Виды топлива и его состав. Энергетическое топливо по своему физическому составу делится на твердое (кусковое и пылевидное), жидкое и газообразное. Топливо в том виде, в каком оно поступает в котельную, называют рабочим топливом. Оно состоит из следующих элементов: углерода – С, водорода – Н, кислорода – О, азота – N, серы – Sл, золы – А и влаги – W. Индексом Sл обозначается летучая сера. Остальная сера входит в состав золы топлива. Если выразить в процентах содержание каждого элемента в топливе, то для элементарного состава его рабочей массы будет справедливо равенство
Ср + Нр + Ор + Nр + Sрл + Ар + Wр = 100 %. (1.2)
Влага топлива. Влага является вредной (балластной) составляющей состава топлива, уменьшающей его теплоценность. Основная часть этого элемента топлива – внешняя влага, механически удерживаемая наружной поверхностью фракций топлива. Ряд топлив (торф, дрова, солома и т.п.)
Таблица 1.1
Удельные энергоемкости различных материалов: Э, В – удельный расход на производство продукции (соответственно энергии и условного топлива)
Э, МДж/кг Материалы
В, кг у.т./кг
1000
Теллур Титан
34
880
Ацетилен
30
700 500
Никель
24
17
400
Магний
13,6
300
Акрил (волокно)
10,2
200
Алюминий Нейлон-66 из нефти Кремний Полиэстр (волокно)
6,8
140
Натрий Медь (лист)
4,8
100
Полипропилен Медь (проволока)
3,4
90
Цинк (лист) Резиновые покрышки
3,0
70
Нержавеющая сталь (лист)
2,4
60
Стальной лист (холоднокатаный)
2Д
50
Свинец
1,7
40
Аммиак аммония из нефти Стеклянные изделия
1,36
30
Окись магния
1,02
20
Азотная кислота Чугун
0,68
14
Жидкий азот
0,48
10
Известь (окись кальция)
0,34
7
Цемент
0,24
6
Сера
0,21
5
Кирпич
0,17
4,5
Железобетон
0,15
4
Нефть (перегонка)
0,136
имеют способность активно набирать влагу. Для этих топлив вводится понятие условной влажности. Пересчет массы, например, торфа фактической (натуральной) влажности на условную влажность производится по формуле
Gусл = Gфакт(100 – Wфакт)/(100 – Wусл), (1.3)
где Gусл, Gфакт, – соответственно массы топлива при условной и фактической влажности, т; Wусл, Wфакт – соответственно условная и натуральная влажность топлива, в %.
Следует обратить внимание на одну особенность при учете дров. В статистической отчетности они учитываются в плотных кубических метрах. Если по каким-то причинам масса дров приведена в складских кубометрах, то необходимо сделать их пересчет в плотные путем умножения количества складских кубометров на коэффициент 0,7.
Зола топлива. Это также балластная часть. Наибольшее количество (золы или минеральных) примесей содержится в твердых топливах. Это глины (Аl2О3·2SiО2·2Н2О), свободный кремнезем (SiО2), карбонаты (Са-СО3, МgСО3 и FеСО3), сульфаты (СаSО4 и МgSО4) и т.д.
Минеральные примеси в жидких топливах (различные соли и окислы) содержатся в небольших количествах (до 1,0 %).В газовых искусственных топливах минеральные примеси содержатся в долях процента и определяются технологией производства газа.
Содержание в топливе «внешнего баланса» (А + W) зависит не только от природы топлива, но и от внешних условий (способа добычи, наличия фазы обогащения, хранения, транспортирования).
Для твердых топлив различают истинную, объемную и насыпную плотность (первая - в объеме плотной массы без пор, вторая - с порами и трещинами, третья - с порами, трещинами и межкусковыми промежутками). Практическое значение для топлив имеют истинная и насыпная плотности, которые и приведены в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Некоторые расчетные характеристики различных топлив
Топливо
Условная
влажность,
%
Тепловой
эквивалент
Qрн/7000
Плотность топлива, кг/м3
истинная
ρист
насыпная
ρнас
Уголь, т: Кузнецкий уголь (сортовой)
-
0,952
1450
840
Свердловский
-
0,595
-
-
Буланашский
-
0,730
1740
1000
Хакасский (Минусинский)
-
0,736
1700
970
Канско – Ачинский
-
0,486
1530
770
Экибастузский
-
0,617
1750
990
Торф топливный, т: Фрезерный
40
0,34
1500
670
Кусковой
33
0,41
1500
-
Брикет
16
0,6
1600
-
Полубрикет (прессуется без предварительной сушки)
28
0,45
1550
-
Дрова для отопления, м3(плотный)
40
0,266
-
450
Древесные опилки, м3(складской)
40
0,11
-
-
Сучья, хвоя, щепа, м3(складской)
40
0,05
-
-
Солома, т
10
0,5
-
-
Газ природный, 1000 м3
-
1,142
800
-
Нефть, т
-
1,43
950
-
Мазут топочный, т
-
1,37
1000
-
Топливо дизельное, т
-
1,45
860
-
Топливо печное бытовое, т
-
1,45
860
-
Бензин автомобильный, т
-
1,49
840
-
Керосин, т
-
1,47
850
-
Теплотворная способность. Под теплотворностью (теплотой сгорания) понимается то количество теплоты (тепла), которое выделяется при полном сгорании топлива. Кроме полной теплотворности, т.е. количества теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы топлива (1 кг, 1 м3, 1 моль), в расчетах чаще всего используют низшую теплотворность Qн, определяемую при условии, что вода, образующаяся при сгорании топлива,
будет в парообразном состоянии. В практических условиях приходится иметь дело с низшей теплотворной способностью рабочего топлива - Qрн, ккал/кг, кДж/кг; это основной показатель теплоценности топлива.
Для того чтобы можно было сопоставить топлива между собой по их теплоценности, введено понятие условного топлива (у.т.), теплотворность которого 7000 ккал/кг у.т., 29310 кДж/кг у.т.
В различного вида отчетных документах расход топлива на каждый вид продукции (выполненных работ) и в целом по предприятию, муниципальному образованию и т.д. приводится в тоннах условного топлива (т у.т.). Натуральные топлива пересчитываются в условное, как правило, по их фактическим тепловым эквивалентам К, определяемым как отношение низшей теплоты сгорания рабочего состояния топлива к теплоте 1 кг у.т., т.е.
К = Qрн/700, или Qрн/29310. (1.4)
Значения тепловых эквивалентов для топлив, чаще всего используемых в повседневной практике, приведены в табл.1.2.
Угольное топливо. Все ископаемые угли делятся на три основных типа: бурые, каменные и антрациты. Это деление достаточно условное, так как есть угли, которые можно отнести к разным типам.
Бурые угли (марка Б) отличаются меньшей, чем для других углей, теплотворной способностью (Qрн≈ 2250 – 4000 ккал/кг). Их характеризует большой выход летучих (Vг = 40 – 50 %), неспекающийся коксовый остаток и большая влажность, доходящая до 55 – 58 % у молодых и до 30 % у старых углей. Они легко теряют на воздухе влагу и механическую прочность, превращаясь при этом в мелочь, и обладают повышенной склонностью к самовозгоранию. Их целесообразно использовать как местное энергетическое топливо из-за низкой теплоты сгорания, самовозгорания и растрескивания. Но в современной ситуации, когда цены на топливо резко
выросли, при сокращении объемов их добычи бурые угли перестают быть топливом местного значения.
Каменные угли - это топливо с выходом летучих веществ более 9 %. Нередко это спекающиеся угли (сырье для коксования), за исключением длиннопламенных и тощих. Они отличаются широким диапазоном теплотворности (gрн* 3200 - 6000 ккал/кг) и большим разнообразием марок.
Антрациты по своему геологическому возрасту являются наиболее старыми из всех ископаемых углей, у них выход летучих веществ менее 9 %, что затрудняет их воспламенение. Высокая теоретическая температура горения (2180 °С) создает трудности для сжигания антрацитов в слое, особенно на механических колосниковых решетках. Теплотворность антрацита брн* 5500 -6800 ккал/кг. Антрациты обладают наибольшей из ископаемых углей механической прочностью, малым количеством влаги и золы, а также ярко-черным блеском. Переходными между каменными углями и антрацитами являются так называемые полуантрациты (марка ПА), отличающиеся несколько большей теплотворностью.
Угли классифицируют также по крупности, если их путем грохочения разделяют на классы: плита (>100 мм), крупный (50 - 100 мм), орех (25 - 50 мм), мелкий (13 - 25 мм), семечко (6 - 13 мм), штыб (< 6 мм). В этом случае к марке угля добавляют обозначение класса крупности, например АШ - антрацитовый штыб и др. Но энергетические топлива грохочению практически не подвергаются, и такой уголь называется рядовым. Часть углей, обычно спекающихся, подвергается обогащению - сухому или мокрому - с выделением малозольного концентрата для коксования, также высокозольного промпродукта для энергетических целей. Еще одной разновидностью твердого топлива являются горючие сланцы с зольностью до 70 %. Это малоценное рабочее топливо.
Торф. Это относительно молодое геологическое образование, создающееся в результате отмирания болотной растительности при избыточном количестве влаги и недостаточном доступе воздуха. По внешнему ви-
24
ду торф представляет собой волокнистую (при малой степени разложения) или пластическую (при высокой степени разложения) массу, соответственно коричневого или черного цвета. Торф в естественном состоянии содержит большое количество воды, чем он резко отличается от других видов твердого ископаемого топлива - бурого и каменного углей.
Под торфяным топливом при способах добычи его с воздушной сушкой понимается воздушно-сухой торф с влажностью до 50 % – для кускового, до 53 % – для фрезерного торфа и зольностью до 23 %. Торфяное топливо, которое поступает потребителю с его действительными влажностью и зольностью, называется натуральным. Количество сухой массы в нем в зависимости от влажности бывает весьма различно, поэтому все весовые расчеты по поставкам топлива должны производиться на условную влажность (33 % для кускового и 40 % для фрезерного торфа).
В настоящее время при производстве торфа широко используется процесс брикетирования. Это процесс уплотнения и упрочнения порошкообразного, мелкого материала при прессовании в замкнутом пространстве. Торфяные брикеты обычно имеют форму цилиндра или призмы, изготовляются из торфяной крошки (фрезерного торфа) и используются в качестве бытового топлива или в топках коммунальных и промышленных котельных. По своему тепловому эффекту 1 т торфяных брикетов может заменить до 3 м3складских дров. Если при производстве брикетов не используется искусственная сушка торфа, то получаемый продукт называется полубрикетом. Из торфа производят также кокс.
Значение теплоты сгорания Qрн для различных видов торфяного топлива обычно составляют, ккал/кг:
торф фрезерный – 2000…2600
торф кусковой – 2200…3000
брикеты торфяные – 3500…4200
полубрикеты торфяные – 2800…3500
кокс торфяной – 7250.
Древесное топливо. Состоит в основном из клетчатки С6Н10О5 (50 – 70 и межклеточного вещества лигнина (20 – 30 %). Ценность древесного топлива состоит в малой зольности (до 1 %), отсутствии серы и большом содержании горючих летучих (до 85 %). Возможная значительная влажность (Wр до 60 существенно снижает его теплотворную способность. Иногда для дров вводят понятие абсолютной влажности, определяемой по формуле, %:
W = (G – G1)⋅100/G1, (1.5)
где G и G1 - масса влажной и высушенной до постоянной массы при T = 100 – 105 0С древесины, кг.
Соответственно по этой влажности дрова подразделяются:
1) на воздушно-сухие с содержанием влаги до 25 %;
2) полусухие с содержанием влаги от 26 до 30 %;
3) сырые с содержанием влаги более 50 %.
Отходы растениеводства. По своей структуре и топливным характеристикам близко подходят к древесине. Большинство из них отличаются относительно высокой теплотворной способностью. Для сравнения приведены данные по городскому мусору (средние значения Qрн для растительных отходов), ккал/кг: солома – 3750; костра льняная – 3860; коробочки хлопчатника – 3410; стебли хлопчатника – 3470; подсолнечная лузга – 3685; рисовая шелуха – 3180; городской мусор –1000.
Жидкое топливо. Исходным сырьем практически для любого жидкого топлива является нефть. В отдельных случаях это могут быть продукты (смолы, дистилляты), получаемые при термической переработке твердых топлив. Рассмотрим здесь некоторые продукты переработки нефти.
Топочные мазуты. Классифицируются по содержанию серы на малосернистые (Sр ≤ 0,5 - 1,0 %), сернистые (Sр ≤ 2 и высокосернистые (Sр ≤ 3,5 %). Топочные мазуты выпускаются нескольких марок М200, М100 и т.д. Цифра показывает отношение времени истечения 200 мл мазута при
50 0С ко времени истечения такого же количества дистиллированной воды в строго определенных условиях. Из этого видно, что мазуты - очень вязкие жидкости, не менее чем в 150 раз их вязкость выше, чем у воды. Для перекачки мазутов по трубопроводам и распыливания форсунками их надо подогревать до 100 – 140 0С.
Моторные топлива. Это топлива для двигателей внутреннего сгорания, классифицируют по их испаряемости. Она характеризуется температурами, при которых выкипает 10, 50 и 90 % объема топлива, а для бензинов указывается и температура конца кипения. По испаряемости топливо делится на легкое и тяжелое. К легкому относится бензин, лигроин, керосин. Марка бензина определяется его октановым числом, например бензин А - 92, А - 95. Чем выше октановое число бензина, тем ниже склонность данного топлива к детонации. Детонацию можно определить упрощенно как предельный (взрывной) режим горения топлива.
Газообразное топливо. Это естественные или искусственные газы. Первые добывают из скважин газовых месторождений или, как попутные, при добыче нефти. Вторые получают в процессе термического разложения твердых или жидких топлив на специальных заводах или, как попутные, при добыче нефти. Вторые получают в процессе термического разложения твердых или жидких топлив на специальных заводах или, как попутные, при коксовании углей или в биогазовых установках при переработке органических отходов и стоков (бытовых, животноводческих и др.).
Природные газы отличаются высокой теплотворностью и полным отсутствием оксида углерода. Главное преимущество газообразного топлива состоит в удобстве транспортирования его по трубопроводам на большие расстояния и простоте сжигания. Попутные газы газонефтяных месторождений содержат ядовитый и коррозионно-активный сероводород.
В промышленности и особенно в быту используют сжиженный газ, получаемый при первичной переработке нефти и попутных нефтяных газов. Температура конденсации при атмосферном давлении этих газов
обычно ниже 0 0С, соответственно при 20 0С давление паров этих газов составляет от 0,2 до 0,8 МПа, поэтому эти газы транспортируют в жидком виде в баллонах под небольшим давлением – менее 2,0 МПа. Теплотворность Qрн некоторых газов, ккал/нм3:
и межклеточного вещества лигнина (20 – 30 %). Ценность древесного топлива состоит в малой зольности (до 1 %), отсутствии серы и большом содержании горючих летучих (до 85 %). Возможная значительная влажность (Wр до 60 
