2575

Важнейшие компоненты топлива

Углерод. Имеет наибольшее значение. Его содержание в горючей массе (массе за вычетом воды и минеральных примесей) находится обычно в пределах от 50 до 99%.

Далее в тексте содержание какого-либо компонента в горючей массе обозначается верхним индексом "г".

В таблице 1 приведено содержание углерода и других важных компонентов в некоторых твердых видах топлива.

Т а б л и ц а 1

Содержание важных компонентов в некоторых твердых видах топлива (в горючей массе), %

Вприродном газе содержится 75-90% углерода, в бензине 85%, в керосине – 86%.

Всреднем горение углерода в различных видах топлива, независимо от его состава, дает около 33мДж/кг.

Жаропроизводительность углерода равна 2240° С (средняя по всем видам топлива).

Водород. Второй по значению компонент. Содержание в твердых видах топлива см. табл. 1. В дизельном топливе содержится 13%, в мазуте – 1112%, в керосине 14%, в бензине 15%, в сжиженном газе 18%, а в природном газе до 25%.

В среднем сгорание 1 кг водорода в составе топлива дает 141,5мДж теплоты, что в 4,2 раза выше теплоты сгорания углерода. Поэтому с увеличение содержания водорода в топливе растет его теплотворная способность и жаропроизводительность. Из углеводородов наибольшая

11

теплотворная способность у метана (50мДж/кг). У мазута, к примеру, она равна 42мДж/кг.

Жаропроизводительность водорода равна 2235° С.

Кислород. Третий важнейший компонент горючей массы. Его практически нет в жидком и газообразном топливе.

Чем моложе твердое топливо, тем больше оно содержит кислорода (см. таблицу 1, в которой сверху вниз растет возраст топлива).

Кислород в топливе снижает теплоту сгорания. В этом смысле он является балластом. В основном он находится в составе таких функциональных групп, как -ОН, -СООН, и уже не способен окислять углерод и водород топлива.

С другой стороны, топливо с высоким содержанием кислорода характеризуется высоким выходом летучих веществ и легко зажигается.

Сера. Сера может содержаться в трех состояниях:

∙Органическая – в составе сложных органических соединений. Встречается в жидком и твердом топливе.

∙Колчеданная, или пиритная. Содержится в виде железного колчедана FeS2. Содержится только в твердом топливе.

∙Сульфатная – в составе сульфатов различных металлов (кальция, железа и др.). Содержится только в твердом топливе.

Сера не только снижает теплотворную способность, но и сильно загрязняет окружающую среду, выделяясь в виде оксидов.

Экологические проблемы

Из более чем 200 загрязнителей воздуха, на которые установлены нормы предельно допустимых концентраций (ПДК), следует выделить пять основных, связанных с горением топлива:

1.Твердые частицы

2.Оксиды серы SO2

12

3.Оксиды азота NO, NO2

4.Оксид углерода СО

5.Оксид углерода СО2

6.Углеводороды

Эти вещества определяют до 90-98% валовых выбросов вредных веществ в крупных городах и промышленных регионах. Для большинства регионов характерно следующее весовое соотношение этих веществ в атмосферу: оксид углерода около 50%, оксиды серы около 20%, твердые частицы 16-20%, оксиды азота 6-8% и углеводороды 2-5%.

К очень опасным веществам следует отнести также и бенз(а)пирен, который выбрасывается в очень незначительном количестве по сравнению с перечисленными веществами, но является крайне токсичным веществом.

Токсическое воздействие загрязняющих веществ

Оксид углерода. Он воздействует на нервную и сердечнососудистую системы, вызывает удушье (соединяется с гемоглобином крови, который становится неспособным переносить кислород к тканям). Оксид углерода не имеет запаха, и это делает его особенно опасным. Первичные симптомы (боли в голове) возникают при концентрациях 200-220 мг/м3 при воздействии в течение несколько часов. При больших концентрациях СО появляется ощущение пульса в висках, головокружение.

Оксиды азота NO и NO2. Не имеют цвета и запаха. Очень ядовиты, действуют раздражающе на органы дыхания. При высоких концентрациях вызывают кашель, рвоту, головную боль. Обостряют астму, легочные и сердечные заболевания. Усиливают действие СО. Ослабляют иммунитет организма ко многим заболеваниям.

В крупных городах выбросы оксидов азота от автомобильного транспорта совместно с углеводородами образуют смог – фотохимический туман.,

Снижают урожайность в сельском хозяйстве, уничтожают леса. Разрушают ряд материалов самостоятельно, а также в виде кислых дождей.

13

Оксиды серы. Прежде всего, выбрасывается диоксид серы SO2 (сернистый ангидрид). Это бесцветный газ с резким запахом; уже в малых концентрациях (20-30мг/м3) создает неприятные ощущения во рту и раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательные пути. Порог запаха составляет 3-6 мг/м3. Вызывает заболевания дыхательных путей, легочные и сердечные заболевания, обострение астмы.

В растительном мире к SO2 наиболее чувствительны хвойные и лиственные леса, так как этот оксид накапливается в хвое и листве. При содержании в воздухе от 0,23 до 0,32 мг/м3 SO2 происходит усыхание сосны за 2-3 года в результате нарушения фотосинтеза и дыхания. Аналогичные изменения лиственных деревьев происходят при концентрации SO2 около

0,5-1,0 мг/м3.

Сернистый ангидрид вызывает разрушение металлов и некоторых материалов, выпадая на землю в виде кислых дождей.

Углеводороды. Представляют собой несгоревшие компоненты топлива. Особенно большие выбросы наблюдаются на автомобильном транспорте при неправильной регулировке двигателей. Вызывают тошноту, сонливость, головные боли, некоторые из них - ароматические - канцерогенны.

Бенз(а)пирен. Очень сильный канцероген – вещество, вызывающее раковые заболевания. Является мутагеном, вызывающим генетические мутации организмов при развитии плода. Оказывает также тератогенное воздействие (рождение уродов). Обладает способность накапливаться (аккумулироваться) в организме. Бензопирены (рис. 1) существует в виде двух изомеров -1,2-бензопирен и 4,5-бензопирен. (ф-лы соотв. I и II).

Рис. 1 Структурные формулы -1,2-бензопирена и 4,5-бензопирена.

Твердые частицы. Представляют собой высокодисперсные частички пыли, золы и сажи, выделяющиеся в аэрозольном состоянии в атмосферу.

14

Вызывают раздражение верхних дыхательных путей, обострение астматических, легочных и сердечнососудистых заболеваний.

Снижают солнечное освещение, стимулируют образование смога в крупных городах. Особенно опасна сажа, так как она сорбирует бенз(а)пирен и становится канцерогенной.

Предельно допустимые концентрации (ПДК) примесей

Втаблице 2 приведены значения ПДК для наиболее вредных примесей

ватмосфере. Кроме величин ПДК, для них используется т.н. класс опасности вещества. Чем меньше значение класса опасности, тем более вредным для организма является данное вещество.

Т а б л и ц а 2

ПДК некоторых вредных примесей в атмосфере на территории России

Следует отметить, что топливо представляет собой опасность для окружающей среды и человека не только вследствие сжигания и образования вредных веществ. Вредное воздействие начинается уже на стадии его добычи и транспортировки.

Для контроля содержания загрязняющих веществ в отходящих газах стационарных и передвижных источников промышленных выбросов в целях экологического контроля и оптимизации процесса горения топлива используется переносной газоанализатор ДАГ-510 (рис. 2).

Переносной газоанализатор ДАГ-510 применяется для измерения:

содержания кислорода (О2),

оксида углерода (СО),

оксида азота (NO),

15

диоксида азота (NO2),

сернистого ангидрида (SO2),

сероводорода (Н2S) и углеводородов (по метану или пропану) в отходящих газах топливосжигающих установок;

измерения температуры в точке отбора пробы и температуры окружающей среды; измерения абсолютного давления, разности давлений;

определения расчётным методом скорости и расхода газопылевых потоков при работе с пневмометрической трубкой Пито или НИИОГАЗ в соответствии с ГОСТ 17.2.4.06-90; определения расчётным методом содержания диоксида углерода (СО2) ,

суммы оксидов азота (NOX);

определения расчетным методом технологических параметров топливосжигающих установок - коэффициента избытка воздуха и коэффициента потерь тепла.

Рис. 2. Переносной газоанализатор ДАГ-510

Принцип работы.

Принцип действия газоанализаторов основан на применении комплекта электрохимических измерительных датчиков - для измерения содержания О2, СО, NO, NO2, SO2, и Н2S; инфракрасного оптического датчика для измерения содержания углеводородов; термоэлектрического преобразователя для измерения температуры газового потока; полупроводниковых датчиков для измерения температуры окружающей среды, измерения абсолютного давления и разности давлений.

16

Сигналы, поступающие с датчиков, подаются на нормирующие усилители, после чего преобразуются в цифровой вид на аналого-цифровом преобразователе и поступают на обработку в микропроцессорный контроллер. Микропроцессор выполняет температурную компенсацию, устранение перекрестных влияний одного измеряемого газа на другой, перечет сигнала в соответствующую измеряемую величину с учетом единиц измерения и выводит результат измерения дисплей, принтер или персональный компьютер.

Содержание СО2 в отходящих газах

Содержание СО2 в отходящих газах зависит от доли углерода и водорода в топливе, количества воздуха поступающего на горение и режима сжигания топлива. Газоанализатор ДАГ-510 непосредственного измерения СО2 не производит, а

вычисляет, исходя из содержания кислорода и угарного газа. Для правильного расчета необходимо чтобы тип топлива, выбранного до начала измерения соответствовал сжигаемому топливу, и не было разбавления продуктов сгорания воздухом.

Содержание СО2 рассчитывается следующим образом:

где:

CO2 макс. - теоретическое максимальное содержание углекислого газа при стехиометрическом горении топлива, %;

О2 изм. - жаропроизводительность топлива, %;

СО изм. - отношение теплоемкостей продуктов полного сгорания, %.

Избыток воздуха

На практике очень сложно обеспечить идеальный режим сгорания топлива, поэтому топливные установки всегда работают с избыточным количеством

17

воздуха. Отношение действительного количества воздуха к теоретически необходимому называют избытком воздуха. Избыток воздуха должен быть минимальным, но при этом должно обеспечиваться полное сгорание топлива. Он рассчитывается следующим образом:

где:

Alf - избыток воздуха, %;

O2 , СО - измеренное значение компонентов в процентах объема;

N2 - содержание азота в отходящих газах,%:

N2 = 100 - RO2 – О2 - СО.

Характеристики топлива

Выбор типа сжигаемого топлива необходим для правильного расчета величин CO2 и коэффициентов потерь, и на остальные величины влияния не оказывает. При обращении к данной функции выводится справочник с 12 стандартными и 4 свободнопрограмируемыми типами топлива. Необходимо выбрать одно из предлагаемых видов топлива.

Используемые в приборе стандартные типы топлива и их характеристики приведены в таблице 3

Т а б л и ц а 3

где:

CO2 max - теоретическое максимальное содержание CO2 для данного вида топлива;

T’max - жаропроизводительность топлива, с учетом содержания в воздухе влаги;

P - количество теплоты, выделяемое при полном сжигании при α=1, отнесенное к 1м3 сухих продуктов сгорания;

B - соотношение объемов влажных и сухих продуктов сгорания;

O2 ref - стандарт О2 для мг/м3.

Пересчет результата измерения газов

19

Сигналы о величине концентрации измеряемых газов, поступающие с датчиков, пропорциональны объемным долям измеряемых компонентов. В зависимости от выбранных единиц измерения и режимов расчета измеренное в объемных долях содержание газов в пробе Em (ppm) пересчитывается согласно формуле (3) и выводится как результат измерения. Коэффициенты пересчета от объемных долей (ppm) в весовые концентрации (мг на м3 при нормальных условиях 101,3 кПа и температуре 273,15 К) приведены в таблице 4.

где ppm - единица измерения концентрации. (ppm, от англ. parts per million — частей на миллион).

Т а б л и ц а 4

Экспериментальная часть

Целью данной работы является определение продуктов сгорания некоторых видов топлив с помощью газоанализатора ДАГ – 510.

Включить прибор нажатием клавиши рис. 3 длительностью около одной секунды

20