Виды энергетического топлива, его происхождение и свойства. Происхождение топлива и его классификация

Лекция 1 Виды энергетического топлива, его происхождение и свойства Происхождение топлива и его классификация Энергетическим топливом называют горючие вещества, которые экономически выгодно использовать для получения в промышленных целях больших количеств тепла. Основные разновидности природного топлива – древесина, торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит, сланец, нефть, природный горючий газ. Особенности различных природных топлив тесным образом связаны с их происхождением и геологическим возрастом. Считается, что вся гамма твердых природных топлив от торфа до антрацита представляет собой различные стадии геологического старения первичных углеобразователей, среди которых основными являются растительные организмы, начиная от древесных пород и кончая мхами и планктонными образованиями. Химический состав первичных углеобразователей характеризуется сочетанием следующих четырех групп химических соединений: 1) углеводов, к которым относится, в частности, один из основных компонентов древесины целлюлоза; 2) лигнина межклеточного вещества высших растений; 3) липоидов в число которых входят: смолы смеси высокомолекулярных органических кислот, воски сложные эфиры таких кислот и одноатомных спиртов, жиры сложные эфиры глицерина (трехатомного спирта) и органических кислот; 4) белков (протеинов), молекулы которых состоят из звеньев аминокислот, содержащих аминогруппы (-NH2) и карбоксильные группы (-СООН). С точки зрения склонности к естественному распаду различные составляющие растительных организмов можно разбить на 2 группы. 1. Целлюлозы, гемицеллюлозы, белки и другие составляющие легко поддаются разложению и, как правило, удаляются из места скопления растительных остатков. 2. Лигнин, воски, смолы, углеводороды и другие вещества трудно поддаются или вообще не поддаются разложению в течение нескольких геологических периодов. В процессе геологического старения составляющие первой группы превращаются в газообразные и легко растворимые вещества и практически не участвуют в углеобразовании. Вещества второй группы, наоборот, со временем частично полимеризуются, уплотняются, превращаются еще в более устойчивые соединения. Именно они и определяют состав ископаемых топлив. Накопление органических остатков проходило в тех местах земной поверхности, где эти остатки были защищены от полного окисления кислородом воздуха: на заболоченных участках суши и на дне морей и океанов, преимущественно в мелководных прибрежных зонах, особенно богатых микроорганизмами. В условиях заболоченной суши накапливались в основном остатки высших растений (деревьев, кустарников, трав) и мхов. Особенностью их химического состава является высокое содержание углеводов и лигнина при малом содержании липоидов и белков. Такой исходный органический материал послужил источником образования ряда горючих ископаемых, получивших название гумолитов (гумус по-латыни перегной). На дне прибрежных зон морей и океанов накапливались преимущественно остатки микроводорослей и бактерий, богатые липоидами и белками, но содержащие мало углеводов и почти не содержащие лигнина. Эта специфика исходного химического состава, а также особенности условий первичных преобразований (практически полностью исключен доступ воздуха) привели к формированию специфической группы горючих ископаемых, называемых сапропелитами (сапропель по латыни - гниющий ил). Стадии углефикации гумолитов. Растительные остатки, накапливающиеся в болотах, подвергались воздействию микроорганизмов при весьма ограниченном доступе воздуха. В результате формировался торф, в котором по мере увеличения степени разложения росло содержание бесструктурной массы гуминовых кислот высокомолекулярных веществ, в молекулах которых присутствуют карбоксильные группы. Одновременно уменьшалось содержание структурных элементов, имеющих форму исходных растений. Описанный этап преобразований (метаморфизма) растительных остатков носит название торфяной стадии. Подобные процессы можно наблюдать и в наши дни. Дальнейшие преобразования проходили в иных условиях и под действием других факторов после попадания торфяника в толщу земной коры в результате происходивших в ней сдвигов. В новых условиях органический материал испытывал воздействие высоких давлений, достигавших сотен мегапаскалей, и повышенных температур (180 - 250°С). Преобразования, вызванные действием этих факторов, называют углефикацией. Гумолиты, имеющие невысокую степень углефикации, называют бурыми углями. На этой стадии в них сохраняется некоторая часть гуминовых кислот. Если поместить измельченный бурый уголь в раствор щелочи, из гуминовых кислот образуются растворимые соли гуматы, окрашивающие раствор в бурый цвет. Отсюда и происходит название бурых углей, которые сами по себе нередко имеют не бурый, а черный цвет. Более высокая степень углефикации гумолитов, как предполагают, достигалась в тех участках земной коры, где имели место более высокие температуры (250 - 350°С). В этих условиях разрушались наименее стойкие элементы молекулярной структуры угля, в том числе карбоксильные группы. Поэтому гуминовые кислоты превращались в нейтральные гумины. Полное отсутствие в угле гуминовых кислот служит генетическим признаком для отнесения такого угля уже не к бурым, а к каменным углям. Преобразования органического вещества углей на этом не заканчивались. Встречающиеся в земной коре каменные угли могут иметь существенно различную степень углефикации. Гумолиты наивысшей степени углефикации называют антрацитами; их выделяют по химическому составу и свойствам, а также по внешним признакам: высоким твердости, хрупкости, светоотражательной способности (блеску). Метафоризм сапропелитов. Преобразования сапропелитов на начальном этапе также происходили под действием биохимических факторов, но в условиях полного отсутствия свободного кислорода. При этом главную роль играли анаэробные бактерии, способные "отбирать" связанный кислород у остатков отмерших микроорганизмов. Специфический исходный химический состав этих остатков вместе с усиленной потерей ими кислорода способствовали преимущественному превращению органического материала в смесь предельных и непредельных углеводородов. Последующие преобразования, как и в случае гумолитов, протекали в толще земной коры. В относительно мягких условиях по-видимому, преобладали процессы полимеризации непредельных углеводородов и отверждения органического материала. Так сформировались специфические угли богхеды (на нашей территории они встречаются редко и электростанциями не используются), а также горючие сланцы. Последние отличаются не только особенностями химического состава органической части, но и высоким (50% и более) содержанием минеральных веществ. Более глубокие химические преобразования сапропеля в глубине земной коры при повышенных температурах и каталитическом действии горных пород привели к формированию смеси жидких и газообразных органических веществ - преимущественно углеводородов. Жидкая масса - нефть и смесь газов природный горючий газ перемещались в пористых пластах, накапливаясь в участках земной коры, ограниченных непроницаемыми породами. Именно в таких геологических структурах и обнаруживаются сейчас нефтяные и газовые месторождения. Состав топлива Твердые и жидкие топлива представляют собой сложные соединения горючих элементов, молекулярное строение которых еще до конца не изучено, и включают в себя минеральные примеси и влагу. Элементарный химический анализ этих топлив не раскрывает химической природы входящих в них соединений поэтому не может дать достаточно полного представления об их свойствах, но позволяет рассчитать материальный тепловой баланс горении топлива. Химический состав газообразных топлив, представляющих собой простые смеси, определяют полным газовым анализом и выражают в процентах от их объема. 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, сера S, азот N, кислород O. Топливо также содержит влагу W и минеральные примеси A. Все виды топлива включают - горючую часть – при сжигании которой выделяется тепло и - негорючую часть или балласт, который в свою очередь делят на внутренний и внешний. Основной горючей составляющей топлива является углерод. Теплота сгорания углерода 34,4 МДж/кг. Водород является вторым по значению элементом горючей массы топлива, его содержание в горючей массе твердых и жидких топлив колеблется от 2 до 10 %. Много водорода содержится в природном газе, мазуте и горючих сланцах, меньше всего – в антраците. Теплота сгорания водорода 121 МДж/кг. Сера может содержаться в топливе в трех видах: органическая Sорг – сера, входящая в состав сложных органических молекул, колчеданная Sк – сера, входящая в состав железного колчедана FeS2, сульфатная Sс – серф, входящая в состав сульфатов минеральной части топлива, например CaSO4 и FeSO4. Органическая и колчеданная серы входят в горючую часть топлива и участвуют в процессе горения с выделением тепла и образованием оксидов серы. Сульфатная сера входит в состав минеральной части топлива, в процессе горения не участвует и переходит в золу. Содержание серы в твердых топливах обычно не велико. В нефти сера входит в состав неорганических соединений, в природных газах она практически отсутствует. Из-за низкой теплоты сгорания 9,3 МДж/кг присутствие серы снижает теплоту сгорания топлива. Негорючая часть топлива или балласт состоит из внутреннего балласта, состав которого определяется содержанием кислорода и водорода, находящиеся в связанном состоянии с горючими элементами топлива, и внешнего, состав которого определяется содержанием влаги и минеральных примесей. Внешний балласт не связан с горючими элементами топлива. Наличие внешнего балласта снижает содержание горючих элементов, теплоту сгорания топлива и повышает расход топлива. Рис.1. Составные части твердого топлива Виды исходной массы топлива Указывая состав твердого и жидкого топлива, можно принимать за 100% различные комбинации их составных частей. Эти комбинации называют расчетными массами топлива. Таким указанием служат верхние индексы у букв, обозначающих компоненты топлива. В ряде последних стандартов вместо термина "масса" применен термин "состояние". Следует иметь в виду, что выражения типа "массовая доля влаги топлива в рабочем состоянии" и "влажность в процентах от рабочей массы топлива" равноценны. Ниже приводятся применяемые расчетные массы топлива Рабочая масса отражает состав топлива, поступающего на электростанцию, подаваемого в систему пылеприготовления или направляемого в топку на сжигание. Показатели, выраженные в процентах этой массы, снабжаются индексом r (от английского слова raw сырьевой, исходный): Сr +Hr + Sr + Or + Nr + Ar + Wr = 100 % (1.1) Аналитическая масса (обозначается индексом а) топливо в таком состоянии, в каком оно подвергается различным анализам. От рабочей массы аналитическая масса отличается меньшей влажностью (Wа < Wr): Сa +Ha + Sa + Oa + Na + Aa + Wa = 100 % (1.2) Сухая масса совокупность всех составных частей топлива, кроме влаги, обозначается индексом d (от английского слова dry): Сd +Hd + Sd + Od + Nd + Ad = 100 % (1.3) Сухая беззольная масса (ее раньше называли горючей массой) - совокупность составных частей топлива за вычетом влаги и золы, обозначается индексом daf (от английского выражения dry, ash free): Сdaf +Hdaf + Sdaf + Odaf + Ndaf = 100 % (1.4) Органическая масса - масса топлива за вычетом минеральных веществ и влаги. Пересчеты состава топлива с одной массы на другую. Такие пересчеты проводятся путем умножения исходных значений на пересчетные коэффициенты, которые приводятся во многих справочных пособиях для теплоэнергетиков. Однако удобнее и надежнее (уменьшается вероятность ошибки) выводить формулы требуемых коэффициентов самостоятельно на основе уравнений (1.1) и (1.4). Покажем в качестве примера, как найти коэффициент пересчета состава топлива с аналитической массы на рабочую. Для этого в уравнениях (1) и (2) перенесем в правую часть несовпадающие члены и поделим первое из этих уравнений на второе: (1.5) В левой части (1.5) одноименные члены числителя и знаменателя пропорциональны друг другу и отличаются одним и тем же постоянным множителем. Поэтому отношение сумм в левой части равно отношению отдельно взятых слагаемых: К = (100 - Wr)/(100 - Wa), откуда Xr = KXa Отсюда несложно перейти к расчету содержания любого компонента в рабочей массе, например, Аr, при известном его содержании в аналитической массе Аa: (1.6) Элементарный состав газового топлива Объемный состав газового топлива выражается обычно на сухой объем: Массу 1 м3 сухого газового топлива вместе с влагой и минеральными примесями определяют по выражению: , где G – масса 1 м3 газового топлива, кг;  - плотность сухого газового топлива без минеральных примесей (пыли), кг/м3; a – содержание минеральных примесей в газовом топливе, г/м3; d – влагосодержание газового топлива, г/м3. Элементный состав газового топлива можно пересчитать на условное твердое топливо или жидкое топливо в % от массы по следующим формулам: