Общая характеристика состава твердого топлива
Вещественный состав твердого топлива разнообразен и при анализе находят массовую долю топлива влаги, золы и летучих веществ.
Влага – нежелательная составляющая топлива, т.к. снижает содержание других компонентов и вызывает значительные затраты тепла на испарение и нагрев воды. Влага способствует смерзанию, потере сыпучести и т.д., то есть делает топливо нетехнологичным.
Зола – нежелательная составляющая, которая представлена оксидами кремния, алюминия, кальция, лития, магния, железа, снижает долю горючей части, требует затрат на нагрев, порождает проблему зашлаковывания колосников топливосжигающих устройств. Выход золы иногда достигает половины массы топлива, что создает проблему ее складирования и утилизации.
Летучие – вещества, выделяющиеся из топлива при нагревании без доступа воздуха (сухая перегонка). В их состав входят CO2, CO, CH4, CmHn, H2, N2, пары смолы).
Среди элементов твердого топлива (C, H, S, N, и P) особо нежелательна сера, т.к. выделяющийся при сгорании сернистый газ (SO2) вызывает коррозию оборудования, дымоходов, аппаратуры. Выбросы его в атмосферу загрязняют окружающую среду, вызывают «кислотные» дожди. В коксохимическом производстве сера из углей не удаляется и из кокса попадает в чугун и сталь, снижая их качество.
Уголь – осадочная порода, сформировавшаяся из остатков отмерших растений в результате их биологических, физико-химических и физических изменений, которая характеризуется большим разнообразием вещественного состава и физических свойств. Угли классифицируются на антрациты, каменные и бурые.
Антрациты – уголь с наибольшим содержанием (более 90%) углерода и малым (менее 8%) количеством летучих. Теплота сгорания его превышает теплоту сгорания условного топлива (примерно 33000 кДж/кг). Большая теплота и высокая температура горения позволяют широко применять его в промышленности, а повышенная прочность обеспечивает перевозку на большие расстояния. Недостаток антрацита – растрескивание и рассыпание при горении – устраняется термической обработкой при t = 1150ºC в шахтных печах с ограниченным количеством воздуха, где получается термоантрацит, широко используемый в металлургии. Доля антрацита в мировых запасах угля составляет около 3%.
Каменный уголь имеет меньшее содержание углерода (до 80%) и большее в сравнении с антрацитом (примерно 40%) количество летучих в горючей массе. Содержание золы составляет 5–30% при теплоте сгорания примерно 30000 кДж/кг.
Каменный уголь широко применяется как технологическое топливо в энергетике и для производства кокса. Все коксующиеся и большинство энергетических углей подвергаются обработке для удаления негорючих веществ (пустой породы) обогащением.
Бурые угли – наиболее низкокачественный тип углей, отличающийся высоким содержанием летучих (40–80%) и золы (до 35% и более) малым количеством углерода (65–75%), меньшей теплотой сгорания (26000–28000 кДж/кг). Однако его запасы весьма значительны.
Горючие сланцы – углистые породы, содержащие более 50% минеральных веществ карбонатного типа. Их теплотворная способность составляет 5800–8700 кДж/кг, однако в ряде районов (Прибалтика, Ленинградская, Саратовская обл.) они используются очень широко.
Нефть
Нефть – маслянистая горючая жидкость, представляющая сложную смесь углеводородов (CnH2n+2, CnH2n, CnHn). Углеводороды до C4H10 – газообразные, до C16H34 – жидкие, а затем твердые вещества. Обычно в нефти имеются и другие органические вещества, содержащие кроме углерода и водорода, кислород, азот, серу и другие элементы. Всего нефть включает сотни различных веществ. В ней содержится в среднем 83–85% углерода, 11–14% водорода, 0,3–0,5% серы и около 1% азотистых и кислородных соединений.
Теплота сгорания нефти 40000-46000 кДж/кг. Мировые запасы нефти оценивались в 1995 г. в 137 млрд. т., что при современных темпах добычи обеспеченны ими на 42 года. Россия занимает первое место в мире по запасам и 3-е место по добыче (301 млн. т в 1996 г.) после Саудовской Аравии (420 млн. т) и США (411 млн. т)
Себестоимость добычи нефти в пересчете на условное топливо в 3–4 раза ниже, чем угля. Нефть используется как топливо и сырье для глубокой переработки, продукты которой применяют во всех отраслях народного хозяйства.
Природный газ
Природный газ содержит в основном метан (CH4), этан (C2H6), бутан (C3H8), и H2S, CO2, гелий и аргон. Теплота его сгорания 24000–42000 кДж/кг, а плотность 0,7–1,0 кг/м3.
Природный газ – высококалорийное топливо, удобное для транспортировки на большое расстояние, полностью сгорает при использовании.
Себестоимость его добычи более чем в 10 раз ниже себестоимости угля. Мировые запасы природного газа в 1995 г. оценивались в 148 трлн. м3, что при современных темпах добычи обеспечивается на 65 лет. Россия занимает 1-е место по разведанным запасам природного газа.
Попутный нефтяной газ – может присутствовать в нефтяных залежах (150-300 м3 на 1т нефти). Раньше он не находил применения и сжигался, но возможность его использования шире, чем природного газа, т.к. состав его разнообразнее и при химической переработке можно получить большой спектр химических продуктов. Теплота сгорания попутного газа составляет 21000–61000 кДж/м3, плотность – 1,16–1,38 кг/м3.
Природный и попутный газы являются топливом и сырьем промышленности органического синтеза. Из них получают сажу, метиловый спирт, ацетилен, формальдегид и другие продукты, производство которых обходится дешевле и проще, чем из другого сырья.
Суммарная добыча газа равна 600 млрд. м3/год.
Сжигание топлива
Назначение топлива – обеспечить при сгорании выделение тепла, достаточного для достижения температуры технологического процесса. В современных технологиях в основном используют природное топливо трех агрегатных состояний. В ряде случаев применяют и продукты его частичной или полной переработки (мазут, кокс), а также отходящие газы ряда производств (доменный, коксовый и др.).
В качестве твердого топлива сжигают обычно кокс и тонкоизмельченную угольную пыль. Кокс обеспечивает процесс горения и поддерживает хорошую газопроницаемость столба шихтовых материалов в доменных и шахтных печах, а также является сильным восстановителем оксидов металла при высоких температурах.
Жидкое топливо имеет преимущество перед твердым, так как может быть диспергировано на очень мелкие частицы, обеспечивает полноту горения, практически не содержит золы. Нефть дефицитна, поэтому используют главным образом мазут – один из продуктов переработки нефти.
Высокая стоимость, дефицитность мазута и нефти заставляет переводить технологические агрегаты на более дешевое газообразное топливо, которое наиболее технологично, так как легко смешивается с воздухом, обеспечивает точное регулирование и полноту процесса сжигания.
Сжигание топлива – это физико-химический процесс соединения его горючих составляющих с окислителем (кислородом), сопровождаемый интенсивным выделением тепла и быстрым повышением температуры продуктов горения. В зависимости от вида топлива и типа печей сжигание реализуется в форме факельного, вихревого или слоевого горения.
Факельное горение – осуществляют вдуванием смеси газообразного, жидкого или пылевидного топлива с воздухом в рабочее пространство печей, где она сгорает в ограниченной зоне (факеле). В этом процессе топливо сжигают при помощи горелочных устройств. Пламя представляет собой светящийся объем движущихся газов, в котором совершается процесс горения.
Вихревое горение применяется для смеси измельченного твердого топлива и воздуха, которая совершает вихреобразное движение по спирали в камере горения.
Слоевое горение имеет место при сжигании кускового топлива в слое, продуваемом воздухом, которое реализуется в шахтных печах, включая доменные, в газогенераторах и колосниковых топках.
Образующаяся при сгорании топлива газовая атмосфера является окислительной, если в ней содержится 3–5% и более кислорода, нейтральной (при концентрации кислорода не превышает 1–2%) и восстановительной (кислорода нет, но имеется водород, углерод и другие соединения с восстановительным потенциалом). В окислительной атмосфере углеводороды, водород и углерод топлива образуют воду и углекислый газ; в восстановительной среде продукты сжигания содержат окись углерода (СО) и водород, т.е. топливо сгорает не полностью, при этом выделяется меньшее количество тепла.
Вода
Облик Земли, возникновение и развитие жизни, все стороны человеческого бытия связаны с водой и ее свойствами. Она является основной частью животного и растительного мира. Например, в тканях человека содержится 65–70% воды, в рыбе – 75%, в медузе – 96%, в помидорах – 90%, в картофеле – 76%.
Основные запасы воды сосредоточены в Мировом океане. Для бытовых нужд и народного хозяйства применяют пресную воду, составляющую 3,5% ее запасов. К ней относят воду, содержащую менее 1 г солей на 1 л и при большем содержании солей ее относят к соленым.
Распределение мировых запасов пресной воды по отдельным ее источникам приведено в таблице 2.1.
Таблица 2.1
| Местонахождение | Объем, км3 | Доля от земных запасов, % |
| Ледники и снега | 27 млн. | 1,74 |
| Подземные воды | 23,7 млн. | 1,71 |
| Озера | 0,013 | |
| Болота | 0,8·10-3 | |
| Русла рек (единовременный объем) | 0,2·10-3 | |
| Атмосферная | 0,01 |
Запасы пресных поверхностных вод стран СНГ равны примерно 40,4 тыс. км3. Распределены они следующим образом, тыс. км3: озера – 26; в т.ч. Байкал – 23; ледники – 11,4; болота – 3,0.
Все воды содержат большое количество растворимых и нерастворимых примесей. К растворенным относятся соли (карбонаты кальция, магния, натрия, калия, а также сульфаты, хлориды); газы (O2, H2S, CO2, оксиды азота и серы). Нерастворимые примеси представлены механическими взвесями песка, глины и других минералов.
В зависимости от назначения вода разделяется на промышленную и питьевую.
Для питьевой воды главными критериями оценки являются: токсичность примесей, количество находящихся в ней микробов, запах, цвет, вкус.
Для промышленных вод основными показателями служат общее содержание солей (жесткость), количество растворенных газов и механических примесей. Наиболее важное значение имеет параметр жесткости воды, обусловленный наличием солей кальция и магния.
Вода из естественных источников, если она не пригодна для питьевых, хозяйственных и бытовых нужд, проходит водоподготовку, представляющую комплекс мероприятий и технологических процессов, обеспечивающих получение воды требуемого качества.
Объемы забора воды для технолого-экологических целей весьма существенны. В России в 1989 г. они составили 117,3 млрд. т, в т.ч. из поверхностных вод – 96,6 млрд. т, из подземных источников – 14,5 млрд. т, из морских водоемов – 6,1 млрд. т. Почти 168,5 млрд. т воды использовано повторно в оборотном водоснабжении, т.е. этот природный ресурс оказывается наиболее широко используемым видом природного сырья.
Воздух
Воздух, как и вода, является общим и распространенным видом сырья. Сухой воздух содержит: 78% N2, 21% O2, 0,94% Ar, 0,03% CO2 и некоторые другие газы, водяные пары, пыль и примеси.
Кислород – газ без цвета, запаха, вкуса. Плотность 1,43 кг/м3. При понижении его доли до 17% человек начинает ощущать одышку и сердцебиение, а концентрация 12% и менее для него смертельна.
Кислород воздуха обеспечивает процессы окисления, в т.ч. горения в технологических процессах различных отраслей народного хозяйства.
Азот – газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность 1,25 кг/м3. Инертен, не поддерживает горения и не горит, однако при t ³ 1300ºC частично взаимодействует с кислородом, образуя ядовитые оксиды азота. Азот применяется в химических производствах (синтез аммиака), а также для создания инертных сред, например, для хранения сельскохозяйственной продукции.
Углекислый газ бесцветен, имеет плотность 1,98 кг/м3, слегка кисловат, не горит и не поддерживает горения, хорошо растворим в воде. Слабо ядовит, но при концентрации 20–25% вызывает смертельное отравление. Он используется в технологических процессах, при производстве искусственных горючих газов (конверсия природного газа), для создания защитной атмосферы (сварка, хранение сельхозпродукции).
Водяные пары – обязательный компонент атмосферы, определяющий ее влажность. В воздухе может содержатся определенное максимально возможное количество воды, зависящее от температуры (абсолютная влажность), которая повышается с увеличением температуры и падает с ее понижением. Излишняя влага воздуха выделяется в виде осадков. Влагоемкость воздуха обычно ниже абсолютной, и для ее характеристики введено понятие относительная влажность, которая выражается в % отношение фактической влаги, содержащейся в единице объема, к ее абсолютной влажности при данных температуре и давлении.
Пыль и другие примеси (газы) выбрасываются в атмосферу различными технологическим производствами. Реагируя с влагой воздуха, многие примеси, например SO2 выпадают на Землю в виде растворов соответствующих кислот («кислотные» дожди), поражающих животный и растительный мир. Поэтому для атмосферы, водоемов, почвы устанавливаются предельно допустимые концентрации (ПДК) выбросов вредных примесей.
Энергия
Технологические процессы в промышленности связаны с затратой или выделением энергии. Основными видами энергии являются механическая, электрическая, тепловая. Главная особенность энергии – взаимопревращение одного ее вида в другой.
Механическая энергия (кинетическая и потенциальная) для непосредственного выполнения работы в настоящее время используется относительно редко. Примерами служат: помол зерна на водяной мельнице, процессы механической обработки изделий и хозяйственные работы за счет мускульной энергии человека и животных (сверление, резка, переноска тяжестей и т.д.).
Основной недостаток механической энергии заключается в трудности ее передачи на расстояния. Для этого используют зубчатые передачи и трансмиссии. Однако они громоздки, металлоемки и нетехнологичны, имеют низкий коэффициент полезного действия, поэтому механическую энергию превращают в более удобную электрическую форму.
Электрическая энергия – наиболее технологичный вид энергии, которая легко превращается в другие виды энергии и передается на значительные расстояния.
Недостаток электроэнергии – необходимость ее использования или превращения в другие виды энергии непосредственно в момент получения, который может быть преодолен в свете открытия явления сверхпроводимости и создания материалов, в которых она сохраняется.
Тепловая энергия широко применяется для выработки электроэнергии и непосредственно в технологических процессах (нагревание, сушка, плавление, выпаривание), для отопления и других коммунально-бытовых нужд.
К недостаткам тепловой энергии относится невозможность подачи ее на дальние расстояния из-за значительных потерь в окружающую среду.
В качестве теплоносителей используют пар, горячую воду, топочные газы, металлические расплавы.
Все источники энергии по степени их воспроизводимости делят на невозобновляемые (горючие полезные ископаемые, ядерное топливо) и возобновляемые (энергия воды, ветра, солнца, морских приливов, геотермальных источников). В настоящее время подавляющая часть энергии вырабатывается из невозобновляемых источников, запасы которых ограничены. Перед человечеством встает проблема обеспечения своей жизнедеятельности дешевой энергией, источники которой должны быть неисчерпаемы. Решение этой проблемы в ближайшей перспективе видится в освоении процесса управляемого ядерного синтеза.
Вопросы для самопроверки
1 Дайте определение природным ресурсам. Какой из природных ресурсов используется наиболее широко?
2 Назовите составные части природных ресурсов.
3 В чем заключается специфичность таких видов сырья как нефть, уголь, природный газ?
4 По каким признакам классифицируется перерабатываемое сырье?
5 По каким признакам классифицируется топливо?
6 Как и почему изменялось соотношение использования видов топлива в ХХ веке?
7 Какова ведущая тенденция изменения доли угля в топливно-энергетическом балансе промышленно развитых стран в ХХ веке? Чем она обусловлена?
8 Что такое условное топливо?
9 По каким характеристикам оценивается состав и качество твердого топлива?
10 Приведите классификацию углей.
11 По каким показателям различаются отдельные типы и марки углей?
12 Какими свойствами должны обладать коксующиеся угли?
13 Каков элементарный состав жидких, твердых и газообразных топлив?
14 Каковы основные характеристики природного газа?
15 Назовите основные характеристики различных видов топлива. Как они влияют на организацию процессов горения?
16 Как организуется процесс горения топлива?
17 В чем состоит подготовка различных видов топлива к сжиганию?
18 Какие виды горения топлива Вы знаете?
19 Как влияют продукты сгорания на окружающую среду?
20 От чего зависит характер газовой атмосферы в камерах горения? Чем вызывается организация окислительной, восстановительной или нейтральной атмосферы в них?
21 Какова доля и запасы пресной воды на Земле?
22 Каковы критерии оценки питьевой и промышленной воды?
23 Назначение воды в различных областях жизнедеятельности человека.
24 Назовите состав воздуха и дайте характеристики его составляющих.
25 Назовите области использования воздуха и его составляющих.
26 Дайте характеристику основным видам энергии.
27 Охарактеризуйте достоинства и недостатки различных видов энергии.
28 Приведите примеры возобновляемых и невозобновляемых источников энергии.