1.2 Органические топлива

Топливомможет быть названо любое вещество, способное при горении выделять значительное количество теплоты. По определению Д. И. Менделеева «топливом называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения тепла». Существуют естественные (природные) и искусственные виды топлив органического и неорганического происхождения. Они могут быть твердыми, жидкими и газообразными.

В энергетике для получения электроэнергии на тепловых электрических станциях в основном используются топлива органического происхождения. Все они представляют собой углеводородные соединения, в которые входят небольшие количества других веществ.

К твердому топливуотносятся: антрацит, каменный и бурый уголь, торф, дрова, горючие сланцы, отходы переработки древесины и растительные отходы сельскохозяйственного производства.

Твердые топлива используются в основном на тепловых электростанциях для получения электрической и тепловой энергии и технологических нужд промышленности.

К жидкому топливуотносятся нефть и продукты ее переработки: бензин, керосин, лигроин, различные масла и остаточный продукт нефтепереработки — мазут. Искусственное жидкое топливо получают и при переработке некоторых твердых топлив.

До 70% жидких топлив расходуют транспортные средства; Около 30% сжигается в виде мазута на тепловых электростанциях. Сырую нефть в качестве топлива не применяют.

К газообразному топливуотносятся природный газ, попутный нефтяной газ, газообразные отходы металлургического производства (коксовый и доменный газы), крекинговый газ и генераторный газ, получаемый из твердого топлива в особых газогенераторных установках.

Газообразные топлива сжигаются на тепловых электростанциях. В некотором количестве они используются также и на транспорте.

Топливо в том виде, в котором оно поступает в топки, двигатели внутреннего сгорания и т. п., называется рабочим. В состав рабочего топлива (твердого или жидкого) входят углерод C, водородH, кислородO, азотN, летучая сераS, негорючая минеральная примесь — золаA, а также влагаW. Для рабочей массы топлива имеет место очевидное равенство

C^р+H^р+O^р+N^р+S^р+A^р+W^р= 100%,

где C^р,H^р,O^ри т. д. — содержание каждого из элементов рабочего топлива, %, в общей массе топлива. Содержание летучей серы, золы и влаги для одного и того же сорта топлива может значительно колебаться. Влага, содержащаяся в топливе, совместно с золой и негорючими соединениями серы (минеральными примесями) называется балластом топлива. Для правильного представления о тепловых свойствах топлива вводится понятие горючей массы, которая равна рабочей массе топлива за вычетом балласта.

Основной теплотехнической характеристикой топлива является теплота сгорания, которая показывает, какое количество теплоты в кило- или мегаджоулях выделяется при сжигании одного килограмма твердого, жидкого или одного кубического метра газообразного топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания.

Высшей теплотой сгорания топлива Q_рВназывают количество теплоты, выделяемой топливом при полном его сгоранииcучётом теплоты, выделившейся при конденсации водяных паров, которые образуются при горении.

Низшая теплота сгорания Q_рНотличается от высшей тем, что не учитывает теплоту, затрачиваемую на образование водяных паров, которые находятся в продуктах сгорания. При расчётах используют низшую теплоту сгорания, т.к. теплота водяных паров бесполезно теряется с уходящими в дымовую трубу продуктами сгорания. Теплотехнические характеристики горючей массы твердого топлива приведены в табл. 1.2.

Табл. 1.2 Характеристики горючей массы твердого топлива

Вид горючего	Низшая теплота сгорания, МДж/кг	Жаропроизводи- тельность, tmax, ˚C	Выход летучих веществ, %
Дрова	19	1980	85
Торф	8,12	2050	70
Горючий сланец	7,66	2120	80…90
Бурый уголь	27	—	40…60
Каменный уголь	33	2130	9…50
Антрацит	33	2130	3…4

Жидкие топлива.Практически все жидкие топлива пока получают путем переработки нефти (бензин, керосин, дизельное топливо и мазут). Мазут, как и моторные топлива, представляет собой сложную смесь жидких углеводородов, в состав которых входят в основном углерод (84…86%) и водород (10…12%); содержание кислорода и азота составляет 1…2%, а содержание воды и зольность не превышают 0,2…1,5%.

Мазуты, полученные из нефти некоторых месторождений, могут содержать большое количество серы (до 5%), что резко усложняет защиту окружающей среды при их сжигании.

Из жидких топлив в котельных электростанций и промышленных печах сжигаются только мазуты.

Характеристики жидких топлив, получаемых путем переработки нефти, приведены в табл. 1.3.

Табл. 1.3 Характеристики жидких топлив, получаемых из нефти

Топливо	Низшая теплота сгорания, МДж/кг	Зольность сухого топлива, %	Влага рабочего топлива, %
Бензин	43,8	0	0
Керосин	43,0	0	0
Дизельное	42,4	Следы	Следы
Солярное	42,0	0,02	Следы
Моторное	41,5	0,05	1,5
Мазут: малосернистый сернистый многосернистый	41,3 40,2 40,0	0,1 0,15 0,1	1,0 1,0 1,0

Газообразное топливо по сравнению с другими видами топлива имеет ряд существенных преимуществ. Газообразное топливо сгорает при небольшом избытке воздуха, образуя продукты полного горения без дыма и копоти, не дает твердых остатков; оно удобно для транспортирования по газопроводам на большие расстояния и позволяет простейшими средствами осуществлять сжигание в установках самых различных конструкций и мощностей. Газообразное топливо подразделяется на естественное и искусственное. Естественное, в свою очередь, разделяется на природное и нефтепромысловое.

Природный газ получают из чисто газовых месторождений. Основным его компонентом является метан CH₄, кроме того, в газе разных месторождений содержится небольшое количество водородаH₂, азотаN₂, высших углеводородовC_nH_n, окисиCOи двуокисиCO₂углерода. В процессе добычи его очищают от сернистых соединений, но часть их (в основном сероводород) может оставаться.

Нефтепромысловые газы выделяются в большом количестве в районах месторождений нефти и, особенно, в районах эксплуатации нефтяных скважин.

При добыче нефти выделяется так называемый попутный газ, содержащий меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов, и поэтому выделяющий больше теплоты. Проблема полного его использования сейчас весьма актуальна.

В промышленности и, особенно, в быту находит широкое применение сжиженный газ, получаемый при первичной переработке нефти и попутных газов. Это — технический пропан (не менее 93%C₃H₈ +C₃H₆) и технический бутан (не менее 93%C₄H₁₀ +C₄H₈) и их смеси.

К искусственным газам относят доменный газ, являющийся продуктом при выплавке чугуна;коксовый, образующийся при получении кокса в коксовых батареях;светильный, получаемый при перегонке угля;генераторный, получаемый в газогенераторах, который для сжигания в топках котлов не применяют. Коксовый и доменный газ используют, главным образом, на месте, в доменном и других цехах металлургических заводов.

Состав и теплота сгорания некоторых горючих газов показана в табл. 1.4.

Табл. 1.4. Состав и теплота сгорания горючих газов

Газ	Состав сухого газа, % по объему								Низшая теплота сгорания, МДж/м3
	CH4	H2	CO	CnHn	O2	CO2	H2C	N2
Природный	94,9	—	—	3,8	—	0,4	—	0,9	36,7
Коксовый (очищенный)	22,5	57,5	6,8	1,9	0,8	2,3	0,4	7,8	16,6
Доменный	0,3	2,7	28,0	—	—	10,2	0,3	58,5	4,0
Сжиженный	4	Пропан 79, этан 6, водород и изобутан 11							88,5

Условное топливо.Большая разница значений теплоты сгорания у различных видов топлива затрудняет проведение сравнительных расчетов. Поэтому принято понятие условного топлива. Условным называется такое топливо, теплота сгорания 1 кг или 1 м³которого равна 29 330 кДж. Для перевода действительного топлива в условное пользуются соотношением

,

где Э_к— калорийный эквивалент, указывающий, какая часть теплоты сгорания условного топлива соответствует низшей теплоте сгорания данного топлива.

Расход условного топлива

,

где B— расход рассматриваемого натурального топлива;Q_рН— низшая теплота сгорания топлива;Q_ус— теплота сгорания условного топлива.