книги из ГПНТБ / Васильев В.К. Термодинамические основы исследовательского проектирования судовых энергетических установок

Рассматриваемый процесс является весьма совершенным, по­ зволяющим перерабатывать тяжелые жидкие сорта топлива в легкие. Так, из мазута можно получить 85—87% автомобильного бензина и 15—20% ценных горючих газов.

В табл. 21 приведены показатели некоторых нефтезаводских газов (в % по объему).

Т а б л и ц а 21

Примерный состав побочных продуктов, получаемых при переработке нефти, % к объему

И с к у с с т в е н н ы е г а з ы разных технологических про­ цессов имеют большое значение как вторичные энергетические ре­ сурсы указанных процессов. Рассмотрим наиболее важные из искус­ ственных газов.

К о к с о в ы й г а з является побочным продуктом высоко­ температурного коксования каменных углей, выполняемого в целях получения кокса, необходимого в металлургии. Измельченный

печах. При этом из угля выделяются газообразные горючие веще­ ства и смола. Остаются мелкие частицы твердого углерода (кокса). Угли надо выбирать такие, чтобы частицы кокса хорошо спекались, образуя достаточно крупные куски.

Если кокс нужен не для металлургического процесса, а для полу­ чения газообразного топлива и ряда химических продуктов, то угли могут и не давать спекающихся частиц кокса. В этом случае для коксования оказываются пригодными любые сорта твердого топлива, вплоть до сланцев, которые дают при коксовании сланце­ вый газ.

196

Выход коксового газа зависит от природы сырья и от темпера­ туры процесса, причем в газ переходит в среднем 16—20% теплоты сгорания сырья. Состав газа характеризуется высоким содержанием водорода и окиси углерода; по сравнению с природными газами содержание метана и его гомологов в коксовом газе невелико. Слан­ цевого газа получается по весу 25—28% с большим содержанием окиси углерода (табл. 22).

парокисл ородны й при газиф икации под давлением п осл е отмывки СОа; 12 — доменны й.

Г е н е р а т о р н ы й г а з является продуктом безостаточной газификации различных сортов твердого топлива в специально сконструированных для данной цели газогенераторах.

В зависимости от характера подводимого в генератор дутья различают воздушный, смешанный, водяной и парокислородный генераторный газ.

Воздушный газ получается при взаимодействии углерода топлива с воздухом и теоретически содержит 34,7% окиси углерода и 65,3% азота. При таких примерно условиях получается и доменный газ, который используется в качестве энергетического и технологического топлива в металлургических комбинатах. По составу доменный газ несколько отличается от теоретического'шоздушного газа. Теплота сгорания его 1000—1100 ккал/м3 (4200-^4600 кДж/м3).

197

Смешанный (паровоздушный) газ получается при взаимодей­ ствии углерода со смесью воздуха и водяного пара. Теоретически он состоит из 41,0% СО, 20,9% Н 2 и 38,1% N 2 (по объему). Прак­ тически его состав зависит от качества исходного топлива и может существенно колебаться. Теплота сгорания 1300— 1600 ккал/м3 (5500—6700 кДж/м3).

Водяной газ генерируется при переменной подаче то воздушного, то парового дутья. Газ, получающийся при продувке газогенератора воздухом, обычно выбрасывается в атмосферу, а используется только газ при паровом дутье. Теоретически водяной газ состоит из 50% СО и 50% Н 2 (по объему). Необходимость продувки воздухом является следствием эндотермической реакции между углеродом и водяным паром (реакция цдет с поглощением тепла). Продувка воздухом нужна для притока тепла при воздушном дутье. Водяной газ имеет теплоту сгорания 10 500 — 11 700 кДж/м3. Состав газа обычно отли­ чается от теоретического и зависит от сорта перерабатываемого топлива.

Парокислородный газ получается при парокислородном дутье под давлением (около 20 бар). Процесс его получения является

теплота сгорания газа составляет 14 000 -ь-16 000 кДж/м3. С экономи­ ческой точки зрения этот способ менее целесообразен из-за дорого­

и резервуарах под давлением 8— 10 бар, в последнее время приобрели большое значение. В основном в них входят пропан С3Н8 и бутан С4Н10, которые при указанном давлении находятся в жидком состоя­ нии. Над уровнем жидкости в хранилище располагается смесь насыщенных паров компонент жидкой смеси, представляющая собой высококалорийное газообразное топливо. По мере расходования газа жидкая фаза испаряется, замещая объем взятого из хранилища пара, и таким образом почти все содержимое резервуара может быть использовано.

Приведенные сведения о способах получения и свойствах раз­ личных видов газового топлива необходимы для энергетика. Горючие газы могут составлять смеси, которые так составлены из специально подобранных компонент, чтобы обеспечена была высокая эффектив­ ность работы установки. Ни один из прочих видов органического топлива не дает таких возможностей, как газообразное топливо.

§ 26. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ПРИ ЗАДАННОМ ЭЛЕМЕНТАРНОМ СОСТАВЕ ТОПЛИВА

При расчетах процесса сжигания следует выбрать сорт топлива и, пользуясь приведенными в предыдущем параграфе данными, установить его элементарный состав.

198

буют создания внешних условий, определяемых конструкцией топ­ ливосжигающих устройств, специфичных для каждого типа энерге­ тических установок. Такие устройства следует рассматривать от­ дельно, как составную часть установки, при ее изучении или проек­ тировании. Однако состояние реагирующих элементов в начале реакции и состояние продуктов реакции по ее завершении должны быть подчинены общему для всех энергетических установок требо­ ванию превращения химической энергии топлива в тепловую энер­ гию продуктов сгорания.

В § 14 было отмечено, что использование закона Гесса позволяет отказаться от рассмотрения хода реакции сжигания топлива и от учета специфики топливосжигающих устройств и ограничиться на первой стадии расчетов рассмотрением исходного и конечного состоя­ ния реагирующих веществ.

Состав горючей массы топлива обычно определяется путем ла­ бораторного анализа проб; это обязательно при эксплуатации. При проектировании установки сорт топлива должен быть выбран по усредненным данным о его составе в заданном районе добычи и предварительной обработки.

Важнейшими составными частями всех технически применяемых сортов органического топлива являются углерод С и водород Н, наряду с этими основными элементами горючей массы в топливе могут содержаться небольшие количества серы S. Поэтому боль­ шинство процессов сгорания может быть сведено к следующим элементарным реакциям:

В приведенных формулах химический символ одновременно обозначает 1 кмоль соответствующего вещества. В качестве молеку­ лярного веса для С и S следует использовать атомный вес, поскольку в твердом состоянии каждый атом связан с соседними атомами кри­ сталлической решетки, так что говорить об отдельных молекулах нельзя, если только не рассматривать весь кристалл как гигантскую

199

следует различать ее жидкое и парообразное состояние, обозначаемое соответствующими подстрочными индексами. Теплота сгорания дана

при 0° С.

Поскольку 1 моль любого газа занимает один и тот же объем, объемы СО2 и SO 2, образующиеся при сжигании С и S, равны объе­ мам израсходованного кислорода при одинаковых температурах. Если пренебречь объемом твердого топлива по сравнению с объемом воздуха и продуктов сгорания, то в указанных реакциях не проис­ ходит изменения объема. При сгорании С в СО объем увеличивается, так как из 1 моля 0 2 образуется 2 моля СО. Напротив, при сгора­

Процессы сжигания всех углеводородов могут быть описаны при помощи приведенных выше основных уравнений. Однако, в связи с необходимостью учитывать теплоту их образования, теплота сгора­ ния не может быть получена непосредственным суммированием теплоты сгорания элементов, входящих в состав углеводородов. Например, для метана СН4, этана С2Н 6 и этилена С2Н4, по экспе­ риментальным данным:

С2Н4 + 3 0 2 = 2СОа + 2 (Н20 )ж + 1 449 000 кДж.

Сравнение числа молей в обеих частях равенства показывает, что у метана и этилена изменения объема не происходит. В случае же этана, а также и всех углеводородов, у которых число атомов водорода больше четырех, объем при сгорании увеличивается.

Тепловой эффект приведенных выше реакций сгорания дан при температуре 0° С и отнесен к 1 кмолю; в технике теплоту сгорания чаще относят к 1 кг или к 1 м3 вещества.

Водород и все сорта топлива, содержащие водород или влагу, имеют различную теплоту сгорания в зависимости от того, в какой фазе содержится вода в продуктах сгорания — в жидкой или газо­ образной. В первом случае теплоту сгорания называют высшей теплотворной способностью топлива (QB), а во втором — низшей (QH).

200

* Средние значения.

твердых и жидких видов топлива энергетических установок теп­ лота образования невелика по сравнению с теплотой сгорания, поэтому для них теплоту сгорания можно приблизительно рассчи­ тать по формуле

Расход кислорода при полном сжигании топлива (в соответствии со стехиометрическими формулами реакций горения) может быть определен по составу топлива, которое задано весовыми долями. При этом состав газообразных видов топлива предпочтительно зада­ вать объемными долями. Количества газовых смесей и их компонент выражаются в кубических метрах, взятых при нормальных усло­ виях (температуре 0° С и давлении 760 мм рт. ст.). Количества твер­ дых веществ можно также выражать в кубических метрах, для чего следует их атомный вес делить на 22,41. Например, 1 м3 углерода

будет содержать кг, а 1 м3 серы кг-

Объемные доли и величины, отнесенные к 1 м3, будем отмечать надстрочным штрихом, весовые же доли и величины, отнесенные к 1 кг, приводятся без надстрочного значка. Подстрочным значком «т» обозначим величины, относящиеся к топливу, и подстрочным знач­ ком «п.с» — величины, относящиеся к продуктам сгорания.

Выполняя приведенные выше условия, будем обозначать: весо­ вые доли составных частей твердого и жидкого топлива через Ст,

Нт, От, NT, ST, WT, А т.

203

Таким образбМ,

CT+ HT+ 0 T + MT+ ST+ fl7T+ ,4T=: 1 Kf.

Объемные доли газовых компонент, составляющих смесь горючих газов топлива, обозначим через

(СО)т, (Н2)х, (СН+, (N2)t

и т. д.

Обозначим через Омин количество кислорода (в кубических метрах или в киломолях), необходимое для полного сжигания еди­ ницы количества топлива в соответствии со стехиометрическими соот­ ношениями; LMHH— соответствую-

и сернистая кислота конденсируются за счет охлаждения пробы перед ее анализом.

204

может быть принята как х а р а к т е р и с т и к а т о п л и в а . Она представляет собой отношение количества кислорода, необхо­ димого для сжигания топлива, к содержанию углерода в топливе. Величина а может характеризовать не только твердое топливо, где углерод выступает в чистом виде, но также газообразное и жидкое, где он может фигурировать и в качестве химических соединений,

всвязанном виде. В последнем случае эти соединения включаются

вформулу (260) в том выражении, в каком они входят в состав топлива. Величину о удобно использовать в расчетной практике, поскольку для определенных групп топлива она меняется очень

По существу v является отношением количества азота, выражен­ ного в молях, к количеству молей углерода. Для твердых и жидких

В количество воды, содержащееся в продуктах сгорания, входит также влага топлива WT. Суммарно получается следующее количество продуктов сгорания:

(■§■ + -Г1+ ■& + ■&) кмоль/ к г -

При этом от воздуха отбирается необходимое для сгорания количе­ ство кислорода, определяемое формулой (259). Отсюда общее коли­ чество продуктов сгорания будет

1/п.см„ „ ^ Ь мив + ^ - ( з Н т + - |- О х + 4 - Г т) м3/кг. (263)

205