Лекция 12
ТОПЛИВО. ПЕРЕРАБОТКА УГЛЯ
Определение, классификация и состав топлив
Топливом называется одно- или многокомпонентная система, представляющая в результате протекающих в ней процессов источник энергии. Поэтому топлива называют также энергоносителями. По природе процессов, протекающих в топливах при их использовании, они делятся на ядерные и химические.
В ядерных топливах энергия выделяется в результате деления ядер тяжелых элементов, процесса воспроизводства ядерного топлива и управляемого термоядерного синтеза между ядрами легких элементов.
В химических топливах энергия выделяется в результате протекающих в них экзотермических реакций окисления—восстановления.
Ископаемым твёрдым топливом называются естественные твёрдые горючие вещества органического происхождения, образовавшиеся из остатков отмерших растений и планктонов в результате бактериального воздействия.
В настоящее время общепринята биогенная теория происхождения ископаемых твёрдых топлив, согласно которой они образуются в результате синтеза из продуктов разложения растительных остатков за счёт жизнедеятельности микроорганизмов.
В земной коре твёрдые горючие ископаемые находятся в виде углеродистых осадочных пород, образующие месторождения или бассейны.
Химические топлива подразделяются:
1. По происхождению на:
– природные (ископаемые угли, нефть, природный и попутный газы, торф, горючие сланцы),
– искусственные или синтетические (каменноугольный, торфяной и нефтяной кокс, моторное топливо, технологические газы -, полученные пирогенетической переработкой различных видов природного топлива; брикеты и угольная пыль – продукты механической переработки твёрдого топлива).
2. По агрегатному состоянию на: твердые, жидкие, газообразные.
Первые два вида топлив называются также конденсированными.
3. По составу: на унитарные (однокомпонентные), в которых горючее и окислитель находятся в одной фазе (например, баллиститный порох), и многокомпонентные, в которых горючее и окислитель составляют различные фазы.
Многокомпонентные топлива, в свою очередь, делятся на:
– совмещенные, представляющие единую систему из горючего и окислителя (например, твердое ракетное топлива из твердых органического горючего и минерального окислителя),
– раздельные, в которых горючее и окислитель являются отдельными веществами, взаимодействующими в момент их использования как источник энергии.
Энергетика химической промышленности и других отраслей народного хозяйства базируется, в основном, на химическом топливе раздельного типа. Так как в этом случае окислителем является только кислород воздуха, понятие «топливо» относят исключительно к его горючему компоненту. Таким образом, под химическим топливом понимают природные или искусственные горючие органические вещества, используемые в качестве источника энергии или сырья для химической промышленности. В зависимости от назначения химическое топливо делится на:
энергетическое топливо, используемое для выработки тепловой и электрической энергии на ТЭЦ и в котельных, и
технологическое топливо, используемое непосредственно в различных агрегатах химического производства, в том числе, в промышленных печах и для проведения технологических процессов (коксование, выплавка металлов, обжиг, сушка, ректификация и др.).
Для сравнения различных видов топлива и суммарного учета его запасов и расхода используется такая единица как условное топливо (УТ). УТ называется топливо, имеющее низшую теплоту сгорания 29260 кДж/кг. 1 кВт энергии эквивалентен 0,123 г УТ.
Общие запасы химического топлива на Планете оцениваются величиной 12800 млрд. т условного топлива. По запасам энергии химическое топливо расположено в конце ряда потенциальных энергоносителей:
ядерная энергия — энергия солнца — энергия приливов — каменный уголь — горючие сланцы — торф — нефть — энергия ветра — природный газ — энергия рек.
Доля химического топлива в мировом энергетическом балансе составляет около 90%. При этом соотношение между твердым, жидким и газообразным видами топлива меняется. В настоящее время около 70% мирового энергопотребления покрывается за счет использования нефти и газа. Это объясняется их преимуществами перед ископаемыми углями (меньшая себестоимость добычи, транспортабельность, простота использования), а также все возрастающим применением их в качестве сырья для химической промышленности, масштабы которого сопоставимы с их потреблением в качестве источников энергии. Однако ограниченность запасов нефти и газа вновь выдвигает в настоящее время в качестве основного вида химического топлива ископаемые угли.
Эффективность использования химического топлива в качестве источника энергии зависит от условий сжигания и состава топлива. Все природные химические топлива состоят из горючей массы, минеральных веществ и воды (так называемое рабочее топливо). После удаления влаги (W) получают обезвоженное топливо (сухое топливо). Горючая часть топлива включает вещества, содержащие углерод и водород (органическая масса) и окисляемые соединения серы (органические и неорганические сульфиды). Минеральные вещества топлива представляют различные соли металлов (карбонаты, силикаты, сульфаты и др.), образующие при сжигании топлива золу (А). Для различных состояний топлива приняты буквенные обозначения, представленные на схеме (рисунок 12.1).
Рис. 12.1. Состав химического топлива
Основным элементом всех химических топлив является активный углерод (не карбонатный!), который входит в состав биогенных ископаемых (90%) и живых организмов (10%).
Сера:
1) Сера органических соединений и сульфидов при горении топлива окисляется в токсическое вещество оксид серы (IV) SO2.
2) Сера, входящая в состав сульфатов (сульфатная сера) остаётся в золе.
Для использования в качестве химического сырья твердого топлива большое значение имеет также содержание в нем летучих веществ, то есть продуктов, которые удаляются из топлива при нагревании его до определенной температуры без доступа воздуха.
В таблице 12.1 приведены состав и теплота сгорания различных видов химического топлива.
Таблица 12.1. – Средний состав химических топлив
Переработка твёрдого топлива
!!! Наиболее ценны для энергетики и для переработки путём коксования спекающиеся угли с максимальным содержанием углерода и минимальным содержанием балласта – золы, влаги и серы.
Каменные угли
Каменные угли различной природы являются наиболее распространенным видом твердого ископаемого топлива. Это неоднородные твердые вещества черного или черно-серого цвета, включающие четыре типа макроинградиентов, различающихся по блеску, внешнему виду и составу: блестящий (витрен), полублестящий (кларен), матовый (дюрен) и волнистый (фюзен). Соотношение этих ингредиентов, составляющих органическую массу каменных углей, характеризует их структуру, химический и минералогический состав и обусловливает их многообразие и различие свойств.
В состав органической части каменных углей входят битумы, гуминовые кислоты и остаточный уголь.
Важнейшими характеристиками каменных углей, от которых зависят возможность и эффективность их использования, являются зольность, влажность, сернистость, выход летучих веществ и механические свойства, а для углей, применяемых в качестве сырья для термохимической переработки, также спекаемость и коксуемость.
Зольность. Золой называется негорючая часть угля, состоящая из минеральных веществ, содержащихся в топливе. В состав золы входят оксиды алюминия, кремния, железа (III), кальция и магния. Высокая зольность снижает теплоту сгорания угля и ухудшает качество получаемого кокса. Зольность каменных углей колеблется от 3 до 30% и может быть снижена их обогащением. Угли, используемые для коксования, должны иметь зольность не выше 7—7,5% .
Влажность. Общая влажность угля складывается из к пешней, образующей капли или пленку на поверхности, и внутренней (пирогенетической), выделяемой в процессе коксования. Влага, являясь балластом, удорожает транспортировку угля, затрудняет подготовку его к коксованию, хранение и дозировку, а также повышает расход тепла на коксование и увеличивает время коксования. Влажность углей, используемых для термохимической переработки, не должна превышать 7%.
Сернистость. Сера в каменных углях находится в виде колчеданной, сульфатной и органической. Общее содержание серы в углях колеблется от 0,4 до 8%. Так как в процессе коксования большая часть серы остается в коксе и может при выплавке чугуна переходить в металл, вызывая его красноломкость, уголь необходимо десульфировать обогащением.
Выход летучих веществ. Летучими веществами каменного угля называются парообразные и газообразные вещества, выделяющиеся из угля при нагревании его без доступа воздуха при определенной фиксированной температуре. Выход летучих веществ зависит от условий образования, химического состава и степени углефикации угля, а также от температуры, скорости нагревания и выдержки при заданной температуре. С увеличением степени углефикации выход летучих веществ уменьшается. Так, для торфа он составляет около 70%, для бурых углей 65—45%, каменных углей 45-10%, для антрацита менее 10%. Методика выхода летучих веществ стандартизирована. Он определяется нагреванием навески угля при 850°С и выдерживании при этой температуре в течение семи минут.
5. Коксуемость. Это свойство углей рассматривается далее.
6. Спекаемость - характеризуется толщиной образующегося при нагревании пластического слоя. В таблице 2 приведена технологическая классификация углей одного из бассейнов, по которой они делятся на 7 марок (классов).
Таблица 12.2. – Технологическая классификация углей
