2.2. Краткая характеристика твердого и жидкого топлива

Топливом называются сложные органические соединения при сгорании которых выделяется теплота. Раз­личают органическое и ядерное топливо. Органическое топливо преимущественно растительного происхожде­ния; химическая энергия его при окислении превраща­ется в тепловую. При использовании ядерного топлива тепловая энергия выделяется за счет распада ядер атомов некоторых элементов (уран, торий, плутоний). По способу получения топливо подразделяется на естественное и искусственное, которое в зависимости от физического состояния может быть твердым, жидким и газообразным. Естественное твердое топливо — это антрацит, каменный и бурый уголь, сланцы, торф, дрова. Искусственное — кокс, полукокс, древесный уголь и др. Естественным жидким топливом является нефть. При ее переработке получают бензин, керосин, люизин, мазут и др.

Различают три направления использования топлива: в качестве энергетического сырья в производстве элек­трической и тепловой энергии; в качестве энергетиче­ского сырья, непосредственно используемого в произ­водстве различных продуктов, кроме электроэнергии, пара и горячей воды (топливо прямого использования); как сырье для создания различных продуктов неэнерге­тического производства.

Важнейшими характеристиками топлива являются: химический состав, теплота сгорания, температура воспламенения, влажность, вязкость. Топливо состоит из отдельных, не связанных друг с другом элементов. Часть элементов топлива являются горючими, часть — балластными. В связи с этим состав топлива называют элементарным. Элементарный состав твердого и жидко­го топлива (в % по массе) можно представить следующим равенством:

C^p + H^p + S^p + O^p + N^p + A^p + W^p=100%. (2.2)

Индекс «р» означает рабочее топливо, т. е. топливо в том виде, в каком оно поступает для сжигания в топку. К горючим элементам топлива относятся: углерод С^р, водород Н^р и летучая (горючая) сера S^p. Углерод является основным горючим элементом, определяющим энергетическую ценность топлива. В топливе содержится от 50 до 95 % углерода, водорода — от 1 до 11 и горючей серы — от 0 до 8 %.

Кислород О^р не горит, но способствует горению горючих элементов топлива. В процессе горения топлива азот N^p не участвует и с кислородом образует внутрен­ний балласт. Содержание их в топливе уменьшает его горючую часть и снижает тепловую ценность топлива. Содержание в топливе золы и влаги также снижает тепловую ценность. Зола А^р и влага W^p не являются химическими элементами топлива и составляют его внешний балласт.

Рабочая масса в составе топлива является неустой­чивой, так как для одного и того же сорта топлива в зависимости от способа его добычи, хранения, содер­жания в нем серы, золы и влаги характеристики его имеют значительные колебания. В связи с этим для определения качества топлива пользуются также со­ставом, пересчитанным на сухую, горючую и органиче­скую массы топлива, каждая из которых имеет свой состав компонентов. Сухая масса топлива получается при удалении влаги, при удалении золы и влаги — горючая масса, а при удалении золы, влаги и серы получается органическая масса.

Одной из характеристик топлива является теплота сгорания. Теплотой сгорания топлива называется коли­чество тепловой энергии, выделяемое при полном сгора­нии 1 кг топлива. Теплоту сгорания обозначают буквой Q и измеряют в кДж/кг, МДж/кг. Она зависит от химического состава топлива и условий его сжигания. Различают высшую и низшую теплоту сгорания.

Высшей теплотой сгорания называется количе­ство тепловой энергии, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива при условии, что образующиеся при сгорании топлива водяные пары конденсируются и остаются в жидком состоянии.

Низшей теплотой сгорания (которой пользуются при технических расчетах) называется количество тепловой энергии, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива при условии, что пары воды не конден­сируются, а теплота, расходуемая на испарение влаги, которая содержится в топливе, и образуемая в резуль­тате сгорания водорода, не учитывается.

Теплота сгорания различных видов топлива раз­лична и зависит от содержания в нем горючих элементов, влаги, золы. Чем больше горючих элементов в топливе и меньще влаги и золы, тем выше теплота его сгорания. Например, каменный уголь AM, содержащий С^р = 76,4 %, Н^р=1,5 %, имеет теплоту сгорания =27,3 МДж/кг, а бурый уголь Б, содержащий С^р = =41,9 %, Н^р = 2,7 %, имеет теплоту сгорания = 15,2 МДж/кг. Твердое топливо, нагреваясь без до­ступа воздуха, при достижении температуры воспла­менения распадается на твердую и летучую часть.

Твердая часть состоит из углерода и золы. Твердую часть (остаток), полученную из каменного угля, назы­вают коксом, а полученную из древесины — древесным углем.

Летучая часть (летучие вещества) представляет смесь горючих и негорючих газов. К горючим газам относятся окись углерода, водород, различные угле­водороды, к негорючим — кислород, азот, углекислый газ, водяные пары. Топливо с большим выходом летучих веществ легко воспламеняется и характеризуется длинным пламенем и низкой теплотой сгорания (дрова, торф). Топливо с малым выходом летучих веществ (антрацит) имеет короткое пламя, но более высокую теплоту сгорания.

Характеристикой топлива также является темпе­ратура его воспламенения — температура, до которой должна быть разогрета часть топлива (в присутствии воздуха), чтобы затем реакция горения протекала самопроизвольно с выделением теплоты. Для торфа и дров температура воспламенения составляет 225... 300 °С, антрацита — 700 °С. Температура воспламене­ния (вспышки) жидкого топлива 80...180°С. Как указывалось выше, необходимым условием горения является нагревание топлива до температуры воспла­менения (вспышки). Горением называется физико-хи­мический процесс соединения горючих элементов с окислителем (кислородом воздуха), сопровождаю­щийся интенсивным выделением тепловой энергии. В результате процесса горения образуются продукты сгорания, представляющие собой механическую смесь газообразных веществ. Продуктами полного сгорания топлива являются: углекислый газ, сернистый газ, водяные пары, часть кислорода, не вступившая в реак­цию окисления, азот.

Различают полное и неполное сгорание горючих элементов топлива. При полном сгорании процесс протекает по реакции С + О₂ = СО₂. При сгорании 1 кг углерода выделяется 32,9 МДж/кг (2Н₂ + О₂ = 2Н₂О), при сгорании 1 кг водорода выделяется 143,1 МДж/кг тепловой энергии при условии образования воды и 121,9 МДж/кг тепловой энергии при условии образо­вания водяных паров; при сгорании 1 кг серы выделя­ется 9,1 МДж/кг тепловой энергии. При неполном сгорании горючих элементов (недостаток кислорода) процесс протекает по реакции: 2С + О₂ = 2СО, при этом 1 кг углерода выделяет только 9,1 МДж/кг тепловой энергии.

Таким образом, процесс горения должен протекать так, чтобы в топке теплового аппарата не было боль­шого избытка или недостатка воздуха. При избытке воздуха увеличивается объем продуктов сгорания и часть тепловой энергии расходуется на их нагрев, что приводит к понижению температуры в топке и увеличе­нию потерь теплоты с уходящими продуктами сгорания. При недостатке воздуха наблюдается химический не­дожог топлива, часть углерода не сгорает и уходит с продуктами сгорания в виде окиси углерода. Поэтому для обеспечения полного сгорания топлива необходимо определенное количество окислителя (кислорода воз­духа). Минимальное (расчетное) количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива, называется теоретически необходимым и обозначается L_T (по мас­се) и V_T (по объему). Практически при сжигании топлива в топках часть кислорода не участвует в про­цессе горения и для обеспечения полного сгорания топлива к нему подводят воздух, количество которого превышает теоретически необходимое. Такой воздух называют действительно необходимым и обозначают L_Д, V_Д. Отношение действительно необходимого количества воздуха к теоретически необходимому количеству воз­духа называется коэффициентом избытка воздуха:

α= V_Д/V_T= L_Д/L_T. (2.3)

Коэффициент α зависит от вида топлива, способа его сжигания и конструкции топки. Величина коэффи­циента избытка воздуха колеблется в пределах 1,1. ..1,5.

Для получения тепловой энергии на предприятиях общественного питания используется энергетическое топливо. К этому виду топлива относятся естественное твердое топливо, которое подразделяется на ископаемое (антрацит, каменные и бурые угли, торф, горючие сланцы), древесное (дрова из различных пород дерева) в жидкое топливо (мазут), получаемое из нефти.

Антрацит является основным энергетическим топливом — это твердый уголь с большим содержанием углерода, малым содержанием влаги и небольшим выходом летучих веществ (5...10%). Антрацит обла­дает высокой химической стойкостью при хранении, большой плотностью и механической прочностью.

Каменный уголь по сравнению с антрацитом содержит меньше углерода, химически устойчив, при хранений практически не выветривается. Влажность каменного угля несколько выше, чем антрацита. Кроме того, каменный уголь характеризуется большой механи­ческой прочностью, малым выходом летучих веществ и устойчивостью к самовозгоранию.

Бурый уголь характеризуется малой теплотой сгорания, пониженным содержанием углерода, повы­шенным содержанием кислорода и влажности и имеет большой выход летучих веществ. Теплота сгорания бурых углей зависит от содержания влаги и выхода золы и колеблется в широких пределах. Бурые угли имеют незначительную твердость, а следовательно, малую механическую прочность, обладают способно­стью к окислению и самовозгоранию. При хранении выветриваются, превращаясь в угольную пыль. В связи с этим бурые угли относят к местному топливу, пере­возить их на дальние расстояния нецелесообразно.

Торф является продуктом неполного разложения органических веществ растительного происхождения при избытке влаги с малым доступом воздуха. Обычно свежедобытый торф содержит до 40 % влаги, поэтому его необходимо просушивать перед использованием. Торф является малоэффективным видом топлива, так как имеет низкую теплоту сгорания. Торф — это масса буро-черного цвета. По способу добычи различают торф кусковой (определенной формы) и фрезерный (крошка). Торф самовозгорается при неправильном хранении.

Горючие сланцы являются низкокалорийным видом топлива, так же как и торф, относятся к местному топливу. По химическому составу сланцы сходны с нефтью. Сланцы характеризуются повышенной влаж­ностью и зольностью, в органической массе содержат значительное количество водорода, что обусловливает большой выход летучих веществ. Они имеют повышен­ное содержание серы.

Дрова в качестве энергетического топлива при­меняются редко, так как имеют низкую теплоту сгора­ния. Содержание влаги в свежесрубленном дереве составляет 50...60 %. При хранении в течение двух лет влажность снижается до 18...20 %. Дрова харак­теризуются практически отсутствием серы, незначи­тельной зольностью, большим выходом летучих ве­ществ, что обеспечивает хорошую воспламеняемость. Состав органической массы устойчив и практически одинаков для различных пород.

Жидкое топливо — мазут, получаемый из неф­ти, характеризуется большим содержанием углерода и водорода, малым содержанием балласта и имеет высокую теплоту сгорания. Качество мазута зависит от таких показателей, как вязкость, плотность и темпе­ратура воспламенения. Запасы топлива обычно хра­нятся в нефтехранилищах — стальных баках, которые в целях пожарной безопасности располагают под зем­лей. Кроме мазута в качестве жидкого топлива могут применяться дизельное топливо, солярка, керосин.