Состав газовых топлив

Рисунок 1. Схема состава топлива

Таблица 1. Классификация топлива по происхождению

ЛЕКЦИЯ №4

Физико-химические свойства топлива, его классификация, вредные и балластные примеси. Состав газовых топлив. Классификация газовых топлив. Требования к качеству газового топлива. Опасные и вредные свойства природных углеводородов.

Большинство органических и неорганических веществ способно при определенных условиях вступать во взаимодействие с кислородом воздуха, то есть окисляться. В результате этого процесса происходит выделение большого количество тепла, нагревающего продукты окисления до высоких температур, такой процесс носит название горение.

Однако не все вещества способные гореть, следует относить к топливу. К топливу следует относить только те горючие вещества, которые при горении выделяют большое количество тепла на единицу массы или объёма, не теряют своих тепловых свойств, и при этом не выделяют при горении вредных веществ.

Топливо может, находится в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном.

По происхождению оно разделяется на естественное, или натуральное (добываемое в готовом виде), и искусственное, получаемое при переработке естественного топлива или в результате переработки других веществ, в первоначально виде не относящееся к нему (таблица 1).

Рассмотрим основные свойства и состав газообразного топлива.

Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов, содержащую некоторое количество примесей.

Горючая часть топлива, или органическая масса, включает в себя сложные органические соединения – углерод С, водород Н, кислород О, азот N и сера S. Следует отметить, что часть серы, входящей в минеральные примеси, образующие при горении топлива, относятся к негорючей массе.

Негорючая часть топлива состоит из влаги W и золы A – минеральных (неорганических) веществ.

Чем выше содержание в топливе горючих элементов (С, Н, S), тем выше его теплота сгорания.

и агрегатному состоянию

Натуральное (естественное) топливо	Искусственное топливо
твердое	жидкое	газообразное	твердое	жидкое	Газо- бразное
Растительное (дрова, солома, кора, лузга и т.д.)	Ископае- мое (нефть)	Природный (естественный) горючий газ. Попутный нефтяной газ	Полученное термохимической переработкой натурального топлива (древесный уголь, торфяной и угольный полукокс, кокс торфяной, угольный и нефтяной	Полученное при термической переработке нефти и смол (бензин, лигролин, керосин, соляровое масло, мазут)	Полученное при термическом разложении нефти (нефтяные газы)
Ископаемое (торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит, горючие сланцы и т.д.)			Полученное механической обработкой натурального топлива (брикеты из древесных опилок, торфа, угля и др. материалов	Полученное при химической переработке натурального топлива (бензин, лигролин, дизтопливо, мазут, спирт, бензол, толуол, коллоидное топливо)	Полученное при химической переработке твердого топлива (генераторный газ, водяной, первичный (полукоксовый), коксовые газы гидро-генизации).

На рисунке 1 приведен состав рабочего топлива, т.е. топлива каким оно добывается из недр земли.

Органическая масса топлива С^о + Н^о + О^о + N^о + S^о = 100 %	Внешний балласт +W
C	H	O	N	S	A	W
	внутренний балласт
Горючая масса топлива С^г+ Н^г+ О^г+ N^г + S^г = 100%
Сухая масса топлива С^с+ Н^с+ О^с+ N^с + S^с +А^с = 100%
Состав рабочего топлива С^р+ Н^р+ О^р+ N^р + S^р +А^р + W^р= 100

Содержащийся в топливе кислород, как известно, сам не горит, но вместе с кислородом воздуха способствует сгоранию горючих элементов топлива. Азот является инертным элементом и при сжигании топлива он в свободном состоянии выделяется и уносится с дымовыми газами.

Кислород и азот составляют т.н. внутренний балласт, в отличие от внешнего балласта, к которому относятся зола (минеральные примеси) и влага топлива. Исходя из вышеизложенного, следует, что чем больше объём внутреннего и внешнего балласта, тем ниже теплота сгорания и тем хуже его качество. Балласт газообразного топлива включает в себя, углекислый газ СО₂, водяные пары Н₂О и азот N₂.

Внешний балласт при сгорании горючих материалов, отбирает значительное количество тепла для своего нагревания. Это обстоятельство ведет к значительным затратам на его транспортировку, износу аппаратуры и расходу энергии на перемещение топлива по аппаратам при его химической переработке.

Топливо, в зависимости от его поведения при нагревании может быть разделено на теплостойкое, переходящее при нагревании из одного агрегатного состояние в другое без разложения, и нетеплостойкое, которое при нагревании разлагается. Большая часть жидких горючих веществ относится к теплостойкому топливу, т.к. при нагревании они переходят в парообразное (газообразное) состояние. Твердые виды топлив, как правило, относятся к нетеплостойкому топливу.

Улучшение качества топлива достигают путем его осушки - получают, таким образом, сухую массу топлива. Если из последней удалить золу – получим состав условной горючей массы топлива, которая обозначается индексом ''Г''. Следует отметить, что сравнение различных видов топлива проводят не по составу рабочего топлива, а по составу их органической или условно горючей массы. Составляющие элементы органической массы топлива обозначают индексом ''О''. Органическая масса отличается от условной горючей массы на величину негорючей части серы.

По известному составу рабочего топлива, можно произвести перерасчёт на сухое топливо по уравнению

. (1)

Пересчёт состава топлива на горючую массу через сухую массу и рабочее топливо может быть выполнен по уравнению следующего вида

. (2)

Пересчёт содержания элементов топлива с условной горючей массы на сухую массу и рабочее топливо осуществляют по уравнениям следующего вида

. (3)

. (4)

где К^р, К^с, К^г, W^р, А^р, А^с^–процентное содержание элементов (К), влаги (W) и золы (А) – соответственно в рабочем и сухом топливе и в его горючей массе.

Поскольку все виды топлива состоят из органических соединений, основе которых находится углерод, то он и является основным горючим элементом топлива, или, иначе говоря – источником потенциального тепла.

Вторым по значению горючим элементом топлива является водород. Способность водорода выделять тепло зависит от того, с каким элементом, входящим в молекулу органического вещества этого топлива он химически связан. Если водород органической массы топлива связан непосредственно с углеродом, то при сгорании топлива, возможно, получить всё топливо, соответствующее сгоранию свободного водорода. В случае если водород органического вещества топлива связан с атомами углерода не непосредственно, а через кислород , то при сгорании топлива будет выделяться меньше тепла.

По соотношению величины С/Н можно судить о пригодности того или иного топлива для разных целей. Если это соотношение имеет значительную величину, то, например твердое топливо, горит без пламени или с коротким пламенем. Если же соотношение не велико (увеличение содержания водорода в топливе) – отмечается выделение значительного количества смолистых летучих веществ, дающих коптящее пламя.

Газовое топливо, используемое на практике, обычно является смесью нескольких различных газов (компонентов), которые могут смешиваться между собой в любых количественных соотношениях. Те из газов, которые способны гореть, образуют горючую часть, а те, которые гореть не могут, представляют собой балластную часть газового топлива.

Горючая часть газового топлива состоит из водорода (Н₂), метана (С Н₄), этана (С₂Н₆), пропана (С₃Н₈), бутанов (С₄Н₁₀), окиси углерода (С О) и некоторых других углеводородов. Балластом газового топлива являются азот (N₂), углекислота (С О₂), водяные пары (Н₂ О), сероводород (Н₂S). Кроме того, в состав некоторых видов газового топлива входит небольшое количество кислорода, который хотя и. поддерживает горение, но является вредной примесью газа. Сероводород при горении выделяет крайне вредный сернистый газ (S О₂), поэтому его нужно, тщательно удалять из газового топлива, особенно когда оно используется для бытового газоснабжения. Как и для других топлив, для газа справедливо положение: чем меньше при прочих равных условиях содержится в нем балластных составных частей, тем лучше топливо.