Раздел 1. Топливо и топология устройства

Тема 1.1. Топливо

1.1.1. Виды топлива. Основные характеристики топлива

Вещества, способные в процессе каких-либо преобразований выделять энергию, которую можно технически использовать, называют топливом. Различают ядерное и химическое топливо. Ядерное топливо выделяет энергию в результате ядерных преобразований, химическое - в результате окисления горючих элементов топлива. Основными видами химического топлива являются органические топлива: торф, горючие сланцы, угли, природный газ, продукты переработки нефти.

По способу получения различают:

- естественное топливо - это топливо, используемое без переработки (дрова, торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит, горючие сланцы, нефть, природный газ, нефтепромысловый газ);

- искусственное топливо - это топливо, полученное при переработке естественного (брикеты, кокс, полукокс, продукты перегонки нефти, спирты, синтетическое жидкое топливо, генераторный газ, газ подземной газификации углей, сжиженный газ, водород);

- топливные отходы, которые образуются при переработке естественного топлива в искусственное (отходы углеобогащения, металлургический коксик, древесные отходы, мазут, гудрон, доменный газ, коксовый газ, газы нефтепереработки).

В зависимости от агрегатного состояния различают твердое, жидкое и газообразное топливо.

Топливо характеризуется химическим составом и теплотой сгорания. Теплотой сгорания называют количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы или единицы объема топлива. Для сравнения между собой массы различных топлив с разной теплотой сгорания используют понятие условное топливо – такое топливо, теплота сгорания которого составляет 29,4МДж/кг.

Основные характеристики твердого топлива

Основными видами твердого топлива является торф и ископаемые угли, которые образовались в процессе углефикации отмершей растительной массы (древесина, листья, хвоя и т.д.). Отмершие части растений под действием грибков и воздуха постепенно превращались в торф. Скопления торфа преобразовались в бурый уголь. Под действием высокого давления и температуры бурые угли в результате длительных преобразований превращаются в каменные угли, а затем в антрацит. Бурый уголь при длительном хранении вступает в реакцию с кислородом и подвержен самовозгоранию. Каменный уголь используют как топливо или перерабатывают на кокс. Антрацит – старейший по происхождению из каменных углей. Большая твердость, трудно разгорается. Описанный процесс углеобразования характерен для углей гумусового происхождения (гумус – перегной). Исходным веществом в процессе углеобразования могут быть отмирающие растительные и животные микроорганизмы, оседающие на дно озер, заливов и т.д. Они образуют ил (сапропель), при углефикации которого образуются сапропелевые угли. Сапропелевые угли встречаются очень редко и отличаются повышенным содержанием водорода и пониженным содержанием кислорода.

Основными характеристиками твердого топлива являются: состав топлива, зольность топлива, влажность топлива, выход летучих, свойства коксового остатка, теплота сгорания.

1. Состав топлива.

Твердое топливо состоит из углерода, водорода, кислорода, азота, серы, минеральных примесей и влаги. Основным горючим элементом топлива является углерод С, его содержание в твердом топливе от 50 до 94%. Содержание углерода в твердом топливе увеличивается с возрастом топлива.

Водород, содержащийся в топливе, является горючим элементом. Максимальное количество водорода содержится в древесине, но там весь водород связан с кислородом. Это вызывает снижение теплоты сгорания топлива. Снижение содержания кислорода достигается путем коксования топлива. С возрастом содержание кислорода в топливе снижается.

Азот, содержащийся в топливе, в горения не участвует и выделяется в свободном виде. В зоне высоких температур азот может окисляться кислородом, что приводит к загрязнению атмосферы оксидом азота.

Сера является горючим элементом топлива. Содержание серы в твердом топливе незначительно, за исключением сланцев. Сера содержится в топливе в трех видах: органическая S_ор, колчеданная S_к и сульфатная S_с. В горении участвуют только органическая и колчеданная сера, которые составляют летучую серу: S_л = S_к + S_ор. Сульфатная сера входит в минеральную часть топлива и в горении не участвует. При сжигании летучей серы образуются сернистый ангидрид и небольшое количество серного ангидрида , которые загрязняют атмосферу, а серный ангидрид при определенных условиях приводит к коррозии металла. Таким образом, сера является вредной примесью в топливе. Углерод, водород, азот и органическая сера составляют органическую массу топлива.

Органическая масса и колчеданная сера составляют горючую часть топлива.

Минеральная часть топлива А представляет собой неорганические примеси, содержание которых от 5 до 40%. В основном это силикаты, сульфиды, карбонаты, сульфаты, оксиды металлов, фосфаты, хлориды, соли щелочных металлов. Минеральные примеси могут опасть в топливо из углеобразователей, принесены ветром и водой в процессе образования топлива, либо попасть в топливо при добыче от внешнего минерального пласта. В последнем случае минеральные примеси легко отделяются от топлива. Горючая масса и минеральные примеси составляют сухую массу топлива.

2. Зольность топлива

Зола – смесь минеральных веществ, остающихся после полного сгорания всей горючей части топлива. Обычно масса золы несколько меньше массы минеральных примесей. Расплавленная и вновь застывшая зола – шлак. Зола влияет на качество топлива отрицательно, так как снижает содержание в нем горючих веществ. А также зола образует отложения на поверхностях нагрева котлоагрегата, что уменьшает теплопередачу от газов воде, пару, воздуху и затрудняет работу котлоагрегата.

3. Влажность топлива

Влага топлива W снижает теплоту сгорания, создает трудности при транспортировке и сжигании топлива. Влага в топливе делится на внешнюю и внутреннюю. Внешняя влага состоит из поверхностной (попадает в топливо при добыче, транспортировке и хранении) и капиллярной (влага, заполняющая поры топлива, ее количество с возрастом уменьшается). Внешняя влага удаляется из топлива сушкой и механическими средствами.

Внутренняя влага состоит из коллоидной (связана с органической массой топлива, уменьшается с возрастом) и гидратной (влага, входящая в состав молекул). Содержание гидратной влаги невелико, удаляется она только при высоких температурах. Часть коллоидной влаги удаляется подсушкой. Добытое топливо с содержанием влаги называют рабочей массой топлива (см.рис.1.2.).

Пробу, взятую из топлива и поступившую для анализа в лабораторию, называют аналитической массой.

Пересчет с одной массы на другую производится при помощи множителей, приведенных в табл.1.1. Для пересчета каждый элемент заданной массы умножают на множитель, соответствующий искомой массе.

Табл.1.1.

Множители для пересчета состава топлива

заданная масса топлива	искомая масса топлива
	рабочая	аналитическая	сухая	горючая	органическая
рабочая	1
аналитическая		1
сухая			1
горючая				1
органическая					1

С О₂

Н

N

Мин. примеси

S

влажность

Органическая масса топлива

горючая масса

сухая масса

рабочая масса

Рис.1.2. Массы топлива

4. Выход летучих

Выход летучих - это процентное содержание в горючей массе топлива водорода, углеводородов, оксида углерода, углекислого газа и водяных паров, выделяющихся при нагревании топлив. С увеличением возраста топлива выход летучих уменьшается. Чем больше летучих в топливе, тем легче топливо разжечь и поддержать устойчивое горение.

5. Свойства коксового остатка

Кокс – остаток, образовавшийся после отгонки летучих. Это углерод и минеральная часть топлива. Кокс может быть порошкообразным, слипшимся, спекшимся, сплавленным. Спекшийся кокс обладает большой механической прочностью. Топливо, дающее такой кокс, используется в металлургической промышленности. В парогенераторах и водогрейных котлах используют топлива, дающие неспекающийся кокс.

6. Теплота сгорания

Теплота сгорания твердого топлива - количество теплоты, которое выделяется при сжигании 1 кг твердого топлива при стандартных условиях (288К, 0,1 МПа). (КДж/кг). Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива. Если образовавшиеся в результате полного сжигания единицы массы топлива водяные пары конденсируются, то выделившееся количество теплоты называют высшей теплотой сгорания Q . Количество теплоты, выделившееся при полном сгорании единицы массы, за вычетом теплоты, затраченной на образование водяных паров, получающихся при горении, называется низшей теплотой Q . Теплота сгорания определяется экспериментально (при сжатии топлива в калориметрах) или вычисляется по известным значениям теплоты сгорания веществ, входящих в состав топлива.