Виды топлива и его характеристика

Для нагрева используется также тепловое действие электрического тока и пылевидное топливо. Некоторые группы топлива, в свою очередь, делятся на две подгруппы, из которых одна представляет собой топливо в том виде, в каком оно добывается, и это топливо называется естественным; другая подгруппа — топливо, которое получается путем переработки естественного топлива; это топливо называется искусственным. Твердое топливо: а) естественное — дрова, каменный уголь, антрацит, торф; б) искусственное — древесный уголь, кокс и пылевидное, которое получается из измельченных углей. Жидкое топливо: а) естественное — нефть; б) искусственное — бензин, керосин, мазут, смола. Газообразное топливо: а) естественное — природный газ; б) искусственное — генераторный газ, получаемый при газификации различных видов твердого топлива (торфа, дров, каменного угля и др.),коксовальный, доменный, светильный и другие газы.

Все виды топлива состоят из одних и тех же элементов. Разница между видами топлива заключается в том, что эти элементы содержатся в топливе в различных количествах.

Элементы, из которых состоит топливо, делятся на две группы. К первой группе относятся те элементы, которые горят сами или поддерживают горение. К таким элементам относятся углерод, водород и кислород. Ко второй группе элементов принадлежат те, которые сами не горят и не способствуют горению; к ним относятся азот и вода. Особо от названных элементов стоит сера. Она является горючим веществом и при горении выделяет тепло, но ее присутствие в топливе нежелательно, так как при горении серы выделяется сернистый газ, который переходит в нагреваемый металл и ухудшает его механические свойства. Выше было сказано, что количество тепла, выделяемое топливом при сгорании, измеряется калориями. Каждое топливо при горении выделяет неодинаковое количество тепла. Количество тепла (калорий), которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или при сгорании 1 м3 газообразного, называется теплотворной способностью. Теплотворная способность различных видов топлива имеет широкие пределы. Например, для мазута теплотворная способность составляет около 10000 ккал/кг, для качественного каменного угля — 7000 ккал/кг и т. д. Чем выше теплотворная способность топлива, тем оно ценнее, так как для получения одного и того же количества тепла его потребуется меньше. Для сравнения тепловой ценности топлива применяется общая единица измерения. В качестве такой единицы принято топливо, имеющее теплотворную способность 7000 ккал/кг. Эта единица называется условным топливом.Наибольшее распространение для сжигания в кузнечных печах находят следующие виды естественного топлива: бурый уголь, каменный уголь и газообразное топливо. Дрова и торф, обладая низкой теплотворной способностью, почти не пригодны для нагрева металла. Бурые угли. Бурые угли представляют собой наиболее молодые сорта каменных углей. Золы в бурых углях содержится от 9 до 45%. Теплотворная способность от 2500 до 5000 ккал/кг. Только что добытый бурый уголь отличается большим содержанием влаги (до 60%). На воздухе бурый уголь теряет влагу, и содержание ее понижается до 30%. Под влиянием атмосферных условий эти угли быстро выветриваются и превращаются в мелочь. При длительном хранении бурые угли самозагораются. В чистом виде бурые угли лишь некоторых месторождений (карагандинское и др.) используются для кузнечных печей с полугазовыми топками, так как они не могут нагревать металл до необходимой температуры.

Каменный уголь. Каменный уголь—один из основных видов топлива для кузнечных печей. Образуется каменный уголь отложением растений в течение длительного времени. Образующиеся отложения со временем покрываются толстым слоем земли. Под большим давлением, при полном отсутствии воздуха, происходит разложение древесины и образование каменного угля. Процесс образования угля идет очень медленно и длится тысячелетия. В зависимости от длительности образования получаются разные сорта каменного угля с различной теплотворной способностью. Для кузнечных печей наиболее приемлемым является уголь с большим содержанием летучих, т. е. длиннопламенный и газовый. При длинном пламени создается возможность получения более равномерного нагрева металла в печи. Газообразное топливо. Единственным естественным (природным) газом является «горючий газ», который выделяется из земли через естественные выходы или буровые скважины. Теплотворная способность нефтяного (природного) газа около 8000— 8500 ккал/м3 и может доходить до 15000 ккал/м3. В настоящее время естественный газ находит широкое применение в промышленности и в быту, особенно в районах его образования.Среди искусственных видов топлива особое значение для кузнечного производства имеют кокс, древесный уголь, жидкое, газообразное и пылевидное топливо.

Кокс. Кокс получается из каменного угля обработкой в специальных коксовых печах без доступа воздуха. При этом выделяются летучие, образуя богатый по калорийности газ, называемый коксовым, который, в свою очередь, является хорошим топливом. Кокс содержит 87% углерода, 4% летучих веществ, 8% золы и 1—2% серы. Теплотворная способность кокса 5600—7000 ккал/кг. В кузнечном производстве кокс употребляется главным образом в горнах.

Древесный уголь. Древесный уголь выжигается из дров в специальных углевыжигательных печах и является лучшим топливом для кузнечных горнов. В древесном угле содержится очень мало золы и практически совсем не содержится серы. Однако ввиду дороговизны он употребляется редко. Древесный уголь содержит 84 % углерода, 14 % летучих и 2% золы. Теплотворная способность его 7000—8000 ккал/кг. Жидкое топливо. Единственным жидким топливом естественного происхождения, имеющим промышленное значение, является нефть. Сырую нефть как топливо в печах не применяют, а применяют продукт ее переработки — мазут, т. е. остатки, получаемые после отгонки из нефти керосина и бензина. Мазут по составу не постоянен, чаще всего содержит углерода 84—86%, водорода 12,4%, кислорода + азота + серы 1,3%, золы 0,3 %, воды 1—2%. Теплотворная способность мазута 9500—10000 ккал/кг.

Газообразное топливо. Искусственное газообразное топливо получается путем газификации топлива в газогенераторах или как побочный продукт при других процессах, например, при коксовании — коксовальный газ, в доменном процессе—доменный газ. На металлургических заводах в специальных коксовальных печах вырабатывается кокс, который служит топливом для доменных печей. При этом как побочный продукт получается газ, который называется коксовальным. Теплотворная способность этого газа изменяется в пределах от 4000 до 5000 ккал/м3. Для лучшего и более удобного использования твердого топлива его превращают в газ в специальных устройствах, которые называются газогенераторами. Например, из торфа получают торфяной генераторный газ, из каменного угля — каменноугольный генераторный газ и т. д. Теплотворная способность генераторного газа зависит от вида топлива, из которого получен газ, и от способа газификации. Например, торфяной генераторный газ имеет теплотворную способность от 1500 до 1600 ккал/м3, каменноугольный генераторный газ — от 1200 до 1400 ккал/м3. Пылеугольное топливо. Уголь для сжигания в нагревательных печах в виде пыли предварительно размалывается в специальных мельницах до частиц 0,07—0,05 мм. Сжиганием угольной пыли в печах достигается высокая температура нагрева металла. 

Торф является химически и геологически наиболее молодым ископаемым твердым топливом и обладает высоким выходом летучих (V^г=70%), высокой влажностью (W^р=40—50%), умеренной зольностью (A^р=5—10%), низкой теплотой сгорания   МДж/кг (2000—2500 ккал/кг).

Сланцы. В Эстонии большое значение имеют горючие сланцы, добываемые открытым способом. Зольность сланцев очень большая и доходит до A^р=50-60%, влажность также повышенная W^р=l5—20%. Вследствие большого балласта их теплота сгорания низкая   МДж/кг (1400—2400 ккал/кг) при высокой теплоте сгорания горючей массы   МДж/кг (6500—8000 ккал/кг). Высокое содержание водорода в горючей массе H^г=7,5—9,5% обусловливает большой выход летучих у сланцев, достигающий 80—90%, и их легкую воспламеняемость.

Топливо с высокой зольностью и влажностью вследствие большого содержания внешнего балласта целесообразно использовать вблизи места его добычи для уменьшения непроизводительных транспортных расходов на перевозку большой массы золы и влаги. В этом смысле такие топлива принято называть местными. К ним, в частности, относятся некоторые бурые угли, как, например, подмосковные, башкирские, украинские, торф и сланцы.

Мазут. Из жидких топлив в энергетике используется мазут трех марок — 40, 100 и 200. Марка определяется предельной вязкостью, составляющей при 80°С для мазута 40 — 8,0; для мазута 100 — 15,6; для мазута 200 — 6,5—9,5 град. усл. вязкости (°УВ) при 100°С.

В мазуте содержится углерода 84—86% и водорода — 11—12%, содержание влаги не превышает 3—4%, а золы — 0,5%. Мазут имеет высокую теплоту сгорания   МДж/кг (9400—9600 ккал/кг).

По содержанию серы различают малосернистый мазут S^р≤0,5%, сернистый — S^р до 2% и высокосернистый S^р до 3,5%; по вязкости — маловязкий и высоковязкий, содержащий смолистые вещества и парафин. Наиболее вязкие сорта мазута имеют температуру застывания 25—35 ⁰С. В связи с этим при сжигании применяется предварительный нагрев вязких мазутов до температуры 80—120°.

Природный газ. Большое значение в топливном балансе Украины имеют природные газы, представляющие собой смесь углеводородов, сероводорода и инертных газов: азота и углекислоты. Основной горючей составляющей природных газов является метан (от 80 до 98%), что обусловливает их высокую теплоту сгорания. В них инертных газов содержится немного: 0,1—0,3% С0₂ и 1—14% N₂.

Теплота сгорания сухого природного газа   МДж/м³ (8000—8500 ккал/м³).

Доменный газ образуется при выплавке чугуна в доменных печах. Его выход и химсостав зависят от свойств шихты и топлива, режима работы печи, способов интенсификации процесса и других факторов. Выход газа колеблется в пределах 1500-2500 м³ на тонну чугуна. Доля негорючих компонентов (N₂ и CO₂) в доменном газе составляет около 70%, что и обуславливает его низкие теплотехнические показатели (низшая теплота сгорания газа равна 3-5 МДж/м³).

При сжигании доменного газа максимальная температура продуктов сгорания (без учёта тепловых потерь и расхода теплоты на диссоциацию CO₂ и H₂O) равна 1400-1500⁰C. Если перед сжиганием газа его и воздух подогреть, то температуру продуктов сгорания можно значительно повысить.

Ферросплавный газ образуется при выплавке ферросплавов в рудовосстановительных печах. Газ, отходящий из закрытых печей, можно использовать в качестве топливных ВЭР (вторичные энергетические ресурсы). В открытых печах в связи со свободным доступом воздуха газ сгорает на колошнике.

Выход и состав ферросплавного газа зависит от марки выплавляемого сплава, состава шихты, режима работы печи, её мощности и т.п. Состав газа: 50-90% CO, 2-8% H₂, 0,3-1% CH₄, O₂<1%, 2-5% CO₂, остальное N₂. Максимальная температура продуктов сгорания равна 2080 ⁰C. Запылённость газа составляет 30-40 г/м³.

Конвертерный газ образуется при выплавке стали в кислородных конвертерах. Газ состоит в основном из оксида углерода, выход и состав его в течение плавки значительно изменяются. После очистки состав газа примерно таков: 70-80% CO; 15-20% CO₂; 0,5-0,8% O₂; 3-12% N₂. Теплота сгорания газа составляет 8,4-9,2 МДж/м³. Максимальная температура сгорания достигает 2000 ⁰С.

Коксовый газ образуется при коксовании угольной шихты. В чёрной металлургии он используется после извлечения химических продуктов.

Состав коксового газа зависит от свойств угольной шихты и условий коксования. Объёмные доли компонентов в газе находятся в следующих пределах, %: 52-62 H₂; 0,3-0,6 O₂; 23,5-26,5 CH₄; 5,5-7,7 CO; 1,8-2,6 CO₂. Теплота сгорания равна 17-17,6 МДж/м³, максимальная температура продуктов сгорания - 2070 ⁰С.

Высшая и низшая теплота сгорания топлива

Всякая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением тепла и соответственно называется экзотермической или эндотермической. Химические реакции, протекающие в процессах горения, преимущественно сильно экзотермические, некоторые реакции, как, например, реакции восстановления углекислоты, являются эндотермическими.

Количество тепла, выделяющегося при полном сгорании единицы массы данного топлива зависит от того, в паровом или жидком состоянии находится влага в продуктах сгорания. Если водяной пар сконденсируется и вода в продуктах сгорания будет находиться в жидком виде, то тепло парообразования освободится и тогда количество тепла, выделяющегося при сгорании единицы массы топлива, получается больше.

Количество тепла, выделяющегося при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газового топлива, при условии, что образующиеся водяные пары в продуктах сгорания конденсируются, называется высшей теплотой сгорания топлива.

В условиях температур и парциального давления Н₂0 на всем протяжении газового тракта парогенератора водяные пары, содержащиеся в продуктах сгорания, не конденсируются и вместе с ними отводятся в атмосферу. Следовательно, некоторая часть тепла, выделившегося при сгорании затрачивается на образование водяного пара и не может быть использована в парогенераторе. Поэтому теплота сгорания получается меньше освобождающейся при горении химической энергии топлива.

Количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого или 1 м³ газового топлива, за вычетом тепла парообразования водяных паров, образующихся при горении, называется низшей теплотой сгорания.

Условное топливо

Расход топлива на парогенератор данной производительности зависит от его теплоты сгорания, которая для различных топлив изменяется в больших пределах. Для сравнения по энергетической ценности и эффективности использования различных сортов топлив введено понятие об условном топливе, которому присваивается теплота сгорания, равная Q_ycл =29,33 МДж/кг (7000 ккал/кг).

Температура горения топлива

Тепло, выделяющееся при сгорании топлива, воспринимается продуктами сгорания, которые нагреваются до определенной температуры, называемой температурой горения. Различают калориметрическую, теоретическую и действительную температуры сгорания топлива.

В уравнение теплового баланса реального горения входят составляющие, величина которых зависит не только от теплофизических свойств топлива, но и от условий, при которых протекает горение. Например, от степени подогрева топлива и воздуха, потерь теплоты при горении, тепловосприятия в топке, коэффициента избытка воздуха.

Чтобы выявить потенциальные возможности топлива, вводят понятие горения без подогрева топлива и воздуха при идеальном адиабатическом процессе, т. е. горения с теоретическим количеством воздуха, без потерь теплоты и без теплообмена в топочной камере и с окружающей средой. Полученная в этих условиях температура продуктов сгорания называется теоретической.

Калориметрическая температура отражает влияние подогрева топлива и воздуха и коэффициента избытка расхода воздуха α на температуру адиабатического горения. Повышение температуры подогрева топлива и воздуха увеличивает приход теплоты в зону горения и повышает температуру горения, а увеличение коэффициента избытка воздуха a вызывает увеличение объема продуктов сгорания V_г, что понижает температуру горения. Поэтому в зависимости от влияния этих факторов калориметрическая температура может быть выше или ниже теоретической.

В реальных условиях не все тепло, выделяющееся при горении, идет на нагрев продуктов реакции, так как часть тепла передается экранной системе топочной камеры и некоторое количество тепла теряется в окружающую среду; кроме того, при высоких температурах происходит диссоциация части продуктов сгорания (СО₂ и Н₂О), сопровождающаяся поглощением тепла.

Для каждого типа топки, вида и способа сжигания топлива разработана специальная методика расчета теплообмена в топке и определения действительной температуры газов на выходе из топки.

Отношение действительной температуры горения топлива к теоретической называется пирометрическим коэффициентом.