Различные виды топлива и их характеристики

ТВЕРДОЕ ТОПЛИВО И ЕГО КЛАССИФИКАЦИЯ

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:
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 :

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

Топливо — горючие вещества, используемые для получения тепла. В широком смысле, под топливом понимают, один из видов потенциальной энергии (энергоноситель).

Различают : естественное топливо (непосредственно существующее в природе) — древесина, уголь, торф , природный газ , и искусственное (являющееся продуктом переработки естественного топлива) — древесный уголь , мазут, искусственные газы . В зависимости от величины теплоты сгорания различают: высокосортное топливо (с высокой теплотой сгорания) и низкосортное топливо .

Основной показатель топлива — его теплотворная способность. Для сравнения различных видов топлива существует понятие условного топлива. Теплота сгорания одного килограмма условного топлива (у.т.) равна 29,3 МДж или 7000 ккал, что приблизительно соответствует каменному углю.

Основные виды топлива: твердое, жидкое и газообразное топливо. В зависимости от вида используемого топлива различают: газовые котлы, жидкотопливные котлы, твердотопливные котлы, электрические котлы и комбинированные котлы.

Твердое топливо — древесина, древесная щепа, древесные пеллеты, торф, бурый и каменный уголь, горючие сланцы, сапропель, битуминозные пески. Из твердых видов топлив в отопительных котельных в основном сжигают ископаемые угли — бурые, каменные и антрациты.

Бурый уголь — твердый ископаемый уголь, образовавшийся из торфа; содержит 65-70% углерода, имеет бурый цвет. Относится к группе углей с большим содержанием золы и влаги, поэтому имеет низкую теплоту сгорания — 1800-3250 ккал/кг. К недостаткам данного топлива относится также большое содержание серы, что приводит к усиленной коррозии стальных частей в котельных установках, а также способность к самовозгоранию при длительном хранении в штабелях. Бурый уголь целесообразно сжигать в топках крупных котлов.

Каменный уголь — твердое горючее полезное ископаемое растительного происхождения, черного цвета с блестящей, матовой или полуматовой поверхностью; при сгорании пламя тем больше, чем выше содержание водорода . Ряд органических соединений, входящих в состав каменного угля, обладают канцерогенными свойствами.

Антрацит — старейший из всех групп ископаемых углей. Он сгорает без пламени с выделением небольшого количества дыма, удобен для сжигания в топках любых котлов.

Жидкое топливо — нефть и продукты ее переработки (мазут, керосин, дизельное топливо); масла (сланцевое масло, отработавшее машинное масло, растительные или животные масла). Из жидких топливв отопительных котельных самым распространенным является мазут (остаточный продукт переработки нефти с плотностью 0,96-0,98 т/м³). Его хранят в подземных стальных или железобетонных резервуарах, установленных вне котельных. Емкость резервуаров рассчитывают на потребность не менее 15 сут. работы котельной.

Газообразное топливо — природные и искусственные газы. Газообразное топливо — смесь горючих и негорючих газов. В естественном газе в основном содержатся метан, этан и тяжелые углеводороды, а также негорючие газы — углекислый газ и азот . В среднем природные газы состоят из 96% метана, 2% этана, 0,5% тяжелых углеводородов и 1,5% углекислого газа и азота.

По сравнению с твердым топливом газообразное имеет ряд преимуществ: простота и меньшая трудоемкость обслуживания котлов; лучшее перемешивание горючего с воздухом, в результате чего возможно горение с наименьшим избытком воздуха и, следовательно, меньшими потерями тепла с отходящими газами.

Однако при сжигании газа следует учитывать особенности этого процесса, а также взрывоопасность и ядовитость газа. Природный газ при содержании его в воздухе от 3,8 до 17,8% (по объему) образует смесь, которая при наличии огня или искры взрывается. Утечки газа опасны, так он ядовит.

Топливом называется горючее вещество, используемое в качестве источника получения теплоты в энергетических, промышленных и отопительных установках.

В зависимости от типа реакций, в результате которых выделяется теплота из топлива, различают органическое и ядерное топливо. В настоящее время и по прогнозам до 2030 г. органическое топливо является основным источником энергии (теплоты) для промышленного использования.

В органических топливах теплота выделяется в результате химической реакции окисления его горючих частей при участии кислорода, а в ядерных топливах - в результате распада деления ядер тяжелых элементов (урана, плутония и т.д.).

Классификация органического топлива.

Топливо подразделяется на природное и искуственное. Среди них различают три агрегатных состояния.

Природные:

• твердое - дрова, торф, бурые и каменные угли, антрацит, горючие сланцы
• жидкое - нефть
• газообразное - природный газ

Искусственные:

• твердое - древесный уголь, полукокс, кокс, угольные и торфяные брикеты, пеллеты
• жидкое - мазут, керосин, бензин, содяровое масло, газойль, печное топливо
• газообразное - газ нефтяной, газ коксовый и генераторный, газ доменный, газ подземной газификации.

Твердые и жидкие топлива состоят из горючих (углерода - С, водорода - Н, летучей серы - Sл == Sор + Sк) и негорючих (азота - N и кислорода - О) элементов и балласта (золы - А, влаги - W). Элементарный состав твердого и жидкого топлива дается в процентах к массе 1 кг топлива. При этом различают рабочую, сухую, горючую и органическую массу топлива. Рабочая масса - это масса и состав топливо, в котором поступает к потребителю и подвергается сжиганию.

Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов. Горючая часть состоит из предельных и непредельных углеводородов, водорода Н2, окиси углерода СО, и сернистого водорода (Н2S). В состав негорючих элементов входит азот (N2), углекислый газ (СO2) и кислород (О2). Составы природного и искусственного газообразных топлив различны. Природный газ характеризуется высоким содержанием метана (СH4), а также небольшого количества других углеводородов: этана (С2H6), пропана (С3H8), бутана (С4H10), этилена (С2H4), и пропилена (С3H6). В искусственных газах содержание горючих составляющих (водорода и окиси углерода) достигает 25-45%, в балласте преобладают азот и углекислота - 55-75%.

Характеристика топлива

Влажность воздуха. Средняя влажность топлива в рабочем состоянии составляет в %: для торфа 50; сланцев 13-17; каменного угля 5-14 и антрацита 5-8. Бурые угли в зависимости от влажности делят на 3 группы: группа Б1 - более 40% влажности; группа Б2 - 30-40%;
группа Б3 - менее 30%.

Зола топлива. В состав золы входят преимущественно соли щелочных и щелочно-земельных металлов, окислы железа, алюминия, а также сульфатная сера. Минеральные остатки, образующиеся после сгорания топлива, имеют вид либо сыпучей массы (зола), либо сплавленных кусков (шлак). При высоких температурах зола размягчается, а затем плавится. Размягченная зола и шлак прилипают к стенкам обмуровки топки, уменьшая сечение газоходов откладываются на поверхностях нагрева, увеличивая тем самым термическое сопротивление в процессе теплопередачи о газов к нагреваемой среде, забивают отверстия для прохода воздуха в колосниковой решетке, обволакивают частицы топлива, затрудняя их сжигание. Различные виды топлива содержат разное количества золы. Например, в %: древесина - 1; торф - 10; кузнецкий уголь - 10-20; подмосковный бурый уголь - 30; сланцы - 60. Жидкое топливо (мазут) содержит 0,2-1% минеральных примесей.

Летучие вещества. При нагревании твердого топлива до 870-1100 К без доступа окислителя, выделяются парогазообразные вещества, которые называются летучими. Они являются продуктами распада сложных органических веществ, содержащихся в органической массе топлива. В состав летучих веществ входят: азот N2, кислород О2, водород Н2, окись углерода СО, углеводородные газы СH4, С2H4 и т.д, а также водяные пары.

Кокс. Твердый остаток, который получается после нагревания топлива (без доступа окислителя) и выхода летучих веществ. В состав кокса входят остаточный углерод и зола. При низких температурах в твердом остатке кроме золы может оказаться часть элементов (C, H, Sл, N). Тогда твердый остаток называется полукоксом. По своим механическим свойствам кокс может быть порошкообразным, слабоспекшимся и спекшимся. В зависимости от выхода летучих веществ и характеристики кокса каменные угли разделяются на 10 марок: длиннопламенный - Д, газовый - Г, газовый жирный - ГЖ, жирный - Ж, коксовый жирный = КЖ, коксовый - К, коксовый второй - К2, отощенный спекающийся - ОС, слабоспекающийся - СС, тощий - Т.

Наибольший интерес, вызывают нефть и газ, запасы которых довольно ограничены. В то же время, именно их добыча и переработка наиболее экономичны и целесообразны с точки зрения использования рабочей силы и охраны окружающей среды.

В зависимости от характера использования топливо подразделяется (табл.5.2) на: энергетическое, технологическое и бытовое; по агрегатному состоянию – на твердое, жидкое и газообразное; по способу получения - на естественное и искусственное.

Таблица 5.2 – Основные виды топлива

По способу получения	Естественное	Искусственное
По агрегатному состоянию
Твердое	Дрова, торф, ископаемые угли, горючие сланцы	Древесный уголь, кокс, полукокс, торфяные и угольные брикеты
Жидкое	Нефть	Бензин, керосин, мазут масла, газойль
Газообразное	Природный газ, попутный (конденсатный) газ	Доменный, коксовый, конвекторный, генераторный газы

Основными видами органического топлива, используемого в энергетике, являются: твёрдого – угли и торф; жидкого – мазут; газообразного – природный газ. Торф и угли, твердое органическое топливо являются продуктами разложения органической массы растений и отличаются друг от друга химическим возрастом (торф – самое молодое). Древнейшие месторождения угля известны в канадской Арктике (350 млн.лет). Важнейший период углеобразования в истории Земли приходится на интервал последних 350-250 млн. лет. Угленосные отложения в этот промежуток времени обнаружены на всех континентах, но самые большие толщи – в Северной Америке, Европе и Азии, которые в течение периода углеобразования находились в экваториальных и умеренных широтах. Теплый климат и обилие осадков благоприятствовали развитию огромных болот. Формирование угля происходило и в последующие периоды, особенно в меловой
(~ 20 млн. лет назад), но ни в один из них угленакопление не было столь обширным и интенсивным, как в великую угольную эпоху.

Геологи полагают, что большая часть главных угольных бассейнов уже открыта. Мировые запасы всех видов углей оценены в 8620 млрд. т, а дополнительные потенциальные ресурсы – в 6650 млрд. т. При этом извлекаемыми считаются запасы углей в пластах мощностью не более 0,3 м, залегающих на глубине не более 2000 м. Угли, не отвечающие этим требованиям, относятся к потенциальным ресурсам. Примерно 43% углей мира залегают в странах СНГ (бывшего СССР), 29% – в Северной Америке, 14,5% – в странах Азии, главным образом в Китае, 5,5% – в Европе. На остальной мир приходится 8% угля. Хотя уголь во всем мире не является ведущим видом топлива, но трудности в снабжении нефтью и газом ведут к тому, что в ближайшие десятилетия уголь станет господствующим топливом на планете. При этом в течение длительного времени подземная добыча будет, видимо, оставаться преобладающей формой разработки уголь­ных месторождений.

Ископаемые угли подразделяются на бурые, каменные и антрацит: бурые следуют за торфом по химическому возрасту, затем - каменные и антрацит. Значительная роль в обеспечении ТЭК топливом принадлежит нефти и природному газу. Энергетический эквивалент оцененных потенциальных ресурсов (по данным всемирной энергетической конференции) составляет: нефти – (1,510 22) Дж, газа – (1,110 22) Дж. Ресурсы нефти и газа так же, как и угля, расположены на земном шаре очень неравномерно. Регионы, которые, сейчас являются главными производителями нефти и газа, обладают наибольшим потенциалом и для новых открытий. При сохранении существующей скорости роста потребления все ресурсы нефти и газа могут иссякнуть через несколько десятилетий.

Человечество интересуют две проблемы, непосредственно связанные с теплоэнергетикой: на какой срок хватит ТЭР; где грань загрязнения атмосферы?

В настоящее время мировое использование энергоресурсов в течение года эквивалентно 17-25 млрд.т условного топлива, энергоемкость которых эквивалентна 450-500 Эдж (1 эксаджоуль (Эдж) равен 10 18 джоулей). Если исходить из этой цифры и мировых запасов энергоресурсов (табл.5.3.), то только органического топлива человечеству хватит на тысячу лет.

Таблица 5.3 – Мировые энергоресурсы.

	^ Источники энергии	Ресурсы, ЭДж
1.	Невозобновляемые: Ядерная энергия Химическая энергия органического топлива	5,2110 5
2.	Неисчерпаемые: Термоядерная энергия синтеза Геотермальная энергия	2,910 6
3.	Возобновляемая: Солнечная энергия, которая достигает земной поверхности и превращается в тепловую Энергия морских приливов Энергия ветра Энергия рек Биоэнергия лесов	1,510 3

Однако современная технология позволяет добывать далеко не все объемы ТЭР. Не все страны имеют оптимальное соотношение между уровнем добычи ТЭР и их использованием. Все это заставляет констатировать тот факт, что энергетический кризис вполне реален, а человечество сегодня не нашло еще путей его преодоления.

Как видно из табл.5.4., весьма перспективно использование возобновляемых источников ТЭР, однако современная энерготехнология еще далека от их массового использования. К сожалению, человечество далеко еще и от решения проблем использования термоядерной энергии, общие запасы которой просто фантастические – 3,610 9 Эдж (при нынешнем уровне энергозатрат их хватит на 10 млн.лет!).

Что касается Украины, то ее энергетика в настоящем времени находится в тяжелом состоянии, несмотря на то, что только разведанные запасы угля в Украине составляют 47 млрд.т. Однако технология добычи угля не отвечает геологическим особенностям месторождений. Почти 80% объемов ТЭК физическо и морально устарели, уровень затрат энергоресурсов выше уровня их производства. Наблюдается значительный дефицит остальных видов ТЭР, что наглядно демонстрируют данные табл.5.4.

Таблица 5.4 – Энергоресурсы Украины: добыча и потребность

^ Вид топлива	Объемы		Процент обеспеченности собственным ТЭР
	использования	собственного производства
^ Природный газ	112 млрд.м 3	22 млрд.м 3	20%
Нефть	32 млн.т	4 млн.т	12%
Уголь	(?)	140 млн.т	(?)
Ядерное топливо	Твелы производства России	Уран добывает Украина	0

5.2.2. Состав и характеристики органического топлива

Топливо, поступающее в технологические устройства для сжигания, называется рабочим. В его состав входят: углерод, водород, сера, кислород, азот, а также влага W и минеральные примеси А . Указанные элементы образуют сложные химические соединения.

Наличие кислорода и азота, составляет внутренний баланс топлива и снижает его энергетическую ценность. Содержание кислорода в топливе колеблется от 2% (антрацит) до 40% (древесина), в мазуте – меньше 1%. Содержание азота в твердом и жидком топливе не более 1%. Влага и минеральные примеси (зола) составляют внешний баланс топлива. Содержание золы в твердом топливе – 1ч60% (5ч60%) на рабочую массу, в мазуте – 0,1ч0,3%, влаги – 1ч2%.

Собственно горючими в органическом топливе являются углерод, водород и сера. Главная составляющая – углерод: чем выше его содержание, тем выше количество тепла, выделяемого при его сгорании. С увеличением возраста топлива содержание углерода увеличивается, водорода – уменьшается.

Процесс сжигания топлива представляет собой окисление углерода кислородом воздуха. При полном сгорании углерода образуется относительно безвредный диоксид углерода СО 2 и выделяется 32,8 МДж теплоты на 1 кг углерода. При неправильной организации процесса горения (обычно при недостатке воздуха) продуктом сгорания является очень токсичный оксид углерода СО и выделяется всего 9,2 МДж теплоты. Содержание углерода в твердом топливе – 25ч93% на рабочую массу, в мазуте – 83ч85%.

Важной горючей составляющей топлива является водород, содержание которого колеблется в твердом топливе от 2 до 5%, в жидком – от 10 до 15%. Количество теплоты, выделяющееся при сгорании (окислении) водорода составляет 120,8 МДж на 1 кг.

Третий горючий элемент – сера: органическая (в соединениях с водородом, углеродом, азотом и кислородом) – S ор, колчеданная (в соединениях с железом) – S к, сульфатная (в виде солей серной кислоты CaSO 4 , MgSO 4 , FeSO 4 и др.) – S c .

Свойства твердого топлива как горючего материала определяются его составляющими в сухом беззольном состоянии (обозначаются индексом «daf »: dry ask frek -условное состояние топлива, не содержащее общей влаги и золы). Сюда включаются элементы органической массы топлив и колчеданная сера, сгорающая вместе с органической массой. Таким образом, состав топлива характеризуется массовым содержанием образующих его элементов, а именно: С daf +H daf +O daf +N daf +S daf . Здесь S daf –суммарное содержание горючей серы. Сера органическая и колчеданная составляют горючую или летучую серу S daf л =S o daf +S k daf . Сера сульфатная не является горючей и включается в золу. Содержание горючей серы: в твердом топливе – 0ч9%, в мазуте – 0,5ч3%. При полном сгорании 1 кг серы выделяется
9,2 МДж теплоты. При этом образуется токсичный сернистый ангидрид SO 2 и (в небольших количествах) еще более токсичный серный ангидрид SO 3 . Их выброс с продуктами сгорания вызывает загрязнение воздушного бассейна, а в сочетании с водой (водяными парами) является причиной кислотных дождей (H 2 SO 3, H 2 SO 4).

Содержание азота в сухом беззольном состоянии твердых топлив обычно составляет 1ч2% по массе. Несмотря на столь малое количество, азот является весьма вредным компонентом, поскольку при сгорании азотосодержащих соединений в высокотемпературных топках образуются сильнотоксичные оксид NO и диоксид NO 2 (при температуре свыше 1200єС они образуются также и из атмосферного азота).

Внешним балластом топлива является влажность и зола. Влажность твердого топлива в рабочем состоянии может превышать 50% и определяет экономическую целесообразность использования данного горючего материала и возможность его сжигания (например, для превращения одного килограмма воды, взятой при температуре 0єС, в пар комнатной температуры требуется 2,5 МДж теплоты).

Зола включает в себя различного рода минеральные примеси, которые в зависимости от условий сжигания претерпевают изменения. В соответствии с существующими стандартными нормами золу необходимо улавливать, транспортировать в отвалы или (что предпочтительнее) утилизировать и использовать в народном хозяйстве.

Важными характеристиками органического топлива: являются выход летучих веществ (для твердого топлива) и теплота сгорания.

Выход летучих веществ V daf в процентах на сухое беззольное состояние определяется путем прокаливания 1 кг топлива в закрытом тигле при температуре 850±10єС в течение 7 минут, в результате которого образуются газы, водяные пары и углеродосодержащий осадок. Чем больше выход летучих, т.е. чем больше сухой беззольной массы превращается при нагревании в горючий газ, тем проще зажечь это топливо и легче поддержать процесс горения. Органическая часть древесины и горючих сланцев при нагревании почти полностью переходит в летучие вещества (V daf =85ч90%), в то время как у антрацитов V daf =3ч4%. (табл.5.5).

Таблица 5.5 – Основные характеристики украинского твердого топлива.

Основные характеристики	Выход летучих	Содерж. серы S H P	Влажность	Зольность	Теплота сгорания Q H P
Виды топлив
Торф	70%	0,1…0,2%	30…50%	5…23%	10,5…14,6
Бурые угли	40%	0…8%	3040%	15…30%	10,0…17,0
Каменные угли	9…50%	0…8%	5…10%	18…30%	24,0..29,0
Антрациты	2…9%	0…8%	5…10%		~26,0
Полуантрациты	5…9%	0…8%			28ч30

Теплота сгорания - количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива. Различают высшую Q в P и низшую Q н Р теплоту сгорания (теплотворную способность топлива).

Высшая теплота сгорания Q в P – количество теплоты, выделяющееся при сгорании 1 кг твердого, жидкого или 1м 3 газообразного топлива при превращении водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, в жидкость. Низшая теплота сгорания Q н Р меньше высшей на величину парообразования влаги, имеющейся в топливе (W p) или образующейся в результате сгорания водорода топлива (9Н р).

Условное топливо как понятие используется для сравнительных расчетов.

Условное топливо – топливо, теплота сгорания которого принята равной 29,35 МДж/кг (7000 ккал/кг). Перевод действительного количества топлива в условное производится умножением количества данного топлива на его эквивалент Э = Q н P /29,35.

Максимальная низшая теплота сгорания твердых топлив, доходит до Q н Р = 28 МДж/кг, минимальная составляет 10 МДж/кг и ниже (в зависимости от содержания балласта). Теплота сгорания обезвоженных мазутов
Q н Р =39ч41,5 МДж/кг. Поскольку элементный состав всех жидких топлив, полученных перегонкой нефти, практически одинаков, их теплота сгорания примерно равна.

Химический состав первородной нефти и газа практически не изменился и остался в пределах сравнительно узкого ряда химических смесей (табл.5.6).

^ Жидкие топлива . Получают путем переработки нефти. Сырую нефть нагревают до 300370єС, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре t к : сжиженный газ (выход около 1%), бензиновую (около 15%, t к = 30ч180єС) керосиновую (около 17%, t к = 120135єС), дизельную (около 18%, t к = 180350єС). Жидкий остаток с температурой начала кипения 330350єС называется мазутом. Указанные фракции служат исходным сырьем при получении смазочных материалов и топлив для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок (бензина, керосина, дизельных топлив и т.д.).

Таблица 5.6 – Химический состав нефти и природного газа.

До настоящего времени мазут продолжает оставаться основным жидким энергетическим и отопительным топливом. Представляет собой сложную смесь углеводородов, в состав которого входит углерод (С Р = 84ч86%) и водород (H P =10ч12%). Это обеспечивает высокую теплотворную способность мазута (Q H P =40ч41 МДж/кг). Балласт мазута невысок А Р =0,2ч0,3%; W P =0,1ч1%. В состав золы входят соединения ванадия, никеля, железа и др. металлов.

Одним из основных показателей мазута являются вязкость (определяемая по его способности к распылению в зависимости от температуры) и сернистость (определяется содержанием серы: малосернистые (до 0,5%), среднесернистые (до 2%) и высокосернистые (до 3,5%). Мазуты, получаемые из нефти ряда месторождений, могут содержать серы до 4,3%, что резко усложняет защиту окружающей среды и оборудования.

^ Газообразные топлива . Главным является природный газ, основным компонентом которого (85ч98%) служит метан СН 4 . Основные горючие составляющие – тяжелые углеводороды С n H m , водород Н 2 , сероводород Н 2 S, окись углерода СО, балласт – СО 2 , N 2 , SO 2 , H 2 O, O 2 . Теплота сгорания природного газа – 31,0ч37,9 МДж/кг. Природный газ 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 настоящее время весьма актуальна проблема его полного использования.

В промышленности и особенно в быту находит широкое распространение сжиженный газ, полученный при первичной переработке нефти и попутных нефтяных газов: технический пропан (не менее 93% С 4 Н 18 +
+ С 3 Н 6), технический бутан (не менее 93% С 4 Н 10 + С 4 Н 8) и их смеси.

На металлургических заводах в качестве попутных продуктов получают коксовый и доменный газы, используемые там же для отопления печей и технологических аппаратов. Иногда (после очистки от сернистых соединений) коксовый газ применяют для бытового газоснабжения прилегающих жилых массивов. Однако из-за большого содержания СО (5ч10%) он значительно токсичнее природного. Избытки доменных газов чаще всего сжигают в топках заводских электростанций.

В районах расположения угольных шахт своеобразным «топливом» может служить метан, выделяющийся из пластов при их вентиляции. Однако при этом надо иметь в виду, что концентрация метана в смеси с воздухом более 5%, но менее 15% – взрывоопасна.

В последние годы в Украине вновь возродился интерес к газам, полученным путем газификации, (генераторным) или путем сухой перегонки (нагрев без доступа воздуха) твердых топлив, в первую очередь, труднодоступных углей Донецкого месторождения.

Все большее применение в ряде мест находит биогаз-продукт анаэробной ферментации (сбраживания) органических отходов (навоза, растительных остатков, мусора, сточных вод и т.д.). Конструкция небольшого ферментатора предельно проста: тепло- и гидроизолированная яма с гидрозатвором, заполненная разжиженным сырьем (влажность 88ч94%) с плавающим в ней колоколом-аккумулятором для вывода газа. С 1 м 3 объема при температуре 30ч40 о С может быть получено около 1м 3 газа, состоящего в основном из метана и диоксида углерода с небольшими добавками сероводорода, азота и водорода. Получающиеся в процессе ферментации жидкие отходы используются в качестве высококачественного удобрения, содержащего вдвое больше связанного азота, чем исходное сырье.

Анаэробное сбраживание отходов крупных животноводческих комплексов позволяет решить чрезвычайно острую проблему загрязнения окружающей среды жидкими отходами путем превращения их в биогаз и высококачественные удобрения.

Часть 6 ЭНЕРГОГЕНЕРИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ
^ НА ОРГАНИЧЕСКОМ ТОПЛИВЕ

6.1. Котельные установки

6.1.1. Общие сведения

В зависимости от вида вырабатываемого рабочего тела котельные установки подразделяются на паровые, вырабатывающие водяной пар требуемых параметров, и водогрейные, которые выдают горячую воду определенной температуры.

По назначению котельные установки делятся на энергетические, про­изводственные (промышленные), отопительно-производственные и отопительные. В энергетических котельных установках вырабатывается пар высокого (р  9 МПа) и среднего (р  3,5 МПа) давлений, предназначенный для дальнейшего преобразования в паровых турбинах на ТЭС.

Производственные котельные установки предназначены для получения водяного пара или горячей воды на различные технологические нужды. В отопительных котельных установках вырабатывают водяной пар низкого давления или нагревают воду только для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых и производственных зданий и сооружений.

Следующим важным признаком классификации котельных установок является расположение в них продуктов горения топлива и рабочего тела (воды, водяного пара). Котельные установки, в которых продукты горения движутся в трубках, а вода – снаружи труб, называют газотрубными, в противном случае – водотрубными (вода движется в трубках, а газы – снаружи).

Отопительные и отопительно-производственные котельные установки могут быть газотрубные и водотрубные, для энергетических целей используются только водотрубные котлы.

И, наконец, важным признаком, по которому классифицируют паро­вые котельные установки, является способ создания движения в них рабо­чего тела. По этому признаку они могут быть с естественной и принуди­тельной циркуляцией.

Источником тепловой энергии в котельных установках служит органическое топливо. Рабочим телом является вода, в отдельных случаях используются высококипящие органические жидкости, например, даутерм, дифениг и др. Применение последних обусловлено их теплофизическими свойствами, в первую очередь, высокой температурой кипения и конденсации при низких (в сравнении с водой) давлениях. Это позволяет повысить КПД бинарного цикла, в котором водяной пар обеспечивает возможность использования нижнего температурного предела, а органические жидкости – верхнего.

Рабочий процесс в котельных установках состоит из следующих конечных стадий: 1) горение топлива; 2) теплопередача от горячих дымовых газов к воде или пару; 3) парообразование (нагрев воды до кипения и ее испарение) и перегрев насыщенного пара.

Котельная установка состоит из котла соответствующего типа и вспомогательного оборудования, обеспечивающего его работу.

Котел – конструктивно объединенный в одно целое комплекс устройств для получения пара или нагрева воды под давлением. Основными элементами котла являются топка и теплообменные поверхности. Взаимное расположение топки и газоходов, в которых размещаются теплообменные поверхности нагрева, т.е. компоновка котла, определяется свойствами сжигаемого топлива, паропроизводительностью и выходными параметрами пара.

Различают П-, Т- и N-образные и башенную компоновки котла (рис.6.1). При сжигании мазута, природного газа, как правило, используется П-образная компоновка (рис.6.1, а ), при которой котел имеет два вертикальных газохода (топочную камеру и конвективную шахту) и соединяющий их горизонтальный газоход. При сжигании твердых топлив она применяется в котлах паропроизводительностью D до 1000-1600 т/ч.

Т-образная компоновка (рис.6.1, в ), способствующая уменьшению глубины конвективной шахты и высоты соединительного газохода, применяется для мощных котлов (D  1000 т/ч), работающих на твердых топливах. Для углей с высокоабразивной золой Т-образная компоновка применяется для котлов, начиная с D  500 т/ч.

N-образная компоновка котла (рис.6.1, б ) используется при сжигании топлив с высоким содержанием в золе оксида кальция и щелочей. Котел выполняется трех- или четырехходовым, с подъемной или инвертной топкой и ширмами в промежуточных газоходах.

Для мощных котлов при сжигании газа и мазута или твердого топлива (в том числе бурых углей с большим содержанием высокоабразивной золы) может быть использована башенная компоновка котла (рис.6.1, г ) в сочетании с открытой и полуоткрытой компоновками котельной установки.

Для нормального функционирования котла необходимо обеспечить подготовку и подачу к нему топлива, подачу окислителя для горения, а также удалить образующиеся продукты сгорания, золу и шлак (при сжигании твердого топлива) и др.