Невозобновляемые источники энергии

1.2.1. Органические топлива (горючие)

Основные сведения. Топливом может быть названо любое веще­ство, способное при горении (окислении) выделять значительное количество теплоты. По определению, данному Д.И. Менделеевым, «топливом называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения тепла». Практическая целесообразность топлива определяется его количественными запасами, удобствами добычи, скоростью горения, теплотворной способностью, возможностью длительного хранения и безвредностью продуктов сгорания для людей, растительного и животного мира и оборудования. Существуют естественные (природные) виды топлив и искусственные.

Процесс освобождения химической энергии представляет собой реакцию окисления горючего. Поэтому химические топлива состоят из горючего и окислителя.

Горючие топлива бывают органического и неорганического «происхождения. Они могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Окислителями служат вещества, включающие элементы с незапол-ненными внешними атомными оболочками, например кислород, у которого не хватает двух электронов, фтор и хлор – по одному.

В энергетике для получения электрической энергии на тепловых электрических станциях (ТЭС) в основном используются топлива органического происхождения.

Все виды органического топлива представляют собой углеводород-ные соединения, в которые входят небольшие количества других веществ.

К твердому топливу относят: каменный и бурый уголь, торф, дрова, сланцы, отходы лесопильных заводов и деревообделочных цехов, а также растительные отходы сельскохозяйственного производства.

Твердые топлива используются в основном на ТЭС для получения электрической энергии, отопления, технологических нужд промыш-ленности.

К жидкому топливу относят нефть, а также различные продукты ее переработки: бензин, керосин, лигроин, разнообразные масла и остаточный продукт нефтепереработки – мазут. Искусственное жидкое топливо и горючие смолы, а также масла получают при переработке твердых топлив.

До 70 % и более жидких топлив используется на транспорте – авиа-ция, автомобили, трактора, суда, железнодорожный транспорт (тепло-возы), около 30 % сжигается в виде мазута на тепловых электростанциях. Сырую нефть в качестве топлива в котельных не применяют.

К газообразному топливу относят природный газ, добываемый из недр земли, попутный нефтяной газ, газообразные отходы металлургического производства (коксовый и доменный газы), крекинговый газ, а также генераторный газ, получаемый искусственным путем из твердого топлива в особых газогенераторных установках.

Газообразные топлива сжигаются на ТЭС для получения электри-ческой и тепловой энергии и в очень небольшом количестве используются на транспорте.

Э лементарный состав твердого и жидкого топлив. Топливо в том вде, в каком оно поступает для сжигания в топки или двигатели внутреннего сгорания и специальные аппараты, называется рабочим.

В общем случае в состав рабочего (твердого или жидкого) топлива входят углерод С, водород Н, кислород О, азот N, летучая сера S, а также негорючие минеральные принеси – зола А и влага W.

Для рабочей массы топлива имеет место очевидное равенство

Характеристика топлива по составу рабочей массы является весьма неустойчивой, поскольку она может значительно колебаться в зависимости от способа его добычи, транспортирования и хранения.

Влага, содержащаяся в топливе совместно с золой, называется балластом топлива.

Балласт значительно снижает ценность топлива, уменьшая его теплоту сгорания. Влага в топливе вредна тем, что, во-первых, на ее испарение при горении расходуется тепло, и во-вторых, уменьшается относительное количество горючего вещества в топливе. Наличие золы не только снижает теплоту сгорания, но значительно затрудняет процесс горения в топке и ее эксплуатацию.

В естественных видах ископаемого твердого топлива встречается сера трех разновидностей:

· органическая , связанная с другими элементами топлива (С,Н, N и О) в виде сложных органических соединений;

· колчеданная в виде пирита, колчедана FeS₂;

· сульфатная в виде солей серной кислоты (гипс, FeSO₄ и др.).

Сульфаты представляют собой высокие окислы серы, поэтому находящаяся в них сера гореть не может. Присутствующие в топливе органическая и колчеданная сера сгорают, образуя токсичный сернистый ангидрид SO₂ и (в небольших количествах) еще более токсичный серный ангидрид SO₃. Выброс их с продуктами сгорания вызывает загрязнение воздушного бассейна.

Органическая и колчеданная сера образуют вместе летучую горючую серу Sл. Таким образом, общее содержание серы в топливе

Sk= + + = + Sл.

Следовательно, в горючую часть топлива входит только летучая сера, остальная сера в горении участия не принимает и может быть отнесена к балласту (зола топлива).

Для правильного представления о тепловых свойствах топлива

вводится понятие горючей массы, для которой

,

где верхний индекс показывает, что процентный состав отдельных элементов отнесен к горючей массе.

Название «горючая масса» носит условный характер, так как действительно горючими ее элементами являются только углерод, водород и сера. Углерод - преобладающий компонент твердых и жидких топлив. Его содержание в них обычно колеблется от 50 до 95 %, тогда как содержание водорода составляет обычно от 1 до 11, а серы от 0 до 8 %. Горючую массу можно характеризовать как топливо, не содержащее золы и в абсолютно сухом состоянии. Содержание азота в горючей массе твердых топлив обычно составляет 1 – 2 % по массе. Несмотря на столь малое количество, азот является весьма вредным компонентом, поскольку при сгорании азотсодержащих соединений в высокотемпературных топках образуются сильнотоксичные оксиды NO и NO₂ (они образуются также из атмосферного азота, но в меньшей степени).

Для топлива, содержащего большое количество влаги (бурый уголь, торф, дрова, некоторые растительные отходы), в некоторых случаях удобно использовать понятие сухой массы, т.е. характеризовать состав абсолютно сухого топлива суммой элементов , , , , , . При этом

Для взаимного пересчета массы топлива служат формулы, объ­единенные в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Формулы для пересчета состава топлива с одной массы на другую

Заданная масса топлива	Искомая масса топлива, %
Рабочая	Сухая	Горючая
Рабочая
Сухая
Горючая

Зольность топлива. Золой называют твердое негорючее вещество, остающееся после сжигания топлива в атмосфере воздуха. Зола может быть в виде сыпучей массы с плотностью в среднем 600 кг/м³ и в виде сплавленных пластин и кусков, называемых шлаками, с плотностью до 800 кг/м³

В состав золы большинства видов твердого топлива входят: глинозем А1₂О₃, кремниевая кислота SiO₂, известь СаО, магнезия MgO, щелочь Na₂O, окислы железа FeO и Fe₂O₃.

Часть золы в топливе распределена довольно равномерно; другая часть, представляющая собой пустую породу, захваченную при разработке или добыче топлива, распределена неравномерно, но может быть сравнительно легко отделена. Процесс отделения золы, называемый обогащением твердого топлива, получил широкое распространение, хотя он достаточно дорог и потому применяется лишь для углей, предназ-наченных для коксования.

При высокой температуре зола плавится. Степень легкоплавкости золы в значительной мере зависит от ее состава. Для оценки поведения золы при сжигании топлива весьма существенны температуры начала деформации t _Н.Д, размягчения t _p, а также начала жидкоплавкого состоя-ния t _пл золы, определяемые опытным путем.

Зола способствует разрушению обмуровки топочных устройств и поверхностей камер сгорания, оседает в газоходах теплообменных аппаратов и ускоряет износ поверхностей, обтекаемых забалласти-рованным газовым потоком, а также засоряет окружающую местность.

Влажность топлива определяется высушиванием навески при 105 - 110 °С. Максимальная влажность массы доходит до 50 % и более и определяет экономическую целесообразность использования данного го-рючего материала и возможность его сжигания. Влага снижает темпера-туру в топке и увеличивает объем дымовых газов. Для превращения 1 кг воды в пар комнатной температуры нужно затратить 2,5 МДж теплоты. Увеличенный объем дымовых газов требует дополнительной энергии на их удаление.

Очевидно, что влага является балластной примесью, так как умень-шает тепловую ценность исходного топлива. Кроме того, часть теплоты, выделяемой топливом при его сгорании, расходуется на испарение влаги.

Различают влагу внешнюю и внутреннюю, или гигроскопическую. К внешней относится влага, попадающая в топливо при его добыче, хране-нии или транспортировке, а также капиллярная, заполняющая многочис-ленные поры угля и торфа. Содержание внешней влаги в различных видах топлива колеблется в широких пределах — от нескольких процентов до десятков процентов. Эта влага может быть сравнительно легко удалена высушиванием. Гигроскопическая и коллоидная влажность топлива зависят от его структуры и связана с органическими веществами топлива и его минеральными примесями. В жидком топливе содержится только внешняя влага в капельно-жидком состоянии в виде эмульсии. Применительно к твердому топливу в топочной технике используют понятие приведенной влажности (% кг/МДж), под которой понимают отношение влажности топлива к количеству низшей теплоты сгорания топлива:

Если < 3 %, то топливо считается маловлажным (антрацит, каменные угли). Если = 3,89 - 8%, топливо считается высоковлажным (торф, бурые угли); топлива с промежуточными значениями составляют группу топлив средней влажности.

Летучие вещества. При нагревании твердого топлива без доступа воздуха его органическая масса разлагается, в результате чего образуются газы, водяные и смоляные пары и углеродосодержащий остаток. Суммарное количество выделяющихся летучих веществ увеличивается с ростом температуры и времени выдержки. Этот процесс в основном заканчивается при 700 - 800^ОС, поэтому по ГОСТ 6382-75 выход летучих веществ , % на горючую массу, определяется путем прокаливания 1 г топлива в закрытом тигле при 850 ± 10 °С в течение 7 мин. Выход летучих веществ является важнейшей характеристикой горючей массы топлива и уменьшается по мере увеличения его возраста. Чем больше выход летучих веществ, т.е. чем больше топлива превращается при нагревании в горючий газ, тем проще зажечь это топливо и легче поддерживать устойчивое горение. Органическая часть древесных и горючих сланцев при нагревании без доступа воздуха почти целиком переходит в летучие вещества ( = 85 - 90 %), в то время как у антрацитов = 3 - 4 %. Именно большой выход летучих веществ определяет хорошую горючесть древесины.

Примерный состав некоторых видов твердого топлива представлен в табл.1.3. Как видно из таблицы, основной горючей составляющей являются углерод и водород.

Таблица 1.3

Примерный состав и теплотехнические характеристики горючей массы твердого топлива

Топливо	Состав горючей массы, %	Выход летучих веществ, V,%	Низшая теплота сгора-ния, МДж/кг	Жаро-произ- води-тель-ность	Про-дуктов сгора-ния, %
С	S	Н'	О'	N'
Дрова		-	6,1	42,2	0,6				20,5
Торф		0,3		33,6	2,5		8,12		19,5
Горючий сланец	60-75	4-13	7-10	12-17	0,3-1,2	80-90	7,66		16,7
Бурый уголь	64-78	0,3-6	3,8-6,3	15,26	0,6-1,6	40-60		-	19;5
Каменный уголь	75-90	0,5-6	4-6	2-13	1-2,7	9-50	33.		18,72
Полуантрацит	90-94	0,5-3	3-4	2-5		6-9			19,32
Антрацит	93-94	2-3		1-2		3-4			20,2

Жидкое топливо. Практически все жидкие топлива пока получают путем переработки нефти (бензин, керосин, дизельное топливо и мазут). Мазут, как и моторные топлива, представляет собой сложную смесь жид-ких углеводородов, в состав которых входят в основном углерод (С^р = 84 – 86 %) и водород (Н^р = 10 – 12 %); кроме того, незначительное количество кислорода и азота (О^P + N^p = 1 – 2 %); содержание воды и зольность не превышают 0,2 - 1,5 %.

Мазуты, полученные из нефти ряда месторождений, могут содер-жать много серы (до 4,5 - 5 %), что резко усложняет защиту окружающей среды при их сжигании.

Характеристики жидких топлив – продуктов переработки нефти приведены в табл. 1.4.

Таблица 1.4