Органические топлива (горючие)

Основные сведения. Топливом может быть названо любое вещество, способное при горении (окислении) выделять значительное количество теплоты. По определению, данному Д.И.Менделеевым, «топливом называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения тепла». Практическая целесообразность топлива определяется его количественными запасами, удобствами добычи, скоростью горения, теплотворной способностью, возможностью длительного хранения и безвредностью продуктов сгорания для людей, растительного и животного мира и оборудования. Существуют естественные (природные) и искусственные виды топлив.

Процесс освобождения химической энергии представляет собой реакцию окисления горючего. Поэтому химические топлива состоят из горючего и окислителя.

Горючие топлива бывают органического и неорганического происхождения. Те и другие могут быть твердыми, жидкими и газообразными.

В энергетике для получения электрической энергии на тепловых электрических станциях в основном используются топлива органического происхождения.

Все виды органического топлива (горючие) представляют собой углеводородные соединения, в которые входят небольшие количества других веществ.

К твердому топливу относятся: антрацит, каменный и бурый уголь, торф, дрова, сланцы, отходы лесопильных заводов и деревообделочных цехов, а также растительные отходы сельскохозяйственного производства — солома, костра, лузга, чинголак и др.

Твердые топлива используются в основном на ТЭС для получения электрической энергии, для отопления и технологических нужд промышленности и в незначительной степени для судовых и локомотивных двигателей.

К жидкому топливу относятся нефть, а также различные продукты ее переработки: бензин, керосин, лигроин, разнообразные масла и остаточный продукт нефтепереработки — мазут. Искусственное жидкое топливо и горючие смолы, а также масла получают и при переработке некоторых твердых топлив.

До 70 % жидких топлив расходуют транспортные средства — автомобили, трактора, тепловозы, суда, самолеты, вертолеты; около 30 % сжигается в виде мазута на тепловых электростанциях. Сырую нефть в качестве топлива в котельных и других установках не применяют.

К газообразному топливу относятся: природный газ, добываемый из недр земли; попутный нефтяной газ; газообразные отходы металлургического производства (коксовый и доменный газы); крекинговый газ; генераторный газ, получаемый искусственным путем из твердого топлива в особых газогенераторных установках.

Газообразные топлива (горючие) сжигаются на ТЭС для получения электрической и тепловой энергии. И в очень небольшом количестве используются на транспорте.

Элементарный состав твердого и жидкого топлив. Топливо в том виде, в каком оно поступает для сжигания в топки или в двигатели внутреннего сгорания и специальные аппараты, называется рабочим.

В состав рабочего (твердого или жидкого) топлива входят углерод С, водород Н, кислород О, азот N, летучая сера S, негорючая минеральная примесь — зола А, а также влага W.

Для рабочей массы топлива имеет место очевидное равенство

где С^р, Н^р, О^р и т.д. — содержание каждого из элементов рабочего топлива, %, в общей массе топлива.

Характеристика топлива по составу его рабочей массы является весьма неустойчивой, так как для одного и того же сорта топлива в зависимости от способа его добычи, транспортирования и хранения содержание в нем S^p, A^pи W^р может значительно колебаться.

Влага, содержащаяся в топливе, совместно с золой называется балластом топлива. вредна тем, что, во-первых, на ее испарение при горении расходуется тепло и, во-вторых, уменьшается относительное количество горючего вещества в топливе. Наличие золы не только снижает теплоту сгорания, но и значительно затрудняет процесс горения в топке и ее эксплуатацию.

В естественных видах ископаемого твердого топлива встречается сера трех разновидностей:

• органическая S^о, связанная с другими элементами топлива С, Н, N и О в виде сложных органических соединений;

• колчеданная S^к в виде пирита, или серного колчедана FeS₂;

•сульфатная S^сульф в виде солей серной кислоты (гипс, FeS0₄и др.).

Сульфаты представляют собой высокие оксиды серы, поэтому находящаяся в них сера гореть не может. Присутствующие в топливе органическая и колчеданная сера сгорают, образуя токсичный сернистый ангидрид S0₂, и (в небольших количествах) еще более токсичный серный ангидрид S0₃. Выброс их с продуктами сгорания вызывает загрязнение воздушного бассейна.

Органическая и колчеданная сера образуют вместе летучую горючую серу S _л. Таким образом, общее содержание серы в топливе

Следовательно, в горючую часть топлива входит только летучая сера, остальная сера в горении участия не принимает и может быть отнесена к балласту (зола топлива).

Для правильного представления о тепловых свойствах топлива вводится понятие горючей массы, для которой

где индекс вверху показывает, что процентный состав отдельных элементов отнесен к горючей массе.

Название «горючая масса» носит условный характер, так как действительно горючими ее элементами являются только углерод, водород и сера. Углерод — преобладающий компонент твердых и жидких топлив, в топливах его обычно содержится от 50 до 95 %, тогда как содержание водорода Н^г колеблется от 1 до 11 %, а серы S^r от 0 до 8 %. Горючую массу можно характеризовать как топливо, не содержащее золы и в абсолютно сухом состоянии. Содержание азота в горючей массе твердых топлив обычно составляет 1...2% по массе. Несмотря на столь малое количество азот является весьма вредным компонентом, поскольку при сгорании азотсодержащих соединений в высокотемпературных топках образуются сильнотоксичные оксиды N0 и N0₂ (они образуются также и из атмосферного азота, но в меньшей степени).

Для топлива, содержащего большое количество влаги (бурый уголь, торф, дрова, некоторые растительные отходы), в некоторых случаях удобно использовать понятие сухой массы, т.е. характеризовать состав абсолютно сухого топлива суммой элементов С^с, Н^с, 0^е, N^c S^c и А^с. При этом

где индекс показывает, что процентный состав отдельных элементов отнесен к сухой массе.

Для взаимного пересчета массы топлива в соответствии с понятием о массах топлива служат формулы, приведенные в табл. 1.2.

Зольность топлива. Золой называют твердый негорючий остаток, который образуется после сжигания топлива в атмосфере воздуха. Зола может быть в виде сыпучей массы с плотностью в среднем 600 кг/м³ и в виде сплавленных пластин и кусков, называемых шлаками, с плотностью до 800 кг/м³.

В состав золы большинства видов твердого топлива входят: глинозем А1₂0₃, кремниевая кислота Si0₂, негашеная известь СаО, магнезия MgO, едкий натр Na₂OH, оксиды железа FeO и Fe₂0₃.

Зола способствует разрушению обмуровки топочных устройств и поверхностей камер сгорания, оседает в газоходах теплообменных аппаратов и ускоряет износ поверхностей, обтекаемых забалластированным газовым потоком, а также засоряет окружающую местность.

Таблица 1.2. Формулы для пересчета состава топлива с одной массы на другую

Заданная масса топлива	Искомая масса топлива, %
рабочая	сухая	горючая
Рабочая		100/(100–W_p)	100/(100–(W_p+A_p))
Сухая	(100–W_p)/ 100		100/(
Горючая	(100–(W_P+A^p)) /100	(100 –А^с)/100

Влажность топлива. Определяется по ГОСТ 11014—81 высушиванием навески при 105... 110 °С. Максимальная влажность массы W^p составляет 50 % и более и определяет экономическую целесообразность использования данного горючего материала и возможность его сжигания. Влага снижает температуру в топке и увеличивает объем дымовых газов. Для превращения 1 кг воды комнатной температуры в пар нужно затратить 2,5 МДж теплоты. Увеличенный объем дымовых газов требует дополнительной энергии на их удаление.

Очевидно, что влага является балластной примесью, так как уменьшает тепловую ценность исходного топлива. Кроме того, часть теплоты, выделяемой топливом при его сгорании, расходуется на испарение влаги.

Летучие вещества. При нагревании твердого топлива без доступа воздуха его органическая масса разлагается, в результате чего образуются газы, водяные и смоляные пары и углеродосодержащий остаток. Суммарное количество выделяющихся летучих веществ увеличивается с увеличением температуры и времени выдержки. Этот процесс в основном заканчивается при 700...800 °С, поэтому по ГОСТ 6382—91 выход летучих веществ V, в процентах на горючую массу, определяется путем прокаливания 1 г топлива в закрытом тигле при температуре (850 ± 10) "С в течение 7 мин. Выход летучих веществ является важнейшей характеристикой горючей массы топлива и уменьшается по мере увеличения его возраста. Чем больше выход летучих веществ, т. е. чем больше топлива превращается при нагревании в горючий газ, тем проще зажечь это топливо и легче поддерживать устойчивое горение. Органическая часть древесины и горючих сланцев при нагревании без доступа воздуха почти целиком переходит в летучие вещества V = 85...90%, в то время как у антрацитов V = 3...4%. Именно большой выход летучих веществ определяет хорошую горючесть древесины.

Как видно из табл. 1.3, основными горючими составляющими частями твердых топлив являются углерод и водород.

Жидкие топлива. Практически все жидкие топлива пока получают путем переработки нефти (бензин, керосин, дизельное топливо и мазут). Мазут, как и моторные топлива, представляет собой сложную смесь жидких углеводородов, в состав которых входят в основном углерод (С^р= 84... 86%) и водород (Н^р= 10... 12%); О^р + N^p = 1...2%; содержание воды и зольность не превышают 0,2... 1,5%.

Мазуты, полученные из нефти ряда месторождений, могут содержать большое количество серы (до 5 %), что резко усложняет защиту окружающей среды при их сжигании.

Характеристики жидких топлив — продуктов переработки нефти приведены в табл. 1.4.

Наиболее легкие сорта бензина применяются в авиации и называются авиационными, более тяжелые — в автотранспорте (автомобильные). Лигроин и керосин могут применяться для тракторных, турбореактивных и других двигателей.

Из жидких топлив в котельных и промышленных печах сжигаются только топочные мазуты, которые классифицируются по степени их вязкости: М20, М40, М60, М80, Ml00 и Ml20 (цифры в марках мазута указывают условную вязкость в градусах Энглера).

Основные свойства жидких топлив — плотность, испаряемость, вязкость, стабильность при хранении, температуры застывания, вспышки, воспламенения и самовоспламенения, антидетонационная стойкость идр.

Температура воспламенения горючего — температура, при которой начинается самоподдерживающееся длительное горение с поверхности горючего. Не следует путать эту температуру с температурой вспышки, которая характеризует способность паров жидкого горючего воспламеняться от пламени над поверхностью горючего.

Эти две температуры характеризуют условия хранения и обращения с топливом (пожарная опасность).

Температура самовоспламенения определяет способность топлива самовоспламеняться от постороннего источника (например, в дизелях это нагретый от сжатия воздух, в карбюраторных двигателях — искра от электрической свечи).

Показателем воспламеняемости дизельных топлив является цетановое число, характеризующее склонность дизельного горючего к термическому распаду, окислению и самовоспламенению. Чем больше цетановое число, тем легче самовоспламеняется горючее.

Цетановое число определяется на специальной установке путем сравнения воспламеняемости испытуемого дизельного горючего с воспламеняемостью эталонных горючих. Последние представляют собой смеси различного состава из цетана С₁₆Н₃₄, самовоспламеняемость которого принята за 100 (цетановое число 100), и альфа-метилнафталина С₁₀Н₇СН₃, самовоспламеняемость которого принята за 0 (цетановое число 0).

Таблица 1.4. Характеристики жидких топлив, получаемых из нефти

Топливо	Состав горючей массы, %	Зольность сухого топлива А^г, %	Влага рабочего топлива wp,%	Низшая теплота сгорания рабочего топлива, МДж/кг
	Углерод С	Водород Н^г	Сера S^r	Кислород и азот O^r + N^r
Бензин	85,0	14,9	0,05	0,05			43,8
Керосин	86,0	13,7	0,2	0,1			43,0
Дизельное	86,3	13,3	0,3	0,1	Следы	Следы	42,4
Солярное	86,5	12,8	0,3	0,4	0,02	Следы	42,0
Моторное	86,5	12,6	0,4	0,5	0,05	1,5	41,5
Мазут:
малосернистый стый	86,5	12,5	0,5	0,5	0,1	1,0	41,3
сернистый	85,0	11,8	2,5	0,7	0,15	1,0	40,2
многосернистый	84,0	11,5	3,5	0,5	од	1,0	40,0

Октановое число характеризует склонность жидкого топлива, обычно бензина, к детонационному, т. е. взрывному, сгоранию. Чем октановое число больше, тем склонность к детонации меньше. Если скорость нормального горения — скорость распространения фронта пламени — бензовоздушной смеси составляет 0,5... 50 м/с, то скорость детонационного горения достигает 1500...3500 м/с и горение охватывает весь объем смеси сразу, т.е. носит характер взрыва.

Детонация наблюдается в карбюраторных двигателях и ведет к повышению износа двигателя, уменьшению его мощности, увеличению расхода горючего. Чем выше давление смеси, тем больше при прочих равных условиях возможность и сила детонации.

Октановое число жидкого топлива (бензина) определяется подобно цетановому. Только здесь за идеальное в антидетонационном отношении горючее принимается изооктан С₈Н₁₃ (октановое число 100), а за идеально детонирующее — нормальный гептан С₇Н₁₆ (октановое число 0).

У жидких топлив цетановое число 40... 50. Октановое число бензинов 60...98, для авиационных, более легких, бензинов — близко к 100.

Газообразное топливо. Газообразное топливо по сравнению с другими видами топлива имеет ряд существенных преимуществ. Газообразное топливо сгорает при небольшом избытке воздуха, образуя продукты полного горения без дыма и копоти, не дает твердых остатков; оно удобно для транспортирования по газопроводам на большие расстояния и позволяет простейшими средствами осуществлять сжигание в установках самых различных конструкций и мощностей. Газообразное топливо подразделяется на естественное и искусственное. Естественное, в свою очередь, подразделяется на природное и нефтепромысловое.

Природный газ получают из чисто газовых месторождений, где он выбрасывается из недр земли под давлением, доходящим иногда до 10 МПа и более. Основным его компонентом является метан СН₄, кроме того, в газе разных месторождений содержится небольшое количество водорода Н₂, азота N₂, высших углеводородов C„H„, оксида СО и диоксида С0₂ углерода. В процессе добычи природного газа его обычно очищают от сернистых соединений, но часть их (в основном сероводород) может оставаться. Кроме того, в бытовой газ для обнаружения утечек добавляют так называемые одоризаторы, придающие газу специфический запах; они тоже содержат соединения серы. Принято считать, что концентрация водяного пара в природном газе соответствует состоянию насыщения при температуре газа в трубопроводе.

Нефтепромысловые газы выделяются в большом количестве в районах месторождений нефти и, особенно, в районах эксплуатации нефтяных скважин.

При добыче нефти выделяется так называемый попутный газ, содержащий меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов и поэтому выделяющий при сгорании больше теплоты. Проблема полного его использования сейчас весьма актуальна.

В промышленности и особенно в быту находит широкое распространение сжиженный газ, получаемый при первичной переработке нефти и попутных нефтяных газов. По ГОСТ 20448—90 выпускают технический пропан (не менее 93 % С₃Н₈ + С₃Н₆), технический бутан (не менее 93 % С₄Н_Ш + С₄Н₈) и их смеси. Температура конденсации пропана при атмосферном давлении составляет минус 44,5 °С, а бутана — 5 °С; соответственно при 20 °С давление паров пропана составляет около 0,8 МПа, а бутана — около 0,2 МПа. Поэтому эти газы транспортируют в жидком виде в баллонах под небольшим давлением (менее 2 МПа). В зависимости от назначения и условий использования смеси содержание в ней пропановой и бутановой фракций должно быть разным. Например, зимой цистерны без подогрева, размещаемые на улице, должны заполняться пропаном, ибо бутан при отрицательных температурах испаряться не будет. Небольшие баллоны, устанавливаемые в помещении, заполняют смесью, состоящей примерно поровну из пропана и бутана, в результате чего давление в баллоне обычно не превышает 0,6 МПа.

К искусственным газам относят: доменный газ, являющийся продуктом при выплавке чугуна на металлургических заводах; коксовый, образующийся при получении кокса в коксовых батареях; светильный, получаемый при сухой перегонке угля; генераторный, получаемый в газогенераторах, который для сжигания в топках котлов не применяют.

Коксовый и доменный газ используют главным образом на месте в доменном и других цехах металлургического завода.

К основным свойствам газообразных горючих относятся плотность, токсичность, взрываемость, влажность, запыленность. Плотность газообразных горючих составляет 0,7...0,8 кг/м³, сжиженных газов — до 2,3 кг/м³ и производных — от 0,7 до 1,4 кг/м³. Опасность отравления газами (токсичность) зависит от содержания в горючем газе окиси углерода СО, сероводорода H₂S и др. Пребывание в атмосфере, содержащей 1 % этих газов, в течение 1... 3 мин может привести к смерти. Взрывоопасность определяется содержанием Н₂ и СО, которые образуют взрывчатые смеси с воздухом. Эти смеси взрывоопасны при содержании Н? от 4 до 74% и СО от 12,5 до 74%.

Газы как горючее для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) имеют следующие достоинства: обладают высокими антидетонационными свойствами, широкими пределами воспламенения (по избытку воздуха); обеспечивают хорошие условия смесеобразования; приводят к меньшему, чем в ДВС на жидком горючем, износу; менее требовательны к качеству смазочных материалов и т. п. Однако все горючие газы имеют высокую температуру самовоспламенения и поэтому нуждаются в постороннем источнике зажигания.

Состав и теплота сгорания некоторых горючих газов представлены в табл. 1.5.

Теплота сгорания топлива. Основной характеристикой топлива является теплота сгорания. Теплотой сгорания твердого и жидкого топлива называется количество теплоты (Дж), выделяемое 1 кг топлива при его полном сгорании. Теплоту сгорания обозначают буквой Q и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Теплоту сгорания газообразного топлива относят обычно к 1 м³, взятому при нормальных условиях (0 °С, 760 мм рт. ст.), и измеряют в джоулях на метр кубический (Дж/м³).

Теплота сгорания зависит от химического состава топлива и условий его сжигания. Она может быть отнесена к органической, горючей или какой-либо другой массе топлива. Наибольший практический интерес представляет теплота сгорания рабочей массы топлива QI-

Таблица 1.5. Состав и теплота сгорания горючих газов

Газ		Состав сухого газа, % по объему	Низшая теплота сухого газа <2',МДж /м³
СН₄	Н₂	СО	с_mн_n	О₂	со₂	Н₂С	N₂
Природный	94,9	—	—	3,8	—	0,4	—	0,9	36,7
Коксовый	22,5	57,5	6,8	1,9	0,8	2,3	0,4	7,8	16,6
(очищенный)
Доменный	0,3	2,7	28,0	—	—	10,2	0,3	58,5	4,0
Сжиженный		Пропан 79, этан 6, водород и изобутан 11	88,5

Для перевода действительного топлива в условное пользуются соотношением (безразмерным коэффициентом)

В продуктах сгорания топлива, содержащего водород и влагу, имеется водяной пар Н₂0, обладающий определенной энтальпией (см. подразд. 2.3), равной примерно 2510 кДж/кг. Наличие в продуктах сгорания топлива водяного пара заставляет ввести понятие высшей теплоты сгорания Q%.

Высшей теплотой сгорания рабочего топлива называют теплоту, выделяемую при полном сгорании I кг топлива, считая, что образующиеся при сгорании водяные пары конденсируются.

Низшей теплотой сгорания рабочего топлива называют теплоту, выделяемую при полном сгорании 1 кг топлива, за вычетом теплоты, затраченной на испарение влаги как содержащейся в топливе, так и образующейся от сгорания водорода.

Теплоту сгорания топлива определяют по формулам, учитывающим, что углерод С, водород Н и сера S, участвующие в горении, выделяют определенное количество теплоты.

Наиболее распространена формула Д. И. Менделеева, которая дает достаточно точные результаты для самых разнообразных топлив. Эта формула для определения высшей теплоты сгорания (кДж/кг) твердых и жидких топлив имеет вид

а для низшей теплоты сгорания

где коэффициенты 338, 1249, 108,5, 1025 и 25 выражают теплоту сгорания отдельных горючих элементов, деленную на 100.

Низшую теплоту сгорания сухого газообразного топлива (кДж/м³) определяют как сумму произведений теплоты сгорания горючих газов на их объемное содержание в смеси:

Точность формулы Д. И. Менделеева очень высока, по ней рекомендуется сверять результаты лабораторных определений теплоты сгорания.

Условное топливо. Большая разница значений теплоты сгорания у различных видов топлива затрудняет в некоторых случаях проведение сравнительных расчетов, например, при выявлении запасов топлива, при оценке целесообразности применения разных сортов топлива и пр. Поэтому принято понятие условного топлива. Условным называется такое топливо, теплота сгорания 1 кг или 1 м³ которого равна 29330 кДж.

где Э_к — калорийный эквивалент, указывающий, какая часть теплоты сгорания условного топлива соответствует низшей теплоте сгорания рассматриваемого топлива. Расход условного топлива