Виды твердого топлива – Виды топлива для твердотопливных котлов и сравнительная таблица их теплотворной способности — Оборудование, услуги, материалы

Твердое топливо и его классификация

Твердое топливо и его классификация

Происхождение топлива. Все виды твердого топлива нашей планеты своим происхождением обязаны солнечной энергии и хлорофиллу — особому веществу, содержащемуся в листьях и других зеленых частях растений, которые создают сложные органические вещества, а в дальнейшем превращаются в топливо. В своих превращениях вещество топлива последовательно проходит стадии образования торфа, бурого угля, каменного угля, антрацита.

В природе существуют различные виды твердого топлива, отличающиеся разнообразными составом и свойствами. Твердое топливо в основном образуется из высокоорганизованных растений — древесины, листьев, хвои и т. п. Отмершие части высокоорганизованных растений разрушаются грибками при свободном доступе воздуха и превращаются в торф — рыхлую, расплывчатую массу перегноя, так называемых гуминовых кислот. Скопление торфа переходит в бурую массу, а затем в бурый уголь. В дальнейшем под воздействием высокого давления и повышенной температуры бурые угли подвергаются последующим превращениям, переходя в каменные угли, а затем в антрацит.

Состав топлива. Топливо в том виде, в котором оно добыто, включает в себя органическую массу и балласт. Органической массой топлива считают ту часть, которая произошла из органических веществ: углерода, водорода, кислорода и азота; в балласт включают серу, минеральные примеси — золу и влагу топлива:

С° + Н° + О° + N° + S°_° = 100%, (12)

Твердое топливо и жидкое топливо состоит из углерода С, водорода Н, органической серы SО и горючей колчеданной серы S_к, кислорода О и азота N, находящихся в виде сложных соединений.

Кроме указанных элементов, составляющих горючую массу топлива, в состав топлива входит еще балласт — зола А и влага W:

Б=А^р+W^р, (13)

Летучей, или горючей, серой называется

S_л= S_° + S_к, (14)

Состав топлива выражают в процентах по массе.

В топочной технике различают рабочую, сухую и горючую массы топлива. В связи с этим при буквенном обозначении вещества, входящего в состав топлива, вверху ставят буквы р, с, или г. Под рабочей массой топлива понимают топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю. Состав рабочей массы топлива выражают так:

С^р + Н^р + О^р + N^p + S_°^p+ S^p_к + А^р + W^p = 100%, (15)

Если из топлива исключить балласт, то получаем горючую массу топлива

С^г + Н^г + O^г + N^г + S^г_° + S^г_к = 100%, (16)

Сухая масса топлива соответствует обезвоженному топливу и состав ее следующий:

С^с + Н^с + О^с + N^c + S_о^с + S^с_к + А^с = 100%, (17)

Пересчет состава топлива с одной массы на другую производят с помощью коэффициентов (табл. 7).

Таблица 7. Коэффициенты пересчета состава топлива с одной массы на другую

Пример 1. Определить состав рабочей массы топлива, содержание горючей массы которого равно: С^г = 75,5%; Н^г = 5,5%; S^г_отк = 4,2%; О^г= 13,2%; N^г = 1,6%; А^р= 18%; W^р = 13%.

Находим коэффициент для перерасчета по табл. 7

100 — (18+ 13) / 100 = 0,69

Умножая на этот коэффициент элементы горючей массы топлива, получим состав его рабочей массы: С^р = 75,5 • 0,69 = 52,1%; Н^р = 5,5 • 0,69 = 3,8%; S^р_о+к= 4,2 • 0,69 = 2,9%; О^р = 13,2 •

0,69 = 9,1%; N

p = 1,6 • 0,69 = 1,1%.

Углерод и водород — самые ценные части топлива.

Углерод содержится в значительном количестве в топливе всех видов: древесине и торфе 50-58%, в бурых и каменных углях 65-80%, в тощих углях и антрацитах 90-95%, в сланцах 61-73%, в мазуте 84-87% (цифры даны в процентах на горючую массу топлива). Чем больше углерода в топливе, тем больше оно выделяет тепла при сгорании.

Состав рабочей массы топлива значительно зависит от величины балласта, поэтому чаще всего приводятся данные по составу горючей массы топлива, которая более стабильна для топлива каждого вида и месторождения.

Водород является второй важнейшей частью каждого топлива. В топливе водород частично находится в связанном с кислородом виде, составляя внутреннюю влагу топлива, вследствие чего понижается тепловая ценность топлива. Водород играет большую роль в образовании летучих веществ, выделяющихся при нагревании топлива без доступа воздуха. В состав летучих водород входит в чистом виде и в виде углеводородных и других органических соединений.

Содержание водорода в процентах от горючей массы топлива составляет: в дровах и торфе до 6, бурых каменных углях 3,8-5,8, горючих сланцах до 9,5, в антраците 2 и в мазуте 10,6-11,1.

Кислород, содержащийся в топливе, является балластом. Не будучи теплообразующим элементом и связывая водород топлива, кислород снижает теплоту его сгорания. Содержание кислорода в органической массе топлива с его возрастом снижается с 41% для древесины до 2,2% для антрацита.

Азот также является балластной инертной составляющей топлива, снижающей процентное содержание в нем горючих элементов. При сгорании топлива азот в продуктах сгорания содержится как в свободном виде, так и в виде окислов NO_x. Последние относятся к вредным составляющим продуктов сгорания, количество которых должно быть лимитировано.

Сера содержится в топливе в виде органических соединений S° и колчедана S_к, объединяемых в летучую серу S_т.  Кроме того, сера входит в состав топлива в виде сернистых солей — сульфатов (например, гипса CaSО₂), не способных гореть. Сульфатную серу S_a

принято относить к золе топлива.

Присутствие серы значительно снижает качество топлива, так как сернистые газы SО₂ и SО₃ (соединяясь с Н₂О, образуют H₂SО₄) разрушают металл котельного оборудования, попадая в атмосферу, вредно действуют на живые организмы и растительность. Поэтому сера — крайне нежелательный элемент для топлива. Сернистые газы, проникая в рабочие помещения, могут вызвать отравление обслуживающего персонала.

Зола топлива представляет собой балластную смесь различных минеральных веществ, остающихся после полного сгорания всей горючей части топлива. Зола влияет на качество сгорания топлива отрицательно.

Различают три разновидности золы но ее происхождению: первичная — внутренняя, вторичная и третичная. Первичная зола образуется из минеральных веществ, содержащихся в растениях. Содержание ее в топливе незначительно и распределение равномерно. Вторичная зола получается вследствие заноса растительных остатков землей и песком в период пластообразования. Третичная зола попадает в топливо во время его добычи, хранения или транспортировки.

Зола является нежелательным балластом топлива, снижающим содержание в нем других горючих элементов. Кроме того, зола, образуя отложения на поверхностях нагрева котлоагрегата, уменьшает теплопередачу от газов к воде, пару и воздуху в его элементах. Наличие большого количества золы затрудняет эксплуатацию котлоагрегата. Если зола легкоплавкая, она налипает на поверхности нагрева котла, нарушая нормальный режим его работы (шлакование).

Содержание золы в процентах от рабочей массы топлива составляет: в дровах 0,6, торфе 5-7, в бурых и каменных углях от 4 до 25, в мазуте 0,3.

Твердое топливо при сжигании важное значение имеют характеристика золы, степень ее легкоплавкости. Плавкость золы определяют в лаборатории. В особую электропечь помещают несколько выполненных из золы пирамид «конусов» высотой 20 мм со стороной основания 7 мм. Одна из граней пирамиды должна быть перпендикулярна основанию.

В процессе постепенного нагревания пирамид в электрической печи отмечают три точки (рис. 8): температуру начала деформации t

1, определяемую в начале плавления верхушки пирамиды; темпера туру размягчения t₂, которая фиксируется в момент, когда верхушка пирамиды наклонится до основания или же пирамида превратится в шар, и температуру t₃, когда содержимое пирамиды растечется по основанию.

Зола бывает легкоплавкой с температурой размягчения ниже 1050°С, вызывающая шлакование топки при сжигании топлива, и тугоплавкой с температурой размягчения выше 1050°С.

Учитывая большое влияние зольности на качественные характеристики топлива, для сравнительных подсчетов используют понятие приведенной зольности

АрП=А^р/Q^р_н, (18)

где Q^р_н — рабочая низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.

Влага топлива складывается из внешней, или механической, вызванной поверхностным увлажнением кусков топлива и заполнением влагой пор и капилляров, и равновесной, называемой гигроскопической, которая устанавливается в материале при длительном соприкосновении с окружающим воздухом. Содержание внешней влаги определяют высушиванием пробы топлива на воздухе до постоянной массы, а гигроскопической W^г  твердого топлива — высушиванием в сушильном шкафу измельченной пробы воздушно-сухого топлива до постоянной массы при 102-105°С.

Для определения влажности жидкого топлива отстаивают воду в течение суток при 40°С в специальных сосудах и взвешивают всю Пробу и воду. При нахождении влажности газообразного топлива пропускают пробу газа через слой хлористого кальция, поглощающего влагу.

Рис. 8. Характер деформации лабораторного образца золы твердого топлива при определении ее плавкости

В топочной технике используют понятие приведенной влажности, которая показывает, сколько влаги в процентах от рабочей массы топлива приходится на 1 МДж низшей теплоты сгорания

W^р_н = W^p/Q^р_н, (19)

Лету чие вещества и кокс. Для оценки качества топлива и условий горения большое значение имеет выход летучих веществ. Если нагревать топливо без доступа воздуха, то под воздействием высокой температуры (от 200 до 800°С) происходит разложение его на газообразную часть — летучие вещества (водород, метан, тяжелые углеводороды, окись углерода, немного двуокиси углерода и некоторые другие газы, т. е. в основном газообразные горючие вещества) и твердый остаток — кокс. Выход летучих относят к горючей массе топлива и обозначают Y^г%.

Выход летучих веществ, их состав, а также температура, при которой они начинают выделяться, определяются химическим возрастом топлива: чем топливо старше по возрасту, тем меньше выход летучих и выше температура начала их выделения. Например, выход летучих торфа составляет приблизительно 70% общей массы горючей части топлива, они начинают выделяться при 120-150°С; выход летучих бурых и молодых каменных углей уменьшается приблизительно от 13 до 58,5%, они начинают выделяться при 170-250°С, а антрацита — до 4% при температуре начала выделения газов около 400°С.

Летучие вещества оказывают большое влияние на процесс горения топлива: чем больше выход летучих, тем ниже температура воспламенения и легче зажигание топлива и тем больше поверхность фронта пламени. Твердое топливо с большим выходом летучих (торф, бурый уголь, молодой каменный уголь) легко загорается и сгорает быстро с малой потерей тепла. Топливо с малым выходом летучих, например антрацит, загорается значительно труднее, горит медленнее и сгорает не полностью.

Кокс, оставшийся после полного выделения летучих, состоит из углерода и минеральных топливных примесей. В зависимости от вида термически разложенного топлива кокс может быть порошкообразным, слипшимся, спекшимся, сплавленным.

Теплота сгорания топлива. Наиболее важной характеристикой топлива является теплота сгорания, которой называют количество тепла, получаемого при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 нм3 газообразного топлива в кДж/кг (ккал/кг): 1 ккал —  4,1868, или 4,19, кДж.

Как указывалось ранее, к горючим элементам в топливе относят углерод С, водород Н и летучую горючую серу Sл. Элементарно их горение может быть представлено следующими уравнениями:

С + О₂ = СО₂; 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О; S + О₂ = SО₂, (20)

В процессе горения горючих элементов выделяется следующее количество тепла при сжигании 1 кг: углерода — 33,65 МДж (8031 ккал/кг), серы — 9 МДж (2172 ккал/кг), водорода — 141,5 МДж (33770 ккал/кг).

Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Высшей теплотой сгорания (Q^р_в) топлива называют все количество тепла, выделенное при сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива, или 1 нм3 газообразного (при нормальных условиях) и превращении водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, в жидкость. На практике, однако, не удается охладить продукты сгорания до полной конденсации и потому введено понятие низшей теплоты сгорания (Qрн), которую получают, вычитая из высшей теплоты сгорания теплоту парообразования водяных паров как содержащихся в топливе, так и образовавшихся при его сжигании. На парообразование 1 кг водяных паров расходуется 2514 кДж/кг (600 ккал/кг). Для твердого и жидкого топлива низшая теплота сгорания (кДж/кг или ккал/кг)

Q^p_н = Q^р_в-2514 (9Н^р+W^р/100), (21)

Q^p_н = Q^р_в – 600 (9Н^р+W^р/100)

где 2514 — теплота парообразования при температуре 0°С и атмосферном давлении, кДж/кг; Н^р и W^p — содержание водорода и водяных паров в рабочем топливе, %; 9 — коэффициент, показывающий, что при сгорании 1 кг водорода в соединении с кислородом образуется 9 кг воды.

Если известен элементарный состав топлива, то низшая теплота сгорания твердого и жидкого топлива, кДж/кг или ккал/кг, может быть определена по эмпирической формуле, предложенной Д. И. Менделеевым:

Q^p_н = 339,5С^р + 1256Н^р — 109 (О^р — S^p_л) — 25,14 (9Н^р + W^p)

или

Q^p_н = 81С^р + 246Н^р — 26 (О^р — S^р_л) — 6W^р, (22)

Пример 2. Определить низшую теплоту сгорания топлива, рабочая масса которого имеет следующий состав (из примера 1): С^р = 52,1%; Н^р = 3,8; S^р_л = 2,9%; N^p = 1,1%; О^р = 9,1%; А^р = 18%; W^p = 13%.

Подставляя данные в формулу (22), получим Q^p_н = 339,5 • 52,1 + 1256 • 3,8 — 109 • (9,1 — 2,9) — 25,14 • (9 • 3,8 + 13) = 20,647 МДж/кг или Q^p_н = 81 • 52,1 4- 246 • 3,8 — 26 • (9,1 — 2,9) – 6 • 13

= 4916 ккал/кг.

Числовые коэффициенты в этой формуле подобраны экспериментально. Теплота сгорания твердого и жидкого топлива может быть определена и экспериментально, калориметрическим способом. Теплоту сгорания рабочего топлива определяют в калориметре (рис. 9), который состоит из калориметрического сосуда 5, заполненного водой, калориметрической бомбы 2 с чашечкой для навески топлива, оболочки 6, термометра 4, двойной луппы 3, вибратора электродвигателя, пропеллерной мешалки 1 для перемешивания воды в оболочке и подставки 7. Для нахождения теплоты сгорания топлива в чашечку помещают навеску топлива и сжигают ее, а результаты испытания определяют по показаниям термометра.

Для удобства сравнительных расчетов при сжигании в котельных разных сортов топлива введено понятие «условное топливо». Условным принято считать топливо, теплота сгорания которого равна 29,35 МДж/кг (7000 ккал/кг). Пересчет расхода натурального топлива в условное, кг, производят по формуле

В_усл=В_нQ^p_н/29,35 (В_усл=В_нQ^p_н /7000, (23)

Рис. 9. Схема калориметра для определения удельной теплоты сгорания углей

Производственные плановые задания и отчетные данные по топливу всегда удобно выражать в условном топливе.

Пример 3. В котельной в течение месяца сжигается Вн. мес = 200 т топлива с теплотой сгорания Qрн =20,647 МДж/кг (Qрн = 4916 ккал/кг).

Определить годовой расход условного топлива.

Расход условного топлива

В_{усл.мес}=200•Q^p_н/29,35=200•20,647/29,35=140

(В_{усл.мес}=200•Q^p_н/7000=200•4916/7000=140)

В_{усл.год} = 140•12=1680

Твердое топливо и его классификация. По химическому возрасту различают три стадии образования твердого топлива: торфяную, буроугольную и каменноугольную.
Древесина — это топливо, используемое преимущественно в мелких котельных установках. Широкое применение имеют отходы деревообделочного производства: горбыли, щепа, стружки, опилки, кора и др. Дрова применяют реже.

Влажность воздушно-сухих дров не превышает 25%, полусухих — 35%, свежесрубленных — 50%. Опилки обычно имеют влажность 45-60%. К полусухим относят дрова весенней заготовки, пролежавшие не менее 6 мес после рубки, в том числе не менее двух летних месяцев. К сухим относят дрова, пролежавшие после рубки около года в лесу и влажность которых не превышает 30%.

Дрова как твердое топливо характеризуются высоким выходом летучих горючих веществ — до 85% и незначительным содержанием золы — в среднем до 1%, лишь в сплавных дровах зольность повышается До 5%. Следовательно, балласт дров определяется в основном их влажностью, от которой и зависит теплота сгорания. Теплота сгорания мало зависит от породы дров, что видно из табл. 8.

Таблица 8. Органический состав древесины

Рабочий состав и теплота сгорания древесных отходов (щепы, опилок и др.) не отличаются от состава древесины, из которой они получены.

При пониженной теплоте сгорания дрова имеют преимущества: легкую воспламеняемость, отсутствие серы и малую зольность, что позволяет ограничиваться простыми топочными устройствами, работающими эффективно.

Торф по способу добычи подразделяют на три основных вида: машинно-формовочный (багерный), гидравлический и фрезерный.

При машинно-формовочном способе то

Твёрдое ракетное топливо — Википедия

Твёрдое ракетное топливо — твёрдое вещество или смесь отдельных веществ, способная гореть без доступа воздуха, выделяя при этом большое количество газообразного рабочего тела, нагретого до высокой температуры. Используется в твердотопливных ракетных двигателях для создания реактивной тяги.

Гомогенные топлива[править | править код]

В гомогенных топливах одни и те же молекулы одновременно играют роль топлива и окислителя, такие топлива практически всегда включают в себя нитроцеллюлозу.^[1]

Поскольку увеличение толщины горящего свода свыше 10 мм для одноосновных топлив затрудняется из-за длительности удаления летучего растворителя из толстосводных пороховых шашек,^[2] из гомогенных топлив наиболее распространены двухосновные топлива — твёрдые коллоидные растворы (как правило, нитроцеллюлозы) в нелетучем растворителе-пластификаторе (обычно в нитроглицерине, но используются и другие взрывчатые вещества, например, ЭГДН, ди- и тринитротолуол). Классическим примером данного вида топлив являются баллиститные ТРТ. Нитрат целлюлозы имеет отрицательный кислородный баланс, нитроглицерин имеет небольшой положительный кислородный баланс. Производство шашек ТРТ данного типа предусматривает проходное прессование на шнековом прессе при температуре 60-80 °С.

К достоинствам таких топлив относятся хорошие механические (предел прочности современных баллиститных топлив составляет 10-20 МПа, что на порядок превосходит смесевые ТРТ^[3]), температурные^{[уточнить]} и другие конструкционные свойства, высокая стабильность при хранении^{[источник не указан 1419 дней]}, отработанность промышленностью и дешевизна, а также низкое содержание в продуктах горения твёрдых и конденсированных частиц (то есть «бездымность») и экологически вредных веществ (благодаря отсутствию в составе хлора). Недостатками же являются ограниченные возможности повышения удельного импульса и невозможность получения шашек большого размера (диаметром более 1 метра)^[4].

Дымный порох[править | править код]

Исторически первым смесевым топливом был чёрный порох, однако сейчас он применяется в качестве твёрдого ракетного топлива только в пиротехнических изделиях различного назначения и модельных ракетах. Он прост в получении, но имеет низкий удельный импульс, неравномерность горения, гигроскопичен, сложно получить шашки большого размера. При хранении шашек большого размера более 1-3 лет, происходит растрескивание шашки вследствие роста кристаллов селитры и изменения влажности шашки. Образовавшиеся трещины снижают стабильность хранения и могут привести к разрушению шашки при горении. Для повышения стабильности хранения пороховых шашек из дымного пороха, в конце 19-го века в Швеции было предложено заменить часть древесного угля на асфальт-битумную фракцию нефти. Это увеличило срок годности шашек диаметром 200—800 мм почти в 3 раза (до 7 лет для шашек диаметром 200 мм). С освоением промышленностью бездымных порохов, шашки ТРТ диаметром более 40-50 мм не производят из дымных порохов.

Современные смесевые топлива[править | править код]

Смесевые твёрдые топлива (СТТ) представляют собой смесь твёрдых горючего и окислителя. Существует большое количество различных смесей пригодных для ракетостроения. Как правило все они создаются вокруг небольшого количества эффективных твёрдых окислителей, которые комбинируют с разнообразными горючими веществами. Наиболее известные окислители:

В качестве горючего используются:

• металлы или их сплавы (алюминий, магний, литий, бериллий), гидриды металлов.
• полимеры и смолы (полиэтилен, полиуретан, полибутадиен, каучук, битум).
• Другие вещества, например полисульфиды, бор, углерод.

В современных твердотопливных двигателях большой мощности чаще всего применяют смесь перхлората аммония с алюминием и каучуками. Иногда вместо каучуков используют полиуретан, что позволяет повысить срок годности шашки ТРТ и увеличить её жёсткость, но, в ущерб технологичности производства. Алюминий является основным источником тепловой энергии благодаря высокой теплотворности реакции окисления. Однако ввиду высокой температуры кипения оксид алюминия в реактивной струе РДТТ является твёрдым веществом и не совершает термодинамической работы при расширении в сопле. Поэтому основным источником газообразных продуктов является полимерное связующее. Примесь твёрдых продуктов сгорания ТРТ увеличивает внутреннее трение в реактивной струе газов, что снижает КПД работы РДТТ. Удельный импульс такого топлива около 250—280 секунд.

В ряде военных изделий с высокими ТТХ вместо перхлората аммония иногда применяется динитрамид аммония, дающий больший удельный импульс. Однако он гораздо дороже, требует аккуратного обращения на стадии производства шашки ТРТ и повышает восприимчивость шашки к прострелу и детонации.

Энергетика ТРТ для ряда ракет военного назначения (ЗУР, МБР, УР воздушного боя и пр.) повышается добавкой октогена в ТРТ, это несколько ухудшает эксплуатационные свойства, но позволяет увеличить удельный импульс тяги ТРТ^[5].

В последние десятилетия для повышения энергетических свойств твёрдых ракетных топлив, а также уменьшения вредного влияния на окружающую среду, ведётся интенсивный поиск бесхлорных окислителей для ТРТ на замену перхлорату аммония, но все предлагаемые вещества пока слишком дороги, неэффективны или опасны.

Первая стадия производства СТТ включает подготовку окислителя (измельчение и сушка) и приготовление горюче-связующего (смешение олигомеров, пластификаторов и органической части окислительно-восстановительной инициирующей системы (ОВИС)). Затем смешивают окислитель с минеральными компонентами ОВИС, а горюче-связующее с остальными твердыми компонентами (БВВ, порошки металлов, катализаторы горения, стабилизаторы химической стойкости и пр.). Смешение вязкого горюче-связующего и окислителя производят в ротационных или роторных смесителях при небольшой скорости вращения. Готовой массой заполняют корпус РДТТ или форму (предварительно покрытую антиадгезивом). Шашку выдерживают некоторое время при повышенной температуре (45-70*С) в термокамере. Чем крупнее заряд и чем выше энергетика топлива, тем ниже температура нагрева и длительнее выдержка. После сшивки полимерного горюче-связующего трехмерной сеткой поперечных связей, шашку остужают и вынимают из формы (если отливали в форму) или направляют для окончательной сборки РДТТ (если отливали в корпус двигателя). СТТ являются более дорогими и сложными в производстве ТРТ, но, они обеспечивают высокие энергетические характеристики и позволяют производить шашки практически любого размера (до нескольких сотен тонн и более)^[4].

Модифицированные двухосновные топлива[править | править код]

В качестве компонентов в смесевые топлива могут добавляться значительные количества двухосновных топлив. Такие составы называют модифицированными двухосновными топливами.

Карамельное топливо[править | править код]

В кустарном ракетомоделизме получило широкое распространение самодельное смесевое топливо на основе нитрата калия и органических связующих, доступных в быту (сорбит, сахар и т. п.). Достаточно простое в изготовлении и обращении, оно обладает невысоким удельным импульсом, отличается нестабильными свойствами и опасно в производстве. Аналогичные кустарные составы иногда используют нерегулярные вооружённые формирования для неуправляемых реактивных снарядов малой дальности (например, НУР Кассам).

Необычные топлива[править | править код]

В 2009 году в США прошли наземные огневые испытания твердотопливного двигателя на основе водяного льда и мелкодисперсного (около 80 нанометров) алюминиевого порошка.^[6][7] На сегодняшний день НАСА рассматривает эту смесь как весьма перспективную (особенно в силу дешевизны) альтернативу твёрдому топливу.

1. Стадия инертного прогрева;
2. Стадия разложения компонентов топлива;
3. Стадия химического взаимодействия газообразных окисл. горючих элементов. При этом взаимодействии выделяется большое количества тепла.

Все эти процессы протекают одновременно и практически не разделены на пространственные зоны у поверхности горящей шашки. Высокое содержание в продуктах сгорания ТРТ твёрдых частиц снижает влияние давления на скорость горения шашки. Для уменьшения влияния случайных перепадов давления и начальной температуры на скорость горения шашки и колебания тяги, используют катализаторы горения ТРТ. Чаще всего в качестве катализаторов горения выступают минеральные или органические соединения переходных металлов. Например: оксид железа, оксид хрома, бихромат свинца, оксид свинца, карбонат свинца, ферроцен, трис-ацетилацетонаты кобальта и хрома и др. Эти добавки вносят в составы баллиститных ТРТ и СТТ, чаще всего, в количестве 1-5 %.

В любом случае, повышение давления в области горения шашки приводит к некоторому увеличению скорости горения. При некоторых условиях это может привести к разрушению корпуса РДТТ. Высокие температуры также могут приводить к размягчению некоторых баллиститных топлив и изменению их формы в корпусе РДТТ. При запуске такого РДТТ происходит разрушение шашки и закупорка критического сечения сопла.

Факторы, влияющие на величину скорости горения:

• Фракционный размер частиц окислителя и металлического горючего
• Состав топлива
• Влияние начальной температуры
• Влияние давления в камере сгорания
• Влияние технологических добавок
• Влияние скорости газового потока, обдувающего горящую поверхность топлива.

• В пиротехнических изделиях, в том числе, гражданского назначения, применяют дешёвый и надёжный дымный порох. Изделия небольшого размера (при умеренных удельном импульсе и максимальном давлении сгорания) сохраняют работоспособность практически бесконечно, если оберегать их от влаги и перепадов температуры.
• В твердотопливных ускорителях для запуска ракет и/или ракетах ближнего боя (ЗУР, НУРС, ПТУР, ПТРК), как правило, используются относительно дешёвые пороха на основе твёрдого раствора нитроцеллюлозы в нитроглицерине и/или других жидких нитроэфирах (динитрат диэтиленгликоля и др.).
• В крупных ракетах-носителях (к примеру: американских челноках), МБР и других требующих максимальной энергетики твердотопливных ракетах, как правило, применяются смесевые топлива. Так же, СТТ используют в некоторых ПКР и ЗУР, в связи с высоким удельным импульсом и долгим стабильным горением шашки.

Российские разработчики и производители твёрдого ракетного топлива[править | править код]

Топливо — Википедия

Эта статья описывает химические топлива; о ядерном топливе см. Ядерное топливо.

То́пливо в широком смысле слова — это вещество, способное выделять энергию в ходе определённых процессов, которую можно использовать для технических целей. Химическое топливо выделяет энергию в ходе экзотермических химических реакций при горении, ядерное топливо — в ходе ядерных реакций. Некоторые топлива (например, гомогенные пороха или твёрдые ракетные топлива) способны к самостоятельному горению в отсутствие окислителя. Однако большинство топлив, используемых в быту и в промышленности, требует для сжигания наличия кислорода, и такие топлива также могут называться горючими. Наиболее распространёнными горючими материалами являются органические топлива, в составе которых есть углерод и водород. Топлива подразделяются по агрегатному состоянию вещества на твёрдые, жидкие и газообразные, а по способу получения — на природные (уголь, нефть, газ) и искусственные. Ископаемые природные топлива служат основным источником энергии для современного общества. В 2010 году примерно 90 % всей энергии, производимой человечеством на Земле, добывалось сжиганием ископаемого топлива или биотоплива^[1], и, по прогнозам Управления энергетических исследований и разработок (США)^[en], эта доля не упадёт ниже 80 % до 2040 года при одновременном росте энергопотребления на 56 % в период с 2010 по 2040 годы^[2]. С этим связаны такие глобальные проблемы современной цивилизации, как истощение невозобновляемых энергоресурсов, загрязнение окружающей среды и глобальное потепление.

Понятие топлива возникло из способности некоторых веществ гореть, выделяя при этом тепло. В большинстве случаев горение является химической реакцией окисления, при этом для таких видов топлива, как, например, дерево (дрова) или бензин окислителем часто служит кислород воздуха. В качестве окислителя в специальных устройствах (например, ракетных двигателях) могут использоваться и другие вещества, например жидкий кислород. Фтор не используется как окислитель из-за очень высокой токсичности, озон — из-за токсичности и нестабильности.

Поскольку во многих устройствах в качестве окислителя используется кислород, потребляемый из окружающего воздуха без приложения специальных усилий («невидимый» окислитель), в быту происходит смешение понятий и горючее часто (и ошибочно) называют топливом.

Для преобразования тепловой энергии топлива в кинетическую используют различные виды тепловых двигателей.

Основной показатель топлива — теплотворная способность (теплота сгорания). Для целей сравнения видов топлива введено понятие условного топлива (теплота сгорания одного килограмма «условного топлива» (у. т.) составляет 29,3 МДж или 7000 ккал, что соответствует низшей теплотворной способности чистого антрацита).

Печное бытовое топливо предназначено для сжигания в отопительных установках небольшой мощности, расположенных непосредственно в жилых помещениях, а также в теплогенераторах средней мощности, используемых в сельском хозяйстве для приготовления кормов, сушки зерна, фруктов, консервирования и других целей.

Стандарт на котельное топливо — ГОСТ 10585-99 предусматривает выпуск четырёх его марок: флотских мазутов Ф-5 и Ф-12, которые по вязкости классифицируются как лёгкие топлива, топочных мазутов марки 40 — как среднее и марки 100 — тяжёлое топливо. Цифры указывают ориентировочную вязкость соответствующих марок мазутов при 50 °C.

Печное топливо тёмное вырабатывается из дизельных фракций прямой перегонки и вторичного происхождения — дистиллятов термического, каталитического крекинга и коксования.

По фракционному составу печное топливо может быть несколько тяжелее дизельного топлива по ГОСТ 305-82 (до 360 °C перегоняется до 90 процентов вместо 96 процентов, вязкость печного топлива до 8,0 мм²/с при 20 °C против 3,0-6,0 мм²/с дизельного).

При изготовлении печного топлива не нормируются цетановое и йодное числа, температура помутнения. При переработке сернистых нефтей массовая доля серы в топливе — до 1,1 процента.

Для улучшения низкотемпературных свойств печного топлива в промышленности применяют депрессорные присадки, синтезированные на основе сополимера этилена с винилацетатом.

Характеристики:

• 10 процентов перегоняется при температуре, С, не ниже 160;
• 90 процентов перегоняется при температуре, C, не выше 360;
• кинематическая вязкость при 20 °C, мм²/с, не более 8,0;
• температура вспышки в закрытом тигле, С, не ниже 45;
• массовая доля серы, процентов, не более: в малосернистом топливе 0,5, в сернистом топливе 1,1;
• испытание на медной пластинке выдерживает;
• кислотность, мг КОН/100 см³ топлива, не более 5,0;
• зольность, процентов, не более 0,02;
• коксуемость 10-процентного остатка, не более 0,35 процентов;
• содержание воды: следы;
• цвет: от светло-коричневого до чёрного;
• плотность при 20 °C, кг/м³: не нормируется, определение обязательно.

Твёрдые топлива[править | править код]

Жидкие топлива[править | править код]

Просты в транспортировке, но при этом велики потери при испарении, разливах и утечках.

Газообразные топлива[править | править код]

Более транспортабельны по сравнению с жидкими видами, при этом имеют ещё большие потери в испарении, а также при нормальных условиях ниже энергетическая плотность. Из-за низкой плотности газов энергозатраты на транспортировку на большие расстояния выше в сравнении с жидкими топливами, также выше стоимость газопровода в сравнении с нефтепроводом.

Дисперсные системы, растворы[править | править код]

Уровень и структура потребления топлива[править | править код]

Несмотря на огромное разнообразие видов топлива, основными источниками энергии остаются нефть, природный газ и уголь. Положение дел 100 лет назад было освещено Менделеевым. Первые два ископаемых топлива исчерпаемы в ближайшем будущем. Нефтяные топлива обладают особой ценностью для транспортных средств (основных потребителей энергии), в силу удобства перевозки, поэтому в настоящий момент ведутся исследования по использованию угля для выработки жидких топлив, в том числе и моторных. Также огромны запасы ядерного топлива, однако его использование накладывает высокие требования к безопасности, высокие затраты на подготовку, эксплуатацию и утилизацию топлива и попутных материалов.

Мировое потребление ископаемого топлива составляет около 12 млрд т у. т. в год. По данным BP Statistical review of World Energy 2003, за 2002 год потребление ископаемого топлива составило:

• В Европейском союзе (EU-15) — 1396 млн тонн нефтяного эквивалента (2,1 млрд т у. т.)
  • 45 % — нефть, 25 % — газ (природный), 16 % — уголь, 14 % — ядерное топливо
• В США — 2235 млн тонн нефтяного эквивалента (3,4 млрд т у. т.)
  • 40 % — нефть, 27 % — газ (природный), 26 % — уголь, 8 % — ядерное топливо

Доля возобновляемых источников энергии в энергобалансах

• Европы — 5 %
• США — 2 %

По приблизительным оценкам энергопотребление России составляет 1,3 млрд т у. т. в год.

• 6 % — ядерное топливо
• 4 % — возобновляемые источники

Динамика[править | править код]

За последние 20 лет мировое энергопотребление возросло на 30 % (и этот рост, по-видимому, продолжится в связи ростом потребности бурно развивающихся стран азиатского региона). В развитых странах за тот же период сильно изменилась структура потребления — произошло замещение части угля более экологичным газом (Европа и прежде всего Россия, где доля газа в потреблении составила до 40 %), а также возросла с 4 % до 10 % доля атомной энергии.

После приведения цифр стоит указать пример Австралии, в балансе которой солнечная энергетика занимает около 30 %. Эту долю потребляет солевая промышленность, вырабатывающая продукцию естественным испарением на солнце.

Обзор твердого топлива для печей, виды топлива для печей

При выборе печи или камина нужно отталкиваться не только от конструкции источника тепла, но и от типа топлива. Твёрдое топливо для разнотипных печей обычно используется при обогреве относительно небольшой площади. Существует несколько видов энергоисточников и масса подвидов. Рассмотрим особенности, преимущества и недостатки основных вариантов.

Рисунок 1. В качестве топлива — привычные дрова

Отопление классикой – дровами

Дрова – традиционный вариант, с которым сталкивался буквально каждый. Классические поленья постепенно вытесняются современной альтернативой. Но полностью сдавать позиции дровишки не намерены – у них всё еще немало преимуществ перед новинками.

Достоинства дров:

• характеристики, которые знакомы всем – от древесных заготовок знаешь, чего ждать;
• эстетическая составляющая; в каминах дрова используются не только в практических целях – многим потребителям по-прежнему важно характерное потрескивание в очаге; звуковое сопровождение – результат воздействия высокой температуры на оставшуюся в поленьях влагу; современные решения подобной эстетикой не балуют;
• относительно постоянные параметры; дрова могут отсыреть и покрыться плесенью, но им не свойственно рассыпаться даже при многолетнем хранении;
• дровяной пепел почти не пахнет.

Рисунок 2. Дрова в дровнице

Недостатки дров:

• необходимость в сухом месте для хранения – поленья не терпят высокий уровень влаги;
• разная форма и размеры (пусть даже близкие в этом плане) не способствуют удобству складирования;
• меньшее время сгорания, чем у древесных альтернатив;
• меньшая теплоотдача;
• разная интенсивность горения; обычно поленья определённое время разгораются, после чего следует кульминационное жароизлучение и затухание;
• большое количество золы – не менее 15%;
• дым;
• потенциальная угроза здоровью; дрова безопасны, но на сырых поленьях могут быть грибок и плесень, а они при сгорании могут источать токсичный дым.

Дрова бывают колотыми и пилеными. Но гораздо важнее характер древесины, от которого зависит её теплотворность. Приблизительные показатели различных древесных пород – в таблице.

Порода	Теплотворный потенциал, кВт/ч/кг
Лиственница	4,3
Ель	4,3
Сосна	4,3
Дуб	4,2
Бук	4,2
Граб	4,2
Ясень	4,2
Берёза	4,2

Брикеты (евродрова)

Рисунок 3. Евродрова в печи

Брикеты представляют собой топливо для печей, образованное путём прессования отходов деревообработки. При производстве в ход идут стружка, древесная пыль, щепки и т. п. Благодаря растительному связующему – лигнину – евродрова в обычных условиях надёжно держат форму и не рассыпаются.

Есть 3 вида евробрикетов.

Ruf

Рисунок 4. Евробрикеты Руф

Это самый популярный вариант, который уже несколько лет используют европейцы. После работы пресса остаются симпатичные практичные кирпичики. Они мало напоминают дрова, но характеризуются оптимальным соотношением качества и стоимости.

Pini Kay

Этот вид во многом похож на Руф, но в производственный цикл добавлен обжиг брикетов. Это позволяет увеличить эксплуатационный срок и устойчивость евродров к агрессии окружающей среды. Благодаря обжигу снаружи изделий образуется защитная оболочка.

Nestro

Комбинированный вид. В отличие от первых двух, имеет форму, схожую с обычными поленьями. Внутри элементов – сквозное отверстие. Наружного обжига нет.

Плюсы брикетов:

• большой срок горения – до 4-х раз больше, чем у традиционного варианта; преимущество обусловлено большей плотностью евродров;
• высокая теплоотдача – приблизительно вдвое выше, чем у поленьев;
• одинаковая интенсивность горения; в отличие от дров, прессованные блоки горят равномерно; причём, даже угольки способны отдавать такое же количество тепла, как и «свежий» брикет;
• почти полная безотходность – после сгорания блоков остаётся 1-3% золы;
• полезность золы; предыдущий плюс можно посчитать недостатком, поскольку отходы служат очень хорошим удобрением, в котором много калия;
• экологичность; брикеты не содержат никаких вредных веществ; более того, евродрова почти не дымят, а тот дым, который есть, не пахнет;
• экономия;
• удобство хранения и эксплуатации; блоки легко складировать, их требуется меньше, чем дров, после них не остаётся мусора – второстепенные, но тоже важные достоинства.

Рисунок 5. Евродрова с отверстием

Минусы евродров:

• при более высокой теплоотдаче жара блоки дают меньше, чем «классика»; это значит, что в качестве топлива для банной печи они не подходят;
• при неважных условиях хранения могут рассыпаться; причина – отличная влагостойкость; но в этом случае достоинство становится недостатком;
• вариативные характеристики, зависящие от производителей; нужно опробовать различные варианты, чтобы понять свои потребности и предпочтения; брикеты несколько разнятся плотностью и прочностью;
• остатки блоков отличаются не очень приятным запахом;
• исключительная практичность – в ущерб эстетической компоненте.

Пеллеты

Рисунок 6. Прессованные пеллеты для печей

Пеллеты – это небольшие топливные гранулы, которые тоже производят прессованием отходов деревообрабатывающей промышленности и других видов хозяйственной деятельности. Сперва исходники превращают в древесную пыль, затем тщательно просушивают и гранулируют в спецформах. Гранулы, в основном, используются в печах, которые рассчитаны именно на этот вид топлива.

В зависимости от сырья, пеллеты делят на такие виды:

• древесные – из отходов деревообработки;
• соломенные;
• гранулы, которые делают из шелухи подсолнухов;
• торфяные.

Рисунок 7. Горящие пеллеты

Достоинства топливных гранул аналогичны преимуществам евробрикетов. Но у пеллет есть и оригинальный плюс – мелкие габариты позволяют использовать их в котлах с автозагрузкой топлива.

Минус в том, что в большинстве случаев гранулы подходят только для оборудования, которое изначально рассчитано на гранулы. Хотя применение прессованных миниблоков возможно и в обычных печах. Но для этого требуется определённая модернизация агрегатов.

Читайте также — обзор пеллетных печей.

Уголь

Четвёртый вид твердого источника энергии. В основе полезного ископаемого – углерод. В меньшем количестве присутствуют иные химвещества. Состав привязан и к возрасту топлива:

• наиболее молодой – бурый вид;
• постарше – каменный;
• самый возрастной – антрацит.

Рисунок 8. Уголь антрацит

Читайте также — можно ли топить кирпичную печь углем?

От возраста зависит количество влаги – её больше всего в буром угле. Соответственно, и теплоотдача у этого варианта ниже.

Преимущество угля – в более высокой теплотворности. Недостатки:

• спекание в шлак, оседающий в большом количестве в колоснике печи; это снижает качество горения;
• неэкологичность; одна из составляющих угля – сера – в атмосфере преобразуется во вредную для здоровья серную кислоту;
• не самая высокая комфортность работы с углём.

Рисунок 9. Уголь в печи

Сравнительные характеристики различных видов топлива

В таблице приведены показатели теплотворности описанных видов топлива. Показатели усреднены, так как точные цифры зависят от производителя и подвидов.

Вид топлива	Термоспособность, ккал/кг
Древесный уголь	7500
Каменный уголь	7400
Евробрикеты Ruf	4500-4900
Пеллеты	4500
Дрова	От 2500

Заключение

У каждого варианта свои преимущества и недостатки. Какое топливо использовать, зависит от соотношения характеристик конкретного варианта и самой печи и стоимости источника энергии в определённом регионе. И, разумеется, от персональных предпочтений, ведь экономическая составляющая не одинока.

Основные виды топлива: твердые, жидкие и газообразные – характеристики

Все существующие виды топлива разделяются на твердые, жидкие и газообразные. Для нагрева используется также тепловое действие электрического тока и пылевидное топливо. Некоторые группы топлива, в свою очередь, делятся на две подгруппы, из которых одна представляет собой топливо в том виде, в каком оно добывается, и это топливо называется естественным; другая подгруппа — топливо, которое получается путем переработки естественного топлива; это топливо называется искусственным.

Твердое топливо:

• естественное – дрова, каменный уголь, антрацит, торф;
• искусственное – древесный уголь, кокс и пылевидное, которое получается из измельченных углей.

Жидкое топливо

• естественное – нефть;
• искусственное – бензин, керосин, мазут, смола.

• естественное – природный газ;
• искусственное – генераторный газ, получаемый при газификации различных видов твердого топлива (торфа, дров, каменного угля и др.), коксовальный, доменный, светильный и другие газы.

Все виды топлива состоят из одних и тех же элементов. Разница между видами топлива заключается в том, что эти элементы содержатся в топливе в различных количествах. Элементы, из которых состоит топливо, делятся на две группы. К первой группе относятся те элементы, которые горят сами или поддерживают горение. К таким элементам относятся углерод, водород и кислород. Ко второй группе элементов принадлежат те, которые сами не горят и не способствуют горению; к ним относятся азот и вода. Особо от названных элементов стоит сера. Она является горючим веществом и при горении выделяет тепло, но ее присутствие в топливе нежелательно, так как при горении серы выделяется сернистый газ, который переходит в нагреваемый металл и ухудшает его механические свойства.

Выше было сказано, что количество тепла, выделяемое топливом при сгорании, измеряется калориями. Каждое топливо при горении выделяет неодинаковое количество тепла. Количество тепла (калорий), которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или при сгорании 1 м3 газообразного, называется теплотворной способностью. Теплотворная способность различных видов топлива имеет широкие пределы. Например, для мазута теплотворная способность составляет около 10000 ккал/кг, для качественного каменного угля – 7000 ккал/кг и т. д. Чем выше теплотворная способность топлива, тем оно ценнее, так как для получения одного и того же количества тепла его потребуется меньше. Для сравнения тепловой ценности топлива применяется общая единица измерения. В качестве такой единицы принято топливо, имеющее теплотворную способность 7000 ккал/кг. Эта единица называется условным топливом.

Наибольшее распространение для сжигания в кузнечных печах находят следующие виды естественного топлива: бурый уголь, каменный уголь и газообразное топливо. Дрова и торф, обладая низкой теплотворной способностью, почти не пригодны для нагрева металла.

Бурые угли

Бурые угли представляют собой наиболее молодые сорта каменных углей. Золы в бурых углях содержится от 9 до 45%. Теплотворная способность от 2500 до 5000 ккал/кг. Только что добытый бурый уголь отличается большим содержанием влаги (до 60%). На воздухе бурый уголь теряет влагу, и содержание ее понижается до 30%. Под влиянием атмосферных условий эти угли быстро выветриваются и превращаются в мелочь. При длительном хранении бурые угли самозагораются. В чистом виде бурые угли лишь некоторых месторождений (карагандинское и др.) используются для кузнечных печей с полугазовыми топками, так как они не могут нагревать металл до необходимой температуры.

Каменный уголь

Каменный уголь – один из основных видов топлива для кузнечных печей. Образуется каменный уголь отложением растений в течение длительного времени. Образующиеся отложения со временем покрываются толстым слоем земли. Под большим давлением, при полном отсутствии воздуха, происходит разложение древесины и образование каменного угля. Процесс образования угля идет очень медленно и длится тысячелетия. В зависимости от длительности образования получаются разные сорта каменного угля с различной теплотворной способностью. Для кузнечных печей наиболее приемлемым является уголь с большим содержанием летучих, т. е. длиннопламенный и газовый. При длинном пламени создается возможность получения более равномерного нагрева металла в печи.

Газообразное топливо

Единственным естественным (природным) газом является «горючий газ», который выделяется из земли через естественные выходы или буровые скважины. Теплотворная способность нефтяного (природного) газа около 8000-8500 ккал/м3 и может доходить до 15000 ккал/м3. В настоящее время естественный газ находит широкое применение в промышленности и в быту, особенно в районах его образования. Среди искусственных видов топлива особое значение для кузнечного производства имеют кокс, древесный уголь, жидкое, газообразное и пылевидное топливо.

Кокс

Кокс получается из каменного угля обработкой в специальных коксовых печах без доступа воздуха. При этом выделяются летучие, образуя богатый по калорийности газ, называемый коксовым, который, в свою очередь, является хорошим топливом. Кокс содержит 87% углерода, 4% летучих веществ, 8% золы и 1-2% серы. Теплотворная способность кокса 5600-7000 ккал/кг. В кузнечном производстве кокс употребляется главным образом в горнах.

Древесный уголь

Древесный уголь выжигается из дров в специальных углевыжигательных печах и является лучшим топливом для кузнечных горнов. В древесном угле содержится очень мало золы и практически совсем не содержится серы. Однако ввиду дороговизны он употребляется редко. Древесный уголь содержит 84% углерода, 14% летучих и 2% золы. Теплотворная способность его 7000-8000 ккал/кг.

Жидкое топливо

Единственным жидким топливом естественного происхождения, имеющим промышленное значение, является нефть. Сырую нефть как топливо в печах не применяют, а применяют продукт ее переработки – мазут, т. е. остатки, получаемые после отгонки из нефти керосина и бензина. Мазут по составу не постоянен, чаще всего содержит углерода 84-86%, водорода 12,4%, кислорода + азота + серы 1,3%, золы 0,3 %, воды 1-2%. Теплотворная способность мазута 9500-10000 ккал/кг.

Газообразное топливо

Искусственное газообразное топливо получается путем газификации топлива в газогенераторах или как побочный продукт при других процессах, например, при коксовании – коксовальный газ, в доменном процессе-доменный газ. На металлургических заводах в специальных коксовальных печах вырабатывается кокс, который служит топливом для доменных печей. При этом как побочный продукт получается газ, который называется коксовальным. Теплотворная способность этого газа изменяется в пределах от 4000 до 5000 ккал/м3.

Для лучшего и более удобного использования твердого топлива его превращают в газ в специальных устройствах, которые называются газогенераторами. Например, из торфа получают торфяной генераторный газ, из каменного угля – каменноугольный генераторный газ и т. д.

Теплотворная способность генераторного газа зависит от вида топлива, из которого получен газ, и от способа газификации. Например, торфяной генераторный газ имеет теплотворную способность от 1500 до 1600 ккал/м3, каменноугольный генераторный газ – от 1200 до 1400 ккал/м3.

Пылеугольное топливо

Уголь для сжигания в нагревательных печах в виде пыли предварительно размалывается в специальных мельницах до частиц 0,07-0,05 мм. Сжиганием угольной пыли в печах достигается высокая температура нагрева металла.

Торф

Торф является химически и геологически наиболее молодым ископаемым твердым топливом и обладает высоким выходом летучих (Vг=70%), высокой влажностью (Wр=40-50%), умеренной зольностью (Aр=5-10%), низкой теплотой сгорания Qpn=8.38-10.47 МДж/кг (2000-2500 ккал/кг).

Сланцы

В Эстонии большое значение имеют горючие сланцы, добываемые открытым способом. Зольность сланцев очень большая и доходит до Aр=50-60%, влажность также повышенная Wр=l5-20%. Вследствие большого балласта их теплота сгорания низкая Qpn=5.87-10 МДж/кг (1400-2400 ккал/кг) при высокой теплоте сгорания горючей массы Qgn=27.2-33.5 МДж/кг (6500-8000 ккал/кг). Высокое содержание водорода в горючей массе Hг=7,5-9,5% обусловливает большой выход летучих у сланцев, достигающий 80-90%, и их легкую воспламеняемость. Топливо с высокой зольностью и влажностью вследствие большого содержания внешнего балласта целесообразно использовать вблизи места его добычи для уменьшения непроизводительных транспортных расходов на перевозку большой массы золы и влаги. В этом смысле такие топлива принято называть местными. К ним, в частности, относятся некоторые бурые угли, как, например, подмосковные, башкирские, украинские, торф и сланцы.

Мазут

Из жидких топлив в энергетике используется мазут трех марок — 40, 100 и 200. Марка определяется предельной вязкостью, составляющей при 80 °С для мазута 40 – 8,0; для мазута 100 – 15,6; для мазута 200 – 6,5-9,5 град. усл. вязкости (°УВ) при 100 °С. В мазуте содержится углерода 84-86% и водорода – 11-12%, содержание влаги не превышает 3-4%, а золы – 0,5%. Мазут имеет высокую теплоту сгорания Qpn=39.38-40.2 МДж/кг (9400-9600 ккал/кг).

По содержанию серы различают малосернистый мазут Sр?0,5%, сернистый – Sр до 2% и высокосернистый Sр до 3,5%; по вязкости – маловязкий и высоковязкий, содержащий смолистые вещества и парафин. Наиболее вязкие сорта мазута имеют температуру застывания 25-35 °С. В связи с этим при сжигании применяется предварительный нагрев вязких мазутов до температуры 80-120 °С.

Типы топок

Типы топок

Топочное устройство, или топка, являясь основным элементом котельного агрегата, предназначена для сжигания топлива с целью выделения заключенного в нем тепла и получения продуктов сгорания с возможно большей температурой, В то же время типы топок служат теплообменным устройством, в котором происходит теплоотдача излучением из зоны горения на более холодные окружающие поверхности нагрева котла, а также устройством для улавливания и удаления некоторой части очаговых остатков при сжигании твердого топлива.

Рис. 14. Схемы процессов сжигания топлива: а — слоевого, б — факельного, в — вихревого

По способу сжигания топлива топочные устройства делятся на слоевые и камерные. В слоевых топках осуществляется сжигание твердого кускового топлива в слое, в камерных топках — газообразного, жидкого и пылевидного топлива во взвешенном состоянии.

В современных котельных установках обычно используются три основных способа сжигания твердого топлива (рис. 14): слоевой, факельный, вихревой.

Слоевые топки. Типы топок, в которых производится слоевое сжигание кускового твердого топлива, называются слоевыми. Эта топка состоит из колосниковой решетки, поддерживающей слой кускового топлива, и топочного пространства, в котором сгорают горючие летучие вещества. Каждая топка предназначена для сжигания определенного вида топлива. Конструкции топок разнообразны, и каждая из них соответствует определенному способу сжигания. От размеров и конструкции топки зависят производительность и экономичность котельной установки.

Слоевые топки для сжигания разнообразных видов твердого топлива. Эти типы топок делят на внутренние и выносные, с горизонтальными и наклонными колосниковыми решетками. Топки, расположенные внутри обмуровки котла, называют внутренними, а расположенные за пределами обмуровки и дополнительно пристроенные к котлу, — выносными.

В зависимости от способа подачи топлива и организации обслуживания слоевые топки подразделяют на следующие типы топок: ручные, полумеханические и механизированные. Ручными топками называют те, в которых все три операции — подача топлива в топку, его шуровка и удаление шлака (очаговых остатков) из топки — производятся машинистом вручную.

Эти топки имеют горизонтальную колосниковую решетку.

Полу механическими топками называют те типы топок, в которых механизированы одна или две операции. К ним: относят шахтные с наклонными колосниковыми решетками, в которых топливо, загруженное в топку вручную, по мере прогорания нижних слоев перемещается по наклонным колосникам под действием собственной массы. Механизированными топками называют те, в которых подача топлива в топку, его шуровка и удаление из топки очаговых остатков производятся механическим приводом без ручного вмешательства машиниста. Топливо в топку поступает непрерывным потоком.

Рис. 15. Схемы топок дня сжигания твердого топлива в слое: а — с ручной горизонтальной колосниковой решеткой, б —  с забрасывателем на неподвижный слой, в — с шурующей планкой, г — с наклонной колосниковой  решеткой, д — вертикальной, е — с цепной решеткой прямого хода, ж — с цепной решеткой обратного хода с забрасывателем

Слоевые топки для сжигания твердого топлива (рис. 15). Типы топок делят на три класса: топки с неподвижной колосниковой решеткой и неподвижно лежащим на ней слоем топлива, к которым относят топку с ручной горизонтальной колосниковой решеткой (рис. 15, а и б).

На этой решетке можно сжигать все виды твердого топлива, но вследствие ручного обслуживания ее применяют под котлами паропроизводительностью до 1-2 т/ч. Топки с забрасывателями, в которые непрерывно механически загружают свежее топливо и разбрасывают его по поверхности колосниковой решетки, устанавливают под котлами паропроизводительностью до 6,5-10 т/ч;

топки с неподвижной колосниковой решеткой и перемещающимся по ней слоем топлива (рис. 15, в, г и д), к которым относят топки с шурующей планкой и топки с наклонной колосниковой решеткой. В топках с шурующей планкой топливо перемещается вдоль неподвижной горизонтальной колосниковой решетки специальной планкой особой формы, совершающей возвратно-поступательное движение по колосниковой решетке. Применяют их для сжигания бурых углей под котлами паропроизводительностью до 6,5 т/ч;

в топках с наклонной колосниковой решеткой свежее топливо, загруженное в топку сверху, по мере сгорания под действием силы тяжести сползает в нижнюю часть топки. Такие топки применяют для сжигания древесных отходов и торфа под котлами паропроизводительностью до 2,5 т/ч; скоростные шахтные топки системы В. В. Померанцева применяют для сжигания кускового торфа под котлами паропроизводительностью до 6,5 т/ч для сжигания древесных отходов под котлами паропроизводительностью 20 т/ч;

топки с движущимися механическими ценными колосниковыми решетками (рис. 15, е и ж) двух типов: прямого и обратного хода. Цепная решетка прямого хода движется от передней стенки в сторону задней стенки топки. Топливо на колосниковую решетку поступает самотеком. Цепная решетка обратного хода движется от задней к передней стенке топки. Топливо на колосниковую решетку подается забрасывателем. Топки с цепными колосниковыми решетками применяют для сжигания каменных, бурых углей и антрацитов под котлами паропроизводительностью от 10 до 35 т/ч.

Камерные (факельные) топки. Камерные топки (рис. 16) применяют для сжигания твердого, жидкого и газообразного топлива. При этом твердое топливо должно быть предварительно размолото в тонкий порошок в специальных пылеприготовительных установках — углеразмольных мельницах, а жидкое топливо — распылено на очень мелкие капли в мазутных форсунках. Газообразное топливо не требует предварительной подготовки.

Факельный способ позволяет сжигать с высокой надежностью и экономичностью самые различные и низкосортные виды топлива. Твердые топлива в пылевидном состоянии сжигают под котлами паропроизводительностью от 35 т/ч и выше, а жидкое и газообразное под котлами любой паропроизводительности.

Камерные (факельные) топки представляют собой прямоугольные камеры призматической формы, выполняемые из огнеупорного кирпича или огнеупорного бетона. Стены топочной камеры изнутри покрывают системой кипятильных труб — топочными водяными экранами. Они представляют собой эффективную поверхность нагрева котла, воспринимающую большое количество тепла, излучаемого факелом, в то же время предохраняют кладку топочной камеры от износа и разрушения под действием высокой температуры факела и расплавленных шлаков.

Рис. 16. Схемы камерных (факельных) топок:

а — для пылевидного топлива с твердым; шлакоудалением, б — для пылевидного топлива с жидким шлакоудалением, 1 — шлаковая холодная воронка, 2 и 8 — шлакоприемные устройства и ванна, 3 — горловина, 4 и 6 — топки, 5 — горелка, 7 — под, 9 — летка

По способу удаления шлака факельные топки для пылевидного топлива разделяют на два класса: с твердым и жидким шлакоудалением.

Камера топки с твердым шлакоудалением (рис. 16, а) снизу имеет воронкообразную форму, называемую холодной воронкой 1. Капли шлака, выпадающие из факела, падают в эту воронку, затвердевают вследствие более низкой температуры в воронке, гранулируются в отдельные зерна и через горловину 3 попадают в шлакоприемное устройство 2. Камеру топки 6 с жидким шлакоудалением (рис. 16, б) выполняют с горизонтальным или слегка наклонным подом 7, который в нижней части топочных экранов имеет тепловую изоляцию для поддержания температуры, превышающей температуру плавления золы. Расплавленный шлак, выпавший из факела на под, остается в расплавленном состоянии и вытекает из топки через летку  9 в шлакоприемную ванну 8, наполненную водой, затвердевает и растрескивается на мелкие частицы.

Топки с жидким шлакоудалением делят на однокамерные и двухкамерные.

В двухкамерных топка разделена на камеру горения топлива и камеру охлаждения продуктов горения. Камеру горения надежно покрывают тепловой изоляцией для создания максимальной температуры с целью надежного получения жидкого шлака.

Факельные топки для жидкого и газообразного топлива иногда выполняют с горизонтальным или слегка наклонным подом, который иногда не экранируют. Расположение горелок в топочной камере делают на передней и боковых стенках, а также по углам ее.

Горелки бывают прямоточными и завихривающими.

Способ сжигания топлива выбирается в зависимости от вида и рода топлива, а также паропроизводительности котельного агрегата.

Виды топлива. Классификация топлива (стр. 1 из 2)

ВИДЫ ТОПЛИВА. КЛАССИФИКАЦИЯ ТОПЛИВА

По определению Д.И.Менделеева, «топливом называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения теплоты».

В настоящее время термин «топливо» распространяется на все материалы, служащие источником энергии (например, ядерное топливо).

Топливо по происхождению делят на:

— природное топливо (уголь, торф, нефть, горючие сланцы, древесина и др.)

— искусственное топливо (моторное топливо, генераторный газ, кокс, брикеты и др.).

По своему агрегатному состоянию его делят на твёрдое, жидкое и газообразное топливо, а по своему назначению при использовании – на энергетическое, технологическое и бытовое. Наиболее высокие требования предъявляются к энергетическому топливу, а минимальные требования – к бытовому.

Твёрдое топливо – древесно-растительная масса, торф, сланцы, бурый уголь, каменный уголь.

Жидкое топливо – продукты переработки нефти (мазут).

Газообразное топливо – природный газ; газ, образующийся при переработке нефти, а также биогаз.

Ядерное топливо – расщепляющиеся (радиоактивные) вещества (уран, плутоний).

Органическое топливо, т.е. уголь, нефть, природный газ, составляет подавляющую часть всего энергопотребления. Образование органического топлива является результатом теплового, механического и биологического воздействия в течение многих столетий на останки растительного и животного мира, откладывающиеся во всех геологических формациях. Всё это топливо имеет углеродную основу, и энергия высвобождается из него, главным образом, в процессе образования диоксида углерода.

ТВЁРДОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Твёрдое топливо. Ископаемое твёрдое топливо (за исключением сланцев) является продуктом разложения органической массы растений. Самое молодое из них – торф – представляет собой плотную массу, образовавшуюся из перегнивших остатков болотных растений. Следующими по «возрасту» являются бурые угли – землистая или чёрная однородная масса, которая при длительном хранении на воздухе частично окисляется («выветривается») и рассыпается в порошок. Затем идут каменные угли, обладающие, как правило, повышенной прочностью и меньшей пористостью. Органическая масса наиболее старых из них – антрацитов – претерпела наибольшие изменения и на 93 % состоит из углерода. Антрацит отличается высокой твёрдостью.

Мировые геологические запасы угля, выраженные в условном топливе, оцениваются в 14000 млрд.тонн, из которых половина относится к достоверным (Азия – 63%, Америка – 27%). Наибольшими запасами угля располагают США и Россия. Значительные запасы имеются в ФРГ, Англии, Китае, на Украине и в Казахстане.

Всё количество угля можно представить в виде куба со стороной 21 км, из которого ежегодно изымается человеком «кубик» со стороной 1,8 км. При таких темпах потребления угля хватит примерно на 1000 лет. Но уголь – тяжёлое неудобное топливо, имеющее много минеральных примесей, что усложняет его использование. Запасы его распределены крайне неравномерно. Известнейшие месторождения угля: Донбасский (запасы угля 128 млрд.т.), Печорский (210 млрд.т.), Карагандинский (50 млрд.т.), Экибастузский (10 млрд.т.), Кузнецкий (600 млрд.т.), Канско-Ачинский (600 млрд.т.). Иркутский (70 млрд.т.) бассейны. Самые крупные в мире месторождения угля – Тунгусское (2300 млрд.т. – свыше 15% от мировых запасов) и Ленское (1800 млрд.т. – почти 13% от мировых запасов).

Добыча угля ведётся шахтным методом (глубиной от сотен метров до нескольких километров) или в виде открытых карьерных разработок. Уже на этапе добычи и транспортировки угля, применяя передовые технологии, можно добиться снижения потерь при транспортировке. Уменьшения зольности и влажности отгружаемого угля.

Возобновляемым твёрдым топливом является древесина. Доля её в энергобалансе мира сейчас чрезвычайно невелика, но в некоторых регионах древесина (а чаще её отходы) также используется в качестве топлива.

В качестве твёрдого топлива могут быть также использованы брикеты – механическая смесь угольной и торфяной мелочи со связующими веществами (битум и др.), спрессованная под давлением до 100 МПа в специальных прессах.

ЖИДКОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Жидкое топливо. Практически всё жидкое топливо пока получают путём переработки нефти. Нефть, жидкое горючее полезное ископаемое, представляет собой бурую жидкость, содержащую в растворе газообразные и легколетучие углеводороды. Она имеет своеобразный смоляной запах. При перегонке нефти получают ряд продуктов, имеющих важное техническое значение: бензин, керосин, смазочные масла, а также вазелин, применяемый в медицине и парфюмерии.

Сырую нефть нагревают до 300-370 °С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре tª: сжиженный газ (выход около 1%), бензиновую (около 15%, tª=30 — 180°С). Керосиновую (около 17 %, tª=120 — 135°С), дизельную (около 18 %, tª=180 — 350°С). Жидкий остаток с температурой начала кипения 330-350°С называется мазутом. Мазут, как и моторное топливо, представляет собой сложную смесь углеводородов, в состав которых входят, в основном, углерод (84-86 %) и водород (10-12%).

Мазут, получаемый из нефти ряда месторождений, может содержать много серы (до 4.3%), что резко усложняет защиту оборудования и окружающей среды при его сжигании.

Зольность мазута не должна превышать 0,14 %, а содержание воды должно быть не более 1,5 %. В состав золы входят соединения ванадия, никеля, железа и других металлов, поэтому её часто используют в качестве сырья для получения, например, ванадия.

В котлах котельных и электростанций обычно сжигают мазут, в бытовых отопительных установках – печное бытовое топливо (смесь средних фракций).

Мировые геологические запасы нефти оцениваются в 200 млрд. т., из которых 53 млрд.т. составляют достоверные запасы. Более половины всех достоверных запасов нефти расположено в странах Среднего и Ближнего Востока. В странах Западной Европы, где имеются высокоразвитые производства, сосредоточены относительно небольшие запасы нефти. Разведанные запасы нефти всё время увеличиваются. Прирост происходит в основном за счёт морских шельфов. Поэтому все имеющиеся в литературе оценки запасов нефти являются условными и характеризуют только порядок величин.

Общие запасы нефти в мире ниже, чем угля. Но нефть более удобное для использования топливо. Особенно в переработанном виде. После подъёма через скважину нефть направляется потребителям в основном по нефтепроводам, железной дорогой или танкерами. Поэтому в себестоимости нефти существенную часть имеет транспортная составляющая.

ГАЗООБРАЗНОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Газообразное топливо. К газообразному топливу относится, прежде всего, природный газ. Это газ, добываемый из чисто газовых месторождений, попутный газ нефтяных месторождений, газ конденсатных месторождений, шахтный метан и т.д. Основным его компонентом является метан СН₄; кроме того, в газе разных месторождений содержатся небольшие количества азота N₂, высших углеводородов СnНm , диоксида углерода СО₂ . В процессе добычи природного газа его очищают от сернистых соединений, но часть их (в основном сероводород) может оставаться.

При добыче нефти выделяется так называемый попутный газ, содержащий меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов и поэтому выделяющий при сгорании больше теплоты.

В промышленности и особенно в быту находит широкое распространение сжиженный газ, получаемый при первичной обработке нефти и попутных нефтяных газов. Выпускают технический пропан (не менее 93% С₃Н₈ + С₃Н₆), технический бутан (не менее 93% С₄Н₁₀ + С₄Н₈) и их смеси.

Мировые геологические запасы газа оцениваются в 140-170 триллионов м³.

Природный газ располагается в залежах, представляющих собой «купола» из водонепроницаемого слоя (типа глины), под которым в пористой среде (песчаник) под давлением находится газ, состоящий в основном из метана СН₄. На выходе из скважины газ очищается от песчаной взвеси, капель конденсата и других включений и подаётся на магистральный газопровод диаметром 0,5 – 1,5 м длиной несколько тысяч километров. Давление газа в газопроводе поддерживается на уровне 5 МПа при помощи компрессоров, установленных через каждые 100-150 м. Компрессоры вращаются газовыми турбинами, потребляющими газ. Общий расход газа на поддержание давления в газопроводе составляет 10-12% от всего прокачиваемого. Поэтому транспорт газообразного топлива весьма энергозатратен.

В последнее время в ряде мест всё большее применение находит биогаз – продукт анаэробной ферментации (сбраживания) органических отходов (навоза, растительных остатков, мусора, сточных вод и т.д.). В Китае на самых разных отбросах работают уже свыше миллиона фабрик биогаза (по данным ЮНЕСКО – до 7 млн.). В Японии источниками биогаза служат свалки предварительно отсортированного бытового мусора. «Фабрика», производительностью до 10-20 м³ газа в сутки. Обеспечивает топливом небольшую электростанцию мощностью 716 кВт.

Анаэробное сбраживание отходов крупных животноводческих комплексов позволяет решить чрезвычайно острую проблему загрязнения окружающей среды жидкими отходами путём превращения их в биогаз (примерно 1 куб.м в сутки на единицу крупного рогатого скота) и высококачественные удобрения.

Весьма перспективным видом топлива, обладающим в три раза большей удельной энергоёмкостью по сравнению с нефтью, является водород, научно-экспериментальные работы по изысканию экономичных способов промышленного преобразования которого активно ведутся в настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом. Запасы водорода неистощимы и не связаны с каким-то регионом планеты. Водород в связанном состоянии содержится в молекулах воды (Н₂О). При его сжигании образуется вода, не загрязняющая окружающую среду. Водород удобно хранить, распределять по трубопроводам и транспортировать без больших затрат.