Энергетическое топливо

Топливом называется горючее вещество, используемое в качестве источника получения теплоты в энергетических, промышленных и отопительных установках. Энергетическим называют топливо, сжигаемое с целью получения тепловой, механической и электрической энергии.

Топливо можно разделить на две основные группы: органическое, выделяющее теплоту в результате химических реакций с окислителем, и ядерное, способное выделять теплоту при цепных реакциях распада ядер некоторых изотопов тяжелых элементов (урана, плутония).

Расщепляющимся (ядерным) топливом называется вещество, способное выделять большое количество тепловой энергии за счет торможения продуктов деления тяжелых ядер химического элемента при взаимодействии их с нейтронами. На атомных электростанциях используется энергия распада радиоактивных ядер атомов тяжелых металлов: урана (²³⁵ U) и плутония (²³⁹ Рu). Самая богатая урановая руда – уранинит – содержит 65 – 90 % диоксида урана UO ₂, радиоактивного ²³⁵ U содержится всего 0,72 %, а остальное составляет обычный ²³⁸ U. Для повышения содержания ²³⁵ U в исходном ядерном топливе его подвергают обогащению на газодиффузионных заводах до 1,5 – 3,5 % ²³⁵ U, после чего загружают в ядерные реакторы. При делении 1 кг ²³⁵ U выделяется около 85 млн МДж теплоты, что эквивалентно сжиганию 3500 т каменного угля с теплотой сгорания 24,5 МДж/кг. Основная руда, из которой получают уран, урановая смолка U ₃ O ₈. Торий Th – естественный радиоактивный элемент с атомной массой 232,038 – практически чистый изотоп ²³² Th, с периодом полураспада 1,4×10¹⁰лет; сырье, из которого получают торий – монацитовый песок. Плутоний Рu – радиоактивный элемент с атомной массой 242, в природе не встречается. В качестве ядерного топлива используют долгоживущий изотоп ²³⁹ Рu (период полураспада 24 400 лет).

По способу получения органическое топливо подразделяют на природное и искусственное, получаемое в результате переработки природного топлива.

Ископаемое природное топливо – это топливо, накопленное в недрах Земли и являющееся продуктом биохимических и химических превращений органического вещества растений и микроорганизмов, протекавших с различной скоростью в направлении постепенного обуглероживания (углефикации) топлива, т. е. повышения в нем содержания углерода и уменьшения количества кислорода и водорода.

При производстве тепловой энергии для теплоснабжения на теплоэлектроцентралях, тепловых станциях, в производственных и отопительных котельных используют в основном природное органическое топливо.

По агрегатному состоянию органическое топливо можно разделить на твердое, жидкое и газообразное. По современным представлениям все эти три группы органических ископаемых топлив имеют аналогичное происхождение. Различия встречающегося в недрах земли природного топлива обусловлены особенностями исходных органических остатков микроорганизмов, из которых оно формировалось в различные периоды развития биологических структур, а также условиями их преобразований. Накопление органического материала преимущественно за счет отмерших растений происходило в условиях заболоченной суши; его трансформация сначала в условиях ограниченного контакта с кислородом, а затем при прекращении такого контакта привела в дальнейшем к образованию торфа и большинства ископаемых углей. Органические остатки главным образом разложившихся одноклеточных организмов, накопленные на дне прибрежных зон морей и океанов при полном отсутствии кислорода, явились источником образования сапропеля («гниющего ила»), из которого в дальнейшем сформировались некоторые угли, большинство сланцев, нефть, природный горючий газ.

Сырая нефть является смесью органических соединений и включает в себя небольшое количество жидких сернистых и азотных соединений, парафинов и смол. После извлечения легких фракций и масел (бензина, лигроина, керосина, газойля, солярового масла) остаются сильновязкие тяжелые фракции – мазут, который и используется как энергетическое жидкое топливо. При этом минеральные примеси, входящие в нефть, концентрируются в мазуте.

Природные газы образуются одновременно с нефтью либо получаются в результате синтеза в присутствии воды и карбидов металлов на больших глубинах под воздействием высокого давления и температуры. Во многих случаях выход газов сопутствует добыче нефти. Это так называемые попутные газы, которые также возможно использовать в качестве энергетического топлива.

В качестве энергетического топлива теплогенерирующих установок наибольшее значение имеют твердое топливо – каменные и бурые угли, антрацит и полуантрацит, а также жидкое и газообразное топливо – мазут и природный газ. В меньшей мере используются торф и горючие сланцы, стабилизированная нефть и горючие газы промышленности (доменный, коксовый).

Состав топлива

Особенностью твердых и жидких топлив является сложность химического состава входящих в них органических соединений, поэтому состав топлива определяется по процентному содержанию заключенных в нем химических элементов. Газообразное топливо, представляющее собой механическую смесь достаточно простых углеводородов и других известных соединений, оценивается по доле этих соединений в топливе.

В общем случае состав органического топлива можно разделить на горючую и негорючую части (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема элементарного состава топлива

Горючая частьтвердого и жидкого топлива представляет собой в основном органические соединения, образованные пятью химическими элементами: углеродом С, водородом Н, серой S, кислородом О и азотом N. При этом кислород и азот топлива не участвуют в экзотермических реакциях и поэтому являются «внутренним балластом» топлива. Горючая часть топлива включает также некоторые минеральные соединения (например, железный колчедан FeS ₂), которые взаимодействуют с кислородом воздуха при высокой температуре.

Негорючая частьтоплива состоит из влаги W и минеральной части М, образующей при сгорании золу A.

Химический состав твердых и жидких топлив определяют не по количеству соединений, а по суммарной массе химических элементов в топливе в процентах, т. е. устанавливают элементарный состав топлива.

Рабочей считается масса топлива в том виде, в каком она поступает на теплогенерирующую установку.

. (1.1)

Расчет расхода топлива и полученных объемов продуктов сгорания производится по составу рабочей массы.

В состав любого топлива в виде основных горючих элементов и их химических соединений входят углерод С, водород Н и сера S. Чем больше горючих элементов в топливе, тем выше его теплота сгорания – величина, показывающая количество теплоты, выделяющейся при сжигании 1 кг или 1 м³ топлива.

Углерод является одной из главных составляющих топлива (50 – 75 % в твердых топливах и 83 – 85 % в мазутах) и имеет высокую теплоту сгорания, равную 34,1 МДж/кг.

Водородимеет самую высокую теплоту сгорания (120,5 МДж/кг), но его количество в твердых топливах невелико (Н^р = 2 – 4 %) и несколько больше в жидких (10 – 11 %).

Сера в топливе может встречаться в трех видах: органическая S_о, входящая в состав сложных органических соединений топлива; колчеданная S_к в составе железного колчедана FeS ₂; сульфатная S _с, встречающаяся в топливе в виде сульфатов CaSO ₄, MgSO ₄.

Сера, входящая в состав органических и колчеданных соединений, называется летучей горючей, потому что может сгорать и выделять теплоту, образуя сернистый и серный ангидрит.

. (1.2)

Сульфатная сера при горении топлива не выделяет теплоты и переходит в шлаки и золу, поскольку сульфатные соединения практически не разлагаются.

Сера имеет невысокую теплоту сгорания (9,3 МДж/кг) и содержится в топливах в малых количествах (S^p = 0,3 – 4 %), поэтому не представляет ценности как горючий элемент. Наличие оксидов серы в продуктах сгорания увеличивает опасность коррозии металла поверхностей нагрева и при определенных концентрациях опасно для организмов и растительности, что требует принятия мер для их улавливания.

Кислород обычно связывает некоторое количество горючих элементов, уменьшая этим выделение теплоты при сгорании топлива.

Азот не участвует в процессе горения, но на его подогрев и выделение в продукты сгорания затрачивается некоторое количество теплоты. При сжигании топлива азот не окисляется, переходит в продукты сгорания в свободном виде и смешивается с азотом воздуха, подаваемого для горения топлива. Азот и кислород называют внутренним балластом топлива в отличие от внешнего балласта, к которому относят золу и влагу.

Минеральная часть топлива, называемая золой, накапливается в течение трех периодов. Сначала появляется зола внутренняя (первичная), находившаяся в растениях, послуживших материалом для образования торфянников, а впоследствии угольных пластов. Затем количество золы в топливе увеличивается за счет заноса земли и песка ветром и водой (вторичная зола). Третичная зола попадает в топливо при его добыче в результате загрязнения породой.

Влагу, содержащуюся в рабочем топливе, разделяют на внешнюю W_вн и гигроскопическую W_ги.

. (1.3)

Внешняя влага при хранении топлива в сухом месте постепенно испаряется до тех пор, пока не наступит равновесие между парциальным давлением паров в воздухе и паров воды, содержащихся в топливе. Топливо, высушенное таким способом, называют воздушно-сухим.

Рабочее топливо, измельченное до порошкообразного состояния и доведенное в лабораторных условиях до воздушно-сухого состояния, теряет внешнюю влагу, и масса его называется аналитической. Оставшуюся влагу W^а топлива, связанную с его исходным веществом, называют гигроскопической, т. е. W^а = W_ги.

. (1.4)

При нагреве топлива до температуры 102 – 105 ^оС при атмосферном давлении считается, что из топлива удаляется внешняя и гигроскопическая влага и получается сухая масса топлива:

. (1.5)

В некоторых минеральных соединениях (кристаллах) топлива содержится гидратная или кристаллизационная влага, удаление которой возможно только при нагреве топлива до температуры 800 ^оС, т. е. до разложения этих соединений. В общую влагу она не входит.

Влага ухудшает качество топлива и, превращаясь при горении в пар, отнимает часть теплоты сгоревшего топлива. А поскольку температура уходящих из котельной установки дымовых газов обычно выше 100 ^оС, то теплота, затраченная на испарение влаги из топлива, теряется.

В горючую массутоплива входят химические элементы исходного органического вещества; кроме того, сюда причисляют серу минеральных горючих соединений (например, серного колчедана FeS ₂), поэтому она называется условной горючей массой.

. (1.6)

Органическая масса отличается от горючей только отсутствием колчеданной серы.

. (1.7)

В отличие от твердого и жидкого топлива газовое топливо представляет собой механическую смесь горючих и негорючих газов. Природные газы преимущественно содержат метан СН ₄ (до 90 – 96 %), в небольшом количестве тяжелые углеводороды (этан С ₂ Н ₆, пропан С ₃ Н ₈, бутан С ₄ Н ₁₀), которые часто записываются в виде общей формулы С_mН_n (1 – 6 %). Кроме того, природный газ содержит негорючие компоненты: немного азота N ₂
(1 – 4 %) и диоксид углерода СО ₂(0,1 – 0,2 %).