Виды, характеристики и классификация топлив

В.С.Степанов, Т.Б.Степанова, Н.В.Старикова

ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Учебное пособие для  выполнения

Практических и самостоятельных работ

для бакалавров по направлению подготовки

13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»

для дневной и заочной форм обучения

 

второе издание исправленное

 

Издательство

 Иркутского национального исследовательского технического университета

2019

УДК 621.31:620.09

 

 

Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом ИРНИТУ

 

    Рецензенты:

Зам. директора Института систем

энергетики имени Л.А.Мелентьева, д.т.н.                           С.М. Сендеров

 

Зав. кафедрой «Энергетика транспорта»

Иркутского государственного университета

путей сообщения д.т.н., профессор                                      В.Д. Бардушко

 

    Степанов В.С., Степанова Т.Б., Старикова Н.В. Общая энергетика: Учебное пособие для бакалавров по направлению подготовки 13.03.02  «Электроэнергетика и электротехника» для дневной и заочной форм обучения.– Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2019. – 132 с.

 

 

Пособие соответствует требованиям ФГОС (код ОКСО)

     Рассмотрены основные вопросы одного из важных разделов учебной программы дисциплины «Общая энергетика»– Энергетические ресурсы, в котором значительное место занимает тема Органические топлива, их виды, запасы, энергетические характеристики.

Помимо краткого теоретического курса по этим вопросам учебное пособие включает: описание и алгоритмы методик, необходимых для расчёта показателей при выполнении студентами практических и самостоятельных работ.

 

 

.

 

 

© ФГБОУ ВО «ИРНИТУ», 2019

 

 

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................5

Глава 1. ВИДЫ, СОСТАВ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПЛИВ. КЛАССИФИКАЦИЯ ТОПЛИВ

 

1.1. Виды, характеристики и классификация топлив......................................6

1.2. Состав топлива..............................................................................................7

1.3. Горючая масса топлива................................................................................9

1.4. Минеральная масса топлива и зола..........................................................16

1.5. Влага топлива..............................................................................................18

Глава 2. ТВЕРДЫЕ ВИДЫ ТОПЛИВА

 

2.1. Происхождение и петрографическое строение твердых топлив....... 19

2.2 Характеристика ископаемых углей......................................................27

2.2.1 Классификация ископаемых углей...................................................27

2.2.2. Физические, механические и электрические свойства углей...... 28

2.3. Искусственное твердое топливо...........................................................32

2.3.1. Брикетирование твердых топлив................................................... 32

2.3.2. Термическая переработка твердых топлив..................................32

Глава 3. ЖИДКОЕ ТОПЛИВО

 

3.1. Нефть.......................................................................................................35

3.1.1. Происхождение нефти....................................................................35

3.1.2. Состав нефти................................................................................... 36

3.1.3. Переработка нефти........................................................................38

3.2. Жидкое дистиллированное топливо.....................................................40

3.3. Мазут.......................................................................................................43

 

Глава 4. ГАЗООБРАЗНОЕ ТОПЛИВО

 

4.1. Состав и свойства газообразного топлива............................................45

4.2. Природный газ........................................................................................52

4.3. Нефтепромысловые газы.......................................................................54

4.4. Сжиженные газы.....................................................................................54

4.5. Нефтезаводские газы..............................................................................55

4.6. Искусственные газы из твердого топлива............................................55

 

Глава 5. ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА

 

5.1. Высшая и низшая теплота сгорания.....................................................57

5.2. Определение теплоты сгорания топлива.............................................. 59

5.2.1. Экспериментальный путь (калориметрическое определение

           теплоты сгорания топлива)......................................................... 59

5.2.2. Расчет теплоты сгорания топлива............................................. 64

5.3. Условные обозначения характеристик топлива по международным стандартам........................................................................................................ 70

5.4. Пересчет результатов анализа топлива............................................... 71

 

Глава 6. ХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ И ЭКСЕРГИЯ ТОПЛИВ

 

6.1. Понятие о химической энергии и эксергии веществ. Энергия и

эксергия химических элементов....................................................................75

6.2. Методика расчета химической энергии и эксергии топлив............... 80

 

Глава 7. РАСЧЕТЫ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА. Материалы для выполнения практических и самостоятельных работ

 

7.1. Определение расхода воздуха на сжигание топлива......................... 92

7.2. Определение состава и количества продуктов сгорания...................93

7.3. Понятие о теплоёмкости тела. Определение теплоемкости

продуктов сгорания........................................................................................ 94

7.4. Расчёт жаропроизводительности топлива........................................... 98

7.5. Задания для практических и самостоятельных работ..........................98

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................................ 100

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А. Термодинамические свойства компонентов

топлива и продуктов его сгорания ……………………………………….102

Приложение Б. Исходная информация для проведения

расчетов..………………………………………………………………...….113

Приложение В. Термодинамические характеристики технических топлив Российской Федерации. ………………………………………….124

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

         

Одним из важных разделов учебной программы дисциплины «Общая энергетика» является раздел Энергетические ресурсы, в котором значительное место занимает тема Органические топлива, их виды, запасы, энергетические характеристики.

Для правильного выбора вида топлива и эффективного его использования необходимо знать происхождение, состав, основные свойства, теплотехнические и прочие характеристики различных их видов, владеть инженерными методами расчета процессов горения и теплообмена, определения всех видов потерь тепла. Всё это поможет студентам правильно рассчитать все статьи энергетического (теплового) баланса топливо сжигающей установки и на основе его результатов определить её энергетическую эффективность (КПД).

Помимо стандартных методов расчёта КПД на основе низшей и высшей теплоты сгорания в учебном пособии даётся материал, позволяющий студентам познакомиться с современными, более совершенными характеристиками топлив – их химической энергией и эксергией. Приведены краткие сведения об этих понятиях и методах их определения для различных видов топлив. Использование химической энергии и эксергии топлив для расчёта подведенной к процессу энергии позволяет более правильно оценить их энергетический потенциал, а значит более правильно определить КПД установки.

Учебная программа дисциплины предусматривает выполнение студентами нескольких практических (расчётных) работ, позволяющих им освоить процедуры определения высшей и низшей теплоты сгорания твёрдых и газообразных топлив разными способами: на основе реакций окисления горючих компонентов, а также с использованием эмпирических формул. Кроме этого студентам предлагается определить расход воздуха, необходимого для сжигания топлива, объём и состав продуктов сгорания, их теплоёмкости, а также такую важную характеристику топлива – его жаропроизводительность.

Поэтому помимо краткого теоретического курса по этим вопросам учебное пособие включает: описание и алгоритмы методик, а также справочные данные, необходимые для выполнения студентами практических и самостоятельных работ.

 

Глава 1. ВИДЫ, СОСТАВ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ТОПЛИВ. КЛАССИФИКАЦИЯ ТОПЛИВ

 

Виды, характеристики и классификация топлив

 

Д.И.Менделеев четко разграничил понятия топливо и горючие материалы, указав, что топливом следует называть лишь горючие вещества, сжигаемые для производства тепла. Основными видами топлива в настоящее время являются горючие ископаемые, или каустобиолиты (от греческих слов causto –  горючий, bios – жизнь, litos – камень). Каустобиолиты состоят в основном из углерода, водорода и кислорода и могут быть подразделены на две основные группы – угли и битумы, которые являются крайними противоположными членами ряда, промежуточные формы которого (богхеды, сланцы), напротив, сближаются друг с другом. В некоторых видах каменных углей содержится значительное количество битумов, по отношению к которым в технике применяются термины смолистые или жирные угли. Битумы характеризуются высоким содержанием водорода и углерода и растворимостью в органических растворителях. Типичными битумами являются нефть, асфальт, смола.

Народнохозяйственную ценность топлива определяют следующие основные его характеристики:

1. Теплота сгорания, или теплотворная способность, т.е. количество тепла, выделяющегося при полном сгорании 1 кг твердого и жидкого топлива или 1 м³ газообразного. На практике используются такие понятия, как теплота сгорания в калориметрической бомбе (). высшая () и низшая () теплоты сгорания. Более подробные сведения об этом приведены в гл. 5.

2. Жаропроизводительность () – максимальная температура горения, развиваемая при полном сгорании топлива в условиях, когда выделяемое топливо полностью расходуется на нагрев образующихся продуктов сгорания.

3. Содержание балласта, т.е. минеральной массы и влаги, в твердом и жидком топливе, азота и двуокиси углерода – в газообразном. Наличие балласта в топливе понижает его теплоту сгорания. При большом содержании балласта заметно снижается также жаропроизводительность топлива.

4. Содержание вредных примесей, снижающее ценность топлива, в особенности технологического и бытового.

5. Выход летучих веществ и обуглероженного остатка (кокса) при нагревании твердого топлива, определяющий легкость его зажигания, а также целесообразность использования в технологических процессах.

Применяемые в народном хозяйстве многочисленные твердые, жидкие и газообразные виды топлива можно в свою очередь разделить на естественные и искусственные (табл.1.1). Последние представляют собой, как правило, продукты переработки естественных видов топлива.

Топливо состоит из горючей массы и балласта. При всем разнообразии свойств различных видов топлива горючая масса включает в основном четыре элемента: углерод, водород, кислород и серу. От соотношения этих элементов в горючей массе и содержания в топливе балласта зависят его основные характеристики.

 

Таблица 1.1