CC BY
63УДК 62
А.П. Кретов
ОРГАНИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО В СОВРЕМЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ
В работе проведён обзор органического топлива, используемого в современной теплоэнергетике.
Ключевые слова: теплоснабжение, энергоэффективность, топливо, органическое топливо.
В промышленной энергетике и коммунально-бытовом секторе для получения тепла используется, как правило, химическая энергия, содержащаяся в органической массе ископаемого топлива. Исключением являются электронагревательные приборы, солнечные коллекторы и геотермальные установки, использующие электроэнергию, энергию солнца и тепло земных недр. В настоящее время около 90% всей энергии, потребляемой нашей цивилизацией, обеспечивается процессами сжигания различных видов органического топлива.
В структуре мирового снабжения первичными ТЭР доля нефтяного топлива снижается при одновременном увеличении доли природного газа.
Определенные изменения наблюдались и в региональной структуре мирового топливно-энергетического баланса. Главные из них состояли в снижении доли промышленно развитых стран-членов Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), стран Центральной и Восточной Европы, а также стран СНГ в суммарном мировом потреблении первичных ТЭР при одновременном увеличении доли Китая, других стран Азии, а также Латинской Америки и Африки.
Более 25 лет назад из-за нефтяного кризиса многие страны приняли меры по рационализации структуры энергопотребления в сторону снижения в ней доли нефти. Несмотря на это, добыча ее из года в год увеличивается. Региональная структура мировой добычи нефти, %: Страны-члены ОЭСР - 29,3; Ближний Восток - 30,0; Африка - 10,6; Страны СНГ - 10,4; Латинская Америка - 9,7; Азия (без Китая) - 5,2; Китай - 4,6; Центральная и Восточная Европа - 0,2.
Добыча природного газа в мире по сравнению с нефтью увеличивалась более быстрыми темпами. Например, за период с 1976 по 1996 г. она возросла почти вдвое, при этом более 25% всего прироста добычи приходится на Россию. Другими крупнейшими производителями природного газа являются США (23,5%), Канада (7,1%), Нидерланды (4,1%), Великобритания (3,9%), Индонезия (3,3%), Алжир (2,6%), Узбекистан (2,1%), Саудовская Аравия (1,9%) и Норвегия (1,8%). Перечисленные выше страны в общей сложности добывают свыше 75% всего газа.
На долю России приходится почти 40% мирового экспорта природного газа из них в свою очередь почти 40% в страны СНГ. Другими
крупнейшими экспортерами газа являются: Канада (48,7% от национальной добычи) Нидерланды (50%), Алжир (62,6%), Индонезия (48,1%), Норвегия (89,8%).
Несколько более низкими темпами, чем добыча природного газа, но более высокими темпами по сравнению с нефтью увеличивается мировая добыча каменного угля. При этом более трети мировой добычи приходится на Китай. Россия по добыче каменного угля занимает четвертое место в мире, уступая кроме Китая также США и Индии. Анализ статистических данных позволяет сделать несколько выводов. Основные из них:
- добыча каменного угля имеет тенденцию к росту;
- темпы развития мировой торговли каменным углем почти в 3 раза опережают темпы роста его добычи;
- крупнейшими экспортерами каменного угля в течение последних лет остаются Австралия, США и ЮАР, крупнейшими импортерами - Япония, Германия, Великобритания и Россия.
В настоящее время считается, что ресурсное обеспечение развития мирового энергетического хозяйства в ближайшие десятилетия не вызовет какой-либо озабоченности. Постепенное истощение наиболее экономически эффективных месторождений нефти и природного газа будет в перспективе в определенной мере компенсироваться благодаря научно-техническому прогрессу в соответствующих топливодобывающих отраслях, который призван обеспечить повышение нефте- и газоотдачи пластов, создать
© Кретов А.П., 2021.
Научный руководитель: Иринин Алексей Анатольевич - преподаватель, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия.
предпосылки для экономически обоснован-ной разработки более трудных для освоения месторождений и для широкого вовлечения в мировой энергетический баланс так называемых "нетрадиционных" видов углеводородов.
К категории "нетрадиционных" углеводородных энергетических ресурсов относятся залежи нефти и газа на очень больших глубинах на суше, месторождения газа с аномально высоким давлением, морские нефтегазовые месторождения с толщей воды над ними 300 м и более и т.д. Иными словами, это месторождения, на которых современные техника и технология, а также экономические показатели не позволяют вести не только разработку, но и разведку.
В традиционной энергетике применяются 2 типа топлива - органическое и ядерное. Несмотря на то что со второй половины XX в. ядерная энергетика развивается очень активно, доля органического горючего в общей структуре преобладает. В настоящее время это основной источник для производства тепловой и электрической энергии. Всего человеком применяется около двухсот его видов, каждому из которых присущи свои характеристики и показатели.
Существует несколько классификаций органического топлива: По происхождению: естественное (природное); искусственное (получаемое при переработке природного). По области использования: энергетическое (для выработки электроэнергии и теплоты); технологическое (для производства различных промышленных продуктов). По физическому состоянию вещества (в скобках указаны наиболее распространенные): жидкое (мазут); твердое (ископаемые угли); газообразное (природный газ). По «сроку жизни»: возобновляемое (древесина, растения); условно возобновляемое, у которого период накопления в земной коре составляет несколько тысяч лет (торф); не возобновляемое (каменный уголь, сланцы, нефть, газ). У невозобновляемых источников горючего период накопления во много раз превосходит предполагаемый срок потребления.
Природные виды органического топлива подразделяют на следующие группы: Ископаемые (извлекаемые из недр): каменный и бурый уголь; природный газ; торф; антрацит; нефть; горючие сланцы и другие. Искусственные: бензин; керосин; сланцевое масло; топливные брикеты; древесный уголь; гидролизный лигнин; отходы пищевой, сельскохозяйственной и целлюлозно-бумажной промышленности; мазут; газовое топливо, получаемое в виде побочного продукта при переработке горючих сланцев, выплавке чугуна, пиролизе и других технологических процессах; отходы деревоперерабатывающих производств (сухие опилки, стружка, кусковые отходы).
Из сельскохозяйственных отходов чаще всего применяются следующие: лузга семян подсолнечника; шелуха гречки; лузга рисовая; солома. Так как объем этих источников невелик, то они чаще всего используются в качестве топлива для местных котельных.
Согласно научным представлениям, все виды органического топлива образовались из растительных остатков и микроорганизмов, которые существовали от 500 тыс. до 500 млн лет назад. Их накопление происходило в тех участках земной коры, которые были защищены от активного окисления (мелководные прибрежные зоны водоемов, болота, дно морей). Химический состав этих остатков включает 4 основных элемента:
углеводы; лигнин (межклеточное вещество высших растений); жироподобные вещества (смолы, воски, эфиры глицерина); белки. Остатки высших растений и мхов, скапливавшиеся на заболоченных участках суши, стали основой для образования гумолитов (ископаемых углей), а микроводорослей и бактерий на дне водоемов - сапропелитов. Под воздействием высокого давления и температуры происходило преобразование органического вещества (углефикация). Гумолиты с малой степенью углефикации называют бурыми углями. При более высокой температуре гуминовые кислоты превращались в нейтральные гумины. В каменном угле наблюдается полное отсутствие гуминовых кислот. В сапропелитах в мягких условиях преимущественно протекали процессы полимеризации непредельных углеводородов с образованием горючих сланцев, при перегонке дающих большое количество смолы, сходной по составу с нефтью. Метаморфозы сапропеля при высоких температурах и каталитическом участии горных пород привели к образованию смеси углеводородов в жидком и газообразном состоянии (нефть, природный, попутный газ).
Твердое органическое топливо - это капиллярно-пористые гетерогенные материалы. Их структура содержит большое количество пор и трещин. Перед сжиганием на теплоэлектростанциях сырье измельчают на дробилках до размеров 15-25 мм (слоевое сжигание в котлах) или в пылевидное состояние для снижения потерь от недожога.
Основные виды горючих органических топлив, их марки и краткая характеристика представлены в таблице ниже.
Таблица 1
Основные виды горючих органических топлив, их марки и краткая характеристика_
Вид топлива Марки и разновидности Характеристика
Бурый уголь 1Б, 2Б, 3Б (в зависимости от влаго-емкости) низкосортный вид топлива; высокая гигроскопичность и влажность; низкая механическая прочность; высокий выход летучих соединений; сниженное содержание углерода; повышенная склонность к самовозгоранию; теплота сгорания 7-20 МДж/кг.
Каменный уголь, антрациты Д, 1Г, 2Г, 1ГЖ, 2ГЖ, 1Ж, 2Ж, 1К, 2К, 1КО, 2КО, 1КС, 2КС, 1ОС, 2ОС, ТС, 1СС, 2СС, 3СС, 1Т, 2Т, 1А, 2А, 3А традиционный вид топлива; высокая теплота сгорания (до 25 МДж/кг); большое содержание углерода; низкая гигроскопичность и влажность традиционный вид топлива; высокая теплота сгорания (до 25 МДж/кг); большое содержание углерода; низкая гигроскопичность и влажность; высокая прочность; выход летучих компонентов 340%.
Торф фрезерной; кусковой местный вид топлива; высокая влажность; большой выход летучих соединений; склонность к самовозгоранию; теплота сгорания после сушки - 8 МДж/кг
Горючий сланец гумито-сапропелитовый; сапропелитовые кукерситы (классификация по происхождению). самый высокий выход летучих компонентов; высокореакционный вид топлива; средняя теплота сгорания - 4,6-9 МДж/кг; низкосортное горючее, используется для местных нужд, а также в качестве сырья для производства высокоэнергетических видов топлива (сланцевое масло, газообразное горючее).
Большое содержание влаги затрудняет воспламенение горючих материалов, уменьшает температуру в топке, повышает потери тепла. Топлива, для которых характерен большой геологический возраст, имеют в своем составе мало воды (бурый уголь, торф). Различают несколько видов влаги: сорбционная, скапливающаяся на границе твердой и газообразной фазы; капиллярная (поровая); поверхностная (обнаруживается на наружной поверхности кусков); гидратная (входит в состав кристаллогидратов). Первые 3 вида влаги можно удалить из твердого органического топлива просушиванием при температуре 105 °С, последний - только посредством химических реакций при нагреве до 700-800 °С. При транспортировке и хранении на открытом воздухе содержание воды может значительно повышаться, ухудшая качество горючего.
Во всех видах твердого топлива имеются минеральные примеси, в основном состоящие из следующих соединений: силикаты; сульфиды; углекислые соли Са, Mg и Fe; фосфаты; хлориды; сульфаты кальция и железа. В процессе горения органического топлива они подвергаются высокотемпературной трансформации, в результате которой остается твердая негорючая зола. Ее состав сильно отличается от исходных веществ из-за следующих реакций: превращение окисных солей железа в оксиды; дегидратация силикатных соединений; разложение карбонатов, выделение С02, образование оксидов; окисление сернистых соединений, выделение сернистого газа; испарение солей щелочных металлов. Конечный состав зольного остатка зависит от условий сжигания органического топлива. При высоких температурах он может расплавиться и перейти в жидкое состояние (шлак). Часть золы удаляется из топок вместе с летучими продуктами сгорания, что приводит к загрязнению, зашлаковыванию и коррозионному износу топочного оборудования.
Твердое органическое топливо при сжигании проходит несколько стадий разложения: бертиниро-вание (температура до 300 °С, выделяются углекислый и угарный газ, водород и углеводороды, пирогене-тическая вода); полукоксование (400-450 °С, выделяется основной объем горючего газа); коксование (7001100 °С, завершение процесса выхода летучих соединений). Продукты сгорания органического топлива соответственно называют бертинатами, полукоксами, коксами.
Наименьшая теплота сгорания у высокозольных сланцев, влажного торфа и бурого угля, а наибольшая - у антрацитов. Низшая теплота сгорания, при которой водяные пары выходят в атмосферу, а не конденсируются, у твердых видов топлива составляет 4,6-26 МДж/кг.
По происхождению органические топлива делятся на природные (естественные) и искусственные, получаемые различными методами.
Таблица 2
Классификация органического топлива_
Агрегатное состояние Происхождение
Естественные Искусственные
Твердое Дрова, каменные и бурые угли, антрацит, горючие сланцы, торф Кокс, полукокс, брикеты угольные и коксовые
Жидкое Нефть Мазут, дизельное и светлое моторное топливо,
Газовое Природный и попутный газы Генераторный, доменный, коксовый газы
В зависимости от характера использования органическое топливо может быть разделено на энергетическое (для получения тепловой и электрической энергии) и на промышленное (для высокотемпературных тепло-технологических установок и систем). Энергетическое и промышленное топливо определяется также термином "котельно -печное топливо".
В состав органического топлива входят различные соединения горючих и негорючих элементов. Твердое и жидкое топливо содержит такие горючие вещества, как углерод С, водород Н, летучую серу Sл, и негорючие вещества - кислород О, азот N золу Л, влагу Ж. Летучая сера состоит из органических Sор и колчеданных Sк соединений: Sл=Sор+Sк.
Органическое топливо характеризуется:
- рабочей массой СР+НР+SPл+ОP+NP+AP+WP = 100%
- сухой массой СС+Н^Сл+ОС+№ + AС = 100%
- горючей массой Сг+Н^гл+Ог+№ = 100%
- ограниченной массой Сo+Нo+So+Оo+No = 100%
Можно пересчитать состав топлива с одной массы на другую с помощью соответствующих коэффициентов (табл. 3).
Таблица 3
Пересчет состава топлива с одной массы на другую
Заданная масса Искомая масса
органическая горючая сухая рабочая
Оргзннческая 1 ioo-s; 100-(Sj + .4С] ЮО-^+^+Г")
100 100 100
Горючая 100 lOO-S^ 1 100-.-Iе 100 lOO-U'+r") 100
Сухая 100 100 1 100-(Гр
100-(5лг+Лс) 100-Лс 100
Рабочая 100 100 100 1
юо-^+л'+гг") loo-U'+n") ЮО-ГГ"
Газообразное топливо обычно приводится к сухой массе в объемных долях: СН4 +С,Н6 +С3Н8 +СтН„ +СО+СО, +Н, +...+ Н:* = 100°о
Важнейшими техническими характеристиками топлива являются теплота сгорания, жаропроизво-дительность, содержание золы и влаги, содержание вредных примесей, снижающих ценность топлива, выход летучих веществ, свойства кокса (нелетучего остатка).
Теплота сгорания (теплотворная способность) топлива - количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы (кДж/кг) или объема (кДж/м3) топлива. Теплота сгорания является характеристикой, определяющей расход топлива для работы топливоиспользующего оборудования.
Различают высшую и низшую теплотворные способности топлива. При проектировании котлов и технологических агрегатов, в которых не используется скрытая теплота конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания топлива, расчеты традиционно ведутся по низшей теплотворной способности топлива.
В тех случаях, когда имеет место использование в агрегатах скрытой теплоты конденсации водяных паров, в расчетах фигурирует высшая теплота сгорания топлива.
Низшую теплоту сгорания топлива можно определить, зная высшую теплоту сгорания:
^*=Q*-ra-GHlo, ' (и) '
где гп - скрытая теплота конденсации водяных паров при н. у., кДж/кг; - масса влаги, содержащаяся в 1 м3 газового топлива, кг/м3. О H2G
Скрытая теплота конденсации водяных паров при нормальных условиях равна гп=2510 кДж/кг.
Для жидкого и твердого топлива связь между высшей и низшей теплотой сгорания определяется соотношением
Теплоту сгорания топлива определяют экспериментально в калориметрической бомбе или в газовом калориметре. Принцип работы калориметров основан на том, что в них сжигается точно замеренная масса или объем топлива, выделяющееся тепло которого передается воде, начальная температура и масса которой известны. Зная массу воды, и замеряя повышение ее температуры, определяют количество выделенного тепла и теплоту сгорания топлива. При известном составе топлива теплота его сгорания может быть подсчитана аналитически.
Рабочая низшая теплота сгорания твердого и жидкого топлива приближенно может быть определена по формуле Д.И. Менделеева, кДж/кг
О? =338СР +1025НР — 10з(ор - )- 251Т'Р. (1.3)
При известном составе газообразного топлива теплота сгорания 1 м3 газа может быть подсчитана
по формуле:
=0.01(^,8 •Н2$ + <?со-СО + <?„2-Н2+]Гесшн. СтНЛ (1.4)
Теплота сгорания различных видов топлива колеблется в очень широких пределах. Для сравнения разных видов топлива при определении норм расхода, запасов, экономии топлива введено понятие об условном топливе. Условным топливом называют топливо, низшая теплота сгорания которого равна Оу.т = 29310 кДж/кг (7000 ккал/кг).
Для пересчета расхода какого-либо вида натурального топлива в условное и обратно пользуются тепловым эквивалентом, представляющим собой отношение низшей теплоты сгорания рабочей массы натурального топлива к теплоте сгорания условного топлива
Ol D ^ —в„ • э.
Qyr
(1.5)1
Таблица 4
Теплофизические свойства газов, входящих в состав газообразного топлива
Наименование газа Обозначение Плотность р, кг/м3 Теплота сгорания низшая , МДж/м3 р н Q
Метан CH4 0,717 35,88
Этан C2H6 1,355 64,36
Пропан C3H8 2,009 93,18
Бутан C4H10 2,697 123,15
Пентан C5H12 3,454 156,63
Гексан C6H14 3,848 173,17
Гептан C7H16 4,474 200,55
Этилен C2H4 1,251 59,06
Пропилен C3H6 1,877 86,00
Бутилен C4H8 2,503 113,51
Бензол C6H6 3,485 140,38
Азот N2 1,250 -
Водород H2 0,090 10,79
Диоксид углерода CO2 1,977 -
Оксид углерода CO 1,250 12,64
Кислород O2 1,428 -
Сероводород H2S 1,536 23,37
Жаропроизводительностью топлива называется температура горения с минимальным (стехиомет-рическим) количеством окислителя и без подогрева топлива и воздуха. Жаропроизводительность топлива позволяет оценить эффективность его использования в высокотемпературном процессе.
Зола топлива представляет собой твердый негорючий остаток, получающийся после сгорания горючей части топлива; причем зола, прошедшая стадию расплавления, называется шлаком. Зола существенно ухудшает качество топлива и вызывает значительные трудности в процессе сжигания (износ и шлакование поверхностей нагрева).
При сравнительных расчетах пользуются приведенной зольностью ^ = --н
Влага W топлива отрицательно влияет на его качество, так как снижает теплоту сгорания, ухудшает процесс воспламенения топлива, приводит к увеличению объема дымовых газов, а следовательно, потерь
,-г гг" = И'р / ор
с уходящими газами. Приведенная влажность топлива '
Сера S - весьма нежелательный элемент топлива. При ее сгорании образуются SO2 и SO3, которые вызывают коррозию элементов энергетических установок и оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду.
При нагревании топлива происходит выделение газообразных продуктов разложения, которое называется выходом летучих веществ V- и определяется в процентах от горючей массы топлива. Чем больше выход летучих веществ, тем ниже температура воспламенения топлива и больше объем пламени. По содержанию летучих веществ топливо подразделяют на пламенное и тощее.
Свойства кокса оказывают значительное влияние на процесс горения топлива и определяют области его использования.
Кроме того, характеристиками топлива являются: удобство сжигания топлива и расход энергии, связанный с подготовкой топлива к использованию; степень сложности разведки и трудности добычи топлива, определяющая объем капиталовложений и себестоимость топлива; удаленность месторождений топлива от районов его потребления.
Наиболее распространенными видами твердого топлива являются бурые и каменные угли, антрациты, горючие сланцы, древесина и торф.
Бурые угли не спекаются, отличаются большим выходом летучих веществ (Уг = 40-60%), высокими зольностью (Лр = 15-30%) и влажностью (Жр = 30-40%). Теплота сгорания Q p н =23 - 27 МДж/кг.
Каменные угли по составу и свойствам разнообразны. Они обладают сравнительно невысокими зольностью (Лр =5 - 25%) и влажностью (Жр = 5-10%) при широком диапазоне выхода летучих веществ (Уг = 10-40%). Основная масса каменных углей спекается. Теплота сгорания Q p H = 23 - 27 МДж/кг. Каменные угли классифицируются по выходу летучих веществ и характеру коксового остатка (длиннопла-менный - Д, газовый - Г, жирный - Ж, коксовый - К, спекающийся - С, тощий - Т) и по крупности кусков (крупный - К, орех - О, мелкий - М, семечко - С, штыб - Ш, рядовой - Р).
Антрациты отличаются от других твердых топлив плотной структурой, высоким содержанием углерода (Сг = 93-96%), малым выходом летучих веществ (Уг = 3-5%), малой зольностью (Лр =13 - 17%) и влажностью (Жр = 5-7%), высокой теплотой сгорания Q p н = 35 - 30 МДж/кг/
Горючие сланцы характеризуются большой зольностью (Лр =50-60%) и высоким выходом летучих веществ (Уг = 80-90%); влажность их невелика (Жр = 15-20%), они имеют самую низкую для твердых топлив теплоту сгорания Q p н = 5.7 - 10 МДж/кг.
Древесина отличается очень малой зольностью (Лр <1%) и большим выходом летучих веществ (Уг = 85%). Значительная влажность древесины (Жр = 40-60%) определяет весьма низкую теплоту сгорания Q P н = 12 - 10 МДж/кг/
Торф - самый молодой вид твердого органического топлива. Он имеет большой выход летучих веществ (Уг = 70%), высокую влажность (Жр = 30-50%) и малое содержание золы (Лр =5-10%). Теплота сгорания торфа небольшая Q p н = 13 - 10 МДж/кг.
Таким образом, для сравнительного анализа свойств различных типов топлива используют приведенные характеристики, определяемые как отношение показателя качества рабочего топлива к его удельной низшей теплоте сгорания. Основными приведенными расчетными показателями служат: влажность; зольность; содержание серы и азота. В топливно-энергетической промышленности для сравнения эффективности применяемого топлива применяется также понятие условного топлива. Оно представляет собой горючее, у которого низшая удельная теплота сгорания в рабочем состоянии составляет 7000 ккал/кг.
Для каждого вида топлива можно рассчитать безразмерный тепловой коэффициент в виде отношения собственной удельной теплоты сгорания к этой величине для условного топлива. При полном сгорании органического топлива образуются трехатомные газы (углекислый и сернистый газ) и вода. Расход веществ (для 1 моля горючего), участвующих при сжигании, вычисляют по формулам исходя из условия, что прореагирует весь кислород, поданный вместе с воздухом.
Такие уравнения называют материальным балансом горения. В реальных условиях расчетные значения корректируют с помощью коэффициентов, так как для полного сжигания всегда требуется больше воздуха. Для определения температуры продуктов сгорания составляют тепловой баланс реакции окисления (в расчете на 1 кг жидкого или твердого органического топлива или на 1 м3 для газообразного). С точки зрения физики уравнение теплового баланса является не чем иным, как формой записи закона сохранения энергии.
КРЕТОВ АЛЕКСАНДР ПЕТРОВИЧ - магистрант, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия.
