Источники тепловой энергии для систем теплоснабжения. Топливо, топливные ресурсы – 2 часа

Топливо. Общие сведения о топливе. Виды топлива.

«Топливом называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения тепла». Это опреде­ление принадлежит великому русскому ученому Д. И. Менделееву.

В соответствии с агрегатным состоянием топливо делят на твердое, жидкое и газообразное. К твердому топливу относят все ископаемые угли, торф, древесину, горючие сланцы. К жидкому топливу в основном относят сырую нефть, разнообразные моторные топлива и мазут. К газообразному топливу относят природный газ, а также различные промышленные горю­чие газы: генераторный, доменный, коксовый и др.

Различают естественное и искусственное топливо, а также топливные отходы. Естественным называют топливо в том виде, в каком оно получено было при добыче: уголь, нефть, природ­ный газ и т. п. Искусственным называют топливо, полученное в результате технологической переработки естественного топлива, например металлур­гический кокс, полученный в результате коксования некоторых сортов каменного угля, моторное топливо, полученное в результате переработки нефти. Топливные отходы получают в результате технологической переработки естественного топлива в искусственное, как, например, отходы углеобогащения, получающиеся при обогащении металлургического топ­лива, или мазут, остающийся после переработки нефти.

Топливо разделяют также на местное и дальнепривоз­ное. К местному относят топливо, которое экономически нецелесообразно перевозить на большое расстояние из-за невысокого качества его или ма­лого масштаба добычи (торф, горючие сланцы, уголь небольших месторож­дений и др.).

Поэтому местное топливо используют преимущественно по­близости от места добычи и редко транспортируют на расстояние, превышаю­щее 100—150 км.

Дальнепривозным называют высококачественное твердое топливо, до­бываемое в основных каменноугольных бассейнах Казахстана и России (Донецком, Куз­нецком, Карагандинском, Печорском и др.), а также жидкое топливо. Даль­непривозным топливом является также природный газ основных месторож­дений. В результате значительная часть топлива, добываемого в основных бассейнах и месторождениях, транспортируется на большие расстояния.

Часто выделяют так называемое энергетическое топливо, под которым понимают топливо, направляемое для сжигания в энергетических установках, так как оно по своим свойствам мало пригодно для технологиче­ской переработки. Сюда относят антрацит, некоторые сорта каменного угля, бурые угли, торф, мазут и природный газ. Отнесение топлива к категории энергетического условно, так как выделение топлива для сжигания в энер­гетических установках определяется не только техническими причинами, но и народнохозяйственными соображениями.

Основные стадии превращения твердого топлива.

Сущность превращений твердого топлива заключа­ется в том, что от исходного, материнского вещества топлива, богатого кислородом, происходит отщепление кислорода с водородом, а также в не­значительном количестве с углеродом с образованием воды и углекислоты. В результате исходное вещество топлива обогащается углеродом, подвергаясь вместе с тем неглубокому разложению. Описанные превращения топлива, и называемые его метаморфизмом, протекают очень медленно и в принципе должны заканчиваться полным исчезновением из топлива кис­лорода и водорода с сохранением только углерода и небольшого количества азота. Таким образом, чем выше степень метаморфизма топлива, тем оно от­носительно богаче углеродом и беднее кислородом и водородом. Основными факторами, определяющими метаморфизм топлива, являются умеренная температура и очень высокое давление.

В своих превращениях материнское вещество топлива последовательно проходит стадии образования торфа, бурого угля, каменного угля, антра­цита. Между этими видами топлива нет резких разрывов; наоборот, возможны некоторые промежуточные формы, как, например, полуантрацит. Тем не менее, типичные представители этих видов топлива достаточно резко разли­чаются как в отношении внешнего вида и структуры, так и в отношении физико-химических свойств.

Существующие в природе различные виды твердого топлива отличаются чрезвычайным разнообразием состава и свойств. Это объясняется различием в происхождении материнского вещества: различием условий, в которых происходил длившийся многие миллионы лет процесс превращений; ста­дией превращения, на которой топливо находилось в момент его добычи и использования. Однако поскольку все виды твердого топлива имеют ор­ганическое происхождение, основой состава их остаются элементы, свой­ственные органическим веществам, т. е. углерод, водород, кислород, азот, а также отчасти сера.

Твердое топливо в большинстве своем происходит от высокоорганизо­ванных растений — древесины, листьев, хвои и т. п. Основой древесины является клетчатка, имеющая химическую формулу С₆Н₁₀О₅: пересчет этой формулы на массовое содержание дает следующий состав клетчатки: С = 44,4%; Н = 6,2%; О = 49,4%. Кроме клетчатки, в древесину входят: азот — основной материал, образующий протоплазму клетки; лигнин — связывающее вещество, соединяющее отдельные клетки древесины; смо­листые вещества; древесный сок, представляющий собой раствор в воде различных органических и минеральных веществ, в частности органиче­ских соединений серы. Из-за наличия перечисленных веществ абсолютно сухая древесина имеет следующий состав: С = 50% ; Н = 6,5%; О = 41,0%; N = 1,0%, минеральные вещества: А = 1,5%.

Кроме того, древесина содержит довольно много влаги: влажность свежесрубленной древесины составляет приблизительно 60%, подсушенной в естественных условиях — приблизительно 30%.

Отмершие части высокоорганизованных растений, богатых лигнином, разрушаются грибками при свободном доступе воздуха и превращаются в торф — рыхлую, рассыпчатую массу перегноя, или, иными словами, мас­су так называемых гуминовых кислот. Скопления торфа после прекращения жизни леса переходят в бурую массу, в которой уже отсутствуют форменные элементы растений (листья, хвоя, древесина), — бурый уголь. В даль­нейшем при наличии воздействия высокого давления и повышенной темпе­ратуры бурые угли подвергаются последующим превращениям, переходя в каменные угли, а затем в антрацит.

Состав.

В топливе в том виде, в котором оно добыто, различают органиче­скую массу и балласт. Под органической массой понимают ту часть топлива, которая произошла из органических веществ, образовавших основу его материнского вещества. В органическую массу топлива вклю­чают углерод, водород, кислород и азот. Под балластом понимают ту часть топлива, которая была внесена в материнское вещество в процессе его пре­вращений.

В балласт включают серу, минеральные примеси и влагу топ­лива. Названное распределение элементов топлива между органической массой и балластом несколько условно. Действительно материнское ве­щество топлива содержит небольшое количество минеральных примесей и серы, а также некоторое количество влаги. Наоборот, балласт топ­лива содержит небольшое количество углерода и кислорода, входящих в состав минеральных примесей (СаСО₃, 8Ю₂, А1₂О₃ и др.), а также некоторое количество кислорода и водорода, входящих в состав влаги топлива.

Основным элементом органической массы твердого топлива является углерод С. Содержание его в органической массе топлива возрастает с 50% у древесины до 92—94% у антрацита. Углерод представляет собой твердое вещество, которое по некоторым наблюдениям, начинает плавиться при тем­пературе около 3 900° С. Атомная масса углерода равна 12. В холодном состоянии углерод не проявляет никакой реакционной способности, но в накаленном состоянии он реагирует с кислородом по реакциям, которые, в конечном счете, при достаточном количестве кислорода приводят к образо­ванию углекислоты. Количество тепла, выделяющееся при полном сгорании 1 кг углерода в углекислоту, составляет 7 900—8 100 ккал/кг в зависимос­ти от модификации углерода. При высокой температуре углекислота начи­нает диссоциировать с образованием окиси углерода и кислорода. При 1 700° С диссоциирует приблизительно 2% углекислоты, но с дальнейшим ростом температуры количество диссоциированной углекислоты неуклонно возрастает, доходя при 2 800° С приблизительно до 50%.

Вторым горючим элементом органической массы топлива является во­дород Н. Максимальное количество его, равное 6,5%, содержится в орга­нической массе древесины. По мере повышения возраста топлива содержа­ние водорода в нем снижается, доходя приблизительно до 2,5% в органиче­ской массе антрацита. Атомная масса водорода при технических расчетах обычно принимается равной 1,00, хотя точно она равна 1,0077. Водород реагирует с кислородом, образуя воду. Горение водорода — практически необратимая реакция, так как водяные пары при атмосферном давлении начинают диссоциировать в заметных количествах только при температуре, превышающей 2 000° С. Количество тепла, выделяющееся при сгорании водорода, зависит от агрегатного состояния продукта горения. Когда по­следний получается в виде жидкости — воды, имеющей температуру 0° С, при сгорании 1 кг водорода выделяется 34 200 ккал. Когда же в результате сгорания водорода образуется водяной пар, то в нем остаются невыделен­ными скрытая теплота парообразования и теплота жидкости, вследствие чего располагаемая теплота сгорания водорода оказывается более низкой; ее обычно принимают равной 28 900 ккал!кг.

В топливе водород связан с кислородом химически. В древесине, в которой водород и кислород содержатся в стехиометрическом соотношении, кислород целиком связывает весь водород, вследствие чего последний в горении совершенно не участвует. Однако поскольку в процессе превраще­ний материнского вещества топлива кислород отщепляется в относительно большем количестве, чем водород, в остальных видах твердого топлива со­держится некоторое количество так называемого свободного водо­рода.Он участвует в процессе горения, давая соответствую­щее количество тепла. С увеличением возраста топлива количество свобод­ного водорода вначале возрастает, доходя до 3,5—5,0% для некоторых каменных углей, а затем снижается до 2,0—2,4% для антрацитов.

Содержание кислорода О в органической массе топлива с возрастом его снижается с 41% для древесины до 1,7—2,6% для антрацита. Не будучи теплообразующим элементом и связывая водород топлива, кислород сни­жает теплоту сгорания, почему является элементом нежелательным. Тем не менее, с его наличием приходится считаться, и пока единственным спо­собом снизить содержание кислорода в топливе, является коксование, в результате чего теплоценность топлива заметно возрастает. Атомная мас­са кислорода равна 16.

Содержание азота N в топливе незначительно, оно составляет 0,8—2,5%. Из-за химической инертности азота это приводит к тому, что он при горении топлива в атмосферных условиях никак себя не проявляет. Однако азот может принять участие в горении, когда оно происходит в атмосфере чистого кислорода при высоком давлении, как это, например, имеет место в кало­риметрической бомбе. Атомная масса азота равна 14.

Сера S содержится в топливе в количествах от 0,5—1 до 4—6%. Атом­ная масса ее равна 32. Сера соединяется с кислородом, образуя сернистый газ — сернистый ангидрид SО₂ с незначительной примесью серного ан­гидрида SО₃. При сгорании серы в сернистый ангидрид выделяется при­близительно 2 200 ккал/кг. В топливе сера содержится в виде различных химических соединений. Различают серу органическую S_ор, входящую в сернисто-органические соединения с углеродом, водородом и другими эле­ментами топлива; серу колчеданную S_К, входящую в состав колчедана или пирита РеS₂, который содержится в угле в виде линз, прослоек и мель­чайших зерен; серу сульфатную S_С, входящую в состав различных солей серной кислоты — СаSО₄, NaSО₄, FеSО₄ и др. Органическая и колчеданная сера при горении топлива сгорают в SО₂ с незначительным образованием SО₃; сульфатная сера, представляя собой предельные окислы, гореть не может, однако она участвует в образовании сернистого газа.

Сумму органической и колчеданной серы относят к горючей или к лету­чей сере S_л, так что

S_л = S_ор + S_к (1)

Количество летучей серы является исходной величиной для теплотех­нических расчетов. Величину сульфатной серы в теплотехнические рас­четы не вводят, относя ее к минеральной части топлива.

Сера — нежелательная составляющая топлива. Образующийся при сгорании ее сернистый ангидрид, попадая в атмосферу, вредно действует на живые организмы и растительность. Получающийся при горении серный ангидрид образует с конденсирующимися водяными парами, содержащими­ся в дымовых газах, серную кислоту, которая вызывает коррозию метал­лических частей котельного агрегата. Серный колчедан, отличаясь большой твердостью, сильно изнашивает дробилки и мельницы при дроблении и размоле топлива.

Минеральные примеси А в твердом топливе в зависимости от условий образования его могут содержаться в количестве от 5—7 до 35—40% и выше. Рассматривая вопрос об этих примесях, необходимо четко разграни­чивать три понятия: минеральную часть топлива, золу топлива, очаговые остатки.

Под минеральной частью топлива понимают неорганические примеси, содержащиеся в топливе до его сжигания. Зола топлива пред­ставляет собой остаток, получающийся в результате выжигания топлива в, лабораторных условиях в муфельной печи при температуре 800° С в окис­лительной среде (воздухе). Очаговыми остатками называют конечные продукты, которые образуются в топке в результате сложных физических и химических процессов, происходящих сначала в самом топ­ливе при его сжигании, а затем в неорганических минеральных примесях, освобождающихся при сгорании топлива. Ни зола, ни очаговые остатки не идентичны минеральной части топлива ни по своему химическому составу, ни по своим физическим свойствам; кроме того, они также взаимно не идентич­ны. Это происходит потому, что в процессах выжигания топлива в лаборатор­ных условиях и сгорания его в топке в минеральной части топлива под воз­действием высокой температуры происходят некоторые химические превра­щения. Для названных случаев эти химические превращения различны, так как выжигание топлива в муфеле происходит при постоянной, фиксированной температуре и в стабильной воздушной среде, а сгорание топлива в топке происходит при сильно меняющейся температуре (900—1 400° С) и в среде, в которой содержание кислорода изменяется от 21% до нуля.

Происхождение и характер минеральной части твердого топлива различны. Раз­личают первичную и вторичную минеральные части и породу. Первичная минеральная часть, содержание которой в топливе не превышает 1—1,5%, происходит от неоргани­ческих веществ, входивших в состав тех растений, из которых образовалось топливо; она непосредственно связана с органической частью топлива и равномерно распределе­на в ней. Вторичная минеральная часть топлива образуется из минеральных веществ, отложившихся одновременно с органическими веществами или попавших в топливо уже после его образования через трещины во вскрышных породах и пласте. Вторич­ные примеси составляют основную часть минеральных примесей топлива. Они состоят из минералов, образовавшихся в результате выветривания тех горных пород, которые характерны для места, где образовалось топливо; обычно в состав вторичных приме­сей входят кварц, каолинит, бурый железняк, кальциевые и доломитовые шпаты, гипс, пирит и пр. Наконец, порода представляет собой случайно попавшие в топливо минеральные вещества из кровли и почвы при разработке пласта. Она легко удаляется из топлива в процессе обогащения.

Химический состав минеральной части топлива непосредственно опре­делить нельзя. Это может быть сделано только при помощи химического анализа золы и очаговых остатков. При этом компоненты золы определяют в виде окислов, которые делят на кислые и основные.

Минеральная часть топлива в процессе его горения при определенной температуре переходит в жидкое состояние и образует сплавленную или спек­шуюся пористую массу — шлак, который в некоторых случаях может при­вести к нарушению работы топки. Минеральная часть топлива состоит из многих компонентов, которые плавятся при разной температуре и в про­цессе плавления взаимодействуют физически и химически. Вследствие этого плавление золы представляет собой сложный процесс. Кроме того, боль­шинство компонентов минеральной части топлива имеет аморфную структуру и поэтому переходит из твердого состояния в жидкое, постепенно размяг­чаясь в некотором интервале температур. В результате этого установить строго фиксированную температуру плавления минеральной части топлива нельзя; приходится рассматривать температурные интервалы плавления и характерные температурные точки этого процесса.

Температурный уровень перехода минеральной части топлива из твер­дого состояния в жидкое зависит от ее состава. В этом отношении различают легкоплавкую и тугоплавкую золу. Кроме того, плавкость минеральной части топлива зависит от среды, в которой она плавится. В полувосстановительной среде, которая характеризуется тем, что в ней почти полностью отсутствует кислород и содержатся, кроме СО₂ , восстановитель­ные компоненты — СО, СН₄ и Н₂, минеральная часть топлива переходит из твердого состояния в жидкое при температуре на 100—300° С ниже, чем в окислительной среде, которая характеризуется присутствием относи­тельно большого (до 21%) количества кислорода.

О плавкости минеральной части топлива судят по поведению образца золы топлива, имеющего вид небольшой трехгранной пирамиды (рис. 2-1) высотой 13 мм с основанием в виде равностороннего треугольника со сто­роной, равной 6 мм, причем одна из граней пирамиды перпендикулярна основанию. Образец нагревают в муфельной печи в полувосстановительной среде. При этом фиксируют температуру следующих трех характерных моментов изменения формы образца:

1. температуру начала деформации t, при которой начинается плавление вершины образца;

2. температуру размягчения t₂, при которой образец оп­лавляется, образуя полусферу с высотой, равной приблизительно половине основания;

3. температуру начала жидкоплавкого состоя­ния t₃, при которой образец растекается по пластинке.

Показателем плавкости золы считают температуру начала жидкоплав­кого состояния tз.

Влага W в топливе может содержаться в количестве от 3—5 до 60—70% в зависимости от многих причин, среди которых не последней является химический возраст топлива.

Происхождение и характер содержащейся в топливе влаги неодина­ковы: различают влагу внешнюю, внутреннюю (коллоидальную) и гидратную (кристаллическую).

Внешнюю влагу часто подразделяют на капиллярную и поверхностную. Капиллярной называют ту влагу, которая содер­жится в порах (капиллярах) топлива. По количеству она обычно образует основную часть влаги топлива, находящегося в естественных условиях. Каждое топливо может содержать совершенно определенное максимальное количество капиллярной влаги; это то ее количество, которое могут при­нять в себя все поры топлива. Так как с химическим возрастом топливо уплотняется, и пористость его уменьшается, то с увеличением химического возраста топлива максимальное значение капиллярной влажности топлива уменьшается. Если, например, для торфа максимальное значение капилляр­ной влажности доходит до 40—45%, то максимальное значение ее для бурых углей лежит в пределах 20—30%, а для каменных углей не превышает 5—12/о. Так как обычно поры топлива заполнены влагой только частично, то в действительных условиях капиллярная влажность, а следовательно, и общая влажность данного топлива могут изменяться в широких пределах, что определяется до добычи водоносностью пласта, а после добычи — усло­виями хранения и транспорта, а также атмосферными условиями.

Поверхностной называют влагу, которая осаждается на поверхности топлива; количество ее невелико (3—5% массы топлива) и в общем мало зависит от химического возраста топлива. Поверхностной влаги в топливе

тем больше, чем оно мельче, так как чем мельче топливо, тем больше его поверхность.

Внутренняя влага связана с органической частью топлива физико-химически, входя в состав того сложного коллоида, каким является твердое топливо, почему она и называется коллоидальной. С увеличением химического возраста топлива способность его коллоида удерживать влагу уменьшается, и потому с увеличением химического возраста топлива содержание внутренней влаги в нем неуклонно падает. В торфе и бурых углях ее содержится 10 — 15%, в молодых каменных углях 3 — 6%, в ста­рых каменных углях и антраците 0,5 — 1,0%. Содержание внутренней влаги в каждом данном сорте топлива является характерным свойством его.

Гидратная влага входит в состав молекул некоторых минеральных примесей топлива (например, СаSО₄ · 2Н₂О). Количество ее невелико и в величину общей влажности топлива не включается. Из топлива она выде­ляется при дегидратации молекулы минерала в процессе нагрева его до высокой температуры (500° С и выше).

Влажность топлива, имеющего в атмосферных условиях температуру ниже 100^е С, не остается постоянной: она приходит в соответствие с относительной влажностью окру­жающей среды. Это значит, что влажное топливо, находящееся в сухом воздухе, под­сыхает, а сухое топливо, попавшее во влажную воздушную среду, увлажняется. Со­держание влаги в топливе стабилизуется только в том случае, когда давление насыщен­ного пара внешней влаги топлива уравновешивается парциальным давлением водяных паров, находящихся в воздухе. Такое топливо называют воздушно-сухим. Так как воздушно-сухое топливо содержит внутреннюю влагу и некоторое непостоян­ное количество внешней влаги, зависящее от содержания водяных паров в атмосфере, то влажность воздушно-сухого топлива не характеризует его точно. Поэтому введено по­нятие гигроскопической влажности топлива , под которой понимают влажность топлива, доведенного до равновесного состояния в воздухе с относительной влажностью 60% при температуре 20° С. По гигроскопической влажности можно до­статочно точно судить о внутренней влажности топлива, так как величина первой лишь не намного превышает величину второй.

Равновесный остаток внешней влаги и внутренняя влага могут быть удалены из топлива только при нагреве его до температуры, превышающей 100° С. Однако если затем температура топлива опять падает ниже 100° С, оно насыщается внутренней влагой и равновесным количеством внешней влаги из водяных паров, содержащихся е окружающем его воздухе.

Влага — нежелательная составляющая топлива не только потому, что она балластирует топливо, т. е. уменьшает содержание в нем горючей части, но и потому, что на испарение ее расходуется часть тепла топлива, выделяю­щегося при его горении. При очень высоком содержании влаги в топливе может даже возникнуть такое положение, когда количество тепла, требую­щееся для испарения влаги, окажется равным количеству тепла, кото­рое могло бы быть выделено при горении горючей части топлива, или даже превысит его. Кроме того, большое содержание внешней влаги приводит к смерзанию топлива при транспорте и хранении в зимнее время, к затрудне­ниям при его размоле, уменьшению сыпучести. Внутренняя влага не влия­ет на условия размола топлива и его сыпучесть.

В практике использования топлива различают рабочее топливо, ана­литическую пробу топлива, сухую, горючую и органическую массы топ­лива.

Топливо в том виде, в каком оно добыто или поступает в котельную уста­новку, называют рабочим топливом. Его состав выражают ра­венством

С ^р + Н ^р + О ^р +N ^р + S ^р_ор+к + A ^р + W ^Р = 100 % , (2)

где индексы «р» означают, что элементы топлива выражены в массовых (весовых) процентах содержания их в рабочем топливе.

Под аналитической пробой понимают топливо в том виде, в каком оно в лаборатории поступает для производства химического анализа. Масса этой пробы характеризуется равенством

С ^а + Н ^а + О ^а +N ^а + S ^а_ор+к + A ^а + W ^а = 100 % , (3)

Сухая масса представляет собой массу топлива, совершенно лишенного влаги; она выражается равенством

С ^с + Н ^с + О ^с +N ^с + S ^с_ор+к + A ^с = 100 % , (4)

Под горючей (безводно-беззольной) массой понимают условную (абстрактную), не существующую в действительности массу топлива, ли­шенного влаги, золы и сульфатной серы, которую, как указывалось, отно­сят к золе топлива. Горючую массу топлива выражают в виде:

С^г + Н^г + О^г + N^г + S ^г _ор+к = 100 %. (5)

Наконец, мало распространенное в настоящее время, также абстракт­ное понятие органической массы представляет собой условную массу топлива, лишенного влаги, золы и серы, которая выражается в виде:

С° + Н° + О° +N °= 100%. (6)

Индексы «а», «с», «г» и «о» при обозначениях элементов топлива в фор­мулах (2-3), (2-4), (2-5) и (2-6) показывают, что эти элементы выражены в массовых процентах их содержания соответственно в аналитической пробе и сухой, горючей и органической массах топлива.

Лекция 3