ВИДЫ ТОПЛИВА. КЛАССИФИКАЦИЯ ТОПЛИВА
По определению Д.И.Менделеева, «топливом называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения теплоты».
В настоящее время термин «топливо» распространяется на все материалы, служащие источником энергии (например, ядерное топливо).
Топливо по происхождению делят на:
Природное топливо (уголь, торф, нефть, горючие сланцы, древесина и др.)
Искусственное топливо (моторное топливо, генераторный газ, кокс, брикеты и др.).
По своему агрегатному состоянию его делят на твёрдое, жидкое и газообразное топливо, а по своему назначению при использовании – на энергетическое, технологическое и бытовое. Наиболее высокие требования предъявляются к энергетическому топливу, а минимальные требования – к бытовому.
Твёрдое топливо – древесно-растительная масса, торф, сланцы, бурый уголь, каменный уголь.
Жидкое топливо – продукты переработки нефти (мазут).
Газообразное топливо – природный газ; газ, образующийся при переработке нефти, а также биогаз.
Ядерное топливо – расщепляющиеся (радиоактивные) вещества (уран, плутоний).
Органическое топливо, т.е. уголь, нефть, природный газ, составляет подавляющую часть всего энергопотребления. Образование органического топлива является результатом теплового, механического и биологического воздействия в течение многих столетий на останки растительного и животного мира, откладывающиеся во всех геологических формациях. Всё это топливо имеет углеродную основу, и энергия высвобождается из него, главным образом, в процессе образования диоксида углерода.
ТВЁРДОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Твёрдое топливо. Ископаемое твёрдое топливо (за исключением сланцев) является продуктом разложения органической массы растений. Самое молодое из них – торф – представляет собой плотную массу, образовавшуюся из перегнивших остатков болотных растений. Следующими по «возрасту» являются бурые угли – землистая или чёрная однородная масса, которая при длительном хранении на воздухе частично окисляется («выветривается») и рассыпается в порошок. Затем идут каменные угли, обладающие, как правило, повышенной прочностью и меньшей пористостью. Органическая масса наиболее старых из них – антрацитов – претерпела наибольшие изменения и на 93 % состоит из углерода. Антрацит отличается высокой твёрдостью.
Мировые геологические запасы угля, выраженные в условном топливе, оцениваются в 14000 млрд.тонн, из которых половина относится к достоверным (Азия – 63%, Америка – 27%). Наибольшими запасами угля располагают США и Россия. Значительные запасы имеются в ФРГ, Англии, Китае, на Украине и в Казахстане.
Всё количество угля можно представить в виде куба со стороной 21 км, из которого ежегодно изымается человеком «кубик» со стороной 1,8 км. При таких темпах потребления угля хватит примерно на 1000 лет. Но уголь – тяжёлое неудобное топливо, имеющее много минеральных примесей, что усложняет его использование. Запасы его распределены крайне неравномерно. Известнейшие месторождения угля: Донбасский (запасы угля 128 млрд.т.), Печорский (210 млрд.т.), Карагандинский (50 млрд.т.), Экибастузский (10 млрд.т.), Кузнецкий (600 млрд.т.), Канско-Ачинский (600 млрд.т.). Иркутский (70 млрд.т.) бассейны. Самые крупные в мире месторождения угля – Тунгусское (2300 млрд.т. – свыше 15% от мировых запасов) и Ленское (1800 млрд.т. – почти 13% от мировых запасов).
Добыча угля ведётся шахтным методом (глубиной от сотен метров до нескольких километров) или в виде открытых карьерных разработок. Уже на этапе добычи и транспортировки угля, применяя передовые технологии, можно добиться снижения потерь при транспортировке. Уменьшения зольности и влажности отгружаемого угля.
Возобновляемым твёрдым топливом является древесина. Доля её в энергобалансе мира сейчас чрезвычайно невелика, но в некоторых регионах древесина (а чаще её отходы) также используется в качестве топлива.
В качестве твёрдого топлива могут быть также использованы брикеты – механическая смесь угольной и торфяной мелочи со связующими веществами (битум и др.), спрессованная под давлением до 100 МПа в специальных прессах.
ЖИДКОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Жидкое топливо. Практически всё жидкое топливо пока получают путём переработки нефти. Нефть, жидкое горючее полезное ископаемое, представляет собой бурую жидкость, содержащую в растворе газообразные и легколетучие углеводороды. Она имеет своеобразный смоляной запах. При перегонке нефти получают ряд продуктов, имеющих важное техническое значение: бензин, керосин, смазочные масла, а также вазелин, применяемый в медицине и парфюмерии.
Сырую нефть нагревают до 300-370 °С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре tª: сжиженный газ (выход около 1%), бензиновую (около 15%, tª=30 - 180°С). Керосиновую (около 17 %, tª=120 - 135°С), дизельную (около 18 %, tª=180 - 350°С). Жидкий остаток с температурой начала кипения 330-350°С называется мазутом. Мазут, как и моторное топливо, представляет собой сложную смесь углеводородов, в состав которых входят, в основном, углерод (84-86 %) и водород (10-12%).
Мазут, получаемый из нефти ряда месторождений, может содержать много серы (до 4.3%), что резко усложняет защиту оборудования и окружающей среды при его сжигании.
Зольность мазута не должна превышать 0,14 %, а содержание воды должно быть не более 1,5 %. В состав золы входят соединения ванадия, никеля, железа и других металлов, поэтому её часто используют в качестве сырья для получения, например, ванадия.
В котлах котельных и электростанций обычно сжигают мазут, в бытовых отопительных установках – печное бытовое топливо (смесь средних фракций).
Мировые геологические запасы нефти оцениваются в 200 млрд. т., из которых 53 млрд.т. составляют достоверные запасы. Более половины всех достоверных запасов нефти расположено в странах Среднего и Ближнего Востока. В странах Западной Европы, где имеются высокоразвитые производства, сосредоточены относительно небольшие запасы нефти. Разведанные запасы нефти всё время увеличиваются. Прирост происходит в основном за счёт морских шельфов. Поэтому все имеющиеся в литературе оценки запасов нефти являются условными и характеризуют только порядок величин.
Общие запасы нефти в мире ниже, чем угля. Но нефть более удобное для использования топливо. Особенно в переработанном виде. После подъёма через скважину нефть направляется потребителям в основном по нефтепроводам, железной дорогой или танкерами. Поэтому в себестоимости нефти существенную часть имеет транспортная составляющая.
ГАЗООБРАЗНОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Газообразное топливо. К газообразному топливу относится, прежде всего, природный газ. Это газ, добываемый из чисто газовых месторождений, попутный газ нефтяных месторождений, газ конденсатных месторождений, шахтный метан и т.д. Основным его компонентом является метан СН 4 ; кроме того, в газе разных месторождений содержатся небольшие количества азота N 2 , высших углеводородов СnНm , диоксида углерода СО 2 . В процессе добычи природного газа его очищают от сернистых соединений, но часть их (в основном сероводород) может оставаться.
При добыче нефти выделяется так называемый попутный газ, содержащий меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов и поэтому выделяющий при сгорании больше теплоты.
В промышленности и особенно в быту находит широкое распространение сжиженный газ, получаемый при первичной обработке нефти и попутных нефтяных газов. Выпускают технический пропан (не менее 93% С 3 Н 8 + С 3 Н 6), технический бутан (не менее 93% С 4 Н 10 + С 4 Н 8) и их смеси.
Мировые геологические запасы газа оцениваются в 140-170 триллионов м³.
Природный газ располагается в залежах, представляющих собой «купола» из водонепроницаемого слоя (типа глины), под которым в пористой среде (песчаник) под давлением находится газ, состоящий в основном из метана СН 4 . На выходе из скважины газ очищается от песчаной взвеси, капель конденсата и других включений и подаётся на магистральный газопровод диаметром 0,5 – 1,5 м длиной несколько тысяч километров. Давление газа в газопроводе поддерживается на уровне 5 МПа при помощи компрессоров, установленных через каждые 100-150 м. Компрессоры вращаются газовыми турбинами, потребляющими газ. Общий расход газа на поддержание давления в газопроводе составляет 10-12% от всего прокачиваемого. Поэтому транспорт газообразного топлива весьма энергозатратен.
В последнее время в ряде мест всё большее применение находит биогаз – продукт анаэробной ферментации (сбраживания) органических отходов (навоза, растительных остатков, мусора, сточных вод и т.д.). В Китае на самых разных отбросах работают уже свыше миллиона фабрик биогаза (по данным ЮНЕСКО – до 7 млн.). В Японии источниками биогаза служат свалки предварительно отсортированного бытового мусора. «Фабрика», производительностью до 10-20 м³ газа в сутки. Обеспечивает топливом небольшую электростанцию мощностью 716 кВт.
Анаэробное сбраживание отходов крупных животноводческих комплексов позволяет решить чрезвычайно острую проблему загрязнения окружающей среды жидкими отходами путём превращения их в биогаз (примерно 1 куб.м в сутки на единицу крупного рогатого скота) и высококачественные удобрения.
Весьма перспективным видом топлива, обладающим в три раза большей удельной энергоёмкостью по сравнению с нефтью, является водород, научно-экспериментальные работы по изысканию экономичных способов промышленного преобразования которого активно ведутся в настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом. Запасы водорода неистощимы и не связаны с каким-то регионом планеты. Водород в связанном состоянии содержится в молекулах воды (Н 2 О). При его сжигании образуется вода, не загрязняющая окружающую среду. Водород удобно хранить, распределять по трубопроводам и транспортировать без больших затрат.
Органическое (углеводородное) топливо классифицируется:
1. По агрегатному состоянию – на твердое (уголь, торф, горючий сланец, растительное топливо), жидкое (нефть и продукты ее переработки), газообразное (природный и искусственный газы);
2. По происхождению – на естественное (добываемое из земных недр) и искусственное (получаемое в результате переработки естественного топлива и других природных веществ).
Основными характеристиками органического топлива являются: 1) элементарный химический состав; 2) удельная теплота сгорания; 3) выход летучих веществ; 4) зольность; 5) влажность; 6) сернистость.
Элементарный состав топлива . Состав твердого и жидкого топлива представляет сумму масс химических элементов: углерода С, водорода Н 2 , кислорода О 2 , азота N 2 , серы S, минеральных соединений А и влаги W. Сера может присутствовать в топливе в трех видах: органическая S 0 , колчеданная S к и сульфатная S c . Сумму S о +S к = S л называют летучей серой. В твердом топливе различают рабочую, сухую, сухую беззольную (горючую) и органическую массы, а в жидком – рабочую и сухую массы.
Состав рабочей массы: .
Индекс "р" означает, что состав топлива рассчитан на рабочую массу.
Состав сухой массы: .
Состав горючей массы: .
Состав органической массы: .
Элементы S, A и W – являются балластом органического топлива.
В справочниках приводится состав горючей массы топлива. Пересчет состава топлива с горючей на рабочую или сухую массу производится с помощью коэффициентов пересчета К гр, К гс:
Состав газообразного топлива представляет сумму долей объема компонентов: метана CH 4 , высших углеводородных соединений C m H n , водорода H 2 , азота N 2 , оксида углерода СО, диоксида углерода CO 2 , сероводорода H 2 S, кислорода O 2:
Удельная теплота сгорания топлива - это количество теплоты, выделившейся при полном сгорании единицы массы или объема топлива. Различают высшую и низшую удельную теплоту сгорания. Высшая удельная теплота сгорания Q р В – это количество теплоты, полученное при сгорании 1 кг твердого (жидкого) или 1 м 3 газообразного топлива (при температуре 0 °С и давлении 0,1013 МПа) и конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Низшая удельная теплота сгорания Q р н не включает в себя теплоту конденсации водяных паров:
В расчетах используют низшую теплоту сгорания, так как продукты сгорания имеют температуру значительно выше, чем температура точки росы, при которой происходит конденсация водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Низшая теплота сгорания твердого и жидкого топлива [кДж/кг] вычисляется по формуле Д.И. Менделеева:
Удельную теплоту сгорания газообразного топлива [кДж/м 3 ] определяют в расчете на сухую массу:
Для сопоставления различных видов топлива применяют понятие условное топливо . При сгорании 1 кг условного топлива выделяется 29,3 МДж тепла ((Q р н) усл = 29,3 МДж/кг).
Выход летучих веществ характеризует жидкое и твердое топливо. Это смесь горючих и негорючих газов, выделяющихся из массы топлива при его нагревании от 110 до 1100° С. Чем больше выход летучих веществ, тем ниже температура воспламенения топлива и легче его зажигание. Данная характеристика зависит от возраста топлива и условий его формирования. Так, выход летучих веществ у торфа составляет 70%, бурого угля 45 ÷ 50%, каменных углей 25 ÷ 40%, у антрацита 3 ÷ 4%. Твердый остаток топлива после выхода летучих веществ называют коксом. Он может быть плотным, спекшимся или рыхлым. В энергетических установках используется топливо, непригодное для получения плотного кокса.
Зольность . Несгоревший остаток, образующийся после сгорания топлива и состоящий в основном из минеральных примесей, называется золой. Часть золы в процессе горения топлива под действием высоких температур оплавляется и превращается в шлак. Отношение массы золы к массе топлива в процентах называют зольностью. Бурые и каменные угли имеют зольность 10 ÷ 55%, сланцы 40 ÷ 60%, жидкое топливо 0,05 ÷ 1%. Зола уменьшает теплоту сгорания топлива, снижает интенсивность теплообмена вследствие осаждения на поверхностях нагрева, вызывает их износ, загрязняет окружающую среду.
Влажность – это количество влаги в топливе, выраженное в процентах. Повышенная влажность снижает теплоту сгорания топлива и вызывает трудности при его сжигании. Высокую влажность (до 50%) имеют бурые угли и торф, поэтому удельная теплота сгорания их невелика (8÷10 МДж/кг). Влажность каменных углей ниже и составляет 5 ÷ 8%.
Сернистость – это количество серы в топливе, выраженное в процентах. Наличие серы ухудшает качество топлива. При горении происходит соединение серы с кислородом, при этом образуется ядовитый газ. Происходит разрушение поверхности нагрева и выброс ядовитых газов в атмосферу.
Для сравнения топлива с различной влажностью, зольностью и сернистостью используют приведенные характеристики : характеристики рабочей массы топлива, отнесенные к его низшей теплоте сгорания (приведенные влажность W пр, зольность А пр и сернистость S пр, (%×кг)/МДж):
Топливо с W пр < 0,7 считается маловажным, а с W пр > 1,9 – высоковлажным. Топливо с A пр £ 1 – малозольное, а с A пр ³ 5 высокозольное.
Нефть и ее использование
Нефть образовалась в результате осадочных отложений в морской воде и недрах земли. Это бурая жидкость, имеющая своеобразный смоляной запах. Нефть состоит из трех углеводородных групп: 1) парафинов; 2) циклопарафинов (нафтены); 3) ароматических смол. В небольших количествах в нефти содержатся: сера (до 6%), кислород (до 4%), азот (до 1%) и следы некоторых металлов. По своим характеристикам (вязкость, цвет, содержание парафина и др.) нефть неоднородна, что обусловлено различным растительным происхождением и определяет возможность производства тех или иных нефтепродуктов.
Доля нефти в мировом энергетическом балансе составляет около 40%. По объему добычи нефти Россия занимает второе место в мире после Саудовской Аравии. Основные районы добычи в РФ: Западно-Сибирский, Волго-Уральский, Тимано-Печорский, Северо-Кавказский, север Сахалина. В Западной Сибири добывается самая дешевая и качественная нефть России. Глубина нефтеносных пластов достигает 2 км. Лидерами по добыче нефти в России являются компании «Роснефть», «Лукойл».
Добыча нефти. Разработка нефтяного месторождения начинается с бурения скважин. Буровая скважина использует ряд вращающихся стальных труб высокого давления, называемых установкой. Установка поддерживается буровой вышкой и управляется вращательным столом на платформе. Сначала из скважины бьет нефтяной фонтан, затем переходят на механизированные способы добычи: компрессорную, глубинно-насосную и др. После добычи нефть отделяется от сопутствующих воды и газов и перекачивается в нефтехранилища.
Переработка нефти . Переработка включает три основных процесса: перегонку, риформинг и ректификацию. В результате перегонки нефть разделяется на части – фракции, согласно молекулярному весу. Все фракции получают дальнейшую обработку для производства конечных продуктов. Наиболее ценные горючие продукты получают при химической переработке нефти: крекинге, пиролизе и ароматизации. Крекинг – это разложение высших углеводородов на простые. При сильном нагревании с катализатором (ок.500 о С) происходит каталитический крекинг, без катализатора – термический крекинг. При пиролизе нефти (700 – 900 о С) образуются этилен, бензол, толуол. Процесс ароматизации протекает в присутствии катализаторов по уравнению:
Переработка чаще сосредоточена в районах массового потребления нефтепродуктов и вдоль трасс нефтепроводов.
Транспорт нефти. Основными видами транспорта являются: трубопроводы, танкеры и железнодорожный транспорт. Так, почти вся добываемая на Ближнем Востоке нефть импортируется танкерами. Западная Европа с помощью танкеров ввозит около 90% сырой нефти, Япония – около 100%, США – 50%. Транспортировка Сахалинской нефти России также осуществляется танкерами. Водоизмещение современных танкеров составляет от 50 до 500 тыс. тонн. Имеется ряд супертанкеров водоизмещением до 800 тыс. тонн. В России основной вид транспорта нефти – нефтепроводы. Их протяженность составляет 70 тыс. километров. Для преодоления сопротивления трения вязкости нефтепродуктов в нефтепроводах требуется их насосная перекачка. Для горизонтальных трубопроводов мощность насосов равна:
где μ - вязкость передаваемой нефти; L - длина трубопровода; D -диаметр трубопровода; V - расход нефти:
,
где р 1 и р 2 – разность давлений в трубе.
Под энергетическим топливом понимают горючие вещества, которые экономически целесообразно использовать для получения тепловой и электрической энергии. По агрегатному состоянию топлива делят на твердые, жидкие и газообразные. По происхождению - на природные, образовавшиеся из остатков растительного и животного происхождения в течение длительного времени, и искусственные, полученные в результате переработки природных топлив. К первым относятся уголь, нефть, природный газ. Ко вторым - кокс, брикеты, отходы углеобогащения, дизельное топливо, мазут, доменный, коксовый и генераторный газы.
Топливо состоит из горючей и минеральной части и влаги. В состав горючей части входят углерод С, водород Н и сера S, находящиеся в сложных соединениях с кислородом О и азотом N. Важной характеристикой топлива является теплота сгорания. Теплота сгорания - количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива. Различают низшую и высшую теплоту сгорания.
Углерод является основной частью топлива. Чем больше его в составе, тем выше теплота сгорания топлива. Содержание углерода по массе в твердом топливе колеблется от 25 (сланец и торф) до 70 % (антрацит). Водород содержится в топливе в небольшом количестве 2-10 %. Теплота его сгорания в 4 раза больше, чем углерода. Кислород входит в состав топлива в виде различных соединений, в том числе с горючими элементами, что снижает количество теплоты, выделяемой при сжигании топлива. Поэтому кислород относят к балласту топлива. Азот также относят к балласту топлива. Содержание его невелико (в твердом топливе до 3 % по массе). При горении большая часть азота топлива переходит в токсичные оксиды N0 и N0*.
Серу в зависимости от вида соединения, в которое она входит, делят на органическую S0, если она связана с углеродом, водородом, азотом и кислородом; колчеданную SK - соединение с железом (обычно это железный колчедан); сульфатную Sc, находящуюся в виде соединений FeS04, MgS04, CaS04. Сера, входящая в состав органических и колчеданных соединений, участвует в процессе горения, выделяя при этом теплоту и образуя сернистый
S02 и серный S03 ангидриды. Поэтому часто органическую и колчеданную серу называют летучей горючей
Сера, входящая в состав FeS04, MgS04, CaS04 и т. п., не горит, так, при сжигании топлива сульфаты практически не разлагаются. В твердом топливе содержание серы достигает 5 %, в жидком 3,5 %. Наличие серы в топливе нежелательно, так как образующиеся при горении серы оксиды S02 и S03 в присутствии влаги дают растворы сернистой и серной кислоты, которые вызывают коррозию труб поверхностей нагрева конвективной шахты котла и оказывают вредное воздействие на окружающую среду.
Под минеральной частью топлива понимают негорючие примеси. Количество их зависит от происхождения топлива и технологии его добычи. Различают внутренние минеральные примеси, образовавшиеся при формировании угольной залежи, и внешние минеральные примеси, попавшие в топливо при его добыче из прилегающих пластов пород. Внутренние минеральные примеси в отличие от внешних достаточно равномерно распределены в топливе и поэтому практически не могут быть отделены от горючей массы.
При горении топлива из минеральных примесей образуется зола А. Она характеризует минеральную часть топлива. Содержание золы А в топливе определяется по величине твердого остатка, полученного после сжигания предварительно высушенной пробы топлива определенной массы в платиновом тигле и последующего прокаливания до постоянного значения массы при температуре 800 °С. При проектировании котлов, и в первую очередь их топок, важное значение имеет температурная характеристика плавкости золы. Она зависит от состава золы и окружающей ее газовой среды. Оценка плавкости проводится по температурам трех состояний золы: U - начала деформации; t2 - начала размягчения; t3 - жидкоплавкого состояния:
Для принятия мер по исключению загрязнений поверхностей нагрева, расположенных за топкой, важно знать температуру затвердевания золы. Обычно эта температура на 50 °С ниже t2. При горении топлива в топке в зоне высоких температур происходит частичное или полное расплавление золы. Некоторая ее часть уносится с продуктами сгорания из топки. Остальная зола, частично разлагаясь, сплавляется или спекается в шлак, который затем в жидком или твердом состоянии удаляется из нижней части топки. Под действием высоких температур содержащиеся в шлаке оксиды вместе с другими веществами образуют многокомпонентные соединения, и температура плавления шлака отличается от температуры ts жидкоплавкого состояния золы. В топках с жидким шлакоудалением для свободного вытекания шлака из топки его температура должна быть выше температуры ts жидко - плавкого состояния золы. Эту температуру называют температурой /нж нормального жидкого шлакоудаления, она определяется 22
Химическим составом шлака. Как правило, = ta + (100-4- 200) °С.
Влага W, как и минеральная часть, является балластом топлива. Она снижает его теплоту сгорания. Кроме того, на ее испарение расходуется часть теплоты сгоревшего топлива. Влагу, содержащуюся в топливе, делят на внешнюю и внутреннюю (гигроскопическую). Внешняя влага попадает в топливо при его добыче, транспортировке и хранении. Количество ее колеблется в широких пределах 1-40 %. Внешнюю влагу можно удалить из топлива при его сушке. Внутренняя влага связана как с органической частью топлива, так и с минеральной. К ней относят коллоидную и гидратную влагу. Коллоидная влага образует с топливом гели. Количество ее зависит от природы и состава топлива, содержания / влаги в атмосферном воздухе. Гидратная влага химически связана с минеральными примесями топлива. Содержание ее невелико. При сушке топлива часть коллоидной влаги испаряется, а содержание гидратной влаги не меняется.
Влажные твердые топлива на воздухе теряют влагу, а подсушенные приобретают ее. Эти процессы происходят до наступления равновесия между парциальным давлением паров воды в воздухе и топливе. Топливо с полученной таким образом влажностью называют воздушно-сухим. Если воздушно-сухое топливо нагреть при атмосферном давлении до температуры 105 °С, то вся влага из топлива будет практически удалена. Количество влаги, удаленной из воздушно-сухого топлива, называют гигроскопической влажностью WrH.
Состав топлива в том виде, в каком оно поступает на ТЭС, выраженный совокупностью отдельных элементов и компонент (по массе для твердого и жидкого топлива), называют рабочей массой топлива:
TOC o "1-3" h z cp + № + Sp 4-Op + Np + Wp + Ap = 100 %. (1)
Если из топлива удалена внешняя и внутренняя влага, то сухая масса имеет следующий состав:
Cc-j-Hc-fSc + Oc-fNc+Ac = 100 о/0. (2)
Исключив из сухой массы золу, получим горючую массу топлива
Cr + Hr + Sr + Or-f №= 100 %. (3)
Если из горючей массы выделить колчеданную серу, то оставшуюся массу топлива называют органической массой
Сг + Нг + Ог + № = 100 %. (4)
Состав рабочей и сухой масс одного и того же топлива в зависимости от условий добычи и погоды может колебаться в достаточно широких пределах. Состав горючей массы топлива постоянен. Поэтому его используют для проведения пересчета на сухую и рабочую массы. Формулы пересчета состава, например, с рабочей
|
2. Коэффициент пересчета состава твердых и жидких теплив с одной массы на другую
|
Массы на сухую легко получить, поскольку в 1 кг рабочей массы содержится (100- №р)/100 (кг) сухой массы топлива. Следовательно,
CP + Нр + Sp + О" + Np + W" Н - А" _ 100 ~
С + нс -)- sc + ос + ne + ас 100 - w" 100 100 "
Ср = Сс(100- Wp)/100: НР = НС(100-Wp)/100
Коэффициент пересчета (100 -Wp)/100 постоянен для всех элементов топлива. Коэффициенты пересчета состава твердых и жидких топлив с одной массы на другую приведены в табл. 2.
Если топливо нагревать без доступа воздуха, то из него в результате термического разделения нестойких содержащих кислород углеводородистых соединений выделяются летучие вещества и остается твердый нелетучий остаток. Выход летучих и свойства твердого остатка являются важными теплотехническими характеристиками твердого топлива.
Выход летучих Ул определяют по уменьшению горючей массы топлива при его нагревании в їечение 7 мин без доступа воздуха при температуре 850 °С и выражают в % горючей массы топлива. В состав летучих обычно входят водород, углеводороды, оксид и диоксид углерода. Величина выхода летучих и температура 4ых начала их выхода зависят от возраста топлива. Чем выше выход летучих и ниже температура начала их выделения, тем легче воспламеняется топливо. Наибольший выход летучих и наи - 24
Меньшую температуру начала их выхода имеют молодые топлива: у торфа Vr„ = 70 %, *вых = 100-г - ПО °С; у бурого угля.Утя = « 40-1-65 %; W 130-і-170 °С.
Твердый остаток, который остается после выхода летучих из топлива может быть спекшимся, слабоспекшимся и порошкообразным. Лишь некоторые каменные угли дают плотный спекшийся 1 остаток с большим числом пор, называемый коксом.
Теплоту сгорания топлива определяют опытным путем. Количество выделяемой теплоты зависит от конечного состояния продуктов сгорания и в частности от того, в каком агрегатном состоянии находится влага (в виде пара или воды). В связи с этим различают высшую Qb и низшую теплоту сгорания.
Различие между Qjj и Ql состоит в том, что первая учитывает теплоту, которая выделяется при конденсации водяных паров (влага в продуктах сгорания находится в виде воды), а вторая эту теплоту не учитывает. Так как в котле температура продуктов сгорания достаточна высока и конденсации водяных паров не происходит, теплота, затраченная на испарение влаги, теряется. Поэтому в тепловых расчетах используется низшая теплота сгорания рабочего топлива. Если известно Qb, то = Ql - 25,2 (Wp/100 + 9Н7Ю0),
Где 25,2 (Wp/100 +9№/100) - количество теплоты, затраченной на испарение влаги (Wp/ЮО), содержащейся в топливе, и воды (9НР/100), образующейся при горении водорода, кДж/кг;
25.2 МДж/кг - значение скрытой теплоты парообразования для воды при давлении, равном 0,1 МПа.
При отсутствии опытных данных приближенное значение для твердого топлива и мазута может быть найдено по формуле, предложенной Д. Н. Менделеевым,
QS = 0,339СР + 1,03НР - 0,109 (Ор - Sp) - 0,259WP.
Для сравнения различных топлив используют понятие условного топлива, т. е. топлива, теплота сгорания которого равна
29.3 МДж/кг. Понятием условного топлива пользуются при определении различных топливных ресурсов, сравнении удельных расходов топлива на единицу выработанной энергии и проведении технико-экономических расчетов. При сравнительной оценке качества топлив удобны приведенные к низшей теплоте сгорания характеристики топлив % кг/МДж:
Wn = Wp/Qp„; Ап = Ap/Qp; Sn = SP/QH-
Приведенные характеристики топлив Wn, А" и S" показывают, сколько на 1 МДж низшей теплоты сгорания приходится влаги, золы и серы, в % рабочей массы топлива. В зависимости от приведенной влажности принято считать топлива: маловлажными с W" = 0,7 % - кг/МДж, средней влажности с Wn = 0,7ч - 1,89 % кг/МДж, высоковлажными с Wn > 1,89 %■ кг/МДж.
Твердое топливо характеризуется абразивностью - свойством при контакте с другими материалами вызывать износ последних, что зависит от количества содержащихся в нем колчеданной серы, золы и ее состава. Эта характеристика топлива важна для выбора оборудования системы пылеприготовления.
Твердость твердого топлива и сопротивляемость его измельчению (размолу) характеризуются коэффициентом размолоспо - собности &ло (отношение удельного расхода электроэнергии, затраченного на помол антрацита, к удельному расходу энергии, требуемому для помола рассматриваемого топлива). Чем мягче топливо, тем больше величина kno. Этот показатель топлива учитывается при проектировании систем пылеприготовления и, в первую очередь, при выборе типа и производительности размольного оборудования.
Плотность твердого топлива (в кг/м3), как одна из его характеристик, широко используется в расчетах систем загрузки, хранения и подачи топлива к системам пылеприготовления. Различают кажущуюся и насыпную плотности. Под кажущейся плотностью понимают массу единицы объема куска топлива с внутренними порами, заполненными воздухом и влагой. Насыпная плотность представляет собой массу топлива, содержащуюся в единице объема, заполненного кусками топлива, т. е. учитывает также объем воздуха между кусками топлива.
Ископаемые твердые топлива делят на торф, бурые, каменные угли и антрацит. Торф - геологически наиболее молодое твердое топливо. Характеризуется невысокой степенью разложения органических остатков и относительно низкой теплотой сгорания, повышенным содержанием летучих (У"л да 70 %), водорода (Нг = = 5ч-6 %), кислорода (Ог > 30 %) и азота (Nr = 2-^2,5 %). Торфу свойственна очень высокая гигроскопичность и влажность (Wp = 35-=-60 %).
К бурым углям (марка Б) относят угли с высшей теплотой сгорания обеззоленной рабочей массы Q|l00/(l00 - Ар) < < 23,9 МДж/кг. По геологическому происхождению они близки к торфу. В бурых углях достаточно велико содержание летучих (К = 65-М0 %), водорода (Нг = 4-f-6,5 % и более) и кислорода (Ог = 15ч-30 %). Они отличаются высокой гигроскопичностью и влажностью, содержание углерода достаточно велико (Сг = = 55-^78 %), а количество слаборазложившихся растительных остатков мало. По влажности бурые угли классифицируют: Б1 - с влажностью более 40 %; Б2 - с влажностью 30-40 % и БЗ - с влажностью менее 30 %.
; К каменным относят угли, у которых 100/(100 - Ар) > > 23,9 МДж/кг. Они характеризуются высокими содержанием углерода (75-97 %), плотностью и теплотой сгорания. С увеличением содержания углерода доли кислорода, водорода и летучих в топливе уменьшаются. По выходу летучих с учетом способности 26
Спекания твердого остатка принята следующая классификация каменных углей: длиннопламенные (Д), газовые (Г), газовые жир - ч ные (ГЖ), жирные (Ж), коксовые жирные (КЖ), коксовые (К), обогащенные спекающиеся (ОС), слабоспекающиеся (СС), тощие (Т). По мере перехода от углей марки Д к Т выход летучих меняется от 36 % и более (Д) до 9-17 % (Т), а влажность соответственно от 14 до 5 %.
К полуантрацитам (ПА) и антрацитам (А) относят угли с QE 100/(100 - Ар) > 23,9 МДж/кг и выходом летучих менее 9 % В них содержится 89-f-92,5 % Сг, 2-ьЗ,6 % Hr, 0,8-f-l,3 % Nr, 2,2-5 % Or, 0,64-0,9 % Sr.
У полуантрацитов выход летучих больше 5 % и теплота сгорания выше чем у антрацитов. ПА и А являются высокосортными топливами; в энергетических котлах используют их отходы.
По размерам получаемых при добыче кусков уголь классифицируют следующим образом: плита (П), крупный (К), орех (О), мелкий (М), семечко (С), штыб (Ш) и рядовой (Р). Размер кусков угля от класса К к классу Ш уменьшается от 50-100 до 6-13 мм. В классе Ш куски угля мельче 6 мм, а в классе Р размер кусков неограничен и может составлять 0-200 (300) мм. В табл. 3 приведена характеристика твердого топлива некоторых месторождений.
Жидкое топливо характеризуется условной вязкостью и температурами застывания и вспышки. Условную вязкость принято выражать в условных градусах (ВУ). Ее определяют как отношение времени вытекания определенного объема (2-Ю-4 м3) жидкого топлива ко времени вытекания такого же объема воды при температуре 20 °С.
Условную вязкость жидкого энергетического топлива (мазута) обычно включают в его маркировку. Так, цифры, стоящие после буквы М, в марках мазута (например, М 40 и М 200) - условная вязкость при температуре 50 °С (соответственно 40 и 200°ВУ). Условная вязкость сильно зависит от температуры:
°ВУ, = °ВУБО(50/г)п,
Где °Byj - условная вязкость жидкого топлива при температуре °ВУ50 - условная вязкость при t = 50 °С; п - показатель степени, зависящей от величины °ВУ50.
Ниже приведены значения условной вязкости °ВУ50 при различных п
"ВУы............................................ 2 5 10 15 20
Я. ................................................. 1,8 2,3 2,6 2,75 " 2,86
Для качественного распыливания и надежной транспортировки жидкого топлива по трубопроводам его вязкость не должна превышать 2-3 °ВУ. Для выполнения этого условия необходим предварительный подогрев топлива. Температура подогрева мазута зависит от его марки и составляет 80-140 °С.
|
3. Характеристика твердого топлива
|
Температура застывания - минимальная температура, при которой жидкость теряет текучесть, и слив и перекачка ее становятся невозможны. У мазута эта температура зависит от марки и составляет 5-25 °С.
Температура вспышки - температура, при которой пары жидкого топлива в смеси с воздухом вспыхивают при соприкосновении с пламенем. Для мазута температура вспышки равна 80-140 °С. При открытой системе подогрева мазута температура его должна быть ниже температуры вспышки на 10-15 °С.
В качестве искусственного жидкого топлива в котлах используется мазут трех марок: М40, Ml00 и М200 - тяжелый остаток перегонки нефти, получающейся после отделения из нее легких фракций (бензина, керосина, легроина и др.). Мазут - малозольное и почти безводное топливо. Его классифицируют по содержанию в нем соединений серы и по вязкости. По количеству серосодержащих соединений мазут делят на малосернистый (Sc < 0,5 %), сернистый (Sc = 0,5-2 %) и высокосернистый (Sc > 2 %). В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года» указывается на необходимость существенного сокращения использования мазута в качестве топлива, в первую очередь на ТЭС.
Газообразное топливо представляет собой смесь горючих (водорода Н2, углеводородов метанового ряда, тяжелых углеводородов СНа, сероводорода H2S и оксид углерода СО), небольшого количества негорючих газов (кислорода Оа, азота Na, диоксида 28
|
Температура |
Выход летучих |
Теплота сгорания |
Коэффициент размо - лоспо - собно - сти кл0 |
Объем воздуха и сгорания при а |
Продуктов = 1 м"/кг |
||||||
Углерода С02 и водяных паров Н20). Состав его записывают в виде составляющих его соединений (в % объема). Все расчеты проводят исходя из единицы объема сухого газа, взятого при нормальных условиях (давлении 0,1 МПа и температуре 20 °С)
СН4 + С2Нв + С3Н8 + ■ ■+ Н2 + H2S + СО + N2 + С02 +
Теплота сгорания газообразного топлива при нормальных условиях и известном содержании газов, входящих в его состав,
QM = 0,01 }
Загрузка...