Топливо

     Кислород, содержащийся в топливе, является балластом. Не будучи теплообразующим элементом  и связывая водород топлива, кислород снижает теплоту его сгорания. Содержание кислорода в органической массе топлива с его возрастом  снижается с 41% для древесины до 2,2% для антрацита.

     Азот  также является балластной инертной составляющей топлива, снижающей процентное содержание в нем горючих элементов.

     При сгорании топлива азот в продуктах  сгорания содержится как в свободном  виде, так и в виде окислов NOX. Последние  относятся к вредным составляющим продуктов сгорания, количество которых  должно быть лимитировано.

     Сера  содержится в топливе в виде органических соединений So и колчедана SK, объединяемых в летучую серу S-i. Кроме того, сера входит в состав топлива в  виде сернистых солей — сульфатов (например, гипса CaSO2), не способных гореть. Сульфатную серу Sa принято относить к золе топлива.

     Присутствие серы значительно снижает качество топлива, так как сернистые газы SO2 и SO3 (соединяясь с Н2О, образуют H2SO4) разрушают металл котельного оборудования, попадая в атмосферу, вредно действуют  на живые организмы и растительность. Поэтому сера — крайне нежелательный  элемент для топлива. Сернистые  газы, проникая в рабочие помещения, могут вызвать отравление обслуживающего персонала.

     Зола  топлива представляет собой балластную смесь различных минеральных  веществ, остающихся после полного  сгорания всей горючей части топлива. Зола влияет на качество сгорания топлива  отрицательно.

     Различают три разновидности золы но ее происхождению: первичная — внутренняя, вторичная  и третичная. Первичная зола образуется из минеральных веществ, содержащихся в растениях. Содержание ее в топливе  незначительно и распределение  равномерно.

     Вторичная зола получается вследствие заноса растительных остатков землей и песком в период пластообразования. Третичная зола попадает в топливо во время его  добычи, хранения или транспортировки.

     Зола  является нежелательным балластом  топлива, снижающим содержание в  нем других горючих элементов. Кроме  того, зола, образуя отложения на поверхностях нагрева котлоагрегата, уменьшает теплопередачу от газов  к воде, пару и воздуху в его  элементах. Наличие большого количества золы затрудняет эксплуатацию котлоагрегата. Если зола легкоплавкая, она налипает на поверхности нагрева котла, нарушая нормальный режим его работы (шлакование).

     Содержание  золы в процентах от рабочей массы  топлива составляет:

     в дровах 0,6,

     в торфе 5—7,

     в бурых и каменных углях от 4 до 25,

     в мазуте 0,3.

     При сжигании твердого топлива важное значение имеют характеристика золы, степень  ее легкоплавкости. Плавкость золы определяют в лаборатории. В особую электропечь помещают несколько  выполненных из золы пирамид «конусов»  высотой 20 мм со стороной основания 7 мм. Одна из граней пирамиды должна быть перпендикулярна  основанию.

     В процессе постепенного нагревания пирамид  в электрической печи отмечают три точки :

     - температуру начала деформации tl определяемую в начале плавления верхушки пирамиды;

     - температуру размягчения t2, которая фиксируется в момент, когда верхуш- ка пирамиды наклонится до основания или же пирамида превратится в шар,

     - температуру t3, когда содержимое пирамиды растечется по основанию.

     Зола  бывает легкоплавкой с температурой размягчения ниже 1050°С, вызывающая шлакование топки при сжигании топлива, и тугоплавкой с температурой размягчения выше 1050° С. Учитывая большое влияние зольности на качественные характеристики топлива, для сравнительных подсчетов  используют понятие приведен- ной  зольности где <2н~ рабочая низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.

     Влага топлива складывается из внешней, или  механической, вызванной поверхностным  увлажнением кусков топлива и  заполнением влагой пор и капилляров, и равновесной, называемой гигроскопической, которая устанавливается в материале  при длительном соприкосновении  с окружающим воздухом. Содержание внешней влаги определяют высушиванием пробы топлива на воздухе до постоянной массы, а гигроскопической W* твердого топлива — высушиванием в сушильном шкафу измельченной пробы воздушно-сухого топлива до постоянной массы при 102 — 105°С.

     Для определения влажности жидкого  топлива отстаивают воду в течение  суток при 40°С в специальных сосудах  и взвешивают всю Пробу и воду. При нахождении влажности газообразного  топлива пропускают пробу газа через  слой хлористого кальция, поглощающего влагу.

     В топочной технике используют понятие  приведенной влажности, которая  показывает, сколько влаги в процентах  от рабочей массы топлива приходится на 1 МДж низшей теплоты сгорания.

     Для оценки качества топлива и условий  горения большое значение имеет  выход летучих веществ. Если нагревать топливо без доступа воздуха, то под воздействием высокой температуры (от 200 до 800°С) происходит разложение его на газообразную часть — летучие вещества (водород, метан, тяжелые углеводороды, окись углерода, немного двуокиси углерода и некоторые другие газы, т. е. в основном газообразные горючие вещества) и твердый остаток—кокс. Выход летучих веществ, их состав, а также температура, при которой они начинают выделяться, определяются химическим возрастом топлива: чем топливо старше по возрасту, тем меньше выход летучих и выше температура начала их выделения. Например, выход летучих торфа составляет приблизительно 70% общей массы горючей части топлива, они начинают выделяться при 120—150°С; выход летучих бурых и молодых каменных углей уменьшается приблизительно от 13 до 58,5%, они начинают выделяться при 170—250°С, а антрацита — до 4% при температуре начала выделения газов около 400°С.

     Летучие вещества оказывают большое влияние  на процесс горения топлива: чем  больше выход летучих, тем ниже температура  воспламенения и легче зажигание  топлива и тем больше поверхность  фронта пламени. Топливо с большим  выходом летучих (торф, бурый уголь, молодой каменный уголь) легко загорается и сгорает быстро с малой потерей  тепла. Топливо с малым выходом  летучих, например антрацит, загорается значительно труднее, горит медленнее и сгорает не полностью.

     Кокс, оставшийся после полного выделения  летучих, состоит из углерода и минеральных  топливных примесей. В зависимости  от вида термически разложенного топлива  кокс может быть порошкообразным, слипшимся, спекшимся, сплавленным.

     Теплота сгорания топлива. Наиболее важной характеристикой  топлива является теплота сгорания, которой называют количество тепла, получаемого при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 нм3 газообразного  топлива в кДж/кг (ккал/кг): 1 ккал — 4,1868, или 4,19, кДж.

     Как указывалось ранее, к горючим  элементам в топливе относят  углерод С, водород Н и летучую горючую серу S. Элементарно их горение может быть представлено следующими уравнениями:

     С + О2 = СО2;

     2Н2 + О2 = 2Н2О; 

     S + О2 = SO2.

     В процессе горения горючих элементов  выделяется следующее количество тепла  при сжигании 1 кг:

     углерода  — 33,65 МДж (8031 ккал/кг),

     серы  — 9 МДж (3172 ккал/кг),

     водорода  — 141,5 МДж (23770 ккал/кг).

     Для удобства сравнительных расчетов при  сжигании в котельных разных сортов топлива введено понятие «условное топливо». Условным принято считать топливо, теплота сгорания которого равна 29,35 МДж/кг).

     Производственные  плановые задания и отчетные данные по топливу всегда удобно выражать в условном топливе.

     Классификация твердого топлива: По химическому возрасту различают три стадии образования твердого топлива: торфяную, буроугольную и каменноугольную.

     Древесина — это топливо, используемое преимущественно  в мелких котельных установках. Широкое  применение имеют отходы деревообделочного  производства: горбыли, щепа, стружки, опилки, кора и др. Дрова применяют  реже.

     Влажность воздушно-сухих дров не превышает 25%, полусухих — 35%, свежесрубленных  — 50%. Опилки обычно имеют влажность 45 — 60%. К полусухим относят дрова  весенней заготовки, пролежавшие не менее 6 мес после рубки, в том  числе не менее двух летних месяцев. К сухим относят дрова, пролежавшие  после рубки около года в лесу и влажность которых не превышает 30%.

     Дрова как топливо характеризуются  высоким выходом летучих горючих  веществ — до 85% и незначительным содержанием золы — в среднем  до 1%, лишь в сплавных дровах зольность  повышается До 5%. Следовательно, балласт  дров определяется в основном их влажностью, от которой и зависит теплота  сгорания. Теплота сгорания мало зависит  от породы дров. Рабочий состав и теплота сгорания древесных отходов (щепы, опилок и др.) не отличаются от состава древесины, из которой они получены.

     При пониженной теплоте сгорания дрова  имеют преимущества: легкую воспламеняемость, отсутствие серы и малую зольность, что позволяет ограничиваться простыми топочными устройствами, работающими  эффективно.

     Торф  по способу добычи подразделяют на три основных вида: машиноформовочный (багерный), гидравлический и фрезерный.

     При машинно-формовочном способе торфяная масса забирается из торфяного карьера  экскаваторами (багерами) и подается на специальные прессы, где получает форму ленты, которая разрезается  на отдельные кирпичи, а затем  их механически транспортерами распределяют по полю сушки, после чего складывают в штабеля.

     Гидравлический  способ добычи торфа основан на размывке торфяного массива струей воды, идущей под сильным напором. Получающаяся жижа — пульпа пропускается через специальные растиратели, перекачивается насосами на площадку, где и высушивается.

     Высушенная  торфяная масса особыми машинами нарезается на кирпичи.

     Фрезерный способ заключается в том, что  торфяное болото последовательно разрабатывается  — вспахивается специальными машинами на глубину от 5 до 35 мм. Получаемая торфяная крошка подсушивается, а затем складывается в штабеля.

     Торф  как топливо по своим свойствам  близок к дровам. Влажность торфа  колеблется в зависимости от способа  добычи, условий сушки и хранения от 30—40 до 50—55%. Влажность же фрезерного торфа выше кускового примерно на 5 —10%. Зольность торфа (Ар), добываемого  в центральных областях РФ, колеблется от 7 до 15%. Теплота сгорания Q = 8,38 -10,72 МДж/кг (3511-4492 ккал/кг).

     Ископаемые  угли разделяют на бурые, каменные и  антрациты. 
При классификации угли различают по маркам, классам и группам, а также по составу, крупности, зольности. Марки отличаются одна от другой выходом летучих и степенью спекаемости. Группы углей определяют по величине их зольности. По крупности кусков ископаемые угли делят на классы, Бурый уголь содержит много влаги, соединяется легко с кислородом воздуха и при длительном хранении на воздухе сильно выветривается и рассыпается в порошок. Кроме того, он обладает большой склонностью к самовозгоранию. По своей структуре отличается повышенным содержанием балласта и необычно высокой гигроскопичностью, вследствие чего влажность бурых углей Wp ~ = 17—55%. Бурые угли не спекаются, отличаются большим выходом летучих (Р = 33,5 - 58,5%) на горючую массу и зольностью на сухую массу (Ас=10,5 -34%), высоким содержанием серы E = 0,6-5,9%).

     Рабочая теплота сгорания Qp = 10,7—17,5 МДж/кг (3177 ккал/кг). 
Каменный уголь на территории РФ имеется в огромных количествах и подразделяется: на длиннопламенный, газовый, паровичный жирный, коксовый паровичный спекающийся и тощий. Каменные угли отличаются высокой теплотой сгорания Qk~ = 21,20-28,07 МДж/кг (5097-6700 ккал/кг). Каменный уголь применяют непосредственно как топливо или перерабатывают на кокс. По виду кокса различают угли неспекающиеся (порошкообразный кокс) и спекающиеся (сплавленный кокс, иногда вспученный). Каменные угли довольно плотны и малопористые и содержание внешней влаги в них значительно ниже, чем в бурых углях. Многие каменные угли обладают повышенной механической прочностью. В хранении они более устойчивы, меньше подвержены самовозгоранию, а некоторые их виды совсем не самовозгораются.