4.3. Склад і характеристики органічного палива

Паливо, яке подають до енерготехнологічних установок для його подальшого спалювання, називається робочим. До його складу входять: вуглець С, водень H, сірка S, кисень O, азот N, а також волога W і мінеральні домішки А. Названі елементи утворюють складні хімічні сполуки.

Наявність кисню й азоту становить унутрішній баласт палива і знижує його енергетичну цінність. Уміст кисню в паливі коливається від 2% (антрацит) до 40% (деревина),

в мазуті — менше 1%. Вміст азоту в твердому й рідкому паливі є не більшим 1%. Волога і мінеральні домішки (зола) являють собою зовнішній баласт палива. Вміст золи в твердому паливі — 1 — 60% (5—60%) на робочу масу, в мазуті — 0,1—0,3%, вологи — 1—2%.

Власне горючими складниками в органічному паливі є вуглець, водень і сірка. Головна складова — вуглець: чим вище його вміст, тим більше теплоти виділяється під час згорання палива. Зі збільшенням віку палива вміст вуглецю зростає, водню — зменшується.

Під час спалювання горючих речовин відбувається окислення вуглецю киснем повітря. Якщо вуглець згорає повністю, то утворюється відносно нешкідливий діоксид вуглецю СО2 і виділяється 32,8 МДж теплоти на 1 кг вуглецю. Якщо ж процес горіння організовано неправильно (наприклад, бракує повітря), продуктом згорання є надто токсичний оксид вуглецю СО і виділяється всього 9,2 МДж теплоти. Уміст вуглецю в твердому паливі — 25—93% на робочу масу, в мазуті — 83—88%.

Важливою горючою складовою палива є водень, вміст якого коливається у твердому паливі від 2 до 5%, у рідкому — від 10 до 15%. Кількість теплоти, що виділяється під час згорання (окислення) водню становить 120,8 МДж на 1 кг водню

Третій горючий елемент — сірка: органічна (у сполуках з воднем, вуглецем, азотом і киснем) — £ор, колчеданна (у сполуках із залізом) —^кол, сульфатна (у вигляді солей сірчаної кислоти CaSO4, MgSO4, FeSo4 та ін.) — Sc.

Властивості твердого палива як горючого матеріалу визначаються його складовими в сухому беззольному стані ( його позначають індексом daf: dry ask frek — умовний стан палива, що не містить загальної вологи і золи). Сюди входять елементи органічної маси палива і колчеданна сірка, що згорає разом з органічною масою. Таким чином, склад палива характеризується масовим вмістом елементів, які його утворюють, а саме: Cdaf+^fdaf+Odaf+JVdaf+Sdaf. Тут S^—сумарний вміст горючої сірки. Сірка органічна і колчеданна становлять горючу або летку сірку ^daf=Sodaf+Sk(Mda. Сірка сульфатна не є горючою і входить до складу золи. Вміст горючої сірки: у твердому паливі від 0 до 9%, у мазуті від 0,5 до 4%. У процесі повного згорання 1 кг

сірки виділяється 9,2 МДж теплоти. При цьому утворюється токсичний сірчистий ангідрид SO2 і (у невеликих кількостях) ще токсичніший сірчаний ангідрид SO3. Їхні викиди з продуктами згорання забруднюють повітряний басейн, а в сполученні з водою (водяною парою) є причиною кислотних дощів через утворення відповідних кислот (H2SO3 та H2SO4).

Уміст азоту в сухому беззольном стані твердих палив зазвичай становить 1 — 2% від загальної маси. Попри малу кількість, азот є досить шкідливим компонентом, оскільки, згораючи у висо­котемпературних топках, азотовмісні сполуки утворюють силь-нотоксичні паливні оксиди азоту NO та NO2 (при температурі понад 12000С вони утворюються також з атмосферного азоту).

Зовнішнім баластом палива є вологість і зола. Вологість твер­дого палива в робочому стані може перевищувати 50%. Від неї залежить економічна доцільність використання цього паливного матеріалу і можливість його спалювання (наприклад, для пере­творення одного кілограма води, узятої при температурі 0°С, на водяну пару кімнатної температури треба 2,5 МДж теплоти).

Мінеральні домішки, наявні в паливі, згораючи, перетво­рюються на золу та шлак. Відповідно до стандартних норм золу слід уловлювати, транспортувати у відвали або (що доцільніше) утилізувати й використовувати в народному господарстві.


Важливими характеристиками органічного палива є: вихід летких речовин (для твердого палива) і теплота згорання.

Вихід летких речовин, Vdaf у відсотках до сухого беззольного стану визначають, нагрівши 1 кг палива в закритому тиглі при температурі 850±100С протягом 7 хв, унаслідок чого утворюють­ся гази, водяна пара і вуглецевмісний осад. Чим більше вихід летких, тобто чим більше сухої беззольної маси перетворюється у процесі нагріванні на горючий газ, тим простіше запалити ці речовини і легше підтримати процес горіння. Органічна частина деревини і горючих сланців під час нагрівання майже цілком пе­реходить у леткі речовини (Кг= 85 — 90%), тім часом як в антра­цитах Кг=3—4%. (див. табл.4.5).

Теплота згорання — кількість теплоти, що виділяється у процесі повного згорання палива. Розрізняють вищу робочу бвр і нижчу робочу £>нР теплоту згорання (теплотвірну здатність палива).

Вища теплота згорання £>вр — це кількість теплоти, що виді­ляється під час згорання 1 кг твердого, рідкого або 1м3 газоподіб­ного палива у процесі перетворення водяної пари, що міститься в продуктах згорання, на рідину. Нижча теплота згорання Q р є меншою за вищу £>вр на кількість теплоти, витраченої на перетворення вологи у продуктах згорания з рідини на водяну пару. Волога подекуди утворюється внаслідок згорання водню в паливі (9Нр).

Для порівняльних розрахунків різного палива використо­вують поняття "Умовне паливо".

Умовне паливо — це паливо, теплота згорання якого визнана такою, що дорівнює 29,35 МДж/кг (7 000 ккал/кг). Щоб перевести реальну кількість палива в умовне, треба помножити кількість цього палива на його еквівалент Е = £>нр /29,35.

Максимальна нижча теплота згорання твердого палива до­ходить до £>нР = 28 МДж/кг, мінімальна становить 10 МДж/кг і нижче (залежно від баласту). Теплота згорання безводних мазутів £>нР =39—41,5 МДж/кг. Оскільки елементний склад будь-якого рідкого палива, яке дістають нафтоперегоном, практично однаковий, то й їхня теплота згорання є майже однаковою.

Хімічний склад первородної нафти і газу практично не змінився і залишився в межах порівняно вузького ряду хімічних сумішей (табл.4.5).

Подпись: Таблиця 4.5.
Подпись: Хімічний склад нафти і природного газу

Елемент

Нафта, %

Природний газ, %

Вуглеводень

Водень

Сірка

Азот

Кисень 82,2-87,0 11,7-14,7 0,1-5,5 0,1-1,5 0,1-4,5

65-80 1-25 Сліди-0,2

1-15

Рідке паливо одержують, переробляючи нафту. Сиру нафту на­грівають до 300...370оС, після чого отриману пару розділяють на фракції, що конденсуються за різної температури t: зріджений

газ (вихід до 1%), бензинову (близько 15%, tK =30...180оС), гасо­ву (до 17%, Г=120...135°С), дизельну (близько 18%, Г=180...350°С). Рідкий залишок з температурою початку кипіння 330...350оС називають мазутом. Зазначені фракції слугують вихідною сиро­виною для одержання мастильних матеріалів і палива для дви­гунів внутрішнього згорання і газотурбінних установок (бензи­ну, гасу, дизельного палива тощо).

Дотепер мазут залишається основним рідким енерге­тичним паливом. Він становить складну суміш вуглевод­нів, до складу яких входить вуглець (С Р= 84—88%) і водень (1ГР=10 —12%). Це забезпечує високу теплоту згорання мазуту (GHP=40...41 МДж/кг). Баласт мазуту невисокий ^4Р=0,2—0,3%;

WP=0,1—1%. До складу мінеральних домішок ^4Р входять сполуки ванадію, нікелю, заліза та інших металів.

Одним з основних показників мазуту є в'язкість (обумовлює можливість його розпилення залежно від температури) і сірчисті­сть (визначається вмістом сірки: малосірчисті (до 0,5%), середньо-сірчисті (до 2%) і високосірчисті (до 3,5%)). Мазут, одержуваний з нафти багатоьох родовищ, може містити сірки до 4,3%, а це надто ускладнює захист довкілля та устаткування.

Чільним видом газоподібного палива є природний газ, основ­ним компонентом якого (85—98%) постає метан СН4. До складу природного газу також входять такі горючі складові: важкі вуглеводні СпНт, водень Н2, сірководень H2S, монооксид вуг­лецю СО, баластні гази — СО2 N2 SO2 вода H2O, та кисень O2.

Теплота згорання природного газу дорівнює 31,0...37,9 МДж/кг. Природний газ очищують від сірчистих сполук, але частина їх (переважно сірководень) може залишатися.

У процесі видобутку нафти виділяється так званий попутний газ, що містить менше метану, ніж природний, але більше ви­щих вуглеводнів і тому виділяє під час згорання більше теплоти. Нині досить актуальною є проблема його повного використання в енергетиці і промисловості.

У промисловості й особливо в побуті широко застосовують зріджений газ, одержаний в результаті первинної переробки нафти і попутних нафтових газів: технічний пропан (не менше 93% С4Н18 + С3Н6), технічний бутан (не менше 93% С4Н10 + С4Н8) та їхні суміші.

На металургійних заводах як попутні продукти одержують коксовий і доменний гази, які застосовують для опалення печей і технологічних апаратів. Іноді (після очищення від сірчистих сполук) коксовий газ використовують для побутового газо­постачання прилеглих житлових масивів. Проте через великий вміст СО (5—10%) він значно токсичніший від природного газу. Надлишки доменних газів найчастіше спалюють у топках за­водських електростанцій.

У районах вугільних шахт своєрідним "паливом" може слугувати метан, що виділяється з шахтних горизонтів під час їх вентиляції. Одначе при цьому слід мати на увазі, що концен­трація метану в суміші з повітрям в діапазоні 5—15% є вибухоне­безпечною.

Останніми роками в Україні знов відродився інтерес до газів, що утворюються внаслідок газифікації (генераторним шляхом) або через суху перегонку (у процесі нагрівання без доступу пові­тря) твердого палива, щонайперше, важкоприступного вугілля Донецького родовища.

У багатьох країнах світу все частіше застосовують біогаз — продукт анаеробної ферментації органічних відходів (гною, рос­линних залишків, сміття, стічних вод тощо), зброжування яких дає змогу розв'язати надзвичайно гостру проблему забруднення довкілля рідкими відходами шляхом перетворення їх на біогаз і високоякісні добрива.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я