Характеристики и классификация твердого топлива

Древесина. Характерные свойства: выход летучих V ^г=85 %, влага W ^р=40 %, А ^р=0,6 %, =10…12 МДж/кг, сера практически отсутствует. Древесина как топливо используется редко и в основном в виде отходов.

Торф. Характерные свойства: V ^г=70 %, W ^р=48…53 %, А ^р=3…19 %, =8,4…10,5 МДж/кг, высокое содержание кислорода. По способу добычи различают кусковой и фрезерный (мелкая крошка) торф. Торф характеризуется склонностью к слеживанию, плохой сыпучестью, повышенной взрывоопасностью, высокой гигроскопичностью и легкостью смерзания.

Горючие сланцы. Характерные свойства: V ^г=85…90 %, А ^р=35…60 %, W ^р £ 13 %; =5,5…13,9 МДж/кг, сера практически отсутствует.

В топливном балансе страны доля древесины, торфа и сланцев невелика. Эти местные виды топлива, которые следует использовать вблизи места добычи.

Уголь - основное твердое топливо. Угли делятся на два основных вида: бурые и каменные.

Бурые угли. Особенность - большая влажность и выход летучих V ^г > 40 %, невысокая теплота сгорания (до 24 МДж/кг), склонность к самовозгоранию, отсутствие спекаемости. К бурым углям относят угли с высшей теплотой сгорания рабочей массы беззольного топлива

МДж/кг.

По влажности в рабочем состоянии бурые угли делятся на три группы:

- Б1 (W^p > 40 %),

- Б2 (W^р 30…40 %),

- Б3 (W^р £ 30 %).

Каменные угли. К каменным относятся угли с высшей теплотой сгорания в условном беззольном состоянии МДж/кг и с выходом летучих V^г > 9 % по массе. Каменные угли весьма разнообразны по своим свойствам и составу, поэтому их единая классификация затруднена. Учитывают: выход летучих, степень спекаемости и нелетучий остаток коксования угля.

По этим признакам выделены основные марки каменных углей, (табл. 1.2). Угли марок от газового жирного до отощенного спекающегося пригодны для получения металлургического кокса и являются ценным сырьем. Каменные угли непригодные для производства кокса используются в качестве топлива в энергетике и коммунальном хозяйстве (длиннопламенные, газовые, а также слабоспекающиеся, тощие, антрациты).

Таблица 1.2 - Классификация каменных углей Кузнецкого бассейна [4]

Для использования углей в ряде производств важно поставлять уголь с определенным размером кусков. Угли подразделяют на следующие классы в соответствии с размером кусков, мм:

- плитный (П)………………..100 – 200;

- крупный (К)…………………50 – 100;

- орех (О)………………………25 – 50;

- мелкий (М)…………………...13 – 25;

- семечко (С)…………………….6 – 13;

- штыб (Ш)…………………...….0 – 6;

- рядовой (Р)………………(не ограничен).

1.7 Жидкое топливо

Мазут, получаемый из нефти, является основным видом жидкого энергетического топлива. В зависимости от технологических условий различают разгонку - неглубокую переработку нефти и крекинг - глубокую переработку.

При разгонке нефть разделяется на фракции по температурам их кипения без разрушения молекулярной структуры углеводородов. При крекинге молекулы разрушаются с образованием новых соединений. При крекинге кроме легких углеводородов образуются сложные и тяжелые углеводороды – гудрон и полугудрон, а также твердые вещества - асфальтены, карбены и карбоиды.

Мазут, получаемый при неглубокой переработке нефти, называют прямогонным мазутом, при глубокой переработке нефти – крекинг-мазутом.

Стандартом установлены следующие марки мазутов:

- мазут флотский Ф 5 и Ф 12;

- мазут топочный М 40 и М 100.

Условная вязкость (ВУ) - отношение времени истечения 200 мл продукта при температуре 50 °С ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды при температуре 20 °С. Марка мазута характеризует максимальное значение условной вязкости (ВУ) при температуре 50 °С.

Флотские мазуты Ф 5 и Ф 12 относятся к категории легких топлив, топочный мазут марки М 40 – к категории средних топлив, топочный мазут марки М 100 – к категории тяжелых топлив.

В пределах марок, в зависимости от содержания серы, топочные мазуты подразделяются на три сорта:

1) малосернистые (S^р £ 0,5 %),

2) сернистые (S^р = 0,5…2,0 %)

3) высокосернистые (S^р = 2,5…3,5 %, не более 4,3 %.).

Мазут состоят из пяти основных элементов: углерода, водорода, серы, кислорода и азота. Минеральные примеси в мазутах представляют собой соли щелочных металлов, а также продукты коррозии резервуаров. Зольность топочных мазутов (А) весьма незначительна и обычно не превышает 0,1 %. Содержание воды (W) в мазутах колеблется в пределах 0,5…5 %, а в отдельных случаях и выше. Значительное обводнение мазута происходит при разогреве острым паром. При сжигании обводненных мазутов уменьшаются температура горения и снижается КПД парогенератора.

Вязкость мазута является важнейшей его характеристикой. Измеряется в единицах условной вязкости (ВУ). Вязкость определяет условия транспортировки, способы сливных операций и эффективность работы форсунок.

Вязкость мазута с увеличением температуры сильно уменьшается. Причем, для мазутов М 40 и М 100 разница в подогреве должна составлять всего 20 °С (104 °С и 124 °С), для получения одинаковой вязкости перед форсункой.

С ростом давления вязкость мазута повышается. Обычно пользуются относительной плотностью (по отношению к плотности воды при температуре 20 °С), которая составляет r₂₀ = 0,95…1,06.

Плотность определяет условия отстаивания воды из мазутов и осаждения механических примесей. При малой плотности мазута отстаивание от воды протекает быстро и не превышает 100…200 ч. При относительной плотности около 1,05 мазут располагается в резервуарах под слоем воды и отстаивание невозможно.

Для перекачки мазута и слива его температура должна быть не ниже 60…70 °С, что обеспечивает вязкость ~30 °ВУ.

Технологическая схема подготовки мазута (рис. 1.6) на электростанции включает приемно-сливное устройство 2, основные резервуары для хранения постоянного запаса мазута 6, мазутонасосную систему, систему трубопроводов для мазута и пара, группу подогревателей и фильтров [5].

Мазут перед сжиганием необходимо подготовить: удалить механические примеси, повысить давление и подогреть для тонкого распыливания. Температура в баках поддерживается на уровне 60…80 °С за счет циркуляционного подогрева.

1 – цистерна с мазутом; 2 – сливное устройство; 3 – фильтр грубой очистки; 4 – сливной резервуар с подогревом; 5 – перекачивающий насос; 6 – основной резервуар;7, 8 – линии рециркуляции мазута; 9 – насос первого подъема; 10 – обратный клапан; 11 - подогреватель мазута; 12 - фильтр тонкой очистки; 13 – насос второго подъема; 14 – запорная задвижка; 15 – регулятор расхода; 16 – расходомер; 17 – задвижка форсунки; 18 – форсунки

Рисунок 1.6 - Технологическая схема подготовки мазута на электростанции

Типовой является двухступенчатая схема, предусматривающая повышение давления насосами 9 и 13. Очистка мазута от твердых фракций происходит поэтапно: в фильтрах грубой очистки 3 с размером ячеек 1,5´1,5 мм², а затем в фильтрах тонкой очистки 12 с ячейками 0,3…0,5 мм, перед насосами второй ступени 13.

Теплота сгорания обезвоженного мазута колеблется в пределах от 39 до 41,5 МДж/кг. Теплота сгорания зависит от соотношения главных горючих элементов С, Н, а также от содержания S, О и N. Присутствие в составе смол и асфальтов снижает теплоту сгорания мазута. Теплота сгорания рассчитывается по формуле Д.И. Менделеева (погрешность не более 2%).

Температура вспышки мазута – температура, при которой пары мазута вспыхивают при контакте с открытым пламенем. Прямогонные мазуты имеют температуру вспышки 135…235 °С, парафинистые - около 60 °С. Во избежание пожара, температура подогрева мазута в открытых системах должна быть ниже температуры вспышки.

При уменьшении температуры происходит загустевание мазута. При температуре застывания мазут загустевает настолько, что в пробирке при ее наклоне под углом 45° уровень остается неподвижным в течение одной минуты. Высокой температурой застывания характеризуются мазуты с большим содержанием парафинов. Температура застывания определяет выбор технологической схемы хранения мазута и его транспортировки.

1.8 Газовое топливо

В энергетике в качестве газового топлива используется природный газ.

В промышленной энергетике, находят применение различные виды искусственных горючих газов.

Для энергетики важнейшими характеристиками газового топлива являются теплота сгорания, концентрационные пределы взрываемости газа в смеси с воздухом, плотность.

Плотность газа определяет возможность скопления газа в верхней или нижней части помещений или установок. Плотность природного газа в нормальных условиях составляет 0,74 кг/м³.

Концентрационные пределы взрываемости характеризуют диапазон концентраций, в пределах которых эти смеси способны взрываться при наличии источника зажигания. Для природного газа в смеси с воздухом концентрационные пределы взрываемости составляют 5…15 %. Они могут быть расширены за счет подогрева воздуха либо газа.

Природным газомявляются газовые смеси, добываемые из земных недр и состоящие в основном из метана и других углеводородов (этана, пропана, бутана и др. в незначительных количествах). Соотношение между ними зависит от характера месторождения.

Попутный газ получают при разработке нефтяных месторождений в процессе десорбции растворенных в нефти газов. Выход попутного газа составляет 50…60 м³ на 1 тонну добываемой нефти. Для попутного газа характерно высокое (до 50 %) содержание высших углеводородов.

Газ газоконденсатных месторождений содержит помимо метана до 10 % высших углеводородов, пропана и бутана.

Балласт природного газа представлен преимущественно азотом и диоксидом углерода, в некоторых случаях в объемный состав входит до 1 % гелия. Большинство месторождений дает топливо, практически не содержащее сернистых соединений. Исключением является Оренбургское месторождение России, где в газе содержится 5-6 % сероводорода.

Природный газ перед подачей в магистральные трубопроводы подвергается переработке на специальных заводах:

- очистка от сероводорода и диоксида углерода,

- извлечение высших углеводородов,

- осушку,

- одоризация.

Одоризация, придание газу резкого запаха - осуществляется введением меркаптанов (сернистых соединений), для обнаружения присутствие газа в воздухе.

Природный газ применяется чрезвычайно широко. Особенность использования – сложность хранения. В Украине существуют подземные хранилища газа, для обеспечения постоянства расхода транспортируемого газа. При использовании газообразного топлива на элекростанциях всегда предусматривается резервное топливо – уголь или мазут.

Теплота сгоранияприродного газа находится в пределах = 33…38 МДж/м³, и она тем выше, чем больше высших углеводородов содержится в газе.

Искусственным топливом являются горючие газы, получаемые в разнообразных технологических процессах: в металлургии, при переработке нефти, при переработке твердых горючих ископаемых. В некоторых случаях горючий газ является побочным продуктом основного производства.

В доменном производстве на каждую тонну выплавленного чугуна образуется около 2200…3000 м³ доменного газа с теплотой сгорания = 3,5…4 МДж/м³, содержащего 25…30 % токсичного оксида углерода СО и 2…3 % водорода Н₂.

При производстве металлургического кокса на каждую тонну кокса получают ~ 300 м³ коксового газа с теплотой сгорания около 17…18 МДж/м³, содержащего водорода Н₂≈ 60 %, метана СН₄≈ 25 %, оксида углерода СО≈ 6 %.

В начале ХХ столетия был отработан процесс газификации угля, что позволяло получать низкокалорийный газ из угля, содержащий 30 % СО, 10 % СО₂ и около 60 % N₂, имеющий теплоту сгорания около 4 МДж/м³.

Проблема получения синтетического жидкого топлива из углей решена в 60…70-х годах прошлого столетия. На заводах по получению синтетического жидкого топлива (метанола) происходит парокислородная газификация твердого топлива. Подача кислорода обеспечивает высокую температуру в топке и возможность проведения эндотермической реакции конверсии разогретого углерода водяным паром

С+Н₂О=СО+Н₂.

В дальнейшем из газообразных продуктов газификации (СО и Н₂) на катализаторах синтезируют искусственное жидкое топливо - метанол

СО + 2Н₂ = СН₃ОН.