Топливом называются горючие вещества органического происхождения, способные гореть при соприкосновении с воздухом. Различные виды топлива достаточно широко распространены в природе и служат источником тепла для промышленных тепловых, транспортных и др. агрегатов, а также для бытовых нужд. Различают три основных вида топлива: жидкое, газообразное и твердое. Каждый вид топлива может быть использован в естественном виде, т.е. в неизменном виде, полученном после его добычи или в искусственном виде, переработанном из естественного вида топлива. В таблице 9.1. приведены основные виды естественного и искусственного топлива. По происхождению все виды топлива делятся на: сапропелиты, образовавшиеся из жирных кислот, входящих в состав микрорастений; гумусовые, образовавшиеся из лигнина, воска и смол высших растений и смешанные, в образовании которых принимали участие как жирные кислоты микрорастений, так и остатки высших растений или продукты их аэробного изменения. По характеру использования в промышленности топливо подразделяется на энергетическое и технологическое. Если топливо не только используется для получения тепла, но и участвует в технологическом процессе, оно называется технологическим. Энергетическим называется топливо, сжигаемое в топках котлов и печей для получения тепла высокой температуры.
122
Топливо различных видов и месторождений различается по составу, т.е. содержанию углерода С, водорода Н2, азота N, кислорода O2, серы S, золы А и влаги W.
Таблица 9.1- Классификация топлива по физическому состоянию и происхождению
Физическое состояние
Происхождение естественное искусственное
Твердое
Жидкое
Газообразное
Уголь, дрова, торф, горючие сланцы
Нефть, газовый конденсат
Природные и нефтепромысловые газы
Кокс, древесный уголь, брикеты торфяные и угольные, полукокс, термоантрацит, пыль Мазут, бензин, керосин, спирт, смола, Газы: доменный, коксовый, генераторный, нефтяной (заводской)
Применительно к газообразному топливу под составом понимают содержание газовых составляющих, в основном: оксида углерода СО, водорода Н2, метана СН4, этана С2Н6, пропана С3Н8, бутана С4Н10, этилена С2Н4 бензола С6Н6 и др. Входящие в состав топлива кислород О2 и азот N относятся к внутреннему балласту, а к внешнему балласту относят золу и влагу. Общие требования, определяющие ценность топлива: низкая стоимость добычи и транспортировки, удобство применения, возможность использования с высоким КПД, малое содержание балласта и вредных примесей. 9.1.1 Твердое топливо содержит в основном углерод, водород, азот, кислород, серу, а также минеральные включения, образующие золу и влагу. Различают рабочую, аналитическую, сухую, горючую и органическую массу твердого топлива. Под рабочей массой понимают массу топлива в том виде, в каком оно доставляется к топке. Под сухой массой понимают массу обезвоженного топлива; под горючей – массу обезвоженного и обеззоленного топлива; под органической – массу топлива, состоящую из углерода, водорода, кислорода, азота и серы, входящей в состав органических соединений. Аналитическая масса состоит из сухой массы и влаги, соответствующей подсушенному топливу, анализируемому в
123
лаборатории. Из этих определений вытекают следующие соотношения:
- рабочая масса Cp + Hp + Op + Spop+k + Np + Ap + Wp = 100 %; - аналитическая масса Сa + Ha + Oa + Saop+k + Na + Aa + Wa = 100 %; - сухая масса Сс + Hс + Oс + Sсop+k + Nс + Aс = 100 %; - горючая масса Сг + Hг + Oг + Sгop+k + Nг = 100 %; - органическая масса Со + Hо + Oо + Sоop+k + Nо = 100 %. Влажность снижает качество топлива. Ее можно подразделить на внешнюю, которую можно удалить в условиях естественной сушки аналитической пробы до постоянной массы при 20 ºС и относительной влажности воздуха 60 %, и гигроскопическую Wги (внутреннюю), которая удаляется при нагревании топлива до 100 ºС. Содержание в топливе влаги в пределах нескольких процентов практически не оказывает влияния на теплоту сгорания, но высокое содержание влаги (торф, бурый уголь) значительно снижает теплоту сгорания. Зольность, т.е. содержание минеральных веществ, понижает теплоту сгорания топлива вследствие уменьшения содержания горючих компонентов и повышения расхода тепла на нагрев золы до температуры горения топлива и ее плавления. Содержание серы. Сера может входить в состав топлива в трех видах: органическая Sор (в составе органических соединений топлива); колчеданная Sк (пиритная); сульфатная Sсф (в составе сульфатов золы топлива CaSO4, FeSO4). Сера органическая и колчеданная сгорает с образованием SO2 и частично SO3; они загрязняют атмосферу и вызывают коррозию металла С увеличением возраста топлива в его горючей массе возрастает содержание углерода и уменьшается содержание водорода и кислорода. По этому признаку твердое топливо может быть расположено по следующему возрастному ряду: торф (39 % водорода и кислоро
124
да), бурые угли (23,5 %), молодые каменные угли (17,5 %), старые каменные угли (8,0 %) и антрацит (3,5 %). Выход летучих соединений уменьшается с увеличением возраста топлива: у торфа и дров он составляет 70-80 %, а у антрацита – не более 5 %. Теплота сгорания является одной из важнейших характеристик топлива. Теплотой сгорания Q называют количество тепла, выделяющегося при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого (или 1 м3 газообразного) топлива, взятого в нормальных или стандартных условиях. Различают высшую Qв и низшую Qн теплоту сгорания. Высшая теплота сгорания – это количество тепла, полученное при полном сгорании 1 кг (или 1 м3) топлива с образованием воды. Низшая теплота сгорания – это количество тепла, полученное при полном сгорании 1 кг (или 1 м3) топлива, но при условии, что вся влага, как имеющаяся в топливе, так и образующаяся, не конденсируется. Понятие условного топлива было введено в обиход для удобства сравнения различных видов реального топлива. Теплота сгорания условного топлива принята равной 7000 ккал/кг или 29307,6 кДж/кг. Основным видом твердого топлива являются угли (таблица 9.2), которые делятся на три основных типа: бурые, каменные, антрациты.
Таблица 9.2 - Марки каменных углей
Марка угля Обозначение
Выход летучих веществ на горючую массу, %
Характеристика нелетучего остатка
Длиннопламенный
Газовый Газовый жирный Жирный Коксовый жирный Коксовый Отощен. спекающийся Тощий Слабоспекающийся
Д
Г ГЖ Ж КЖ К ОС Т СС
36 и более
35 и более более 31 (до 37) 24 – 37 25 – 33 17 – 33 14 – 27 9 – 17 17 - 37
От порошкообразного до слабоспекающего Спекающийся Спекающийся Спекающийся Спекающийся Спекающийся Спекающийся От порошкообразного до слабоспекающегося То же
К бурым углям (марка Б) относятся угли, у которых высшая теплота сгорания рабочей массы беззольного топлива не превышает 5700 ккал/кг. Бурые угли по содержанию в них рабочей влаги разде
125
ляются на три группы: Б1 – содержащие рабочую влагу более 40 %, Б2 – от 30 до 40 %, Б3 – до 30 %. К каменным углям относятся угли с высшей теплотой сгорания рабочей массы беззольного угля более 5700 ккал/кг и с выходом летучих Vг – более 9 %. Каменные угли делятся на марки по выходу летучих веществ Vг пластического слоя Y. Нижний предел величины Y, выраженный в мм, ставится в качестве индекса к обозначению марки. Например, Г6 – газовый уголь с минимальной толщиной пластического слоя 6 мм. 9.1.2 Жидкое топливо (таблица 9.3) состоит в основном из углеводородов различного строения и молекулярной массы.
Таблица 9.3 - Основные теплотехнические характеристики жидкого топлива
Топливо Wp. %
Qpн, ккал/кг
Vcp. м3/кг
Hcp, ккал/м3
RO2max. %
Бензин Керосин Дизельное Автотракторное Соляровое масло Мазут малосернистый: - Ф5, 12 - 40 - 100, МП - 200 Мазут сернистый: - 40 - 100 - 200
0 0 0 0 1,5
1 2 3 4
1 2 2
10450 10250 10180 10110 9860
9760 9500 9340 9190
9450 9300 9150
10,68 10,49 10,44 10,36 10,15
10,20 10,0 9,80 9,65
9,95 9,78 9,64
980 980 975 975 975
965 965 960 960
970 970 965
14,8 15,2 15,4 15,6 15,6
15,7 15,9 16,2 16,4
15,9 16,0 16,2
Исходными данными для теплотехнических расчетов являются результаты элементарного и технического анализов – содержание C, H, O, N, S, A, W. Основным видом жидкого топлива является мазут, применяемый для сжигания в котельных установках и промышленных печах, который представляет собой тяжелые остатки термической перера
126
ботки нефти. Главными характеристиками, определяющими качество мазута как топлива, являются: теплота сгорания, элементарный состав, вязкость, температура застывания и вспышки, содержание смолистых веществ, воды и серы. Для автомобильного транспорта и тракторов широкое применение находят бензин, керосин и соляровое масло. Керосин в настоящее время является основным видом топлива для авиационной промышленности. 9.1.3 Газообразное топливо (таблица 9.4) при обычной температуре представляет смесь газообразных углеводородов, выделяющихся из природных месторождений, содержащих горючие ископаемые. К природному газу относится и рудничный газ, выделяющийся при добыче угля и представляющий практически чистый метан СН4. Состав сухого горючего газа (объемн. %), выражается равенством, в котором горючие компоненты составляют горючую массу, а негорючие – балласт:
CO + H2 + CH4 + CmHn + H2S + CO2 + O2 + N2 = 100 %.
Содержание примесей (водяных паров, смолы, пыли) выражается в граммах на 1 м3 (г/м3) сухого газа. Все расчеты, связанные с газами, относят к 1 м3 сухого газа при нормальных условиях. Основные энергетические свойства технических горючих газов зависят от свойств и содержания в них простых газов – компонентов. Их свойства представлены в таблице 9.4. Природные горючие газы могут находиться в пластовых условиях, как в свободном, так и в растворенном в нефти состоянии. Растворенный в нефти газ называется попутным, так как добывается вместе с нефтью из одних и тех же скважин. Горючая масса природных газов состоит из метана и его гомологов – этана, пропана и пентана; непредельные углеводороды в природном газе отсутствуют. В природных газах большинства месторождений России содержится незначительное количество балласта. При глубине газового месторождения до 1000-1300 м основными горючими компонентами природного газа являются метан (около 95 %) и этан (до 0,5 %). Газы, добываемые с больших глубин, содержат больше тяжелых углеводородов – гомологов метана.
127
Таблица 9.4 - Характеристика простых газов, входящих в состав газообразного топлива
Наименование газа
Формула Молекул. масса
Плотность, кг/м3
Теплота сгорания
t, ºC max
max min
Водород СО Метан Этилен Этан Пропилен Пропан Бутилен Бутан Ацетилен Сероводород Азот СО2 Кислород
H2 CO CH4 C2H4 С2Н6 C3H6 C3H8 C4H8 C4H10 C2H2 H2S N2 CO2 O2
2,016 28,010 16,042 28,052 30,068 42,078 44,094 56,104 58,120 26,030 34,082 28,016 44,010 32,000
0,090 1,250 0,717 1,260 1,356 1,915 2,004 - 2,703 1,171 1,539 1,250 1,977 1,429
3045 3016 9497 15047 16638 21956 23680 28994 30694 13855 6068 - - -
2576 3016 8555 14107 15226 20541 21795 27111 28338 13385 5585 - - -
2230 2370 2030 2290 2090 2222 0 2105 2195 2170 2620 1850 - -
