какие виды топлива бывают в физике

Топливо. Виды и классификация топлив

1. Виды топлив, их свойства и горение

По определению Д.И. Менделеева, «топливом называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения теплоты».

Повышение мировых цен на традиционные источники энергии, политическая и экономическая нестабильность в странах, являющихся основными поставщиками нефти и газа на мировые рынки, заставляют ведущие страны искать другие виды источников энергии.

Эволюция конструкции двигателя внутреннего сгорания должна подчиняться современным требованиям норм охраны окружающей среды. Эти требования касаются как самих двигателей, так и применяемых в них топлив. Развитие топлив идет по следующим направлениям: совершенствование технологии переработки нефти; поиск новых добавок к топливам; применение альтернативных топлив.

Топливо должно отвечать следующим основным требованиям: при сгорании выделять возможно большее количество теплоты, сравнительно легко загораться, быть широко распространенным в природе, доступным для разработки, дешевым при использовании, сохранять свои свойства во время хранения. Очень важно, чтобы в процессе сгорания топлива не выделялись вещества, представляющие опасность для окружающей среды. Этим требованиям наиболее полно отвечают вещества органического происхождения: нефть, природные газы, ископаемые угли, дрова, горючие сланцы, торф (табл. 1).

Таблица 1. Общая классификация топлив

Топливо состоит из горючей и негорючей частей. Горючая часть топлива представляет собой совокупность различных органических соединений, в которые входят углерод, водород, кислород, азот, сера. Негорючая часть (балласт) состоит из минеральных примесей, включающих золу и влагу.

Углерод С — основная горючая часть топлива, с увеличением его содержания тепловая ценность топлива повышается. Для различных топлив содержание углерода составляет от 50 до 97 %.

Водород Н является второй по значимости горючей составляющей топлива. Содержание водорода в топливе достигает 25 %. Однако при сгорании водорода выделяется в 4 раза больше теплоты, чем при сгорании углерода.

Кислород О, входящий в состав топлива, не горит и не выделяет теплоты, поэтому является внутренним балластом топлива. Его содержание в зависимости от вида топлива колеблется в широких пределах: от 0,5 до 43 %.

Азот N не горит и так же, как кислород, является внутренним балластом топлива. Содержание его в жидком и твердом видах топлива невелико и составляет 0,5…1,5 %.

Сера S, при сгорании которой выделяется определенное количество теплоты, является весьма нежелательной составной частью топлива, так как продукты ее сгорания — сернистый SO₂ и серный SО₃ ангидриды — вызывают сильную газовую или жидкостную коррозию металлических поверхностей. Содержание серы в твердом топливе достигает 8 %, в нефти — от 0,1 до 4 %.

Зола А представляет собой негорючий твердый компонент, количество которого определяют после полного сгорания топлива. Она является нежелательной и даже вредной примесью, так как в ее присутствии усиливаются абразивные износы, усложняется эксплуатация котельных установок и т.д. Топливо с высоким содержанием золы имеет низкую теплоту сгорания и воспламенения.

Влага W является весьма нежелательной примесью, так как, отбирая часть теплоты на испарение, снижает теплоту и температуру сгорания топлива, усложняет эксплуатацию установок (особенно в зимнее время), способствует коррозии и т.д.

Примеси (золу и влагу) принято подразделять на внешние и внутренние. Первые попадают в топливо из окружающей среды при его добыче, транспортировке или хранении, а вторые входят в его химический состав.

Топливо, которое поступает к потребителю в естественном состоянии и содержит, кроме горючей части, золу и влагу, называется рабочим. Для определения сухой массы топлива его высушивают при температуре 105 °С для удаления влаги.

Для газообразных топлив применяется объемная теплота сгорания — количество теплоты, выделяемой при полном сгорании единицы объема (кДж/м3). Газообразное топливо оценивают также по молярной теплоте сгорания, т.е. по количеству теплоты, выделяемой при полном сгорании одного моля газа (кДж/моль).

Теплоту сгорания жидкого и твердого топлива вычисляют по формуле Д.И. Менделеева. Высшее удельное количество теплоты сгорания определяют по формуле

Низшее (рабочее) удельное количество теплоты сгорания топлива определяют по формуле

(2)

В формулах (1) и (2) содержание химических элементов выражается в процентах.

Низшая, или рабочая, теплота сгорания Q_н — это теплота сгорания, получаемая в практических условиях. Вычитаемое 25(9H + W) в формуле (2) представляет собой удельное количество теплоты, которое затрачивается на превращение в пар влаги, выделяющейся при сгорании топлива. Пар уносится с продуктами сгорания в атмосферу (9Н — число массовых частей воды, образующихся при сгорании одной массовой части водорода; Н, W — содержание в топливе соответственно водорода и воды, %).

В выражении (2) принято, что дымовые газы охлаждаются до +20 °С, оставаясь в газо- и парообразном состояниях. Значит, 1 кг пара при выносе в атмосферу будет забирать 2671 – (100 – 20) × 2,0096 = 2512 кДж/кг, где 2671 кДж/кг — количество теплоты, затрачиваемой на испарение 1 кг воды, (100 – 20) — условный перепад температуры паров воды, °С; 2,0096 кДж/(кг · град) — теплоемкость паров воды.

В автотрактротных двигателях продукты сгорания отводят из цилиндров при температурах, значительно более высоких, чем температура конденсации паров воды. Поэтому рабочей теплотой сгорания бензинов и других жидких топлив считают величину Q_н. Количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива, зависит от химического состава, а следовательно, от содержания в нем углерода и водорода.

Наибольшая массовая теплота сгорания водорода составляет 121 100 кДж/кг, углерода — 34 100 кДж/кг, поэтому парафиновые углеводороды с большим содержанием водорода имеют большую массовую теплоту сгорания по сравнению с ароматическими, содержащими меньше водорода. Объемная же теплота сгорания меньше у парафиновых углеводородов и больше у нафтеновых и ароматических, так как у них выше плотность.

Теплоту сгорания нефтепродуктов (кДж/кг) с достаточной степенью точности можно определить по формуле

(3)

где К — коэффициент, зависящий от плотности нефтепродукта при 20 °С и определяемый по справочной таблице; 20 — относительная плотность нефтепродукта при 20 °С.

Высшее объемное количество теплоты сгорания газообразного топлива в расчете на сухую массу может быть определено по формуле

(4)

а ее низшее объемное количество —

(5)

Объемное количество теплоты сгорания рабочей массы газообразного топлива, содержащего водяные пары, вычисляют по формулам

(6)

(7)

где 0,805 — масса 1 м3 водяного пара, кг; W — содержание влаги в 1 м3 газа, кг.

Теплоту сгорания определяют также опытным путем, сжигая определенное количество топлива в специальных приборах (калориметрах). Теплоту сгорания оценивают по повышению температуры воды в калориметре.

Для сравнения топлив введено понятие «условное топливо». За единицу такого топлива принято топливо, которое при полном сгорании 1 кг или 1 м3 выделяет 29307,6 кДж. Чтобы перевести любое топливо в условное и потом сравнить его с другими, нужно теплоту сгорания данного топлива разделить на теплоту сгорания условного топлива. Полученное число представляет собой калорийный эквивалент данного топлива и показывает, во сколько раз реальное топливо выделяет больше или меньше теплоты по сравнению с условным (табл. 1).

Теплота сгорания и калорийные эквиваленты различных видов топлива

2. Классификация топлив и их краткая характеристика

Жидкое топливо производится преимущественно двумя способами: физическим и химическим. Первый протекает без нарушения структуры углеводородов, второй — с изменением ее. Физический способ, или прямая перегонка нефти, представляет собой процесс разделения ее на отдельные фракции, отличающиеся температурой кипения. Для этого нефть нагревают в нефтеперегонных установках до температуры 300…380 °С, а образовавшиеся пары отбирают и конденсируют по частям в колоннах. В результате перегонки получают топливные дистилляты и остаток, называемый мазутом, который может быть использован для химической переработки или получения смазочных масел. Легкокипящие фракции в паровой фазе достигают верха колонны и вместе с испарившимся оросителем отводятся из колонны в конденсатор — газоотделитель. Более тяжелые топливные фракции отводят из колонны через холодильники и отбирают дистилляты: бензиновый (40…200 °С), керосиновый (140…300 °С), газойлевый (230…330 °С), соляровый (280…380 °С) и в остатке — мазут.

Жидкие топлива подразделяются на:

Карбюраторные топлива состоят из низко- и среднекипящих фракций нефти (фракции, выкипающие при температурах 35…200 °С) и легких продуктов вторичной переработки. В качестве топлив для карбюраторных двигателей используются также сжиженные углеводородные газы.

Топлива для авиационных карбюраторных двигателей представляют собой смесь бензиновых фракций каталитического крекинга и риформинга (фракции, выкипающие при температурах 40…180 °С), алкилата и других высокооктановых компонентов с добавкой антидетонационных и антиокислительных присадок. Выпускаются авиационные бензины марок Б-100/130, Б-95/130, Б-91/115 (в числителе — октановое число, в знаменателе — сортность на богатой смеси). Октановое число определяется по моторному методу. Сортность — это тоже октановое число, оно оценивает прирост мощности по сравнению с чистым изооктаном.

Реактивные топлива (авиационные керосины) получают, как правило, прямой перегонкой нефти (фракции, выкипающие при температурах 200…300 °С). Выпускаются топлива для летательных аппаратов с дозвуковой скоростью полета (Т-1, Т-2, ТС-1) и для сверхзвуковых самолетов (Т-6, Т-8).

В реактивном двигателе процесс сгорания топлива происходит иначе, чем в двигателях внутреннего сгорания. В реактивном двигателе топливо подается непрерывно, сгорание происходит в потоке воздуха, двигающегося со скоростью 135 м/с. Поэтому главными факторами для нормальной работы являются скорость и полнота сгорания топлива.

Дизельные топлива, применяемые в двигателях с воспламенением от сжатия, подразделяются на три группы:

Дизельные топлива состоят из средних фракций нефти, перегоняющихся в пределах 180…350 °С, легких газойлей каталитического и термического крекинга и гидрокрекинга.

Источник

Виды топлива, применение твердого, жидкого, газообразного топлива

Виды топлива, применение твердого, жидкого, газообразного топлива.

Виды топлива бывают природными и искусственными. К природным видам относятся как восполняемые (древесина), так и невосполняемые или трудновосполняемые виды топлива (сланцы, торф, нефть, уголь, природный газ). К искусственным относятся: керосин, бензин, мазут, генераторный газ, брикеты для печей и котлов, растительные масла, спирты, эмульсии.

Под топливом понимают материалы, пригодные для получения энергии (тепловой, электрической, ядерной и т. д.).

Природные виды топлива:

Различные природные виды топлива появлялись за счет прохождения разнообразных природных процессов на Земле. Многометровые и километровые отложения органических веществ спрессовывались, разлагались, подвергались воздействию газов, воды, высоких и низких температур. Происходило образование нефти, природного газа, торфа, угля (каменного, бурого, антрацита).

Торф считается наиболее «молодым» видом топлива. Он характерен для заболоченных местностей, где перегнивают большие объемы растительной органики.

Древесина — возобновляемый ресурс.

Топливо, производимое искусственно:

Искусственное топливо может быть:

– синтетическим. Для его получения природные ископаемые, в частности, уголь, подвергаются химической или термохимической обработке;

Твердое, жидкое, газообразное топливо:

В зависимости от агрегатного состояния топливо может быть:

– твердым. За исключением горючих сланцев и натуральной древесины все виды твердого топлива — продукт разложения, термической обработки растительности, скелетов животных, спрессованных за тысячелетия;

– жидким. Это — нефть и продукты ее переработки (бензин, керосин, мазут, смазочные масла);

– газообразным. Топливо получают из чисто газовых месторождений, в качестве сопутствующего продукта при разработке нефтяных пластов или проходке шахт. Помимо метана в состав природного газа входят в небольших количествах азот N2, высшие углеводороды CnHm и диоксид углерода СО2. Еще один часто встречающийся компонент – сернистые соединения, отделяемые на этапе добычи.

Получение и применение топлива:

Самое востребованное твердое топливо — уголь (каменный, бурый и антрацит). На втором месте — древесина и торф. Уголь применяется на крупных ТЭЦ, в металлургии. Древесина используется для строительства, производства мебели и в качестве топлива для печей, каминов, банных комплексов.

Более 80% используемого в мире жидкого топлива — продукты перегонки нефти.

Основные продукты перегонки нефти — бензин и керосин востребованы в качестве автомобильного и авиационного топлива. ТЭЦ работают на мазуте. При этом приходится решать проблему удаления сернистых соединений из продуктов сгорания. В зависимости от марки исходной нефти в мазуте может содержаться до 4,3% этого элемента. Чем выше процент серы, тем значительней расходы на обслуживание оборудования, тем выше износ.

Газовое топливо получают как из непосредственно газовых месторождений, так и в качестве продукта, сопутствующего нефти. В последнем случае газ содержит больше высших углеводородов при одновременном снижении объема метана. Он лучше сгорает и дает больше теплоты.

Компостные кучи и мусорные свалки становятся источником биогаза. В Японии строят специальные небольшие фабрики, способные от сортированного мусора получать в день до 20 м3 газа. Этого достаточно для выработки 716 кВт тепловой энергии. В Китае по данным Юнеско, открыто не менее 7 млн. фабрик и заводов по получению биогаза из гниющей органики.

В качестве топлива так же используется водород. Его основное преимущество — запасы не привязаны географически к определенным регионам планеты, а при сжигании образуется чистая вода.

Ядерное топливо:

Из элементов, встречающихся в природе, для получения ядерной энергии пригодны два элемента: торий и уран. При делении изотопа урана 235 (не более 1/140 от всего урана, имеющегося на планете) высвобождается энергия в виде теплоты.

В качестве ядерного топлива так же используют изотопы урана 238 и тория 239. Если произойдет деление абсолютно всех ядер, содержащихся в 1 кг чистого урана, можно получить 2 107 кВт/ч энергии. Если сравнивать с углем, для получения такого же результата придется сжечь не менее 2,5 тыс. тонн высококачественного антрацита.

Экологически чистые виды топлива:

Повсеместное загрязнение окружающей среды приводит к пониманию, что требуются иные источники энергии помимо традиционных газа, угля и нефти. К тому же объемы природных ископаемых конечны и рано или поздно придется решать, чем отапливать дома и заправлять автомобили.

Полностью безопасных в экологическом плане видов топлива нет. Определенный урон окружающей среде наносится либо при выработке непосредственно топлива, либо при его сжигании в двигателях и печах.

Но есть несколько вариантов экологически чистого топлива, за которыми, возможно, будущее:

– давление сжатого воздуха;

– этанол или этиловый спирт, получаемый от брожения органики;

– специально переработанное растительное масло. Конструкция двигателя аналогична дизельной конструкции. Выхлопы безопасны для окружающей среды;

– водород. При доработке стандартного двигателя внутреннего сгорания можно повышать КПД от применения водорода до 117%. Главный недостаток топлива — летучесть как в жидком, так и в газообразном виде;

К основным преимуществам экологических видов топлива можно отнести их доступность. Спирт или растительное масло можно получать из большей части растений, произрастающих на планете. А водород — один из наиболее распространенных химических элементов.

Топливо для печи:

В качестве топлива для печи могут быть использованы: брикеты, экогранулы, дрова, уголь, газ.

При выборе печи следует внимательно изучить техническую документацию от производителя. В паспорте указываются допустимые виды топлива.

Брикеты:

Для их получения спрессовывают отходы мебельной промышленности, солому, торф, шелуху подсолнечника. В составе нет химических компонентов, вредных для человека.

Брикеты удобно хранить, они долго и ровно горят, давая в 2 раза больше тепла, чем сухие дрова. Зольность — на минимальном уровне (не более 3%).

– NESTRO — цилиндры, с полостями и без;

– Pini&Kay или многогранники с 4, 6 или 8 гранями.

Экогранулы – пеллеты:

От брикетов пеллеты отличаются только размерами. Способ изготовления и материал-основа — те же. Сырье измельчается до состояния пыли, потом перемешивается с лигнином и прессуется в гранулы.

– при сгорании 1 кг топлива образуется 4500 ккал тепла. Это значительно больше, чем у дров;

– отсутствие в составе вредных примесей, искусственных компонентов;

– не требуются особые условия для хранения;

– не требуется частая загрузка печи или котла. Пламя — ровное.

Недостаток пеллет — высокая цена, обусловленная сложной технологией изготовления.

Дрова:

Актуальность древесины обуславливается доступностью, низкой зольностью (не более 3%) и высокой теплоотдачей.

Объем получаемого тепла определяется породой и влажностью дерева. Если влажность достигает 25-30% с каждого килограмма дров можно получить до 2500 ккал тепла. Если же дерево просушить до 20% влажности, теплоотдача повышается до 3300 ккал/кг.

Уголь:

Уголь — результат прессования, тепловой обработки органики в течение тысяч лет. Чем старше угольный пласт, тем больше в нем углерода. Самым старым считается антрацит. Каменный уголь моложе, а бурый — самый молодой в сравнении с иными породами.

Теплотворная способность и влажность определяются возрастом ископаемого.

В буром угле больше всего воды. И он дает меньше всего тепла, при этом негативно воздействует на окружающую среду. При сгорании происходит частичное спекание угля с образованием больших объемов шлака и золы. Еще один недостаток угля — значительное содержание серы, разрушающей детали из металлов. В качестве самостоятельного топлива бурый уголь используется крайне редко.

Значительная часть отопительных агрегатов для частных домов работает именно на угле (антраците и каменном) из-за его высокой теплоотдачи.

Источник

Основные виды топлива, их характеристика и состав

Топливо — горючие вещества, используемые для получения тепла. В широком смысле, под топливом понимают, один из видов потенциальной энергии (энергоноситель).

Различают: естественное топливо (непосредственно существующее в природе) — древесина, уголь, торф, природный газ, и искусственное (являющееся продуктом переработки естественного топлива) — древесный уголь, мазут, искусственные газы. В зависимости от величины теплоты сгорания различают: высокосортное топливо (с высокой теплотой сгорания) и низкосортное топливо.

Основной показатель топлива — его теплотворная способность. Для сравнения различных видов топлива существует понятие условного топлива. Теплота сгорания одного килограмма условного топлива (у.т.) равна 29,3 МДж или 7000 ккал, что приблизительно соответствует каменному углю.

Основные виды топлива: твердое, жидкое и газообразное топливо. В зависимости от вида используемого топлива различают: газовые котлы, жидкотопливные котлы, твердотопливные котлы, электрические котлы и комбинированные котлы.

Твердое топливо — древесина, древесная щепа, древесные пеллеты, торф, бурый и каменный уголь, горючие сланцы, сапропель, битуминозные пески. Из твердых видов топлив в отопительных котельных в основном сжигают ископаемые угли — бурые, каменные и антрациты.

Бурый уголь — твердый ископаемый уголь, образовавшийся из торфа; содержит 65-70% углерода, имеет бурый цвет. Относится к группе углей с большим содержанием золы и влаги, поэтому имеет низкую теплоту сгорания — 1800-3250 ккал/кг. К недостаткам данного топлива относится также большое содержание серы, что приводит к усиленной коррозии стальных частей в котельных установках, а также способность к самовозгоранию при длительном хранении в штабелях. Бурый уголь целесообразно сжигать в топках крупных котлов.

Каменный уголь — твердое горючее полезное ископаемое растительного происхождения, черного цвета с блестящей, матовой или полуматовой поверхностью; при сгорании пламя тем больше, чем выше содержание водорода. Ряд органических соединений, входящих в состав каменного угля, обладают канцерогенными свойствами.

Антрацит — старейший из всех групп ископаемых углей. Он сгорает без пламени с выделением небольшого количества дыма, удобен для сжигания в топках любых котлов.

Жидкое топливо — нефть и продукты ее переработки (мазут, керосин, дизельное топливо); масла (сланцевое масло, отработавшее машинное масло, растительные или животные масла). Из жидких топливв отопительных котельных самым распространенным является мазут (остаточный продукт переработки нефти с плотностью 0,96-0,98 т/м³). Его хранят в подземных стальных или железобетонных резервуарах, установленных вне котельных. Емкость резервуаров рассчитывают на потребность не менее 15 сут. работы котельной.

По сравнению с твердым топливом газообразное имеет ряд преимуществ: простота и меньшая трудоемкость обслуживания котлов; лучшее перемешивание горючего с воздухом, в результате чего возможно горение с наименьшим избытком воздуха и, следовательно, меньшими потерями тепла с отходящими газами.

Однако при сжигании газа следует учитывать особенности этого процесса, а также взрывоопасность и ядовитость газа. Природный газ при содержании его в воздухе от 3,8 до 17,8% (по объему) образует смесь, которая при наличии огня или искры взрывается. Утечки газа опасны, так он ядовит.

Источник