Виды топлива, его химический состав и свойства.

Виды: Топливо - вещества, реакция со­единения которых с кислородом воздуха сопровождается выделением света и тепла. Топливо - горючие вещества, сжигаемые для получения тепла. Но не все горючие вещества могут быть использованы в качестве промышленного топлива. Для этого они должны обладать определенной скоростью горения, с тем чтобы этот процесс можно было бы регулировать, добиваясь максимального теплового эффекта. Одновре­менно они должны быть относительно дешевыми и прак­тически доступными для добычи. Этим условиям не удовлетворяют, например, такие горючие вещества, как се­ра, спирт, ацетон, порох, термитные смеси и т. п.

Все известные разновидности технических топлив делят по происхождению на естественные и искусственные, а по агрегатному состоянию - на твердые, жидкие и газообразные. К естественным относят те виды топли­ва, которые сжигают без обогащения. Механическая обработка естественного топлива: дробление, грохочение, промывка, не переводит его в разряд искусственных топлив. Искуст-е получают из естественных путем их тер­мической переработки, в процессе которой могут менять­ся их химический состав, агрегатное состояние и свойства. Общая классификация технических топлив, применяе­мых в промышленности, приведена в табл. 1.

Различают органическое и ядерное (урановое) топливо.

Хим. состав: Топливо состоит из горючей (углерод, H, S, а также условно О, N) и негорючих (зола, которая представляет собой смесь мин. в-в и влаги - образуют балласт Б=зола+вода) частей. С возрастом топлива сод-ние С ­. С возрастом кол-во Н ¯. С возрастом кол-во О2 ¯. Чем > О2 сод-ся, тем < выделяется теплоты. сера содержиться в топливе в 3х видах: Sм - сера минеральная, которая входит в состав золы; Sо - органическая сера, сод-щаяся в в-ве, из которого образовалось топливо; Sк - колчеданная сера, образ-щася от включения серного колчедана FeS2. Sо и Sк сотавляет летучую серу. Sл = Sо+Sк, S = Sл+Sм, Sл = Sо+Sк+Sм. При сгорании серы образуется токсичный сернистый ангидрит SО3. Выброс этих ангидритов с продуктами сгорания вызывает загрязнения воздуха. Кол-во орган-ой серы не зависит от возраста, а только от месторождения. Сод-ние N в сухом беззольном состоянии тв. топлив обычно составляет 1-2% по массе. Но N явл-ся вредным компонентом, т.к. при сгорании N-содержащих компонентов в высокоtных потоках образ-ся сильно токсичные оксид и диоксид азота.

Отдель­ные составные части твердого топлива образуют его органическую, горючую, сухую и рабочую массу (рабо­чее топливо). Схема формирования состава топлива приведена на рис. 1.

В элементарный химический состав топлива входят С, Н, О, N и S. Кроме того, в топливе содержится влага и зола. C, Н, О и N образуют органическую массу топлива, а вместе с серой - горючую массу. Частично сера вхо­дит в зольную часть топлива. В составе сухой массы топлива находится горючая масса и зола, а сухая мас­са с влагой образуют рабочее топливо.

В верхней части схемы (рис. 1) показаны состав­ные части топлива, которые по-разному ведут себя при его нагревании без доступа воздуха. Вода - превраща­ется в пар, углеводородные соединения, включающие кислород, азот, водород и часть углерода, содержащегося в топливе, выделяются при нагревании в газообраз­ном виде, образуя горючие летучие вещества. Оставша­яся часть углерода вместе с серой и золой образует кок­совый остаток, причем углерод с горючей частью серы образует горючую часть кокса, а зола с негорючими сер­нистыми соединениями - негорючую часть кокса. Лету­чие горючие вещества сгорают в топочном (или печном) пространстве и при более низкой tе, чем кок­совый остаток, который горит непосредственно в слое в рез-те взаимодействия кислорода с поверхностью кусков кокса. Топливо, сжигаемое в технических устройствах, харак-ется его рабочим состоянием и обозначается инд-ом ^Р (%): С^Р+Н^Р+О^Р+N^Р+S^Р+А^Р+W^Р = 100%; безбалластная часть топлива наз-ся горючей массой, обоз-ся инд. ^Г (%): С^Г+Н^Г+О^Г+N^Г+S^Гл = 100%; сухая масса топлива не сод-т влаги: С^С+Н^С+О^С+N^С+S^С+А^С = 100%; безбаластная, бессернистая и беззольная наз-ся органической: С^О+Н^О+О^О+N^О +S^О = 100%. Д/испарения 1 кг воды при 0⁰С треб-ся 2,5 МДж теплоты.Свойства:Главнейшими свойствами твердого топлива являют­ся его теплотворность (теплотворная способ­ность или теплота сгорания), tа воспламенения, tа плавления золы, механическая прочность (обладают только тв. топлива), погодостойкость, склонность к самовозгоранию или самоокислению, влажность, сернистость. Для жидких топлив кроме теплотворности важны еще вяз­кость, плотность, tа вспышки, tа воспламенения и tа застывания. Теплотворность характеризуют кол-вом тепла, выделяющимся при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива, либо 1 м³ газового топлива. Q с верхним индексом, соот­ветствующим массе топлива, и с нижним индексом в или п, обозначающим соответственно высшую или низшую теплотворность. Высшая теплотворность включает теп­лоту конденсации водяных паров, образовавшихся при горении топлива + влага в продуктах сгорания в виде жид-ти (т.е. не учит-ся тепло не идущее на испарение и парообразование при горении Н2), а низшая - предусматривает сохране­ние водяных паров в продуктах горения в газообразном состоянии (т.е. вода в прод-ии сгорания очищают паром). Практическое значение в расчетах промыш­ленных тепловых установок имеет низшая теплотвор­ность рабочего топлива Q^рн которая приводится во всех справочных таблицах по топливу. Пересчитывают выс­шую теплотворность Q^рн в низшую по формуле: Для сопоставления различных видов топлива по их теплотворности и для сравнения тепловой экономично­сти установок, работающих на различных топливах, а также для планово-произ-венных расчетов, связан­ных с расходом топлива, применяют понятие условного топлива. Под условным понимают топливо с Q^рн = 7000 ккал/кг или 29300 кДж/кг. Величину называют эквивалентом условного топлива (переводным коэф-том, калорийным эквивалентом). Пере­счет расхода натурального топлива Вн в условное Ву и обратно производят по формуле Tой воспламенения топлива называют ту низшую tу, при достижении которой топливо воспламеняется без участия горящего очага. Tа воспламенения повышается по мере увеличения воз­раста топлива и уменьшается с ростом сод-ния в нем летучих горючих веществ. Примерные tы воспламенения различных видов топлива в °С таковы: дрова 250-300; торф 250-300; бурые угли 350-450; каменные угли 400-500; антрацит и кокс 700-800. Огнеупорность золы - tа ее плавления обусловливает агрегатное состояние золы при tе горения топлива, а также физическую структуру зольного остатка после удаления его из топочного про­странства. По огнеупорности различают 4 группы зол с tой плавления в °С: легкоплавкая - до 1160; среднеплавкая 1160-1350; тугоплавкая 1350-1500 и огнеупорная - более 1500. При сжигании топлив, зола которых огнеупорна, она после сжигания получается в виде тонкодисперсного по­рошка, а при легкоплавких золах - в виде пористого ноздреватого омоноличенного конгломерата - шлака. После сжигания топлив со среднеплавкой и тугоплавкой золами минеральный остаток получается в виде золо-шлаковой смеси. Эти положения не являются непрелож­ным правилом, а характеризуют лишь тенденции, так как характеристика зольного остатка после сжигания топлива, помимо огнеупорности золы, зависит еще от действительной tы горения топлива и от спо­соба золоудаления. При сжигании топлива путем его ввода (запрессов­ки) в обжигаемый мат-л, точнее в сырьевую смесь (принцип «черного брикета») приходится учитывать со­став и минеральную природу золы, так как в этих слу­чаях она участвует в формировании свойств готового продукта (его состава, структуры и т. п.) и, следовательно, влияет на его физико-технические свойства. Погодостойкость топлива определяет его транспор­табельность и возможность длительного хранения, ко­торая в свою очередь зависит от склонности топлива выветриванию и самовозгоранию. Последнее вызывается наличием в топливе сульфидов железа, которые, окисляясь при взаимодействии с кислородом воздуха переходят в сульфаты с выделением тепла. Этот процесс сопровождается разрыхлением и нагреванием угля, которое приводит к его самовозгоранию. Присуще это в основном бурым и частично каменным углям. Если вследствие низкой погодостойкости угли совершенно нетранспортабельны Þ принято ре­шение на базе этих месторождений (которые по мощно­сти являются уникальными) строить крупные электро­станции и «транспортировать» электроэнергию, а не угли. Повышенная влажность углей затрудняет их сжига­ние, приводит к потере сыпучести и замазыванию транс­портирующих устройств, что вызывает большие осложне­ния в эксплуатации механизированных топок. Предель­ные влажности в %, при которых различные угли теряют сыпучесть, колеблются в довольно широком диапазоне: от 7-9 % для Воркутинских, Донецких тощих углей и антрацитов до 34-35 для Подмосковных углей. Пре­дельная влажность угля, при которой наступает зама­зывание, превышает на 2-3 % влажность при потере сыпучести.

Механ-ая R - определяет возм-ть использования в шахтных печах, где топливо не должно измельчаться под действием на него 8-10м слоя шихты. Имеет большое значение при переработке топлива, дроблении, помоле. Самоокисление - способность ч-ц адсорбировать на своей пов-ти О2 воздуха. Если выдел-ся при этом тепло, то это может привести к образованию очага возгорания (бурые угли-имеются сульфаты Fe). Сернистость - нежел-ая примесь, но если она представлена в виде сернистого колчедана FeS, она ­ теплот-ую спос-ть. Образует при горении SO2 и SO3 - яд. В качестве жидкого топлива практически использу­ют только мазут, который является продуктом термиче­ской переработки нефти - наиболее тяжелой ее фрак­цией. Для приема (слива), транспортирования, хране­ния и процесса сжигания мазута большое значение име­ет его вязкость. По этой характеристике мазут марки­руется. Различают товарные марки мазута 20; 40; 60; 80; 100. Марка мазута соответствует условной его вяз­кости в градусах Энглера при tе 50°С. Граду­сом Энглера называют отношение продолжительности истечения 200 см³ нефтетоплива в вискозиметре Энгле­ра при tе исп-ния к времени истечения то­го же объема дистиллированной воды при 20°С. Плотность - c ­ r ­ вязкость. Tа вспышки паров мазута составляет 80-125^оС. Характеризует tу, при которой отделившиеся от пов-ти топлива пары вспыхивают при поднесении к нему пламени. Tа воспламенения - такая tа, при которой нагреваемое в станд. усл-ях топливо загор-ся при поднесении к нему пламени и горит не < 5 сек. Tа застывания - такая tа, при которой жидкость теряет текучесть, мазута равна 5-25°С в за­висимости от его марки. Механические примеси допус­каются только для марок «80» и «100» в кол-ве до 2,5%. В зависимости от сод-ния сернистых соеди­нений, % по массе, различают мазуты: малосернистый-до 0,5; сернистый до 1; высокосернистый-до 3,5%. Плотность мазута -0,9 г/см³. Природный газ, если он не содержит сернистых соединений, не токсичен. Однако ненасыщенные УВ, из кот-ых он в основном состоит, обладает наркотическими свойствами. Иногда содержится Н₂S. Этот газ имеет неприятный запах тухлых яиц и явл-ся сильным ядом.