Различные виды топлива и их характеристики. Виды топлива, применяемые на автотранспорте

Топливом называется горючее вещество, используемое в качестве источника получения теплоты в энергетических, промышленных и отопительных установках.

В зависимости от типа реакций, в результате которых выделяется теплота из топлива, различают органическое и ядерное топливо. В настоящее время и по прогнозам до 2030 г. органическое топливо является основным источником энергии (теплоты) для промышленного использования.

В органических топливах теплота выделяется в результате химической реакции окисления его горючих частей при участии кислорода, а в ядерных топливах - в результате распада деления ядер тяжелых элементов (урана, плутония и т.д.).

Классификация органического топлива.

Топливо подразделяется на природное и искуственное. Среди них различают три агрегатных состояния.

Природные:

• твердое - дрова, торф, бурые и каменные угли, антрацит, горючие сланцы
• жидкое - нефть
• газообразное - природный газ

Искусственные:

• твердое - древесный уголь, полукокс, кокс, угольные и торфяные брикеты, пеллеты
• жидкое - мазут, керосин, бензин, содяровое масло, газойль, печное топливо
• газообразное - газ нефтяной, газ коксовый и генераторный, газ доменный, газ подземной газификации.

Твердые и жидкие топлива состоят из горючих (углерода - С, водорода - Н, летучей серы - Sл == Sор + Sк) и негорючих (азота - N и кислорода - О) элементов и балласта (золы - А, влаги - W). Элементарный состав твердого и жидкого топлива дается в процентах к массе 1 кг топлива. При этом различают рабочую, сухую, горючую и органическую массу топлива. Рабочая масса - это масса и состав топливо, в котором поступает к потребителю и подвергается сжиганию.

Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов. Горючая часть состоит из предельных и непредельных углеводородов, водорода Н2, окиси углерода СО, и сернистого водорода (Н2S). В состав негорючих элементов входит азот (N2), углекислый газ (СO2) и кислород (О2). Составы природного и искусственного газообразных топлив различны. Природный газ характеризуется высоким содержанием метана (СH4), а также небольшого количества других углеводородов: этана (С2H6), пропана (С3H8), бутана (С4H10), этилена (С2H4), и пропилена (С3H6). В искусственных газах содержание горючих составляющих (водорода и окиси углерода) достигает 25-45%, в балласте преобладают азот и углекислота - 55-75%.

Характеристика топлива

Влажность воздуха. Средняя влажность топлива в рабочем состоянии составляет в %: для торфа 50; сланцев 13-17; каменного угля 5-14 и антрацита 5-8. Бурые угли в зависимости от влажности делят на 3 группы: группа Б1 - более 40% влажности; группа Б2 - 30-40%;
группа Б3 - менее 30%.

Зола топлива. В состав золы входят преимущественно соли щелочных и щелочно-земельных металлов, окислы железа, алюминия, а также сульфатная сера. Минеральные остатки, образующиеся после сгорания топлива, имеют вид либо сыпучей массы (зола), либо сплавленных кусков (шлак). При высоких температурах зола размягчается, а затем плавится. Размягченная зола и шлак прилипают к стенкам обмуровки топки, уменьшая сечение газоходов откладываются на поверхностях нагрева, увеличивая тем самым термическое сопротивление в процессе теплопередачи о газов к нагреваемой среде, забивают отверстия для прохода воздуха в колосниковой решетке, обволакивают частицы топлива, затрудняя их сжигание. Различные виды топлива содержат разное количества золы. Например, в %: древесина - 1; торф - 10; кузнецкий уголь - 10-20; подмосковный бурый уголь - 30; сланцы - 60. Жидкое топливо (мазут) содержит 0,2-1% минеральных примесей.

Летучие вещества. При нагревании твердого топлива до 870-1100 К без доступа окислителя, выделяются парогазообразные вещества, которые называются летучими. Они являются продуктами распада сложных органических веществ, содержащихся в органической массе топлива. В состав летучих веществ входят: азот N2, кислород О2, водород Н2, окись углерода СО, углеводородные газы СH4, С2H4 и т.д, а также водяные пары.

Кокс. Твердый остаток, который получается после нагревания топлива (без доступа окислителя) и выхода летучих веществ. В состав кокса входят остаточный углерод и зола. При низких температурах в твердом остатке кроме золы может оказаться часть элементов (C, H, Sл, N). Тогда твердый остаток называется полукоксом. По своим механическим свойствам кокс может быть порошкообразным, слабоспекшимся и спекшимся. В зависимости от выхода летучих веществ и характеристики кокса каменные угли разделяются на 10 марок: длиннопламенный - Д, газовый - Г, газовый жирный - ГЖ, жирный - Ж, коксовый жирный = КЖ, коксовый - К, коксовый второй - К2, отощенный спекающийся - ОС, слабоспекающийся - СС, тощий - Т.

Топливо- это вещество природного или искусственного про­исхождения, путем переработки которого получают большое ко­личество энергии.

По виду высвобождаемой энергии топливо делят на ядерное и химическое. В свою очередь химическое топливо подразделяют на органическое и металлосодержащее (используется в реактив­ных двигателях). Около 80 % тепловой энергии получают при сжигании органического топлива. Поэтому в дальнейшем под топ­ливом будем понимать именно органическое топливо как основ­ной источник энергии, реализуемый человеком.

По агрегатному состоянию топливо бывает твердым, жидким и газообразным. Наиболее распространенный вид твердого топли­ва- ископаемые угли (бурые, каменные и антрациты). В сравни­тельно небольших количествах («3 %) используются торф, дрова и горючие сланцы. К жидкому топливу относятся продукты перера­ботки нефти: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут и др. Га­зообразное топливо - природный, коксовый, доменный и другие газы, состоящие главным образом из углеводородов.

Топливо, используемое в том виде, в каком оно находится в природе, является естественным; предварительно переработан­ное в результате физико-химических процессов - искусствен­ным (нефтепродукты, кокс и др.).

Любое топливо состоит из органической (горючей) части: Н, С, О, N, S и так называемого балласта: А- зола, W- вода. Теп­ло при сгорании выделяют углерод и водород. Количество выде­ляющегося тепла зависит от элементарного состава топлива. Сера дает мало тепла, при ее сгорании образуются кислотные оксиды SО 2 и SO 3 , поэтому в любом виде топлива сера является нежела­тельной примесью. Кислород и азот тепла не выделяют. Значит, S, О и N- внутренний балласт топлива.

Практически в каждом топливе, кроме основных пяти эле­ментов, в небольшом количестве могут содержаться и другие, которые не входят в состав соединений, образующих органи­ческую часть топлива - это минеральные примеси (при сгора­нии образуют золу А) и воду. Значит: зола и вода - внешний балласт.

Балластом газообразного топлива являются негорючие газы: кислород, азот, пары воды (Н 2 О), углекислый газ (СО 2).

Важнейшей характеристикой любого топлива является теплота сгорания. Количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы массы (кг) жидкого и твердого топлива или единицы объема (м 3) газообразного топлива называется тепло­той сгорания (Q). Количество тепла измеряет в джоулях, Дж (устаревшее - калория, кал). Соотношение между ними: 1 кал = 4,1867 Дж; 1 ккал = 4,1867 кДж.

Каждый вид топлива имеет разные состав, физические и хи­мические свойства, а следовательно, и различную теплоту сгора­ния. Для удобства сравнения отдельных видов топлива, составле­ния заявок, подсчета запасов, замены одного топлива другим ус­тановлен эталон.,

В качестве эталона принято условное топливо, теплота сгорания которого для твердого и жидкого принята равной 29 307 кДж/кг, а для газообразного - 29 307 кДж/ м 3 .

Перерасчет количества какого-то топлива (Р х) на условное (Р у) производится по формуле:

где Q x - теплота сгорания данного вида топлива, кДж/кг.

Ценность топлива для народного хозяйства, кроме теплоты сгорания, определяется такими характеристиками, как:

Жаропроизводительность - максимальная температура горе­ния, развиваемая при полном сгорании топлива в условиях, когда выделяемое тепло полностью расходуется на нагрев образующих­ся продуктов сгорания. Жаропроизводительность топлива опре­деляет эффективность его применения в высокотемпературных процессах;

Выход летучих веществ и обуглероженного остатка (кокса) при нагревании твердого топлива, определяющий легкость его за­жигания, а также целесообразность использования в технологи­ческих процессах;

Удобство сжигания топлива и расход энергии, связанный с подготовкой топлива к использованию;

Степень сложности разведки и трудности добычи топлива, оп­ределяющие объем капиталовложений в топливную промышлен­ность и себестоимость горючего; удаленность месторождений топлива от районов его потребле­ния, обусловливающая объем капиталовложений в средства тран­спорта и в стоимость перевозки горючего;

Удаленность месторождений топлива от районов его потребления, обуславливающая объем капиталовложений в средства транспорта и в стоимость перевозки горючего.

Топливо применяют для получения тепловой энергии. Кроме того, топливо является универсальным сырьем хими­ческой промышленности, так как ископаемые топлива содер­жат огромное количество разнообразных веществ, при ис­пользовании которых можно получить гораздо больший эко­номический эффект, чем при сжигании их в топках котлов и паровозов.

Указывая на нецелесообразность сжигания нефти, Д.И.Мен­делеев говорил, что топить нефтью, значит топить ассигнациями. Топливо- это хлеб промышленности. С развитием промышлен­ности, транспорта и механизированного сельского хозяйства пот­ребность в топливе стремительно возрастает.

Отечественная энергетика развивается за счет строительства электростанций на органи­ческом и ядерном топливе.

Органическим топливом называют горю­чие вещества, способные активно вступать в реакцию с кислородом и обладающие зна­чительным удельным тепловыделением (на единицу массы или объема).

К энергетическим видам топлив относятся такие, которые экономически целесообразно использовать для получения больших коли-, честв теплоты. Запасы их должны быть огром­ны и относительно легко доступны для массо­вого использования. Кроме того, они не долж­ны являться ценным сырьем для других отраслей промышленности. В качестве энерге­тических топлив электростанций наибольшее, значение имеют: твердое - каменные и бурые, угли и отходы их переработки, антрацит и по­луантрацит; жидкое - мазут; газовое - при­родный газ. В меньшей мере используются торф и горючие сланцы, стабилизированная нефть и горючие газы промышленности (до­менный, коксовый), хотя в отдельных районах страны они составляют заметную часть топ­ливного баланса.

В последнее время все возрастающее зна­чение для получения энергии и прежде всего электрической приобретает широкое строи­тельство АЭС, использующих энергию распада радиоактивных ядер атомов тяжелых метал­лов урана (235U) и плутония (239Ри). Самая богатая урановая руда - уранинит - содер­жит 65-90% двуокиси урана UO2, в составе которой радиоактивного 236U содержится всего >0,72%, а остальное составляет обычный 238U. Для повышения содержания 235U в исходном ядерном топливе его подвергают обогащению на газодиффузионных заводах до 1,5-3,5% 235U, после чего загружают в ядерные реакто­ры. При делении 1 кг 235U выделяется около 85 млн. МДж теплоты, что эквивалентно сжи­ганию 3500 т каменного угля с теплотой сго­рания 24,5 МДж/кг.

Из общего потребления органического топ­лива в стране около 40% приходится на долю энергетики. В топливном балансе тепловых электростанций преимущество имеют угли, мазут и природный газ. Доля сжигаемого угля на ТЭС возрастает за счет использования угольных месторождений Сибири и Северного Казахстана. Примерно на таком же уровне находится использование мазута и природного газа. На остальные виды твердого топлива - торф, сланцы приходится всего 6-7% общего расхода топлива электростанциями. Ускорен­ное развитие получит добыча углей в новых месторождениях более дешевым способом - открытым.

Все ископаемые - твердые топлива и нефть по­лучились в процессе длительного преобразования ис­ходной растительной массы и отмерших животных ор­ганизмов под слоем земли или воды, причем этот про­цесс протекал с различной скоростью в направлении постепенного обуглероживания (углефикации) топли­ва, т. е. повышения в нем содержания углерода и уменьшения количества кислорода и водорода (рис. 2.1).

Степень обуглероживания, характеризующая глуби­ну химических превращений в топливе (так называе­мый химический возраст топлива), не определяется прямо его геологическим возрастом, т. е. длительно­стью во времени процесса углеобразования.

Сырая нефть является смесью органических соеди­нений и включает в себя небольшое количество жидких сернистых и азотных соединений, парафинов и смол. После извлечения легких фракций и масел (бензина, лигроина, керосина, газойля, солярового масла) оста­ются сильновязкие тяжелые фракции - мазут, который и используется как энергетическое жидкое топливо. При этом минеральные примеси, входящие в нефть, концентрируются в мазуте.

Природные газы образуются одновременно с нефтью либо получаются в результате синтеза в при­сутствии воды и карбидов металлов на больших глуби­нах под воздействием высокого давления и темпера­туры. Во многих случаях выход газов сопутствует до­быче нефти. Это так называемые попутные газы, кото­рые также возможно использовать в качестве энергети­ческого топлива.

Использование газообразных и жидких топлив по сравнению с углем не только повы­шает общую культуру эксплуатации электро­станций. но и приводит к ощутимому сниже­нию стоимости основного оборудования, росту к. п. д. установок. Так, при сооружении элек­тростанций, сжигающих газ и мазут, удельные капиталовложения по сравнению с электро­станцией равной мощности на угле снижают­ся на 20-24%, а экономичность газомазутных станций по отпуску электроэнергии на 4% выше, чем работающих на угле.

Однако разведанные запасы природных га­зов и нефти ограничены и составляют около 6% всех мировых запасов органических топ­лив. Кроме того, природные газы и нефть являются ценнейшим сырьем для народного хозяйства. Запасы же угля превышают 71% мировых разведанных ресурсов топлива и являются основным органическим топливом.

Органическая часть твердых и жидких топ­лив состоит из большого количества сложных химических соединений, в состав которых в основном входят пять химических элемен­тов: углерод С, водород Н, кислород О, сера S и азот N. Кроме того, топливо содержит минеральные примеси А, попавшие в исход­ную залежь в основном извне, и влагу W. Поэтому химический состав твердых и жид­ких топлив определяют не по количеству со­единений, а по суммарной массе химических элементов в топливе в процентах от 1 кг, т. е. устанавливают элементарный состав топлива.

Различают следующие пять основных эле­ментарных масс топлива :

Рабочая масса топлива

Аналитическая масса топлива

Cc + Hc + Oc + Nc + S<>-Mc== 100%; (2.3) условная горючая масса топлива

Сг + Нг+Ог + Ыг+5гл= 100%; (2.4) і" Органическая масса топлива

C°-j-H0-f00-f №-f S0-100%. (2.5)

Рабочей считается масса топлива в том виде, в каком она поступает на ТЭС. Расчет расхода топлива и полученных объемов про­дуктов сгорания производится по составу ра­бочей массы. Рабочее топливо, измельченное до порошкообразного состояния и доведенное в лабораторных условиях до воздушно-сухого состояния, теряет внешнюю влагу, и масса его называется аналитической. Оставшуюся влагу W& топлива, связанную с его исходным веще­ством, называют чаще гигроскопической, т. е. Wa=Wril.

Если топливо нагреть до 102-105°С, то испарится вся влага и тогда получится сухая масса топлива. В горючую массу топлива вхо­дят химические элементы исходного органиче­ского вещества; кроме того, сюда причисляют серу минеральных горючих соединений (на­пример, серного колчедана FeS2), поэтому она называется условной горючей массой.

В уравнениях (2.1) - (2.4) через Бд обо­значена летучая сера, представляющая собой сумму колчеданной и органической серы, спо­собной к окислению в топке: Sj4=SK+S°.

Органическая масса отличается от горючей только отсутствием колчеданной серы. Кроме указанных двух видов серы, существует еще сульфатная сера Sc, которая входит в состав высших окислов (например, CaS04) и даль­нейшему окислению не подвергается. Схема элементарного состава различных масс твер­дого топлива приведена на рис. 2.2. В составе топлива различают внешний балласт, состоя­щий из влаги и минеральной части, и внут-

Ренний балласт, входящий в исходное орга­ническое вещество топлива. К нему относятся кислород и азот.

Г орючими элементами топлива являются углерод, водород и сера. Углерод является основным горючим элементом топлива. Он имеет высокую теплоту сгорания (34,1 МДж/кг) и составляет большую часть рабочей массы топлива (50-75% в твердых топливах и 83 - 85% в мазутах). Водород имеет высокую теп­лоту сгорания (120,5 МДж/кг), но его коли­чество в твердых топливах невелико (№- =2-^-4%) и несколько больше в жидких (10- 11%). Сера имеет невысокую теплоту сгора­ния (9,3 МДж/кг) и содержится в топливах в малых количествах (Sp=0,3-^4%), поэтому не представляет ценности как горючий эле­мент. Наличие окислов серы в продуктах сго­рания увеличивает опасность коррозии метал­ла поверхностей нагрева и при определенных концентрациях опасно для организмов и ра­стительности, что требует принятия мер для их улавливания. В зависимости от содержания серы различают малосернистый (Sp<0,5%), сернистый (Sp=0,5-5-2%) и высокосернистый (Sp>2%) мазуты.

В отличие от твердого и жидкого топлива газовое топливо представляет собой механи­ческую смесь горючих и негорючих газов. Природные газы преимущественно (до 90 - 96%) содержат метан СН4, в небольшом ко­личестве тяжелые углеводороды (этан СгНб, пропан СзНв, бутан С4Н10 и др.), которые ча­сто записываются в виде общей формулы CmH„ (1-6%). Кроме того, природный газ содержит негорючие компоненты: немного азо­та N2 (1-4%) и двуокись углерода С02 (0,1-0,2%).

Топливо — горючие вещества, используемые для получения тепла. В широком смысле, под топливом понимают, один из видов потенциальной энергии (энергоноситель).

Различают : естественное топливо (непосредственно существующее в природе) — древесина, уголь, торф , природный газ , и искусственное (являющееся продуктом переработки естественного топлива) — древесный уголь , мазут, искусственные газы . В зависимости от величины теплоты сгорания различают: высокосортное топливо (с высокой теплотой сгорания) и низкосортное топливо .

Основной показатель топлива — его теплотворная способность. Для сравнения различных видов топлива существует понятие условного топлива. Теплота сгорания одного килограмма условного топлива (у.т.) равна 29,3 МДж или 7000 ккал, что приблизительно соответствует каменному углю.

Основные виды топлива: твердое, жидкое и газообразное топливо. В зависимости от вида используемого топлива различают: газовые котлы, жидкотопливные котлы, твердотопливные котлы, электрические котлы и комбинированные котлы.

Твердое топливо — древесина, древесная щепа, древесные пеллеты, торф, бурый и каменный уголь, горючие сланцы, сапропель, битуминозные пески. Из твердых видов топлив в отопительных котельных в основном сжигают ископаемые угли — бурые, каменные и антрациты.

Бурый уголь — твердый ископаемый уголь, образовавшийся из торфа; содержит 65-70% углерода, имеет бурый цвет. Относится к группе углей с большим содержанием золы и влаги, поэтому имеет низкую теплоту сгорания — 1800-3250 ккал/кг. К недостаткам данного топлива относится также большое содержание серы, что приводит к усиленной коррозии стальных частей в котельных установках, а также способность к самовозгоранию при длительном хранении в штабелях. Бурый уголь целесообразно сжигать в топках крупных котлов.

Каменный уголь — твердое горючее полезное ископаемое растительного происхождения, черного цвета с блестящей, матовой или полуматовой поверхностью; при сгорании пламя тем больше, чем выше содержание водорода . Ряд органических соединений, входящих в состав каменного угля, обладают канцерогенными свойствами.

Антрацит — старейший из всех групп ископаемых углей. Он сгорает без пламени с выделением небольшого количества дыма, удобен для сжигания в топках любых котлов.

Жидкое топливо — нефть и продукты ее переработки (мазут, керосин, дизельное топливо); масла (сланцевое масло, отработавшее машинное масло, растительные или животные масла). Из жидких топливв отопительных котельных самым распространенным является мазут (остаточный продукт переработки нефти с плотностью 0,96-0,98 т/м³). Его хранят в подземных стальных или железобетонных резервуарах, установленных вне котельных. Емкость резервуаров рассчитывают на потребность не менее 15 сут. работы котельной.

Газообразное топливо — природные и искусственные газы. Газообразное топливо — смесь горючих и негорючих газов. В естественном газе в основном содержатся метан, этан и тяжелые углеводороды, а также негорючие газы — углекислый газ и азот . В среднем природные газы состоят из 96% метана, 2% этана, 0,5% тяжелых углеводородов и 1,5% углекислого газа и азота.

По сравнению с твердым топливом газообразное имеет ряд преимуществ: простота и меньшая трудоемкость обслуживания котлов; лучшее перемешивание горючего с воздухом, в результате чего возможно горение с наименьшим избытком воздуха и, следовательно, меньшими потерями тепла с отходящими газами.

Однако при сжигании газа следует учитывать особенности этого процесса, а также взрывоопасность и ядовитость газа. Природный газ при содержании его в воздухе от 3,8 до 17,8% (по объему) образует смесь, которая при наличии огня или искры взрывается. Утечки газа опасны, так он ядовит.