Тема 13. Энергетическое топливо.

Состав топлива.

Топливом называется горючее вещество, используемое в качестве источника получения теплоты в энергетических, промышленных и отопительных установках.
В зависимости от типа реакций, в результате которых выделяется теплота из топлива, различают органическое и ядерное топливо.
В настоящее время и по прогнозам до 2030 г. органическое топливо является основным источником энергии (теплоты) для промышленного использования.
Таблица 13.1.

Потребление органического топлива в1993 г.

Потребитель	Вид топлива
	Твердое	Жидкое	Газообразное
Во всем мире, млрд.т у.т.	3,21	4,29	2,66
Россия, млн.т у.т.

Примечание: у.т. – условного топлива

В органических топливах теплота выделяется в результате химической реакции окисления его горючих частей при участии кислорода, а в ядерных топливах – в результате распада деления ядер тяжелых элементов (урана, плутония и т.д.).
Таблица 13.2.

Классификация органических топлив по агрегатному состоянию.

Топливо	Агрегатное состояние
	Твердое	Жидкое	Газообразное
Природное	Дрова, торф, бурые и каменные угли, антрацит, горючие сланцы	Нефть	Природный газ
Искусственное	Древесный уголь, полукокс, кокс, угольные и торфяные брикеты	Мазут, керосин, бензин, соляровое масло, газойль, печное топливо	Газы нефтяной, коксовый, генераторный, доменный, газ подземной газофикации

Твердые и жидкие топлива состоят из горючих (углерода - С, водорода - Н, летучей серы - S_л == S_ор + S_к) и негорючих (азота - N и кислорода - О) элементов и балласта (золы - А, влаги - W).
Элементарный состав твердого и жидкого топлива дается в процентах к массе 1 кг топлива. При этом различают рабочую, сухую, горючую и органическую массу топлива.
Рабочая масса – это масса и состав топливо, в котором поступает к потребителю и подвергается сжиганию.
Состав рабочей, горючей, сухой и органической массы обозначается соответственно индексами "р", "с", "г" и "о" и выражаются следующими равенствами:

С^р + Н^р + S^р_л + N^р + O^р + A^р + W^р = 100 % ; (13.1)
С^с + Н^с + S^с_л + N^с + O^с + A^с = 100 % . (13.2)
С^г + Н^г + S^г_л + N^г + O^г = 100 % ; (13.3)
С^о + Н^о + S^о_орг + N^о + O^о = 100 % . (13.4)

Органическая масса топлива в отличии от горючей массы содержит только органическую серу и не включает колчеданную:

S^о_орг = S^о_л - S^о_к . (13.5)

Коэффициенты пересчета состава топлива из одной массы в другую приведены в табл. 13.3.
Т а б л и ц а 13.3

Заданная масса топлива	Коэффициенты пересчета на массу
	рабочую	горючую	сухую
Рабочая		100/[100 - (Aр + Wр)]	100/(100 - Wр)
Горючая	[100 - (Aр + Wр)]/100		(100 - Aс)/100
Сухая	(100 - Wр) / 100	100 / (100 - Aс)

Для сланцев состава (С^р, Н^р, S^р_л, N^р, O^р, A^р, W^р) пересчет с рабочей
массы на горючую осуществляется с помощью коэффициента:

К = 100 / [100 - A^р_и - W^р - (СО₂)^р_к] , (13.6)

где A^р_и - истинная зольность рабочей массы, %·, W^р - влажность рабочей массы, %, (СО₂)^р_к - содержание углекислоты карбонатов, %. Истинная зольность рабочей массы определяется по формуле

A^р_и = A^р - [2,5(S^р_а - S^р_с ) +0,375S^р_к] [(100 - W^р) / 100], (13.7)

где S^р_а - содержание серы в лабораторной золе в процентах к массе топлива; S^р_с - содержание сульфатной серы в топливе, %.
Величина [2,5(S^р_а - S^р_с) +0,375S^р_к] для ленинградских и эстонских сланцев может быть принята равной 2,0, для кашпирских - 4,1.
Пересчет состава (%) рабочей массы топлива при изменении влажности производится по формулам :

С^р₂ = С^р₁(100 - W^р₂) / (100 - W^р₁) ö
H^р₂ = H^р₁(100 - W^р₂) / (100 - W^р₁) ý , (13.8)
................................................. . ø

где W^р₁ - начальная влажность топлива, %, W^р₂ - конечная влажность топлива, %.
Средний состав (%) смеси двух твердых или жидких топлив, заданных массовыми долями, - первого (С^р₂, H^р₂ ....)и второго (С^р₁, H^р ...) - определяется по уравнениям:

С^р_см = b₁ C^р₁ + (1 - b₁) C^р₂ , ö
H^р_см = b₁ H^р₁ + (1 - b₁) H^р₂ , ý , (13.9)
......................................... . ø

где массовая доля b₁ одного из топлив в смеси находится по формуле:

b₁ = В₁ /(В₁ + В₂) . (13.10)

Здесь В₁ и В₂ - массы топлив, входящих в смесь, кг.
Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов. Горючая часть состоит из предельных (?С_nH_2n+2) и непредельных (?С_nH_2n) углеводородов, водорода Н₂, окиси углерода СО, и сернистого водорода (Н₂S). В состав негорючих элементов входит азот ( N₂) , углекислый газ (СO₂) и кислород (О₂). Составы природного и искусственного газообразных топлив различны. Природный газ характеризуется высоким содержанием метана (СH₄), а также небольшого количества других углеводородов: этана (С₂H₆), пропана (С₃H₈), бутана (С₄H₁₀), этилена (С₂H₄), и пропилена (С₃H₆). В искусственных газах содержание горючих составляющих (водорода и окиси углерода) достигает 25-45%, в балласте преобладают азот и углекислота – 55-75%.
Состав газообразного топлива задается в объемных долях и в общем виде можно записать следующим образом:

SС_nH_2n+2 + SС_nH_2n + Н₂ + СО + Н₂S + О₂ + N₂ + CО₂ = 100% , (13.11)

где SС_nH_2n+2 – предельные углеводороды;
SС_nH_2n – непредельные угловодороды;
Н₂S – сернистый водород.
СО – окись углерода;
CО₂ - углекислый газ.

Характеристика топлива.

Влажность воздуха. Средняя влажность топлива в рабочем состоянии составляет в %: для торфа 50; сланцев 13-17; каменного угля 5-14 и антрацита 5-8. Бурые угли в зависимости от влажности делят на 3 группы: группа Б1 – более 40% влажности; группа Б2 – 30-40%; группа Б3 – менее 30%.
Зола топлива. В состав золы входят преимущественно соли щелочных и щелочно-земельных металлов, окислы железа, алюминия, а также сульфатная сера. Минеральные остатки, образующиеся после сгорания топлива, имеют вид либо сыпучей массы (зола), либо сплавленных кусков (шлак). При высоких температурах зола размягчается, а затем плавится. Размягченная зола и шлак прилипают к стенкам обмуровки топки, уменьшая сечение газоходов откладываются на поверхностях нагрева, увеличивая тем самым термическое сопротивление в процессе теплопередачи о газов к нагреваемой среде, забивают отверстия для прохода воздуха в колосниковой решетке, обволакивают частицы топлива, затрудняя их сжигание.
Различные виды топлива содержат разное количества золы. Например, в %: древесина – 1; торф – 10; кузнецкий уголь – 10-20; подмосковный бурый уголь – 30; сланцы – 60. Жидкое топливо (мазут) содержит 0,2-1% минеральных примесей.
Летучие вещества. При нагревании твердого топлива до 870-1100 К без доступа окислителя, выделяются парогазообразные вещества, которые называются летучими. Они являются продуктами распада сложных органических веществ, содержащихся в органической массе топлива. В состав летучих веществ входят: азот N₂, кислород О₂, водород Н₂, окись углерода СО, углеводородные газы СH₄, С₂H₄ и т.д, а также водяные пары.
Кокс. Твердый остаток, который получается после нагревания топлива (без доступа окислителя) и выхода летучих веществ. В состав кокса входят остаточный углерод и зола. При низких температурах в твердом остатке кроме золы может оказаться часть элементов (C, H, S_л, N). Тогда твердый остаток называется полукоксом. По своим механическим свойствам кокс может быть порошкообразным, слабоспекшимся и спекшимся.
В зависимости от выхода летучих веществ и характеристики кокса каменные угли разделяются на 10 марок: длиннопламенный - Д, газовый - Г, газовый жирный – ГЖ, жирный – Ж, коксовый жирный = КЖ, коксовый - К, коксовый второй – К₂, отощенный спекающийся – ОС, слабоспекающийся – СС, тощий – Т.
Теплота сгорания. Одной из основных характеристик любого вида топлива является теплота сгорания, т.е. то количество теплоты, которое может быть получено при полном сгорании единицы массы или объема топлива. Полным сгоранием называется такое, при котором горючие компоненты топлива С, Н и S полностью окисляются кислородом. Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива относят к 1 кг, а газового – к 1 м³ при нормальных условиях.
Различают низшую и высшую теплоту сгорания. В высшую теплоту сгорания входит количество теплоты, которое может быть выделено при конденсации водяных паров, находящихся в продуктах сгорания топлива.
При известном элементарном составе твердого и жидкого топлив теплоту их сгорания (кДж/кг) определяют по эмпирическим формулам, предложенной Д.И.Менделеевым:

Q^p_н = 340С^р + 1035Н^р – 109(О^р - S^р_л) – 25W^р . (13.12)
Q^p_в = 340С^р + 1260Н^р – 109(О^р - S^р_л) ; (13.13)

Теплота сгорания сухого газа (кДж/м³) определяют по объемному составу,%, и известной теплоте сгорания компонентов:

Q^p_н = 358СН₄ + 640С₂Н₆ + 915С₃Н₈ + 1190С₄Н₁₀ +
+ 1465 С₅Н₁₂ + 126,5 СО + 107,5Н₂ + 234Н₂S; (13.14)
Q^p_н = 398СН₄ + 700С₂Н₆ + 995С₃Н₈ + 1285 С₄Н₁₀ +
+ 1575 С₅Н₁₂ + 126,5 СО + 127,5Н₂ + 257Н₂S; (13.15)

Если в состав газа входят неизвестные углеводородные компоненты (при условии, что содержание метана известно), то сумму углеводородов условно принимают как содержание этана С₂Н₄ и теплоту сгорания рассчитывают по формулам, аналогичным уравнениям (13.14) и (13.15).
Для сравнения различных видов топлива по их тепловому эффекту вводят понятие условного топлива, теплота сгорания которого принята равной 29300 кДж/кг.
Отношение Q^p_н данного топлива к Q_у.т. условного топлива называется топливным эквивалентом – Э. Тогда для расчета расхода натурального топлива В_н в условное В_у.т. , достаточно величину В_н умножить на эквивалент Э, т.е.:

В_у.т. = В_у.т•Э = В_у.т.•(Q^p_н / Q_у.т.) (13.16)