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

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒