Топливно-энергетические ресурсы. Виды топлива - газообразное топливо

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 С02. 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 переработке 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 подается 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 100150 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 все 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 путем 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 энергоемкостью 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 (Н20). При его сжигании образуется вода, не загрязняющая окружающую среду. Водород удобно хранить, распределять по трубопроводам и транспортировать без больших затрат.

В настоящее время водород в основном получают из природного газа, в ближайшем будущем его можно будет получать в процессе газификации угля. Для получения химической энергии водорода используется также процесс электролиза. Последний способ имеет значительное преимущество, так как приводит к обогащению кислородом окружающей среды. Широкое применение водородного топлива может решить три актуальные проблемы:

1. уменьшить потребление органического и ядерного топлива,
2. удовлетворить возрастающие потребности в энергии,
3. снизить загрязнение окружающей среды.

Ядерное топливо. Единственный природный вид ядерного топлива тяжелые ядра урана и тория. Энергия в виде теплоты высвобождается под действием медленных нейтронов при делении изотопа 235U, который составляет в природном уране 1/140 часть. В качестве сырья могут использоваться 238U и 232Тh, которые при облучении нейтронами превращаются в новое ядерное топливо соответственно 239U и 239Th. При делении всех ядер, содержащихся в 1 кг урана, выделяется энергия 2-107 кВтч, что эквивалентно 2,5 тыс. т высококачественного каменного угля с теплотой сгорания 35 МДж/кг (8373 ккал/кг).

Соотношение и калорийность топлива

Твердое и жидкое топливо в общем случае состоит из углерода водорода, серы, кислорода, азота, минеральных примесей А и влаги W (табл. 9.3.1). Состав топлива в рабочем состоянии, в том виде, в котором оно сжигается, выражается следующим образом:

Если из рассмотрения исключить влагу, такое топливо перейдет в сухое состояние. Состав его записывается с индексом «с». Состав топлива как горючего материала, не содержащего минеральные примеси и влагу, определяется в сухом беззольном (горючем) состоянии и записывается с индексом «r».

Собственно горючими в органическом топливе являются углерод, водород и сера. Чем выше содержание углерода в топливе, тем больше выделяется теплоты при его сгорании, С увеличением возраста топлива содержание углерода увеличивается (от 40 % у древесины до 93' % у антрацита), а водорода уменьшается (от 6 до 2 %). Кислород, как и остальные элементы, содержится в виде сложных органических соединений. Чем больше в них кислорода, тем большая доля водорода и углерода топлива химически связана с ним, то есть фактически сгорела, и тем меньше выделится теплоты при сгорании единицы массы топлива. С увеличением возраста топлива Ор уменьшается от 42 % у древесины до 2 % у антрацита.

При полном сгорании углерода образуется относительно безвредный диоксид углерода С02 и выделяется 32,8 МДж теплоты на 1 кг углерода. При неправильной организации процесса горения (обычно при недостатке воздуха) продуктом сгорания является очень токсичный оксид углерода СО и выделяется всего 9,2 МДж теплоты.

При сгорании серы образуется токсичный сернистый ангидрид S02; и в небольших количествах; еще более токсичный серный ангидрид S03, Выброс их с продуктами сгорания вызывает загрязнение воздушного бассейна. Количество серы, входящей в состав органической массы топлива; не зависит от возраста угля и различно в углях разных месторождений (от 1% в углях восточных районов России до 6—9% в украинских и некоторых других углях).

Содержание азота в сухом беззольном состоянии твердого топлива обычно составляет 1—2% по массе. Несмотря на столь малое количество, азот является весьма вредным компонентом, поскольку при сгорании азотсодержащих компонентов в высокотемпературных топках образуются сильно токсичные оксиды N0 и диоксиды N02.

Максимальная влажность в рабочем состоянии доходит до 50% й более и определяет экономическую целесообразность использования данного горючего материала и возможность его сжигания, поскольку для превращения Г кг воды, взятой при нуле гр, в пар комнатной температуры нужно затратить примерно 2,5 МДж теплоты.

Зола включает в себя минеральные примеси, занесенные водой и ветром в период образования пластов топлива, и просто частицы породы, захватываемые вместе с ним при добыче. Небольшое количество минеральных примесей (не более 1-2%) входит в состав растений, из которых образовалось топливо.

В соответствии с существующими санитарными нормами, образующуюся при сгорании топлива золу необходимо улавливать. Транспортировка ее в отвалы усложняет и удорожает производство, поэтому ее стараются использовать в народном хозяйстве (добавка к цементу, раскисление почв).

Зола и шлак (спекшаяся зола) оказывают большое влияние на КПД топочного оборудования (загрязнение, зашлаковка) и его надежность работы (пережог труб и пр.).

Встречается твердое топливо (прежде всего древесина, торф, угли некоторых пластов), зольность которого в сухом состоянии не превышает 10%. Максимальное значение зольности доходит до 50% и более. Поскольку большая часть золы не связана с органической массой, зольность можно существенно уменьшить путем обогащения, то есть отделения пустой породы. Процесс этот достаточно дорогой, поэтому применяется главным образом для углей, предназначенных для коксования. Отходы обогащения часто используют в энергетике в качестве топлива.

Важной характеристикой, влияющей на процесс горения твердого топлива, является выход летучих веществ (убыль массы топлива при нагреве его без кислорода при 850 С в течение 7 мин). По этому признаку угли делятся на: бурые (выход летучих веществ более 40%), каменные (10—40%), антрациты (меньше 10%). У древесины выход летучих веществ составляет 85—90%.

На определенной стадии разложения органической массы при нагревании она может становиться вязкой, текучей, пластичной. При дальнейшем разложении пластичная масса снова затвердевает. В зависимости от того, происходит пластификация или нет и какова степень ее, коксовый остаток может быть твердым спекшимся или рыхлым рассыпающимся. В первом случае угли относятся к разряду коксующихся. Запасы таких углей относительно невелики, они весьма дефицитны и используются только для получения металлургического кокса.

В энергетических и технологических установках сжигают только угли, непригодные, для получения кокса, или коксовые отсевы мельче 10 мм и отходы углеобогащения.

Основной характеристикой топлива является теплота сгорания (теплотворная способность)количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы топлива. Теплоту Сгорания твердого (Q) жидкого топлива обычно относят к 1 кг, а газообразного к 1 м3 (в нормальных условиях) на рабочее, сухое или сухое беззольное состояние.

Теплоту сгорания топлива определяют экспериментально. Для этого служат специальные приборы калориметры.

Различают высшую Qpb и низшую Qph теплоту сгорания. В первом случае учитывается теплота конденсации водяных паров, образовавшихся в процессе горения. Считается, что все количество водяных паров, которое получается при сжигании единицы топлива, будет полностью сконденсировано. Во втором случае величина энтальпии водяных паров не учитывается.

В таблице 9.3.1 приведены усредненные характеристики твердых и жидких видов топлива как по составу, так и по теплоте сгорания, Представленные данные характеризуют связь состава топлива с теплотой сгорания. Чем выше в топливе содержание горючих компонентов, тем больше значение теплоты сгорания.

Таблица 9.3.1. Состав и теплота сгорания топлива

Вид	Состав топлива, %							Q,
топлива	С	Н	N	О	S	А	W	ккал/кг
Древе­сина	48-52	6-7	0,1-0,6	43-45	-	-	60-100	2990
Торф	25-60	2,6-6	1,1-3,0	15-40	-	6-50	0-95	1910-5000
Бурый уголь	55-60	4-6,5		15-30	-	9-50	35-62	4620-7420
Антра­цит	94-97	1-3	1,0	3,0		-	-	8200
Нефть	82-87	11-14	0,7-1,8		0,1-5,5	0,3	0,4	10740
Мазут	87,5	10,7	0,7		0,6	0,3	0,2-4,0	9640-9880

Теплоту сгорания газообразного топлива обычно относят к 1 м3 сухого газа в нормальных условиях и, рассчитывают через теплоту сгорания составляющих его компонентов. Значения теплоты сгорания основного газообразного топлива приведены в таблице 9.3.2.

Таблица 9.3.2. Состав (%) и теплота сгорания горючих газов (ориентировочно)

Оценка эффективности использования топлива при его сжигании в Беларуси и странах СНГ основана на низшей теплоте сгорания Qph. В США, Англии на высшей теплоте сгорания. В других странах Западной Европы как на низшей, так и на высшей. Энергетические характеристики

некоторых видов топлива с учетом Qpb и Qph даны в таблице 9.3.3. Из таблицы видно, что наибольший эффект от использования Qpb по сравнению с Qph достигается при использовании природного газа, когда экономия топлива равна 11%, а минимальный эффект соответствует легкому жидкому топливу и равен 6%.

Таблица 9.3.3. Эффект от использования высшей теплоты сгорания топлива

Применение топливоиспользующих энергоустановок с охлаждением дымовых газов ниже точки росы, когда полезно используется теплота конденсации водяных паров, позволяет достичь энергосберегающего эффекта.