что называют энергетическим топливом
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.
Расщепляющимся (ядерным) топливомназывается 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 UO2, 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 U3O8. Торий Th – естественный радиоактивный элемент с атомной массой 232,038 – практически чистый изотоп 232 Th, с периодом полураспада 1,4×10 10 лет; 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 нефтьявляется 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 газыобразуются 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 FeS2), 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 м 3 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 Sо, входящая в состав сложных органических соединений топлива; колчеданная Sк в составе железного колчедана FeS2; сульфатная Sс, встречающаяся в топливе в виде сульфатов CaSO4, MgSO4.
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 Wвн и гигроскопическую Wги.
. (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 = Wги.
. (1.4)
При нагреве топлива до температуры 102 – 105 о С 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 о С, 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 о С, 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 FeS2), поэтому она называется условной горючей массой.
. (1.6)
Органическая масса отличается от горючей только отсутствием колчеданной серы.
. (1.7)
Для пересчета состава твердого топлива с одной массы на другую пользуются множителями, приведенными в табл. 1.1.
Энергетическое топливо. Технические характеристики и элементарный состав.
В настоящее время топливо можно разделить на две группы, различающиеся по принципу освобождения энергии: горючее, выделяющее теплоту при взаимодействии с другим веществом (окислителем); расщепляющееся (ядерное), которое выделяет теплоту в результате расщепления вещества топлива с одновременным образованием молекул других химических элементов.
Горючее топливо делят на органическое и неорганическое. Органическое топливо включает углеводородные химические соединения природного и искусственного происхождения, углерод и водород, а также их смеси. Неорганическим топливом являются неорганические вещества и их композиции, которые при взаимодействии с окислителем выделяют большое количество теплоты. Такими веществами могут быть металлы: алюминий (А1), магний (Mg), железо (Fe) и др.
1. Углерод (С) входит в состав топлива в виде сложных соединений с другими элементами. Чем выше содержание углерода, тем выше тепловая ценность топлива. В твердом топливе содержание его колеблется от 50 % для древесины до 93% для антрацита в зависимости от глубины обуглероживания растительных (или животных) остатков. Теплота сгорания углерода около 33 МДж/кг.
3. Кислород (О) является балластной составляющей топлива, так как своим присутствием уменьшает горючую часть в топливе. Содержание кислорода колеблется в пределах от 0,5% у каменных углей до 42% у растений.
4. Азот (N), как и кислород, также считается внутренним балластом топлива, снижающим горючую часть, так как входит в органическое вещество. В твердом топливе содержание доходит до 3%, но в доменном и генераторном газах содержание азота существенно увеличивается, что снижает теплоценность этих искусственных горючих газов. Азот топлива при горении целиком превращается в токсичные окислы NO и NO2.
Негорючая часть топлива состоит из влаги Wt и минеральной части М, образующей при сгорании золу А.
7. Летучая зола, выбрасываемая через дымовую трубу, кроме вреда для окружающей среды, наносит вред непосредственно поверхностям нагрева своими эрозионными свойствами (SiO,) и загрязнением (СаО). Соединения ванадия в минеральный части топлива вызывают интенсивную ванадиевую коррозию металла.
8. Влага W, как и зольность, является внешним балластом топлива, снижает его теплоценность и, кроме того, требует затрат теплоты на испарение. Испарившаяся влага отбирает от дымовых газов часть теплоты на свой подогрев, отчего понижается температура газов, а вместе с ней и температурный напор между газами и рабочей средой, что уменьшает количество передаваемой теплоты.
Технические Характеристики:
1. Теплотой сгорания топлива называют количество теплоты, выделяемой при полном сгорании единицы массы, кДж/кг, или объема, кДж/м3, топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания.
Высшей теплотой сгорания QВ называют количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива (или 1 м3 газового топлива) при условии, что образующиеся при сгорании водяные пары конденсируются и выделяется их теплота конденсации. В паровых котлах продукты сгорания не охлаждаются до температуры конденсации паров. В этих условиях теплота конденсации теряется и общее используемое тепловыделение при горении топлива будет меньше. Количество теплоты, которая выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого (или 1 м3 газового) топлива за вычетом теплоты конденсации водяных паров, называют низшей теплотой сгорания QН.
2. Выход летучих веществ. Если твердое топливо постепенно нагревать в инертной среде без доступа воздуха, то при высоких температурах сначала выделяются водяные пары, а затем происходит разложение кислородосодержащих молекул топлива с образованием газообразных веществ, получивших название летучие вещества (СО, Н2, СО2, CnHm, H2S, CN, HCN и др.).
3. Структура кокса. Оставшаяся после выхода летучих веществ твердая часть топлива состоит в основном из углерода и минеральной части и называется коксом. Термические преобразования исходного вещества топлива в провесе выхода летучих приводят к изменению структуры твердой части, результате чего коксовый остаток может быть спекшимся (твердым, сплавленным), слабоспекшимся (разрушающимся при надавливании или ударе), порошкообразным (рассыпающимся после нагрева).
4. Температуры плавления золы. Поскольку эоловые частицы представляют собой смесь минералов с различной температурой их явления, то по мере нагрева спрессованного образца из золы в лабораторной печи происходит постепенное размягчение золовой частицы вплоть до расплавленного состояния.
5. Вязкость. Важнейшей технической характеристикой, определяющей возможность и условия транспорта мазута, является вязкость. Она весьма существенно зависит от температуры. Повышение вязкости мазутов с понижением температуры определяется присутствием в них парафинов.
6. Плотность. Обычно пользуются относительной плотностью мазутов (плотностью по отношению к плотности воды при температуре 20°С). Последняя составляет ρ20 = 0.99-1.06.
7. Температура вспышки и воспламенения. Температурой вспышки считается такая температура, при которой пары мазута над поверхностью жидкой фазы кратковременно воспламеняются при поднесении источника огня. Температурой воспламенения считается такая температура паров в смеси с воздухом, при которой после вспышки продолжается устойчивое горение не менее 5 с. Эта температура обычно на 15-20 °С выше, чем при вспышке.
8. Плотность. Почти все виды газового топлива легче воздуха (ρг = 0.73-0.75 кг/м3), поэтому проникший в помещение газ скапливается под верхними перекрытиями.
9. Взрыеаемостъ. Смесь горючего газа с воздухом в определенных пропорциях при вводе в эту смесь источника огня или даже искры может взорваться, т. е. происходит процесс воспламенения смеси вблизи источника огня и распространение горения в остальной газо-воздушной смеси со скоростью перемещения волны давления во фронте.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО И ЕГО КЛАССИФИКАЦИЯ
Энергетическим топливом называются горючие вещества, которые экономически целесообразно использовать для получения в промышленных целях больших количеств тепла. Основными его видами являются органические топлива: торф, горючие сланцы, угли, природный газ, продукты переработки нефти.
По способу получения различают природные и искусственные топлива. К природным относятся натуральные топлива: уголь, сланцы, торф, нефть, природные газы. Из твердых топлив к искусственным относятся кокс, брикеты угля, древесный уголь; из жидких — мазут, бензин, керосин, соляровое ‘масло, дизельное топливо, из газовых — газы доменный, генераторный, коксовый, подземной газификации.
Торф, бурые угли, каменные угли и антрациты образовались в процессе последовательной углефикации отмершей растительной массы.
По исходной материнской органической массе и условиям, при которых происходили процессы углеобразования, различают два крайних типа углей: гумусового и сапропелевого происхождения.
Первым типом исходного углеобразующего вещества является ежегодно отмирающая многоклеточная наземная растительность, скапливающаяся в заболоченных местах. Под слоем воды, препятствующей свободному доступу воздуха, эта масса подвергалась преобразованиям: в ней происходило разложение органической массы и последующее превращение продуктов ее распада, а также синтез с образованием новых веществ. В процессе этих преобразований содержание углерода повышалось, а кислорода, водорода и азота — уменьшалось.
Эти процессы протекали в различных условиях (температура, давление, среда), а следовательно, и с различной интенсивностью. Поэтому степень углефикации топлив, под которой понимают освобождение от наиболее непрочных содержащих кислород компонентов и обогащение углеродом, различна. Степень углефикации, т. е. химического старения, твердого топлива не всегда соответствует его геологическому возрасту, под которым понимается период времени процесса углеобразования.
Начальные стадии биохимических процессов, процессов разложения и окисления называются оторфянением. Эти процессы протекают в основном за счет наличия кислорода, входящего в состав клетчатки (целлюлозы), содержание которой в древесине доходит до 70%, и межклеточного вещества — лигнина. Наиболее легко разлагается клетчатка. Продукты ее разложения в значительной мере рассеиваются в виде выделившихся газов, или, растворяясь, уносятся почвенными водами. Из компонентов органического вещества многоклеточных растений лигнин наиболее стойкий к биохимическим реакциям, но весьма нестоек к окислительным процессам. В древесине лигнин содержится в количестве от 20 до 30%.
Торф, получаемый из верхних слоев залежей, слаборазложившийся, волокнистого строения с малой объемной массой. Наиболее высокая степень разложения достигается в торфяных залежах, образовавшихся в низинных болотах.
Второй тип исходного вещества образуется в заливах, озерах, лиманах, в застойных водоемах мелководных морей. Отмирающие микроскопические растительные и животные организмы, оседая на дно, образуют ил, состоящий преимущественно из органических веществ. Растительная часть исходного вещества состоит в основном из примитивных одноклеточных водорослей. Из-за отсутствия межклеточного вещества основным углеобразователем является жировое вещество, содержащееся в клетке, что ведет к значительному повышению содержания водорода в углях сапропелевого происхождения. Лигнина в нем обычно мало. Под водой при слабом доступе воздуха в условиях длительного воздействия микроорганизмов в этой органической массе протекали процессы углефикации. Первичное образование — гниющий ил (сапропел) представляет собой торфяную стадию сапропелитов. Дальнейшая углефикация приводит к образованию сапропелевых углей. Буроугольная стадия этих углей носит название богхедов.
Естественное жидкое топливо — сырая нефть — является смесью органических соединений, главным образом различных углеводородов, и включает в себя некоторое количество жидких. кислородных, сернистых и азотистых соединений, растворенный парафин и смолы.
Наиболее достоверной теорией происхождения нефти считается теория органического происхождения, согласно которой нефть произошла из сравнительно устойчивых к химическим и биохимическим реакциям органических соединений, главным образом из белков, которые образовались как продукты разложения растительных и животных организмов, оседавших на морское дно и подвергавшихся действию различных биохимических и геологических процессов.
Нефть в основном перерабатывается с извлечением более легких фракций: бензина, лигроина, керосина, газойля. Общий выход светлых нефтепродуктов в зависимости от качества исходной нефти составляет 40—60%. Остающийся после переработки тяжелый остаток — мазут — используется как энергетическое топливо.
Минеральные примеси в мазуте в основном представляют собой водорастворимые соли, которые входят в состав исходной нефти и попадают в нее с буровой водой. При переработке нефти содержащиеся в ней минеральные примеси концентрируются в более тяжелых фракциях. Состав примесей в мазуте различен и зависит от качества исходной нефти и метода ее переработки.
Газовое топливо — природный и искусственный газ — является физической смесью горючих и негорючих газов, содержащей некоторое количество примесей в виде водяных паров, а в некоторых случаях пыли и смолы.
Природные газы образовались одновременно с нефтью. Значительная часть более тяжелых составляющих их растворена в нефти, а часть, состоящая в основном из более легких компонентов, скапливается над уровнем нефти. Благодаря большой проникающей способности природные газы перемещаются в пористых горных породах на большие расстояния от места своего образования и, накапливаясь, образуют чисто газовые месторождения.
Основная выработка электрической и тепловой энергии в СССР производится на твердом топливе.
Характеристики и состав твердого топлива, в том числе выход летучих, спекаемость кокса, оказывают сильное влияние на процесс горения угля. С увеличением выхода летучих и содержания в них более реакционноспособных газов воспламенение топлива становится легче, а кокс благодаря большей ‘пористости получается более реакционноапособным.
По этим свойствам каменных углей проводят их классификацию. Ископаемые угли подразделяются на три основных типа: бурые, каменные угли и антрацит.
И с выходом летучих более 9%’. Основная масса их спекается. Часть их с выходом летучих больше 42—45% (длиннопламенные) и менее 17% (тощие) не спекается.
Каменные угли обладают относительно меньшим балластом: Лр=5—15%, 5—10%! и более высокой теплотой сгорания фрн=
= 23—27,23 МДж/кг (5500—6500 ккал/кг).
В СССР для каменных углей ГОСТ принята классификация, в основу которой положены значения выхода летучих и характеристика коксового остатка (табл. 1-1).