ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

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%.

В процессе оторфянения лигнин переходит в лигнинные кислоты. При этом пони­жается содержание кислорода и повышается содержание углерода, образуется темно­бурая масса. В этой массе, называемой торфом, содержатся также остатки неразло - жившихся частей растений — листьев, стеблей.

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.

В процессе дальнейших преобразований из торфяной массы образовывались б у - р ы е угли. При этом лигнинные кислоты в буроугольной стадии превращаются в гу­мусовые кислоты '(гумус — перегной). Из бурых углей далее образуются каменные угли и антрациты. Лигнин является главным углеобразователем углей гумусового типа. По типу соединений он принадлежит к углеводородам. Сравнительно малым со­держанием водорода в лигнине объясняется умеренное содержание последнего в гуму­совых углях.

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.

Встречаются также угли смешанного происхождения с преобладанием гумусового или сапропелевого материала. К твердым топливам этого класса относятся также г о - рючие сланцы, представляющие собой твердые минеральные породы (глинистая или мергелевая масса), пропитанные нефтеподобными органическими веществами сап­ропелевого происхождения.

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.

Бурые угли. Согласно данным ВТИ [Л. 1] к бурым углям марки Б относят угли с неспекающимся кожсом и высоким выходом летучих, обычно более 40%, и с высшей теплотой сгорания рабочей массы без - зольного угля

(2® ~оо 1 - << 23,68 МДж/кг (5700 ккал/кг).

Бурые угли характеризуются высокой гигроскопической и в боль­шинстве случаев высокой общей влажностью, пониженным содержанием углерода и 'повышенным содержанием кислорода по сравнению с камен* ными углями. Вследствие сильной балластированности золой (Лр=1Г5— 26%) и влагой (№р=20—35%) низшая теплота сгорания бурых углей пониженная <2рн= 10,6—15,9 МДж/кг (2)500—3800 ккал/кг).

По содержанию влаги бурые угли разделены на три группы: Б1 — с содержанием влаги №^^40%; Б2—№р=30—40%; БЗ—№р<с30%. Эти угли на воздухе легко теряют влагу и механическую прочность, превращаясь в мелочь, и склонны к самовозгоранию.

Каменные угли. К каменным углям относят угли с высшей теплотой сгорания рабочей массы беззольного угля

ФР—122— > 23,88 МДж/кг в юо — Ав 1

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).

Таблица 1-1

Угли с высокой степенью углефикации (Сг=90—93%), с малым выходом летучих (Уг=2—9%) и с теплотой сгорания (?б<34,7 МДж/кг (8300 ккал/кг), несколько меньшей, чем у тощих углей, относят к антра­цитам. Угли, промежуточные между каменными и антрацитами, относят к полуантрацитам, выход летучих Уг=5—10%, а теплота сгорания не­сколько больше, чем у антрацитов.

Как видно из табл. 1-1, с увеличением степени углефикации топлива выход летучих уменьшается. Это происходит в основном из-за уменьше­ния содержания кислорода, что обусловливает увеличение теплоты сго­рания на горючую массу.

Угли опекающихся 'марок К, а также в значительной части марок КЖ и ОС, Г и! ГЖ используются для коксохимической переработки. Энергетическими являются топлива марок АШ, Т и Д, бурые угли, от­ходы обогащения коксующих углей.

Каменные и бурые угли классифицируют также по размерам кусков согласно табл. 1-2.

СССР располагает запасами практически всех видов органического топлива: угля, нефти, природного газа, торфа и сланцев. Каменные угли добываются в Донецком, Кузнецком /(Западная Сибирь), Карагандин­ском '('Казахская ССР) и 'Печорском бассейнах, в Экибастузском (Ка­захстан), Кизеловском (Урал) и ряде месторождений на Дальнем Во­стоке, в Сибири, Забайкалье и Закавказье. Большие месторождения антрацитов находятся в Донецком бассейне и на Урале.

Основные эксплуатируемые месторождения бурых углей в СССР располагаются в районах Подмосковья, Челябинска и Богословска на Урале, Караганды и Чимкента (Казахстан), Восточной Сибири, в Чи­тинской области, на Дальнем Востоке, в Средней Азии. Запасы бурых углей имеются в Канско-Ачинском бассейне (Центральная Сибирь), которые благодаря условиям открытой добычи и сравнительно высокой калорийности являются одним из наиболее дешевых топлив.

Торф является химически и геологически наиболее молодым иско­паемым твердым топливом и обладает высоким выходом летучих (1/г=70°/о), высокой влажностью (№р=40—50%), умеренной зольно­стью (Лс = 5—10%), низкой теплотой сгорания (Зрп=8,38—10,47 МДж/кг (2000—2500 ккал/кг). Как наиболее дешевый по добыче широко при­меняется фрезерный торф. Большие запасы торфа имеются в Ленин­градской, Калининской, Ивановской, Горьковской и Кировской областях, в Белорусской ССР, на Урале, в Сибири и на Дальнем Востоке.

Сланцы. В Эстонской ССР большое значение имеют горючие слан­цы, добываемые открытым способом. Месторождения горючих сланцев находятся также в Куйбышевской, Саратовской, Ульяновской и Ленин­градской областях. Зольность сланцев очень большая и доходит до Др=бО—60%, влажность также повышенная №р=15—20%. Вследствие большого балласта их теплота сгорания низкая (Зрн=5,87—10 МДж/кг (1400—2400 ккал/кг) при высокой теплоте сгорания горючей массы (2ГН=27,2—33,5 МДж/кг (6500—8000 ккал/кг). Высокое содержание водорода в горючей массе Нг=7,5—9,5% обусловливает большой выход летучих у сланцев, достигающий 80—90%, и их легкую воспламеня­емость.

Топливо с высокой зольностью и влажностью вследствие большого содержания внешнего балласта целесообразно использовать вблизи места его добычи для уменьшения непроизводительных транспортных расходов на перевозку большой массы золы и влаги. В этом смысле такие топлива 'принято называть местными. К ним, в частности, отно­сятся некоторые бурые угли, как, например, подмосковные, башкирские, украинские, торф и сланцы.

Мазут. Из жидких топлив в энергетике используется мазут трех марок — 40, 100 и 200. Марка определяется предельной вязкостью, со­ставляющей при 80°С для мазута 40 — 8,0; для мазута 100—15,6; для мазута 200 — 6,5—9,5 град. уел. вязкости (°УВ) при 100°С.

В мазуте содержится углерода 84—86% и водорода—11 —12%, содержание влаги не превышает 3—4%, а золы — 0,5%. Мазут имеет высокую теплоту сгорания (Зрн=39,38—40,2 МДж/кг (9400— 9600 ккал/кг).

По содержанию серы различают малосернистый мазут £р<с;0,5%, сернистый — 5р до 2% и высоко-сернистый 5р до 3,5%; по вязкости — маловязкий и высоковязкий, содержащий смолистые вещества и пара­фин. Наиболее вязкие сорта мазута имеют температуру застывания 25—Зб^С. В связи с этим при сжигании применяется предварительный нагрев вязких мазутов до температуры 80—120°.

При сжигании наибольшие трудности вызывают содержащиеся в мазуте окислы щелочных металлов и ванадия, снижающие температуру размягчения золы, так как размягченная зола мазута, оседая на поверх­ности нагрева, образует плотные отложения. Окислы ванадия способст - вуют коррозии поверхностей нагрева, находящихся в условиях высоких температур. Наиболее высококачественной, малосернистой является нефть, добываемая в Бакинском, Грозненском и Эмбинском районах. Минеральные примеси нефти Кавказа практически не содержат ванадия.

Мощные месторождения находятся в районах Сызрани, Бугурусла - на и Ишим(баева, но они дают нефть с большим содержанием серы и парафина. В последние годы открыты и функционируют нефтегазонос­ные источники в Западной Сибири.

Природный газ. Большое значение в топливном балансе СССР имеют природные газы, представляющие собой смесь углеводородов, сероводорода и инертных газов: азота и углекислоты. Основной горючей составляющей природных газов является метан (от 80 до 98%), что обусловливает их высокую теплоту сгорания. В них инертных газов содержится немного: 0,1—0,3%С02 и 1 —14% N2.

Теплота сгорания сухого природного газа (Зсп=33,52—35,61 МДж/м3 (8000—8500 ккал/м3).

Природный газ в первую очередь расходуют на коммунальные нужды. Поэтому тепловые электростанции несут роль буфера, сглажива­ющего небаланс между поступлением газа и его расходованием на ком­мунальные нужды. Этот небаланс особенно увеличивается в зимнее время. В летнее время ряд электростанций работает на природном газе, а зимой на резервном топливе — угольной пыли или мазуте.

Как основное (единственное) топливо газ используется только на электростанциях, расположенных в непосредственной близости от газо­вого месторождения.

Природный газ является дешевым и высококачественным топливом, поэтому транспортируется по трубопроводам на большие расстояния. Эффективно эксплуатируются месторождения природного газа: Став­ропольское (Северный Кавказ), Дашавское (Западная Украина), Ше - белинское (район Харькова), Саратовское, Ухтинское (Северный Урал) и др.

Твердые и жидкие топлива представляют собой сложные соедине­ния горючих элементов, молекулярное строение которых еще недоста­точно изучено, и включают в себя минеральные примеси и влагу. Эле­ментарный химический анализ этих топлив не раскрывает химической природы входящих в них соединений и поэтому не может дать достаточ­но полного представления об их свойствах, но позволяет рассчитать тепловой и материальный баланс горения топлива. Соответственно сте­пени углефикации содержание углерода в органической массе топлив увеличивается, а кислорода и азота уменьшается, что способствует повышению энергетической ценности топлива (табл. 1-3).

Химический состав газообразных топлив, представляющих собой простые смеси, определяют полным газовым анализом и выражают в процентах от их объема.

Теплота сгорания и плотность сухой массы газов, входящих в со­став газообразного топлива, приведены в табл. 1-4.

Таблица 1-3

Топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю, назы­вается рабочим, а вещество, составляющее его, — рабочей массой. В эле­ментарный химический состав его, выражаемый следующим образом:

СР-[-Нр + Ор-|^р + 80рр+к + ^Р + «7Р= 1000/о, (1.-1)

Входят горючие вещества: углерод С, водород Н, сера 3, а также кисло­род О и азот N. находящиеся в сложных высокомолекулярных соеди­нения^. Топливо содержит негорючие минеральные примеси, превра­щающиеся при сжигании топлива в золу А и влагу \Л

Минеральные примеси и влажность одного и того же сорта топлива в разных районах его месторождения и различных местах могут быть разными, а также могут изменяться при транспортировке и хранении. Более постоянным является состав горючей массы топлива. Имея в ви­ду это обстоятельство, для сравнительной теплотехнической оценки раз­личных сортов топлива ввели условные понятия сухой, горючей и органической массы, составляющие которых, выраженные в про­центах, обозначаются теми же символами, что и рабочая масса, но соответственно с индексами «с», «г» и «о» вместо индекса рабочей мас­сы «р».

Твердое топливо с установившейся в естественных условиях влаж­ностью называется воздушно-сурсим. Проба такого топлива, посту­пающего для лабораторного анализа, носит название аналитической лробы топлива. Ее элементарный химический состав записывается

TOC o "1-5" h z са + на + Оа + Ыа + Б0ар+К + Аа 4- Ж* = 100 о/0. (1-2)

Сухой называется обезвоженная масса рабочего топлива

С° + нс + Ос + N° + э;+к + Лс = 100%- (1-3)

Безводная и беззольная масса топлива называется горючей:

Сг+нг+ог+мг+з;+к = 100 о/о. (1-4)

Исключение из горючей массы колчеданной серы приводит к орга­нической массе топлива

С°4-Н° + 0°-|-№ + 5°р= 100 «/о - (1-5)

Пересчет состава топлива с одной массы на другую, более обога­щенную горючими, производится определением количества отдельных элементов заданной массы в процентах от количества содержащейся в ней массы, на которую делается пересчет.

Так, для пересчета с рабочей на сухую массу следует определить количество отдельных элементов рабочей массы, например углерода

^■^о» кг/кг^ , в процентах от количества содержащейся в ней сухой

(оо—, п массы I——, кг/кг ). Следовательно, для пересчета содержания угле­рода с известной рабочей массы топлива на сухую массу Сс, %, можно записать:

Сс=------- Ср/1—---- 100 = ———Ср. (1-6)

(100 — и*)/100 100 — Е7р 4 '

Пользуясь пересчетным коэффициентом 10д100^р » можно определить
величину и других составляющих элементов сухой массы по величине соответствующего элемента в рабочей массе.

Состав горючей массы при известном составе рабочей определяется по количеству отдельных элементов рабочей массы, например, водо­рода Нр/100 кг/кг, в процентах от количества содержащейся в ней го-

Г юо— (Лр-ь^р) . т р рючеи массы щд —, кг/кг » т - е

(1-7)

Пересчетный коэффициент с рабочей на органическую массу равняет­ся -- —— , а с рабочей на массу аналитической пробы —

100 — (Бр - Мр + И? р)

100 — тг*

100 — №р'

При пересчетах на массу, менее богатую горючими, можно пользо­ваться обратными величинами тех же пересчетных коэффициентов. Ко­эффициенты для пересчета состава топлива с одной массы на другую сведены в табл. 1-5.

Основной горючей составляющей топлива является углерод, го­рение которого обусловливает выдёление основного количества тепла. Теплота сгорания аморфного углерода 34,4 МДж/кг (8130 ккал/кг).

Водород является вторым по значению элементом горючей мас­сы топлива, его содержание в горючей массе твердых и жидких топлив колеблется от 2 до 10%. Много водорода содержится в природном газе, мазуте и горючих сланцах, меньше всего — в антраците. Теплота сгора­ния водорода в водяной пар — 10,8 МДж/м3 (2579 ккал/м3).

Кислород и азот в топливе являются органическим балла­стом, так как их наличие уменьшает содержание горючих элементов в топливе. Кроме того, кислород, находясь в соединении с водородом или углеродом топлива, переводит некоторую часть горючих в окислив­шееся состояние и уменьшает его теплоту сгорания. Содержание кисло­рода велико в древесине и торфе. Азот при сжигании топлива в атмос­фере воздуха не окисляется и переходит в продукты сгорания в свобод­ном виде.

Сера 3, %, может содержаться в топливе в трех видах: органиче­ская Бор, колчеданная 5К и сульфатная 8С:

5 = 80р + 8к+8с. 0'8)

Органическая сера входит в состав сложных высокомолекулярных органических соединений топлива. Колчеданная сера представляет со­бой ее соединения с металлами, чаще с железом (ИеЭг — железный колчедан), и входит в минеральную часть топлива. Органическая и кол­чеданная сера Эор+к при горении топлива окисляется с выделением теп­ла. Сульфатная сера входит в минеральную часть топлива в виде суль­фатов СаЭ04 и Ре£Ю4 и поэтому в процессе горения дальнейшему окис­лению не подвергается. Сульфатные соединения серы при горении пере­ходят в золу. В горючую массу топлива входят Э0р и Эк, которые при сгорании топлива переходят в газообразные соединения 802, и в не­большом количестве 50з.

Содержание серы в твердых топливах обычно невелико. В нефти •сера входит в состав неорганических соединений, в природных газах она практически отсутствует, в попутных газах некоторых нефтяных место­рождений содержится немного серы в виде сероводорода НзБ и серни­стого газа БОг. Образующийся при горении топлива сернистый газ и особенно сопутствующий ему в небольшом количестве серный газ ЭОз вызывают коррозию металлических частей парогенераторов и отравляют окружающую местность. Вследствие низкой теплоты сгорания — 9,3 МДж/кг (2220 ккал/кг) присутствие серы уменьшает теплоту сгора­ния топлива. Поэтому сера является вредной и нежелательной при­месью топлива.

В табл. 1-6 приведен элементарный химический состав горючей массы различных видов топлива.