42. Топливо, состав и технические характеристики топлива Понятие условного топлива, высшей и низшей теплоты сгорания

Природное и искусственное топливо

Энергетическое топливо — это горючие вещества, ко­торые экономически целесообразно использовать для получения тепловой и электрической энергии.

Все топлива могут быть разделены на природные и искусствен­ные. К природным относятся органические¹ топлива, непо­средственно добываемые из недр земли. Это — уголь, торф, слан­цы, нефть, природный газ. Искусственные топлива полу­чаются в результате переработки природных топлив на газовых, нефтеперерабатывающих, металлургических предприятиях. Искус­ственными топливами являются кокс, полукокс, доменный, кок­совый, генераторный газы, газ пиролиза нефти, мазут.

Природные органические топлива являются невозобновляемы-ми энергетическими ресурсами, невосполняющимися и невозобнов-ляющимися.в настоящую геологическую эпоху. Отличительной осо­бенностью невозобновляющихся источников энергии (угля, нефти, газа) являются их высокий энергетический потенциал и относи­тельная доступность и, как следствие, целесообразность извлечения.

Наибольшие энергетические ресурсы органического топлива со­средоточены в угле. Общие прогнозируемые геологические запасы каменного и бурого угля составляют 6000... 15ООО млрд т услов­ного топлива (т у т.). Геологических ресурсов нефти в мире в 20— 30 раз меньше, чем угля, они составляют 286...515 млрд ту.т. Ре­сурс природного газа на Земле оценивается в 177...314 млрд т у.т.

Несмотря на кажущиеся довольно значительные запасы орга­нического топлива, расход их в настоящее время настолько велик, что даже при современном уровне использования любого из топ­лив просматривается перспектива их истощения в обозримом бу­дущем. В этой связи особую актуальность приобретают инноваци­онные энергетические технологии, обеспечивающие экологиче­ски чистое производство и экономию энергетических ресурсов, их сбалансированное потребление.

Ископаемые твердые топлива произошли из растительных и жи­вотных организмов. В зависимости от исходного материала и усло­вий химического превращения они подразделяются на гумусовые, сапропелитовые и смешанные.

Гумусовые топлива образовались в основном из отмерших многоклеточных растений. Органическое вещество этих растений подвергалось разложению в условиях ограниченного доступа воз­духа, в результате чего оно превращалось в перегной — гумус.

Сапропелитовые топлива образовались из остатков низ­ших растений (водорослей) и животных микроорганизмов, в со­ставе которых содержится помимо клетчатки значительное коли­чество белков, жиров и воска. При разложении под водой без дос­тупа воздуха эти остатки превращались в гнилостный ил — сапро­пель, из которого в дальнейшем происходило образование иско­паемого твердого топлива.

В условиях полного прекращения доступа воздуха и при участии бактерий гумус претерпевал дальнейшее видоизменение и пре­вращался в ископаемое топливо. В образований смешанных иско­паемых твердых топлив заметную роль играли как высокооргани­зованные растения, так и микроорганизмы.

В зависимости от «химического возраста» (периода времени, в течение которого протекали химические превращения в массе топ­лива) различают три стадии образования ископаемого твердого топлива:

• торфяная, т.е. связанная с образованием торфа;

• буроугольная — период превращения торфа в бурые угли;

• каменноугольная — наиболее длительный период химических превращений с образованием каменных углей и антрацитов.

Торф является самым молодым по химическому возрасту иско­паемым твердым топливом. Он относится к топливу гумусового образования и представляет собой продукт неполного разложения под водой растительных остатков.

Местами торфообразования являются, главным образом, зара­стающие болота.

По способу добычи различают кусковой и фрезерный торф. Кус­ковой торф получают в виде стандартных кирпичей при маши-ноформовочном и гидравлическом способах добычи. Фрезерный торф представляет собой торфяную крошку с размерами частив от 0,5 до 25 мм и более, получаемую при добыче торфа фрезерным способом. Вследствие низкой теплоты сгорания и малой механи­ческой прочности торф относится к местным видам топлива, под­лежащим использованию вблизи мест его добычи.

Бурые угли по степени обуглероживания занимают промежу- точное положение между торфом и каменными углями. Свеже добытые бурые угли содержат от 20 до 55 % влаги, содержание золы в них колеблется в широких пределах — от 7 до 45 %. Бурые угли характеризуются термической неустойчивостью, небольшой твер- достью и малой механической прочностью. Они обладают способ- ностью выветриваться на воздухе, превращаясь в угольную мелочь, и весьма склонны к окислению и самовозгоранию при хранении. Вследствие значительного балласта и низкой теплоты сгорания бурых углей дальняя перевозка их не выгодна, поэтому они ис- пользуются как местное топливо.

Каменные угли представляют собой продукт более полного пре­вращения исходного органического материала. В отличие от бурых углей они содержат больше углерода и меньше водорода и кисло­рода. Каменные угли обладают меньшей гигроскопичностью, бо­лее высокими плотностью и механической прочностью, большей химической устойчивостью. Каменные угли добываются шахтным и открытым способами. Транспортируются они в основном желез­нодорожным транспортом.

С целью улучшения промышленного использования твердое топ­ливо подвергают физико-механическим (обогащение, сортиров­ка, сушка, пылеприготовление и брикетирование) и физико-хи­мическим (полукоксование и коксование) способам переработки.

Ископаемый уголь подвергается обогащению — удалению пустой породы, разделению минералов с целью увеличения со­держания углерода. В результате содержание балластных и вредных примесей (серы, влаги и зольности) в угле снижается и повыша­ется его теплота сгорания.

Целью сортировки углей является разделение извлеченно­го из недр земли угля на отдельные сорта по крупности кусков. Отсортированная мелочь и отсев обогащения, не используемые для технологических целей, применяют в качестве энергетическо­го топлива. Его подвергают дальнейшему измельчению до пыле­видного состояния либо брикетированию.

Пылеприготовление представляет собой процесс превра­щения кускового топлива в пылевидное состояние, так как сжи­гание топлива в пылевидном состоянии позволяет экономично ис­пользовать низкосортные топлива (бурые угли, антрацитовый штыб АШ, торф, горючие сланцы, отходы углеобогащения).

Брикетирование состоит в том, что топливную мелочь (штыб бурых и каменных углей, фрезерный торф, опилки и др.) прессованием превращают в куски правильной формы — брикеты. При такой подготовке топлива брикеты сжигаются в топках на колосниковых решетках с меньшими потерями.

Нефть представляет собой горючую маслянистую жидкость, добываемую из недр земли. По современным представлениям нефть имеет органическое происхождение, считается, что исходным (ма­теринским) веществом для образования нефти были ископаемые остатки растительного и животного происхождения в местах древ­них мелководных морей. Накапливаясь на морском дне и переме­шиваясь с минеральными веществами, эти остатки образовали мощные толщи илистых отложений, в которых под действием кис­лорода, бактерий и микроорганизмов происходило разложение органического вещества с образованием химически устойчивых жидких и газообразных продуктов. Последние постепенно накап­ливались в слоях осадочных пород и под действием повышенной температуры этих слоев, давления и природных катализаторов пре­терпевали дальнейшие химические превращения с образованием нефти.

Нефть залегает в недрах земли в осадочных пористых породах (песчаники, известняки и т.д.), образуя нефтяные пласты, распо- ложенные на глубине 5000 м и более. В этих пластах нефть нахо- дится совместно с водой и газом, занимая по плотности сред- нюю зону выше воды. Скопления газа находятся в верхней части пластов.

Нефть добывается путем бурения скважин — вертикальных вы­работок диаметром 0,15...0,25 м, по которым она поступает на поверхность земли. Из пласта нефть извлекается одним из трех спо­собов: фонтанным, компрессорным (газлифтным) и глубинно-на­сосным.

Фонтанный способ используется в начальный период экс­плуатации скважин. При этом нефть из пласта через скважину вы­талкивается под давлением нефтяных газов, достигающим 20 МПа. Со временем, после прекращения естественного фонтанирования, нефть извлекают компрессорным или насосным способом.

При компрессорном способе в скважину опускают две ко­лонны труб. По кольцевому каналу между ними компрессором за­качивается под большим давлением воздух или нефтяной газ. Сме­шиваясь с нефтью воздух (или газ) понижает ее плотность, в ре­зультате нефть под избыточным давлением пласта поднимается по внутренней трубе на поверхность.

Глубинно-насосный способ заключается в том, что из-j влечение нефти из пласта производится посредством насоса, опус­каемого в скважину на уровень нефтяной залежи.

Добытую нефть после ее обезвоживания и обессоливания под- вергают переработке с целью получения технически ценных про­дуктов — жидких топлив, смазочных и специальных масел, ра­створителей, моющих средств, красителей, пластмасс и др.

Различают физические и химические способы переработки нефти.

К физическим относятся прямая, или фракционная, перегонка нефти, к химическим — различные виды крекингового процесса.

Прямая, или фракционная, перегонка представляет собой процесс извлечения из нефти ее составляющих (фракций). Пере­гонка нефти — это нагрев ее при атмосферном давлении до кипе­ния, частичное испарение, отбор и конденсация образовавшихся паров. В результате перегонки нефти получают светлые нефтепро­дукты (дистилляты) и остаточный продукт — мазут. Из дистилля­тов после соответствующей очистки получают товарные продукты: бензин, лигроин, керосин, газойль и соляр. Мазут, получаемый при перегонке нефти, в зависимости от его качества находит разно­образное использование. Высокосернистые мазуты служат котель­ным топливом. Транспортирование нефти осуществляется либо по нефтепроводам, либо в цистернах железнодорожным транспортом.

Природные газы скапливаются в горных породах земной коры, образуя газоносные пласты. Такими породами являются по­ристые структуры (песчаники, известняки и др.). Газоносные пла­сты сверху и снизу ограничены газонепроницаемыми породами.

Для добычи газа проводят бурение скважин до газоносного пласта. При этом применяются те же способы бурения скважин, как и при добыче нефти.

Теплотехнические характеристики топлива

Состав топлива. Важнейшей характеристикой топлива, опреде­ляющей ряд показателей, используемых для анализа процессов, происходящих в разных топливоиспользующих установках, явля­ется состав топлива. Качество твердого или жидкого топлива как источника тепловой энергии в значительной мере определяется его элементарным составом. Основным горючим компонентом этих топлив является углерод. При полном сгорании 1 кг углерода выде­ляется 34,4 МДж теплоты. Содержание его в горючей массе разных видов топлива изменяется в широких пределах (от 50 в древесине до 95 % в антраците), следовательно углерод обеспечивает пре­имущественную долю тепловыделения топлива.

Вторым по значению горючим компонентом является водород, при сгорании 1 кг которого выделяется 119 МДж теплоты. Содер­жание водорода в горючей массе твердых и жидких топлив изме­няется от 2 (антрацит) до 10,5% (мазут).

Входящая в состав твердых и жидких топлив горючая сера (ор­ганическая и. колчеданная) окисляется при горении топлива с образованием сернистого газа S0₂. При этом выделяется теплоты 9,3 МДж/кг S, что существенно меньше, чем при сгорании водо­рода и углерода. Содержание серы в горючей массе твердых и жид­ких топлив изменяется от 0,5 до 7, в горючих сланцах до 15%. Образующийся при сжигании серы сернистый газ является ток­сичным (опасным для жизнедеятельности в окружающей среде), а также коррозионно-активным, приводящим к интенсивной кор­розии металлических элементов топливоиспользующих установок.

Кислород и азот являются внутренним балластом топлива, так рак их наличие снижает в топливе содержание основных горючих Элементов — углерода и водорода. Содержание кислорода в топли­ве уменьшается по мере увеличения геологического возраста топ­лива.

Зола и влага являются внешним балластом твердого и жидкого топлива. Повышение содержания золы и влаги в рабочей массе Топлива приводит к соответствующему уменьшению его горючей части, а значит к снижению тепловыделения при сгорании топлива.

Зола топлива. Минеральный несгораемый остаток, образую­щийся из примесей топлива при его сгорании, представляет со­бой золу. Содержание минеральных примесей в твердых топливах изменяется в широких пределах, составляя в древесном топливе 1...2%, в угле 10...40%, в горючих сланцах до 70% и в жидком топливе до 1 %.

В процессе горения минеральные примеси могут из твердого состояния переходить в жидкое, образуя раствор, называемый шла­ком. Важной характеристикой золы является ее плавкость. В ла­бораторных условиях плавкость золы определяют путем нагрева­ния в электрической печи в полувосстановительной газовой среде (60 % СО и 40 % С0₂) пирамидки стандартных размеров, сформи­рованной из мелкораздробленной пробы испытуемой золы. Темпе­ратура, при которой пирамидка начнет самопроизвольно сгибать­ся или вершина ее скругляется, носит название температуры начала деформации золы. Температура, при которой вер­шина пирамидки склоняется до ее основания, называется тем­пературой размягчения золы t₂. Температура нача­ла жидкоплавного состояния соответствует темпера­туре, при которой золовая пирамидка растекается по подставке.

По характеристике плавкости золы твердые топлива разде­ляются на три группы: с легкоплавкой золой (t₃ < 1350 °С), с зо­лой средней плавкости (t₃ = 1350... 1450°С) с тугоплавкой золой (t₃ > 1450 °С). Повышенное содержание золы в топливе снижает технико-экономические показатели котельных установок за счет увеличения затрат на шлако- и золоудаление, очистку поверхно­стей нагрева от загрязнения, газоочистку, а также за счет увеличе­ния потерь теплоты со шлаком и золой.

Влага топлива. В твердом топливе принято различать внешнюю и внутреннюю влагу.

Источниками внешней влаги являются поверхностные и грунтовые воды, влага атмосферного воздуха, которые при транс­портировке и хранении топлива увлажняют его поверхность, про­никают в капилляры и поры, особо развитые у торфа и бурых углей. Внешняя влага может быть удалена подсушкой топлива (обыч­но при температуре около 105 °С).

К внутренней влаге относят коллоидную и гидратную (кри-сталлогидратную) влагу. Коллоидная влага равномерно распреде­лена по всей массе топлива, а ее количество зависит от химиче­ской природы и состава топлива.

При хранении на воздухе переувлажненное топливо теряет, а подсушенное приобретает влагу. Топливо с установившейся в ес­тественных условиях влажностью называют воздушно-сухим.

Повышение влажности приводит к уменьшению теплоты сго­рания топлива, увеличению объема продуктов сгорания и, как след­ствие этого, к снижению температуры горения. В результате умень­шается производительность котельного агрегата и увеличивается расход топлива. Повышенная влажность ухудшает сыпучесть топ­лива, а в зимнее время приводит к его смерзаемости, что резко затрудняет условия транспортирования и использования топлива.

Теплота сгорания топлива. Для характеристики качества топли­ва используется такой показатель, как теплота сгорания топлива — это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива (размерность МДж/кг) или 1 м³ газового топлива (МДж/м³).

В твердых и жидких топливах горючие элементы являются со­ставной частью сложных и различных по своему химическому стро­ению соединений, учесть все разнообразие которых не представ­ляется возможным. Точно рассчитать теплоту сгорания топлив не­возможно, поэтому данный показатель для конкретных твердых и жидких топлив определяют экспериментально. С этой целью сжи­гают навеску топлива в атмосфере кислорода при повышенном давлении в специальном сосуде (калориметрической бомбе) и определяют с помощью водяного калориметра количество выде­лившейся при этом теплоты.

В реальных условиях продукты сгорания топлив в подавляю- щем большинстве случаев покидают котельные установки при тем- пературе более высокой, чем температура, при которой происхо- дит конденсация содержащихся в них водяных паров, т.е. выше температуры точки росы. При этом теплота конденсации во- дяных паров полезно не используется и в тепловых расчетах не учитывается.

Летучие вещества и кокс твердого топлива. Все твердые топлива при нагревании без доступа воздуха претерпевают термический рас­пад с выделением горючих (СО, Н₂ и т.д.) и негорючих (N₂, 0₂, С0₂, Н₂0) газов. Выделяющиеся газы по совокупности опреде­ляют выходом летучих. Твердый остаток, образующийся после выделения летучих веществ, называется коксом. В состав кокса входит углерод и прокаленные минеральные примеси (зола). Вы­ход летучих обычно относят на горючую массу топлива и обозна­чают К^г. Выход летучих и свойства коксового остатка являются важ­ными теплотехническими характеристиками топлива, определяю­щими условия организации его сжигания.

Летучие вещества играют существенную роль при воспламене­нии топлива и на начальных стадиях горения, т.е. в значительной мере определяют реакционную способность твердых топлив (их способность к воспламенению и горению).

По мере увеличения геологического возраста природных твер­дых топлив выход летучих снижается, но относительное содержа­ние горючих компонентов в их составе повышается. Одновременно повышается температура начала выхода летучих.