Энергетическое топливо и его общая характеристика

Топливо органического происхождения подразделяют по агрегатному состоянию на твердое, жидкое и га­зовое, а по способу получения на естественное и искус­ственное. Общая классификации органического топлива приведена в таблице 1.

Таблица 2.3.1. Общая классификация топлив.

В настоящее время для энергетических целей используют практически все приведенные в таблице виды органического топлива, однако для теплоэнергетики наибольшее значение имеют из твердых топлив ка­менные и бурые угли, антрацит и полуантрацит; из жидких – мазут; из газовых – природный газ. В меньшей мере в котлах сжигают отходы углеобогащения, торф и горючий сланец.

Все виды органического топлива, помимо горючей части, содержат негорючие компоненты – балласт. Негорючими компонентами твердого и жидкого топлива являются минеральные примеси, образующие при сгора­нии топлива золу, и вода. Балластом газового топлива являются негорючие газовые компоненты и пары воды.

2.4. Понятие о массах топлив. Элементарный состав.

Горючая часть твердого топлива представляет собой сложный полимолекулярныйкомплекс в большей своей части коллоидальногохарактера, построенный из пяти основных элементов: углерода С, водорода Н, серы S, кислорода О и азота N. Из этих элементов лишь углерод,водороди сера участвуют в горении с выделе­нием тепла. Азот и кислород являются своего рода внутренним балластом горючей части. Так как эти два эле­мента находятся в связанном состоянии с остальными, их включают в горючую часть условно. Строго говоря, к горючей части топлива следует причислить также некоторые соединения минерального происхождения, содержа­щие в своей молекулярной структуре четырехвалентную серу (например, серный колчедан FeS₂). Входящая в состав его сера, обычно именуемая колчеданной, способна к окислению с выделением некоторого количества тепла.

Рис. 2.4.1. Состав твердого топлива.

Горючую часть твердого топлива вместе с азотом, кислородом и колчеданной серой называют условно горючей массой. Условно горючую массу твердого топлива без колчеданной серы принято называть органической массой. При исключении из органической массы серы органической (S_op) эту массу принято называть условно органической массой. Условно горючую массу вместе с минеральными примесями принято называть сухой массой.

Исходное топливо со всем его балластом, включая влагу, называют рабочим топливом (рабочей массой). Рабочее топливо, измельченное до порошкообразного вида и в этом состоянии доведенное до воздушно-сухого состояния в данной лаборатории, т. е. содержащее только гигроскопическую влагу, называется аналитическим (аналитической массой).

Состав различных масс топлива показан на рис. 2.4.1. На рисунке вся сера топлива условно отнесена к группе нелетучих веществ; в действительности же часть ее переходит при термическом разложении топлива в летучие вещества.

О виде массы судят по верхнему индексу, проставляемому у каждого члена соответствующей массы. Пересчет состава твердого топлива с одной массы на другую производят, используя множители пересчета, составленные, на основе следующих балансовых уравнений для различных масс топлива:

- рабочая масса – С^р + H^р +

^- аналитическая масса – С^а + H^а + %;

- сухая масса – С^с + H^c+ + O^c+ N^c+А^С= 100°/₀;

- условно горючая масса – С^г + H^г + + O^г+ N^г= 100%;

- условно органическая масса – С^о + H^о + O^о+ N^о= 100%.

Состав горючей части твердого топлива определяется степенью его углефикации, связанной с характером превращения органического вещества под действием различ­ных физических, химических, а на ранней стадии преобразования исходного растительного материала и микробиологических факторов.

Химический состав газообразных топлив определяется сравнительно просто газовым анализом. Горючая же часть жидких и особенно твердых топлив состоит из весьма сложных органических соединений, молекулярное строение и свойства которых изучены пока еще недостаточно. Элементарный химический состав топлив не может дать полного представления о свойствах топлива, так как он не отражает химической природы входящих в него соединений. Однако он дает возможность производить ряд важных технических расчетов (например, подсчет количества необходимого воздуха для полного горения топлива, объемов продуктов сгорания и т.д.).

Горючая часть топлива содержит углерод С, водород Н, кислород О, азотN исеру S.

Основным элементом горючей части всех топлив является углерод

Углерод в топливе обусловливает выделение основного количества тепла. Однако, чем больше углерода в твердом топливе, тем труд­нее оно воспламеняется.

Содержание водорода в горючей массе твердых и жидких топлив колеблется от 2 да 10%. Много его содержится в мазуте и горю­чих сланцах, меньше всего в антраците. Особенно много водорода в природном газе. При сгорании водород выделяет на единицу веса примерно, в 4,4 раза больше тепла, чем углерод.

Кислород и азот в топливе являются органическим балластом. Наличие их в топливе уменьшает содержание в нем горючих элементов – углерода и водорода. Кислород, кроме того, находясь в соединении с водоpoдом или углеродом топлива, тем самым снижает количество тепла, которое выделяется при сгорании топлива.

Особенно велико содержание кислорода в древесине и торфе. По мере увеличения степени углефикации топлива количество кислорода уменьшается.

Азот при сжигании топлива в атмосфере воздуха не окисляется и переходит в продукты сгорания в свободном виде. В горючей массе различных твердых топлив и мазута он составляет от 0,5 до 2,5%.

Вредной примесью топлива является сера. В твердых топливах она встречается в трех видах: органическая S_op, колчеданная S_K и сульфатная Sс. Органическая сера входит в состав сложных высокомолекулярных органических соединений топлива. Колчеданная сера – это чаще всего железный колчедан FeS₂. Органическая и колчеданная сера окисляются с выделением тепла. Сульфатная сера встречается в топливах в виде сульфатов CaS0₄, MgS0₄ и т. д. Эти соединения при горении почти не разлагаются и переходят в золу.

Общее содержание серы в топливе может быть записано так:

S=S_op+K +S_c,%

Содержание серы в твердых топливах обычно невелико, но в некоторых бурых и каменныхуглях оно доходит до 7–8% на горючую массу топлива.

В нефти сера входит в состав органиче­ских соединений. Количество ее может достигать. 3–3,5%. При переработке нефти большая часть серы переходит в мазут.

В природных газах сера обычно практически отсутствует; только в попутных газах некоторых нефтяных месторождений содержится немного серы в виде сероводорода и сернистого газа.

При горении серы тепла выделяется при­мерно в 3,5 раза меньше, чем при горении углерода. Поэтому наличие ее в топливе уменьшает общее количество тепла, выделяемого топливом при сгорании.

Содержание серы в топливе вызывает сильную коррозию низкотемпературных поверхностей нагрева, так как продуктом окисления ее наряду с сернистым газом S0₂является и серный ангидрид S0₃, который сильно повышает температуру конденсации водяных паров продуктов сгорания топлива.

Наконец, присутствие сернистого газа SO₂ в продуктах сгорания топлива, выбрасываемых ватмосферу через дымовую трубу, при­водит к вредному загрязнению окружающего воздуха.

Топливо| в том виде, в каком оно поступает к потребителю для использования, носит название рабочего. Элементарный химический состав его записывается следующим образом:

здесь – углерод, водород, кислород, азот, сера, зольность и влажность.

В лабораторных условиях поступившее для анализа воздушно-сухое топливо носит название аналитической пробы топлива.

Сухая масса топлива получается после удаления из него влаги:

Безводное и беззольное топливо характеризуют элементарным химическим составом горючей массы:

Понятие горючей массы топлива является условным, так как в нее входит азот, не окисляющийся в обычных условиях горения, и кислород.

Выход летучих веществ

При нагревании твердого топлива происходитраспад термически неустойчивых молекул органических соединений горючей массы с выделением газообразных продуктов разложения и паров конденсирующихся веществ. Наиболее нестойкими при повышении температуры являются сложные углеводороды. Температура начала выхода летучих веществ, количество и состав газообразных продуктов разложения зависят от химического состава топлива. Чем меньше степень углефикации топлива, тем больше оно содержит термически неустойчивых молекул и, следовательно, больше выделяет летучих веществ.

Характер твердого горючего остатка играет решающую роль при определении наиболее рационального пути использования топлива. Угли со сплавленным горючим остатком являются ценнейшим технологическим топливом и идут в первую очередь для производства металлургического кокса. Угли со спекающимся, слабоспекающимся, а также и с порошкообразным коксовым остатком могут использоваться для получения прочного металлургического кокса в смеси с коксующимися углями. При сжигании топлива в пылевидном состоянии величина выхода летучих веществ и характер коксовой частицы оказывают большое влияние на процесс воспламенения и полноту его сгорания.

При сжигании топлив с малым выходом летучих веществ требуется поддержание высоких температур в зоне воспламенения.

Общее тепловыделение при сгорании топлива складывается из теплот сгорания летучих веществ и коксового остатка. При сгорании топлив с малым выходом летучих веществ основное количество тепла выделяется при горении коксовой частицы.

У топлив с большим выходом летучих веществ коксовый остаток получается пористым, что придает ему высокую реакционную способность, т. е. способность легко вступать в реакцию с кислородом и восстанавливать СО₂ в СО. Антрацит, полуантрацит и тощие каменные угли являются малореакционными топливами. Время пребывания малореакционных топлив в топке должно быть достаточно продол­жительным, а пыль очень мелкой.