Склад і характеристика органічного палива

Тверде та рідке паливо, що безпосередньо подають до енерго-технологічних установок для його наступного спалювання, називають робочим. До його складу входять: волога W^р, мінеральні домішки, що утворюють золу А^р, вуглець С^р, водень Н^р, сірку S^р, азот N^р, а також кисень О^р. Названі елементи утворюють у самому паливі складні сполуки у вигляді тривимірних природних сополімерів. У країнах СНД визначають так званий елементарний склад палива відповідно до співвідношення: W^р + А^р + С^р + Н^р + S^р + N^р + O^р = 100 %, де індекс «р» означає робочу масу відповідного елемента палива у відсотках. Волога W^р та зола А^р становлять зовнішній баласт палива, а азот N^р та кисень О^р – його внутрішній баласт.

Наявність баласту, особливо зовнішнього, знижує енергетичну цінність палива.

Вміст вологи та золи в паливі залежить від його виду (табл. 9.3). Найсухішими є напівантрацити (W^р < 5 %), антрацити (5 % < W^р < 10 %) та кам’яне вугілля (5 % < W^р < 17 %). Буре вугілля, торф (а також деревина) мають найбільшу вологість (до 40 % та більше).

Таблиця 9.3 - Основні характеристики палива, що видобувають в Україні

Види палива	Основні характеристики
Вихід летких , %	Уміст сірки Sp, %	Вологість Wp, %	Зольність Ap, %	Теплота згорання , МДж/кг
Торф	³70	0,1–0,2	30–50	5–23	10,5–14,6
Буре вугілля	>40	0–8	30–40	15–30	10,0–17,0
Кам’яне вугілля	9–50	0–8	5–17	18–30	24,0–29,0
Антрацити	2–9	0–8	5–10	<5	~26,0
Напівантрацити	5–9	0–8	<5	<5	28–30

Найменший уміст золи в антрациті та напівантрациті (А^р < 5 %),
в окремих видах торфу, а також в деревині. У бурому та кам’яному вугіллі вміст золи може сягати 30 % від робочої маси палива та більше.

Уміст кисню в паливі змінюється від 1–2 % (мазут та антрацит) до 15 % (буре вугілля) – 40 % (деревина).

Уміст азоту в твердому паливі не перевищує 1–2 %.

Тепловий ефект або теплота згорання органічного палива залежить від співвідношення між баластом та горючою масою. Горючою масою палива називають ту його частину, яка не має фізичної вологи W^р та золи А^р. Склад горючої маси палива визначається співвідношенням: С^г + Н^г + S^г + N^г + O^г = 100 %. Крім внутрішнього баласту N^г та O^г до складу горючої маси входить вуглець С^г, водень Н^г та сірка S^г.

Основна складова – вуглець: чим вищий його вміст, тим більше теплоти виділяється під час згорання палива. Зі збільшенням віку палива вміст вуглецю зростає, водню – зменшується.

Якщо вуглець згорає повністю, то утворюється діоксид вуглецю СО₂
і виділяється 32,8 МДж теплоти на 1 кг вуглецю. Якщо процес горіння погано організовано (наприклад, недостає кисню), то продуктом згорання є токсичний оксид вуглецю СО і виділяється всього 9,2 МДж теплоти на
1 кг вуглецю. Уміст вуглецю у твердому паливі – 25–93 % на робочу масу, у мазуті – 83–88 %.

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

Третій горючий елемент – сірка: органічна (у сполуках з воднем, вуглецем, азотом і киснем) – S_ор, колчеданна (у сполуках із залізом) – S_кол, сульфатна (у вигляді солей сірчаної кислоти CaSO₄, MgSO₄, FeSO₄ та ін.) – S_c.

Властивості твердого палива як горючого матеріалу визначаються його складовими в сухому беззольному стані: А^с + С^с + Н^с + S^с + N^с + O^с = 100 %.

До сухої маси палива входить органічна та колчеданна сірка (S^с = + ).

Якщо колчеданна маса сірки дорівнює нулеві ( = 0), то суху масу палива називають органічною.

Сульфатна сірка не є горючою складовою і входить до складу мінераль­них негорючих домішок.

Уміст 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. Їх викиди
з продуктами згорання забруднюють повітряний басейн, а в сполученні
з водою (водяними парами) є причиною кислотних дощів через утворення відповідних кислот – H₂SO₃ і H₂SO₄.

Уміст азоту в сухому беззольному стані твердого палива зазвичай становить 1–2 % від маси загальної. Незважаючи на малу кількість, азот – дуже шкідливий компонент, оскільки, згораючи у високотемпературних топках, азотовмісні сполуки утворюють сильнотоксичні паливні оксиди азоту NO та NO₂ (при температурі понад 1200 °С вони утворюються також з атмосферного азоту).

Зовнішнім баластом палива є вологість W і азот N. Фізична 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 потрібно 2,5 МДж теплоти).

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

Важливою характеристикою органічного палива є вихід летких речовин (для твердого палива).

Вихід летких речовин у відсотках до сухого беззольного стану визначають, нагрівши 1 кг палива в закритому тиглі без доступу повітря при температурі 850 ± 10 °С протягом 7 хв, у результаті чого утворюються гази, водяні пари і коксовий залишок. Чим більший вихід летких речовин, тобто чим більше сухої беззольної маси перетворюється у процесі нагрівання на горючий газ, тим простіше запалити це паливо і легше підтримати процес горіння. Органічна частина деревини і горючих сланців
у процесі нагрівання майже цілком переходить у леткі речовини ( = 70–85 %), у той час як в антрацитах = 3–6 % (див. табл. 9.3).

Визначаючи склад твердого і рідкого палива, використовують загальний підхід. Однак якщо для рідкого палива враховують лише органічну сірку (наприклад, що входить до складу метилмеркаптану СН₃S), то в складі твердого палива враховують як органічну S_ор, так і колчеданну сір­ку S_кол. Остання може входити до складу різних сполук: магнітного колчедану Fe, мідного колчедану CuFeS₂ та ін. Відомі технології попереднього очищення твердого палива від колчеданної сірки, що дозволяє вирішувати проблеми безпеки на стадії підготовки палива до спалювання.

Елементарний склад твердого палива значною мірою залежить від родовища, марки та інших показників. Приблизний склад деякого твердого енергетичного палива наведено у табл. 9.4.

Таблиця 9.4 - Елементарний склад твердого енергетичного палива

Басейн	Мар-ка	Склад робочої маси, %	, %
Wp	Ap		Sор	Cp	Hp	Np	Op
Донецький	Д	13,0	24,4	1,8	1,3	47,0	3,4	1,0	8,1	45,0
Г	10,0	25,2	2,1	1,1	51,2	3,6	0,9	5,9	40,0
ОС	5,0	23,8	2,1	0,7	61,9	3,2	1,1	2,2	19,0
Т	6,0	25,4	1,6	0,8	61,1	2,9	1,0	1,2	12,0
Львівсько-Волинський	Г	10,0	22,5	2,1	0,9	53,3	3,5	1,0	6,7	39,0
ГЖ	8,0	32,5	2,1	0,7	48,7	3,3	0,7	4,3	36,0
Підмосковний	Б2	32,0	28,6	1,7	1,0	26,0	2,1	0,4	8,2	48,0
Кузнецький	Д	12,0	13,2	0,4	0,4	58,6	4,2	1,9	9,7	42,0
Г	8,0	14,3	0,5	0,5	63,3	4,4	2,1	7,4	40,5
ОС	6,0	14,1	0,6	0,6	72,5	3,4	1,7	1,7	14,5

Кам’яне вугілля підрозділяють на такі марки: довгополуменеве, газове, спільне спікливе, газове масне, масне, коксівне, пісне, слабоспікливе. Зміна елементарного складу визначає вибір технології спалювання палива, його енергетичні показники й екологічні характеристики топкового процесу.

Щоб систематизувати енергетичне паливо за складом та його енергетичними і фізичними характеристиками, застосовують різні системи класифікації. Відповідно до міжнародної класифікації передбачено розподіл вугілля на класи, групи і підгрупи. Класи розрізняють за виходом летких речовин на горючу масу, а якщо їх більше 33 %, то за теплотою згорання вологого беззольного палива. Усього встановлено 11 класів, кожний з них поділяють на чотири групи залежно від спікливості. Кожну групу – на сім підгруп за коксівністю. Така класифікація передбачає використання визначальної сітки з 308 позицій, що ускладнює її використання. Тому окремі країни використовують свої системи класифікації твердого енергетичного палива. Так, у США вугілля підрозділяють на чотири основні класи – антрацит, бітумінозне, суббітумінозне і лігніти, які, у свою чергу, підрозділяють на різні групи.

В Україні для класифікації вугілля використовують систему, спільну для всіх країн СНД. Відповідно до цієї системи вугілля поділяють на три основні види: буре, кам’яне, антрацит.

Буре вугілля характеризується тим, що вища теплота згорання вологої беззольної маси становить менше 24 МДж/кг. Залежно від умісту вологи буре вугілля поділяють на три групи: Б1 – уміст вологи більше 40 %, Б2 – від 30 до 40 %, Б3 – менше 30 %.

Для кам’яного вугілля вища теплота згорання вологої беззольної маси становить більше 24 МДж/кг, а вихід летких речовин під час нагрівання – більше 9 %. Антрацит відзначається малим виходом летких речовин (А^р < 9 %).

Теплота згорання – кількість теплоти, що виділяється під час повного згорання 1 кг (1 м³) палива. Розрізняють вищу робочу і нижчу робочу теплоту згорання.

Вища теплота згорання – кількість теплоти, що виділяється під час повного згорання 1 кг твердого, рідкого або 1 м³ газоподібного палива, причому водяна пара, що міститься в продуктах згорання, знаходиться у стані рідини. Нижча теплота згорання менша за вищу на кількість теплоти, витраченої на перетворення вологи в продуктах згорання з фази рідини на водяну пару.

У країнах СНД нижчу теплоту згорання твердого або рідкого палива підраховують за робочою масою палива відповідно до формули Д. І. Мен­делєєва у кілоджоулях на кілограм

= 339С^р + 1 025Н^р – 108,5(О^р – S^р) – 25W^р.

Для порівняльних розрахунків різного палива використовують поняття умовного палива.

Умовне паливо – паливо, теплота згорання якого становить 29,35 МДж/кг (7 000 ккал/кг). Дійсні витрати натурального палива у вит­рату умовного переводять множенням витрати цього палива на його еквівалент Е = /29,35 за формулою

В^у/В = /29,35.

Максимальна нижча теплота згорання твердого палива доходить до = 28 МДж/кг, мінімальна становить 10 МДж/кг і нижче (залежно від умісту баласту). Теплота згорання безводних мазутів становить = 39...41,5 МДж/кг.

Штучне рідке паливо отримують, переробляючи нафту. Сиру нафту нагрівають до 300..370 °С, після чого отримані пари розділяють на фракції, що конденсуються при різній температурі t_к: зріджений газ (вихід до 1 %), бензинову (до 15 %, t_к = 30...180 °С), гасову (до 17 %, t_к = 120...135 °С), дизельну (близько 18 %, t_к = 180...350 °С). Рідкий залишок з температурою початку кипіння 330...350 °С називають мазутом. Зазначені фракції та залишки у вигляді смол слугують вихідною сировиною для одержання бітуму, гудрону, мастильних матеріалів і (у разі глибокої переробки) палива для двигунів внутрішнього згорання і газотурбінних установок.

Рідке та тверде вуглеводневе паливо являє собою складні композиції різних елементів. Тому у розрахунках, пов’язаних із спалюванням цього палива, до уваги беруть його елементарний склад у вигляді суми окремих елементів (табл. 9.3-9.5).

Таблиця 9.5 - Характеристика елементарного складу енергетичного рідкого палива

Дотепер мазут залишається основним рідким енергетичним паливом. Він являє собою складну суміш вуглеводнів, до складу яких входять вуглець (С^р = 84–88 %) і водень (H^p = 10–12 %). Це забезпечує високу теплоту згорання мазуту ( = 40...41 МДж/кг). Баласт мазуту невисокий: А^р = 0,2–0,3 %; W^р = 0,1–1 %. До складу мінеральних домішок А^р входять сполуки ванадію, нікелю, заліза та інших металів. Одним з основних показників мазуту є в’язкість (зумовлює можливість його розпилювання залежно від температури) і сірчистість (визначається вмістом сірки: малосірчисті (S^г < 0,5 %), середньосірчисті (S^г< 2 %) і високосірчисті (S^г > 3,5 %). Мазути можуть містити сірки до 4,3 %, що різко ускладнює захист навколишнього середовища, а також устаткування – через кислотну корозію газоходів та обладнання.

Найпоширенішим газоподібним паливом є природний газ, основним компонентом якого (85–98 %) є метан СН₄. До складу природного газу також входять такі горючі складові: важкі вуглеводні С_nH_m, водень Н₂, сірководень Н₂S монооксид вуглецю СО баластні гази: СО₂, N₂, SO₂, H₂O та кисень O₂. Теплота згорання природного газу – 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 актуальною є проблема його повного використання в енергетиці і промисловості.

У промисловості й особливо в побуті широко застосовують зріджений газ, отриманий у результаті первинної переробки нафти і супутніх нафтових газів: технічний пропан (не менше 93 % С₄Н₈ та невелика кількість етану + (С₃Н₆)), технічний бутан (не менше 93 % С₄Н₁₀ та невелика кількість пропану + (С₄Н₈)) та їх суміші.

На металургійних заводах у вигляді супутніх продуктів одержують коксовий і доменний гази, які застосовують для технологічних апаратів і опалення печей. Іноді (після очищення від сірчистих сполук) коксовий газ використовують для побутового газопостачання. Однак через великий уміст 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. Однак при цьому треба мати на увазі, що концентрація метану в суміші з повітрям в діапазоні 5–15 % є вибухонебезпечною.

В останні роки в Україні знову відродився інтерес до газів, що утворюються газифікацією твердого палива.

У всьому світі все більше застосовують так званий біогаз – продукт анаеробної ферментації (зброжування) органічних відходів (гною, рослинних залишків, сміття, стічних вод тощо). Конструкція невеликого ферментатора гранично проста: тепло- і гідроізольована яма з гідрозатвором, заповнена розрідженою сировиною (вологість 88–94 %) із плаваючим у ній дзвоном-акумулятором для виведення газу. З 1 м³ об’єму при температурі 30...40 °С можна одержати близько 1 м³ газу, що складається переважно з метану і діоксиду вуглецю з невеликими домішками сірководню, азоту і водню. Рідкі відходи, що утворюються в процесі ферментації, використовують як високоякісні добрива, що містять удвічі більше зв’язаного азоту, ніж вихідна сировина.

Анаеробне зброджування відходів великих тваринницьких комплексів дозволяє вирішувати надзвичайно гостру проблему забруднення нав­колишнього середовища рідкими відходами перетворенням їх на біогаз
і високоякісні добрива.

Контрольні запитання

1. Природні ресурси: визначення, класифікація і розміщення.

2. Викопне органічне паливо. Його класифікація, розміщення і перспектива використання.

3. Склад і характеристика органічного палива.

4. Вихід літних речовин. Вища і нижча теплота згорання. Умовне паливо.