Физико химические свойства

Жидкое и газообразное
топливо
Мазут
• Основным видом жидкого энергетического
топлива является мазут. Он представляет
собой тяжелый остаточный продукт
переработки нефти и состоит из наиболее
тяжелых углеводородов. В его состав входят
асфальтосмолистые вещества, сернистые
соединения, минеральные примеси и
влага, перешедшая в мазут из нефти.
Элементарный состав мазута
Cr + Hr + Sro + Nr + Or + Wr + Ar = 100%
• Элементарный состав мазутов различных марок
колеблется сравнительно мало
• C - 87—88%
• H- 10—12%
• N + О --- 0,5—1%
• Тяжелые крекинг-мазуты несколько богаче
углеродом и беднее водородом. «Органический
балласт» (азот плюс кислород) содержится в
тяжелых крекинг-мазутах в несколько большем
количестве, отчего теплотворность их уменьшается.
Технические характеристики мазута:
• Влажность технического мазута в рабочем
состоянии невелика и находится в пределах
1-3%. В указанном кол-ве она не создает
особых проблем при использовании
мазута, а даже способствует его
воспламенению и распылению в топочном
устройстве.
Зольность
• обусловлена наличием минеральных
веществ сложного состава. Они переходят в
мазут из нефти при ее переработке. В нефти
определено более 20 минеральных
компонентов. Количество которых
составляет около 2 %.
• Минеральную часть нефти (мазута)
разделяют на внутреннюю и внешнюю.
• Внутреннюю часть представляют
органоминеральные комплексы,
основными компонентами которых
является ванадий и сера.
• Внешняя минеральная часть формируется
за счет вовлечения минеральных
компонентов окружающих пород, а также в
процессе добычи (бурение скважин,
транспортировка и т.д.)
• Зольность технического мазута невелика и
находится в пределах 0,03-0,06%.
• Состав золы мазута представляется такими
оксидами как V2O5 ,SiO2 ,Fe2O3, CaO ,MgO K2O
,Na2O.
• Зола может осаждаться на трубах
поверхностей нагрева котла и образовывать
достаточно прочные отложения.
• Оксиды ванадия вызывают интенсификацию
процессов образования отложений и
высокотемпературную коррозию металла
труб.
• Сернистость мазута обуславливается переходом большинства
сложных серосодержащих соединений нефти при ее
переработке. Они концентрируются в высококипящих
фракциях, составляющих основную часть мазута.
• По содержанию серы мазуты подразделяются на
низкосернистые (до 0,5%), малосернистые (0,5-1,0%),сернистые
(1,0-2,0%), высокосернистые (более 2,0%)
• Продукты сжигания – SO2 и SO3 вызывают низкотемпературную
коррозию оборудования, которая протекает более интенсивно,
чем в котлах работающих на твердом топливе.
• Это обьясняется тем, что в твердом топливе содержиться СаО,
способный связать оксиды серы и перевести их в твердое
состояние – гипс (СаSO4 ).
• Теплота сгорания: - кол-во тепла
выделяющегося при полном сгорании 1 кг
мазута.
• Во всех теплотехнических расчетах
используют низшую теплоту сгорания
которую относят к его рабочему состоянию.
• Обозначают Qрн и представляют в МДж/кг
или кДж/кг
• Qрн – (39 - 42) МДж/кг
Физические свойства мазута
• Вязкость, или внутреннее трение - свойство
жидкости оказывать сопротивление
перемещению одной части жидкости
относительно другой. Вязкость как физическую величину выражают либо
коэффициентом динамической
вязкости (η) (Па·с), либо коэффициентом
кинематической вязкости μ (м2/с). При
этом μ = η/ ρ, где ρ - плотность, кг/м3
• Котельный мазут бывает маловязкий и
высоковязкий с большим содержанием
смолистых веществ и парафина.
• Вязкость мазута является важным
эксплуатационным фактором, определяющим
способность транспортировки, слива, перекачки и
сжигания его.
• С повышением температуры вязкость мазута
уменьшается, поэтому все операции с мазутом
производят с подогревом.
• Вязкость нефти и мазута обычно выражают
в единицах условной вязкости ВУ.
• Согласно ГОСТ условной вязкостью
называют отношение времени истечения из
вискозиметра 200 мл испытуемого
нефтепродукта при температуре испытания
ко времени истечения 200 мл
дистиллированной воды при 20°С.
• Это отношение выражается числом
условных градусов.
• В зависимости от вязкости котельный мазут
бывает нескольких марок, различающихся
температурой застывания, которая всегда
выше 0°С. Для наиболее вязких сортов
мазута температура застывания — 25°С и
выше, поэтому необходим
предварительный подогрев такого мазута:
при перекачке до 60 — 70°С, а при
сжигании до 140°С.
• От вязкости мазута зависят затраты энергии
на транспортировку его по трубопроводам,
время слива из емкостей, скорость и
полнота отстаивания от воды и механических примесей, эффективность
распыления.
• Плотность - это масса вещества в единице
объема (в кг/м3), которая отражает товарное
качество нефтепродукта. Показателем
плотности пользуются в расчетах для
определения вместимости резервуаров
мазута, расхода энергии на его перекачку и др.
Для практических целей чаще пользуются
относительной плотностью, которая
представляет собой безразмерную величину,
численно равную отношению плотности
данной жидкости при температуре к
плотности дистиллированной воды при 4°С.
Для определения плотности нефтепродуктов
применяют ареометр
• Плотность так же, как и вязкость, зависит от
температуры.
• С повышением температуры плотность уменьшается.
• С достаточной степенью точности изменение плотности
в зависимости от температуры описывает линейный
закон Д. И. Менделеева:
• ρt= ρ20-α(t-20)
• ρt - плотность мазута при заданной температуре;
• ρ20 -плотность мазута при стандартной температуре -20
°С;
• α— поправка на изменение плотности при изменении
температуры на 1 °С (для мазутов она находится в
пределах 0,0005 -0,0006).
• Температура вспышки называется
температура, при которой пары топлива,
нагреваемого в стандартных условиях,
образуют с окружающим воздухом горючую
смесь, вспыхивающую при поднесении к ней
пламени. Горение при этом моментально
прекращается. Если продолжать нагревание
жидкости, то при достижении определенной
температуры продукт, вспыхнувший от
внешнего источника пламени, горит в течение
нескольких секунд (не менее 5). Эту
температуру называют температурой
воспламенения, или верхним пределом
температуры вспышки, жидкого топлив.
• Температуры вспышки и воспламенения
связаны с температурой кипения
соответствующих фракций топлива.
• Чем легче фракция, тем ниже температура
вспышки и воспламенения.
• Например, температура вспышки бензиновых
фракций ниже нуля (до - 40 °С), нефти – от -2040 °С, парафинистых мазутов – от 55-70 °С,
прямогонных мазутов, не содержащих
парафинов – от 140-230 °С. Температура
воспламенения нефтепродуктов обычно на 5070 °С выше температуры вспышки мазута.
• Применение жидких топлив с низкой
температурой вспышки связано с рядом
трудностей. Пары и газы, выделяемые при
нагревании топлива, являются токсичными и
образуют с воздухом взрывчатую смесь.
Поэтому максимально возможная
температура подогрева жидкого топлива в
открытой емкости должна быть ниже температуры вспышки не менее чем на 10 °С и не
выше 95 °С даже для высоковязких крекингмазутов. При перекачивании подогретых
топлив с низкой температурой вспышки
возможно их вспенивание во всасывающем
патрубке насоса, особенно при перекачке
обводненного топлива
Температурой самовоспламенения
называется температура, при которой жидкое топливо
воспламеняется без внешнего источника пламени.
Для мазутов она находится в пределах 500-600 °С.
Для транспортировки мазута по трубопроводу и слива его из
железнодорожных цистерн важное значение имеет температура,
при которой он теряет подвижность (называется температурой
застывания). Потеря подвижности мазута может быть вызвана как
повышением его вязкости, так и кристаллизацией растворенных в
нем высокомолекулярных углеводородов.
При определении температуры, застывания мазут предварительно
подвергают термообработке, при которой происходит плавление
кристаллов высокомолекулярных углеводородов. Затем его
охлаждают в пробирке до предполагаемой температуры
застывания. Температура при которой уровень мазута в пробирке,
наклоненной к горизонту под углом 45°, остается неподвижным в
течение 1 мин, принимается за температуру застывания.
• Выпускаемый мазут делится на флотский и
топочный.
• Флотский мазут представляет собой смесь мазута
прямой перегонки с нефтяными дистиллятами. Он
предназначен для судовых газовых турбин и
двигателей.
• Топочный мазут состоит либо из крекинг-мазута,
либо из смеси крекинг-мазута и прямогонного
мазута. Он предназначен для сжигания в топках.
Вязкость и плотность топочного мазута выше
флотского.
• Мазут может быть основным топливом, резервным
(например, в зимнее время), аварийным,
растопочным, когда основным является сжигаемое
в пылевидном состоянии твердое топливо.
• Газовое топливо.
• Состав:
• СН4 + ∑СmHn + CO + H2S + H2 + CO2 +
N2 + SO2 + O2 = 100%
• СН4 + ∑СmHn + CO + H2S + H2 –
горючие вещества,
• CO2 + N2 + SO2 + O2 – негорючие
вещества.
•
• Природный газ не имеет цвета, запаха, вкуса, легче
воздуха (плотность 0,75 кг/м3).
• Теплота сгорания 33…40 МДж/м3.
• Природный газ на человека действует удушающе, а
смертельная доза – 25 % от объема помещения.
• Температура воспламенения в воздухе – это
температура, которую должен иметь газовое
топливо, чтобы начался самопроизвольный процесс
горения без подвода теплоты извне. Для метана
температура воспламенения в воздухе 654…790 °С.
• При концентрации природного газа
• более 17 % – он огнеопасен.
• Объемное содержание горючего газа в
газовоздушной смеси, ниже (или выше)
которого пламя не может самопроизвольно
распространяться в этой смеси при наличии
источника высокой температуры,
называется нижним (верхним) пределом
воспламенения, или нижним (верхним)
пределом взрываемости данного газа.
• Для того чтобы обнаружить утечки, горючие газы
подвергают одоризации,
• Газы одорируют после их очистки и осушки перед
поступлением в магистральный газопровод в
одоризационных установках при помощи
одоранта – этилмеркаптана, в количестве 16 г на
1000 м3 природного газа.
• Одоризация считается эффективной, если
наличие газа в воздухе может быть обнаружено
при концентрации его, равной 1/5 от нижнего
предела взрываемости.
• Это значит, что одоризация газа, имеющего
нижний предел взрываемости 5 %, будет
достаточной, если запах его хорошо
ощутим в воздухе помещения при
концентрации газа в нем 1 %.
• Основные требования к одоранту: должен
мгновенно растворяться в газах и сгорать,
не образовывая вредных для человека
соединений; не должен взаимодействовать
с влагой и вызывать коррозию труб и
оборудова
Основные преимущества и недостатки
газообразного топлива перед другими видами
топлива:
• Преимущества
• – легко транспортируется, не требует больших затрат физического
труда (по сравнению с твердым и жидким топливом),
• поддается автоматизированному процессу сжигания,
• не нужны складские помещения для хранения,
• хорошие санитарные условия на рабочем месте
• самое экологически безопасное топливо;
•
•
•
•
• Недостатки
взрывоопасен (4…16 % от объема помещения),
пожароопасен (при 17 % и более),
удушающе действует на человека,
трудно обнаружить утечку.
•
Среди перспективных новых видов углеводородного сырья
ученые выделяют гидрат метана, запасы которого на планете,
по ориентировочным оценкам, составляют не менее 250
триллионов кубических метров (по энергетической ценности
это в 2 раза больше ценности всех имеющихся на планете
запасов нефти, угля и газа вместе взятых).
• Гидрат метана - это супрамолекулярное соединение метана с
водой. Ниже приведена модель гидрата метана на
молекулярном уровне. Вокруг молекулы метана образуется
решетка молекул воды (льда). Соединение устойчиво при
низкой температуре и повышенном давлении. Например,
гидрат метана стабилен при температуре 0 °C и давлении
порядка 25 бар и выше. Такое давление имеет место на глубине
океана около 250 м. При атмосферном давлении гидрат метана
сохраняет устойчивость при температуре −80 °C.
• Если гидрат метана нагревается, либо повышается давление,
соединение распадается на воду и природный газ (метан). Из
одного кубического метра гидрата метана при нормальном
атмосферном давлении можно получить 164 кубических метра
природного газа.
Горючие сланцы
При углефикации смеси органического и минерального вещества
образуются горючие сланцы, при сильном метаморфизме
переходящие в графитистые сланцы.
• Горючие сланцы представляют собой серую
массивную и слоистую породу. Органическая часть
сланцев, преимущественно сапропелевого состава,
и составляет более 25% состава сланцев.
• Образовались сланцы в озёрах и приморских
лагунах (мелководных заливах, отделённых от моря
полосами песка). Нередко в них встречаются
превращённые в уголь остатки высших растений.
Среди минеральных частиц, которые составляют
остальные 60—85% вещества горючих сланцев,
чаще всего встречаются кальцит, доломит, кварц,
полевые шпаты, пирит и глинистые минералы.
•
• Что же происходит с органическим веществом,
оказавшимся на дне моря, озера или лагуны? Здесь
останки организмов перерабатываются личинками
насекомых, моллюсками и микроорганизмами.
Образуется перегнивший ил — сапропель. В более
глубоких слоях этого ила преобразование
органического вещества отмерших растений и погибших
животных идёт без доступа воздуха в результате
деятельности анаэробных (т.е. способных жить без
кислорода) бактерий. Таким образом рождается
органическое вещество сланцев — кероген. При
погружении сланцев на большие глубины, где
действуют повышенные температуры и давления,
кероген разлагается. Образуются различные
углеводороды, которые при благоприятных условиях
могут создавать месторождения нефти и газа.
• К основным характеристикам сланцев относятся влажность,
содержание золы и серы, теплота сгорания и выход смолы при
нагревании без доступа воздуха до 500° С. Совокупность этих
свойств позволяет оценить качества сланцев и определить
основные направления их использования.
• Горючие сланцы — сложное по составу полезное ископаемое.
По сравнению с другими горючими ископаемыми они содержат
меньше органического вещества и, следовательно, дают
меньше тепла, выделяемого при сжигании. По этому важному
показателю они в 2 раза уступают каменному углю и в 4 раза —
нефти. Вот почему важно максимально использовать как
органическую, так и минеральную части сланцев. Сланцевая
зола с успехом применяется в строительстве при производстве
цемента, блоков, панелей. Сланцы содержат ряд редких
элементов — уран, ванадий, молибден, рений и др.