Основные характеристики твердого топлива

Основными видами твердого топлива является торф и ископаемые угли, которые образовались в процессе углефикации отмершей растительной массы (древесина, листья, хвоя и т.д.). Отмершие части растений под действием грибков и воздуха постепенно превращались в торф. Скопления торфа преобразовались в бурый уголь. Под действием высокого давления и температуры бурые угли в результате длительных преобразований превращаются в каменные угли, а затем в антрацит. Бурый уголь при длительном хранении вступает в реакцию с кислородом и подвержен самовозгоранию. Каменный уголь используют как топливо или перерабатывают на кокс. Антрацит – старейший по происхождению из каменных углей. Большая твердость, трудно разгорается. Описанный процесс углеобразования характерен для углей гумусового происхождения (гумус – перегной). Исходным веществом в процессе углеобразования могут быть отмирающие растительные и животные микроорганизмы, оседающие на дно озер, заливов и т.д. Они образуют ил (сапропель), при углефикации которого образуются сапропелевые угли. Сапропелевые угли встречаются очень редко и отличаются повышенным содержанием водорода и пониженным содержанием кислорода.

Основными характеристиками твердого топлива являются: состав топлива, зольность топлива, влажность топлива, выход летучих, свойства коксового остатка, теплота сгорания.

1. Состав топлива.

Твердое топливо состоит из углерода, водорода, кислорода, азота, серы, минеральных примесей и влаги. Основным горючим элементом топлива является углерод С, его содержание в твердом топливе от 50 до 94%. Содержание углерода в твердом топливе увеличивается с возрастом топлива.

Водород, содержащийся в топливе, является горючим элементом. Максимальное количество водорода содержится в древесине, но там весь водород связан с кислородом. Это вызывает снижение теплоты сгорания топлива. Снижение содержания кислорода достигается путем коксования топлива. С возрастом содержание кислорода в топливе снижается.

Азот, содержащийся в топливе, в горения не участвует и выделяется в свободном виде. В зоне высоких температур азот может окисляться кислородом, что приводит к загрязнению атмосферы оксидом азота.

Сера является горючим элементом топлива. Содержание серы в твердом топливе незначительно, за исключением сланцев. Сера содержится в топливе в трех видах: органическая S_ор, колчеданная S_ки сульфатная S_с. В горении участвуют только органическая и колчеданная сера, которые составляют летучую серу: S_л = S_к+ S_ор. Сульфатная сера входит в минеральную часть топлива и в горении не участвует. При сжигании летучей серы образуются сернистый ангидрид и небольшое количество серного ангидрида , которые загрязняют атмосферу, а серный ангидрид при определенных условиях приводит к коррозии металла. Таким образом, сера является вредной примесью в топливе. Углерод, водород, азот и органическая сера составляют органическую массу топлива.

Органическая масса и колчеданная сера составляют горючую часть топлива.

Минеральная часть топлива А представляет собой неорганические примеси, содержание которых от 5 до 40%. В основном это силикаты, сульфиды, карбонаты, сульфаты, оксиды металлов, фосфаты, хлориды, соли щелочных металлов. Минеральные примеси могут опасть в топливо из углеобразователей, принесены ветром и водой в процессе образования топлива, либо попасть в топливо при добыче от внешнего минерального пласта. В последнем случае минеральные примеси легко отделяются от топлива. Горючая масса и минеральные примеси составляют сухую массу топлива.

2. Зольность топлива

Зола – смесь минеральных веществ, остающихся после полного сгорания всей горючей части топлива. Обычно масса золы несколько меньше массы минеральных примесей. Расплавленная и вновь застывшая зола – шлак. Зола влияет на качество топлива отрицательно, так как снижает содержание в нем горючих веществ. А также зола образует отложения на поверхностях нагрева котлоагрегата, что уменьшает теплопередачу от газов воде, пару, воздуху и затрудняет работу котлоагрегата.

3. Влажность топлива

Влага топлива W снижает теплоту сгорания, создает трудности при транспортировке и сжигании топлива. Влага в топливе делится на внешнюю и внутреннюю. Внешняя влага состоит из поверхностной (попадает в топливо при добыче, транспортировке и хранении) и капиллярной (влага, заполняющая поры топлива, ее количество с возрастом уменьшается). Внешняя влага удаляется из топлива сушкой и механическими средствами.

Внутренняя влага состоит из коллоидной (связана с органической массой топлива, уменьшается с возрастом) и гидратной (влага, входящая в состав молекул). Содержание гидратной влаги невелико, удаляется она только при высоких температурах. Часть коллоидной влаги удаляется подсушкой. Добытое топливо с содержанием влаги называют рабочей массой топлива (см.рис.1.2.).

Пробу, взятую из топлива и поступившую для анализа в лабораторию, называют аналитической массой.

Пересчет с одной массы на другую производится при помощи множителей, приведенных в табл.1.1. Для пересчета каждый элемент заданной массы умножают на множитель, соответствующий искомой массе.

Табл.1.1.

Множители для пересчета состава топлива

заданная масса топлива	искомая масса топлива
рабочая	аналитическая	сухая	горючая	органическая
рабочая
аналитическая
сухая
горючая
органическая

горючая масса

сухая масса

рабочая масса

Рис.1.2. Массы топлива

4. Выход летучих

Выход летучих - это процентное содержание в горючей массе топлива водорода, углеводородов, оксида углерода, углекислого газа и водяных паров, выделяющихся при нагревании топлив. С увеличением возраста топлива выход летучих уменьшается. Чем больше летучих в топливе, тем легче топливо разжечь и поддержать устойчивое горение.

5. Свойства коксового остатка

Кокс – остаток, образовавшийся после отгонки летучих. Это углерод и минеральная часть топлива. Кокс может быть порошкообразным, слипшимся, спекшимся, сплавленным. Спекшийся кокс обладает большой механической прочностью. Топливо, дающее такой кокс, используется в металлургической промышленности. В парогенераторах и водогрейных котлах используют топлива, дающие неспекающийся кокс.

6. Теплота сгорания

Теплота сгорания твердого топлива - количество теплоты, которое выделяется при сжигании 1 кг твердого топлива при стандартных условиях (288К, 0,1 МПа). (КДж/кг). Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива. Если образовавшиеся в результате полного сжигания единицы массы топлива водяные пары конденсируются, то выделившееся количество теплоты называют высшей теплотой сгорания Q. Количество теплоты, выделившееся при полном сгорании единицы массы, за вычетом теплоты, затраченной на образование водяных паров, получающихся при горении, называется низшей теплотой Q. Теплота сгорания определяется экспериментально (при сжатии топлива в калориметрах) или вычисляется по известным значениям теплоты сгорания веществ, входящих в состав топлива.