16

Лекция № 1. Классификация и состав топлива. Теплота сгорания топлива. Оценка процесса горения топлива химический состав нефти. Технология переработки нефти. Очистка нефтепродуктов. Физико–химические показатели нефтепродуктов.

1. Классификация и состав топлива

Топливо необходимо для получения теплоты с целью наиболее полного ее использования для нужд человека. Не каждое способное гореть вещество может быть топливом.

Топливо должно отвечать следующим основным требованиям:

1. при сгорании выделять возможно большее количество теплоты,

2. сравнительно легко загораться и давать высокую температуру;

3. быть достаточно широко распространенным в природе, доступным для разработки,

4. дешевым при использовании;

5. сохранять свои свойства во время хранения; не образовывать в процессе сгорания вредные для окружающей среды вещества.

Этим требованиям наиболее полно отвечают вещества органического происхождения: нефть, природные газы, ископаемый уголь, дрова, горючие сланцы, торф.

По агрегатному состоянию все виды топлива могут быть разделены на жидкие, газообразные и твердые, а по происхождению — на естественные и искусственные (табл. 1).

Таблица 1

Общая классификация топлива

Агрегатное состояние	Происхождение
	естественное	искусственное
Жидкое	Нефть	Бензин, керосин, дизельное топливо,
		мазут, спирт, бензол, смолы, (каменно– угольная, торфяная
		, сланцевая) и т.д.
Газообразное	Природный и	Генераторный, водяной, светильный,
	нефтепромысловый	коксовый, полукоксовый, доменный,
	газы	нефтеперерабатывающих заводов и т.п.
Твердое	Ископаемые угли, ,	Каменноугольный кокс и полукокс,
	горючие сланцы,	брикетированное и пылевидное топливо,
	торф, дрова	древесный уголь и т.п.

Топливо состоит из горючей и негорючей частей.

Горючая часть – это совокупность различных органических соединений, в которую входят углерод, водород, кислород, азот и сера.

Негорючая часть (балласт) – это минеральные примеси, в которые входят зола и влага.

Минеральные примеси разделяют на внешние и внутренние. Внешние попадают в топливо из окружающей среды при его добыче, транспортировании или хранении, а внутренние входят в его химический состав.

Жидкие и твердые виды топлива состоят из горючих веществ различной молекулярной массы с трудно устанавливаемой химической природой. Поэтому при исследовании химического состава и свойств этих видов топлива обычно определяют элементный состав (в массовых процентах) , который служит характеристикой качества топлива.

Углерод С – основная горючая часть топлива. С увеличением его содержания тепловая ценность топлива повышается. В различных видах топлива содержится от 50 до 97 % углерода.

Водород Н – вторая по значимости после углерода составляющая. По сравнению с углеродом водорода в топливе содержится меньше (до 25%), однако при его сгорании теплоты выделяется в 4 раза больше.

Кислород О – входящий в состав топлива, не горит и не выделяет теплоты, поэтому фактически является внутренним балластом топлива. Его содержание в зависимости от вида топлива составляет 0,5 ...43%.

Азот N – не горит и так же, как кислород, представляет собой внутренний балласт. Содержание его в жидких и твердых видах топлива невелико и составляет 0,5..1,5%.

Сера S – при сгорании выделяет определенное количество теплоты. Однако она весьма нежелательная составная часть топлива, ибо продукты ее сгорания — сернистый SO₂ и серный SOз ангидриды — вызывают сильную газовую или жидкостную коррозию металлических поверхностей. Содержание серы в топливе колеблется от долей процента до 8.

Зола А – представляет собой негорючий твердый остаток, образующийся после полного сгорания топлива. Присутствие ее в топливе нежелательно и даже вредно, так как снижается теплота сгорания, ухудшается загораемость, усиливаются абразивные износы, усложняется эксплуатация котельных установок и т. д.

Влага W – весьма нежелательная примесь топлива, так как часть теплоты отбирается на испарение, снижаются выделение теплоты и температура сгорания топлива. В присутствии влаги усложняется эксплуатация установок (особенно в зимнее время), ускоряется процесс коррозии и т. д.

В зависимости от состояния топлива, при котором определяется его элементный состав, получают различные данные о содержании тех или иных веществ. Это затрудняет объективный сравнительный анализ. Поэтому в практике пересчитывают элементный состав топлива на его рабочую, аналитическую (лабораторную), сухую, горячую и органическую массы.

Рабочее топливо — это топливо, которое поступает к потребителям в естественном состоянии и содержит, кроме горючей части, золу и влагу.

Элементарный состав топлива выражается уравнением

Горючая часть газообразного топлива состоит из водорода Н, оксида углерода СО, метана СН₄ и других газообразных углеводородов (С_nН_m) с числом углеводородных атомов до четырех включительно. Основную тепловую ценность представляют метан и более тяжелые углеводороды. Оксид углерода дает небольшое количество теплоты. Балластную часть составляют негорючие газы, такие как азот N, углекислый СО₂ и сернистый SО₂ газы, кислород О₂ и пары водыН₂0.

Теплота сгорания топлива

Удельная теплота сгорания (кДж/кг) представляет собой теплоту, выделяемую при полном сгорании единицы массы топлива. По этому показателю судят о качестве твердых и жидких видов топлива.

Теплоту сгорания жидкого и твердого топлива вычисляют по формуле Д. И. Менделеева:

высшая удельная теплота сгорания (кДж/кг)

;

низшая удельная теплота сгорания

,

где содержание химических элементов выражено в процентах.

Объемная теплота сгорания (кДж/м³) представляет собой теплоту, выделяемую при полном сгорании единицы объема. Этот показатель служит основной характеристикой газообразного топлива. Кроме того, газообразное топливо оценивают по теплоте сгорания, выделяемой при полном сгорании одного моля газа (кДж/моль). Один киломоль любого газа при нормальных условиях (0⁰С и давление 7600 мм рт. Ст., или 0,133 кПа) занимает объем 22,4 м³.

В расчете на сухую массу

высшая объемная теплота сгорания газообразного топлива

;

низшая объемная теплота сгорания

,

где состав газа – в объемных процентах при О °С и давлении 760 мм рт. ст.

Теплоту сгорания определяют не только расчетными методами, но и опытным путем, сжигая топливо в специальных приборах, называемых калориметрами.

В связи с тем что одна и та же масса различных видов топлива имеет различную теплоту сгорания, для удобства их сравнительной оценки введено понятие условного топлива. За единицу его принято топливо, при полном сгорании 1 кг или 1 м³ которого выделяется 29 308 кДж.

Для перевода любого топливо в условное, необходимо теплоту сгорания данного топлива разделить на теплоту сгорания условного. Полученное число представляет собой калорийный эквивалент, который показывает, во сколько раз топливо выделяет больше или меньше теплоты по сравнению с условным.

В таблице 2 приведены значения рабочей теплоты сгоранию для основных видов топлива и их калорийные эквиваленты.

Таблица 2