Лабораторная работа № 4. Виды топлива и его технический анализ. Изучение процесса горения и устройств для его обеспечения
Время, отведённое на выполнение лабораторной работы, – 2 часа.
1. Цели и задачи лабораторной работы
1. Изучение различных видов топлива и методов их технического анализа по ГОСТ Р 53357-2013 (ИСО 17246:2010).
2. Изучение процессов горения топлива, конструкций и принципа действия бытовых и промышленных устройств для его обеспечения.
2. Задание
1. Изучить приведенные ниже краткие теоретические сведения.
2. Ознакомиться с Национальным стандартом Российской Федерации ГОСТ Р 53357-2013 (ИСО 17246:2010) «Топливо твердое минеральное. Технический анализ» и определить в соответствии с ним влажность, зольность и выход летучих веществ для исследуемой пробы твердого топлива, а также сделать расчет нелетучего углерода.
3. Изучить температуры в пламени при горении жидкого топлива.
4. Научиться выбирать бытовые газовые плиты, газовые колонки и горелки для котлов, используя информацию из Интернета и базы данных о современной продукции и ее ведущих производителях.
5. Ответить на контрольные вопросы.
6. Сдать на проверку преподавателю в электронном виде отчет об индивидуальной самостоятельной работе, описанной в пунктах 4 и 5.
7. Подготовить и защитить отчет о результатах работы.
3. Необходимое оборудование и приборы
Весы лабораторные торсионные с набором гирь, шкаф сушильный, муфельная печь, эксикатор, набор лабораторной посуды (ступка, сита, бюксы, фарфоровые тигли), щипцы, шпатель, спиртовка, зажигалка, пирометр, электронная база данных о современной продукции и ее ведущих производителях и поставщиках, компьютер, Интернет.
4. Краткие теоретические сведения
4.1. Виды топлива и его основные характеристики
То́пливо в широком смысле слова - это вещество, способное выделять энергию в ходе определённых процессов, которую можно использовать для технических целей. Химическое топливо выделяет энергию в ходе экзотермических химических реакций при горении, ядерное топливо – при ядерных реакциях.
Топлива по агрегатному состоянию вещества бывают твёрдые, жидкие и газообразные, а по способу получения - природные (уголь, нефть, газ) и искусственные (рис. 1-5, табл. 1). Ископаемые природные топлива служат основным источником энергии для современного общества. В 2010 году примерно 90 % всей энергии, производимой человечеством на Земле, добывалось сжиганием ископаемого топлива или биотоплив, и, по прогнозам Управления энергетических исследований и разработок США, эта доля не упадёт ниже 80 % до 2040 года при одновременном росте энергопотребления на 56 % в период с 2010 по 2040 годы. С этим связаны такие глобальные проблемы современной цивилизации, как истощение невозобновляемых энергетических ресурсов, загрязнение окружающей среды и глобальное потепление.
Рис. 1. Виды топлива.
Рис. 2. Некоторые виды твердого топлива.
За последние 20 лет мировое энергопотребление возросло на 30 % (и этот рост, по-видимому, продолжится в связи ростом потребности бурно развивающихся стран азиатского региона). В развитых странах за тот же период сильно изменилась структура потребления - произошло замещение части угля более экологичным природным газом (Европа и прежде всего Россия, где доля газа в потреблении составила до 40 %), а также возросла с 4 % до 10 % доля атомной энергии.
Рис. 3. Виды топлива, их состав и теплота сгорания.
Рис. 4. Технология производства различных нефтепродуктов из нефти.
Рис. 5. Использование растительного масла как топлива для автомобилей.
Таблица 1.
Технические характеристики некоторых видов топлива.
Рис. 6. Относительная стоимость единицы тепловой энергии, производимой различными видами топлива.
Рис. 7. Примерные стоимость отопления дома площадью 200 м2
в случаях использования различных видов топлива.
Все виды топлива состоят из одних и тех же элементов. Разница между видами топлива заключается в том, что эти элементы содержатся в топливе в различных количествах. Свойства топлива зависят главным образом от его химического состава, а 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.
Элементы, из которых состоит топливо, делятся на две группы. К первой группе относятся горючие элементы – углерод и водород. При полном сгорании углерода образуется относительно безвредный диоксид углерода СО2 и выделяется 32,8 МДж теплоты на 1 кг углерода. Количество теплоты, выделяющееся при сгорании (окислении) водорода, составляет 120,8 МДж на 1 кг. Третий горючий элемент – сера: органическая (в соединениях с водородом, углеродом, азотом и кислородом) – Sор, колчеданная (в соединениях с железом) – Sк, сульфатная (в виде солей серной кислоты CaSO4, MgSO4, FeSO4 и др.) – Sc. Наличие серы в топливе нежелательно, так как при ее горении образуются SO2 и SO3, которые при соединении с водяными парами образуют сернистую H2SO3 и серную H2SO4 кислоты, вызывающие коррозию металла и кислотные дожди. Ко второй группе элементов принадлежат те, которые сами не горят и не способствуют горению – азот и вода.
Практическая ценность топлива определяется количеством теплоты, выделяющейся при его полном сгорании. Например, при сжигании 1 кг древесины выделяется теплота, равная 10,2 МДж, каменного угля – 22 МДж, бензина – 44 МДж. Эта величина прямо пропорционально зависит от содержания в топливе углерода и водорода и обратно – от содержания кислорода и азота.
Основная характеристика топлива – теплотворная способность (теплота сгорания) Q. Теплотворностью или теплотой сгорания топлива называется количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы или объема топлива (1 кг жидкого топлива или 1 м3 газообразного). Теплотворность измеряется в ккал/кг или ккал/м3 (в СИ – кДж/кг, кДж/м3).
Различают высшую QвP и низшую QнР теплоту сгорания (теплотворную способность топлива).
Высшая теплота сгорания QвP – количество теплоты, выделяющееся при сгорании 1 кг твердого, жидкого или 1 м3 газообразного топлива при превращении водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, в жидкость.
Низшая теплота сгорания QнР меньше высшей на величину парообразования влаги, имеющейся в топливе (Wp) или образующейся в результате сгорания водорода топлива. Низшую теплоту сгорания учитывают для подсчета потребности в топливе и его стоимости при составлении тепловых балансов и определении коэффициентов полезного действия установок, использующих топливо.
Условное топливо – это топливо, используемое для сравнительных расчетов, теплота сгорания которого принята равной 29,35 МДж/кг (7000 ккал/кг). Перевод действительного количества топлива в условное производится умножением количества данного топлива на его эквивалент Э = QнP /29,35. Максимальная низшая теплота сгорания твердых топлив доходит до QнР = 28 МДж/кг, минимальная составляет 10 МДж/кг и ниже (в зависимости от содержания балласта).
Другая важнейшая характеристика топлива – его жаропроизводительность, оцениваемая значением максимальной температуры, какую теоретически можно получить при полном сгорании топлива в воздухе. При сгорании дров, например, максимальная температура не превышает 1600 оС, каменного угля - 2050 оС, бензина - 2100 оС.
Влажность (содержание влаги) топлива снижает его теплоту сгорания вследствие увеличенного расхода теплоты на испарение влаги и увеличения объема продуктов сгорания (из-за наличия водяного пара).
Зольность – количество золы, образующейся при сгорании минеральных веществ, содержащихся в топливе. Минеральные вещества, содержащиеся в топливе, понижают его теплоту сгорания вследствие уменьшения содержания горючих компонентов (основная причина) и увеличения расхода тепла на нагрев и плавление минеральной массы.
Состав топлива. Топливо различных видов, месторождений и шахт различается по своему составу. При рассмотрении твердого и жидкого топлива принято различать следующие его составляющие: углерод, водород, серу, кислород, азот, золу и влагу. Применительно к газообразному топливу под составом понимают в основном: оксид углерода, водород, метан, этан, пропан, бутан, этилен, бензол, сероводород и др. Входящие в состав топлива кислород и азот относят к внутреннему органическому балласту топлива, а золу и влагу - к внешнему. Состав твердого и жидкого топлива выражают в процентах по массе, газообразного - в процентах по объему.
Топливо в том виде, в каком оно поступает в топки печи для сжигания, носит название рабочего топлива. Ввиду того что содержание в нем влаги может колебаться в широких пределах, состав топлива часто характеризуют его сухой массой.
Для обозначения состава, к которому относится содержание того или иного элемента в топливе, применяют индексы о, г, с и р, которые читаются соответственно: о – органическая масса; г – горючая масса; с – сухое топливо; р – рабочее топливо. Например, CO – содержание углерода в органической массе; Sr – содержание серы в условно горючей массе; Ас – содержание, золы в сухом топливе; Wp – содержание влаги в рабочем топливе.