Проиcхождение топлива

Все виды твердого топлива нашей планеты своим происхождением обязаны солнечной энергии и хлорофиллу – особому веществу, содержащемуся в листьях и других зеленых частях растений, которые создают сложные органические вещества, а в дальнейшем превращаются в топливо. В своих превращениях вещество топлива последовательно проходит стадии образования торфа, бурого угля, каменного угля, антрацита.

В природе существуют различные виды твердого топлива, отличающиеся разнообразными составом и свойствами. Твердое топливо в основном образуется из высокоорганизованных растений – древесины, листьев, хвои и т. п. Отмершие части высокоорганизованных растений разрушаются грибками при свободном доступе воздуха и превращаются в торф – рыхлую, расплывчатую массу перегноя, так называемых гуминовых кислот. Скопление торфа переходит в бурую массу, а затем в бурый уголь. В дальнейшем под воздействием высокого давления и повышенной температуры бурые угли подвергаются последующим превращениям, переходя в каменные угли, а затем в антрацит.

Состав топлива

Топливо в том виде, в котором оно добыто, включает в себя органическую массу и балласт. Органической массой топлива считают ту часть, которая произошла из органических веществ: углерода, водорода, кислорода и азота; в балласт включают серу, минеральные примеси – золу и влагу топлива:

С° + Н° + О° + N° + S0° = 100%

Твердое и жидкое топливо состоит из углерода С, водорода Н, органической серы S0 и горючей колчеданной серы SК, кислорода О и азота N, находящихся в виде сложных соединений. Кроме указанных элементов твердого и жидкого топлива, составляющих горючую массу топлива, в состав топлива входит еще балласт – зола А и влага W:

Б = Ар + Wр

Летучей, или горючей, серой называется

Sл = S0 + SК

Состав топлива выражают в процентах по массе.

В топочной технике различают рабочую, сухую и горючую массы топлива. В связи с этим при буквенном обозначении вещества, входящего в состав топлива, вверху ставят буквы р, с, или г. Под рабочей массой топлива понимают топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю. Состав рабочей массы топлива выражают так:

C Р + H Р + O Р + N Р + S0 Р + SК Р + A Р + W Р = 100%

Если из топлива исключить балласт, то получаем горючую массу топлива

С Г + Н Г + О Г + N Г + S0 Г + SК Г = 100%

Сухая масса топлива соответствует обезвоженному топливу и состав ее следующий:

СС + НС + О С + N C + S0 C + SКC + А C = 100%

Пересчет состава топлива с одной массы на другую производят с помощью коэффициентов:

Газообразное топливо обычно приводится к сухой массе в объемных долях:

Углерод и водород – самые ценные части топлива

Углерод содержится в значительном количестве в топливе всех видов: древесине и торфе 50 – 58%, в бурых и каменных угля 65-80%, в тощих углях и антрацитах 90-95%, в сланцах 61 – 73% в мазуте 84-87% (цифры даны в процентах на горючую массу топлива). Чем больше углерода в топливе, тем больше топливо выделяет тепла при сгорании. Состав рабочей массы топлива значительно зависит от величины балласта, поэтому чаще всего приводятся данные по состав горючей массы топлива, которая более стабильна для топлива каждого вида и месторождения.

Водород является второй важнейшей частью каждого топлива. В топливе водород частично находится в связанном с кислородом виде, составляя внутреннюю влагу топлива, вследствие чего понижается тепловая ценность топлива. Водород играет большую роль в образовании летучих веществ, выделяющихся при нагревании топлива без доступа воздуха. В состав летучих водород входит в чистом виде и в виде углеводородных и других органических соединений. Содержание водорода в процентах от горючей массы топлива составляет: в дровах и торфе до 6, бурых каменных углях 3,8 – 5,8, горючих сланцах до 9,5, в антраците 2 и в мазуте 10,6 – 11,1.

Кислород содержащийся в твердом топливе, является балластом. Не будучи теплообразующим элементом и связывая водород топлива, кислород снижает теплоту его сгорания. Содержание кислорода в органической массе топлива с его возрастом снижается с 41% для древесины до 2,2% для антрацита.

Азот также является балластной инертной составляющей твердого топлива, снижающей процентное содержание в нем горючих элементов. При сгорании топлива азот в продуктах сгорания содержится как в свободном виде, так и в виде окислов азота NОХ. Окислы азота относятся к вредным составляющим продуктов сгорания, количество которых должно быть лимитировано.

Сера содержится в твердом топливе в виде органических соединений S0 и колчедана SК, объединяемых в летучую серу SЛ. Кроме того, сера входит в состав топлива в виде сернистых солей – сульфатов (например, гипса СаSО2), не способных гореть. Сульфатную серу Sа принято относить к золе топлива. Присутствие серы значительно снижает теплоту сгорания топлива, особенно высококалорийного, так как при сгорании 1 кг серы выделяется в среднем только 2600 калорий. Высокое содержание серы приводит к сильному загрязнению продуктов сгорания топлива сернистым ангидридом SO2. При наличии избыточного воздуха происходит частичное окисление SО2 до SО3 (соединяясь с Н2О, образуют Н2SО4). Н2SО4 вызывает коррозию поверхности нагрева, разрушает металл котельного оборудования, попадая в атмосферу, вредно действуют на живые организмы и растительность. Содержание окислов серы в продуктах сгорания значительно повышает температуру точки росы (иногда до 140 – 150 °С), что ограничивает возможную глубину охлаждения дымовых газов по условиям коррозии и тем самым снижает экономичность котловых агрегатов, а также возможность использования дополнительного оборудования для использования теплоты дымовых газов. Поэтому сера — крайне нежелательный элемент для топлива. Сернистые газы, проникая в рабочие помещения, могут вызвать отравление обслуживающего персонала.

Зола топлива представляет собой балластную смесь различных минеральных веществ, остающихся после полного сгорания всей горючей части топлива. Зола топлива влияет на качество сгорания топлива отрицательно.

Различают три разновидности золы по ее происхождению: первичная – внутренняя, вторичная и третичная зола. Первичная зола образуется из минеральных веществ, содержащихся в растениях. Содержание ее в топливе незначительно и распределение равномерно. Вторичная зола получается вследствие заноса растительных остатков землей и песком в период пластообразования. Третичная зола попадает в топливо во время его добычи, хранения или транспортировки. Зола является нежелательным балластом топлива, снижающим содержание в нем других горючих элементов. Кроме того, зола, образуя отложения на поверхностях нагрева котлоагрегата, уменьшает теплопередачу от газов к воде, пару и воздуху в его элементах. Наличие большого количества золы затрудняет эксплуатацию котлоагрегата. Если зола легкоплавкая, она налипает на поверхности нагрева котла, нарушая нормальный режим его работы (шлакование). При этом, чем больше зольность топлива, тем значительней потери от механической неполноты сгорания топлива. С увеличением количества золы в топливе повышается и потеря с физическим теплом очаговых остатков. Содержание золы в процентах от рабочей массы топлива составляет: в дровах 0,6, торфе 5-7, в бурых и каменных углях от 4 до 25, в мазуте 0,3.

При сжигании, твердого топлива важное значение имеют характеристика золы, степень ее легкоплавкости. Плавкость золы определяют в лаборатории. В особую электропечь помещают несколько выполненных из золы пирамид «конусов» высотой 20 мм со стороной основания 7 мм. Одна из граней пирамиды должна быть перпендикулярна основанию. В процессе постепенного нагревания пирамид в электрическое печи отмечают три точки (рис. 8): температуру начала деформации t1 определяемую в начале плавления верхушки пирамиды; температуру размягчения t2, которая фиксируется в момент, когда верхушка пирамиды наклонится до основания или же пирамида превратится в шар, и температуру t3, когда содержимое пирамиды растечется по основанию.

Зола бывает легкоплавкой с температурой размягчения ниже 1050 °С, вызывающая шлакование топки при сжигании топлива, I тугоплавкой с температурой размягчения выше 1050 °С. Учитывая большое влияние зольности на качественные характеристики топлива, для сравнительных подсчетов используют понятие приведенной зольности:

Ап = Ар/ Qнр, %, где Qн р – рабочая низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.

Влага топлива складывается из внешней, или механической, вызванной поверхностным увлажнением кусков топлива и заполнением влагой пор и капилляров, и равновесной, называемой гигроскопической, которая устанавливается в материале при длительном соприкосновении с окружающим воздухом. Содержание внешней влаги определяют высушиванием пробы топлива на воздухе до постоянной массы, а гигроскопической РР твердого топлива – высушиванием в сушильном шкафу измельченной пробы воздушно-сухого топлива до постоянной массы при 102 – 105 °С.

При влажности твердого топлива выше 60% сжигание его в большинстве случаев становится невозможным, так как количество выделенного топливом тепла не может нагреть продукты горения даже до температуры 900 °С, при которой еще возможен устойчивый топочный процесс. Повышенная влажность топлива приводит к коррозии водяных экономайзеров и воздухоподогревателей и к их засорению из-за прилипания к этим поверхностям нагрева влажной золы, что увеличивает потери с уходящими газами.

С увеличением влажности топлива уменьшается теплота сгорания рабочего топлива. Изменение низшей теплоты сгорания топлива при увеличении содержания влаги на 1% приведено в таблице 3-7.

Таблица. Изменение низшей теплоты сгорания топлива при увеличении содержания влаги.

С увеличением влажности топлива объем водяных паров возрастает, а следовательно возрастает и объем газов, приходящихся на 1000 кал низшей теплоты сгорания топлива. Увеличенный объем продуктов сгорания, проходящих по газоходам, вызывает увеличение температуры уходящих газов, а следовательно и бoльшие потери с ними. Одновременно повышается и расход электрической энергии на тягу как в связи с возросшим объемом газов, так и в связи с ростом сопротивлений из-за увеличения скоростей в газоходах.

Кроме того, затрата тепла на испарение влаги топлива и увеличенный объем продуктов сгорания (при повышенной влажности) являются причиной снижения температуры в топке, замедленного выделения летучих, весь топочный процесс ухудшается, и поэтому увеличиваются потери от химической неполноты сгорания. Для определения влажности жидкого топлива отстаивают воду в течение суток при 40°С в специальных сосудах и взвешивают всю пробу и воду. При нахождении влажности газообразного топлива пропускают пробу газа через слой хлористого кальция, поглощающего влагу.

Летучие вещества и кокс. Для оценки качества топлива и условий горения большое значение имеет выход летучих веществ. Если нагревать топливо без доступа воздуха, то под воздействием высокой температуры (от 200 до 800°С) происходит разложение его на газообразную часть – летучие вещества (водород, метан, тяжелые углеводороды, окись углерода, немного двуокиси углерода и некоторые другие газы, т. е. в основном газообразные горючие вещества) и твердый остаток – кокс. Выход летучих определяется в процентах к горючей (т. е. везводной и беззольной) массе топлива и обозначают Yг %.

Выход летучих веществ, их состав, а также температура, при которой они начинают выделяться, определяются химическим возрастом топлива: чем топливо старше по возрасту, тем меньше выход летучих и выше температура начала их выделения. Например, выход летучих торфа составляет приблизительно 70% общей массы горючей части топлива, они начинают выделяться при 120 – 150 °С; выход летучих бурых и молодых каменных углей уменьшается приблизительно от 13 до 58,5%, они начинают выделяться при 170 – 250 °С, а антрацита – до 4% при температуре начала выделения газов около 400 °С.

Летучие вещества оказывают большое влияние на процесс горения топлива: чем больше выход летучих, тем ниже температура воспламенения и легче зажигание топлива и тем больше поверхность фронта пламени. Топливо с большим выходом летучих (торф, бурый уголь, молодой каменный уголь) легко загорается и сгорает быстро с малой потерей тепла. Топливо с малым выходом летучих, например антрацит, загорается значительно труднее, горит медленнее и сгорает не полностью.

При прочих равных условиях чем больше выход летучих, тем меньше потери от механической неполноты сгорания топлива и тем меньшими могут быть выбраны коэффициенты избытка воздуха в топке, что положительно скажется на экономичности котла.

Кокс, оставшийся после полного выделения летучих, состоит из углерода и минеральных топливных примесей. В зависимости от вида термически разложенного топлива кокс может быть порошкообразным, слипшимся, спекшимся, сплавленным.

Теплота сгорания топлива. Наиболее важной характеристикой топлива является теплота сгорания, которой называют количество тепла, получаемого при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 нм3 газообразного топлива в кДж/кг (ккал/кг): 1 ккал = 4,1868, или 4,19, кДж. Как указывалось ранее, к горючим элементам в топливе относят углерод С, водород Н и летучую горючую серу SЛ. Элементарно их горение может быть представлено следующими уравнениями:

С + О2 = СO2; 2Н2 + О2 = 2Н2О; S + О2 = SО2.

В процессе горения горючих элементов выделяется следующее количество тепла при сжигании 1 кг:

• углерода — 33,65 МДж (8031 ккал/кг);
• серы – 9 МДж (2172 ккал/кг);
• водорода – 141,5 МДж (33 770 ккал/кг).

Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Высшей теплотой сгорания(Qвр)топлива называют все количество тепла, выделенное при сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива, или 1 нм3 газообразного (при нормальных условиях) и превращении водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, в жидкость. На практике, однако, не удается охладить продукты сгорания до полной конденсации и потому введено понятие низшей теплоты сгорания (Qнр), которую получают, вычитая из высшей теплоты сгорания теплоту парообразования водяных паров как содержащихся в топливе, так и образовавшихся при его сжигании.

На парообразование 1 кг водяных паров расходуется 2514 кДж/кг (600 ккал/кг). Для твердого и жидкого топлива низшая теплота сгорания (кДж/кг или ккал/кг):

Qнр = Qвр – 2514 • (9Н р + WР / 100) или Qнр = Qвр – 600 • (9•Н р + WР / 100), где:

• 2514 — теплота парообразования при температуре 0 °С и атмосферном давлении, кДж/кг;
• НР и WР — содержание водорода и водяных паров в рабочем топливе, %;
• 9 — коэффициент, показывающий, что при сгорании 1 кг водорода в соединении с кислородом образуется 9 кг воды.

Если известен элементарный состав топлива, то низшая теплота сгорания твердого и жидкого топлива, кДж/кг или ккал/кг, может быть определена по эмпирической формуле, предложенной Д.И. Менделеевым:

Qнр = 339 • Ср + 1256 • Hр – 109 • (Oр – Sл р) – 25,14 • (9•Нр + WР) или Qнр = 81 • Ср + 246 • Hр – 26 • (Oр – Sл р) – 6 •WР

Сама по себе теплота сгорания топлива не влияет на экономичность процесса горения, однако величина теплоты сгорания в значительной степени зависит от содержания в топливе балласта (влаги, золы). Путем смешивания топлив разных марок можно значительно повысить экономичность топочного процесса.

Классификация твердого топлива

По химическому возрасту различают 3 стадии образования твердого топлива: торфяную, буроугольную и каменноугольную.

Древесина – это твердое топливо, используемое преимущественно в мелких котельных установках. Широкое применение имеют отходы деревообделочного производства: горбыли, щепа, стружки, опилки, кора и др. Дрова применяют реже.

Влажность воздушно-сухих дров не превышает 25%, полусухих – 35%, свежесрубленных – 50%. Опилки обычно имеют влажность 45-60%. К полусухим относят дрова весенней заготовки, пролежавшие не менее 6 месяцев после рубки, в том числе не менее двух летних месяцев. К сухим относят дрова, пролежавшие после рубки около года в лесу и влажность которых не превышает 30%. Дрова как топливо характеризуются высоким выходом летучих горючих веществ – до 85% и незначительным содержанием золы – в среднем до 1%, лишь в сплавных дровах зольность повышается до 5%. Следовательно, балласт дров определяется в основном их влажностью, от которой и зависит теплота сгорания. Теплота сгорания мало зависит от породы дров, что видно из таблицы:

Таблица. Органический состав древесины.

Рабочий состав и теплота сгорания древесных отходов (щепы, опилок и др.) не отличаются от состава древесины, из которой они получены. При пониженной теплоте сгорания дрова имеют преимущества: легкую воспламеняемость, отсутствие серы и малую зольность, что позволяет ограничиваться простыми топочными устройствами, работающими эффективно.

Торф по способу добычи подразделяют на три основных вида: машинно-формовочный (багерный) торф, гидравлический и фрезерный торф. При машинно-формовочном способе торфяная масса забирается из торфяного карьера экскаваторами (багерами) и подается на специальные прессы, где получает форму ленты, которая разрезается на отдельные кирпичи, а затем их механически транспортерами распределяют по полю сушки, после чего складывают в штабеля.

Торф как топливо по своим свойствам близок к дровам. Влажность торфа колеблется в зависимости от способа добычи, условий сушки и хранения от 30 – 40 до 50 – 55%. Влажность же фрезерного торфа выше кускового примерно на 5 – 10%. Зольность торфа (Ар), добываемого в центральных областях СССР, колеблется от 7 до 15%. Теплота сгорания Qнр = 8,38-10,72 МДж/кг (Qнр = 3511 – 4492 ккал/кг).

Ископаемые угли разделяют на бурые, каменные и антрациты.

При классификации угли различают по маркам, классам и групам, а также по составу, крупности, зольности. Марки отличаются одна от другой выходом летучих и степенью спекаемости. Группы углей определяют по величине их зольности. По крупности кусков ископаемые угли делят на классы.

Бурый уголь содержит много влаги, соединяется легко с кислородом воздуха и при длительном хранении на воздухе сильно выветривается и рассыпается в порошок. Кроме того, он обладает большой склонностью к самовозгоранию. По своей структуре отличается повышенным содержанием балласта и необычно высокой гигроскопичностью, вследствие чего влажность бурых углей WР = 17 – 55%. Бурые угли не спекаются, отличаются большим выходом летучих (Vг = 33,5 – 58,5%) на горючую массу и зольностью на сухую массу (Ас = 10,5 – 34%), высоким содержанием серы (Sп = 0,6-5,9%).

Рабочая теплота сгорания Qнр = 10,7 – 17,5 МДж/кг (4177 ккал/кг).

Каменный уголь на территории России имеется в огромных количествах и подразделяется: на длиннопламенный, газовый, паровичный жирный, коксовый паровичный спекающийся и тощий. Каменные угли отличаются высокой теплотой сгорания Qнр = 21,20 – 28,07 МДж/кг (5097 - 6700 ккал/кг). Выход летучих Vг = 3,5 – 45%.

Каменный уголь применяют непосредственно как топливо или перерабатывают на кокс. По виду кокса различают угли неспекающиеся (порошкообразный кокс) и спекающиеся (сплавленный кокс, иногда вспученный). Каменные угли довольно плотны и малопористы и содержание внешней влаги в них значительно ниже, чем в бурых углях. Многие каменные угли обладают повышенной механической прочностью. В хранении они более устойчивы, меньше подвержены самовозгоранию, а некоторые их виды совсем не самовозгораются.

Антрацит относится к старейшим по происхождению каменным углям, отличается большой твердостью, трудно загорается, горит коротким пламенем, хорошо выдерживает перегрузки и перевозки. К ним относят угли с выходом летучих на горючую массу Vг= 2-9% и теплотой сгорания горючей массы Qнр=24,35 – 27,24 МДж/кг (5800 – 6500 ккал/кг). Переходным между каменными углями и антрацитом является полуантрацит. Антрацит и полуантрацит не самовозгораются.

Горючие сланцы являются продуктами разложения растительных остатков, оседавших на дне больших водоемов; смешиваясь с минеральными осадками, образовывалось илистое вещество – сапропель, которое обогащалось водородом, уплотнялось и превращалось в горючие сланцы. Сланцы имеют теплоту сгорания Qнр = 10,38 МДж/кг (2477 ккал/кг), при сжигании сланцев образуется очень большое количество золы Ас = 64,5%. Выход летучих у сланцев очень высок: Vг = 90%, влажность Wр = 13%. Сланцы являются местным топливом.