Вопросы для самопроверки

1. Для чего предназначены компрессоры?

2. Как вы понимаете одноступенчатое и многоступенчатое сжатие?

3. Что называется максимальной работоспособностью?

МОДУЛЬ 4. Виды и характеристики топлива.

Тема 10. Состав и основные характеристики жидкого и газообразного топлива. Теплота сгорания топлива. Условное топливо. Приведенные характеристики. Классификация топлив

Состав и основные характеристики жидкого топлива

Практически все жидкие топлива по­ка получают путем переработки нефти. Сырую нефть нагревают до 300—370 °С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при раз­личной температуре t_K: сжиженный газ (выход около 1 %), бензиновую (около 15 %, t_К = 30÷80 °С), керосиновую (около 17%, t_к=120÷135 °С), дизель­ную (около 18%, t_к= 180÷350°С). Жидкий остаток с температурой начала кипения 330—350 °С называется мазу­том. Указанные фракции служат исход­ным сырьем для получения смазочных материалов и топлив для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок — бензина, керосина, дизель­ных топлив и т. д.

Мазутная фракция может подвер­гаться дальнейшей переработке на свет­лые нефтепродукты путем крекинга, т. е. расщепления тяжелых молекул на более легкие. Первый патент на установку термического (т. е. осуществляе­мого путем нагрева до высоких темпера­тур под давлением) крекинга нефтепро­дуктов был получен русским инженером В. Г. Шуховым в 20-х годах ХХ века по решению международного суда на ос­новании «привилегии», выданной ему еще в 1891 г. Сейчас этот процесс уско­ряют с помощью катализаторов. Боль­шое количество мазута (с некоторыми добавками) все еще используется в ка­честве топлива.

В 1975 г. выход мазута в СССР со­ставил около 45 % количества сырой не­фти. В начале 80-х годов глубина пере­работки нефти возросла примерно до 60 %, а к концу века выход мазута уменьшится до 20 % сырой нефти. По­скольку мазут служит и предметом эк­спорта, его потребление в качестве топ­лива уменьшается. Мазут, как и мотор­ные топлива, представляет собой слож­ную смесь углеводородов, в состав кото­рых входят в основном углерод (С^r= 84÷86 %) и водород (Н^r=10÷12%).

Мазуты, получаемые из нефти ряда месторождений, могут содержать много серы (до 4,3%), что резко усложняет защиту оборудования и окружающей среды при их 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 ее часто ис­пользуют в качестве сырья для получе­ния, например, ванадия.

Состав и основные характеристики газообразного топлива

К газообразным топливам относится прежде всего природный газ. Основным его компонентом явля­ется метан СН₄, кроме того, в газе раз­ных месторождений содержатся небольшие количества азота N₂, высших угле­водородов С_nН_m, диоксида углерода СО₂. В процессе добычи природного газа его очищают от сернистых соединений, но часть их (в основном сероводород) мо­жет оставаться. Кроме того, в бытовой газ для обнаружения утечек добавляют так называемые одоризаторы, придаю­щие газу специфический запах; они тоже содержат соединения серы. Принято счи­тать, что концентрация водяного пара в природном газе соответствует состоя­нию насыщения при температуре газа в трубопроводе.

При добыче нефти выделяется так называемый попутный газ, содер­жащий меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов и по­этому выделяющий при сгорании больше теплоты. Проблема полного его исполь­зования сейчас весьма актуальна. Естественно, если близко есть га­зопровод природного газа, попутный газ проще всего закачивать в него.

В промышленности и особенно в быту находит широкое распространение сжи­женный газ, получаемый при пер­вичной переработке нефти и попутных нефтяных газов. По ГОСТ 20448- 80 с изменениями от 01.03.84г. и 01.07.86г. выпускают техничес­кий пропан (не менее 93 % С₃Н₈ + С₃Н₆), технический бутан (не менее 93 % С₄Н₁₀ + С₄Н₈) и их смеси. Темпера­тура конденсации пропана при атмос­ферном давлении равна -44,5 °С, а бу­тана + 5 °С; соответственно при 20 °С давление паров пропана составляет око­ло 0,8, а бутана — около 0,2 МПа. По­этому эти газы транспортируют в жид­ком виде в баллонах под небольшим дав­лением (менее 2 МПа).

В зависимости от назначения и усло­вий использования смеси содержание в ней пропановой и бутановой фракций должно быть разным. Например, в рай­онах с суровым климатом цистерны без подогрева, размещаемые на улице, до­лжны зимой заполняться пропаном, ибо бутан при отрицательных температурах испаряться не будет. Наоборот небольшие баллоны, устанавливаемые в помещении, и любые баллоны в районах с теплым климатом, заполняют смесью, состоящей примерно поровну из пропана и бутана, в результате чего давление в баллоне обычно не превышает 0,6МПа.

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 (после очистки от сернистых соединений) применяют для бытового газоснабжения прилегающих жилых массивов. Из-за большого содержания СО (5-10 %) он значительно токсичнее природного. Избытки доменного газа обычно сжигают в топках заводских электростанций.

Теплота сгорания топлива

Под теплотой сгорания по­нимается количество теплоты, выделяю­щейся при полном сгорании единицы топлива. Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива обычно относят к 1 кг, а газообразного — к 1 м³ (в нор­мальных условиях) на рабочее, сухое или сухое беззольное состояние. По ГОСТ 147-74 с изменениями от 01.01.1981 г. и 01.01.1985 г. она определя­ется в калориметре.

Продукты сгорания пробы топлива охлаждаются в калориметре до комнатной температуры. При этом вода, образу­ющаяся при сгорании водорода и содер­жащаяся во влажном топливе, оказыва­ется в жидком виде. Если в результате сгорания вода получается в виде жидко­сти, теплота сгорания называется высшей — Q_s.

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 — Q_i. Она меньше, чем Q_s, на количество затрат теплоты на испарение.

Поскольку 1 кг водорода дает при сгорании 9 кг воды, а конденсация 1 кг пара при 20 °С — около 2,5 мДж тепло­ты, то приближенно

(101)

Значения Н^r и W^r подставляются в эту формулу в %, Q — в кДж/кг.

Максимальная теплота сгорания твердых топлив доходит до мДж/кг (тощие угли и антраци­ты), минимальная может в зависимости от содержания балласта опускаться до 10 мДж/кг и ниже.

Теплота сгорания обезвоженных ма­зутов = 41,5÷39 мДж/кг. Поскольку элементный состав всех жидких топлив, полученных перегонкой нефти, примерно одинаков, их теплота сгорания также примерно одинакова.

Калориметр позволяет определить тепло­ту сгорания с большей точностью. Теплоту сгорания газообразного топ­лива обычно относят к 1 м³ сухого газа (так называемая низшая теплота сгора­ния сухого газа ) в нормальных усло­виях и рассчитывают через теплоты сго­рания составляющих его компонентов (кДж/м³). Значения для основных газообразных топлив при­ведены в табл. 1.

Таблица 1. Состав (% об.) и теплота сгорания горючих газов (ориентировочно)

Газ	СН4	Н2	СО	СnHm	O2	CO2	H2S	N2	Qi, МДж/м3
Природный	94,9	-	-	3,8	-	0,4	-	0,9	36,7
Коксовый	22,5	57,5	6,8	1,9	0,8	2,3	0,4	7,8	16,6
Доменный	0,3	2,7	28	-	-	10,2	0,3	58,5	4
Сжиженный	4	Пропан 79, этан и бутан 11							88,5
Биогаз	55-70	До 0,5				28-43	До 0,5	До 0,5	18-23

Условное топливо. Приведенные характеристики

Экономические расчеты, сравнение показателей топливоиспользующих устройств друг с другом и планирование необходимо осуществлять на единой базе. Поэтому введено понятие так называемого условного топлива, теплота сгорания которого принята равной 29,35 мДж/кг (7000ккал/кг), что соответствует хорошему малозольному сухому углю.

Часто такие характеристики топлива, зольность и влажность или содержание серы, получаются более наглядными при их отнесении не на единицу массы топлива, а на единицу выделяющейся при сгорании теплоты. Это обусловило явление так называемых приведенных характеристик.

Под приведенным понимается содержание данного компонента в граммах, отнесенное к одному мегаджоулю теплоты, выделяющейся при сгорании топлива. (В некоторых старых справочниках приведенные характеристики выражены в 10³ кг ∙ % /ккал.) Приведенная зольность, например, показывает, какое количество золы в граммах ежесекундно образуется при сжигании данного топлива в установке с тепловой мощностью 1МВт. Чаще всего используют приведенные влажность и зольность, а иногда приведенное содержание серы.

Использование приведенных характеристик существенно упрощает некоторые расчеты.

Классификация топлив

Жидкие и газообразные топ­лива классифицируются по разным при­знакам, зависящим к тому же от назна­чения топлив. Поэтому в разных странах и даже в различных отраслях промыш­ленности одной и той же страны топлива классифицируют по-разному.

Мазуты, предназначенные для сжи­гания в котельных и технологических установках, подразделяются на флотские Ф5 и Ф12 и топочные. Топочные мазуты имеют марки М40 и M100. Цифра по­казывает отношение времени истечения 200 мл мазута при 50 °С к времени исте­чения такого же количества дистиллиро­ванной воды при 20 °С в строго опреде­ленных условиях. Из этого видно, что мазуты — очень вязкие жидкости. Даже при 80 °С кинематическая вязкость мазу­та М100 может доходить до 118мм²/с; а марки М40 - до 59 мм²/с. Вязкость воды при этой температуре равна 0,365 мм²/с. Для перекачки мазутов по трубопроводам и распыливания форсун­ками их приходится подогревать до 100-140 °С, чтобы снизить вязкость хо­тя бы до 15-20 мм²/с. Температура за­стывания мазута М40 не должна превы­шать 10, а М100 - 25 °С. Мазуты с госу­дарственным Знаком качества допол­нительно маркируются буквой В (высо­кокачественный) — М40 В и M 100 В.

В пределах марок топочные мазуты подразделяются на три сорта в зависи­мости от содержания серы: малосерни­стые (S^r<0,5 %), сернистые (S^r = 0,5÷2 %) и высокосернистые (S^r = 2,5÷3,5%), ГОСТ 10585-75 с изменения­ми от 01.02.77 и 01.04.82г.

МОДУЛЬ 5. Организация сжигания топлив в промышленных условиях. Топочные устройства.