Органическое топливо: виды, состав и классификация

В традиционной энергетике применяются 2 типа топлива – органическое и ядерное. Несмотря на то что со второй половины XX в. ядерная энергетика развивается очень активно, доля органического горючего в общей структуре преобладает. В настоящее время это основной источник для производства тепловой и электрической энергии. Всего человеком применяется около двухсот его видов, каждому из которых присущи свои характеристики и показатели.

Виды

Существует несколько классификаций органического топлива:

• По происхождению: естественное (природное); искусственное (получаемое при переработке природного).
• По области использования: энергетическое (для выработки электроэнергии и теплоты); технологическое (для производства различных промышленных продуктов).
• По физическому состоянию вещества (в скобках указаны наиболее распространенные): жидкое (мазут); твердое (ископаемые угли); газообразное (природный газ).
• По «сроку жизни»: возобновляемое (древесина, растения); условно возобновляемое, у которого период накопления в земной коре составляет несколько тысяч лет (торф); не возобновляемое (каменный уголь, сланцы, нефть, газ).

У невозобновляемых источников горючего период накопления во много раз превосходит предполагаемый срок потребления.

Природное горючее

Природные виды органического топлива подразделяют на следующие группы:

• Ископаемые (извлекаемые из недр): каменный и бурый уголь; природный газ; торф; антрацит; нефть; горючие сланцы и другие.
• Искусственные: бензин; керосин; сланцевое масло; топливные брикеты; древесный уголь; гидролизный лигнин; отходы пищевой, сельскохозяйственной и целлюлозно-бумажной промышленности; мазут; газовое топливо, получаемое в виде побочного продукта при переработке горючих сланцев, выплавке чугуна, пиролизе и других технологических процессах; отходы деревоперерабатывающих производств (сухие опилки, стружка, кусковые отходы).

Органическое топливо из отходов сельского хозяйства

Из сельскохозяйственных отходов чаще всего применяются следующие:

• лузга семян подсолнечника;
• шелуха гречки;
• лузга рисовая;
• солома.

Так как объем этих источников невелик, то они чаще всего используются в качестве топлива для местных котельных.

Происхождение

Согласно научным представлениям, все виды органического топлива образовались из растительных остатков и микроорганизмов, которые существовали от 500 тыс. до 500 млн лет назад. Их накопление происходило в тех участках земной коры, которые были защищены от активного окисления (мелководные прибрежные зоны водоемов, болота, дно морей). Химический состав этих остатков включает 4 основных элемента:

• углеводы;
• лигнин (межклеточное вещество высших растений);
• жироподобные вещества (смолы, воски, эфиры глицерина);
• белки.

Остатки высших растений и мхов, скапливавшиеся на заболоченных участках суши, стали основой для образования гумолитов (ископаемых углей), а микроводорослей и бактерий на дне водоемов – сапропелитов. Под воздействием высокого давления и температуры происходило преобразование органического вещества (углефикация).

Гумолиты с малой степенью углефикации называют бурыми углями. При более высокой температуре гуминовые кислоты превращались в нейтральные гумины. В каменном угле наблюдается полное отсутствие гуминовых кислот.

В сапропелитах в мягких условиях преимущественно протекали процессы полимеризации непредельных углеводородов с образованием горючих сланцев, при перегонке дающих большое количество смолы, сходной по составу с нефтью. Метаморфозы сапропеля при высоких температурах и каталитическом участии горных пород привели к образованию смеси углеводородов в жидком и газообразном состоянии (нефть, природный, попутный газ).

Твердое топливо

Твердое органическое топливо – это капиллярно-пористые гетерогенные материалы. Их структура содержит большое количество пор и трещин. Перед сжиганием на теплоэлектростанциях сырье измельчают на дробилках до размеров 15-25 мм (слоевое сжигание в котлах) или в пылевидное состояние для снижения потерь от недожога.

В основе жидкого и твердого органического топлива находятся 5 горючих химических элементов: C, H₂, O₂, S. Внешний (зольный остаток после горения, влага) и внутренний (азот и кислород) балласт ухудшает качество горючего.

Характеристики твердого топлива

Основные виды горючих органических топлив, их марки и краткая характеристика представлены в таблице ниже.

Влияние влаги

Большое содержание влаги затрудняет воспламенение горючих материалов, уменьшает температуру в топке, повышает потери тепла. Топлива, для которых характерен большой геологический возраст, имеют в своем составе мало воды (бурый уголь, торф).

Различают несколько видов влаги:

• сорбционная, скапливающаяся на границе твердой и газообразной фазы;
• капиллярная (поровая);
• поверхностная (обнаруживается на наружной поверхности кусков);
• гидратная (входит в состав кристаллогидратов).

Первые 3 вида влаги можно удалить из твердого органического топлива просушиванием при температуре 105 °С, последний – только посредством химических реакций при нагреве до 700-800 °С. При транспортировке и хранении на открытом воздухе содержание воды может значительно повышаться, ухудшая качество горючего.

Минеральные примеси

Во всех видах твердого топлива имеются минеральные примеси, в основном состоящие из следующих соединений:

• силикаты;
• сульфиды;
• углекислые соли Ca, Mg и Fe;
• фосфаты;
• хлориды;
• сульфаты кальция и железа.

В процессе горения органического топлива они подвергаются высокотемпературной трансформации, в результате которой остается твердая негорючая зола. Ее состав сильно отличается от исходных веществ из-за следующих реакций:

• превращение окисных солей железа в оксиды;
• дегидратация силикатных соединений;
• разложение карбонатов, выделение CO₂, образование оксидов;
• окисление сернистых соединений, выделение сернистого газа;
• испарение солей щелочных металлов.

Конечный состав зольного остатка зависит от условий сжигания органического топлива. При высоких температурах он может расплавиться и перейти в жидкое состояние (шлак). Часть золы удаляется из топок вместе с летучими продуктами сгорания, что приводит к загрязнению, зашлаковыванию и коррозионному износу топочного оборудования.

Термическое разложение

Твердое органическое топливо при сжигании проходит несколько стадий разложения:

• бертинирование (температура до 300 °С, выделяются углекислый и угарный газ, водород и углеводороды, пирогенетическая вода);
• полукоксование (400-450 °С, выделяется основной объем горючего газа);
• коксование (700-1100 °С, завершение процесса выхода летучих соединений).

Продукты сгорания органического топлива соответственно называют бертинатами, полукоксами, коксами.

Наименьшая теплота сгорания у высокозольных сланцев, влажного торфа и бурого угля, а наибольшая – у антрацитов. Низшая теплота сгорания, при которой водяные пары выходят в атмосферу, а не конденсируются, у твердых видов топлива составляет 4,6-26 МДж/кг.

Жидкое топливо

Жидкие органические топлива для энергетической промышленности получают из нефти с помощью ее термохимического разложения. Мазут используют на крупных объектах (ТЭС, котельные), а в бытовых целях применяют дистиллятные фракции нефтепродуктов (бензин, керосин, солярка, дизтопливо).

Мазут, как и нефть, представляет собой сложное коллоидное соединение. Его химический состав варьируется в следующих пределах (в процентах):

• углерод – 86-89;
• водород – 9,6-12;
• сера – 0,3-3,5;
• кислород и азот – 0,5-1,7.

Виды мазута

Классификация мазутов производится следующим образом:

• По содержанию серы: низкосернистые (<0,5%); малосернистые (0,5-1%); сернистые (1-2%); высокосернистые (2-3,5%).
• По вязкости (в скобках указаны марки): легкие или флотские (Ф5, Ф12); средние (40В, 40); тяжелые (100, 200 и 100В); угольные и сланцевые (образуются при переработке сланца и угля).

Теплота сгорания жидкого горючего варьируется в пределах 39-41 МДж/кг.

Газообразное топливо

Состав газообразного топлива включает следующие вещества:

• горючие (предельные углеводороды, H₂, CO, H₂S) и негорючие (диоксид углерода и серы, азот, кислород, воздух атмосферный) газы;
• водяные пары;
• смолы;
• пыль.

Наиболее широко используются следующие виды органического топлива:

• Природный газ. Основной компонент – метан. Перед потреблением газ осушают, обеспыливают, удаляют вредные примеси сероводорода.
• Попутный газ, выделяющийся при добыче нефти. Отделение от жидкой фазы углеводородов производится в сепараторах. Объемная доля метана меньше, чем в природном газе, а тяжелых углеводородов – выше. В связи с этим при горении органического топлива выделяется больше тепла.
• Сжиженный газ. Основные компоненты – пропан и бутан, а также примеси тяжелых углеводородов. При температуре 20 °С и атмосферном давлении он принимает газообразное состояние. При увеличении давления или уменьшении температуры газ переходит в жидкую фазу, что используется для его транспортировки. Сырьем для этого вида топлива служит попутный газ и газ, получаемый при переработке нефти.
• Коксовый газ. Представляет собой побочное вещество, образующееся при коксовании угля. Исходный продукт очищают от вредных примесей, аммиака, ароматических углеводородов. Выход составляет до 3000 кубометров из 1 т угля.
• Доменный газ. Образуется в результате взаимодействия кокса и железных руд при их продувке в доменных печах. Выход – 2200-3200 м³ на 1 т выплавляемого чугуна.

Теплота сгорания газового топлива зависит от его химического состава и находится в диапазоне 4-47 МДж/м³. Практически все виды горючих газов легче воздуха и при утечке скапливаются под перекрытиями. Наименьшая концентрация в смеси с воздухом, необходимая для воспламенения – у пентана (1,4% по объему).

Приведенные характеристики

Для сравнительного анализа свойств различных типов топлива используют приведенные характеристики, определяемые как отношение показателя качества рабочего топлива к его удельной низшей теплоте сгорания.

Основными приведенными расчетными показателями служат:

• влажность;
• зольность;
• содержание серы и азота.

В топливно-энергетической промышленности для сравнения эффективности применяемого топлива применяется также понятие условного топлива. Оно представляет собой горючее, у которого низшая удельная теплота сгорания в рабочем состоянии составляет 7000 ккал/кг. Для каждого вида топлива можно рассчитать безразмерный тепловой коэффициент в виде отношения собственной удельной теплоты сгорания к этой величине для условного топлива.

При полном сгорании органического топлива образуются трехатомные газы (углекислый и сернистый газ) и вода. Расход веществ (для 1 моля горючего), участвующих при сжигании, вычисляют по формулам исходя из условия, что прореагирует весь кислород, поданный вместе с воздухом. Такие уравнения называют материальным балансом горения.

В реальных условиях расчетные значения корректируют с помощью коэффициентов, так как для полного сжигания всегда требуется больше воздуха. Для определения температуры продуктов сгорания составляют тепловой баланс реакции окисления (в расчете на 1 кг жидкого или твердого органического топлива или на 1 м³ для газообразного). С точки зрения физики уравнение теплового баланса является не чем иным, как формой записи закона сохранения энергии.