Види та характеристики палива

Паливом називається горюча речовина, що використовується як джерело отримання теплоти в енергетичних, промислових та опалювальних установках.

Доцільність застосування тих чи інших горючих речовин як палива повинна обгрунтовуватись техніко-економічними чинниками, які враховують запаси палива, вартість видобування та транспортування його до споживача, теплову цінність палива, реакційну властивість (активність реакції з окиснювачем), відсутність шкідливих газів в продуктах згоряння, вміст негорючих домішок, доступність для широкого використання і т.п.

Основним джерелом отримання електричної, механічної та теплової енергії, не враховуючи значний прогрес в освоєнні енергії води, вітру, сонця, та ядерної енергії, на даний час залишається органічне паливо. Тому об’єктами нашої уваги будуть процеси отримання енергії шляхом спалювання органічного палива.

За агрегатним складом органічне паливо поділяється на тверде, рідке та газоподібне. В залежності від способу отримання всі види палива поділяються на природні та штучні. Класифікація відомих видів палива згідно цих ознак наведена в табл. 14.1.

Таблиця 14.1

Класифікація органічного палива за агрегатним станом

Паливо	Агрегатний стан
твердий	рідкий	газоподібний
Природне	Дрова, торф, буре і кам’яне вугілля, антрацит, горючі сланці	Нафта	Природний газ
Штучне	Деревне вугілля, напівкокс, кокс, брикети вугільні і торф’яні	Мазут, гас, бензин, солярове масло, газойль, пічне паливо	Нафтовий газ, коксовий газ, генераторні гази, доменні гази, газ підземної газифікації

Тверде та рідке паливо

Тверде та рідке паливо – це комплекс складних органічних та мінеральних сполук. В його складі умовно виділяють горючу та негорючу частину. Органічне тверде та рідке паливо характеризується елементним складом, який умовно представляють як суму всіх хімічних елементів і сполук, що входять в паливо. Їх вміст дається у відсотках до маси 1 кг палива. Слід зауважити, що елементний склад не дає уяву про молекулярну та хімічну структуру палива. Для твердого та рідкого палива елементний склад можна записати у такому вигляді

C + H + S_Л + O + N + W = 100%, (14.1)

де C, H, S_Л, O, N, W – відповідно масові відсотки вуглецю, водню, леткої сірки, кисню, азоту, шлакового залишку, вологи.

В склад леткої сірки включають сірку, яка входить в склад органічних сполук та сірчаного колчедану (FeS_2.). Сірка, яка міститься у складі негорючих мінеральних солей, входить в склад шлакового залишку – CaSO₄, MgSO₄, FeSO₄ тощо.

В негорючу частину палива входять азот, кисень, волога (W), мінеральні негорючі речовини, які після згоряння палива утворюють шлаковий залишок (А).

Для твердого та рідкого палива розрізняють їх робочу, суху, горючу та органічну маси. Складу кожної маси присвоюється відповідний індекс: робочої – Р, сухої – С, горючої – Г та органічної – О.

Паливо у тому вигляді, в якому воно подається до споживача і підлягає згорянню, називається робочим, а маса та його елементний склад – відповідно робочою масою та робочим складом. Елементарний склад робочої маси записують таким чином:

C^P + H^P + S^P_Л + O^P + N^P +W^P = 100 %. (14.2)

Негорючі елементи палива становлять його баласт. Кисень та азот прийнято називати внутрішнім баластом палива, а шлак та вологу – зовнішнім, оскільки їх вміст в значній мірі залежить від таких внутрішніх чинників, як спосіб добування та зберігання палива.

В робочий склад окремих видів палива деякі елементи можуть і не входити. Так, в дровах відсутня летка сірка.

Суха маса палива на відміну від робочої маси не містить вологи і може бути представлена рівнянням

С^С + Н^С + S_Л^С + О^С + N^C + A^C = 100 %.

Формули перерахунку з робочої маси на суху мають вигляд

, (14.3)

де К – масова концентрація відповідного компоненту в робочій чи сухій масі.

Зольність палива завжди перевіряється тільки за сухою масою палива.

Горючий склад палива не містить зовнішнього балансу, тобто вологи і золи, і може бути записаний як

С^Г + Н^Г + О^Г + N^Г = 100 %. (14.4)

Назва " горюча маса " – умовна, оскільки дійсно горючими її елементами є тільки С, Н та S_Л. Склад горючої маси викопного палива залежить тільки від характеру та умов походження палива, а також від його геологічного віку (тобто глибини необоротних перетворень в органічних речовинах).

Вміст вуглецю в твердому паливі зростає з його геологічним віком, а вміст водню зменшується. Так, наприклад, вміст вуглецю в торфі становить С^Г = 50-60 %, в бурому вугіллі С^Г = 60-75 %, в кам’яному вугіллі – С^Г = 75-90 %. Із зменшенням геологічного віку вміст рослинних залишків у паливі збільшується.

Перерахунок із сухої та робочої мас палива на горючу проводять за формулою

. (14.5)

Органічна маса палива на відміну від горючої містить тільки органічну сірку і не включає колчеданну. Склад цієї маси може бути виражений рівнянням

. (14.6)

Для перерахунку використовують формулу

, (14.7)

де S_орг та S_K - відповідно сірка, що входить в склад органічних сполук та сірка, що входить в склад сірчаного колчедану.

Вологість та зола палива є його важливими технологічними показниками, значення яких відрізняється для різних видів палива. Склад твердого палива, необхідний для проведення розрахунків горіння палива та технологічних розрахунків, вказується в довідковій літературі.

Основними джерелами отримання штучних рідких палив є нафта. В процесі сухої перегонки вугілля та горючих сланців також отримують деякі види рідких палив. В паленищах котельних агрегатів та технологічних печей використовують в основному мазут – залишковий продукт переробки нафти. В склад мазуту входять вуглець, водень, сірка, кисень, азот. Основними характеристиками мазуту є в’язкість та температура застигання. Застосовують паливний мазут марок М40, М100, М200. Марка мазуту визначається граничною в’язкістю за температури 353 К. За вмістом сірки мазути поділяються на малосірчисті (до 0,5 %), сірчисті (до 2 %) та високосірчисті (3,5-4,3 %).

 

Газоподібне паливо

Газоподібне паливо – це суміш горючих та негорючих газів. Горюча частина газоподібного палива складається із насичених та ненасичених вуглеводнів, водню, оксиду вуглецю та сірководню. В склад негорючої частини входять азот, вуглекислий газ та кисень. Кількість водяної пари в газі позначається символом (d) та задається зазвичай в кг/м³. Склад природного та штучного газоподібного палив різні. Природний газ власне газових родовищ характеризується високим вмістом вуглеводнів, в основному метану CH₄ (до 98%). В склад природного газу в невеликих кількостях входять інші вуглеводи: етан C₂H₆, пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀, етилен C₂Н₄ та пропілен С₃Н₆. Вміст баласту О₂ та N₂, зазвичай в природному газі невеликий. В так званому попутному газі, який добувають на нафтогазових родовищах, спостерігається дещо підвищений вміст вищих вуглеводнів: етану, пропану, бутану, пентану, етилену. В природних газах вміст горючих складових (переважно водню та оксиду вуглецю) досягає 25-45 %. В баласті переважають азот та вуглекислота (75-35 %).

Склад газоподібного палива задається в об’ємних частках, оскільки кількісний вміст та хімічні формули компонентів визначаються достатньо точно з допомогою хімічного чи хроматографічного аналізів

. . (14.8)

Для вологого газу об’ємний склад визначають за формулою

, (14.9)

де К^В – об’ємний вміст компоненту вологого газу, К^С – об’ємний вміст компоненту в сухому газі, 0,805 – густина водяної пари за нормальних умов, кг/м³, d – вологовміст газу, кг/м³.

Технологічні розрахунки проводять, зазвичай, для сухого складу палива.