9.3. Соотношение и калорийность топлива

Твердое и жидкое топливо в общем случае состоит из углерода водорода, серы, кислорода, азота, минераль­ных примесей А и влаги W (табл. 9.3.1). Состав топлива в рабочем состоянии, в том виде, в котором оно сжигается, выражается следующим образом:

(У + Нр + Sp + О + № + Ар + W = 100%.

Если из рассмотрения исключить влагу, такое топливо перейдет в сухое состояние. Состав его записывается с ин­дексом «с». Состав топлива как горючего материала, не содержащего минеральные примеси и влагу, определяется в сухом беззольном (горючем) состоянии и записывается с индексом «г».

Собственно горючими в органическом топливе явля­ются углерод, водород и сера. Чем выше содержание угле­рода в топливе, тем больше выделяется теплоты при его сгорании. С увеличением возраста топлива содержание уг­лерода увеличивается (от 40 % у древесины до 93 % у ан­трацита), а водорода — уменьшается (от 6 до 2 %). Кислород, как и остальные элементы, содержится в виде сложных органических соединений. Чем больше в них кислорода, тем большая доля водорода и углерода топлива химически связана с ним, то есть фактически сгорела, и тем меньше выделится теплоты при сгорании единицы массы топлива. С увеличением возраста топлива О_р уменьшается от 42 % у древесины до 2 % у антрацита.

При полном сгорании углерода образуется относитель­но безвредный диоксид углерода СО₂ 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.

При сгорании серы образуется токсичный сернистый ангидрид SO₂; и в небольших количествах; еще более ток­сичный серный ангидрид SO₃. Выброс их с продуктами сгорания вызывает загрязнение воздушного бассейна. Ко­личество серы, входящей в состав органической массы топлива, не зависит от возраста угля и различно в углях разных месторождений (от 1% в углях восточных районов России до 6—9% в украинских и некоторых других углях).

Содержание азота в сухом беззольном состоянии твер­дого топлива обычно составляет 1—2% по массе. Несмотря на столь малое количество, азот является весьма вредным компонентом, поскольку при сгорании азотсодержащих компонентов в высокотемпературных топках образуются сильно токсичные оксиды N0 и диоксиды NO₂.

Максимальная влажность в рабочем состоянии доходит до 50% и более и определяет экономическую целесообраз­ность использования данного горючего материала и воз­можность его сжигания, поскольку для превращения 1 кг воды, взятой при О "С, в пар комнатной температуры нужно затратить примерно 2,5 МДж теплоты.

Зола включает в себя минеральные примеси, занесен­ные водой и ветром в период образования пластов топли­ва, и просто частицы породы, захватываемые вместе с ним при добыче. Небольшое количество минеральных приме­сей (не более 1—2%) входит в состав растений, из кото­рых образовалось топливо.

В соответствии с существующими санитарными нормами, образующуюся при сгорании топлива золу необходимо улавливать.

Транспортировка ее в отвалы усложняет и удорожает производство, поэтому ее стараются использовать в народном хозяйстве (добавка к цементу, раскисление почв).

Зола и шлак (спекшаяся зола) оказывают большое влия­ние на КПД топочного оборудования (загрязнение, за­шлаковка) и его надежность работы (пережог труб и пр.).

Встречается твердое топливо (прежде всего древесина, торф, угли некоторых пластов), зольность которого в су­хом состоянии не превышает 10%. Максимальное значе­ние зольности доходит до 50% и более. Поскольку боль­шая часть золы не связана с органической массой, золь­ность можно существенно уменьшить путем обогащения, то есть отделения пустой породы. Процесс этот достаточ­но дорогой, поэтому применяется главным образом для углей, предназначенных для коксования. Отходы обогаще­ния часто используют в энергетике в качестве топлива.

Важной характеристикой, влияющей на процесс горе­ния твердого топлива, является выход летучих веществ (убыль массы топлива при нагреве его без кислорода при 850 °С в течение 7 мин). По этому признаку угли делятся на: бурые (выход летучих веществ более 40%), каменные (10—40%), антрациты (меньше 10%). У древесины выход летучих веществ составляет 85-90%.

На определенной стадии разложения органической мас­сы при нагревании она может становиться вязкой, теку­чей, пластичной. При дальнейшем разложении пластич­ная масса снова затвердевает. В зависимости оттого, про­исходит пластификация или нет и какова степень ее, кок­совый остаток может быть твердым спекшимся или рых­лым рассыпающимся. В первом случае угли относятся к разряду коксующихся. Запасы таких углей относительно невелики, они весьма дефицитны и используются только для получения металлургического кокса.

В энергетических и технологических установках сжига­ют только угли, непригодные для получения кокса, или коксовые отсевы мельче 10 мм и отходы углеобогащения.

ты, выделяемое при полном сгорании единицы топлива. Теплоту сгорания твердого (Q) и жидкого топлива обычно относят к 1 кг, а газообразного - к 1 м³ (в нормальных усло­виях) на рабочее, сухое или сухое беззольное состояние.

Теплоту сгорания топлива определяют эксперименталь­но. Для этого служат специальные приборы — калориметры.

Различают высшую Q^P_B и низшую ()„ теплоту сгора­ния. В первом случае учитывается теплота конденсации водяных паров, образовавшихся в процессе горения. Счи­тается, что все количество водяных паров, которое полу­чается при сжигании единицы топлива, будет полностью сконденсировано. Во втором случае величина энтальпии водяных паров не учитывается.

В таблице 9.3.1 приведены усредненные характеристи­ки твердых и жидких видов топлива как по составу, так и по теплоте сгорания. Представленные данные характеризуют связь состава топлива с теплотой сгорания. Чем выше в топливе содержание горючих компонентов, тем больше значение теплоты сгорания.

Теплоту сгорания газообразного топлива обычно отно­сят к 1 м³ сухого газа в нормальных условиях и рассчиты­вают через теплоту сгорания составляющих его компонентов. Значения теплоты сгорания основного газообразного топлива приведены в таблице 9.3.2.

Таблица 9.3.1 Состав и теплота сгорания топлива

Вид	Состав топлива, %							Q,
топлива	С	Н	N		S S	А	W		ккал/кг
Древе­сина	48-52	6-7	0,1-0,6		43-45	-	60-100		2990
Торф	25-60	2,6-6	1,1-3,0		15-40	6-50	0-95		1910-5000
Бурый уголь	55-60	4-6,5	-		15-30	9-50	35-62		4620-7420
Антра­цит	94-97	1-3	1,0		3,0	-	-		8200
Нефть	82-87	11-14	0,7-1,8		0,1-5,5	0,3	0,4		10740
Мазут	87,5	10,7	0	7	0,6	0,3	0,2-4,0		9640-9880

Таблица 9.3.2 Состав (%) и теплота сгорания горючих газов (ориентировочно)

Вид	Состав топлива, %											ккал/м3
топлива	СН4	н2			СО		с„н„,	со2	H2S	N2
Природ­ный газ	94,9	—			-		3,8	0,4	—	0,9	8780
Сжижен­ный газ	0,3	Пропан 79%, этан 6%, бутан 11%										21170
Биогаз	55-70	До 0,5		28-43		До 0,5				До 0,5	4310-5500

Оценка эффективности использования топлива при его сжигании в Беларуси и странах СНГ основана на низшей

теплоте сгорания Q^P_H . В США, Англии - на высшей тепло­те сгорания. В других странах Западной Европы как на низ­шей, так и на высшей. Энергетические характеристики

некоторых видов топлива с учетом Q^P_B и Q^P_H даны в таб­лице 9.3.3. Из таблицы видно, что наибольший эффект от использования Q^P_B по сравнению с Q^P_H достигается при использовании природного газа, когда экономия топлива равна 11%, а минимальный эффект соответствует легкому жидкому топливу и равен 6%.

Таблица 9.3.3 Эффект от использования высшей теплоты сгорания топлива

Вид топлива	QPB,		QPb/QPh,	QS-Qfn
	ккал/м3	ккал/м3	ккал/м-1	ккал/м3
Природный газ	9870	8910	1,11	960
Пропан	24350	22380	1,09	1970
Бутан	32055	29550	1,08	25059
Легкое жидкое топливо	9200	8680	1,06	520

Применение топливоиспользующих энергоустановок с охлаждением дымовых газов ниже точки росы, когда полезно используется теплота конденсации водяных паров, позволяет достичь энергосберегающего эффекта.