Раздел 4. Топливо и теория горения

Раздел содержит 3 темы. Предусмотрено выполнение одной лабораторной работы, задач контрольной работы, 5 тренировочных тестов и 10 контрольных тестов. Максимально возможное число баллов рейтинговой системы составляет 13 баллов для очно-заочной и 8 баллов для заочной форм обучения.

4.1. Характеристики энергетических топлив

Виды органических топлив, применяемых на транспорте, в энергетике, промышленности. Состав и характеристики твердлго, жидкого и газообразного топлива. Условное топливо. Искус-твенные топлива.

По теме предусмотрена одна лабораторная работа. Материал темы входит в задачи контрольной работы. После изучения теоретического материала следует ответить на вопросы для самопроверки. Более подробная информация по теме – в источниках [1], [6].

4.1.1. Состав и характеристики жидкого топлива

В технике и промышленности практически все жидкие топлива получаются в результате переработки природной нефти. Нефти различных месторождений отличаются между собой содержанием углерода (85-87 % по массе), водорода (до 12…14 %), серы (до 3…4 %) и кислорода (до 1 %).Все указанные горючие элементы находятся в нефти в виде смеси различных углеводородных органи-ческих соединений, имеющих разные молекулярные массы. Чаще всего это угле водороды метанового ряда (С_nН_2n+2), нафтенового ряда (С_nН₂) или ароматического ряда (С_nН_2n-6).

Обычно получаемые из нефти различные виды искусственного жидкого топлива образуются в результате нагревания нефти до 300…370 ^оС. Затем пары разгоняются по фракциям, которые конденсируются при различной температуре. На рис. 4.1 показано, как нефть нагревается в трубчатой печи 1, затем поступает

в ректификационную колонну 2, в которой на тарелках пары углеводородов конденсируются. С разной высоты колонны 2 отбираются следующие фракции топлива: сжиженный газ (выход около 1 %), бензин (около 15 %), лигроин (около 16%), керосин (около 17 %), дизельное (около 18 %), соляровое масло и мазут.

Рис. 4.1. Схема завода прямой перегонки нефти

На рис. 4.2. приведены значения температур, при которых начинают выкипать и конденсируются различные виды жидкого топлива. Жидкий остаток с температурой

Рис. 4.2. Пределы выкипания различных топлив, получаемых из нефти

кипения 330…350^оС и плотностью 0,92 кг/м³ называется мазутом, который под-вергается дальнейшей переработке методом крекинга для получения дополни-тельного количества (до 40 % от массы мазута) бензина, керосина, дизельного топлива. В настоящее время выход мазута составляет около 20 % от природной нефти. Слово «крекинг» означает расщепление, раздробление. Известны крекинг-процессы, в которых продукты из нефти нагревают до 425…500 ^оС и под давле-нием до 7 МПа. В других процессах применяют катализаторы и другие сложные химические процессы переработки нефти (алкилирование, изомеризация, арома-тизация и др.)

Из рис 4.2 видно, что при нагревании природной нефти от 40 до 200 ^оС выделяются фракции различных сортов бензина с плотностью 0,72…0,76 кг/м³, состоящих на 85% из углерода С и на 15% из водорода Н. Среднее значение низшей теплоты сгорания составляет Мдж/кг.

Керосин выкипает при 145…310 ^оС и состоит в среднем из 86 ^оС и 14 % Н. Плотность керосина колеблется от 0,79 до 0,87 кг/м³, низшая теплота сгорания Мдж/кг.

Дизельное топливо отгоняется при температуре 190…350 ^оС, имеет плот-ность 0,82…0,84 кг/м³ и теплоту сгорания МДж/кг. Некоторое количество жидкого топлива может быть получено специальной переработкой твердого топлива, например, из угля, содержащего до 90…95% С. Методом гид-рогенизации из одной тонны угля и 200 м³ водорода получают около 650 кг различных углеводородов, входящих в состав бензина, масел и газов.

Жидкие топлива характеризуются следующими физико-химическими свой-ствами.

Бензины. Автомобильные бензины представляют собой смеси углеводородов, выкипающих в диапазоне температур 35…205 ^оС. В России вырабатываются бензины марок А-76, АИ-93 (АИ-92), АИ-95, по ГОСТ 2084-77 а также бензины с улучшенными экологическими свойствами (НОРСИАИ-80, НОРСИ-АИ-92, НОРСИАИ-95). С 01.01.1999 г. в РФ введен ГОСТ Р-51105 на автомобильные бензины неэтилированных марок: нормаль-80; регуляр-91; премиум-95; супер-98. В 1998 г. доля неэтилированных бензинов составила 81 % общего выпуска. В последние годы в ряде стран начато производство экологически чистых моди-фицированных бензинов с обязательным добавлением кислород-содержащих компонентов. Цифры в марке бензина показывают октановое число (ОЧ), которое характеризует детонационную стойкость бензинов. Наименьшей детонационной стойкостью обладают парафины, наибольшей – ароматические углеводороды. С увеличением количества атомов углерода в молекуле ОЧ уменьшается.

Испаряемость бензинов определяется в основном кривой фракционной разгонки (фракционным составом) и давлением насыщенных паров. Важными эксплуатационными свойствами бензинов являются также прокачиваемость, склонность к образованию отложений, коррозионная активность и др.

Дизельные топлива. Топлива для дизелей вырабатывают в основном из гидроочищенных фракций прямой перегонки нефти. Дизельные топлива включают следующие группы углеводородов (в %): нормальные парафиновые – 5…30, изопарафиновые – 18…46, нафтеновые – 23…60, ароматические – 14…35. В России вырабатывают три сорта дизельного топлива: «л» (летнее) – для эксплу-атации при температуре 20^оС и выше, «а» (арктическое) – для температуры окружающего воздуха –50^оС и выше.

Наиболее важными эксплуатационными свойствами дизельных топлив являя-ются испаряемость, воспламеняемость, низкотемпературные свойства, прокачива-емость. Испаряемость определяется фракционным составом, плотностью и вяз-костью топлива. Для улучшения экологических свойств топлив необходимо огра-ничивать содержание в топливе ароматических углеводов (не более 15 %) и серы (0,05…0,15%). Производство дизельного топлива с содержанием серы менее 0,2% в 1998 г. составляет около 88 % общего выпуска.

Воспламеняемость дизельных топлив оценивают цетановым числом (ЦЧ). Наибольшие значения ЦЧ имеют алканы, наименьшие – бициклические аромати-ческие углеводороды. Углеводороды, имеющие высокие ЦЧ, обладают низкой детонационной стойкостью (малые ОЧ). Цетановое число рассчитывают по соот-ношению: ЦЧ = 60 – ОЧ / 2. Повышение ЦЧ дизельного топлива, как правило, улучшает пусковые свойства двигателя.

Для надежной работы топливных систем дизелей важными являются низко-температурные свойства, оцениваемые температурами помутнения (из топлива начинают выпадать твердые углеводороды), застывания (топливо теряет теку-честь) и предельной температурой фильтруемости (топливо после охлаждения способно проходить через фильтр с установленной скоростью). Улучшение низкотемпературных свойств возможно как изменением состава и удалением н-парафиновых углеводородов (это сопровождается снижением ЦЧ), так и добавлением специальных (депрессорных) присадок.

Для дизельных топлив желательно иметь возможно меньшую склонность к нагарообразованию и образованию отложений, меньшую коррозионную актив-ность. Эти свойства оцениваются такими показателями топлив, как кислотность, содержание серы, коксуемость, зольность и др.

Газообразные топлива. Углеводородные газовые топлива по их агрегатному состоянию при нормальных условиях подразделяют на сжатые (СПГ) и сжижен-ные (СНГ). В качестве сжатого газа обычно используют природный газ (95 % метана СН₄). Метан, критическая температура которого t_кр = - 82^оС, при всех более высоких температурах находится в газовой фазе.

Сжиженные газы являются главным образом продуктами переработки попут-ных газов и газов газоконденсатных месторождений и в основном содержат бутанпропановые и бутиленпропиленовые смеси, находящиеся при нормальной температуре в жидком состоянии.

Основным преимуществом газовых топлив является их чистота (отсутствие свинца, оксидов металлов, ароматических углеводородов, очень низкое содер-жание серы и др.), легкий запуск в холодное время, высокие экологические качества.

Перспективным топливом является водород, обладающий наиболее высокой теплотой и температурой сгорания и образующий «чистые» (не считая оксидов азота) продукты при сгорании. Недостатками водорода являются высокая стоимость получения, сложность хранения и заправки.

Важнейшими характеристиками горючих газов являются теплота сгорания, плотность, концентрационные пределы взрываемости, объемное содержание этих газов в смеси с воздухом. Теплота сгорания сухого природного газа МДж/м³. Состав газообразного топлива задается в процентах по объему горючих составляющих СН₄, СО, Н₂, углеводородов С₂Н_2n+2 и негорючих газов: СО₂, О₂, N₂, Н₂О.

Нефтяной мазут. Основным видом жидких энергетических топлив является нефтяной мазут, получаемый в процессе переработки нефти, и газовый конденсат. Нефтяные мазуты в зависимости от области применения подразделяют на флотский мазут, котельное и печное топливо.

В соответствии с ГОСТ 10585-75 мазут, предназначенный для электростанций, транспортных и стационарных котлов и технологических установок, разделяют на следующие марки: флотский Ф5 и Ф 12; топочный 40 В и 40; топочный 100 В и 100. Флотский мазут предназначен для судовых котлов, газовых турбин и двигателей. Топочный мазут состоит в основном из тяжелых крекинг – остатков с прямогонным мазутом. Топочные мазуты подразделяют на малосернистые (S < 0,5 %), сернистые (S = 0,5÷2,0 %), и высокосернистые (S > 2,0 %).

Углеводороды являются одним из основных компонентов мазутов. В мазутах прямой перегонки обычно преобладают углеводороды ароматического ряда, а также полициклические и парафиновые углеводороды. Крекинг – мазут содержит в основном полициклические углеводороды, а также углеводороды непредельного ряда (олефины) и продукты их полимеризации или конденсации. В мазуте содержатся асфальто-смолистые вещества, представляющие сложные комплексы полицииклических, гетеро-циклических и металлорганических соединений.

Показатели качества мазута различных марок приведены в работе [1]. Содер-жание серы в зависимости от марки мазута составляет от 0,5 до 3,5%. Теплоемкость мазутов при t = 50 ^оС меняется в диапазоне с = 1,82…2,0 кДж/(кг·К) и растет с ростом температуры. Теплопроводность при t = 20^оС лежит в диапазоне λ = 0,12…0,16 Вт/(м·К) и уменьшается с ростом температуры.