Понятие топливо и его классификация. Органическое топливо

Все существующие виды топлива разделяются на твердые, жидкие и газообразные. Для нагрева используется также тепловое действие электрического тока и пылевидное топливо. Некоторые группы топлива, в свою очередь, делятся на две подгруппы, из которых одна представляет собой топливо в том виде, в каком оно добывается, и это топливо называется естественным; другая подгруппа -- топливо, которое получается путем переработки естественного топлива; это топливо называется искусственным.

Твердое топливо: а) естественное -- дрова, каменный уголь, антрацит, торф; б) искусственное -- древесный уголь, кокс и пылевидное, которое получается из измельченных углей.

Жидкое топливо: а) естественное -- нефть; б) искусственное -- бензин, керосин, мазут, смола.

Газообразное топливо: а) естественное -- природный газ; б) искусственное -- генераторный газ, получаемый при газификации различных видов твердого топлива (торфа, дров, каменного угля и др.), коксовальный, доменный, светильный и другие газы.

Все виды топлива состоят из одних и тех же элементов. Разница между видами топлива заключается в том, что эти элементы содержатся в топливе в различных количествах. Элементы, из которых состоит топливо, делятся на две группы. К первой группе относятся те элементы, которые горят сами или поддерживают горение. К таким элементам относятся углерод, водород и кислород. Ко второй группе элементов принадлежат те, которые сами не горят и не способствуют горению; к ним относятся азот и вода. Особо от названных элементов стоит сера. Она является горючим веществом и при горении выделяет тепло, но ее присутствие в топливе нежелательно, так как при горении серы выделяется сернистый газ, который переходит в нагреваемый металл и ухудшает его механические свойства.

Выше было сказано, что количество тепла, выделяемое топливом при сгорании, измеряется калориями. Каждое топливо при горении выделяет неодинаковое количество тепла. Количество тепла (калорий), которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или при сгорании 1 м3 газообразного, называется теплотворной способностью. Теплотворная способность различных видов топлива имеет широкие пределы. Например, для мазута теплотворная способность составляет около 10000 ккал/кг, для качественного каменного угля -- 7000 ккал/кг и т. д. Чем выше теплотворная способность топлива, тем оно ценнее, так как для получения одного и того же количества тепла его потребуется меньше. Для сравнения тепловой ценности топлива применяется общая единица измерения. В качестве такой единицы принято топливо, имеющее теплотворную способность 7000 ккал/кг. Эта единица называется условным топливом.

Наибольшее распространение для сжигания в кузнечных печах находят следующие виды естественного топлива: бурый уголь, каменный уголь и газообразное топливо. Дрова и торф, обладая низкой теплотворной способностью, почти не пригодны для нагрева металла.

Бурые угли. Бурые угли представляют собой наиболее молодые сорта каменных углей. Золы в бурых углях содержится от 9 до 45%. Теплотворная способность от 2500 до 5000 ккал/кг. Только что добытый бурый уголь отличается большим содержанием влаги (до 60%). На воздухе бурый уголь теряет влагу, и содержание ее понижается до 30%. Под влиянием атмосферных условий эти угли быстро выветриваются и превращаются в мелочь. При длительном хранении бурые угли самозагораются. В чистом виде бурые угли лишь некоторых месторождений (карагандинское и др.) используются для кузнечных печей с полугазовыми топками, так как они не могут нагревать металл до необходимой температуры.

Каменный уголь. Каменный уголь--один из основных видов топлива для кузнечных печей. Образуется каменный уголь отложением растений в течение длительного времени. Образующиеся отложения со временем покрываются толстым слоем земли. Под большим давлением, при полном отсутствии воздуха, происходит разложение древесины и образование каменного угля.

Процесс образования угля идет очень медленно и длится тысячелетия. В зависимости от длительности образования получаются разные сорта каменного угля с различной теплотворной способностью. Для кузнечных печей наиболее приемлемым является уголь с большим содержанием летучих, т. е. длиннопламенный и газовый. При длинном пламени создается возможность получения более равномерного нагрева металла в печи.

Газообразное топливо. Единственным естественным (природным) газом является «горючий газ», который выделяется из земли через естественные выходы или буровые скважины. Теплотворная способность нефтяного (природного) газа около 8000-- 8500 ккал/м3 и может доходить до 15000 ккал/м3.

В настоящее время естественный газ находит широкое применение в промышленности и в быту, особенно в районах его образования.

Среди искусственных видов топлива особое значение для кузнечного производства имеют кокс, древесный уголь, жидкое, газообразное и пылевидное топливо. топливо сгорание уголь

Кокс. Кокс получается из каменного угля обработкой в специальных коксовых печах без доступа воздуха. При этом выделяются летучие, образуя богатый по калорийности газ, называемый коксовым, который, в свою очередь, является хорошим топливом.

Кокс содержит 87% углерода, 4% летучих веществ, 8% золы и 1--2% серы. Теплотворная способность кокса 5600--7000 ккал/кг. В кузнечном производстве кокс употребляется главным образом в горнах.

Древесный уголь. Древесный уголь выжигается из дров в специальных углевыжигательных печах и является лучшим топливом для кузнечных горнов. В древесном угле содержится очень мало золы и практически совсем не содержится серы. Однако ввиду дороговизны он употребляется редко. Древесный уголь содержит 84 % углерода, 14 % летучих и 2% золы. Теплотворная способность его 7000--8000 ккал/кг.

Жидкое топливо. Единственным жидким топливом естественного происхождения, имеющим промышленное значение, является нефть. Сырую нефть как топливо в печах не применяют, а применяют продукт ее переработки -- мазут, т. е. остатки, получаемые после отгонки из нефти керосина и бензина. Мазут по составу не постоянен, чаще всего содержит углерода 84--86%, водорода 12,4%, кислорода + азота + серы 1,3%, золы 0,3 %, воды 1--2%. Теплотворная способность мазута 9500--10000 ккал/кг.

Газообразное топливо. Искусственное газообразное топливо получается путем газификации топлива в газогенераторах или как побочный продукт при других процессах, например, при коксовании -- коксовальный газ, в доменном процессе--доменный газ. На металлургических заводах в специальных коксовальных печах вырабатывается кокс, который служит топливом для доменных печей. При этом как побочный продукт получается газ, который называется коксовальным. Теплотворная способность этого газа изменяется в пределах от 4000 до 5000 ккал/м3.

Для лучшего и более удобного использования твердого топлива его превращают в газ в специальных устройствах, которые называются газогенераторами. Например, из торфа получают торфяной генераторный газ, из каменного угля -- каменноугольный генераторный газ и т. д.

Теплотворная способность генераторного газа зависит от вида топлива, из которого получен газ, и от способа газификации. Например, торфяной генераторный газ имеет теплотворную способность от 1500 до 1600 ккал/м3, каменноугольный генераторный газ -- от 1200 до 1400 ккал/м3.

Пылеугольное топливо. Уголь для сжигания в нагревательных печах в виде пыли предварительно размалывается в специальных мельницах до частиц 0,07--0,05 мм. Сжиганием угольной пыли в печах достигается высокая температура нагрева металла.

Торф является химически и геологически наиболее молодым ископаемым твердым топливом и обладает высоким выходом летучих (VГ=70%), высокой влажностью (WP=40--50%), умеренной зольностью (AР=5--10%), низкой теплотой сгорания МДж/кг (2000--2500 ккал/кг).

Сланцы. В Эстонии большое значение имеют горючие сланцы, добываемые открытым способом. Зольность сланцев очень большая и доходит до AР=50-60%, влажность также повышенная WP=l5--20%. Вследствие большого балласта их теплота сгорания низкая МДж/кг (1400--2400 ккал/кг) при высокой теплоте сгорания горючей массы МДж/кг (6500--8000 ккал/кг). Высокое содержание водорода в горючей массе HГ=7,5--9,5% обусловливает большой выход летучих у сланцев, достигающий 80--90%, и их легкую воспламеняемость.

Топливо с высокой зольностью и влажностью вследствие большого содержания внешнего балласта целесообразно использовать вблизи места его добычи для уменьшения непроизводительных транспортных расходов на перевозку большой массы золы и влаги. В этом смысле такие топлива принято называть местными. К ним, в частности, относятся некоторые бурые угли, как, например, подмосковные, башкирские, украинские, торф и сланцы.

Мазут.Мазут - остаток от перегонки нефти.Из жидких топлив в энергетике используется мазут трех марок -- 40, 100 и 200. Марка определяется предельной вязкостью, составляющей при 80°С для мазута 40 -- 8,0; для мазута 100 -- 15,6; для мазута 200 -- 6,5--9,5 град. усл. вязкости (°УВ) при 100°С.

В мазуте содержится углерода 84--86% и водорода -- 11--12%, содержание влаги не превышает 3--4%, а золы -- 0,5%. Мазут имеет высокую теплоту сгорания МДж/кг (9400--9600 ккал/кг).

По содержанию серы различают малосернистый мазут SР0,5%, сернистый -- SР до 2% и высокосернистый SР до 3,5%; по вязкости -- маловязкий и высоковязкий, содержащий смолистые вещества и парафин. Наиболее вязкие сорта мазута имеют температуру застывания 25--35 0С. В связи с этим при сжигании применяется предварительный нагрев вязких мазутов до температуры 80--120°.

Мазут является ценным сырьем для получения смазочных масел и гудрона. Поэтому применение его в качестве топлива в настоящее время ограничено.

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.

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

Обычное химическое топливо , в отличие от ядерного, называют органическим, и оно является в настоящее время основным источником теплоты .

Для анализа тепловых характеристик 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:

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

2) сухая масса топлива C +H +O +N +A =100%;

3) 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 102-105ºС, то испарится влага, тогда 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 (33600 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 130000 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.

Основные определения, классификация и происхождение органического топлива. Элементный и технический состав топлива. Теплота сгорания топлива и способы ее определения. Твердое топливо. Жидкое топливо. Газообразное топливо. Условное топли­во .

Топливом называют вещества, способные вступать с кислородом воздуха в быстрый окислительный процесс – горение, выделяя при этом значительное количество теплоты. Топливо представляет собой сложное органическое соединение, входящих в его состав горючих элементов, забалластированных негорючими составляющими, оказывающими значительное влияние на его качество.

Основными его видами являются органические топлива: торф, горючие сланцы, угли, природный газ, продукты переработки нефти.

По способу получения различают природные и искусственные топлива. К

природным относятся натуральные топлива: уголь, сланцы, торф, нефть, природные газы. Из твердых топлив к искусственным относятся кокс, брикеты угля, древесный уголь. Из жидких - мазут, бензин, керосин, соляровое масло, дизельное топливо. Из газовых - газы доменный, генераторный, коксовый. Торф, бурые угли, каменные угли и антрациты образовались в процессе последовательной углефикации отмершей растительной массы.

Дальнейшая классификация каждой группы может быть проведена по их агрегатному состоянию на твердые, жидкие и газообразные топлива.

Состав и качество топлива устанавливается с помощью химического и технического анализа. Для этого берется так называемая средняя проба данной партии топлива, которая должна наиболее правильно отображать свойства и состав всей партии или пласта, из которого добывается топливо. Отбор средней партии проводится в соответствии со специально разработанными инструкциями.

Топливо, добытое из недр, с поверхности земли и доставленное потребителю называют рабочим топливом. В состав рабочего топлива входят: углерод (С), водород (Н), сера летучая(S л), которые при сгорании выделяют определенное количество тепла, кислород (О) и азот(N), представляющие собой внутренний балласт топлива, и, наконец, зола(А) и влага (W), составляющие внешний балласт топлива. Все перечисленные выше элементы, входящие в состав топлива, даются в процентах по весу. Топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю, называется рабочим, а вещество, составляющее его, - рабочей массой. Элементарный химический состав его выражается следующим образом:

C p + H p + O p + N p + S p + A p + W p =100%

Минеральные примеси и влажность одного и того же сорта топлива в разных районах его месторождения и различных местах могут быть разными, а также могут изменяться при транспортировке и хранении. Более постоянным является состав горючей массы топлива. Имея в виду это обстоятельство, для сравнительной теплотехнической оценки различных сортов топлива ввели условные понятия сухой, горючей и органической массы, составляющие которых, выраженные в процентах, обозначаются теми же символами, что и рабочая масса, но соответственно с индексами «с», «г» и «о» вместо индекса рабочей массы, «р».

Влага . Содержание влаги в твердых топливах колеблется в значительных пределах – от 5% до 60%.Влажность жидких и газообразных топлив невелика. Влагу топлива делят на внешнюю (механическую) W вн, % , и внутреннюю (гигроскопическую) W гр, %.Сумма их составляет рабочую влажность

W р = W вн + W гр, [%]

Внешняя влага удаляется из топлива при его естественной сушке в условиях комнатной температуры. Уменьшение веса топлива прекратится при этом тогда, когда наступит равновесие между давлением водяных паров, находящихся в топливе и парциальным давлением водяных паров, находящихся в окружающем воздухе.

Внутренняя влага удерживается в порах топлива вследствие наличия капиллярных сил и удаляется из него только путем нагревания топлива. В сушильном шкафу до 105 0 С. Содержание внутренней влаги в твердом топливе доходит до 10%. Однако найденная таким образом суммарная влажность оказывается меньше действительно находящейся в топливе влажности, потому что в ряде твердых топлив содержится кристаллизационная или гидратная влага, связанная с некоторыми минеральными составляющими топлива: глиной, силикатами, органическими веществами. Эта влага может быть удалена из топлива лишь при температуре 800 0 С.

Наличие влаги в топливе отрицательно сказывается на его качестве, и, следовательно, на работе котельной установки, так как за счет влаги уменьшается в топливе количество горючих веществ, и, конечно, уменьшается количество теплоты, выделяющейся при его сгорании. Кроме этого, часть тепла идет на испарение влаги, и затем уходит вместе с парами из котельной установки, понижая ее к.п.д. Следует отметить также трудность воспламенения топлива, содержащего влагу, увелечение объема дымовых газов, что в свою очередь повышает расход электроэнергии дымососами. При низких температурах уходящих газов наличие в них водяных паров вызывает опасность конденсации последних и возникновения коррозии металлических поверхностей нагрева и дымовых труб.

Зола. Твердый негорючий остаток, получающийся после завершения преобразований в минеральной части топлива в процессе его горения, называют золой. Выход газифицирующейся части примесей уменьшает массу золы по отношению к исходным минеральным примесям топлива, а некоторые реакции, например, окисление железного колчедана, приводят к его увеличению. Обычно масса золы немного меньше массы минеральных примесей в топливе, лишь в горючих сланцах вследствие разложения содержащихся в них карбонатов золы

получается значительно меньше по сравнению с массой минеральных примесей.

Золы как таковой в исходном топливе нет Она возникает в результате сжигания топлива как сухой остаток. В твердых топливах содержание золы колеблется от 2% до 60%.В жидких и газообразных топливах содержание зольного остатка крайне мало.

Зола представляет собой смесь различных минеральных веществ, попавших в топливо. Зола подразделяется на три вида. Первичная зола попадает в исходный материал –древесину- в виде растворенных солей вместе с почвенной водой и равномерно распределяется в ней. Вторичная зола попадает в топливо также извне с подземными водами или в результате горообразующих процессов, происходивших в доистроические времена. Оба вида этой золы выделить из топлива не удается. Третичная зола представляет собой случайную примесь в виде породы, захваченной при добыче топлива и отделяемой от него в результате обогащения.

В топочной камере при высоких температурах часть золы расплавляется,

образуя раствор минералов, который называется шлаком. Из топки шлаки удаляются в жидком или гранулированном состоянии. Для оценки степени засоренности горючей массы топлива зольность относят к его сухой массе, выражая ее в процентах. Зольность определяется сжиганием предварительно высушенной пробы топлива определенной массы в платиновом тигле и прокаливанием до постоянной массы (твердых топлив при температуре 800±25°С, а жидких топлив - 500°С). Зольность топлива изменяется от долей процента в мазуте и древесине до 40-60% в сланцах.

Зола, образующаяся при сгорании топлива при высоких температурах и кратком времени пребывания в топочной камере, по своему химико-минералогическому составу отличается от золы, образующейся при анализе на зольность сжиганием топлива в лабораторных условиях.

Важными свойствами золы являются ее абразивность и характеристики плавкости. Зола с высокой абразивностью вызывает сильный износ конвективных поверхностей нагрева теплогенераторов.

Плавкость золы определяется нагреванием в специальной печи в полувосстановительной газовой среде трехгранной пирамидки стандартных размеров высотой 13 мм и длиной грани ее основания 6 мм, сделанной из измельченной пробы испытуемой золы (ГОСТ 2057-49).

Различают следующие характеристики плавкости золы:

t 1 - температура начала деформации, при которой пирамидка сгибается или вершина ее закругляется;

t 2 - температура начала размягчения, при которой вершина пирамидки

наклоняется до ее основания или пирамидка превращается в шар;

t 3 - температура начала жидкоплавкого состояния, при которой пирамидка

растекается на подставке;

t 0 - температура начала истинно жидкого состояния, при котором расплав

шлака подчиняется законам Ньютона о течении истинной жидкости.

По характеристикам плавкости золы энергетические угли подразделяются на три группы: с легкоплавкой золой t 3 <1350 °С, с золой средней плавкости

1350< t 3 <1450 °С и с тугоплавкой золой t 3 >1450 °С.

Присутствие золы в топливе существенно понижает его ценность и вызывает трудности в процессе его сжигания. Летучая зола, уносимая в газоходы котлоагрегата истирает и загрязняет поверхности нагрева, ухудшая коэффициент теплопередачи. Выпавшая в котлоагрегатах зола и шлак требуют специальных мероприятий по их удалению.

Углерод . Углерод представляет одну самых существенных составляющих каждого топлива и входит в его состав не свободном состоянии, а виде сложных органических соединений с водородом, кислородом, серой и азотом. При горении чистый углерод выделяет 8130ккал\кг (34,4 МДж/кг) и является главным источником теплотворной способности топлива. Содержание углерода в некоторых твердых топливах достигает 95 %.

Водород . Другой важной составляющей топлива является водород, содержание которого в горючей массе твердых и жидких топлив колеблется от 2 до 10%. Много водорода содержится в природном газе, мазуте и горючих сланцах, меньше всего в антраците. По теплотворной способности водород почти в 4 раза превосходит углерод и его теплота сгорания в водяной пар - составляет 10,8 МДж/м 3 (2579 ккал/м 3).э

Сера . Содержание серы в твердых топливах за исключением сланцев невелико. При сгорании сера выделяет незначительное количество тепла. Сера в топливе содержится в трех разновидностях. Органическая сера S 0 и колчеданная Sк составляют так называемую горючую летучую серу:

S л = S 0 + Sк [%]

Третьей разновидностью серы является сера сульфатная – S а, которая уже окислена и поэтому не может выделять тепла, вследствие чего входит в состав золы топлива в виде минеральных соединений с железом и кальцием. Общее содержание серы в топливе составляет

Sоб = Sл + Sа [%]

Органическая сера входит в состав сложных высокомолекулярных органических соединений топлива. Колчеданная сера представляет собой ее соединения с металлами, чаще с железом (FeS_2 - железный колчедан), и входит в минеральную часть топлива. Органическая и колчеданная сера S л _при горении топлива окисляется с выделением тепла. Сульфатная сера входит в минеральную часть топлива в виде сульфатов CaS0 4 и FeS0 4 и поэтому в процессе горения дальнейшему окислению не подвергается. Сульфатные соединения серы при горении переходят в золу. В горючую массу топлива входят S o и S к, которые при сгорании топлива переходят в газообразные соединения SO 2 , и в небольшом количестве в SO 3 .

Содержание серы в твердых топливах обычно невелико. В нефти сера входит в состав неорганических соединений, в природных газах она практически отсутствует, в попутных газах некоторых нефтяных месторождений содержится немного серы в виде сероводорода H 2 S и сернистого газа SO 2 . Образующийся при горении топлива сернистый газ и особенно сопутствующий ему в небольшом количестве серный газ SO 3 вызывают коррозию металлических частей теплогенераторов и отравляют окружающую местность. Вследствие низкой теплоты сгорания - 9,3 МДж/кг (2220ккал/кг) присутствие серы уменьшает теплоту сгорания топлива. Поэтому сера является вредной и нежелательной примесью топлива.

Азот и кислород относятся к внутреннему балласту топлива. Азот является инертным газом. Содержание его в твердом топливе составляет 1-2% и при сгорании топлива он выделяется в свободном состоянии.

Содержание кислорода в топливе колеблется в широких пределах, достигая 40%. Принято считать что весь кислород в топливе связан с водородом и при сгорании топлива образуют водяные пары. Кроме того, кислород, находясь в соединении с водородом или углеродом топлива, переводит некоторую часть горючих в окислившееся состояние и уменьшает его теплоту сгорания. Содержание кислорода велико в древесине и торфе. Азот при сжигании топлива в атмосфере воздуха не окисляется и переходит в продукты сгорания в свободном виде.

Под энергетическим топливом понимают горючие ве­щества, которые экономически целесообразно использовать для получения тепловой и электрической энергии. По агрегатному состоянию топлива делят на твердые, жидкие и газообразные. По происхождению - на природные, образовавшиеся из остатков растительного и животного происхождения в течение длительного времени, и искусственные, полученные в результате переработки природных топлив. К первым относятся уголь, нефть, природный газ. Ко вторым - кокс, брикеты, отходы углеобогащения, дизель­ное топливо, мазут, доменный, коксовый и генераторный газы.

Топливо состоит из горючей и минеральной части и влаги. В состав горючей части входят углерод С, водород Н и сера S, на­ходящиеся в сложных соединениях с кислородом О и азотом N. Важной характеристикой топлива является теплота сгорания. Теплота сгорания - количество теплоты, выделяющейся при пол­ном сгорании топлива. Различают низшую и высшую теплоту сгорания.

Углерод является основной частью топлива. Чем больше его в составе, тем выше теплота сгорания топлива. Содержание углерода по массе в твердом топливе колеблется от 25 (сланец и торф) до 70 % (антрацит). Водород содержится в топливе в небольшом количестве 2-10 %. Теплота его сгорания в 4 раза больше, чем углерода. Кислород входит в состав топлива в виде различных соединений, в том числе с горючими элементами, что снижает количество теплоты, выделяемой при сжигании топлива. Поэтому кислород относят к балласту топлива. Азот также относят к бал­ласту топлива. Содержание его невелико (в твердом топливе до 3 % по массе). При горении большая часть азота топлива перехо­дит в токсичные оксиды N0 и N0*.

Серу в зависимости от вида соединения, в которое она входит, делят на органическую S0, если она связана с углеродом, водоро­дом, азотом и кислородом; колчеданную SK - соединение с желе­зом (обычно это железный колчедан); сульфатную Sc, находя­щуюся в виде соединений FeS04, MgS04, CaS04. Сера, входящая в состав органических и колчеданных соединений, участвует в про­цессе горения, выделяя при этом теплоту и образуя сернистый

S02 и серный S03 ангидриды. Поэтому часто органическую и кол­чеданную серу называют летучей горючей

Сера, входящая в состав FeS04, MgS04, CaS04 и т. п., не горит, так, при сжигании топлива сульфаты практически не разлагаются. В твердом топливе содержание серы достигает 5 %, в жидком 3,5 %. Наличие серы в топливе нежелательно, так как образую­щиеся при горении серы оксиды S02 и S03 в присутствии влаги дают растворы сернистой и серной кислоты, которые вызывают корро­зию труб поверхностей нагрева конвективной шахты котла и ока­зывают вредное воздействие на окружающую среду.

Под минеральной частью топлива понимают негорючие при­меси. Количество их зависит от происхождения топлива и техно­логии его добычи. Различают внутренние минеральные примеси, образовавшиеся при формировании угольной залежи, и внешние минеральные примеси, попавшие в топливо при его добыче из при­легающих пластов пород. Внутренние минеральные примеси в от­личие от внешних достаточно равномерно распределены в топливе и поэтому практически не могут быть отделены от горючей массы.

При горении топлива из минеральных примесей образуется зола А. Она характеризует минеральную часть топлива. Содер­жание золы А в топливе определяется по величине твердого остатка, полученного после сжигания предварительно высушен­ной пробы топлива определенной массы в платиновом тигле и последующего прокаливания до постоянного значения массы при температуре 800 °С. При проектировании котлов, и в первую оче­редь их топок, важное значение имеет температурная характери­стика плавкости золы. Она зависит от состава золы и окружающей ее газовой среды. Оценка плавкости проводится по температурам трех состояний золы: U - начала деформации; t2 - начала раз­мягчения; t3 - жидкоплавкого состояния:

Для принятия мер по исключению загрязнений поверхностей нагрева, расположенных за топкой, важно знать температуру затвердевания золы. Обычно эта температура на 50 °С ниже t2. При горении топлива в топке в зоне высоких температур проис­ходит частичное или полное расплавление золы. Некоторая ее часть уносится с продуктами сгорания из топки. Остальная зола, частично разлагаясь, сплавляется или спекается в шлак, который затем в жидком или твердом состоянии удаляется из нижней части топки. Под действием высоких температур содержащиеся в шлаке оксиды вместе с другими веществами образуют многоком­понентные соединения, и температура плавления шлака отли­чается от температуры ts жидкоплавкого состояния золы. В топках с жидким шлакоудалением для свободного вытекания шлака из топки его температура должна быть выше температуры ts жидко - плавкого состояния золы. Эту температуру называют температу­рой /нж нормального жидкого шлакоудаления, она определяется 22

Химическим составом шлака. Как правило, = ta + (100-4- 200) °С.

Влага W, как и минеральная часть, является балластом топ­лива. Она снижает его теплоту сгорания. Кроме того, на ее испа­рение расходуется часть теплоты сгоревшего топлива. Влагу, содержащуюся в топливе, делят на внешнюю и внутреннюю (гигро­скопическую). Внешняя влага попадает в топливо при его добыче, транспортировке и хранении. Количество ее колеблется в широ­ких пределах 1-40 %. Внешнюю влагу можно удалить из топлива при его сушке. Внутренняя влага связана как с органической частью топлива, так и с минеральной. К ней относят коллоидную и гидратную влагу. Коллоидная влага образует с топливом гели. Количество ее зависит от природы и состава топлива, содержания / влаги в атмосферном воздухе. Гидратная влага химически свя­зана с минеральными примесями топлива. Содержание ее невелико. При сушке топлива часть коллоидной влаги испаряется, а содер­жание гидратной влаги не меняется.

Влажные твердые топлива на воздухе теряют влагу, а подсу­шенные приобретают ее. Эти процессы происходят до наступления равновесия между парциальным давлением паров воды в воздухе и топливе. Топливо с полученной таким образом влажностью называют воздушно-сухим. Если воздушно-сухое топливо нагреть при атмосферном давлении до температуры 105 °С, то вся влага из топлива будет практически удалена. Количество влаги, удален­ной из воздушно-сухого топлива, называют гигроскопической влажностью WrH.

Состав топлива в том виде, в каком оно поступает на ТЭС, выраженный совокупностью отдельных элементов и компонент (по массе для твердого и жидкого топлива), называют рабочей массой топлива:

TOC o "1-3" h z cp + № + Sp 4-Op + Np + Wp + Ap = 100 %. (1)

Если из топлива удалена внешняя и внутренняя влага, то су­хая масса имеет следующий состав:

Cc-j-Hc-fSc + Oc-fNc+Ac = 100 о/0. (2)

Исключив из сухой массы золу, получим горючую массу топ­лива

Cr + Hr + Sr + Or-f №= 100 %. (3)

Если из горючей массы выделить колчеданную серу, то остав­шуюся массу топлива называют органической массой

Сг + Нг + Ог + № = 100 %. (4)

Состав рабочей и сухой масс одного и того же топлива в зависи­мости от условий добычи и погоды может колебаться в достаточно широких пределах. Состав горючей массы топлива постоянен. Поэтому его используют для проведения пересчета на сухую и ра­бочую массы. Формулы пересчета состава, например, с рабочей

2. Коэффициент пересчета состава твердых и жидких теплив с одной массы на другую Заданная масса Искомая масса Органическая Органи­ческая

Массы на сухую легко получить, поскольку в 1 кг рабочей массы содержится (100- №р)/100 (кг) сухой массы топлива. Следова­тельно,

CP + Нр + Sp + О" + Np + W" Н - А" _ 100 ~

С + нс -)- sc + ос + ne + ас 100 - w" 100 100 "

Ср = Сс(100- Wp)/100: НР = НС(100-Wp)/100

Коэффициент пересчета (100 -Wp)/100 постоянен для всех элементов топлива. Коэффициенты пересчета состава твердых и жидких топлив с одной массы на другую приведены в табл. 2.

Если топливо нагревать без доступа воздуха, то из него в ре­зультате термического разделения нестойких содержащих кисло­род углеводородистых соединений выделяются летучие вещества и остается твердый нелетучий остаток. Выход летучих и свойства твердого остатка являются важными теплотехническими характе­ристиками твердого топлива.

Выход летучих Ул определяют по уменьшению горючей массы топлива при его нагревании в їечение 7 мин без доступа воздуха при температуре 850 °С и выражают в % горючей массы топлива. В состав летучих обычно входят водород, углеводороды, оксид и диоксид углерода. Величина выхода летучих и температура 4ых начала их выхода зависят от возраста топлива. Чем выше выход летучих и ниже температура начала их выделения, тем легче воспламеняется топливо. Наибольший выход летучих и наи - 24

Меньшую температуру начала их выхода имеют молодые топлива: у торфа Vr„ = 70 %, *вых = 100-г - ПО °С; у бурого угля.Утя = « 40-1-65 %; W 130-і-170 °С.

Твердый остаток, который остается после выхода летучих из топлива может быть спекшимся, слабоспекшимся и порошкообраз­ным. Лишь некоторые каменные угли дают плотный спекшийся 1 остаток с большим числом пор, называемый коксом.

Теплоту сгорания топлива определяют опытным путем. Коли­чество выделяемой теплоты зависит от конечного состояния про­дуктов сгорания и в частности от того, в каком агрегатном состоя­нии находится влага (в виде пара или воды). В связи с этим разли­чают высшую Qb и низшую теплоту сгорания.

Различие между Qjj и Ql состоит в том, что первая учитывает теплоту, которая выделяется при конденсации водяных паров (влага в продуктах сгорания находится в виде воды), а вторая эту теплоту не учитывает. Так как в котле температура продуктов сгорания достаточна высока и конденсации водяных паров не про­исходит, теплота, затраченная на испарение влаги, теряется. По­этому в тепловых расчетах используется низшая теплота сгорания рабочего топлива. Если известно Qb, то = Ql - 25,2 (Wp/100 + 9Н7Ю0),

Где 25,2 (Wp/100 +9№/100) - количество теплоты, затраченной на испарение влаги (Wp/ЮО), содержащейся в топливе, и воды (9НР/100), образующейся при горении водорода, кДж/кг;

25.2 МДж/кг - значение скрытой теплоты парообразования для воды при давлении, равном 0,1 МПа.

При отсутствии опытных данных приближенное значение для твердого топлива и мазута может быть найдено по формуле, пред­ложенной Д. Н. Менделеевым,

QS = 0,339СР + 1,03НР - 0,109 (Ор - Sp) - 0,259WP.

Для сравнения различных топлив используют понятие услов­ного топлива, т. е. топлива, теплота сгорания которого равна

29.3 МДж/кг. Понятием условного топлива пользуются при опре­делении различных топливных ресурсов, сравнении удельных расходов топлива на единицу выработанной энергии и проведении технико-экономических расчетов. При сравнительной оценке ка­чества топлив удобны приведенные к низшей теплоте сгорания характеристики топлив % кг/МДж:

Wn = Wp/Qp„; Ап = Ap/Qp; Sn = SP/QH-

Приведенные характеристики топлив Wn, А" и S" показывают, сколько на 1 МДж низшей теплоты сгорания приходится влаги, золы и серы, в % рабочей массы топлива. В зависимости от при­веденной влажности принято считать топлива: маловлажными с W" = 0,7 % - кг/МДж, средней влажности с Wn = 0,7ч - 1,89 % кг/МДж, высоковлажными с Wn > 1,89 %■ кг/МДж.

Твердое топливо характеризуется абразивностью - свойством при контакте с другими материалами вызывать износ последних, что зависит от количества содержащихся в нем колчеданной серы, золы и ее состава. Эта характеристика топлива важна для выбора оборудования системы пылеприготовления.

Твердость твердого топлива и сопротивляемость его измель­чению (размолу) характеризуются коэффициентом размолоспо - собности &ло (отношение удельного расхода электроэнергии, за­траченного на помол антрацита, к удельному расходу энергии, требуемому для помола рассматриваемого топлива). Чем мягче топливо, тем больше величина kno. Этот показатель топлива учи­тывается при проектировании систем пылеприготовления и, в пер­вую очередь, при выборе типа и производительности размольного оборудования.

Плотность твердого топлива (в кг/м3), как одна из его ха­рактеристик, широко используется в расчетах систем загрузки, хранения и подачи топлива к системам пылеприготовления. Раз­личают кажущуюся и насыпную плотности. Под кажущейся плот­ностью понимают массу единицы объема куска топлива с внутрен­ними порами, заполненными воздухом и влагой. Насыпная плот­ность представляет собой массу топлива, содержащуюся в единице объема, заполненного кусками топлива, т. е. учитывает также объем воздуха между кусками топлива.

Ископаемые твердые топлива делят на торф, бурые, каменные угли и антрацит. Торф - геологически наиболее молодое твердое топливо. Характеризуется невысокой степенью разложения орга­нических остатков и относительно низкой теплотой сгорания, по­вышенным содержанием летучих (У"л да 70 %), водорода (Нг = = 5ч-6 %), кислорода (Ог > 30 %) и азота (Nr = 2-^2,5 %). Торфу свойственна очень высокая гигроскопичность и влажность (Wp = 35-=-60 %).

К бурым углям (марка Б) относят угли с высшей теплотой сгорания обеззоленной рабочей массы Q|l00/(l00 - Ар) < < 23,9 МДж/кг. По геологическому происхождению они близки к торфу. В бурых углях достаточно велико содержание летучих (К = 65-М0 %), водорода (Нг = 4-f-6,5 % и более) и кислорода (Ог = 15ч-30 %). Они отличаются высокой гигроскопичностью и влажностью, содержание углерода достаточно велико (Сг = = 55-^78 %), а количество слаборазложившихся растительных остатков мало. По влажности бурые угли классифицируют: Б1 - с влажностью более 40 %; Б2 - с влажностью 30-40 % и БЗ - с влажностью менее 30 %.

; К каменным относят угли, у которых 100/(100 - Ар) > > 23,9 МДж/кг. Они характеризуются высокими содержанием углерода (75-97 %), плотностью и теплотой сгорания. С увели­чением содержания углерода доли кислорода, водорода и летучих в топливе уменьшаются. По выходу летучих с учетом способности 26

Спекания твердого остатка принята следующая классификация каменных углей: длиннопламенные (Д), газовые (Г), газовые жир - ч ные (ГЖ), жирные (Ж), коксовые жирные (КЖ), коксовые (К), обогащенные спекающиеся (ОС), слабоспекающиеся (СС), тощие (Т). По мере перехода от углей марки Д к Т выход летучих ме­няется от 36 % и более (Д) до 9-17 % (Т), а влажность соответ­ственно от 14 до 5 %.

К полуантрацитам (ПА) и антрацитам (А) относят угли с QE 100/(100 - Ар) > 23,9 МДж/кг и выходом летучих менее 9 % В них содержится 89-f-92,5 % Сг, 2-ьЗ,6 % Hr, 0,8-f-l,3 % Nr, 2,2-5 % Or, 0,64-0,9 % Sr.

У полуантрацитов выход летучих больше 5 % и теплота сгора­ния выше чем у антрацитов. ПА и А являются высокосортными топливами; в энергетических котлах используют их отходы.

По размерам получаемых при добыче кусков уголь классифи­цируют следующим образом: плита (П), крупный (К), орех (О), мелкий (М), семечко (С), штыб (Ш) и рядовой (Р). Размер кусков угля от класса К к классу Ш уменьшается от 50-100 до 6-13 мм. В классе Ш куски угля мельче 6 мм, а в классе Р размер кусков неограничен и может составлять 0-200 (300) мм. В табл. 3 приве­дена характеристика твердого топлива некоторых месторождений.

Жидкое топливо характеризуется условной вязкостью и темпе­ратурами застывания и вспышки. Условную вязкость принято выражать в условных градусах (ВУ). Ее определяют как отноше­ние времени вытекания определенного объема (2-Ю-4 м3) жидкого топлива ко времени вытекания такого же объема воды при темпе­ратуре 20 °С.

Условную вязкость жидкого энергетического топлива (мазута) обычно включают в его маркировку. Так, цифры, стоящие после буквы М, в марках мазута (например, М 40 и М 200) - условная вязкость при температуре 50 °С (соответственно 40 и 200°ВУ). Условная вязкость сильно зависит от температуры:

°ВУ, = °ВУБО(50/г)п,

Где °Byj - условная вязкость жидкого топлива при темпера­туре °ВУ50 - условная вязкость при t = 50 °С; п - показатель степени, зависящей от величины °ВУ50.

Ниже приведены значения условной вязкости °ВУ50 при раз­личных п

"ВУы............................................ 2 5 10 15 20

Я. ................................................. 1,8 2,3 2,6 2,75 " 2,86

Для качественного распыливания и надежной транспортировки жидкого топлива по трубопроводам его вязкость не должна пре­вышать 2-3 °ВУ. Для выполнения этого условия необходим предварительный подогрев топлива. Температура подогрева ма­зута зависит от его марки и составляет 80-140 °С.

3. Характеристика твердого топлива Месторождение топлива Элементарный состав (рабочая масса), % Донецкое Кузнецкое Карагандинское Экибастузское Подмосковное Бабаевское Кизеловское Челябинское, Канско-Ачинское Назаровское Ирша-Бородин- Азейское

Температура застывания - минимальная температура, при которой жидкость теряет текучесть, и слив и перекачка ее стано­вятся невозможны. У мазута эта температура зависит от марки и составляет 5-25 °С.

Температура вспышки - температура, при которой пары жид­кого топлива в смеси с воздухом вспыхивают при соприкосновении с пламенем. Для мазута температура вспышки равна 80-140 °С. При открытой системе подогрева мазута температура его должна быть ниже температуры вспышки на 10-15 °С.

В качестве искусственного жидкого топлива в котлах исполь­зуется мазут трех марок: М40, Ml00 и М200 - тяжелый остаток перегонки нефти, получающейся после отделения из нее легких фракций (бензина, керосина, легроина и др.). Мазут - мало­зольное и почти безводное топливо. Его классифицируют по со­держанию в нем соединений серы и по вязкости. По количеству серосодержащих соединений мазут делят на малосернистый (Sc < 0,5 %), сернистый (Sc = 0,5-2 %) и высокосернистый (Sc > 2 %). В «Основных направлениях экономического и соци­ального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года» указывается на необходимость существенного сокраще­ния использования мазута в качестве топлива, в первую очередь на ТЭС.

Газообразное топливо представляет собой смесь горючих (во­дорода Н2, углеводородов метанового ряда, тяжелых углеводоро­дов СНа, сероводорода H2S и оксид углерода СО), небольшого количества негорючих газов (кислорода Оа, азота Na, диоксида 28

	Температура		Выход летучих	Теплота сгорания	Коэффи­циент размо - лоспо - собно - сти кл0	Объем воздуха и сгорания при а	Продуктов = 1 м"/кг

Углерода С02 и водяных паров Н20). Состав его записывают в виде составляющих его соединений (в % объема). Все расчеты проводят исходя из единицы объема сухого газа, взятого при нормальных условиях (давлении 0,1 МПа и температуре 20 °С)

СН4 + С2Нв + С3Н8 + ■ ■+ Н2 + H2S + СО + N2 + С02 +

Теплота сгорания газообразного топлива при нормальных условиях и известном содержании газов, входящих в его состав,

QM = 0,01 }