Элементарный состав и технические характеристики топлива

Для проведения инженерных расчетов необходимо знать состав и свойства органического топлива. Химический состав топлива (особенно твердого) сложен и в большинстве случаев формула его неизвестна, а поэтому ее характеризуют массовым содержанием образующих его элементов в про­центах. Исследованиями установлено, что органическое твердое и жидкое топливо в основном состоит из углерода, водорода, серы, азота, кислорода, различных минеральных солей и воды. При этом лишь углерод, водород и Сера могут участвовать в химических реакциях окисления с выделением тепловой энергии (экзотермические реакции), т. е. гореть. Поэтому часть массы топлива, состоящую только из этих элементов, называют горючей. Азот, кислород, минеральные соли и вода составляют негорючую часть топлива, а поэтому ее называют балластом. Сумма горючей массы топлива и его балласта представляет собой рабочую массу, т. е. массу топлива в том виде, в котором оно добыто и поступило для сжигания.

Состав топлива принято задавать с помощью формул, отражающих для Твердого и жидкого топлива элементарный состав в процентах по массе на 1 килограмм рабочей массы:

СР + ЯР + ЗР + ОР + ^Р+ЛР + W^nacr = 100%, (15.1)

Горючая масса

Где р — индекс, означающий, что состав рассчитан на рабочую массу топ­лива; С, Н, S, О, N —общепринятые символы химических элементов; А — Минеральные примеси (зола), образующиеся в процессе сжигания топлива (зольность топлива); W — вода (влажность топлива).

Если из топлива удалить влагу, то получим сухую массу топлива (записывается с индексом «с»):

Сс + #с + 5е + 0е + Nc + Ас = 100%. (15.2)

Горючая масса балласт

Если из топлива удалить влагу и золу, то получим горючую массу топлива (записывается со знаком «г»):

Cr + Hr + Sr + Or + Nr = 100%. (15.3)

Горючая масса балласт

Пересчет состава топлива с одной массы на другую производится с помощью коэффициентов пересчета, приведенных ниже.

Заданная масса топлива	Коэффициент пересчета на массу:
Рабочую	Сухую	Горючую
Рабочая Сухая Горючая	1 (100-WP)/100 (100 — Wp — Ар)/100	100/(100 — Wp) 1 (100-Ас)/100	100/(100 — Wp- Ар) 100/(100-Лс) 1

Газообразное топливо, так же, как твердое и жидкое, представляет собой смесь различных компонентов и делится на естественное и искус­ственное. Состав газообразного топлива выражают в процентах по объему входящих в него различных газов, а расчеты относят к 1 кубическому метру при давлении 101325 паскалей (760 миллиметров ртутного столба) и температуре 0 градусов по шкале Цельсия. Эти параметры газов называют Нормальными. Стандартными условиями считают следующие параметры газа:

• давление 101325 Па;

• температура Т = 293.16 К (20°С).

Для приведения объема газа Vt при давлении Pt и температуре T к

Нормальным условиям используют зависимость:

V°(15-4)

Где V0 — объем газа при нормальных условиях, м3.

Для приведения к стандартным условиям используют следующую за­висимость: ллЧ

(273 4- 20)Pt

(273 + T)P0 ‘ (Ш5)

Где V2Q — объем газа при стандартных условиях, м3.

Основные составляющие природного и попутного газов —метан СН4 (50…95%), этан СгНв, пропан С3Н8, бутан СгНв, другие углеводороды, углекислый газ, азот N2 (последние два компонента являются балластом). В состав искусственного газообразного топлива входят оксид углерода СО, водород Н2, метан, углекислый газ и азот. В газообразном топливе содержатся также водяные пары, различные смолы и др.

Для коммунально-бытовых целей широко применяются сжиженные газы, состоящие в основном из легкоконденсирующихся при сжатии уг­леводородов — пропана и бутана. Различают три марки сжиженных газов:

• смесь пропан-бутана техническая зимняя СПБТЗ;

• смесь пропан-бутана техническая летняя СПБТЛ;

• бутан технический ВТ.

Сжиженные газы хранят и перевозят в баллонах емкостью от 20 до 55 литров, рассчитанных на условное давление до 20 МПа, и от 80 до 500 литров — на давление до 25 МПа.

Значения величин, характеризующих элементарный состав топлива, сводят в таблицы, приведенные в специальной справочной литературе (там же даны основные технические характеристики топлив).

Технические характеристики отражают основные свойства топлив при­менительно к процессу горения и способам их использования в топочных устройствах. Важнейшими среди них являются:

• теплота сгорания;

• выход летучих веществ;

• свойства твердого горючего остатка (кокса);

• зольность, влажность;

• сернистость.

Углерод — одна из основных горючих составляющих топлива, опреде­ляющих ее теплоту сгорания. В составе топлива углерод находится в виде сложных соединений с водородом, кислородом, серой и азотом. Содержание углерода в твердых топливах в зависимости от геологического возраста сильно колеблется и составляет в рабочем состоянии древесного топлива около 30%, а в антраците до 63%.

Водород — важная составляющая топлива, обладает высокой теплотой сгорания, большей, чем у углерода, в 4 раза. Содержание водорода в твердых топливах небольшое (от 5 до 2%).

Общая сера в топливе содержится в органической и минеральной массах угля. Она подразделяется на горючую и негорючую серу. Горючая сера

Включает в себя органическую S%p и пиритную (колчеданную) серу. В теплотехнических расчетах учитывают только горючую серу. При сгорании серы образуются токсичные сернистый ангидрид S02 и сернистый ангидрид S03. Выброс их в атмосферу с продуктами сгорания топлива за­грязняет окружающую среду. Поэтому присутствие серы в составе топлива нежелательно.

Кислород не является горючим, но содержится в топливе в виде слож­ных органических соединений. С ростом содержания кислорода в топливе в нем меньше доля углерода и водорода, и, следовательно, ниже теплота его сгорания. С ростом геологического возраста топлива содержание кислорода в нем уменьшается.

Азот — инертный химический элемент, не участвует в процессе горения, в составе топлива его немного (около 2% по массе). Но на его подогрев и выделение расходуется тепловая энергия, которая затем уходит с продукта­ми сгорания в окружающую среду. Азот — вредный компонент, так как при сжигании топлива в высокотемпературных топках и в других устройствах образуются высокотоксичные окислы N0 и N02.

В многоцелевых гусеничных и колесных машинах в качестве энергетиче­ской установки используются двигатели внутреннего сгорания, в которых в качестве топлива применяются жидкие продукты переработки нефти (бензин, керосин и дизельное топливо).

Сырая нефть в том виде, в котором она добывается, в настоящее время как топливо почти не применяется. Нефть представляет собой вязкую жидкость черного или коричневого цвета, по химическому составу это смесь различных углеводородов. Элементарный состав различных нефте­продуктов содержит в основном:

• углерод Ср » 84… 87%;

• водород Нр » 10… 12%;

• кислород и азот —менее 1% (в сумме);

• серу — в пределах 0.2… 0.4%.

Зольность не превышает 0.01… 0.1%. а влаги не должно быть более 3%. Теплота сгорания продуктов нефти высокая (38… 42 МДж/кг).

Переработка нефти состоит из разделения ее на отдельные фракции, выкипающие в различных интервалах температур. Каждая фракция пред­ставляет собой смесь углеводородов различного строения. В результате раз­деления (перегонки или дистилляции) из нефти получают: бензин, керосин, соляровое мало, дизельное топливо и мазут. Последний используется как жидкое котельное топливо, а также идет на дальнейшую переработку для получения смазочных масел и ряда химических продуктов. Для удаления нежелательных компонентов (сернистых, смолистых, кислотосодержащих соединений) и придания стабильности нефтепродукты, полученные при прямой перегонке, подвергают очистке и применяют специальные добавки и присадки, улучшающие их свойства.

Легкоиспаряющиеся фракции нефти (бензин, лигроин, керосин) исполь­зуются в поршневых ДВС с искровым зажиганием, а керосин также в газотурбинных и воздушно-реактивных двигателях. Особенностью бензи­нов является свойство быстро испаряться при температуре окружающей среды и небольшом подогреве. Поэтому горючая смесь из паров бензина с воздухом готовится вне цилиндра двигателя —в специальном приборе, называемом карбюратором[64].

Наряду с испаряемостью важное значение имеет характер сгорания топлива в цилиндре ДВС. В определенных условиях для различных марок жидкого топлива (особенно бензина) скорость распространения фронта пламени в цилиндре двигателя может резко увеличиться с 25 до 2500 метров в секунду. В этом случае наблюдается так называемая детонация[65](взрывное горение), проявляющаяся в виде резких ударов, которые могут привести к разрушению отдельных деталей двигателя.

Известно, что термический КПД цикла теплового двигателя с ростом степени сжатия увеличивается3. Но при этом возрастают температура и давление рабочей смеси топлива. Повышению степени сжатия препятствует склонность бензина к детонации, которая возникает при предельной тем­пературе и давлении смеси, существующих для каждого топлива.

Показателем детонационных свойств бензина является октановое число, которое определяется в специальных лабораторных условиях[66].

Более тяжелые фракции перегонки нефти (газойль и соляровое мас­ло) используются как дизельное топливо. Последнее представляет собой промежуточный продукт перегонки, состоящий из тяжелых керосиновых и легких соляровых фракций. Дизельные топлива применяются в ДВС с воспламенением в цилиндре двигателя в среде горячего воздуха, сжатого поршнем.

Выпускаемые дизельные топлива условно можно разделить на две группы:

• дистиллятные маловязкие, применяемые в быстроходных автотрактор­ных двигателях;

• высоковязкие остаточные продукты переработки нефти — для тихоход­ных стационарных и судовых дизельных двигателей.

Дистиллятное дизельное топливо для быстроходных двигателей вы­рабатывают из керосиногазойлевых фракций прямой перегонки нефти и частично из газойлей каталитического крекинга. Топливо для тихоходных дизельных двигателей производят из смеси мазутов с керосиногазойлевыми фракциями нефти.

Дизельное топливо для автотракторных двигателей бывает малосерни­стое (5Р = 0.2%) и сернистое (5Р = 0.4… 1.0%).

В отличие от легкоиспаряющихся бензинов дизельные топлива состоят из более тяжелых углеводородов, обладают большой плотностью, вязко­стью и температурой застывания. Поэтому характеристика вязкости — одна из важных показателей для дизельного топлива. Вязкость дизельного топлива измеряется в стоксах (1 Ст = 1 см2/с = 10~4 м2/с) или Сантистоксах (1 сСт = 10~6 м2/с).

Ввиду того, что в дизельных двигателях сжимается не горючая смесь, а воздух, в цилиндре двигателя не может быть детонационного сгора­ния. Однако в дизельных двигателях могут быть затруднения при пуске вследствие ухудшенной способности топлива к самовоспламенению, что характеризуется цетановым числом.

Характеристика топлива на самовоспламенение определяется по анало­гичному методу, как и для определения детонационных свойств бензина. Испытания проводятся на специальной установке (двигателе) с переменной степенью сжатия при некоторых стандартных условиях.

Ниже приведены основные характеристики дизельных топлив:

Марка топлива

Вязкость при 20° С, сСт

Цетановое число

Содержание Серы, %

Температура застывания, °С

Температура испарения, °С

Для быстроходных автотракторных двигателей (малосернистые)

Арктическое ДА	2.5… 4.0	40	0.2	-60	35
Зимнее ДЗ	3.5… 6.0	40	0.2	-45	50
Летнее ДЛ	3.5… 8.0	45	0.2	-10	60
Специальное ДС	2.5.. .4.0*	50	0.2	-15	90
Для быстроходных автотракторных двигателей (сернистые)
Арктическое ДА	1.5… 2.5	45	0.4	-55	30
Зимнее ДЗ	2.2… 3.2	45	0.6	-35	35
Летнее ДЛ	3.0… 6.0	45	1.0	-10	40
Специальное ДС	4.5… 8.0	50	1.0	-15	90
Для тепловозных и судовых дизельных двигателей
Зимнее ТЗ	2.2… 5.0	45	0.5	-35	40
Летнее ТЛ	3.5… 8.0	45	0.5	-10	65

Для тихоходных дизельных двигателей (остаточные топлива)

ДТ	36	—	0.5… 1.5	-5	65**
ДМ	150	—	3	10	85***

* Вязкость при 50° С. ** Температура вспышки. *** Температура вспышки.