Технические характеристики топлив

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

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

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 1100º С.

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 3000º С. 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 105º С 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.

Коксование угля

Широко распространённый технологический процесс, который состоит из стадий: подготовка к коксованию, собственно коксование, улавливание и переработка летучих продуктов.

Подготовка включает обогащение (для удаления минеральных примесей) низкосернистых, малозольных, коксующихся углей, измельчение до зёрен размером около 3 мм, смешение нескольких сортов угля, сушка полученной т. н. «шихты».

Для коксования шихту загружают в щелевидную коксовую печь (ширина 400—450 мм, объём 30-40 м³). Каналы боковых простенков печей, выложенных огнеупорным кирпичом, обогреваются продуктами сгорания газов: коксового (чаще всего), доменного, генераторного, их смесей и др.

Продолжительность нагрева составляет 14-16 часов. Температура процесса — 900—1050 °C. Полученный кокс (75-78 % от массы исходного угля) в виде т. н. «коксового пирога» (спёкшейся в пласт массы) — выталкивается специальными машинами («коксовыталкивателями») в железнодорожные вагоны, в которых охлаждается («тушится») водой или инертным газом (азотом).

Парогазовая смесь выделяющихся летучих продуктов (до 25 % от массы угля) отводится через газосборник для улавливания и переработки. Для разделения летучие продукты охлаждают впрыскиванием распыленной воды (от 70 °C до 80 °C) — при этом из паровой фазы выделяется большая часть смол, дальнейшее охлаждение парогазовой смеси проводят в кожухотрубчатых холодильниках (до 25-35 °C). Конденсаты объединяют и отстаиванием выделяют надсмольную воду и каменноугольную смолу. Очищенный коксовый газ (14-15 % от массы угля) используют в качестве топлива для обогрева батареи коксовых печей и для других целей.

Соляровое масло — фракция нефти, прошедшая щелочную очистку. Выкипает в интервале примерно 240 400 °С; вязкость 5 9 сст (при 50 °С); содержание серы не более 0,2%; температура застывания не выше 20 °С; температура вспышки в открытом тигле не ниже 125 °С.

В настоящее время в энергетике России сложилась сложная ситуация, обусловленная тем, что с начала 70-х гг энергоснабжение в стране оказалось ориентированным на один вид топлива – природный газ.

Россия является пятой страной в мире по добыче угля, уступая только Китаю, США, Индии и Австралии. По разведанным запасам угля наша страна занимает третье место в мире после США и Китая.

В условиях сложившегося экспорта газа энергетика не может рассчитывать на увеличение поставок газа, и его дефицит необходимо покрывать вводом в строй новых, расширением действующих и реконструкцией существующих пылеугольных ТЭС, или загрузкой ГЭС и АЭС.

Преимущества газомазутной ТЭС в сравнении с пылеугольной:

– газомазутные ТЭС имеют более высокий кпд, меньшие топливные затраты на выработку электроэнергии и теплоты и меньшие затраты энергии на собственные нужды, чем пылеугольные;

– затраты на сооружение на 20-30 % меньше, чем пылеугольных;

– при сжигании газа расходы на охрану окружающей среды значительно меньше, чем на пылеугольных;

– неконкурентоспособность угля на внутреннем рынке по сравнению с природным газом.

Газообразное топливо

Составляющие природного газа:

метан СН₄ (86 – 98 % объема);

этан С₂Н₆ (до 14,5 % объема);пропан С₃Н₈ (до 7,6 %);

бутан С₄Н₁₀ и непредельные углеводороды (в среднем менее 2,5 %).

Балласт: азот (1-8,8 %) и углекислый газ (0,1-1,2 %).

Непредельные углеводороды — углеводороды с открытой цепью, в молекулах которых между атомами углерода имеются двойные или тройные связи. Непредельные углеводороды способны к реакциям присоединения по двойным и тройным связям в открытой цепи. Они, например, присоединяют бром, легко окисляются раствором перманганата калия. Для многих непредельных углеводородов характерны реакции полимеризации. К непредельным углеводородам принадлежит несколько гомологических рядов: этилена (алкены), ацетилена (алкины)

Незначительное количество в природном газе негорючих материалов и азота, практическое отсутствие серосодержащих элементов и золы способствует тому, что природный газ является экологически самым чистым топливом. Это позволяет создавать компактные по габаритам и металлоемкости котлы с низкой температурой уходящих газов и кпд на уровне 95 %.

Природные газы – это высокоэкономичное энергетическое топливо, имеющее высокую теплоту сгорания (Q = 35000 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 1 т 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 17000 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.

Жидкое топливо

Мазут – остаточный продукт перегонки нефти.

Несмотря на сложный химический состав, мазут можно представить в виде совокупности компонентов:

углерод – 83-85 %;

водород – 10,4-11,8 %;

сера – 0,3-3,5 %;

кислород и азот – менее 3 %;

зола.

Зола: осаждается на стенках, плохо очищается и препятствует передаче теплоты; содержащийся в ней ванадий вызывает высокотемпературную коррозию поверхностей нагрева при температуре стенки металла более 590⁰ С.

Из-за наличия парафиносодержащих соединений мазут становится чрезвычайно вязким при 11-33⁰ С, поэтому его надо подогревать (до 80-120⁰ С). С повышением температуры вязкость мазута уменьшается.

Температура вспышки мазута составляет 135-240º С в зависимости от его вязкости. Теплота сгорания (Q = 40000 кДж/кг).

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 = 6,7-17000 кДж/кг), поэтому дальние перевозки также нецелесообразны. Большой выход летучих веществ обеспечивает высокоэкономичное сжигание этих углей в виде подсушенной пыли.

Каменные углиобъединяют 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 = 19000-27000 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 = 25000-27000 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.

Новые виды жидкого и газообразного топлива

Нефть «синтетическую» и газ, полученные из угля, дополни­тельные углеводородные ресурсы, представленные органической составляющей горючих сланцев, битуминозных пород, топлив­ные спирты, а также водород, относят к новым видам жидкого и газообразного топлива.

Уголь, горючие сланцы и битуминозные породы являются главными перспективными источниками получения жидкого и газообразного топлива. Потенциальные запасы содержащегося в них углеводородного сырья намного превосходят известные за­пасы нефти и природного газа.

Широко доступная и разнообразная сырьевая база и полно­стью отработанная и освоенная технология их производства яв­ляются одним из основных преимуществ энергетического ис­пользования спиртов в качестве топлива или добавки к нему. По мнению многих специалистов водород способен заменить иско­паемое органическое топливо в таких сферах его потребления, как авиация, автотранспорт, коммунально-бытовой сектор и т. д. При этом ресурсы водорода (если в качестве его источника рас­сматривать воду) практически не ограничены. Самым важным свойством водорода является универсальность его использова­ния. Он может применяться в качестве основного топлива или как добавка к нефтяному при относительно небольших конст­руктивных переделках двигателя; энергия водорода может также преобразовываться в топливных элементах в электроэнергию; водород способен заменить природный газ и нефть почти во всех крупных химических производствах и т. д.