К топливу относятся предназначенные для производства тепловой энергии вещества, которые в процессе горения выделяют большое количество теплоты. Эти вещества могут быть различными, но большая доля тепловой энергии вырабатывается из топлив органического происхождения. В последнее время для получения тепловой энергии на электростанциях и на установках специального назначения все большее распространение получает ядерное горючее.
Органическое топливо может быть как естественного, так и искусственного происхождения. Топливо естественного происхождения – это антрациты, каменные угли, бурые угли, торф, дрова, сланцы, нефть, природный газ, отходы промышленного и сельскохозяйственного производства (опилки, щепа, лузга, костра) и другие.К искусственному топливу относятся брикеты (торфяные, каменноугольные), кокс (каменноугольный, торфяной), древесный уголь, нефтяные продукты (бензин, керосин, мазут), спирты, топливные суспензии (смесь мазута с угольной пылью), доменный газ, коксовый газ, газ подземной газификации и т.п.
В состав органического топлива входят углерод С, водород Н, кислород О, азот N, сера S, минеральные примеси А и влага W.
Если выразить состав рабочего топлива в процентах по массе, то можно написать:
Ср+Нр+Ор+Nр+Sр+Ар+Wр=100
Это же выражение для абсолютно сухого топлива будет иметь вид:
Ср+Нр+Ор+Nр+Sр+Ар=100.
Содержащаяся в топливе влага может быть двух видов:
1 воздушная
2 гигроскопическая
Воздушная влага испаряется из топлива в условиях нормального атмосферного режима; гигроскопическая влага может быть удалена из топлива лишь при температуре выше 100 ℃. Топливо, из которого удалена воздушная влага, называется воздушно – сухим.
Сера в топливе встречается в трех видах:
1 органическая сера, связанная с основными элементами топлива (С, Н, N, О), в виде сложных органических соединений;
2 пиритная сера – в соединении FeS2;
3 минеральная сульфатная сера – в соединениях СаSО4 и MgSO4.
Органическая и пиритная сера образуют горячую серу, содержание которой в топливе составляет от 0 до 8%.
Кислород Ор и азот Nр относятся к внутреннему балласту топлива, их наличие снижает качество топлива, т.е. уменьшает теплоту его сгорания.
Горючими элементами топлива являются углерод, водород и летучая сера. В горючей массе твердых топлив содержится 50 - 95% углерода, а жидких топлив – 85 - 87%.
Газообразное топливо всех видов представляет собой смесь горючих и не горючих газов. К горючим газам относится водород, окись углерода, метан, сероводород, углеводороды ряда СпНм; к негорючим – углекислый газ, азот. Химический состав газообразного топлива характеризуется содержанием компонентов по объему в процентах. За единицу расхода принят кубический метр сухого газа при нормальных условиях, т. е. при температуре 0℃ и давлении 1,0131∙105 Па.
В нашей стране достигнуты большие успехи в использовании ядерного горючего в мирных целях. На ядерном горючем работают электростанции, атомоходы и ряд промышленных энергетических установок.
Процесс получения тепла происходит при замедленных ядерных реакциях деления урана и плутония. Замена обычного топлива ядерным позволит в недалеком будущем создать новые энергетические установки, которые обеспечат промышленность и сельское хозяйство дополнительной тепловой энергией. Следует иметь в виду, что используемые в настоящее время такие органические топлива, как газ, нефть и уголь, являются сырьем для химической промышленности.
Процесс освоения и внедрения ядерного горючего как одной из составляющих энергетического ресурса нашей страны – это сложный технический процесс, для осуществления которого потребуется много времени. Поэтому в настоящее время и на ближайшую перспективу основным топливом останется топливо органического происхождения.
Теплотехнические расчеты, связанные с горением топлива, выбор конструкций топочных устройств и способов сжигания топлива, условия охраны окружающей среды и другие факторы требуют знания основных технических характеристик топлива, к которым относятся: теплота сгорания, выход летучих веществ и свойства кокса, содержание золы и ее свойства, механические и физические свойства топлива. В результате горения топлива образуется двуокись углерода и водяной пар, который в продуктах сгорания может либо находиться в газообразном состоянии, либо конденсироваться в определенных условиях.
Энергетическая ценность топлива как источника тепловой энергии характеризуется теплотой сгорания, представляющее собой количество тепловой энергии, выделяющейся в ходе химических реакций окисления горючих компонентов газообразным кислородом.
Теплота сгорания – это удельная характеристика, отнесенная к единице количества топлива или к определенной его части.
В зависимости от степени использования теплоты водяного пара, находящегося в продуктах сгорания, различают высшую и низшую теплоту сгорания.
Теплоту сгорания называют высшей Qв, если она включает теплоту конденсации Qн2о водяного пара, входящего в продукты сгорания. Разность Qв – Qн2о = Qн называется низшей теплотой сгорания.
Для сравнения отдельных видов топлива между собой, ориентировочных расчетов потребности в топливе и других технико–экономических сопоставлений применяется понятие “условное топливо”. Условным называется такое топливо, теплота сгорания которого Qн равна 29330 кДж/кг.
Сера в составе топлива – элемент нежелательный. В результате горения серы образуются сернистый газ и серный ангидрид. Сернистый газ вреден и отравляет атмосферу, а серный ангидрид является источником образования серной кислоты, корродирующей металлические части котлоагрегата и дымоходов.
При проектировании топочных устройств необходимо знать зольность топлива. В результате горения различного топлива образуется и зола различных свойств.
По температуре плавкости золы делятся на:
1 легкоплавкие с температурой плавления tпл < 1 200℃;
2 среднеплавкие с tпл = 1 200 ÷ 1 400℃;
3 тугоплавкие с tпл > 1 400℃
Основным топливом, применяемым в теплогенераторах и котельных установках, являются каменный уголь, бурый уголь, торф, горючие сланцы, древесина, мазут и газы.
Каменный уголь, запасы которого в Советском Союзе достаточно велики, - продукт глубокойуглефикации растительных остатков. Он характеризуется малой гигроскопической влажностью W<10%, общей щелочной реакцией продуктов сухой перегонки, высокой теплотой сгорания Qн = 17 000 ÷ 25 000 кДж/кг. По величине кусков, мм, угли делят на следующие классы:
1 крупный (К) – 50-100;
2 орех (О) – 25-50;
3 мелкий (М) – 13-25;
4 семячко (С) – 6-13;
5 штыб (Ш) – менее 6;
6 рядовой несортированный (Р).
Наибольшее содержание углерода (95 - 96%) имеет антрацит, большие залежи которого находятся в каменных бассейнах Донбасса и Кузбасса.
Бурый уголь – продукт разложения растительных остатков. Его теплота сгорания 9 000 – 19 000 кДж/кг. Бурый уголь содержит большой процент влаги и относится к низкосортным видам топлива.
Торф – продукт разложения растительных остатков при ограниченном доступе воздуха. В зависимости от степени разложения различают торф:
1 молодой, сохранивший еще признаки растительного происхождения;
2 старый, представляющий собой темно – бурую массу без этих признаков.
Торф является высоко влажным топливом с содержанием влаги W = 40÷45%. В некоторых случаях торф сжигают при влажности 50%. Зольность торфа составляет 5-10%. Теплота его сгорания 8 000-9 000 кДж/кг. Торф бывает двух видов:
1 кусковой;
2 фрезерный (мелкая крошка).
Горючие сланцы – смесь сапропелитовых (нефтеобразных) продуктов, образовавшихся в результате разложения богатых жирами водных микроорганизмов с минеральными веществами. Сланцы отличаются высокой зольностью (до 70%). Теплота их сгорания примерно 10 000 кДж/кг.
Древесное топливо – это местное топливо. В промышленных установках его применение не целесообразно, так как древесину более рационально использовать как промышленное сырье. Древесина является высоковлажным топливом с W = 20÷25%, обладает малой зольностью и не содержит серы. Теплота сгорания древесины примерно 10 475 кДж/кг. Отходы промышленного производства в виде опилок, стружки, щепы относятся также к древесному топливу.
Нефть – сложная смесь углеводородов различного состава. Основные смеси: метановая и нафтеновая. Поскольку нефть является ценнейшим сырьем химической промышленности, как топлива она используется в виде отходов химической промышленности – мазутов. Свойства мазута характеризуется вязкостью, температурой вспышки паров и температурой застывания.
Вязкость характеризуется отношением времени истечения определенного количества мазута ко времени истечения того же количества воды в одинаковых условиях.
Температура вспышки паров – это температура, при которой пары мазута над его поверхностью вспыхивают от открытого пламени, но сам мазут при этом не воспламеняется.
Температура застывания – это температура, при которой мазут не изменяет положения своей поверхности при наклоне сосуда. Этот показатель является одним из основных, так как определяет возможность транспортирования мазута по трубопроводам, хранение его в цистернах и резервуарах и другие эксплуатационные показатели. Температура застывания различных мазутов от – 8 до +40℃.
В зависимости от содержания серы топливный мазут может быть:
1 малосернистым (S<0,5%);
2 сернистым (S=0,5÷1%);
3 высокосернистым (S=1÷3,5%).
Теплота сгорания мазута примерно 40 000кДж/кг. Мазут – весьма эффективное топливо. При его сжигании факел пламени излучает большое количество тепла. Что позволяет применять мазут широко используемых для сельского хозяйства теплогенераторах небольших мощностей.
Природный газ – высококалорийное топливо. Естественные горючие газы делятся на две группы:
1 природные газы чисто газовых месторождений;
2 попутные газы, сопутствующие нефтедобыче.
Природный газ – это смесь углеводородов различного состава. Инертных газов и сероводорода. Природный газ состоит в основном из метена СН4, содержание которого в газах в различных месторождений колеблется от 80 до 98%, остальные составляющие – углеводороды метанового ряда С n H 2n+2,H2, СО2, и H2S. Теплота сгорания природного газа 33 520-35 615 кДж/кг. Советский Союз имеет большие запасы природного топлива. Такие каменноугольные бассейны, как Донецкий, Кузнецкий, Карагандинский, Канско-Ачинский, Печорский, Якутский и др., располагают большими залежами каменноугольного топлива. Подмосковный, Башкирский, Приднепровский, Сибирский буроугольные бассейны богаты природными бурыми углями, находящимися близко к поверхности. Что позволяет вести разработку этих бассейнов и добычу топлива открытым способом. Большие запасы нефти и природного газа имеются в Бакинском и Грозненском нефтеносных районах. Освоены и дают большой процент в общем топливном балансе страны такие месторождения, как Урало-Волжское, Ставропольское, Бухарское, Тюменское, на Украине, Северном Кавказе и в Казахстане.
Топливно-энергетический баланс в условиях оптимального развития экономики всей страны складывается из увеличения добычи топлива в освоенных в районах, максимально приближенных к потребителям энергии.