Раздел III. Тепловое оборудование

Глава 14. Основы теплотехники

Топливо и его виды

Топливом называются углеродистые соединения, которые при сгорании выделяют большое количества тепла. Тепло — это вид энергии.

По физическому состоянию топливо подразделяется на твердое, жидкое и газообразное, а по происхождению на естественное и искусственное.

В табл. 14.1 приводится классификация топлива, используемого в народном хозяйстве.

Таблица 14.1 Классификация топлива

Топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю, называется рабочим топливом. Рабочее топливо состоит из различных (горючих и негорючих) элементов (углерод, водород, сера и т. д.). Процентное содержание каждого из элементов в 1 кг массы топлива называется элементарным составом рабочего топлива.

Cp+Hp+Op+Np+Sp+Ap+Wp=100 %,

где Cр — углерод;

Hp — водород;

Ор — кислород;

Np — азот;

Sp —сера;

Ар — зола;

Wp — влага.

К горючим элементам топлива относится углерод, водород и часть серы. Сера содержится в топливе в трех видах: органическая Sор , колчеданная Sк в виде соединений с металлами FeS2 и сульфатная Sc в виде сульфатов CaSO4.

При сгорании серы образуется сернистый газ SO2, который, взаимодействуя с парами воды Н2О, образует сернистую кислоту, вызывающую разрушение металлических частей котельного агрегата и загрязняющую окружающую среду. Поэтому сера является нежелательным элементом топлива.

Углерод — наиболее ценная горючая составляющая топлива. В топливе его содержится 82—90% по массе; он обладает высокой теплотой сгорания. Водород также очень ценная составляющая, но его в топливе мало — всего 11—12%.

Зола топлива представляет собой смесь негорючих минеральных соединений, которые остаются после сгорания топлива.

Кислород и азот составляют внутренний баланс топлива, а зола и влага — внешний баланс.

Основной характеристикой топлива является его теплота сгорания.

Теплота сгорания топлива — это количество тепла, выделяющегося при полном сгорании 1 кг массы твердого или жидкого топлива либо 1 м3 газообразного топлива при нормальных физических условиях (давление 760 мм рт.ст. и температура 0°С).

Теплота сгорания в зависимости от того, до какой температуры охлаждаются образующиеся газообразные продукты сгорания топлива, может быть высшей или низшей.

Если продукты сгорания охлаждаются до температуры конденсации содержащихся в них водяных паров (образовавшихся за счет испарения влаги топлива и сгорания водорода), то такое количество тепла называется высшей теплотой сгорания.

Если же продукты сгорания удаляются при температуре 100°С и выше, то водяной пар не конденсируется, а такая теплота называется низшей теплотой сгорания.

Высшую теплоту сгорания топлива определяют лабораторным путем, сжигая топливо в калориметрах.

Теплота сгорания топлива колеблется в весьма широких пределах. Для каменных углей — 18—30 МДж/кг, для газа — 32—42 МДж/м3. Для сравнения энергетической ценности различных видов топлива введено понятие условного топлива.

Условным называют такое топливо, теплота сгорания которого составляет 29,3 МДж/кг.

Рассмотрим более подробно отдельные виды топлива, представленные в табл. 14.1.

По происхождению и геологическому возрасту каменные угли делят на три основные группы: бурые угли, каменные угли и антрациты.

Бурые угли по геологическому возрасту являются наиболее молодыми. Их характерными признаками являются повышенное содержание золы, влаги, серы и большой выход летучих горючих. Они механически непрочны, их нельзя перевозить на дальние расстояния; при хранении выветриваются и самовозгораются. Используются как энергетическое топливо и сырье для химической промышленности.

Каменные угли являются более древними по геологическому возрасту, чем бурые. Они более плотные, менее гигроскопичны и содержат меньшее количество летучих веществ по сравнению с бурыми углями. При хранении каменные угли не выветриваются и менее склонны к самовозгоранию. Получили широкое применение в теплоэнергетике, металлургии и коксохимической промышленности.

Антрацит является наиболее древним по геологическому возрасту. Содержание углерода в рабочей массе антрацита достигает 90%. Теплота его сгорания довольно большая и составляет 21—28 МДж/кг. Используется в основном для получения кокса — главного вида топлива металлургической промышленности.

Торф — это скопление остатков растений, подвергшихся неполному разложению при недостатке воздуха и большой влажности. Тепловые свойства торфа неодинаковы и определяются условиями его образования. Важнейшей составной частью торфа является углерод. От его содержания зависит теплота сгорания горючей части торфа.

Древесное топливо — дрова и отходы деревообрабатывающих производств (опилки, горбыль, шпон). Древесина отличается небольшой зольностью и переменной влажностью, зависящей от породы древесины, возраста дерева, времени рубки и способа хранения. Теплота сгорания дров зависит от влажности и колеблется в очень больших пределах. Применяются для отопления зданий и для различных бытовых нужд.

Сланцы — продукт разложения растительных и животных организмов под водой без доступа воздуха. По своему химическому составу весьма разнообразны. Применяются на электростанциях и для получения бытового газа.

Жидкое топливо по сравнению с твердым имеет некоторые преимущества. Оно отличается простотой сжигания, в основном транспортируется перекачкой по трубопроводам, но при низких температурах грунта, в котором уложены трубопроводы. При этом в трубопроводах могут создаться весьма высокие давления. Это может привести к разрыву труб и вызвать экологическую катастрофу. Поэтому трубопроводы для перекачки нефти стремятся прокладывать через южные регионы Российской Федерации, где среднегодовая температура воздуха и грунта более высокая.

Нефть является весьма ценным топливом. В сыром виде нефть не сжигается, а является сырьем для химической промышленности. При переработке нефти получают бензин, керосин, мазут, солярку, смолы и пр. В качестве энергетического топлива используется, главным образом, мазут. Бензин и солярку используют как топливо для двигателей внутреннего сгорания.

Газообразное топливо в силу своих положительных качеств находит все большее применение. Оно легко перемешивается с воздухом, сгорает без копоти и дыма, что позволяет его сжигать простейшими способами с высоким КПД. Природный газ можно использовать в том виде, в каком он выходит на поверхность земли, и транспортировать по трубопроводам к месту потребления на большие расстояния. Движение газа по трубопроводам осуществляют компрессорные станции, которые сжимают газ до давления 6— 10 МПа. При этом температура газа резко возрастает, что приводит к нагреву труб, а иногда и их разрыву. Многие газовые магистрали прокладывают в грунтах с вечной мерзлотой. Поэтому во избежание прогрева грунта и, как следствие, его проседания газ после сжатия в компрессоре охлаждают, однако это приводит к увеличению его первоначальной себестоимости.