Склад і характеристики органічного палива

Тверде та рідке паливо, що безпосередньо подають до енерго-технологічних установок для його наступного спалювання, називають робочим. До його складу входять: волога W ^р, мінеральні домішки, що утворюють золу А ^р, вуглець С^р, водень Н^р, сірку S^p, азот N^p, а також ки­сень О^р. Названі елементи утворюють у самому паливі складні сполуки у вигляді тривимірних природних сополімерів. У країнах СНД визначають так званий елементарний склад палива відповідно до співвідношення: W ^р + A ^р + С^р + Н^р + S^p + N^p + О^р = 100 %, де індекс «р» означає робочу масу відповідного елемента палива у відсотках. Волога W^р та зола А ^рстанов­лять зовнішній баласт палива, а азот N^p та кисень О^р - його внутрішній баласт.

Наявність баласту, особливо зовнішнього, знижує енергетичну цін­ність палива.

Уміст вологи та золи в паливі залежить від його виду (табл. 2.3).

Таблиця 2.3. Основні характеристики палива, що видобувають в Україні

Види палива	Основні характеристики
Вихід лег­ких V ,%	Уміст сір­ки Sp, %	Вологість W р ,%	Зольність Ар, %	Теплота зго­рання Q , МДж/кг
Торф	>70	0,1-0,2	30-50	5-23	10,5-14,6
Буре вугілля	>40	0-8	30-40	15-30	10,0-17,0
Кам'яне вугілля	9-50	0-8	5-17	18-30	24,0-29,0
Антрацити	2-9	0-8	5-10	<5	26,0
Напівантрацити	5-9	0-8	<5	<5	28-30

Найсухішими є напівантрацити (W < 5 %), антрацити (5 % < W < 10 %) та кам'яне вугілля (5 % < W^Р < 17 %). Буре вугілля, торф (а також дереви­на) мають найбільшу вологість (до 40 % та більше).

Найменший уміст золи в антрациті та напівантрациті (А^р < 5 %), в окремих видах торфу, а також в деревині. У бурому та кам'яному вугіл­лі вміст золи може сягати 30 % від робочої маси палива та більше.

Уміст кисню в паливі змінюється від 1-2 % (мазут та антрацит) до 15 % (буре вугілля) - 40 % (деревина).

Уміст азоту в твердому паливі не перевищує 1-2 %.

Тепловий ефект або теплота згорання органічного палива залежить від співвідношення між баластом та горючою масою. Горючою масою палива називають ту його частину, яка не має фізичної вологи W^Рта зо­ли A ^р. Склад горючої маси палива визначається співвідношенням: С ^г + Н^г + S^г + N^г + О^г = 100 %. Крім внутрішнього баласту N^г та О^г до скла­ду горючої маси входить вуглець С^г, водень Н^г та сірка S^г.

Основна складова - вуглець: чим вищий його вміст, тим більше теп­лоти виділяється під час згорання палива. Зі збільшенням віку палива вміст вуглецю зростає, водню - зменшується.

Якщо вуглець згорає повністю, то утворюється діоксид вуглецю СО₂ і виділяється 32,8 МДж теплоти на 1 кг вуглецю. Якщо процес горіння погано організовано (наприклад, недостає кисню), то продуктом згорання є токсичний оксид вуглецю CO і виділяється всього 9,2 МДж теплоти на 1 кг вуглецю. Уміст вуглецю у твердому паливі - 25-93 % на робочу ма­су, у мазуті - 83-88 %.

Важливою горючою складовою палива є водень, уміст якого колива­ється у твердому паливі від 2 до 5 %, у рідкому - від 10 до 15 %. Кіль­кість теплоти, що виділяється під час згорання (окиснювання) водню, становить 120,8 МДж на 1 кг водню.

Третій горючий елемент - сірка: органічна (у сполуках з воднем, вугле­цем, азотом і киснем) - S_op, колчеданна (у сполуках із залізом) - S_кол, суль­фатна (у вигляді солей сірчаної кислоти CaSO₄, MgSO₄, FeSO₄ та ін.) - S_c.

Властивості твердого палива як горючого матеріалу визначаються його складовими в сухому беззольному стані: А^с + С^с+ Н^с + S^c + N^с + О^с = 100 %.

До сухої маси палива входить органічна та колчеданна сірка (s^с = S^с_ор + S^с_кол).

Якщо колчеданна маса сірки дорівнює нулеві (S^с_кол = 0), то суху масу палива називають органічною.

Сульфатна сірка не є горючою складовою і входить до складу мінераль­них негорючих домішок.

Уміст горючої сірки: у твердому паливі від 0 до 9 %, у мазуті від 0,5 до 4 %. У процесі повного згорання 1 кг сірки виділяється 9,2 МДж теп­лоти. При цьому утворюється токсичний сірчистий ангідрид SO₂ і (у невеликих кількостях) ще токсичніший сірчаний ангідрид SO₃. Їх викиди з продуктами згорання забруднюють повітряний басейн, а в сполученні з водою (водяними парами) є причиною кислотних дощів через утворен­ня відповідних кислот - H₂SO₃ і H₂SO₄.

Уміст азоту в сухому беззольному стані твердого палива зазвичай становить 1-2 % від маси загальної. Незважаючи на малу кількість, азот -дуже шкідливий компонент, оскільки, згораючи у високотемпературних топках, азотовмісні сполуки утворюють сильнотоксичні паливні оксиди азоту NО та NО₂ (при температурі понад 1200 °С вони утворюються та­кож з атмосферного азоту).

Зовнішнім баластом палива є вологість W і азот N. Фізична вологість твердого палива в робочому стані може перевищувати 50 %. Від неї за­лежить економічна доцільність використання цього паливного матеріалу і можливість його спалювання (наприклад, для перетворення одного кіло­грама води, узятої при температурі 0 °С, на водяну пару кімнатної темпе­ратури потрібно 2,5 МДж теплоти).

Мінеральні домішки, що є в паливі, згораючи, перетворюються на зо­лу та шлак. Відповідно до стандартних норм золу слід вловлювати, транспортувати у відвали або (що доцільніше) утилізувати і використову­вати в народному господарстві.

Важливою характеристикою органічного палива є вихід летких речо­вин (для твердого палива).

Вихід летких речовин V у відсотках до сухого беззольного стану ви­значають, нагрівши 1 кг палива в закритому тиглі без доступу повітря при температурі 850 ± 10 °С протягом 7 хв, у результаті чого утворюють­ся гази, водяні пари і коксовий залишок. Чим більший вихід летких речо­вин, тобто чим більше сухої беззольної маси перетворюється у процесі нагрівання на горючий газ, тим простіше запалити це паливо і легше під­тримати процес горіння. Органічна частина деревини і горючих сланців у процесі нагрівання майже цілком переходить у леткі речовини (V =70-85%), у той час як в антрацитах V = 3-6%(див.табл. 2.3).

Визначаючи склад твердого і рідкого палива, використовують загаль­ний підхід. Однак якщо для рідкого палива враховують лише органічну сірку (наприклад, що входить до складу метилмеркаптану CH₃S), то в складі твердого палива враховують як органічну S_op, так і колчеданну сір­ку S_KM. Остання може входити до складу різних сполук: магнітного кол­чедану Fe, мідного колчедану CuFeS2 та ін.

Відомо технології попереднього очищення твердого палива від кол­чеданної сірки, що дозволяє вирішувати проблеми безпеки на стадії під­готовки палива до спалювання.

Елементарний склад твердого палива значною мірою залежить від родовища, марки та інших показників.

Кам'яне вугілля підрозділяють на такі марки: довгополуменеве, газове, спільне спікливе, газове масне, мас­не, коксівне, пісне, слабоспікливе.

Зміна елементарного складу, у свою чергу, визначає вибір технології спалювання палива, його енергетичні показники й екологічні характерис­тики топкового процесу.

В Україні для класифікації вугілля використовують систему, спільну для всіх країн СНД. Відповідно до цієї системи вугілля поділяють на три основні види: буре, кам'яне, антрацит.

Буре вугілля характеризується тим, що вища теплота згорання вологої беззольної маси становить менше 24 МДж/кг. Залежно від умісту вологи буре вугілля поділяють на три групи: Б1 - уміст вологи більше 40 %, Б2 -від 30 до 40 %, БЗ - менше 30 %.

Для кам'яного вугілля вища теплота згорання вологої беззольної маси становить більше 24 МДж/кг, а вихід летких речовин під час на­грівання - більше 9 %. Антрацит відзначається малим виходом летких речовин (А^р < 9 %).

Теплота згорання - кількість теплоти, що виділяється під час повного згорання 1 кг (1 м³) палива. Розрізняють вищу робочу Qв ^Р і нижчу робочу Qн ^Ртеплоту згорання.

Вища теплота згорання Qв ^Ркількість теплоти, що виділяється під час повного згорання 1 кг твердого, рідкого або 1 м³ газоподібного пали­ва, причому водяна пара, що міститься в продуктах згорання, знаходиться у стані рідини. Нижча теплота згорання Qн ^Р менша за вищу Q_B ^Рна кіль­кість теплоти, витраченої на перетворення вологи в продуктах згорання з фази рідини на водяну пару.

У країнах СНД нижчу теплоту згорання твердого або рідкого палива підраховують за робочою масою палива відповідно до формули Д. І. Мен­делєєва у кілоджоулях на кілограм

Qв ^Р = 339С ^p+ 1 025Н^р- 108,5(О^p - S^p) - 25W^p.

Для порівняльних розрахунків різного палива використовують понят­тя умовного палива.

Умовне паливо - паливо, теплота згорання якого становить 29,35 МДж/кг (7 000 ккал/кг). Дійсні витрати натурального палива у вит­рату умовного переводять множенням витрати цього палива на його еквівалент Е = Qн ^Р/29,35 за формулою

B ^У /B=Qн ^Р/29,35.

Максимальна нижча теплота згорання твердого палива доходить до Qн ^Р= 28 МДж/кг, мінімальна становить 10 МДж/кг і нижче (залежно від умісту баласту). Теплота згорання безводних мазутів становить Qн ^Р = 39...41,5 МДж/кг.

Штучне рідке паливо отримують, переробляючи нафту. Сиру нафту нагрівають до 300..370 °С, після чого отримані пари розділяють на фракції, що конденсуються при різній температурі t_K: зріджений газ (вихід до 1 %), бензинову (до 15 %, t_K = 30...180 °С), гасову (до 17 %, t_K = 120...135 °С), ди­зельну (близько 18 %, t_K = 180...350 °С). Рідкий залишок з температурою початку кипіння 330...350 °С називають мазутом. Зазначені фракції та залишки у вигляді смол слугують вихідною сировиною для одержання бітуму, гудрону, мастильних матеріалів і (у разі глибокої переробки) па­лива для двигунів внутрішнього згорання і газотурбінних установок.

Рідке та тверде вуглеводневе паливо являє собою складні композиції різних елементів. Тому у розрахунках, пов'язаних із спалюванням цього палива, до уваги беруть його елементарний склад у вигляді суми окремих елементів (табл. 2.3-2.5).

Таблиця 2.5. Характеристика елементарного складу енергетичного рідкого палива

Вид палива	Елементарний склад на горючу масу, %	Зольність, %	Воло­гість, %
Cг Сг	Нг	Oг + Nг	Sг	Ар	Wр
Малосірчис-тий мазут	87,8	10,7	0,8	0,7	0-0,2	0-9
Високосірчис-тий мазут	84,0	11,5	0,5	4,0	0,3	0-9

Дотепер мазут залишається основним рідким енергетичним паливом. Він являє собою складну суміш вуглеводнів, до складу яких входять вуг­лець (С^р = 84-88 %) і водень (Н^р= 10-12 %). Це забезпечує високу тепло­ту згорання мазуту (Qн ^Р=40...41 МДж/кг). Баласт мазуту невисокий: A^р = 0,2-0,3 %; W^р = 0,1-1 %. До складу мінеральних домішок А^рвходять сполуки ванадію, нікелю, заліза та інших металів. Одним з основних по­казників мазуту є в'язкість (зумовлює можливість його розпилювання залежно від температури) і сірчистість (визначається вмістом сірки: малосірчисті (S^г < 0,5 %), середньосірчисті (S^г< 2 %) і високосірчисті (S^г > 3,5 %). Мазути можуть містити сірки до 4,3 %, що різко ускладнює захист навколишнього середовища, а також устаткування - через кислот­ну корозію газоходів.

Найпоширенішим газоподібним паливом є природний газ, основним компонентом якого (85-98 %) є метан СН₄. До складу природного газу також входять такі горючі складові: важкі вуглеводні C_nH_m, водень Н₂, сірководень H₂S монооксид вуглецю CO баластні гази: СО₂, N₂, SO₂, H₂O та кисень О₂. Теплота згорання природного газу - 31,0...37,9 МДж/кг. Природний газ очищують від сірчистих сполук, але частина їх (переваж­но сірководень) може залишатися.

У процесі видобутку нафти виділяється так званий попутний газ, що містить менше метану, ніж природний, але більше вищих вуглеводнів і тому виділяє під час згорання більше теплоти. Нині актуальною є проб­лема його повного використання в енергетиці і промисловості.

У промисловості й особливо в побуті широко застосовують зрідже­ний газ, отриманий у результаті первинної переробки нафти і супутніх нафтових газів: технічний пропан (не менше 93 % С₄Н₈ та невелика кіль­кість етану + (С₃Н₆)), технічний бутан (не менше 93 % С₄Н₁₀та невелика кількість пропану + (С₄Н₈)) та їх суміші.

На металургійних заводах у вигляді супутніх продуктів одержують коксовий і доменний гази, які застосовують для технологічних апаратів опалення печей. Іноді (після очищення від сірчистих сполук) коксовий газ використовують для побутового газопостачання. Однак через великий уміст CO (5-10 %) він значно токсичніший від природного газу. Надлишки доменних газів найчастіше спалюють у топках заводських електростанцій.

У районах вугільних шахт своєрідним «паливом» може слугувати ме­тан, що виділяється з шахтних горизонтів під час їх вентиляції. Однак при цьому треба мати на увазі, що концентрація метану в суміші з повіт­рям в діапазоні 5-15 % є вибухонебезпечною.

В останні роки в Україні знову відродився інтерес до газів, що утво­рюються газифікацією твердого палива.

У всьому світі все більше застосовують так званий біогаз - продукт анаеробної ферментації (зброжування) органічних відходів (гною, рос­линних залишків, сміття, стічних вод тощо). Конструкція невеликого фер­ментатора гранично проста: тепло- і гідроізольована яма з гідрозатвором, заповнена розрідженою сировиною (вологість 88-94 %) із плаваючим у ній дзвоном-акумулятором для виведення газу. З 1м³ об'єму при темпе­ратурі 30...40 °С можна одержати близько 1 м³ газу, що складається пере­важно з метану і діоксиду вуглецю з невеликими домішками сірководню, азоту і водню. Рідкі відходи, що утворюються в процесі ферментації, ви­користовують як високоякісні добрива, що містять удвічі більше зв'язаного азоту, ніж вихідна сировина.

Анаеробне зброджування відходів великих тваринницьких комплек­сів дозволяє вирішувати надзвичайно гостру проблему забруднення нав­колишнього середовища рідкими відходами перетворенням їх на біогаз і високоякісні добрива.