Топливом называют существующие в природе или искусственно изготовленные горючие органические вещества, являющиеся источником тепловой энергии и сырьем для химической промышленности. По природе процессов, протекающих в топливах при их использовании, они делятся на ядерные и химические. В ядерных топливах энергия выделяется в результате деления ядер тяжелых элементов, процесса воспроизводства ядерного топлива и управляемого термоядерного синтеза между ядрами легких элементов. В химических топливах энергия выделяется в результате протекающих в них экзотермических реакций окисления – восстановления.
Химические топлива подразделяются:
- по происхождению на природные (угли, нефть и т.д.) и искусственные (кокс, технологические газы);
- по агрегатному состоянию на твердые, жидкие, газообразные;
- по составу на унитарные (однокомпонентные), в которых окислитель и горючее находятся в одной фазе, и многокомпонентные, в которых окислитель и горючее составляют разные фазы.
В зависимости от назначения химическое топливо делится на энергетическое, используемое для выработки тепловой и электрической энергии, и технологическое, используемое непосредственно в различных агрегатах химического производства.
Для сравнения различных видов топлива и суммарного учета его запасов и расхода используется такая единица как условное топливо (УТ). УТ называется топливо, имеющее низшую теплоту сгорания 29260 кДж/кг. 1 кВт энергии эквивалентен 0.1223 УТ.
Доля химического топлива в мировом энергетическом балансе составляет около 90%. В н.в около 70% мирового энергопотребления покрывается за счет использования нефти и газа. Эффективность использования химического топлива в качестве источника энергии зависит от условий сжигания и состава топлива. Все природные химические топлива состоят из горючей массы, минеральных веществ и воды. После удаления влаги получают обезвоженное топливо (сухое топливо). Горючая часть топлива включает вещества, содержащие углерод и водород (органическая масса) и окисляемые соединения серы (органические и неорганические сульфиды). Минеральные вещества топлива представляют различные соли металлов, образующие при сжигании топлива золу. Для использования в качестве химического сырья твердого топлива большое значение имеет содержание в нем летучих веществ, т.е. продуктов, которые удаляются из топлива при нагревании его до определенной температуры без доступа воздуха.
Теплотворная способность- это количество тепла, которое получают при сжигании единицы массы или объема топлива. Теплотворная способность является энергетической характеристикой топлива и выражается в Дж.
Средний состав химических топлив.
| топливо | Органическая часть ческая масса,% | Влага% | Зола% | Сера% | Выход летучих % | Тепло творная способность | ||
| С | Н | О+N | ||||||
| Древесина | 44.0 | 6.0 | 50.0 | 30-40 | 0.4 | 0.0 | >70 | |
| Торф | 6.0 | 35.0 | 4.5 | 0.4 | ||||
| Бурый уголь | 70.0 | 5.5 | 24.5 | До 50 | 4.0 | 2-3 | 45-55 | |
| Каменный уголь | 5.0 | 13.0 | 3-8 | 6.0 | 2-6 | 8-50 | ||
| Антрацит | 95.0 | 2.0 | 3.0 | 1.3 | 6.0 | 1-2 | ||
| Горючие сланцы | 75.0 | 10.0 | 15.0 |
Методы переработки различных топлив имеют много общего.
Большое распространение получили процессы пирогенетической переработки топлив, при которых физические и химические превращения протекают при высоких температурах. Пирогенетическая переработка топлив может протекать по трем основным направлениям: газификация, гидрирование и нагрев без доступа воздуха, называемый сухой перегонкой или пиролизом.
Газификацией топлива называется процесс, при котором органическая часть твердого топлива превращается в горючие газы при взаимодействии с воздухом, водяным паром, кислородом и др. газами. Газификация позволяет получать из малоценного топлива так называемые генераторные газы, которые представляют собой беззольное транспортабельное топливо и сырье для химической промышленности. В зависимости от применяемого для газификации газообразного агента – дутья получают, главным образом, следующие генераторные газы: воздушный, водяной, паровоздушный, парокислородный, отличающиеся друг от друга по составу и свойствам. В этих газах могут содержаться горючие компоненты: водород, окись углерода, метан. Газификация проводится при 900-11000С. Высокая температура достигается за счет тепла экзотермических реакций взаимодействия газифицирующих агентов с топливом. Но в н.в в связи с большой добычей природного газа и применении его как топлива и сырья для химической промышленности генераторные газы во многих производствах заменены природным.
Гидрированием топлива или гидрогенизацией называют переработку топлива, при которой под влиянием высокой температуры, при действии водорода и в присутствии катализаторов происходят химические реакции, приводящие к образованию продуктов, более богатых водородом, чем сырье. Высокие температуры при гидрировании достигаются при нагревании реагирующих веществ горячими газами через стенку или за счет тепла экзотермических реакций. Процессы гидрирования используются при переработке жидких и твердых топлив.
Сухая перегонка топлива происходит при нагревании топлива без доступа воздуха. В результате могут протекать:
– физические процессы, например, разделение жидких топлив на фракции по температурам кипения;
– химические процессы – глубокие деструктивные химические превращения компонентов топлива с получением ряда химических продуктов. Роль и характер отдельных процессов при пиролизе различных видов топлива неодинаковы. В большинстве случаев их суммарный тепловой эффект эндотермический и потому для процессов пиролиза необходим подвод тепла извне. Нагрев реакционных аппаратов большей частью производится горячими дымовыми газами. Сухой перегонке подвергают твердые и жидкие топлива.
Сухая перегонка твердых топлив – сложный процесс, при котором протекают параллельные и последовательные химические реакции. При процессах пиролиза получаются твердые, газообразные и парообразные продукты. Среди процессов сухой перегонки твердых топлив наибольшие масштабы получил пиролиз углей – коксование и полукоксование.
Качество и количество продуктов, получаемых при пирогенетической переработке различных видов топлива, неодинаковы и, прежде всего, зависят от вида перерабатываемого топлива, а так же для каждого топлива от температурных условий, продолжительности пребывания в зоне высоких температур и ряда других факторов.