Традиционное топливо и его характеристики

Традиционное топливо — это горючие вещества, выделяющие при сжигании значительное количество теплоты, которая используется непосредственно в технологических процессах или преобразуется в другие виды энергии. К ним относятся полезные ископаемые органического происхождения — уголь, горючие газы, горючие сланцы, нефть, торф, а также древесина и растительные отходы. Органическое топливо является в настоящее время основным источником энергии и обеспечивает 70−80% потребителей теплоты и электроэнергии.

В ядерной энергетике применяется понятие ядерного топлива — вещества, ядра которого делятся под действием нейтронов, выделяя при этом энергию в основном в виде кинетической энергии осколков деления ядер и нейтронов.

Традиционное органическое топливо подразделяют на твердое топливо (дрова, торф, бурый и каменный уголь, антрациты и полуантрациты, сланцы), жидкое топливо (нефть, бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, метанол), газообразное топливо (природный и нефтепромысловый газ, коксовый и полукоксовый газ, доменный газ, водород и др.). Для анализа тепловых характеристик традиционных топлив, определения состава газов и других расчетов необходимо знать химическую структуру каждого вида топлива. Органическая часть твердых и жидких топлив состоит из большого количества сложных химических соединений, в состав которых в основном входят пять химических элементов: углерод С, водород Н, кислород О, сера S и азот N. Кроме того, топливо содержит минеральные примеси А и влагу W, представляющие вместе внешний балласт топлива.

Химический состав твердых, жидких и газообразных топлив определяют не по количеству соединений, а по суммарной массе химических элементов (в процентах на 1 кг или 1 куб. м топлива), т. е. устанавливают элементарный состав топлива. Различают три основных элементарных состава топлива:

рабочая масса топлива C+H+O+N+S+A+W=100%;

сухая масса топлива C+H+O+N+A=100%;

горючая масса топлива C+ H+O+N=100%.

Рабочей считается масса топлива в том виде, в каком она поступает на предприятие.

Если топливо нагреть до 102−105 єС, то влага испарится, и получится сухая масса топлива. Название горючей массы является условным, так как входящие в его состав азот и кислород не являются горючими элементами и составляют внутренний балласт топлива. Азот и кислород способствуют процессу горения топлива.

Горючими элементами топлива являются углерод, водород и сера. Углерод — основной, горючий элемент топлива. Он имеет высокую теплоту сгорания (33 600 кДж/кг) и составляет большую часть рабочей массы топлива (50−75% для твердых топлив и 80−85% для мазутов). Водород имеет высокую теплоту сгорания (примерно 130 000 кДж/кг), однако его количество в твердых топливах невелико (Н = 2−6%) и несколько больше в жидких (около 10%). Это делает теплоту сгорания жидких топлив выше, чем твердых.

Сера имеет невысокую теплоту сгорания (9000 кДж/кг). Содержание ее в топливах невелико (S = 0,2−4%), поэтому сера, как горючая составляющая, не ценится.

Наличие окислов серы в продуктах сгорания при определенных концентрациях опасно для организмов и растений и требует определенных мер и средств для ее улавливания или рассеивания в атмосфере.

Основными техническими характеристиками топлива являются: теплота сгорания; выход газообразных веществ при нагреве, зольность топлива, свойства зольного остатка, влажность и сернистость топлива.

Теплота сгорания Q является основной характеристикой топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Высшей теплотой сгорания называют количество тепла, которое выделяется при сгорании 1 кг твердого (жидкого) или 1 куб. м газообразного топлива. Низшая теплота сгорания отличается от высшей на теплоту испарения влаги и влаги, образующейся при горении водорода. Чем больше влажность топлив, тем меньше будет величина низшей теплоты сгорания.

Высшая величина сгорания твердого и жидкого топлива определяется экспериментально. Низшая теплота сгорания положена в основу классификации топлив.

Выход летучих веществ. Если сухую массу топлива поместить в тигель и постепенно нагревать в инертной среде без доступа воздуха, то будет происходить уменьшение ее массы. При высоких температурах начинается разложение кислородосодержащих молекул топлива с образованием газообразных продуктов, получивших название летучих веществ. Выход летучих веществ из твердых топлив происходит в интервале температур от 110 до 1100єС.

Выход летучих веществ определяет температуру воспламенения топлива и условия его хранения, сильно влияет на конструкцию топок, где сжигается это топливо.

Чем больше выход летучих веществ, тем легче воспламеняется топливо (газообразные, летучие вещества имеют низкую температуру воспламенения).

Зольность топлива. В процессе горения топлива его минеральная часть подвергается химическим преобразованиям. Масса несгораемого остатка — золы оказывается на 10−15% меньше, чем масса исходной минеральной части топлива и существенно отличается от нее по составу. Свойства золы играют большую роль при сжигании топлива.

Образовавшаяся после сгорания топлива зола — это смесь минералов, а их сплавы, возникающие в зоне высоких температур, называют шлаками. Суммарное количество золы и шлаков принято называть зольностью топлива. Температуры плавления отдельных минералов и их сплавов сильно различаются и находятся в пределах от 600 до 3000 єС. Поэтому плавление представляет собой процесс постоянного размягчения от твердого до жидкого состояния по мере роста температуры.

Влажность топлива. Влажность топлива (W) в процентах от его рабочей массы определяется опытным путем сушки при температуре 105 єС до достижения постоянства массы.

Большая влажность топлива вызывает трудности при сжигании. Снижается теплота сгорания, растет расход топлива, увеличиваются потери тепла с уходящими газами. Влажность топлива вызывает усиление коррозии металла отдельных конструкций топок, приводит к повышенному загрязнению поверхностей нагрева.

Сернистость топлива. При сжигании сера создает серьезные экологические проблемы. Окислы серы и азота, образующиеся в зоне высоких температур, представляют большую опасность для жизнедеятельности. Для улавливания этих окислов строят сложные очистные сооружения, что приводит к удорожанию примерно вдвое энергетических установок.

Рассмотрим характеристики отдельных видов топлив, которые зависят от химического возраста этих топлив.

Торф. Самый молодой вид топлива. Энергетические установки сжигают преимущественно фрезерный торф, получаемый путем срезания с поверхности тонкого слоя фрезами. Фрезерный торф имеет высокую влажность рабочей массы (W до 50% и более) и в связи с этим низкую теплоту сгорания Q = 8500 кДж/кг. Как молодое топливо торф обладает большим выходом летучих веществ (V = 70%), что позволяет успешно его сжигать в пылевидном состоянии. Из-за большой влажности и низкой теплотворности его не перевозят на дальние расстояния. Торф используют как местное сырье.

Бурые угли по содержанию влаги в рабочей массе делятся на сильно влажные, повышенно влажные, влажные. Кроме большой влажности, бурые угли имеют высокую зольность и невысокую теплоту сгорания (Q = 6700 -17 000 кДж/кг), поэтому дальние перевозки также нецелесообразны. Большой выход летучих веществ обеспечивает высокоэкономичное сжигание этих углей в виде подсушенной пыли.

Каменные угли объединяют большое количество углей различного химического возраста. Молодые каменные угли по выходу летучих веществ, близки к бурым углям, но имеют меньшую влажность и зольность. Это увеличивает их теплоту сгорания (Q = 19 000−27 000 кДж/кг). Средняя по возрасту группа углей отличается повышенной зольностью. Их теплота сгорания ниже, чем у молодых углей. Более старые угли имеют малую влажность, невысокую зольность и, соответственно, высокую теплотворную способность (Q = 25 000−27 000 кДж/кг), однако низкий выход летучих веществ затрудняет их воспламенение в топках.

Полуантрациты и антрациты — это наиболее старые угли с низким выходом летучих веществ, низкой влажностью и зольностью. Также являются хорошим сырьем для металлургической промышленности.

Мазут. К техническим характеристикам жидкого топлива относятся вязкость и температура вспышки. Вязкость мазута положена в основу его маркировки. Она измеряется при определенных стандартных температурах как отношение времени вытекания через стандартное отверстие мазута и такого же количества воды и определяется в градусах условной вязкости.

С повышением температуры вязкость мазута уменьшается.

Температура вспышки мазута составляет 135−240 єС в зависимости от его вязкости. Теплота сгорания Q = 40 000 кДж/кг.

Газы. В качестве топлива используют преимущественно природный (естественный) горючий газ, а также различные виды искусственных (производственных) горючих газов. Газовое топливо, как правило, представляет собой смесь нескольких индивидуальных газов.

Естественные горючие газы подразделяется на собственно газы природные и газы нефтяные попутные.

Месторождения, содержащие только природное газовое топливо, в зависимости от состава последнего делятся на чисто газовые и газоконденсатные.

Природные газы преимущественно содержат метан и его гомологи (этан, пропан, бутан и другие). В них также присутствуют углекислый газ, азот, сероводород и другие. Природные газы — это высокоэкономичное энергетическое топливо, имеющее высокую теплоту сгорания (Q = 35 000 кДж/кг и выше).

Газ чисто газовых месторождений состоит почти из одного метана. Этан и пропан содержатся в общем объеме в незначительных количествах, другие углеводороды и прочие газы практически отсутствуют. При таком составе (содержание гомологов менее 50 г/куб. м) газ называют бедным или тощим.

Газ газоконденсатных месторождений помимо метана содержит значительное количество высших углеводородов, главным образом пропан и бутан. Газ с высоким содержанием гомологов называют богатым или жирным.

Газы нефтяные попутные содержат в значительных количествах гомологи, в том числе высокомолекулярные предельные углеводороды, кроме того, в них присутствуют пары воды, углекислый газ, азот, сероводород, редкие газы — гелий, аргон. Попутный газ (нефтепромысловый) получают при разработке нефтяных месторождений. Количество газов (в куб. м), приходящихся на 1 тонну добытой нефти (т.н. газовый фактор), зависит от условий формирования и залегания нефтяных месторождений и может изменяться от 1−2 до нескольких тысяч куб. м/т нефти.

Искусственные газы содержат больше негорючих компонентов (балласта). Газы коксовых печей содержат до 57% водорода, 22% метана, около 7% окиси углерода, остальное — балластные газы. Теплота сгорания коксового газа около 17 000 кДж/кг. Доменный газ содержат около 30% горючих компонентов, остальное — балласт. Поэтому теплота сгорания доменного газа низкая и немного превышает 4000 кДж/кг условного топлива.