Энергетические топлива и основы их горения

Классификация топлив. Элементарный состав. Формулы пересчета

Органическое ископаемое топливо (твердое, жидкое, газообразное) является в настоящее время и будет, по прогнозам специалистов, в ближайшие десятилетия основным источником энергии (теплоты) для промышленного использования, а также основным источником энергии для транспортных и стационарных двигателей.

Под топливом понимают вещества, выделяющие в результате тех или иных преобразований тепловую энергию, которая используется в технических целях.

По принципу выделения энергии различают две группы топлив: химическое, выделяющее энергию в результате окисления горючих элементов, и ядерное, выделяющее энергию при делении ядер. В настоящее время в мире преимущественно используется химическое, или органическое, топливо, являющееся источником около 70% всей вырабатываемой энергии.

При использовании топлив находят применение как выделяемая энергия — теплота, так и химические свойства топлив. Поэтому последние могут быть разделены на энергетические и технологические.

Энергетическое топливо предназначено для сжигания с целью непосредственного получения тепловой энергии или ее преобразования в механическую и (или) электрическую энергию.

Технологическое топливо используется для ведения высокотемпературных технологических процессов (нагрев, обжиг, плавление и др.) и химической переработки для получения искусственного топлива (кокс) и технических продуктов (например, при сжигании кокса в доменных печах используются восстановительные свойства углерода).

По агрегатному состоянию все топлива делятся на твердые, жидкие и газообразные, а по способу получения или добычи — на природные и производные (искусственные). Кроме древесины, все виды природных топлив представляют собой горючие ископаемые. Искусственное топливо получают путем переработки природного. Методы переработки весьма разнообразны и зависят от характеристики и назначения конечного продукта. В основе методов переработки лежат физико-механические воздействия на исходный продукт: дробление, помол, нагрев, перегонка и т. д. Основные виды химических топлив представлены в табл. 14.1.

Классификация основных видов химических топлив

При проведении химического анализа топлива определяются доли различных химических элементов и веществ, его составляющих, т. е. элементарный состав. Органическое топливо состоит из сложных соединений различных элементов: углерода ©, водорода (Н), кислорода (О), азота (N), серы (S) и др., а также балласта в виде минеральных компонентов (Л), не участвующих в процессе горения и способствующих образованию золы, и влаги (W).

Все виды топлив состоят из горючей и негорючей частей (балласта). К горючим элементам относится углерод, водород и горючая сера, к негорючей части — кислород, азот, влага, зола и негорючая сера.

Углерод © является главной горючей составляющей всех топлив. При полном сгорании углерода тепловыделение составляет 33,5 * 103 кДж/кг. Тепловая ценность топлива определяется содержанием в нем углерода. Так, в древесине и торфе доля углерода достигает 58%, в угле и мазуте — до 90%. При термохимической переработке топлив углерод служит основой для образования вторичных органических веществ и составляет основную часть важного искусственного технологического топлива — кокса.

Водород (Н) — вторая важнейшая горючая составляющая любого топлива. Тепловыделение при его сгорании зависит от агрегатного состояния (жидкое или парообразное) конечного продукта горения водорода — воды — и может достигать 142−103 кДж/кг. С увеличением возраста твердого топлива содержание в нем водорода падает.

Кислород (О) — является балластной примесью в топливе, так как снижает его тепловую ценность. Кроме того, он связывает в топливе водород, обесценивая и его. В твердых топливах с небольшим химическим возрастом содержание кислорода может достигать 30% и выше, а в большинстве жидких моторных топлив оно не превышает 1,5%.

Азот (N) также балластирует топливо, снижая содержание в нем горючих веществ. В составе твердого топлива его содержится до 1,5%, в жидких — менее 1%.

Сера (S) входит в топливо в трех видах:

• • сера органическая (S_opr), входящая в состав органических соединений, содержащихся в топливе;
• • сера колчеданная (S_K), входящая в состав сульфидов, главным образом пирита и марказита (FeS₂);
• • сера сульфатная (S_c), входящая в состав сульфатов, например CaS0₄, MgS0₄, FeS0₄ и др.

Первые две составляющие серы (органическая и колчеданная) горят — это так называемая летучая (горючая) сера:

Сульфатная сера в горении топлива не участвует, так как уже находится в соединении с кислородом. В связи с этим она включается во внешний негорючий остаток — золу.

Суммарное содержание серы во всех трех соединениях носит название серы общей:

Сера является вредной составляющей топлива, так как при ее сгорании образуются оксиды: сернистый ангидрид (S0₂) и серный ангидрид (S0₃). Выбросы S0₂ и S0₃ в атмосферу оказывают негативное влияние на окружающую среду. Особенно вреден оксид серы S0₃, который, соединяясь с влагой, дает в качестве конечного продукта серную кислоту:

Она вызывает интенсивную коррозию металла котельных агрегатов, двигателей внутреннего сгорания, строительных конструкций и т. д.

Минеральные (негорючие) компоненты {А) являются главной балластной составляющей топлива, входящей в состав остаточного продукта полного сгорания топлива — золы.

В состав золы входят как вещества, образующие минеральную часть топлива, так и продукты их разложения и окисления. Содержание минеральных компонентов в твердых топливах колеблется в очень широких пределах: от 1—2% в древесине до 70% в сланцах, в жидких топливах — до 1%. Количество минеральных компонентов в топливе определяет его зольность, т. е. способность образовывать в процессе сжигания золу. Основной характеристикой золы является температура плавления, зависящая от ее состава.

Топлива с большим содержанием минеральных компонентов нецелесообразно перевозить на большие расстояния.

Влага (И7), так же как минеральные компоненты, — балласт, снижающий тепловую ценность топлива и определяющий целесообразность его транспортировки на большие расстояния. На испарение влаги тратится часть теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, что понижает температурный уровень процесса горения. При этом снижается значение температуры точки росы водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, и увеличивается опасность низкотемпературной коррозии. Доля влаги в составе топлива колеблется в широких пределах: от 0,3—1,5% в мазуте до 5% в каменных углях и до 5—20% в торфах и бурых углях.

Элементарный состав горючих газов можно представить так же, как и элементарный состав твердых и жидких топлив. Однако для удобства анализа и расчетов процесса горения газов их состав обычно представляют в виде суммы объемных долей горючих компонентов и балластных примесей в процентах, определяемых при нормальных условиях без учета водяных паров, т. е. на сухую массу топлива.

В состав природных газов в качестве горючих элементов входят метан (СН₄) — до 98,9%, углеводороды метанового ряда (от 0,3 до 10%) — этан (С₉Н₆), пропан (С₃Н₈), бутан (С₄Н₁₀) и др., а также, в виде следов, сероводород (H₂S). Балластом являются азот (N₂), углекислый газ (С0₂) и водяные пары (Н₂0).

В попутных газах нефтяных месторождений содержание метана ниже (до 45%), однако возрастает доля тяжелых углеводородов (до 40%).

Искусственные газы в качестве горючих компонентов содержат водород, метан, оксид углерода (СО) и небольшое количество тяжелых углеводородов (в коксовом газе). Балластными примесями в искусственных газах являются С0₂, N₂, водяные пары и пыль.

Влагосодержание газообразных топлив W, кг/м3, колеблется в зависимости от состояния топлива.

Содержание химических элементов и других составляющих топлива исчисляется в процентах от единицы массы или объема исходя из определенной части (массы) топлива. В зависимости от состояния топлива различают рабочую, аналитическую (воздушно-сухую), сухую и другие массы топлива. Каждой массе присваивается соответствующий индекс^[1]: рабочей — «р», аналитической — «а», сухой — «с», горючей — «г», органической — «о».

Для твердых топлив применимы все пять масс. О составе топлива соответствующей массы судят по индексу элементов. Топливо в том виде, в котором оно приходит к потребителю, называется рабочим. Его состав наиболее полно отражает состояние топлива. Элементарный состав рабочей массы записывается в следующем виде:

На лабораторный анализ топливо поступает воздушно-сухим, т. е. высушенным до постоянного веса на воздухе в естественных условиях. Масса такого топлива называется аналитической. Элементарный состав ее представляется в виде уравнения.

При полном высушивании топлива (при t > 105°С) получают сухую массу. Уравнение элементарного состава сухой массы топлива имеет вид.

Под горючей массой топлива понимают топливо, не содержащее механических компонентов и влаги (балласта). Уравнение элементарного состава горючей массы топлива представимо как.

Органическая масса топлива, в отличие от горючей, не содержит колчеданную серу. Элементарный состав этой массы может быть выражен равенством.

Очевидно, что при переходе от рабочей к органической массе доля химических элементов в составе топлива увеличивается, т. е.

Пересчет элементарного состава с горючей массы топлива на его рабочую массу и обратно производится по формулам^[2][3]

Для обратного пересчета из рабочей массы в горючую используется обратный множитель.

Переводные множители для пересчета состава топлива с одной массы на другую приведены в табл. 14.2.

Таблица 14.2

Переводные множители для пересчета заданной массы топлива в искомую.

На практике часто приходится иметь дело с измененной по сравнению с нормативной (рабочей) массой топлива из-за несоответствия действительных влажности и зольности нормативным. Пересчет состава рабочей массы топлива, имеющего W) Л^р, Б^р = W^p + Д ,^р, на новые W₂^P, А^р и Б^{р =} = W^p + А2 производится с помощью множителей.

где Б^р = А^р + W^v — суммарный балласт топлива.

Для жидких топлив характерны рабочая и сухая (безводная) массы. Состав природных и искусственных газов исчисляется только на сухой объем (1 м³ при нормальных условиях).

В наиболее общем виде состав сухих искусственных газов можно представить следующим образом:

где С_//гН_и — суммарное содержание углеводородов тяжелее метана.

Для большинства природных газов их состав представляется в виде суммы.

В долю пентана (С₅Ы₁₂) включают и другие, более тяжелые, углеводороды.

• [1] В соответствии с ГОСТ 27 313–95 в качестве индексов при обозначении состояний топлива приняты латинские символы. На практике для удобства используется кириллица.
• [2] В более полном объеме формулы пересчета приведены в ГОСТ Р 54 245—2010 «Топливо твердое минеральное. Пересчет результатов анализа для различных состояний топлива».
• [3] Аналогично производятся расчеты для остальных компонентов топлива.