Топливо. Элементарный состав топлива

«Топливом называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения тепла». Это определение принадлежит великому русскому ученому Д. И. Менделееву [9].

В состав топлива входят горючие и негорючие (балластные) вещества. К горючим компонентам относятся углерод, водород, их соединения (углеводороды), а также соединения с другими химическими элементами – кислородом, азотом и др. Балластом топлива являются зола и влага. Некоторые виды топлива содержат горючую (летучую) серу, которая является нежелательным компонентом, так как придает продуктам сгорания коррозионно-активные свойства.

По своему происхождению топливо делится на естественное и искусственное; в зависимости от агрегатного состояния оно бывает твердым, жидким и газообразным. В табл. 3 представлена классификация топлива.

Таблица 3

Классификация топлива

В энергетическом хозяйстве наиболее распространено твердое топливо, в первую очередь – каменные и бурые угли. За последние годы в связи с широким развитием в нашей стране газовой и нефтедобывающей промышленности в энергетике широко используются природный газ и топочные мазуты, как наиболее прогрессивные и экономичные виды топлива.

Кроме органических видов топлива в энергетике в настоящее время применяется ядерное горючее (атомная энергия).

Состав и качество топлива определяются в лабораториях путем химического и механического анализов средней пробы партии. В практике использования топлива принято различать рабочее топливо, аналитическую пробу топлива, сухую, горючую и органические массы топлива [9].

Топливо в том виде, в котором оно добыто и доставлено в котельную установку, называют рабочим. Оно состоит из горючих элементов углерода С, водорода Н и горючей (летучей) серы , которые при сгорании выделяют определенное количество тепла. Кислород О и азот N представляют собой внутренний балласт топлива; внешний балласт состоит из золы А и влаги W. На рис. 2 представлена схема элементарного состава топлива.

При сгорании сера образует некоторое количество серного ангидрида SО₃, который, соединяясь с водой и образуя серную кислоту H₂SО₄, вызывает интенсивную коррозию поверхностей нагрева котельного агрегата (воздухоподогревателя и водяного экономайзера).

Сера может содержаться в топливе в трех следующих видах: органическая , входящая в топливо в виде органических соединений; колчеданная , входящая в состав топлива в виде колчедана FeS₂; сульфатная , входящая в топливо в виде, например, гипса CaSО₄.

Из органической и колчеданной серы образуется так называемая горючая (летучая) сера :

, %. (4)

Сульфатная сера не горит, а в элементарном составе топлива включается в золу. Содержание серы в топливе колеблется и может достигать нескольких процентов. При полном сгорании 1 кг летучей серы выделяется около 9000 кДж тепла.

Влага – нежелательная составляющая топлива, т. к. она затрудняет воспламенение, потребляя значительное количество тепла на свое испарение.

Зола загрязняет поверхности нагрева котла и затрудняет передачу тепла через стенки посредством теплопроводности, а также увеличивает эксплуатационные расходы из-за необходимости периодически чистить внутреннюю поверхность котла. В связи с этим в котельных установках стремятся использовать качественные жидкие и газообразные виды топлива: мазут, природный газ, попутные газы нефтепереработки, а также отходы металлургического производства – коксовый и доменные газы [7].

Качество топлива определяют его теплотворной способностью (теплоценностью или теплотой сгорания). Теплотворной способностью топлива называется количество тепла, выделяемого при полном сгорании 1 кг твердого (жидкого) или 1 м³ газообразного топлива [9].

Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Под высшей теплотой сгорания понимают то количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании вещества, включая теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания. Если теплотворная способность определена без учета конденсации всех водяных паров, образовавшихся при сгорании, её называют низшей и обозначают .

Рис. 2. Схема элементарного состава топлива

Состав рабочей массы топлива выражают равенством

%. (5)

Символ r говорит о том, что теплотворная способность определена на рабочую массу топлива.

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

%. (6)

Лишь углерод, водород и сера выделяют тепло при сгорании. Однако они, вместе взятые, составляют лишь небольшую часть горючей массы. Под горючей (безводно-беззольной) массой понимают условную (абстрактную), не существующую в действительности массу топлива, лишенного влаги, золы и сульфатной серы. Горючую массу топлива выражают в виде

%. (7)

Кроме горючей массы, в состав топлива входят и неорганические вещества; они образуют золу уноса. Это так называемая сухая масса, которая представляет собой массу топлива без влаги и выражается равенством

%. (8)

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

%. (9)

Индексы «а», «с», «r» и «о» при обозначениях элементов топлива в формулах (5) – (9) показывают, что эти элементы выражены в массовых процентах их содержания соответственно в аналитической пробе, сухой, горючей и органической массах топлива.

Тепло, выделяемое в топке котла при сжигании топлива, используется не полностью, так как часть его расходуется на покрытие тепловых потерь [7].

Баланс тепла котельного агрегата, считая на 1 кг сжигаемого топлива, можно представить в виде следующего равенства:

=q₁ + q₂+ q₃+ q₄ + q₅ + q₆ , (10)

где – располагаемое тепло, ккал/кг;

q₁– полезно используемое тепло, получаемое в виде пара или горячей воды, ккал/кг (рис. 3);

q₂ – потеря тепла с уходящими из котла и выбрасываемыми в атмосферу продуктами сгорания (газами), ккал/кг (основная потеря теплоты в котле);

q₃ – потеря тепла из-за химической неполноты сгорания, ккал/кг;

q₄ – потеря тепла из-за механической неполноты сгорания (потери в про­вале, шлаке, уносе), ккал/кг;

q₅ – потеря тепла всеми элементами котельного агрегата в окружающую среду, ккал/кг;

q₆ – потеря с физическим теплом шлаков, ккал/кг.

а б

Рис. 3. Потери тепла и КПД брутто однокорпусных котлов сверхкритического давления производительностью до 1000 т/ч при сжигании: а –каменного угля (пунктир – при сжигании антрацита); б – мазута в газомазутном котле

Из уравнения баланса тепла видно, что чем больше потери тепла, тем менее полезно используемое тепло q₁, так как q₁ = – .

Экономичность работы котла оценивают коэффициентом полезного действия, который равен отношению количества полезно использованного тепла на 1 кг сжигаемого топлива к располагаемому теплу

КПД ( ) = %. (11)

КПД бывает брутто и нетто. Коэффициентом полезного действия котла брутто ( ) называют число, показывающее, какая часть тепла, вводимого с топливом в котел, используется в нем для получения пара. Чем более совершенна конструкция котла и чем качественнее производятся его ремонт и обслуживание, тем меньший процент тепла расходуется бесполезно.

Кроме на электростанциях определяют КПД нетто ( ), в котором, кроме упомянутых потерь, учитывается и тепло, затрачиваемое на выработку расходуемой в котельной электроэнергии. котлов большой мощности примерно на 2–4 % меньше .

При сжигании мазута или газа расходуется электроэнергия на работу дутьевых вентиляторов и дымососов. При сжигании твердого топлива, кроме того, приходится затратить электроэнергию еще и на его размол и на работу вентиляторов пылеприготовителей.