоке воздуха.

В зависимости от скорости потока окислителя, горение подразделяется на ламинарное и турбулентное.

Ламинарный процесс Re<100 (Рис.1) Турбулентный процесс Re >100 (Рис.2)

1 – масса частицы углерода, 2 – зона пламени

Горение капли жидкого топлива

Рис.3 Схема горения капли жидкого топлива

В зону горения из капли выделяются пары топлива образующие парогазовую рубашку. С внешней стороны подается окислитель, образуя на поверхности парогазовой рубашки зону горения. Продукты горения в основном отводятся в окружающее каплю пространство. Теплота необходимая для испарения топлива подается к поверхности капли в основном излучением, а так – же в результате частичной диффузии внутри парогазовой рубашки продуктов горения.

В инженерных расчетах время выгорания капли рассчитывают используя соотношение, вытекающее из линейной зависимости квадрата диаметра капли топлива от времени его испарения ( закон Срезневского)

- время выгорания.

d₀ d – начальный и текущий диаметры капли топлива (мм).

К – опытный коэффициент, зависящий от температуры среды, концентрации кислорода и режима обтекания капли потоком газов (мм²/с)

При горении в воздухе с температурой от 800 до 900 С⁰ и скоростях обтекания капли до 1 м/с, для мазута коэффициент К колеблется в пределах от 1 до 2 м²/с.

Для обеспечения необходимой интенсивности испарения жидких топлив их перемешивают с окислителем при вводе в зону горения, жидкое топливо распыляется с размером капель от 0 до 0,2 мкм.

При сжигании мазута для испарения тяжелых фракций необходимо создать температуру более 400 С⁰. При таких температурах может происходить разделение топлива на газообразную и твердую фазу (сажа и кокс), которые горят как частицы твердого топлива, но имеют меньшую активность по отношению к кислороду воздуха. Раскаленные частицы сажи и кокса в пламени обуславливают светимость факела.

Развитие факела при горении газообразного топлива.

Рис.4 Схема развития турбулентного факела однородной смеси

С – кривая изменения концентрации горючей смеси, Т – кривая изменения температуры, l_зв – длина зоны воспламенения, l_ф – длина горящего факела, АВ – сечение сопла, - толщина фронта турбулентного горения, l_Д – зона догорания.

l_зв – длина зоны воспламенения (ядро струи газообразного факела), в ядре газы движутся с постоянной скоростью равной скорости начального участка струи. Температура в ядре постоянная и равна температуре газо-воздушной смеси на выходе из сопла.

l_т – длина фронта турбулентного горения. Она вместе с зоной воспламенения создает видимый участок факела, при больших скоростях струи степень выгорания газа на данном участке составляет 90%. Остальные 10% газа вступают в реакцию с кислородом воздуха в зоне догорания l_д

l_д – протяженность тем больше чем меньше скорость реакции окисления и больше скорость движения газов. Невидимая часть факела.