Топливо и его характеристикиЭнергетическим топливом называются горючие вещества, которые экономически целесообразно использовать для получения в промышленных целях больших количеств тепла. Основными его видами являются органические топлива: торф, горючие сланцы, угли, природный газ, продукты переработки нефти. По способу получения различают природные и искусственные топлива. К природным относятся натуральные топлива: уголь, сланцы, торф, нефть, природные газы. Все они образовались в процессе последовательной углефикации отмершей растительной массы. Из твердых топлив к искусственным относятся кокс, брикеты угля, древесный уголь. Из жидких - мазут, бензин, керосин, соляровое масло, дизельное топливо. Из газовых — газы доменный, генераторный, коксовый, подземной газификации. Основная выработка электрической и тепловой энергии производится на твердом топливе. Бурые угли. Характеризуются высокой гигроскопической и в большинстве случаев высокой общей влажностью, пониженным содержанием углерода и повышенным содержанием кислорода по сравнению с каменными углями. Вследствие сильной балластированности золой и влагой, теплота сгорания бурых углей пониженная (2500-3600 ккал/кг). Каменные угли. Обладают относительно меньшим балластом: и более высокой теплотой сгорания (5500—6500 ккал/кг). Торф. Является химически и геологически наиболее молодым ископаемым твердым топливом и обладает высокой влажностью, умеренной зольностью, низкой теплотой сгорания (2000—2500 ккал/кг). Сланцы. Зольность сланцев очень большая, влажность также повышенная. Вследствие большого балласта их теплота сгорания низкая (1400—2400 ккал/кг) при высокой теплоте сгорания горючей массы (6500—8000 ккал/кг). Высокое содержание водорода в горючей массе их легкую воспламеняемость. Мазут. 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 (9400—9600 ккал/кг). По содержанию серы различают малосернистый мазут Sр≤0,5%, сернистый — Sр до 2% и высокосернистый Sр 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 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 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). Ферросплавный газ образуется при выплавке ферросплавов в рудовосстановительных печах. Газ, отходящий из закрытых печей, можно использовать в качестве топливных вторичных энергетических ресурсов. 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.
Твердые и жидкие топлива представляют собой сложные соединения горючих элементов, молекулярное строение которых еще недостаточно изучено, и включают в себя минеральные примеси и влагу. Соответственно степени углефикации содержание углерода в органической массе топлив увеличивается, а кислорода и азота уменьшается, что способствует повышению энергетической ценности топлива. Химический состав газообразных топлив, представляющих собой простые смеси, определяют полным газовым анализом и выражают в процентах от их объема. Топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю, называется рабочим, а вещество, составляющее его, — рабочей массой. В элементарный химический состав его, выражаемый следующим образом: Cp+Hp+Op+Np+Spop+к+Ap+Wp=100% входят горючие вещества: углерод С, водород Н, сера S, а также кислород О и азот N, находящиеся в сложных высокомолекулярных соединениях. Топливо содержит негорючие минеральные примеси, превращающиеся при сжигании топлива в золу А и влагу W. Основной горючей составляющей топлива является углерод, горение которого обусловливает выделение основного количества тепла. Теплота сгорания аморфного углерода 34,4 МДж/кг (8130 ккал/кг). Водород является вторым по значению элементом горючей массы топлива, его содержание в горючей массе твердых и жидких топлив колеблется от 2 до 10%. Много водорода содержится в природном газе, мазуте и горючих сланцах, меньше всего в антраците. Теплота сгорания водорода в водяной пар — 10,8 МДж/м3 (2579 ккал/м3). Кислород и азот в топливе являются органическим балластом, так как их наличие уменьшает содержание горючих элементов в топливе. Кроме того, кислород, находясь в соединении с водородом или углеродом топлива, переводит некоторую часть горючих в окислившееся состояние и уменьшает его теплоту сгорания. Содержание кислорода велико в древесине и торфе. Азот при сжигании топлива в атмосфере воздуха не окисляется и переходит в продукты сгорания в свободном виде. Сера может содержаться в топливе в трех видах: органическая Sop, колчеданная Sк и сульфатная Sc: S=Sop+Sк+Sc Органическая сера входит в состав сложных высокомолекулярных органических соединений топлива. Колчеданная сера представляет собой ее соединения с металлами, чаще с железом (FeS2 — железный колчедан), и входит в минеральную часть топлива. Органическая и колчеданная сера Sop+к при горении топлива окисляется с выделением тепла. Сульфатная сера входит в минеральную часть топлива в виде сульфатов CaSО4 и FeSО4 и поэтому в процессе горения дальнейшему окислению не подвергается. Сульфатные соединения серы при горении переходят в золу. В горючую массу топлива входят Sop и Sк, которые при сгорании топлива переходят в газообразные соединения SO2, и в небольшом количестве в SO3. Содержание серы в твердых топливах обычно невелико. В нефти сера входит в состав неорганических соединений, в природных газах она практически отсутствует, в попутных газах некоторых нефтяных месторождений содержится немного серы в виде сероводорода H2S и сернистого газа SO2. Образующийся при горении топлива сернистый газ и особенно сопутствующий ему в небольшом количестве серный газ SO3 вызывают коррозию металлических частей парогенераторов и отравляют окружающую местность. Вследствие низкой теплоты сгорания — 9,3 МДж/кг (2220 ккал/кг) присутствие серы уменьшает теплоту сгорания топлива. Поэтому сера является вредной и нежелательной примесью топлива.
Таблица 1.6.1 Элементарный химический состав горючей массы различных видов топлива.
|
