Происхождение топлива. Все виды твердого топлива нашей планеты своим происхождением обязаны солнечной энергии и хлорофиллу - особому веществу, содержащемуся в листьях и других зеленых частях растений, которые создают сложные органические вещества, а в дальнейшем превращаются в топливо. В своих превращениях вещество топлива последовательно проходит стадии образования торфа, бурого угля, каменного угля, антрацита.
В природе существуют различные виды твердого топлива, отличающиеся разнообразными составом и свойствами. Твердое топливо в основном образуется из высокоорганизованных растений - древесины, листьев, хвои и т. п. Отмершие части высокоорганизованных растений разрушаются грибками при свободном доступе воздуха и превращаются в торф - рыхлую, расплывчатую массу перегноя, так называемых гуминовых кислот. Скопление торфа переходит в бурую массу, а затем в бурый уголь. В дальнейшем под воздействием высокого давления и повышенной температуры бурые угли подвергаются последующим превращениям, переходя в каменные угли, а затем в антрацит.
Состав топлива. Топливо в том виде, в котором оно добыто, включает в себя органическую массу и балласт. Органической массой топлива считают ту часть, которая произошла из органических веществ: углерода, водорода, кислорода и азота; в балласт включают серу, минеральные примеси - золу и влагу топлива:
С° + Н° + О° + N° + S° ° = 100%, (12)
Твердое топливо и жидкое топливо состоит из углерода С, водорода Н, органической серы SО и горючей колчеданной серы S к, кислорода О и азота N, находящихся в виде сложных соединений.
Кроме указанных элементов, составляющих горючую массу топлива, в состав топлива входит еще балласт - зола А и влага W:
Б=А р +W р, (13)
Летучей, или горючей, серой называется
S л = S ° + S к, (14)
Состав топлива выражают в процентах по массе.
В топочной технике различают рабочую, сухую и горючую массы топлива. В связи с этим при буквенном обозначении вещества, входящего в состав топлива, вверху ставят буквы р, с, или г. Под рабочей массой топлива понимают топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю. Состав рабочей массы топлива выражают так:
С р + Н р + О р + N p + S ° p + S p к + А р + W p = 100%, (15)
Если из топлива исключить балласт, то получаем горючую массу топлива
С г + Н г + O г + N г + S г ° + S г к = 100%, (16)
Сухая масса топлива соответствует обезвоженному топливу и состав ее следующий:
С с + Н с + О с + N c + S о с + S с к + А с = 100%, (17)
Пересчет состава топлива с одной массы на другую производят с помощью коэффициентов (табл. 7).
Таблица 7. Коэффициенты пересчета состава топлива с одной массы на другую
Пример 1. Определить состав рабочей массы топлива, содержание горючей массы которого равно: С г = 75,5%; Н г = 5,5%; S г отк = 4,2%; О г = 13,2%; N г = 1,6%; А р = 18%; W р = 13%.
Находим коэффициент для перерасчета по табл. 7
100 - (18+ 13) / 100 = 0,69
Умножая на этот коэффициент элементы горючей массы топлива, получим состав его рабочей массы: С р = 75,5 . 0,69 = 52,1%; Н р = 5,5 . 0,69 = 3,8%; S р о+к = 4,2 . 0,69 = 2,9%; О р = 13,2 .
0,69 = 9,1%; N p = 1,6 . 0,69 = 1,1%.
Углерод и водород - самые ценные части топлива.
Углерод содержится в значительном количестве в топливе всех видов: древесине и торфе 50-58%, в бурых и каменных углях 65-80%, в тощих углях и антрацитах 90-95%, в сланцах 61-73%, в мазуте 84-87% (цифры даны в процентах на горючую массу топлива). Чем больше углерода в топливе, тем больше оно выделяет тепла при сгорании.
Состав рабочей массы топлива значительно зависит от величины балласта, поэтому чаще всего приводятся данные по составу горючей массы топлива, которая более стабильна для топлива каждого вида и месторождения.
Водород является второй важнейшей частью каждого топлива. В топливе водород частично находится в связанном с кислородом виде, составляя внутреннюю влагу топлива, вследствие чего понижается тепловая ценность топлива. Водород играет большую роль в образовании летучих веществ, выделяющихся при нагревании топлива без доступа воздуха. В состав летучих водород входит в чистом виде и в виде углеводородных и других органических соединений.
Азот также является балластной инертной составляющей топлива, снижающей процентное содержание в нем горючих элементов. При сгорании топлива азот в продуктах сгорания содержится как в свободном виде, так и в виде окислов NO x . Последние относятся к вредным составляющим продуктов сгорания, количество которых должно быть лимитировано.
Сера содержится в топливе в виде органических соединений S° и колчедана S к, объединяемых в летучую серу S т. Кроме того, сера входит в состав топлива в виде сернистых солей - сульфатов (например, гипса CaSО 2), не способных гореть. Сульфатную серу S a принято относить к золе топлива.
Присутствие серы значительно снижает качество топлива, так как сернистые газы SО 2 и SО 3 (соединяясь с Н 2 О, образуют H 2 SО 4) разрушают металл котельного оборудования, попадая в атмосферу, вредно действуют на живые организмы и растительность. Поэтому сера - крайне нежелательный элемент для топлива. Сернистые газы, проникая в рабочие помещения, могут вызвать отравление обслуживающего персонала.
Зола топлива представляет собой балластную смесь различных минеральных веществ, остающихся после полного сгорания всей горючей части топлива. Зола влияет на качество сгорания топлива отрицательно.
Различают три разновидности золы но ее происхождению: первичная - внутренняя, вторичная и третичная. Первичная зола образуется из минеральных веществ, содержащихся в растениях. Содержание ее в топливе незначительно и распределение равномерно. Вторичная зола получается вследствие заноса растительных остатков землей и песком в период пластообразования. Третичная зола попадает в топливо во время его добычи, хранения или транспортировки.
Зола является нежелательным балластом топлива, снижающим содержание в нем других горючих элементов. Кроме того, зола, образуя отложения на поверхностях нагрева котлоагрегата, уменьшает теплопередачу от газов к воде, пару и воздуху в его элементах. Наличие большого количества золы затрудняет эксплуатацию котлоагрегата. Если зола легкоплавкая, она налипает на поверхности нагрева котла, нарушая нормальный режим его работы (шлакование).
Твердое топливо при сжигании важное значение имеют характеристика золы, степень ее легкоплавкости. Плавкость золы определяют в лаборатории. В особую электропечь помещают несколько выполненных из золы пирамид "конусов" высотой 20 мм со стороной основания 7 мм. Одна из граней пирамиды должна быть перпендикулярна основанию.
В процессе постепенного нагревания пирамид в электрической печи отмечают три точки (рис. 8): температуру начала деформации t 1 , определяемую в начале плавления верхушки пирамиды; темпера туру размягчения t 2 , которая фиксируется в момент, когда верхушка пирамиды наклонится до основания или же пирамида превратится в шар, и температуру t 3 , когда содержимое пирамиды растечется по основанию.
Зола бывает легкоплавкой с температурой размягчения ниже 1050°С, вызывающая шлакование топки при сжигании топлива, и тугоплавкой с температурой размягчения выше 1050°С.
Учитывая большое влияние зольности на качественные характеристики топлива, для сравнительных подсчетов используют понятие приведенной зольности
АрП=А р /Q р н, (18)
где Q р н - рабочая низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.
Влага топлива складывается из внешней, или механической, вызванной поверхностным увлажнением кусков топлива и заполнением влагой пор и капилляров, и равновесной, называемой гигроскопической, которая устанавливается в материале при длительном соприкосновении с окружающим воздухом. Содержание внешней влаги определяют высушиванием пробы топлива на воздухе до постоянной массы, а гигроскопической W г твердого топлива - высушиванием в сушильном шкафу измельченной пробы воздушно-сухого топлива до постоянной массы при 102-105°С.
Для определения влажности жидкого топлива отстаивают воду в течение суток при 40°С в специальных сосудах и взвешивают всю Пробу и воду. При нахождении влажности газообразного топлива пропускают пробу газа через слой хлористого кальция, поглощающего влагу.
Рис. 8. Характер деформации лабораторного образца золы твердого топлива при определении ее плавкости
В топочной технике используют понятие приведенной влажности, которая показывает, сколько влаги в процентах от рабочей массы топлива приходится на 1 МДж низшей теплоты сгорания
W р н = W p /Q р н, (19)
Лету чие вещества и кокс. Для оценки качества топлива и условий горения большое значение имеет выход летучих веществ. Если нагревать топливо без доступа воздуха, то под воздействием высокой температуры (от 200 до 800°С) происходит разложение его на газообразную часть - летучие вещества (водород, метан, тяжелые углеводороды, окись углерода, немного двуокиси углерода и некоторые другие газы, т. е. в основном газообразные горючие вещества) и твердый остаток - кокс. Выход летучих относят к горючей массе топлива и обозначают Y г %.
Выход летучих веществ, их состав, а также температура, при которой они начинают выделяться, определяются химическим возрастом топлива: чем топливо старше по возрасту, тем меньше выход летучих и выше температура начала их выделения. Например, выход летучих торфа составляет приблизительно 70% общей массы горючей части топлива, они начинают выделяться при 120-150°С; выход летучих бурых и молодых каменных углей уменьшается приблизительно от 13 до 58,5%, они начинают выделяться при 170-250°С, а антрацита - до 4% при температуре начала выделения газов около 400°С.
Летучие вещества оказывают большое влияние на процесс горения топлива: чем больше выход летучих, тем ниже температура воспламенения и легче зажигание топлива и тем больше поверхность фронта пламени. Твердое топливо с большим выходом летучих (торф, бурый уголь, молодой каменный уголь) легко загорается и сгорает быстро с малой потерей тепла. Топливо с малым выходом летучих, например антрацит, загорается значительно труднее, горит медленнее и сгорает не полностью.
Кокс, оставшийся после полного выделения летучих, состоит из углерода и минеральных топливных примесей. В зависимости от вида термически разложенного топлива кокс может быть порошкообразным, слипшимся, спекшимся, сплавленным.
Теплота сгорания топлива. Наиболее важной характеристикой топлива является теплота сгорания, которой называют количество тепла, получаемого при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 нм3 газообразного топлива в кДж/кг (ккал/кг): 1 ккал - 4,1868, или 4,19, кДж.
Как указывалось ранее, к горючим элементам в топливе относят углерод С, водород Н и летучую горючую серу Sл. Элементарно их горение может быть представлено следующими уравнениями:
С + О 2 = СО 2 ; 2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О; S + О 2 = SО 2 , (20)
В процессе горения горючих элементов выделяется следующее количество тепла при сжигании 1 кг: углерода - 33,65 МДж (8031 ккал/кг), серы - 9 МДж (2172 ккал/кг), водорода - 141,5 МДж (33770 ккал/кг).
Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Высшей теплотой сгорания (Q р в) топлива называют все количество тепла, выделенное при сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива, или 1 нм3 газообразного (при нормальных условиях) и превращении водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, в жидкость. На практике, однако, не удается охладить продукты сгорания до полной конденсации и потому введено понятие низшей теплоты сгорания (Qрн), которую получают, вычитая из высшей теплоты сгорания теплоту парообразования водяных паров как содержащихся в топливе, так и образовавшихся при его сжигании. На парообразование 1 кг водяных паров расходуется 2514 кДж/кг (600 ккал/кг). Для твердого и жидкого топлива низшая теплота сгорания (кДж/кг или ккал/кг)
Q p н = Q р в -2514 (9Н р +W р /100), (21)
Q p н = Q р в - 600 (9Н р +W р /100)
где 2514 - теплота парообразования при температуре 0°С и атмосферном давлении, кДж/кг; Н р и W p - содержание водорода и водяных паров в рабочем топливе, %; 9 - коэффициент, показывающий, что при сгорании 1 кг водорода в соединении с кислородом образуется 9 кг воды.
Если известен элементарный состав топлива, то низшая теплота сгорания твердого и жидкого топлива, кДж/кг или ккал/кг, может быть определена по эмпирической формуле, предложенной Д. И. Менделеевым:
Q p н = 339,5С р + 1256Н р - 109 (О р - S p л) - 25,14 (9Н р + W p)
Q p н = 81С р + 246Н р - 26 (О р - S р л) - 6W р, (22)
Пример 2. Определить низшую теплоту сгорания топлива, рабочая масса которого имеет следующий состав (из примера 1): С р = 52,1%; Н р = 3,8; S р л = 2,9%; N p = 1,1%; О р = 9,1%; А р = 18%; W p = 13%.
Подставляя данные в формулу (22), получим Q p н = 339,5 . 52,1 + 1256 . 3,8 - 109 . (9,1 - 2,9) - 25,14 . (9 . 3,8 + 13) = 20,647 МДж/кг или Q p н = 81 . 52,1 4- 246 . 3,8 - 26 . (9,1 - 2,9) - 6 . 13
4916 ккал/кг.
Числовые коэффициенты в этой формуле подобраны экспериментально. Теплота сгорания твердого и жидкого топлива может быть определена и экспериментально, калориметрическим способом. Теплоту сгорания рабочего топлива определяют в калориметре (рис. 9), который состоит из калориметрического сосуда 5, заполненного водой, калориметрической бомбы 2 с чашечкой для навески топлива, оболочки 6, термометра 4, двойной луппы 3, вибратора электродвигателя, пропеллерной мешалки 1 для перемешивания воды в оболочке и подставки 7. Для нахождения теплоты сгорания топлива в чашечку помещают навеску топлива и сжигают ее, а результаты испытания определяют по показаниям термометра.
Для удобства сравнительных расчетов при сжигании в котельных разных сортов топлива введено понятие "условное топливо". Условным принято считать топливо, теплота сгорания которого равна 29,35 МДж/кг (7000 ккал/кг). Пересчет расхода натурального топлива в условное, кг, производят по формуле
В усл =В н Q p н /29,35 (В усл =В н Q p н /7000, (23)
Рис. 9. Схема калориметра для определения удельной теплоты сгорания углей
Производственные плановые задания и отчетные данные по топливу всегда удобно выражать в условном топливе.
Пример 3. В котельной в течение месяца сжигается Вн. мес = 200 т топлива с теплотой сгорания Qрн =20,647 МДж/кг (Qрн = 4916 ккал/кг).
Определить годовой расход условного топлива.
Расход условного топлива
В усл.мес =200.Q p н /29,35=200.20,647/29,35=140
(В усл.мес =200.Q p н /7000=200.4916/7000=140)
В усл.год = 140.12=1680
Твердое топливо и его классификация. По химическому возрасту различают три стадии образования твердого топлива: торфяную, буроугольную и каменноугольную.
Древесина - это топливо, используемое преимущественно в мелких котельных установках. Широкое применение имеют отходы деревообделочного производства: горбыли, щепа, стружки, опилки, кора и др. Дрова применяют реже.
Влажность воздушно-сухих дров не превышает 25%, полусухих - 35%, свежесрубленных - 50%. Опилки обычно имеют влажность 45-60%. К полусухим относят дрова весенней заготовки, пролежавшие не менее 6 мес после рубки, в том числе не менее двух летних месяцев. К сухим относят дрова, пролежавшие после рубки около года в лесу и влажность которых не превышает 30%.
Дрова как твердое топливо характеризуются высоким выходом летучих горючих веществ - до 85% и незначительным содержанием золы - в среднем до 1%, лишь в сплавных дровах зольность повышается До 5%. Следовательно, балласт дров определяется в основном их влажностью, от которой и зависит теплота сгорания. Теплота сгорания мало зависит от породы дров, что видно из табл. 8.
Таблица 8. Органический состав древесины
Рабочий состав и теплота сгорания древесных отходов (щепы, опилок и др.) не отличаются от состава древесины, из которой они получены.
При пониженной теплоте сгорания дрова имеют преимущества: легкую воспламеняемость, отсутствие серы и малую зольность, что позволяет ограничиваться простыми топочными устройствами, работающими эффективно.
Торф по способу добычи подразделяют на три основных вида: машинно-формовочный (багерный), гидравлический и фрезерный.
При машинно-формовочном способе торфяная масса забирается из торфяного карьера экскаваторами (багерами) и подается на специальные прессы, где получает форму ленты, которая разрезается на отдельные кирпичи, а затем их механически транспортерами распределяют по полю сушки, после чего складывают в штабеля.
Гидравлический способ добычи торфа основан на размывке торфяного массива струей воды, идущей под сильным напором. Получающаяся жижа - пульпа пропускается через специальные растиратели, перекачивается насосами на площадку, где и высушивается. Высушенная торфяная масса особыми машинами нарезается на кирпичи.
Фрезерный способ заключается в том, что торфяное болото последовательно разрабатывается - вспахивается специальными машинами на глубину от 5 до 35 мм. Получаемая торфяная крошка подсушивается, а затем складывается в штабеля.
Торф как топливо по своим свойствам близок к дровам. Влажность торфа колеблется в зависимости от способа добычи, условий сушки и хранения от 30-40 до 50-55%. Влажность же фрезерного торфа выше кускового примерно на 5-10%. Зольность торфа (Ар), добываемого в центральных областях России, колеблется от 7 до 15%. Теплота сгорания Q p н =8,38 - 10,72 МДж/кг (Q p н = 3511 - 4492 ккал/кг).
Ископаемые угли разделяют на бурые, каменные и антрациты.
При классификации угли различают по маркам, классам и группам, а также по составу, крупности, зольности. Марки отличаются одна от другой выходом летучих и степенью спекаемости. Группы углей определяют по величине их зольности. По крупности кусков ископаемые угли делят на классы.
Бурый уголь содержит много влаги, соединяется легко с кислородом воздуха и при длительном хранении на воздухе сильно выветривается и рассыпается в порошок. Кроме того, он обладает большой склонностью к самовозгоранию. По своей структуре отличается повышенным содержанием балласта и необычно высокой гигроскопичностью, вследствие чего влажность бурых углей Wp = 17-55%. Бурые угли не спекаются, отличаются большим выходом летучих (Vг=33,5 - 58,5%) на горючую массу и зольностью на сухую массу (Ас=10,5 - 34%), высоким содержанием серы (Sп=0,6 - 5,9%). Рабочая теплота сгорания Q p н = 10,7 - 17,5 МДж/кг (4177 кдал/кг).
Каменный уголь на территории России имеется в огромных количествах и подразделяется: на длиннопламенный, газовый, паровичный жирный, коксовый паровичный спекающийся и тощий. Каменные угли отличаются высокой теплотой сгорания Q p н = 21,20 - 28,07 МДж/кг (5097 - 6700 ккал/кг). Выход летучих V г = 3,5 - 45%.
Каменный уголь применяют непосредственно как топливо или перерабатывают на кокс. По виду кокса различают угли неспекающиеся (порошкообразный кокс) и спекающиеся (сплавленный кокс, иногда вспученный). Каменные угли довольно плотны и малопористы и содержание внешней влаги в них значительно ниже, чем в бурых углях. Многие каменные угли обладают повышенной механической прочностью. В хранении они более устойчивы, меньше подвержены самовозгоранию, а некоторые их виды совсем не самовозгораются.
Антрацит относится к старейшим по происхождению каменным углям, отличается большой твердостью, трудно загорается, горит коротким пламенем, хорошо выдерживает перегрузки и перевозки.
К ним относят угли с выходом летучих на горючую массу V r = 2 - 9% и теплотой сгорания горючей массы Q p н = 24,35 - 27,24 МДж/кг (5800-6500 ккал/кг). Переходным между каменными углями и антрацитом является полу антрацит. Антрацит и полуантрацит не самовозгораются. Характеристика твердого топлива энергетического назначения приведена в табл. 9.
Марки углей отличаются одна от другой выходом летучих и степенью спекаем ости. Различают следующие марки углей: Д (длиннопламенные), Г (газовые), Ж (жирные), КЖ (коксовые жирные), К (коксовые), С (отощенные спекающиеся), Т (тощие), СС (слабоспекающиеся). Все виды углей по размеру кусков делят на классы (табл. 10).
Горючие сланцы являются продуктами разложения растительных остатков, оседавших на дне больших водоемов; смешиваясь с минеральными осадками, образовывалось илистое вещество - сапропель, которое обогащалось водородом, уплотнялось и превращалось в горючие сланцы.
Сланцы имеют теплоту сгорания Q p н = 10,38 МДж/кг (2477 ккал/кг), при их сжигании образуется очень большое количество золы А с = 64,5%. Выход летучих у сланцев очень высок: V r = 90%, влажность W p = 13%. Сланцы являются местным топливом.
Таблица 9. Характеристика твердых и жидких топлив
Первое слагаемое - зола, второе - двуокись углерода карбонатов (минеральная).
На рис. 10 приведена диаграмма состава рабочей массы различных видов топлива.
Рис. 10. Диаграмма состава рабочей массы различных видов топлива
Продолжение таблицы 9
Таблица 10. Классификация углей по размеру кусков
ВИДЫ ТОПЛИВА. КЛАССИФИКАЦИЯ ТОПЛИВА
По определению Д.И.Менделеева, «топливом называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения теплоты».
В настоящее время термин «топливо» распространяется на все материалы, служащие источником энергии (например, ядерное топливо).
Топливо по происхождению делят на:
Природное топливо (уголь, торф, нефть, горючие сланцы, древесина и др.)
Искусственное топливо (моторное топливо, генераторный газ, кокс, брикеты и др.).
По своему агрегатному состоянию его делят на твёрдое, жидкое и газообразное топливо, а по своему назначению при использовании – на энергетическое, технологическое и бытовое. Наиболее высокие требования предъявляются к энергетическому топливу, а минимальные требования – к бытовому.
Твёрдое топливо – древесно-растительная масса, торф, сланцы, бурый уголь, каменный уголь.
Жидкое топливо – продукты переработки нефти (мазут).
Газообразное топливо – природный газ; газ, образующийся при переработке нефти, а также биогаз.
Ядерное топливо – расщепляющиеся (радиоактивные) вещества (уран, плутоний).
Органическое топливо, т.е. уголь, нефть, природный газ, составляет подавляющую часть всего энергопотребления. Образование органического топлива является результатом теплового, механического и биологического воздействия в течение многих столетий на останки растительного и животного мира, откладывающиеся во всех геологических формациях. Всё это топливо имеет углеродную основу, и энергия высвобождается из него, главным образом, в процессе образования диоксида углерода.
ТВЁРДОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Твёрдое топливо. Ископаемое твёрдое топливо (за исключением сланцев) является продуктом разложения органической массы растений. Самое молодое из них – торф – представляет собой плотную массу, образовавшуюся из перегнивших остатков болотных растений. Следующими по «возрасту» являются бурые угли – землистая или чёрная однородная масса, которая при длительном хранении на воздухе частично окисляется («выветривается») и рассыпается в порошок. Затем идут каменные угли, обладающие, как правило, повышенной прочностью и меньшей пористостью. Органическая масса наиболее старых из них – антрацитов – претерпела наибольшие изменения и на 93 % состоит из углерода. Антрацит отличается высокой твёрдостью.
Мировые геологические запасы угля, выраженные в условном топливе, оцениваются в 14000 млрд.тонн, из которых половина относится к достоверным (Азия – 63%, Америка – 27%). Наибольшими запасами угля располагают США и Россия. Значительные запасы имеются в ФРГ, Англии, Китае, на Украине и в Казахстане.
Всё количество угля можно представить в виде куба со стороной 21 км, из которого ежегодно изымается человеком «кубик» со стороной 1,8 км. При таких темпах потребления угля хватит примерно на 1000 лет. Но уголь – тяжёлое неудобное топливо, имеющее много минеральных примесей, что усложняет его использование. Запасы его распределены крайне неравномерно. Известнейшие месторождения угля: Донбасский (запасы угля 128 млрд.т.), Печорский (210 млрд.т.), Карагандинский (50 млрд.т.), Экибастузский (10 млрд.т.), Кузнецкий (600 млрд.т.), Канско-Ачинский (600 млрд.т.). Иркутский (70 млрд.т.) бассейны. Самые крупные в мире месторождения угля – Тунгусское (2300 млрд.т. – свыше 15% от мировых запасов) и Ленское (1800 млрд.т. – почти 13% от мировых запасов).
Добыча угля ведётся шахтным методом (глубиной от сотен метров до нескольких километров) или в виде открытых карьерных разработок. Уже на этапе добычи и транспортировки угля, применяя передовые технологии, можно добиться снижения потерь при транспортировке. Уменьшения зольности и влажности отгружаемого угля.
Возобновляемым твёрдым топливом является древесина. Доля её в энергобалансе мира сейчас чрезвычайно невелика, но в некоторых регионах древесина (а чаще её отходы) также используется в качестве топлива.
В качестве твёрдого топлива могут быть также использованы брикеты – механическая смесь угольной и торфяной мелочи со связующими веществами (битум и др.), спрессованная под давлением до 100 МПа в специальных прессах.
ЖИДКОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Жидкое топливо. Практически всё жидкое топливо пока получают путём переработки нефти. Нефть, жидкое горючее полезное ископаемое, представляет собой бурую жидкость, содержащую в растворе газообразные и легколетучие углеводороды. Она имеет своеобразный смоляной запах. При перегонке нефти получают ряд продуктов, имеющих важное техническое значение: бензин, керосин, смазочные масла, а также вазелин, применяемый в медицине и парфюмерии.
Сырую нефть нагревают до 300-370 °С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре tª: сжиженный газ (выход около 1%), бензиновую (около 15%, tª=30 - 180°С). Керосиновую (около 17 %, tª=120 - 135°С), дизельную (около 18 %, tª=180 - 350°С). Жидкий остаток с температурой начала кипения 330-350°С называется мазутом. Мазут, как и моторное топливо, представляет собой сложную смесь углеводородов, в состав которых входят, в основном, углерод (84-86 %) и водород (10-12%).
Мазут, получаемый из нефти ряда месторождений, может содержать много серы (до 4.3%), что резко усложняет защиту оборудования и окружающей среды при его сжигании.
Зольность мазута не должна превышать 0,14 %, а содержание воды должно быть не более 1,5 %. В состав золы входят соединения ванадия, никеля, железа и других металлов, поэтому её часто используют в качестве сырья для получения, например, ванадия.
В котлах котельных и электростанций обычно сжигают мазут, в бытовых отопительных установках – печное бытовое топливо (смесь средних фракций).
Мировые геологические запасы нефти оцениваются в 200 млрд. т., из которых 53 млрд.т. составляют достоверные запасы. Более половины всех достоверных запасов нефти расположено в странах Среднего и Ближнего Востока. В странах Западной Европы, где имеются высокоразвитые производства, сосредоточены относительно небольшие запасы нефти. Разведанные запасы нефти всё время увеличиваются. Прирост происходит в основном за счёт морских шельфов. Поэтому все имеющиеся в литературе оценки запасов нефти являются условными и характеризуют только порядок величин.
Общие запасы нефти в мире ниже, чем угля. Но нефть более удобное для использования топливо. Особенно в переработанном виде. После подъёма через скважину нефть направляется потребителям в основном по нефтепроводам, железной дорогой или танкерами. Поэтому в себестоимости нефти существенную часть имеет транспортная составляющая.
ГАЗООБРАЗНОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Газообразное топливо. К газообразному топливу относится, прежде всего, природный газ. Это газ, добываемый из чисто газовых месторождений, попутный газ нефтяных месторождений, газ конденсатных месторождений, шахтный метан и т.д. Основным его компонентом является метан СН 4 ; кроме того, в газе разных месторождений содержатся небольшие количества азота N 2 , высших углеводородов СnНm , диоксида углерода СО 2 . В процессе добычи природного газа его очищают от сернистых соединений, но часть их (в основном сероводород) может оставаться.
При добыче нефти выделяется так называемый попутный газ, содержащий меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов и поэтому выделяющий при сгорании больше теплоты.
В промышленности и особенно в быту находит широкое распространение сжиженный газ, получаемый при первичной обработке нефти и попутных нефтяных газов. Выпускают технический пропан (не менее 93% С 3 Н 8 + С 3 Н 6), технический бутан (не менее 93% С 4 Н 10 + С 4 Н 8) и их смеси.
Мировые геологические запасы газа оцениваются в 140-170 триллионов м³.
Природный газ располагается в залежах, представляющих собой «купола» из водонепроницаемого слоя (типа глины), под которым в пористой среде (песчаник) под давлением находится газ, состоящий в основном из метана СН 4 . На выходе из скважины газ очищается от песчаной взвеси, капель конденсата и других включений и подаётся на магистральный газопровод диаметром 0,5 – 1,5 м длиной несколько тысяч километров. Давление газа в газопроводе поддерживается на уровне 5 МПа при помощи компрессоров, установленных через каждые 100-150 м. Компрессоры вращаются газовыми турбинами, потребляющими газ. Общий расход газа на поддержание давления в газопроводе составляет 10-12% от всего прокачиваемого. Поэтому транспорт газообразного топлива весьма энергозатратен.
В последнее время в ряде мест всё большее применение находит биогаз – продукт анаэробной ферментации (сбраживания) органических отходов (навоза, растительных остатков, мусора, сточных вод и т.д.). В Китае на самых разных отбросах работают уже свыше миллиона фабрик биогаза (по данным ЮНЕСКО – до 7 млн.). В Японии источниками биогаза служат свалки предварительно отсортированного бытового мусора. «Фабрика», производительностью до 10-20 м³ газа в сутки. Обеспечивает топливом небольшую электростанцию мощностью 716 кВт.
Анаэробное сбраживание отходов крупных животноводческих комплексов позволяет решить чрезвычайно острую проблему загрязнения окружающей среды жидкими отходами путём превращения их в биогаз (примерно 1 куб.м в сутки на единицу крупного рогатого скота) и высококачественные удобрения.
Весьма перспективным видом топлива, обладающим в три раза большей удельной энергоёмкостью по сравнению с нефтью, является водород, научно-экспериментальные работы по изысканию экономичных способов промышленного преобразования которого активно ведутся в настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом. Запасы водорода неистощимы и не связаны с каким-то регионом планеты. Водород в связанном состоянии содержится в молекулах воды (Н 2 О). При его сжигании образуется вода, не загрязняющая окружающую среду. Водород удобно хранить, распределять по трубопроводам и транспортировать без больших затрат.
В настоящее время водород в основном получают из природного газа, в ближайшем будущем его можно будет получать в процессе газификации угля. Для получения химической энергии водорода используется также процесс электролиза. Последний способ имеет значительное преимущество, так как приводит к обогащению кислородом окружающей среды. Широкое применение водородного топлива может решить три актуальные проблемы:
Уменьшить потребление органического и ядерного топлива;
Удовлетворить возрастающие потребности в энергии;
Снизить загрязнение окружающей среды.
ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ
Ядерное топливо. Единственный природный вид ядерного топлива – тяжёлые ядра урана и тория. Энергия в виде теплоты высвобождается под действием медленных нейтронов при делении изотопа 235 U, который составляет в природном уране 1/140 часть. В качестве сырья могут использоваться 238 U и 239 Th, которые при облучении нейтронами превращаются в новое ядерное топливо – соответственно 239 Pu и 239 U. При делении всех ядер, содержащихся в 1 кг урана, выделяется энергия 2·10 7 кВт·ч, что эквивалентно 2,5 тыс.т высококачественного каменного угля с теплотой сгорания 35 МДж/кг (8373 ккал/кг).
Ядерное топливо делится на два вида:
- Природное урановое, содержащее делящиеся ядра 235 U, а также сырьё 238 U, способное при захвате нейтрона образовывать плутоний 239 Pu;
- Вторичное топливо, которое не встречается в природе, в том числе 239 Pu, получаемый из топлива первого вида, а также изотопы 233 U, образующиеся при захвате нейтронов ядрами тория 232 Th.
По химическому составу, ядерное топливо может быть:
- Металлическим, включая сплавы;
- Оксидным (например, UO 2);
- Карбидным (например, PuC 1-x)
- Нитридным
- Смешанным (PuO 2 + UO 2)
Применение. Ядерное топливо используется в ядерных реакторах, где оно обычно располагается в герметично закрытых тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах) в виде таблеток размером в несколько сантиметров.
К ядерному топливу применяются высокие требования по химической совместимости с оболочками ТВЭЛов, у него должна быть достаточная температура плавления и испарения, хорошая теплопроводность, небольшое увеличение объёма при нейтронном облучении, технологичность производства.
Металлический уран сравнительно редко используют как ядерное топливо. Его максимальная температура ограничена 660 °C. При этой температуре происходит фазовый переход, в котором изменяется кристаллическая структура урана. Фазовый переход сопровождается увеличением объёма урана, что может привести к разрушению оболочки ТВЭЛов. При длительном облучении в температурном интервале 200-500°С уран подвержен радиационному росту. Это явление заключается в том, что облучённый урановый стержень удлиняется. Экспериментально наблюдалось увеличение длины уранового стержня в полтора раза.
Использование металлического урана, особенно при температуре больше 500 °C, затруднено из-за его распухания. После деления ядра образуются два осколка деления, суммарный объём которых больше объёма атома урана (плутония). Часть атомов - осколков деления являются атомами газов (криптона, ксенона и др.). Атомы газов накапливаются в по́рах урана и создают внутреннее давление, которое увеличивается с повышением температуры. За счёт изменения объёма атомов в процессе деления и повышения внутреннего давления газов уран и другие ядерные топлива начинают распухать. Под распуханием понимают относительное изменение объёма ядерного топлива, связанное с делением ядер.
Распухание зависит от выгорания и температуры ТВЭЛов. Количество осколков деления возрастает с увеличением выгорания, а внутреннее давление газа - с увеличением выгорания и температуры. Распухание ядерного топлива может привести к разрушению оболочки ТВЭЛа. Ядерное топливо менее подвержено распуханию, если оно обладает высокими механическими свойствами. Металлический уран как раз не относится к таким материалам. Поэтому применение металлического урана в качестве ядерного топлива ограничивает выгорание, которое является одной из главных оценок экономики атомной энергетики.
Радиационная стойкость и механические свойства топлива улучшаются после легирования урана, в процессе которого в уран добавляют небольшое количество молибдена, алюминия и других металлов. Легирующие добавки снижают число нейтронов деления на один захват нейтрона ядерным топливом. Поэтому легирующие добавки к урану стремятся выбрать из материалов, слабо поглощающих нейтроны.
К хорошим ядерным топливам относятся некоторые тугоплавкие соединения урана: окислы, карбиды и интерметаллические соединения. Наиболее широкое применение получила керамика - двуокись урана UO 2 . Её температура плавления равна 2800 °C, плотность - 10,2 т/м 3 . У двуокиси урана нет фазовых переходов, она менее подвержена распуханию, чем сплавы урана. Это позволяет повысить выгорание до нескольких процентов. Двуокись урана не взаимодействует с цирконием, ниобием, нержавеющей сталью и другими материалами при высоких температурах. Основной недостаток керамики - низкая теплопроводность - 4,5 кДж/(м·К), которая ограничивает удельную мощность реактора по температуре плавления. Так, максимальная плотность теплового потока в реакторах ВВЭР на двуокиси урана не превышает 1,4·10 3 кВт/м 2 , при этом максимальная температура в стержневых ТВЭЛах достигает 2200 °C. Кроме того, горячая керамика очень хрупка и может растрескиваться.
Плутоний относится к низкоплавким металлам. Его температура плавления равна 640 °C. У плутония плохие пластические свойства, поэтому он почти не поддаётся механической обработке. Технология изготовления ТВЭЛов усложняется ещё токсичностью плутония. Для приготовления ядерного топлива обычно идут двуокись плутония, смесь карбидов плутония с карбидами урана, сплавы плутония с металлами.
Высокими теплопроводностью и механическими свойствами обладают дисперсионные топлива, в которых мелкие частицы UO 2 , UC, PuO 2 и других соединений урана и плутония размещают гетерогенно в металлической матрице из алюминия, молибдена, нержавеющей стали и др. Материал матрицы и определяет радиационную стойкость и теплопроводность дисперсионного топлива. Например, дисперсионное топливо Первой АЭС состояло из частиц сплава урана с 9 % молибдена, залитых магнием.
УСЛОВНОЕ ТОПЛИВО
Условное топливо. Различные виды энергетических ресурсов обладают разным качеством, которое характеризуется энергоёмкостью топлива. Удельной энергоёмкостью называется количество энергии, приходящееся на единицу массы физического тела энергоресурса.
Для сопоставления различных видов топлива, суммарного учёта его запасов, оценки эффективности использования энергетических ресурсов, сравнения показателей теплоиспользующих устройств, принята единица измерения – условное топливо. Условное топливо – это такое топливо, при сгорании 1 кг которого выделяется 29309 кДж, или 700 ккал энергии. Для сравнительного анализа используется 1 тонна условного топлива.
1 ту.т = 29309 кДж = 7000 ккал = 8120 кВт·ч.
Этот показатель соответствует хорошему малозольному углю, который иногда называют угольным эквивалентом.
За рубежом для анализа используется условное топливо с теплотой сгорания 41900 кДж/кг (10000 ккал/кг). Этот показатель называется нефтяным эквивалентом. В нижеследующей таблице приведены значения удельной энергоёмкости для ряда энергетических ресурсов в сравнении с условным топливом.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, на основе вышеизложенного материала можно сделать следующие выводы:
Топливо – это горючее вещество, применяемое для получения теплоты.
По происхождению топливо бывает природное и искусственное.
По агрегатному состоянию выделяют твёрдое, жидкое и газообразное топливо.
По назначению при использовании топливо может быть энергетическим, технологическим и бытовым.
Как самостоятельный вид выделяют ещё ядерное топливо.
Для сравнения различных видов топлива по их теплотворной способности используют единицу измерения «условное топливо».
Условное топливо – условно принятое топливо с теплотворной способностью 7000 ккал/кг (для жидких и твёрдых видов топлива) и 7000 ккал/нм 3 (для газообразных видов топлива).
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Охрана труда и основы энергосбережения: Учеб. пособие /
Э.М. Краченя, Р.Н. Козел, И.П.Свирид. – 2-е изд. – Мн.: ТетраСистемс, 2005. – 156-161,166-167 с.
2. Википедия – свободная энциклопедия [Электронный ресурс] / Ядерное топливо. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/ Дата доступа: 04.10.2009.
3. Департамент по энергоэффективности Государственного комитета по стандартизации Республики Беларусь [Электронный ресурс] / Нормативные документы. Методические рекомендации по составлению технико-экономических обоснований для энергосберегающих мероприятий. Режим доступа: http://energoeffekt.gov.by/doc/metodika_1.asp. Дата доступа: 03.10.2009
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Таблица 1: Удельная энергоёмкость энергетических ресурсов
ТВЕРДОЕ ТОПЛИВО И ЕГО КЛАССИФИКАЦИЯПроисхождение топлива
.
Все виды твердого топлива нашей планеты своим происхождением обязаны солнечной энергии и хлорофиллу - особому веществу, содержащемуся в листьях и других зеленых частях растений, которые создают сложные органические вещества, а в дальнейшем превращаются в топливо. В своих превращениях вещество топлива последовательно проходит стадии образования торфа, бурого угля, каменного угля, антрацита.
В природе существуют различные виды твердого топлива, отличающиеся разнообразными составом и свойствами. Твердое топливо в основном образуется из высокоорганизованных растений - древесины, листьев, хвои и т. п. Отмершие части высокоорганизованных растений разрушаются грибками при свободном доступе воздуха и превращаются в торф - рыхлую, расплывчатую массу перегноя, так называемых гуминовых кислот. Скопление торфа переходит в бурую массу, а затем в бурый уголь. В дальнейшем под воздействием высокого давления и повышенной температуры бурые угли подвергаются последующим превращениям, переходя в каменные угли, а затем в антрацит.
Состав топлива. Топливо в том виде, в котором оно добыто, включает в себя органическую массу и балласт. Органической массой топлива считают ту часть, которая произошла из органических веществ: углерода, водорода, кислорода и азота; в балласт включают серу, минеральные примеси - золу и влагу топлива:
Со + н° + 0° + № + 8° = 100%. (12)
Твердое и жидкое топливо состоит из углерода С, водорода И, органической серы S и горючей колчеданной серы S кислорода О и азота К, находящихся в виде сложных соединений. Кроме указанных элементов, составляющих горючую массу топлива, в состав топлива входит еще балласт - зола А и влага
Б = (13)
Летучей, или горючей, серой называется
8л = 8о + 8,. (14)
Состав топлива выражают в процентах по массе.
В топочной технике различают рабочую, сухую и горючую массы топлива. В связи с этим при буквенном обозначении вещества, входящего в состав топлива, вверху ставят буквы р, с, или г. Под рабочей массой топлива понимают топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю. Состав рабочей массы топлива выражают так:
СР + НР + ОР + ^ + Б^ + ЗР-Н АР + \УР = 100%. (15)
Углерод и водород
- самые ценные части топлива.
Углерод содержится в значительном количестве в топливе всех видов: древесине и торфе 50-58%, в бурых и каменных углях 65-80%, в тощих углях и антрацитах 90-95%, в сланцах 61-73%, в мазуте 84-87% (цифры даны в процентах на горючую массу топлива). Чем больше углерода в топливе, тем больше оно выделяет тепла при сгорании.
Состав рабочей массы топлива значительно зависит от величины балласта, поэтому чаще всего приводятся данные по составу горючей массы топлива, которая более стабильна для топлива каждого вида и месторождения.
Водород является второй важнейшей частью каждого топлива. в топливе водород частично находится в связанном с кислородом выше, составляя внутреннюю влагу топлива, вследствие чего понижается тепловая ценность топлива. Водород играет большую роль в образовании летучих веществ, выделяющихся при нагревании топлива без доступа воздуха. В состав летучих водород входит в чистом виде и в виде углеводородных и других органических соединении.
Содержание водорода в процентах от горючей массы топлива составляет: в дровах и торфе до 6, бурых каменных углях 3,8 - 5,8, горючих сланцах до 9,5, в антраците 2 и в мазуте 10,6 - 11,1.
Кислород, содержащийся в топливе, является балластом. Не будучи теплообразующим элементом и связывая водород топлива, кис:юрод снижает теплоту его сгорания. Содержание кислорода в органической массе топлива с его возрастом снижается с 41% для древесины до 2,2% для антрацита.
Азот также является балластной инертной составляющей топлива, снижающей процентное содержание в нем горючих элементов. При сгорании топлива азот в продуктах сгорания содержится как в свободном виде, так и в виде окислов N0^. Последние относятся к вредным составляющим продуктов сгорания, количество которых должно быть лимитировано.
Сера содержится в топливе в виде органических соединений и колчедана 8к, объединяемых в летучую серу 8л. Кроме того, сера входит в состав топлива в виде сернистых солей - сульфатов (на-пример, гипса СаЗОз), не способных гореть. Сульфатную серу принято относить к золе топлива.
Присутствие серы значительно снижает качество топлива, так как сернистые газы 8О2 и 8О3 (соединяясь с Н2О, образуют На 804) разрушают металл котельного оборудования, попадая в атмосферу, вредно действуют на живые организмы и растительность. Поэтому сера -крайне нежелательный элемент для топлива. Сернистые газы, проникая в рабочие помещения, могут вызвать отравление обслуживающего персонала.
Зола топлива представляет собой балластную смесь различных минеральных веществ, остающихся после полного сгорания всей горючей части топлива. Зола влияет на качество сгорания топлива отрицательно.
Различают три разновидности золы по ее происхождению: первичная - внутренняя, вторичная и третичная. Первичная зола образуется из минеральных веществ, содержащихся в растениях. Содержание ее в топливе незначительно и распределение равномерно. Вторичная зола Получается вследствие заноса растительных остатков землей и песком в период пластообразования. Третичная зола попадает в топливо во время его добычи, хранения или транспортировки.
Зола является нежелательным балластом топлива, снижающим содержание в нем других горючих элементов. Кроме того, зола, образуя отложения на поверхностях нагрева котлоагрегата, уменьшает теплопередачу от газов к воде, пару и воздуху в его элементах. Наличие большого количества золы затрудняет эксплуатацию котлоагрегата. Если зола легкоплавкая, она налипает на поверхности нагрева котла, нарушая нормальный режим его работы (шлакование).
Содержание золы в процентах от рабочей массы топлива составляет: в дровах 0,6, торфе 5-7, в бурых и каменных углях от 4 до 25, в мазуте 0,3.
При сжигании твердого топлива важное значение имеют характеристика золы, степень ее легкоплавкости. Плавкость золы определяют в лаборатории. В особую электропечь помещают несколько выполненных из золы пирамид «конусов» высотой 20 мм со стороной основания 7 мм. Одна из граней пирамиды должна быть перпендикулярна основанию.
В процессе постепенного нагревания пирамид в электрической печи отмечают три точки (рис. 8): температуру начала деформации
определяемую в начале плавления верхушки пирамиды; температуру размягчения І2, которая фиксируется в момент, когда верхушка пирамиды наклонится до основания или же пирамида превратится в шар, и температуру когда содержимое пирамиды растечется до основанию.
Зола бывает легкоплавкой с температурой размягчения ниже 1050°С, вызывающая шлакование топки при сжигании топлива, и тугоплавкой с температурой размягчения выше 1050°С. Учитывая большое влияние зольности на качественные характеристики топлива, для сравнительных подсчетов используют понятие приведенной зольности.
Влага топлива складывается из внешней, или механической, вызванной поверхностным увлажнением кусков топлива и заполнением влагой пор и капилляров, и равновесной, называемой гигроскопической, которая устанавливается в материале при длительном соприкосновении с окружающим воздухом. Содержание внешней влаги определяют высушиванием пробы топлива на воздухе до постоянной массы, а гигроскопической твердого топлива - высушиванием в сушильном шкафу измельченной пробы воздушно-сухого топлива до постоянной массы при 102 -105°С.
Для определения влажности жидкого топлива отстаивают воду в течение суток при 40°С в специальных сосудах и взвешивают всю пробу и воду. При нахождении влажности газообразного топлива пропускают пробу газа через слой хлористого кальция, поглощающего влагу.
В топочной технике используют понятие приведенной влажности, которая показывает, сколько влаги в процентах от рабочей массы топлива приходится на 1 МДж низшей теплоты сгорания
WP = Жр/Яp. (19)
Рис. 8. Характер деформации лабораторного образца золы твердого топлива при определении ее плавкости
Летучие вещества и кокс
Для оценки качества топлива и условий горения большое значение имеет выход летучих веществ. Рхли нагревать топливо без доступа воздуха, то под воздействием высокой температуры (от 200 до 800°С) происходит разложение его на газообразную часть - летучие вещества (водород, метан, тяжелые углеводороды, окись углерода, немного двуокиси углерода и некоторые другие газы, т. е. в основном газообразные горючие вещества) и твердый остаток - кокс.
Выход летучих веществ, их состав, а также температура, при которой они начинают выделяться, определяются химическим возрастом топлива: чем топливо старше по возрасту, тем меньше выход летучих и выше температура начала их выделения. Например, выход летучих торфа составляет приблизительно 70% общей массы горючей части топлива, они начинают выделяться при 120 -150°С; выход летучих бурых и молодых каменных углей уменьшается приблизительно от 13 до 58,5%, они начинают выделяться при 170-250°С, а антрацита - до 4% при температуре начала выделения газов около 400°С.
Летучие вещества оказывают большое влияние на процесс горения топлива: чем больше выход летучих, тем ниже температура воспламенения и легче зажигание топлива и тем больше поверхность фронта пламени. Топливо с большим выходом летучих (торф, бурый уголь, молодой каменный уголь) легко загорается и сгорает быстро с малой потерей тепла. Топливо с малым выходом летучих, например антрацит, загорается значительно труднее, горит медленнее и сгорает не полностью.
Кокс, оставшийся после полного выделения летучих, состоит из углерода и минеральных топливных примесей. В зависимости от вида термически разложенного топлива кокс может быть порошкообразным, слипшимся, спекшимся, сплавленным.
Теплота сгорания топлива. Наиболее важной характеристикой топлива является теплота сгорания, которой называют количество тепла, получаемого при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 нм^ газообразного топлива в кДж/кг (ккал/кг):
1 ккал-4,1868, или 4,19, кДж.
Как указывалось ранее, к горючим элементам в топливе относят углерод С, водород Н и летучую горючую серу 8л. Элементарно их горение может быть представлено следующими уравнениями:
С + 02 = С02; 2Н2 + 02 = 2Н20; S + 02 = S02. (20)
В процессе горения горючих элементов выделяется следующее количество тепла при сжигании 1 кг: углерода - 33,65 МДж (8031 ккал/кг), серы - 9 МДж (2172 ккал/кг), водорода - 141,5 МДж (33770 ккал/кг).
Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Высшей теплотой сгорания (Ql) топлива называют все количество тепла, выделенное при сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива, или 1 нм" газообразного (при нормальных условиях) и превращении водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, в жидкость. На практике, однако, не удается охладить продукты сгорания до полной конденсации и потому введено понятие низшей теплоты сгорания, которую получают, вычитая из высшей теплоты сгорания теплоту парообразования водяных паров как содержащихся в топливе, так и образовавшихся при его сжигании. На парообразование 1 кг водяных паров расходуется 2514 кДж/кг (600 ккал/кг). Для твердого и жидкого топлива низшая теплота сгорания (кДж/кг или ккал/кг)
Числовые коэффициенты в этой формуле подобраны экспериментально. Теплота сгорания твердого и жидкого топлива может быть определена и экспериментально, калориметрическим способом. Теплоту сгорания рабочего топлива определяют в калориметре (рис. 9), который состоит из калориметрического сосуда 5, заполненного водой, калориметрической бомбы 2 с чашечкой для навески топлива, оболочки 6, термометра 4, двойной луппы 3, вибратора электродвигателя, пропеллерной мешалки 1 для перемешивания воды в оболочке и подставки 1. Для нахождения теплоты сгорания топлива в чашечку помещают навеску топлива и сжигают ее, а результаты испытания определяют по показаниям термометра.
Для удобства сравнительных расчетов при сжигании в котельных разных сортов топлива введено понятие «условное топливо», Условным принято считать топливо, теплота сгорания которого равна 29,35 МДж/кг (7000 ккал/кг). Пересчет расхода натураль¬ного топлива в условное, кг, производят по формуле
Производственные плановые задания и отчетные данные но топливу всегда удобно выражать в условном топливе.
Классификация твердого топлива .
По химическому возрасту различают три стадии образования твердого топлива: торфяную, буроугольную и каменноугольную.
Древесина
- это топливо, используемое преимущественно в мелких котельных установках. Широкое применение имеют отходы деревообделочного производства: горбыли, щепа, стружки, опилки, кора и др. Дрова применяют реже.
Влажность воздушно-сухих дров не превышает 25%, полусухих - 35%, свежесрубленных - 50%. Опилки обычно имеют влажность 45 - 60%. К полусухим относят дрова весенней заготовки, пролежавшие не менее 6 мес после рубки, в том числе не менее двух летних месяцев. К сухим относят дрова, пролежавшие после рубки около года в лесу и влажность которых не превышает 30%.
Дрова как топливо характеризуются высоким выходом летучих горючих веществ - до 85% и незначительным содержанием золы - в среднем до 1%, лишь в сплавных дровах зольность повышается до 5%. Следовательно, балласт дров определяется в основном их влажностью, от которой и зависит теплота сгорания. Теплота сго¬рания МШІО зависит от породы дров, что видно из табл. 8,
Рабочий состав и теплота сгорания древесных отходов (щепы, опилок и др.) не отличаются от состава древесины, из которой они получены.
При пониженной теплоте сгорания дрова имеют преимущества: легкую воспламеняемость, отсутствие серы и малую зольность, что позволяет ограничиваться простыми топочными устройствами, работающими эффективно.
Торф
по способу добычи подразделяют на три основных вида: машинно-формовочный (багерный), гидравлический и фрезерный.
При машинно-формовочном способе торфяная масса забирается КЗ торфяного карьера экскаваторами (багерами) и подается на специальные прессы, где получает форму ленты, которая разрезается на отдельные кирпичи, а затем их механически транспортерами распределяют по полю сушки, после чего складывают в штабеля.
Гидравлический способ добычи торфа основан на размывке торфяного массива струей воды, идущей под сильным напором. Получающаяся жижа - пульпа пропускается через специальные растиратели, перекачивается насосами на площадку, где и высушивается.
Высушенная торфяная масса особыми машинами нарезается на кирпичи.
фрезерный способ заключается в том, что торфяное болото последовательно разрабатывается - вспахивается специальными машинами на глубину от 5 до 35 мм. Получаемая торфяная крошка подсушивается, а затем складывается в штабеля.
Торф как топливо по своим свойствам близок к дровам. Влажность торфа колеблется в зависимости от способа добычи, условий сушки и хранения от 30-40 до 50-55%. Влажность же фрезерного торфа выше кускового примерно на 5 -10%. Зольность торфа (А""), добываемого в центральных областях СССР, колеблется от 7 до 15%. Теплота сгорания 02= 8,38 - 10,72 МДж/кг = 3511-4492 ккал/кг).
Ископаемые угли разделяют на бурые, каменные и антрациты.
При классификации угли различают по маркам, классам и группам, а также по составу, крупности, зольности. Марки отличаются одна от другой выходом летучих и степенью спекаемости. Группы углей определяют по величине их зольности. По крупности кусков ископаемые угли делят на классы.
Бурый уголь содержит много влаги, соединяется легко с кислородом воздуха и при длительном хранении на воздухе сильно выветривается и рассыпается в порошок. Кроме того, он обладает большой склонностью к самовозгоранию. По своей структуре отличается повышенным содержанием балласта и необычно высокой гигроскопичностью, вследствие чего влажность бурых углей И^Р = = 17-55%. Бурые угли не спекаются, отличаются большим выходом летучих (Р = 33,5 - 58,5%) на горючую массу и зольностью на сухую массу (А""= 10,5 - 34%), высоким содержанием серы (Рп=0,6-5,9%). Рабочая теплота сгорания 62=10,7 - 17,5 МДж/кг (4177 ккал/кг).
Каменный уголь на территории СССР имеется в огромных количествах и подразделяется: на длиннопламенный, газовый, паровичный жирный, коксовый паровичный спекающийся и тощий. Каменные угли отличаются высокой теплотой сгорания 2н = = 21,20 -28,07 МДж/кг (5097-6700 ккал/кг). Выход летучих Р= 3,5-45%.
Каменный уголь применяют непосредственно как топливо иля перерабатывают на кокс. По виду кокса различают угли неспека- ющиеся (порошкообразный кокс) и спекающиеся (сплавленный кокс, ЕЕногда вспученный). Каменные угли довольно плотны и малопо¬ристы и содержание внешней влаги в них значительно ниже, чем в бурых углях. Многие каменные угли обладают повышенной механической прочностью. В хранении они более устойчивы, меньше подвержены самовозгоранию, а некоторые их виды совсем не самовозгораются.
Антрацит относится к старейшим по происхождению каменным
углям, отличается большой твердостью, трудно загорается, горит коротким пламенем, хорошо выдерживает перегрузки и перевозки.
К ним относят угли с выходом летучих на горючую массу Р= 2-9% и теплотой сгорания горючей массы 25 = 24,35-27,24 МДж/кг (5800 - 6500 ккал/кг). Переходным между каменными углями и антрацитом является полуантрацит. Антрацит и полуантрацит не самовозгораются. Характеристика твердого топлива энергетического назначения приведена в табл. 9.
Марки углей отличаются одна от другой выходом летучих и степенью спекаемости. Различают следующие марки углей: Д (длиннопламенные), Г (газовые), Ж (жирные), КЖ (коксовые жирные), К (коксовые), С (отощенные спекающиеся), Т (тощие), СС (слабоспекающиеся). Все виды углей по размеру кусков делят на
классы (табл. 10).
Горючие сланцы являются продуктами разложения растительных остатков, оседавших на дне больших водоемов; смешиваясь с минеральными осадками, образовывалось илистое вещество - сапропель, которое обогащалось водородом, уплотнялось и превращалось в горючие сланцы.
Сланцы имеют теплоту сгорания = 10,38 МДж/кг (2477ккал/кг), при их сжигании образуется очень большое количество золы Л°=64,5%. Выход летучих у сланцев очень высок: Р=90%, влажность - 13%. Сланцы являются местным топливом.
Таблица 10. Классификация углей по размеру кусков
* Первое слагаемое - зола, второе - двуокись углерода карбонатов (минеральная)
МАЗУТ
В зависимости от вязкости мазут бывает нескольких марок, различающихся температурой застывания, которая всегда выше 0°С, Для наиболее вязких сортов мазута температура застывания - 25°С и выше, поэтому необходим предварительный подогрев такого мазута: при перекачке до 60-70°С, а при сжигании до 140°С.
Температурой вспышки мазута называют такую температуру, при которой пары его образуют с окружающим воздухом смесь, воспламеняющуюся при поднесении к ней огня.
При разогреве мазутов в открытых (без давления) емкостях в целях пожарной безопасности температура подогрева должна быть примерно на 10°С ниже температуры вспышки. В закрытых емкостях (змеевиках, трубах); находящихся под давлением, топливо можно подогревать значительно выше температуры его вспышки.
Жидкое котельное топливо (топочный мазут) по своему элементарному составу мало отличается от сырой нефти. Мазут обычно содержит некоторое количество воды, увеличивающееся после водных перевозок, а также при разогреве в цистернах острым паром. Согласно ГОСТ 10585 - 75 мазут подразделяют на шесть марок: Ф5, Ф12, М40, МЮО, М200 и МП, из них в стационарных котельных установках сжигают мазут трех марок - М40, МЮО и М200. Характеристика мазута разных марок приведена в табл. И.
Таблица 11. Характеристика мазута :
На протяжении всей истории развития человечества, люди постоянно были связаны с получением и использованием в своих целях различных видов энергии. Люди пользовались тепловой энергией в целях обогрева жилища, приготовления пищи, изготовления различных видов предметов быта и орудий труда.
С самого начала люди использовали нефть и уголь, которые при сжигании дают приличное количество тепла. На данный момент само понятие «топливо» подразумевает те вещества, которые при сжигании выделяют тепло в больших размерах. Данные вещества добываются промышленным способом и в зависимости от вида распространены на поверхности и в глубине Земли.
На данный момент самыми распространенными видами топлива являются нефть, нефтепродукты, уголь, природный газ, древесина, растительные виды топлива или отхода, торфяные соединения, горючие сланцы. Самыми сложными в использовании, но с другой стороны тепловыделяющими веществами являются вещества, которые используются на атомных электростанциях в ядерных реакторах, а также в ракетных и космических двигателях.
Вообще, все виды топлива можно классифицировать, например, по агрегатному состоянию. Т.е. получается существует твердое топливо (древесина, горючие сланцы, торф и уголь), жидкое топливо (нефть, нефтепродукты) и газообразное топливо (природный газ, водород). Возможно разделять топливо еще и по происхождению - растительное, минеральное и продукты промышленной деятельности, в частности, переработки.
Практически во всех видах топлива есть такой элемент как углерод, он может содержаться в количестве от 30-85% от общей массы вещества. В химический состав топлива могут входить также такие вещества, как водород, кислород, азот, сера, зола и вода.
Все виды топлива не могут быть одинаково эффективны и полезны. В основном это различие заключается в количестве тепла, которое выделяется при его полном сжигании. К примеру, при сжигании древесины выделяется 10,5 МДж, бензина - 45 МДж, а вот каменного угля - 20 МДж. Величина тепла, которое выделяется при полном сжигании топлива, прямо пропорционально зависит от того, сколько содержится в топливе углерода и водорода, и обратно пропорционально зависит от содержания азота и кислорода.
Также топливо можно разделить по жаропроизводительности, так, например, при сжигании бензина выделяется 2100 градусов Цельсия, при сжигании каменного угля - 2030 градусов Цельсия, а при сжигании древесина - 1600 градусов.
На сегодняшний день самым распространенным видов топлива является нефть, а до 70-х годов таким видом топлива являлся уголь. Нефть на данный момент является самым энергоэффективным топливом, и скорее всего топливо природного происхождения уже навсегда останется самым ходовым видом топлива.
Практически весь объем топлива, который сейчас добывается сжигается полностью. Только 10% из этого объема остается на переработку химической промышленностью (газ и нефть). Сейчас почти 80-90% топлива расходуется на нужды тепловых электростанций, атомных электростанций, в тепловых двигателях и на тепловые нужды. Эти нужды могут обеспечиваться потребностью в отоплении производственных помещений, жилых домов и крупных промышленных предприятий.
Крайняя медленная воспламеняемость до сих пор является основным недостатком природных видов топлива.
Посредством того, что потребности в энергетических ресурсах у человека с каждым днем растут и потребление топлива все время увеличивается, все ближе наступает день, когда энергетический кризис наступит, и это, к сожалению, неизбежно. Поэтому поиск новых видов топлива все больше заботит сегодняшних ученых и исследователей.
Благодаря научным разработкам и исследованиям, ученые сделали вывод, что не так сильно затронутыми и проработанными являются такие вещества, как вода, водород, газ и другие природные элементы. Поэтому сейчас нужно активно внедрять новые разработки в области применения энергоэффектиных продуктов и анализировать их распределение.
Россия является той страной, которая может похвастаться объемами энергетических ресурсов, уровнем их добычи и применения, поэтому на сегодняшний момент наша страна является одним из главных экспортеров энергоэффективного топлива по всему миру.