Классификация энергетических топлив

 

Энергетическим топливом называют органическое топливо, которое используется для выработки электрической и тепловой энергии и которое технически невозможно или экономически целесообразно использовать для переработки в химической, металлургической и других отраслях народного хозяйства и которого имеются в природе большие запасы.

Топливом можно считать всякое вещество, выделяющее при определённых условиях большое количество тепловой энергии, которую в зависимости от технических и экономических показателей используют в различных отраслях. В котельных установках выделившаяся теплота используется для получения рабочего тела – водяного пара или горячей воды, используемых в технологических и отопительных установках, а также производства электрической энергии.

Топливо делится на две группы, различающиеся по принципу освобождения энергии: горючее, выделяющее теплоту при взаимодействии с другим веществом (окислителем); расщепляющееся (ядерное), которое выделяет теплоту в результате расщепления вещества топлива с одновременным образованием молекул других химических элементов.

Горючее топливо различают органическое и неорганическое. Органическое топливо включает углеводородные химические соединения природного и искусственного происхождения, углерод и водород, а также их смеси. Неорганическим топливом являются неорганические вещества и их композиции, которые при взаимодействии с окислителем выделяют большое количество теплоты. Такими веществами могут быть металлы: алюминий (Al), магний (Mg), железо (Fe) и др. Чтобы горючее топливо выделило теплоту, необходима его химическая реакция с другим веществом – окислителем. В качестве окислителя в общем случае могут использоваться как чистый кислород (O₂) и его модификации (O, O₃), и другие активные химические соединения – окислители: азотная кислота (HNO₃), перекись водорода (H₂O₂). В энергетических установках в качестве окислителя, как правило, применяют воздух, содержащий 21 % (по объёму) кислорода, и в особых случаях – чистый кислород.

Органическое топливо делят на ископаемое природное и искусственное, которое, в свою очередь, подразделяют на композиционное и синтетическое.

Ископаемое природное топливо – это топливо, накопленное в недрах Земли и являющееся продуктом биохимических и химических превращений органического вещества растений и микроорганизмов, существовавших на Земле 0,5-500 млн. лет назад. К нему относятся: уголь, сланец, торф, природный газ, извлекаемые человеком из недр Земли. Искусственное топливо – это органическое топливо, созданное человеком путём соответствующей переработки, как правило, природных соединений (в том числе и природных топлив) с целью получения топлив с новыми наперёд заданными свойствами. Композиционное топливо – это механическая смесь горючих (в том числе органического топлива), а в ряде случаев горючих и негорючих веществ, обладающая новыми теплотехническими свойствами по сравнению со свойствами исходных горючих. К композиционному топливу относятся топливные суспензии, топливные эмульсии, топливные брикеты, гранулы, топливо из горючих отходов. Синтетическое топливо – продукт термохимической переработки горючих веществ (в том числе и органического топлива), обладающий новыми теплотехническими свойствами по сравнению с исходным горючим веществом. К синтетическому топливу относятся все продукты переработки нефти: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, жидкое топливо и газ, полученные из угля и другие.

При производстве тепловой энергии для теплоснабжения на теплоэлектроцентралях, тепловых станциях, производственных и отопительных котельных используют в основном природное органическое топливо. Однако уже созданы теплоэнергетические установки, работающие на искусственном органическом и расщепляющемся топливе.

Основным потребителем топлива (до 40 %) являются электростанции. Различные виды топлива в разные годы играли неодинаковую роль. В соответствии с общей тенденцией в изменении структуры топливного баланса в электроэнергетике длительное время наблюдался рост потребления преимущественно жидкого и газового топлив (до 50 %), но твёрдое топливо снова становится основным для электростанций.

Критерием целесообразности использования органического топлива в энергетике является либо качество топлива (обычно в котлах стремятся сжигать низкосортные виды топлива), либо цены на различные виды топлива в месте сжигания (из нескольких видов топлива добываемых или доставляемых в данное место сжигается наиболее дешёвое).

В связи с развитием техники угледобычи, появились вторичные виды энергетических топлив, такие как отсевы углей, отходы углеобогащения и прочие.

Так, получило распространение энергетическое топливо – ГСШ (газовый, семечко со штыбом) – отсев газовых каменных углей, с Q^р_н = 21 МДж/кг, с большим количеством щелочей и поэтому склонное к образованию плотных отложений на поверхностях нагрева.

К энергетическим топливам также относится большая группа бурых и каменных, так называемых окислённых углей. Эти угли неглубоких залеганий; под воздействием атмосферного кислорода и влаги в них совершается процесс выветривания или окисления, заключающийся в том, что падает процент содержания горючих, теплоценность горючих, рабочая низшая теплота сгорания, температура плавления шлаков; с другой стороны, растут внешний балласт, плотность и твёрдость угля [1].

К наиболее значимым из твёрдых топлив относятся ископаемые угли. В соответствии с действующей классификацией (ГОСТ 25543) различают три вида ископаемых углей в зависимости от основных генетических признаков (табл. 3.3).

 

Таблица 1.1 – Классификационные признаки ископаемых углей

Вид угля	Средний показатель витринита , %	Теплота сгорания на влажное беззольное состояние , МДж/кг	Выход летучих веществ на сухое беззольное состояние , %
Бурый	Менее 0,6	Менее 24	-
Каменный	0,4-2,59	24 и более	8 и более
Антрацит	2,2 и более	-	Менее 8

 

В качестве признаков рассматриваются: средний показатель отражения витринита R₀, %; теплота сгорания влажной беззольной массы , МДж/кг; выход летучих веществ на сухое беззольное состояние V_г, %. Характеристикой топлива, определяющей его принадлежность к той или иной группе, является отношение O+N (для бурых углей O+N > 4, для каменных HHO+N < 4). H

Бурые угли. Бурые угли, как правило, залегают на сравнительно небольших глубинах, поэтому часто их добывают открытым способом, который в 5–7 раз производительнее и дешевле шахтного. В настоящее время открытым способом в России добывается 1/3 используемых углей. Бурые угли (Б) делятся по рабочей влажности на три группы (марки):

1Б – угли с W_р > 40 %;

2Б – при 30 < W_р < 40 %;

3Б – при W_р < 30 %.

Бурые угли характеризуются: высокой гигроскопической и, как правило, повышенной общей влажностью; высоким выходом летучих веществ (V г > 40%); неспекшимся коксовым остатком; пониженным содержанием углерода и повышенным – кислорода.

Теплота сгорания бурых углей колеблется в широком диапазоне: от 7-8 МДж/кг (у высоковлажных и высокозольных) до 18-20 МДж/кг (у сухих и малозольных).

При длительном хранении на открытом топливном складе бурые угли теряют механическую прочность и растрескиваются, проявляют повышенную склонностью к самовозгоранию.

В основном бурые угли относятся к низкосортным видам топлива, их перевозка на длинные расстояния нерентабельна, и поэтому они используются вблизи от места добычи. Исключение составляют бурые угли Канско-Ачинского бассейна с достаточно высокой для бурых углей теплотой сгорания и низкой себестоимостью добычи открытым методом с использованием высокоэффективной техники [1].

Каменные угли имеют наиболее широкую классификацию, во-первых, по размеру кусков: П – плита, >100 мм; К – крупный, 50-100 мм; О – орех, 25-50 мм; М – мелкий, 13-25 мм; С – семечко, 6-13 мм; Ш – штыб (пыль), < 6 мм и Р – рядовой, от штыба до куска 500 мм. Во-вторых, по сорту и марке, в основу которых положены разнообразные свойства: выход летучих, спекаемость кокса и др. Так, Д – длиннопламенный имеет V_г > 36 %; у Г – газового характер кокса – спёкшийся; ГЖ – газовый жирный – V_г = 31-37 %, спёкшийся; Ж – жирный – V_г = 24-37 %, спёкшийся; КЖ – коксовый жирный – V_г = 25-33 %; спёкшийся; К – коксовый – V_г = 17-33 %, спёкшийся; ОС – отощённый спекающийся – V_г = 14-27 %; Т – тощий – V_г = 9-17 %; СС – слабоспекающийся – V_г = 17-37 %.

Мазуты. В настоящее время в соответствии с ГОСТ заводы-поставщики в зависимости от вязкости выдают топочные мазуты трех марок: М–40, М–100 и М–200, где цифры – значение вязкости в ВУ при 50 °С. По содержанию серы различают три сорта сернистых мазутов: малосернистые (S < 0,5 %), сернистые (S = 0,5-2 %) и высокосернистые (S = 2-3,5 %).

Поддержание товарных свойств в пределах норм достигается компаундированием тяжёлых остатков перегонки нефти или крекингом нефтепродуктов с маловязкими компонентами нефти.

Торф классифицируется как луговой и как моховой или верховой. Первый более засорён, имеет невысокую теплоту сгорания, второй – старый, выдержанный, высококалорийный с хорошо разложившейся растительной массой. Средняя Q^р_н = 5,8 МДж/кг.

Сланцы. Зольность сланцев доходит до A_р = 50-60 %, влажность тоже повышенная W_р = 15-20 %, низшая теплота сгорания Q^р_н = 5,7-10 МДж/кг при высокой теплоте сгорания горючей массы ^Qгн = 27,2-33,5 МДж/кг. Высокое содержание водорода в горючей массе H г = 7,5-9,5% определяет большой выход летучих у сланцев, достигающий 80-90 %, и лёгкую воспламеняемость.

Природный газ в большинстве случаев содержит метан 0,90-0,98 по объёму, что определяет близкие характеристики газов различных месторождении. Так, теплота сгорания составляет Q_сн = 33400-35600 кДж/м³, плотность газа близка к плотности метана и при 20 °С rг = 0,68-0,74 кг/м³. Плотность воздуха, поступающего в горелки при 250 °С, rв = 0,67 кг/м³, что обеспечивает устойчивое перемешивание горючего с окислителем. Из-за высокой теплоты сгорания газа удельная потребность в воздухе высока: на 1 м³ газа требуется 9,6 м³ воздуха, а с учётом избытка воздуха в топке a = 1,05 поднимается до 10 м³, что затрудняет качественное перемешивание природного газа с воздухом. Близкая теплота сгорания и состав горючих у природных газов обеспечивают им и близкую теоретическую (адиабатическую) температуру горения J_а = 1950-2000 °С. Так как скорость химического реагирования растёт с ростом температуры и концентрации реагирующих веществ, то для повышения температуры смеси практикуется предварительный подогрев воздуха до 200-250 °С, а при сжигании промышленных газов и подогрев самого газа [1].