СВ.3. Практическая работа 2 Решить задачи и ответить письменно на вопросы
 Скачать 91.04 Kb.
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Вариант | Вид топлива |  |  |  |  |  |  |  | В1,кг |
| В2,кг | |||||||||
| | Т | 5 | 23,8 | 2,8 | 62,7 | 3,1 | 0,9 | 1,7 | 3400 |
| СС | 9 | 18,2 | 0,4 | 64,1 | 3,3 | 1,5 | 3,5 | 4500 |
Определить состав рабочей массы топлива угля марки Г. Состав топлива принять по варианту из таблицы 3.
Таблица 3
| Вариант |  |  |  |  |  |  |  |
| | 17,5 | 10 | 3,2 | 74,6 | 1,5 | 1,9 | 18,8 |
Определить состав сухой и рабочей массы топлива угля марки БР, если дан его горючий состав. Состав топлива принять по варианту из таблицы 4.
Таблица 4
| Вариант | |  | | | | | |
| | 12,3 | 24 | 0,5 | 72,5 | 5,3 | 1,7 | 20 |
В мельнице подсушивается бурый угол марки БР. Определить состав рабочей массы топлива после сушки, если его влажность изменилась от значения W1,% до W2,%. Состав топлива принять по варианту из таблицы 5.
Таблица 5.
| Вариант |  | | | | | | | W2,%. |
| | 28 | 22,4 | 2,4 | 40,1 | 2,6 | 0,5 | 4 | 16.8 |
Вопросы
Виды и характеристики естественного и искусственного топлива.
Получение искусственного топлива
Классификация топлива по агрегатному состоянию
Что такое топливо?
Как подразделяется топливо по принципу выделения энергии?
1. В топке котла сжигается смесь, состоящая из В1, кг Донецкого угля марки Т и В2, кг Кузнецкого угля марки СС состава. Определить состав рабочей массы смеси. Состав топлива принять по варианту из таблицы 2.
Таблица 2
| Вариант | Вид топлива | | | | | | | | В1,кг |
| В2,кг | |||||||||
| 1. | Т | 5 | 23,8 | 2,8 | 62,7 | 3,1 | 0,9 | 1,7 | 3400 |
| СС | 9 | 18,2 | 0,4 | 64,1 | 3,3 | 1,5 | 3,5 | 4500 |
Решение:
Массовую долю одного из топлив в смеси определяем по формуле:
Состав рабочей смеси находим, пользуясь уравнениями (1.7):
Проверим точность вычислений:
2. Определить состав рабочей массы топлива угля марки Г. Состав топлива принять по варианту из таблицы 3.
Таблица 3
| Вариант | | | | | | | |
| 1. | 17,5 | 10 | 3,2 | 74,6 | 1,5 | 1,9 | 18,8 |
Решение:
Пользуясь коэффициентами пересчета из табл. 1.1, определяем зольность рабочей массы топлива:
и находим состав рабочей массы топлива:
Для проверки точности вычислений найдем сумму составляющих элементов рабочей массы топлива:
3. Определить состав сухой и рабочей массы топлива угля марки БР, если дан его горючий состав. Состав топлива принять по варианту из таблицы 4.
Таблица 4
| Вариант | | | | | | | |
| 1. | 12,3 | 24 | 0,5 | 72,5 | 5,3 | 1,7 | 20 |
Решение:
1. Определим состав сухой массы топлива.
Пользуясь коэффициентами пересчета из табл. 1.1, определяем зольность сухой массы топлива:
и находим состав сухой массы топлива:
Для проверки точности вычислений найдем сумму составляющих элементов сухой массы топлива:
2. Определим состав рабочей массы топлива:
Пользуясь коэффициентами пересчета из табл. 1.1, находим состав рабочей массы топлива:
Для проверки точности вычислений найдем сумму составляющих элементов рабочей массы топлива:
4. В мельнице подсушивается бурый угол марки БР. Определить состав рабочей массы топлива после сушки, если его влажность изменилась от значения W1,% до W2,%. Состав топлива принять по варианту из таблицы 5.
Таблица 5.
| Вариант | | | | | | | | W2,%. |
| 1. | 28 | 22,4 | 2,4 | 40,1 | 2,6 | 0,5 | 4 | 16.8 |
Решение:
Пользуясь коэффициентами пересчета из табл. 1.1, находим состав рабочей массы топлива после сушки:
Для проверки точности вычислений найдем сумму составляющих элементов рабочей массы топлива после сушки:
1. Виды и характеристики естественного и искусственного топлива.
Все виды органического топлива можно классифицировать по трем признакам: агрегатному состоянию, происхождению топлива и по применению в тех или иных целях.
Общая классификация органического топлива приведена в таблице 1.2. Так как топливо используют либо для сжигания в энергетических котлах, либо для производственно-технических целей, то в связи с этим различают энергетическое и технологическое топливо. Технологическое топливо используют для химической переработки в различные виды искусственного топлива и получения ценных технических продуктов, а также для отопления различных промышленных печей.
Таблица 1.2 - Классификация органического топлива
| Агрегатное состояние | Происхождение топлива | |
| Естественное | Искуственное | |
| Твердое | Дрова, торф, бурый уголь,каменный уголь, антрациты,горючие сланцы. | Древесный уголь, полукокс, кокс, термоантрациты,брикеты, угольная пыль и др. |
| Жидкое | Нефть | Бензин, керосин,мазут,спирты,масла, коллоидное топливо,смолы. Жидкие продукты переработки твердых и газообразных топлив. |
| Газообразное | Природный газ | Коксовый, доменный, генераторный, подземной газификации и др. |
Каждое из топлив характеризуется рядом параметров, которые и определяют возможность использования данного вида топлива в тех или иных технологических процессах, а именно:
1. Одной из основных характеристик любого вида топлива является теплота сгорания, т.е. то количество теплоты, которое может быть получено при полном сгорании единицы массы или объема топлива. Полным сгоранием называется такое, при котором горючие компоненты топлива С, Н и S полностью окисляются кислородом. Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива относят к 1 кг, а газового – к 1 м3 при нормальных условиях. Теплота сгорания определяет и обуславливает транспортабельность топлива.
2. Жаропроизводительность - это максимальная температура горения, развиваемая при полном сгорании топлива в условиях, когда выделяемая теплота полностью расходуется на нагрев образующихся продуктов сгорания. Определяет эффективность применения топлива в высокотемпературных процессах.
3. Содержание балласта, т.е. минеральной массы и влаги в твердом и жидком топливе или азота и углекислого газа в газообразном топливе. При большом содержании балласта заметно снижается теплота сгорания и жаропроизводительность.
4. Содержание вредных примесей, снижающих ценность топлива, в особенности технологического и бытового.
5. Выход летучих веществ и обуглероженного остатка (кокса) при нагревании твердого топлива без доступа воздуха, определяющим легкость его зажигания, а также целесообразность использования в технологических процессах.
6. Удобство сжигания топлива и расход энергии, связанный с подготовкой топлива к использованию.
7. Окисляемость топлива. При обычных температурах определяет способы и сроки хранения топлива; при высокой окисляемости топлива могут самовоспламеняться. Способность топлива к самовоспламенению определяют температурой воспламенения. Жидкие топлива, кроме того, характеризуются температурой вспышки (способность смеси паров топлива с воздухом воспламеняться без загорания самой жидкости). Этот параметр имеет определяющее значение при сжигании топлива в двигателях внутреннего сгорания.
8. Влажность топлива. Средняя влажность топлива в рабочем состоянии составляет в %: для торфа 50; сланцев 13-17; каменного угля 5-14 и антрацита 5-8. Бурые угли в зависимости от влажности делят на 3 группы: группа Б1 – более 40% влажности; группа Б2 – 30-40%; группа Б3 – менее 30%.
9. Зола топлива. В состав золы входят преимущественно соли щелочных и щелочно-земельных металлов, окислы железа, алюминия, а также сульфатная сера. Минеральные остатки, образующиеся после сгорания топлива, имеют вид либо сыпучей массы (зола), либо сплавленных кусков (шлак). Различные виды топлива содержат разное количества золы. Например, в %: древесина – 1; торф – 10; кузнецкий уголь – 10-20; подмосковный бурый уголь – 30; сланцы – 60. Жидкое топливо (мазут) содержит 0,2-1% минеральных примесей.
10. Летучие вещества. При нагревании твердого топлива до 870-1100 К без доступа окислителя, выделяются парогазообразные вещества, которые называются летучими. Они являются продуктами распада сложных органических веществ, содержащихся в органической массе топлива. В состав летучих веществ входят: азот N2, кислород О2, водород Н2, окись углерода СО, углеводородные газы СH4, С2H4 и т.д, а также водяные пары.
11. Кокс. Твердый остаток, который получается после нагревания топлива (без доступа окислителя) и выхода летучих веществ. В состав кокса входят остаточный углерод и зола. При низких температурах в твердом остатке кроме золы может оказаться часть элементов (C, H, Sл, N). Тогда твердый остаток называется полукоксом. По своим механическим свойствам кокс может быть порошкообразным, слабоспекшимся и спекшимся.
В зависимости от выхода летучих веществ и характеристики кокса каменные угли разделяются на 10 марок: длиннопламенный - Д, газовый - Г, газовый жирный – ГЖ, жирный – Ж, коксовый жирный = КЖ, коксовый - К, коксовый второй – К2, отощенный спекающийся – ОС, слабоспекающийся – СС, тощий – Т.
2. Получение искусственного топлива.
Все методы подготовки и переработки топлив можно разделить на две большие группы: физико-механические и физико-химические.
К первой группе относятся методы подготовки и переработки не сопровождающиеся глубокими химическими превращениями органической массы топлива. Это различные способы обогащения топлива или приведения его к виду, более удобному для сжигания, например обогащение, сортировка, брикетирование, измельчение и сушка.
Ко второй группе относятся виды переработки, сопровождающиеся глубокими химическими превращениями составных элементов топлива. Это углежжение, коксование, ректификация, крекинг, пиролиз.
Важные задачи, связанные с получением ценных химических продуктов, эффективным использованием топлива могут быть решены лишь при высокотемпературной физико-химической подготовке топлива, в процессе которой осуществляется глубокая или полная его деструкция - разложение и трансформация органической части топлива с образованием новых органических продуктов (газообразных, жидких или твердых).
1. Коксование твердых топлив.
Процесс коксования протекает в несколько стадий, если температурный диапазон коксования разделить на три участка. В первом температурном интервале (от 300 до 500 °С) из угля начинают выделяться окклюдированные газы - диоксид углерода и некоторые углеводороды жирного ряда, преимущественно метан. С повышением температуры снижается структурная прочность, начинают осуществляться реакции деструкции. В температурном интервале от 500 до 700 °С начинаются процессы активного изменения структуры вещества вследствии его ассоциирования и формирование структуры твердого остатка, получившего название полукокса. На третьей стадии (от 700 до 1000 °С) протекающие в этом температурном интервале процессы поликоцденсации и интенсивное выделение атомарного водорода в результате дегидрирования ароматических соединений приводят к упорядочиванию структуры твердого остатка и образования кокса.
Результат коксования - каменноугольный кокс, коксовый газ и каменноугольная смола. Коксохимические предприятия вырабатывают бензол, нафталин, фенолы, пек и другие продукты, а на их основе получают удобрения, пластмассы, синтетические волокна, средства защиты растений, растворители, лаки, краски и другие продукты - более 200 наименований. Каменноугольный кокс - основной продукт коксования. Это куски различных размеров от серебристо-блестящего до матового темносерого цвета. Горючую массу кокса отличает высокое содержание углерода (примерно 97 %), а выход летучих не превышает от 1 до 1,5%. Важнейшие технологические свойства кокса - его гранулометрический состав и физико-механические показатели.
Коксовый газ - его состав и выход определяются природой коксуемых углей (шихт), температурой и скоростью процесса коксований. Газ этот - сложная смесь различных газов: водорода, метана, этана, окиси углерода и др. Из коксового газа выделяют ценное химическое сырье - смолы, бензол, аммиак и др., а сам газ после очистки используется в качестве горючего для отопления коксовых и металлургических печей, для химического синтеза и др.
В настоящее время из коксового газа получают ароматические углеводороды, в том числе бензол, основное сырье промышленности органического синтеза.
2. Фракционная перегонка (ректификация) сырой нефти Процесс основан на том, что с увеличением молекулярного веса углеводородов существенно повышаются их температуры кипения. Фракционную перегонку нефти можно вести в одноступенчатых или в двухступенчатых установках. Во втором случае в первой установке (работающей под атмосферным давлением) из сырой обезвоженной нефти отгоняют легкие фракции: бензин (от 95 до 200 °С); лигроин (от 200 до 250 °С); керосин (от 240 до 310 °С); газойль (от 310 до 360 °С). Остаток после отгонки указанных дистиллятов - мазут используют либо как топливо, либо направляют во вторую установку, в вакуумную ректификационную колонку, где нагревают при пониженном давлении до температуры 400 °С и получают ряд дистиллятов смазочных масел (соляровое, веретенное, машинное, цилиндровое). После отгонки остается гудрон, который затем перерабатывается в асфальт.
Выход легких фракций при использовании ректификации составляет от 10 до 12%. С целью повышения выхода легких продуктов ведут процессы крекинга и пиролиза. Сырьем для этих процессов является мазут.
3. Крекинг (расщеплять) Процесс протекающий с распадом тяжелых углеводородов. Наряду с распадом при крекинге происходят изомеризация (превращение какого-либо химического соединения в его изомер, т.е. одинаковый по составу и молекулярной массе, но различающийся по строению и свойствам, например может изменяться углеродный скелет молекулы) и синтез новых молекул в результате циклизации, полимеризации и конденсации.
В зависимости от условий переработки и фазового состояния получаемых продуктов различают: термический крекинг и каталитический крекинг.
Термический крекинг подразделяется на парофазный и жидкофазный. Жидкофазный термический крекинг протекает при сравнительно невысоких температурах от 450 до 550 °С и при высоких абсолютных давлениях от 4 до 6 МПа. При парофазном крекинге абсолютное давление значительно ниже 0,1 -0,3 МПа, а температура повышается до 650-700 °С. Выход бензина при жидкофазном термическом крекинге больше, чем при парофазном.
Каталитический крекинг осуществляется в присутствии катализаторов. в качестве которых применяют Со и Fe. Процесс идет при температуре от 450 до 520 °С, под давлением от 0,2 до 0,3 МПа. При каталитическом крекинге распад гораздо быстрее, чем при термическом . Кроме того, в этом случае происходит изомеризация с образованием насыщенных углеводородов. В результате выход летучих продуктов больше, чем при термическом крекинге, а получаемый бензин содержит много изопарафинов и мало непредельных углеводородов, что обуславливает его высокое качество.
Применяя фракционную перегонку сырой нефти и крекинг мазута, можно довести выход легких фракций до 40-60%. Одновременно получаются крекинг-газы (от 25 до 27%), небольшое количество кокса (от 2 до 7%) и крекинг-мазут.
4. Пиролиз Это процесс высокотемпературного глубокого превращении органических соединений, заключающийся в деструкции молекул исходных веществ, их изомеризации и др. изменениях.
Основным направлением процесса пиролиза является не только разложение молекул исходного сырья, но и синтез новых, так называемых ароматических углеводородов, в первую очередь бензола и толуола. Максимальный выход ароматических углеводородов происходит в области нагрева от 670 до 720 °С. В качестве сырья используется керосин, газойль и мазут. В случае пиролиза тяжёлых жидких продуктов температура процесса должна повыситься до 800-850 °С.
5. Деструктивная гидрогенизация.
Это процесс воздействия водорода высокого давления на углеводороды исходного продукта. Процесс идет в присутствии катализаторов. Путем гидрогенизации доводят выход легких фракций до 80-85%.
6. Газификация твердого топлива.
Газификация - это термический процесс, при котором органическая часть топлива превращается в горючие газы под действием газофицирующего агента (воздуха, пара, кислорода, водорода, углекислого газа или их комбинаций).
Широко применяются для газификации низкокачественные бурые угли. Из них можно получать качественные энергетические и технологические газы, в специальных устройствах - газогенераторах.
В настоящее время наиболее освоены методы Лурги (в плотном слое), Винклера (в кипящем, или псевдоожиженном слое), Копперса-- Тотцека (во взвешенном слое). Первый использует парокислородное и паровоздушное дутье под давлением; средняя температура процесса 900 °С.
Процесс Винклера «пригоден» для мелкозернистого сортированного твердого топлива (от 0,5 до 3 мм), чаще всего для бурого угля или буроугольного кокса. Температура в пределах от 800 до 1100 °С при атмосферном или не сколько повышенном давлении.
Процесс Копперса—Тотцека отличает универсальность, он использует все виды твердых топлив в пылевидном состоянии (90% — 0,1 мм). Его отличают практически полная газификация топлива, высокий КПД процесса (от 85 до 90%), значительное содержание в неочищенном газе СО+Нг, минимальные выбросы вредных веществ в окружающую среду. Все операции идут почти параллельно, так как сам процесс непрерывен и в газогенератор постоянно подается пылеугольная смесь. Образующиеся при ее пиролизе летучие вещества при температуре 2000 °С под воздействием газифицирующих агентов моментально превращаются в двуокись углерода, водяной пар и водород, а углерод кокса реагирует с газифицирующим агентом, двуокисью углерода и водяным паром.
Весь процесс в потоке водяного пара и кислорода при атмосферном давлении длится менее 1 с. О примерных масштабах расширения объемов газификации говорят следующие данные: в США к 2010 г. предполагается ввести в строй от 20 до 30 новых объектов газофикации для получения около 30 млрд. м3 газа в год, в ФРГ - 11 новых установок производительностью от 0,3 до 5 млрд. м3 газа в год каждая и т. д.
В целевых программах ряда стран по совершенствованию процессов газификации предусмотрено разработать средства и способы интенсификации газофикационных установок. Расскажем прежде всего о так называемой каталитической газификации углей с применением в качестве катализаторов солей различных металлов ( К 2С О з , К С 1 , К О Н , Na2COj, ZiCl и др.) и их сочетаний. Установлено, что в присутствии солей калия, например, реакции горения и газификации могут протекать при одной и той же температуре, т.е. экзотермические и эндотермические реакции «соседствуют» в одном реакторе.
Важно отметить, что катализаторы не только резко увеличивают скорости процесса и снижают температуры, необходимые для получения газов различного состава, с их помощью перерабатывают угли различной степени метаморфизма. Кроме того, их можно регенерировать и возвращать в процесс.
Определенный практический интерес представляют изменения связанные с соотношением С:Н угля в реакционной зоне. У большинства углей это соотношение больше 15—20. При снижении его до трех значительно улучшается конверсия, ускоряется газофикация, повышается теплота сгорания газов и термический КПД процесса. Есть и еще некоторые процессы физико-химического воздействия на дутье и уголь, улучшающие основные показатели.
Один из наиболее перспективных способов переработки углей - их газификация с водяным паром при образовании смеси СО + Н2. Смесь эту употребляют в качестве сырья для получения углеводородов по методу Фишера Трохшш. Синтез Фишера 1'ропша на стационарном катализаторе при средних давлениях позволяет получать различные углеводороды (метанол, метан и др.), а иа псевдоожижешюм катализаторе - дизельное топливо. В основном же этим способом получают метанол, его производство в мире достигло более 15 млн. т в год. Он используется как химическое сырье для получения формальдегида, ангидрида уксусной кислоты, этанола, низших олефинов, ароматических углеводородов и других ценнейших видов химических продуктов. Кроме того, метанол используется и в энергетических целях, в смеси с бензином, дизельным топливом и др.
3.Классификация топлива по агрегатному состоянию.
По агрегатному состоянию топливо подразделяется на твердое, жидкое и газообразное.
Таблица 1.2 - Классификация органического топлива
| Агрегатное состояние | Происхождение топлива | |
| Естественное | Искуственное | |
| Твердое | Дрова, торф, бурый уголь,каменный уголь, антрациты,горючие сланцы. | Древесный уголь, полукокс, кокс, термоантрациты,брикеты, угольная пыль и др. |
| Жидкое | Нефть | Бензин, керосин,мазут,спирты,масла, коллоидное топливо,смолы. Жидкие продукты переработки твердых и газообразных топлив. |
| Газообразное | Природный газ | Коксовый, доменный, генераторный, подземной газификации и др. |
4. Что такое топливо?
Топливом называют вещества, состоящие из элементов, способных при соединении с кислородом выделять значительное количество теплоты, которое может быть использовано для энергетических, технологических и бытовых целей.
С физической точки зрения под это понятие может подходить любое вещество способное окисляться, но топливом будет считаться только при определенных условиях:
1. Запасы должны быть достаточными для того, чтобы их было экономически выгодно добывать и использовать.
2. Продукты сгорания должны легко удаляться из зоны горения и быть относительно безвредны для окружающей среды.
3. Процесс горения должен быть управляем.
Такими веществами, которые одновременно отвечают всем вышеперечисленным требованиям, являются смеси сложных углеродистых и углеводородистых соединений преимущественно растительного происхождения с примесью минеральных веществ. К ним относятся ископаемые органические топлива - нефть, уголь и газ.
5. Как подразделяется топливо по принципу выделения энергии?
По принципу выделения энергии различают две группы топлив: химическое, выделяющее энергию в результате окисления горючих элементов, и ядерное, выделяющее энергию при делении ядер. В настоящее время в мире преимущественно используется химическое, или органическое, топливо, являющееся источником около 70% всей вырабатываемой энергии.
Использованная литература:
1 .Панкратов Г.П. «Сборник задач по теплотехнике».
2. Никифоров А.С. «Спецвопросы сжигания топлива».
3. Белосельский Б.С, Барышев В.И. «Низкосортные энергетические топлива: Особенности подготовки и сжигания».