5.3. Теплотворная способность топлива

Любое топливо представляет собой смесь сложных органических соединений, поэтому для расчета теплотворной способности невозможно применять термодинамические методы расчета, в частности первое следствие закона Гесса. Для этого требуется знание точного состава топлива. Поэтому используется другой подход, основанный на знании элементного состава. Автором расчетной формулы является Д.И.Менделеев.

Д.И.Менделеев вывел формулу на основании изучения теплоты сгорания различных видов твердого топлива. В формулу входит т.н. рабочее содержание компонентов, то есть содержание компонентов в массе топлива с водой и минеральными веществами. Рабочее содержание обозначается с помощью верхнего индекса "р".

Существует два вида теплоты сгорания – высшая и низшая. Низшая теплота характеризует теплоту, выделяющуюся при сгорании топлива с выделением воды в газообразном состоянии, а высшая – с выделение воды в жидком состоянии. Высшая теплота больше низшей на величину энергии испарения воды, содержащейся в топливе, а также воды, образующейся при его сгорании.

Для расчета низшей теплоты сгорания используется формула:

Q_н^р = 339C^р + 1025Н^р – 109 (O^p – S^p) -25W^p, кДж/кг, (51)

Где W^p – содержание влаги.

Формула применяется в основном для твердого и жидкого топлива, но дает достаточную точность и для расчета теплоты сгорания и газообразного топлива.

Для примера, низшая теплота сгорания древесины и торфа равна примерно 10,5мДж/кг, бурых углей 6-17, каменных углей 17-28, антрацита 25-27, нефти 42-44, мазута 42, а природного газа 60мДж/кг.

Формула Менделеева, хоть и была создана очень давно, широко применяется по настоящее время.

Для расчета высшей теплоты сгорания из низшей применяется формула (52):

Q_в^р = Q_н^р + 25,14(9Н^р + W^p) (52)

5.4. Твердое топливо

Торф является продуктом отмирания и неполного распада остатков болотных растений под воздействием грибков и бактерий в условиях избыточного увлажнения и недостаточного доступа воздуха. Торфяные болота образуются в условиях влажного климата при плоском рельефе местности и плохом стоке воды. При образовании торфа из органической массы растений выделяются СО₂, Н₂О и СН₄. В результате сложных биохимических процессов образуются сложные темноокрашенные гуминовые кислоты, содержащие ароматические соединения и такие функциональные группы, как –СООН (кислотные), –ОН (спиртовые), –С=О (карбонильные), –ОСН₃ (метоксильные). Суммарное содержание гуминовых кислот может достигать 40 – 50%.

В процессе торфообразования увеличивается содержание углерода в топливе за счет снижения содержания кислорода. В зависимости от степени разложения растений соотношение углерода и кислорода в торфе может колебаться в значительных пределах (см. табл. 5). В среднем содержание углерода составляет 58-60%, водорода 6%, кислорода 6%, а серы 0,2 – 0,3%. Сильно меняется и зольность. Для низинных залежей, связанных с грунтовыми водами, зольность может достигать 6 – 18%. Для верховых залежей, снабжаемых атмосферной водой, зольность меньше, и находится в пределах 2 – 4%. В среднем зольность торфа составляет 11%.

Размер площади, занимаемой торфяными месторождениями и болотами, в мире составляет около 350 млн. га, из которых промышленное значение имеет около 100 млн. га. На территории Западной Европы расположено около 50 млн. га, Азии – свыше 100 млн. га, Северной Америки – свыше 18 млн. га. Мировые ресурсы торфа оцениваются величиной более 300 млрд. тонн.

Торф в качестве топлива применяется достаточно давно. В России промышленную добычу торфа начали в 18 веке. Он широко применялся в текстильной промышленности, а позднее и на тепловых электростанциях. В настоящее время торф применяют в котельных установках для коммунально-бытовых нужд, а также для производства торфяных брикетов. Сейчас торф не имеет такого большого промышленного значения, как газообразное или жидкое топливо.

Ископаемые угли, как и торф, имеют растительное происхождение. Они делятся на сапропелевые и гумусовые. Сапропелевые угли в основном образовались из планктона (простейших водорослей) в результате длительного биохимического процесса, называемого углефикацией. Сапропелевые угли отличаются большим содержанием водорода (до 9%) и высоким выходом летучих веществ. Они легко загораются и горят ярким коптящим пламенем.

Гумусовые угли образовались из остатков высших растений - деревьев и гигантских папоротников, произраставших миллионы лет тому назад. В наиболее молодых углях – бурых иногда отчетливо просматривается древесная структура.

Общие геологические запасы углей оцениваются величиной более 1 триллиона тонн.

В зависимости от длительности процесса углефикации различают бурые, каменные угли и антрацит. Образование ископаемых углей проходит следующие стадии: отмершие растения - торф – бурые угли - каменные угли – антрацит. Бурые угли имеют возраст 10-60 млн. лет, каменные – 100-180 млн. лет, а антрацит – 200-250 млн. лет.

В процессе образования бурых углей из древесины выделяются в основном Н₂О, СН₄ и СО₂ и из 1 т. древесины получается около 730 кг бурых углей. При превращении бурых углей в каменные выделяется в основном СО₂ и образуется около 530 кг углей на тонну исходной древесины. При превращении каменных углей в антрацит выделяется Н₂О, СН₄ и СО₂. В итоге из 1 т древесины образуется около 370 кг антрацита. В табл. 5 можно наблюдать, что в процессе углефикации снижается содержание летучих веществ, а также водорода и кислорода, и возрастает содержание углерода в ископаемых углях.

Бурые угли. Наиболее молодые угли, представляющие собой переходную форму от торфа к каменным углям. От торфа бурые угли отличаются большей плотностью и меньшим содержанием растительных остатков. От каменных углей они отличаются окраской бурых тонов. На воздухе бурые угли довольно быстро распадаются на мелкие куски. После отгонки летучих веществ распадается в порошок. Для бурых углей характерно довольно высокое содержание гуминовых кислот и высокая влажность, а также высокий выход летучих веществ. Высшая теплота сгорания горючей массы лежит в диапазоне 22,6 – 31,0 мДж/кг.

Наиболее крупные месторождения и бассейны бурых углей характерны для мезозойского и кайнозойского возраста. Встречаются как в виде небольших прослоек, так и в виде мощных пластов – до 100-120 м; большинство из них доступно для открытой добычи (Канско-Ачинский бассейн в Восточной Сибири, Бабаевское месторождение, Южно-Уральский бассейн, Свободенское месторождение Амурской области, Черновское месторждение в Читинской области и др.).

В зависимости от влажности бурые угли делятся на три группы: Б1 с влажностью свыше 40%; Б2 – 30-40% и Б3 – менее 30%.

Бурый уголь используется как энергетическое топливо и химическое сырье для получения жидкого топлива и различных синтетических веществ, газа и удобрений. Из-за высокой влажности и зольности имеет низкую теплотворную способность и жаропроизводительность, поэтому имеет меньшую ценность как топливо по сравнению с каменными углями.

Каменные угли. Каменные угли являются разновидностью ископаемых углей с более высоким содержанием углерода и большей плотностью, чем у бурых углей. Представляют собой плотную породу черного, иногда серо-черного цвета с блестящей, полуматовой или матовой поверхностью. Высшая теплота сгорания, рассчитанная на влажную беззольную массу, составляет величину не менее 23,8 мДж/кг. Каменные угли представляют собой важнейший вид твердого топлива. В зависимости от марки используется либо для непосредственного сжигания в топках, либо для получения кокса в металлургии.

Антрацит. Антрацит является наиболее углефицированным видом ископаемых углей. Он отличается металлическим блеском и серовато-черным цветом. Антрацит характеризуется значительной вязкостью и раковистым изломом.

В странах СНГ антрацит в основном добывается с Донецком бассейне (Украина). Общие запасы антрацита не превышают 3% от общих запасов ископаемых углей. Он имеет высокое содержание углерода и низкую влажность. Из-за низкого содержания водорода теплота его сгорания ниже, чем теплота сгорания каменных углей.

Антрацит представляет собой ценный вид топлива для газогенераторов, печей и котлов с топками для слоевого сжигания углей. В измельченном виде применяется в камерных топках. Из-за малой термической стойкости, обуславливающей его растрескивание и образование мелочи, повышающей сопротивление шихты, антрацит неприменим в шахтных печах. Однако после специальной термической обработки при 1200°С термостойкость антрацита возрастает, а также увеличивается его пористость и реакционная способность. Поэтому после такой обработки антрацит способен заменять часть кокса в металлургической промышленности.

Антрацит применяют также для получения карбида кальция (сырье для получения ацетилена), и для получения угольных электродов для электрохимической промышленности.

Горючие сланцы. Этот вид ископаемого твердого топлива имеет возраст более миллиарда лет. Встречаются на Кольском полуострове, на Украине, в Сибири, в Северной и Южной Америке и других регионах мира. Общий запас сланцев оценивается в ~200 млрд. т. В Европейской части основные месторождения – Эстонское и Ленинградское, а также Печоро-Вычегодское.

По своему составу горючие сланцы очень разнообразны. Образуются сланцы в основном из остатков простейших водорослей, а также из водорослей подводных лугов и даже низших представителей животного мира. По генезису они могут быть морскими, лагунными и озерными. По составу балласта - глинистыми, карбонатными, кремнистыми. В некоторых сланцах из-за длительного воздействия высоких температур и давлений органическое вещество имеет графитоподобный характер, и такие сланцы характеризуются повышенным содержанием углерода.

Горючие сланцы отличаются довольно большим содержанием водорода (до 10% в горючей массе), и по этому показателю они приближаются к мазуту. Сланцы отличаются сравнительно низким содержанием кислорода в горючей массе и высоким содержанием углерода. Основной недостаток горючих сланцев – высокое содержание балласта (до 60-75%, иногда до 85%). Поэтому они имеют невысокую теплотворную способность и жаропроизводительность, так как основная часть теплоты их сгорания тратится на нагрев минеральных примесей. По этой же причине они менее экономичны при перевозках на большие расстояния. Поэтому для получения тепловой и электрической энергии сланцы используются в основном как местное топливо (например, в Прибалтике). Теплота сгорания сланцев находится в пределах от 4 до 25 мДж/кг, но преобладают в основном сланцы с теплотой сгорания 4 – 6 мДж/кг.

Большим недостатком горючих сланцев является высокое содержание в них серы (в основном колчеданной). Из-за вредного воздействия на окружающую среду выбросов оксидов серы применение сланцев в энергетике во многих странах запрещено.

Горючие сланцы имеют промышленное применение прежде всего как топливо. Кроме того, с помощью специальных технологий из сланцев получают более 60 наименований химических продуктов: сланцевая смола и получаемые из нее фенолы, топливное масло, масло для пропитки древесины, клеи, моющие средства и др.

Некоторые виды золы являются ценным сырьем для промышленности стройматериалов. Например, золы, имеющие не менее 15% оксида кальция, обладают вяжущими свойствами и пригодны для приготовления бетонов и изделий из них. Карбонатные золы находят применение в сельском хозяйстве для известкования кислых почв. Золы алюмосиликатного состава применяются в промышленности стройматериалов (кирпичи, цементы и изготавливаемые из них блоки и панели), а также в дорожном строительстве.

Искусственное твердое топливо. В домашнем и коммунальном хозяйстве применение несортированного топлива создает проблемы: мелкие частицы проваливаются через колосниковые решетки, что приводит к их потере. Поэтому мелкие фракции твердого топлива подвергают брикетированию, причем торф и бурые угли без применения связующего, а каменные угли, антрацит и отсев кокса брикетируют с использованием связующего, например нефтяных битумов. Битумы представляют собой естественные или искусственные асфальтоподобные продукты, получаемые переработкой остатков от перегонки нефти. Они содержат асфальтены – твердые нелетучие асфальтоподобные органические высокомолекулярные вещества. Битумы используют для производства рубероида, битумных мастик для гидроизоляции, асфальта.

При получении брикетов топливо измельчают, сушат и брикетируют с помощью пресса под давлением 1000 – 1200 кг/см² в виде призм или других геометрических тел различного размера.