Классификация топлива.

Топливо можно разделить на две большие группы – горючее и расщепляющееся.

Горючее – топливо, которое выделяет необходимое количество теплоты при взаимодействии с другим веществом (окислителем). При этом химические компоненты горючего переходят в его окислы.

Расщепляющее – топливо, которое выделяет необходимое количество теплоты результате расщепления при определенных условиях молекул его вещества с одновременным образованием молекул других веществ.

Горючее топливо делится на органическое и неорганическое.

Органическое топливо включает углеводородные химические соединения (CH) природного и химического происхождения, углерод и водород.

Неорганическим топливом являются неорганические вещества и их компоненты, которые при взаимодействии с окислителем выделяют большое количество теплоты.

Такими веществами могут быть металлы: Al, Mg, Fe.

Чтобы горючее топливо выделило теплоту, необходима его химическая реакция с окислителем. Окислитель – чистый кислород О₂, О, О₃, а также другие активные химические соединения: HNO₃ – азотная кислота, Н₂О₂ перекись водорода и др.

В энергетических установках в качестве окислителя применяют воздух (21% О₂), в особых случаях – чистый кислород.

Органическое топливо делят на ископаемое, природное и искусственное: композиционное и синтетическое.

Ископаемое природное топливо накоплено недрах Земли – продукт биохимических и химических превращений органического вещества растений и организмов, существовавших на Земле 0,5-500 млн. лет назад. К нему относятся сланец, торф, природный газ.

Искусственное топливо – органическое топливо, создаваемое человеком путем переработки природных соединений, топлив для получения топлива с новыми заданными свойствами.

Композиционное топливо – механическая смесь горючих веществ, в том числе органического топлива, а также горючих и негорючих веществ с новыми теплотехническими свойствами по сравнению с исходными. Это топливные суспензии, эмульсии, топливные брикеты, гранулы и т. д.

Синтетическое топливо - продукт термохимической переработки горючих веществ, в том числе и органического топлива, обладающие новыми теплотехническими свойствами по сравнению с исходными.

Синтетическое топливо – все продукты переработки нефти.

Современные тепловые станции при производстве тепловой энергии используют в основном природное органическое топливо. Однако, имеется четкая тенденция возрастания применения искусственного органического и расщепляющегося топлива.

Органическое топливо по своему составу делится на твердое, жидкое и газообразное. Все эти три группы органических ископаемых топлив имеют аналогичное происхождение.

Различают три стадии преобразования исходного органического материала.

1. Торфяная стадия – остатки растений накапливаются и преобразуются в результате биохимических процессов без доступа кислорода. Если в дальнейшем происходит частичное поступление кислорода, образуется торф и уголь, а если без доступа кислорода (дно морей и океанов) – образуются нефть и газ.

2. Буро-угольная стадия – во время этой стадии происходит дальнейшее преобразование органического материалов, сосредоточенных в результате тектонических явлений – сдвигов в земной коре. При глубоком захоронении этого материала под давлением до 300 МПа при повышенных температурах 450 – 520 К происходит углефикация – интенсификация химических реакций, поликонденсация и полимеризация органического вещества с выделением Н₂О, СО₂, СН₄. при этом оставшийся органический материал обогащается углеродом.

3. Каменноугольная стадия – более высокая степень углефикации, более высокая температура – 520 – 620 К. образуется каменный уголь, а затем антрацит – уголь, органическая масса которого на 95 – 97% состоит из углеродов.

Схема составляющих органического топлива

С; О; N; S;

Отличительной особенностью твердых и жидких топлив является сложный химический состав их органического вещества.

Органическое топливо состоит из горючей и негорючей части. Горючая часть топлива (твердого и жидкого) – органические соединения, образованные С; О; N; S. При этом N и О топлива не участвуют в экзотермических реакциях и являются внутренним балластом топлива. Кроме того, горючая часть включает минеральное соединение железный колчедан Fe₂S, который при взаимодействии с кислородом воздуха при высоких температурах горит со значительными тепловыделениями. Различают две минералогические разновидности колчедана – перит и марказит.

Сера в топливе определяет его склонность к образованию вредных выбросов при сжигании и коррозионную активность продуктов сгорания.

Сера заключена как в горючей, так и в минеральной частях топлива. Поэтому общее содержание серы в топливе S_t представляет собой сумму трех слагаемых:

- серы в органическом веществе топлива S_о;

- серы в сульфидах топлива (перидная или сульфидная сера S_s);

- серы в негорючей части топлива (сульфатная сера S_SO4).

- горючая сера.

Негорючая часть топлива состоит из влаги W_t и минеральной части М, образующей при сгорании золу А (зольность).

Состав твердого и жидкого топлива обычно выражают в % по массе. При этом за 100% могут быть приняты:

• Рабочее состояние топлива X^r – состояние топлива с таким содержанием влаги и золы, с которым оно добывается, отгружается и используется. Х – компоненты состава топлива.

• Аналитическое состояние топлива Х^а – состояние топлива, характеризуемое подготовкой пробы – размол топлива до 0,2 мм и находящееся в равновесии с условиями лабораторного помещения.

• Сухое состояние топлива X^d – состояние топлива без содержания общей влаги (кроме гидратной).

• Сухое беззольное состояние топлива X^daf – условное состояние топлива, не содержащего общей влаги и золы.

• Органическая масса топлива Х^о – условное состояние топлива без содержания влаги и минеральной массы.

• Влажное беззольное состояние топлива X^af - условное состояние топлива без содержания золы, но с влажностью (влагоемкостью) соответствующей данному состоянию топлива.

Пересчеты содержания компонентов, выраженные в % для одного состояния в % другого состояния производят на основе уравнения его состава для каждого состояния.

Так для рабочего состояния:

Для аналитического состояния:

Для сухого состояния:

Для сухого беззольного состояния:

Разработаны специальные формулы для перехода от одного состояния в другое.

Теплота сгорания топлива – это параметр органического топлива, характеризующий его энергетическую ценность. Это количество тепловой энергии, выделяемой в ходе химических реакций окисления горючих компонентов топлива с кислородом.

В результате реакции окисления образуется СО₂ и Н₂О, сера окисляется до SO₂, азот топлива выделяется в виде молекул азота N₂. теплота сгорания является удельной характеристикой топлива, то есть ее относят к единице объема (м³) или массы (кг) для любого расчетного состояния.

При определении единицы количества жидкого и твердого топлива берется 1 кг его массы, для газообразного – 1 м³ его объема при н. у. ( ) или стандартных условиях ( )

Единицы измерения – кДж/кг, кДж/м³, МДж/кг, МДж/м³.

Высшей теплотой сгорания Q_S называется количество тепловой энергии, которое может выделиться при полном сгорании 1 кг твердого (жидкого) топлива или 1 м³ газообразного топлива при условии, что образующиеся водяные пары в продуктах сгорания конденсируются.

Если при сгорании водяные пары продуктов сгорания не конденсируются, то высшая теплота сгорания единицы массы или объема топлива уменьшается на величину теплоты конденсации водяных паров.

- низшая теплота сгорания топлива.

формула для расчета Q_i по данным состава топлива и значению низшей теплоты его сгорания в сухом беззольном состоянии:

теплоту сгорания топлива определяют экспериментально в калориметрических бомбах.

В теплотехнических расчетах низшую теплоту сгорания можно найти по формуле Менделеева, зная элементный состав топлива:

Низшую теплоту сгорания газообразного топлива рассчитывают по теплоте сгорания его компонентов: