Состав топлива

Состав рабочего топлива

Топливо, расходуемое на сжигание в топках котлов или печей, называется рабочим топливом. Если мы отберем пробу рабочего топлива и исследуем ее в химической лаборатории, определив элементарный состав, то получим следующее равенство:

C^р+H^p+O^p+N^p+S_л^р+А^p+W^р= 100%, (1), где индексом "р" отмечается рабочее топливо.

Эта характеристика рабочего состава топлива дается в процентах к весу. Указанные элементы не являются механической смесью, они находятся в топливе в виде сложных соединений.

Горючими элементами топлива являются С^р, Н^р и S_л^р - углерод, водород и летучая горючая сера - в отличие от серы негорючей, входящей в состав минеральных негорючих примесей топлива, образующих после его сжигания золу А^р. Чем больше процентное содержание горючих элементов в топливе, тем выше его теплотворная способность - величина, указывающая количество больших калорий, выделяемых при сжигании 1 кг топлива.

О^р - кислород, находящийся в топливе; тепла, как известно, не выделяет.

N^p - азот, находящийся в топливе; элемент инертный, не участвующий в реакциях горения. Из топлива азот попадает в отходящие газы и примешивается к азоту воздуха, подаваемого для горения. Азот и кислород называются внутренним балластом топлива в отличие от балласта внешнего, к которому относятся зола и влага.

Зола А^р - это негорючая минеральная часть состава топлива; в нее входят по преимуществу соли щелочных и щелочно-земельных металлов, окислы кремния, железа, алюминия и пр., а также и минеральная сульфатная сера в соединениях CaS0₄ и MgS0₄.

Накопление золы в ископаемом топливе происходит не сразу, а в три периода. Сначала появляется так называемая зола внутренняя (первичная), находившаяся в растениях, послуживших материалом для образования торфяников, а впоследствии и угольных пластов. Затем количество золы в топливе увеличивается за счет заноса земли и песка ветром и водой (вторичная зола). И, наконец, зола в топливо попадает при его добыче от загрязнения породой (третичная зола).

Общая сера, находящаяся в топливе, разбивается на дие части - горючую и негорючую S_об^p = S^р_л+S_м^p. Минеральная сера входит в состав золы, а летучая в свою очередь может быть расчленена на две составляющие:

S^p_л=S^р_о+S^p_к

где S^р_o - органическая сера, входящая в состав основного ядра топлива, его материнского вещества;

S^р_к - сера колчеданная, находящаяся в соединении с железом (FeS₂ - серный колчедан), вкрапленная в топлива до известной степени случайно и в значительной степени поддающаяся отбору при сортировке топлива.

Сера в топливе, невзирая на то, что часть ее сгорает, считается примесью нежелательной, так как продукты ее сгорания вредно действуют на котельную установку и загрязняют окружающий воздух.

Влага в топливе W^p - также примесь балластная, ее наличие особенно сильно сказывается в смысле снижения теплового эффекта горения, так как мало того, что вода своим присутствием уменьшает долю горючих элементов в единице веса топлива, она при горении топлива испаряется, отнимая на это часть тепла реакции.

Находящаяся в топливе влага подразделяется на внешнюю и гигроскопическую. Находясь в сухом месте, топливо теряет внешнюю влагу и называется в таком случае воздушносухим. Оставшаяся часть влаги - гигроскопическая - удаляется из пробы топлива лабораторным путем.

Кроме рабочего топлива, т. е. состава топлива, характеризующего данное топливо при его загрузке в топку, при изучении структуры топлива приходится пользоваться также искусственно созданными производными этого основного состава, лишая их того или иного элемента. Так, исключая из рабочего состава влагу, можно получить характеристики сухого вещества топлива по выражению

C^с+H^с+О^с+N^c+S^c_л+А^с=100%, (2)

Зная состав топлива, этот пересчет сделать нетрудно. Если из 100 вес. ч. топлива выкинуть проценты, выражающие влажность, то оставшееся количество весовых частей каждого элемента будет относиться уже не к 100, а к 100-W^p. Если хотят произвести пересчет опять в отношении к 100, то, очевидно, проценты состава каждого элемента надо сначала отнести к единице, разделив на 100 - W^р, и затем умножить на 100. Формула пересчета примет вид:

C^c=C^р*100/100-W^р; H^c=H^p*100/100-W^p (3) и т. д.

Зольность топлива принято считать на безводное топливо, т. е. на сухую массу, иначе могут получиться ошибочные представления о его засоренности.

Пример 1. От двух торфяных болот были отобраны пробы торфа, химической лабораторией произведен анализ, в результате которого выяснился приводимый ниже рабочий состав топлива (в %).

Наименование элемента	Первая проба	Вторая проба
СР	26,9	37,4
Hр	2,6	3,9
Oр	18,0	19,9
Np	1,2	2,0
Spл	0,2	0,2
Ар	6,1	6,0
Wр	45,0	30,0
Итого ...	100	100

Определить, в какой пробе торф более зольный. Разная степень влажности каждой из отобранных проб дает сбивчивые указания на зольность; эта характеристика выясняется вполне отчетливо при пересчете на сухой состав: для первой пробы

А^с=А^р*100/100-W^p=6,1*100/100-45=11,1%

для второй пробы

А^с=А^р*100/100-W^p=6,6*100/100-30=9,4%

Влага и зола, являясь примесями балластными и внешними, в количественном отношении сильно колеблются даже для одного и того же рода топлива. Примесь влаги зависит от рода топлива и методов его добычи, транспортирования, хранения на складе и пр.

Количество золы тоже непостоянно; для углей оно зависит от характера пласта, оборудования шахт, а также от способов обогащения (сортировок, моек и пр.).

Зольность торфа зависит от способа добычи. Довольно устойчивая зольность дров увеличивается для сплавных дров по сравнению с дровами сухопутной доставки. Поэтому влага и зола, а также и колчеданная сера не могут служить характеристикой основной структуры исследуемого топлива - его органической части. Класс, например, угля, его геологическое происхождение, качество основной органической части определяются после отделения внешнего балласта и серы.

Серу органическую отделять не следовало бы, но аналитически такое деление серы летучей горючей на две составляющие - органическую и колчеданную - химические лаборатории начали производить сравнительно недавно. Поэтому в органический состав топлива вводят только углерод, водород, кислород и азот, отделяя влагу, золу и летучую серу:

C^o+H^o+O^o+N^о=100; (4)

более точно:

C^o+Н^o+0^o+N^o+S^o=100. (4')

Пересчеты элементарного состава топлива с одной массы на другую производятся по формулам, аналогичным уже приведенной формуле (3). Например:

C^o=C^p100/100-(А^р+W^p+S^p_л);

О^о=О^с100/100-(А^с+S^с_л) и т. д.

Чтобы лучше выявить средневзвешенные величины, характеризующие состав топлива определенного месторождения, необходимо отобрать большое количество проб и проделать сотни анализов. Только обрабатывая цифры, полученные в результате столь значительного количества анализов, можно будет с большей или меньшей вероятностью судить о качестве данного топлива, добываемого из пласта, рудника, болота и пр. Большинство анализов топлива, которыми располагают лаборатории, дает возможность определить не органическую структуру, а беззольно-безводный состав, или так называемую горючую массу топлива:

С^г+Н^г+O^r+N^r+S^r_л =100. (5)

Если анализов на органический состав мало и по ним рискованно судить о структуре топлива, то вместо органического состава пользуются весьма близко примыкающей к нему характеристикой горючей массы.

Пример 2. Состав горючей массы подмосковного угля следующий (в %)

С^r=67,0

Н^r=5,0

N^r=13

О^r=20,8

S^r=5,9/100,0

Определить состав топлива при влажности W^Р=33% и зольности на сухое вещество A^с=31%.

В первую очередь надо пересчитать зольнсть сухого вещества на рабочее топливо

A_p=A_c*100-W^p/100=31*100-33/100=20,8

Затем подсчитывают внешний балласт топлива.

Б=A^р+W^p=20,8=3,3=53,8%, после чего можно подсчитать состав рабочего топлива, пользуясь формулами

С^р=С^r*100(A^p+W^p)/100=67,0*100-53,8/100=67,0*0,462=31,0%

Аналогично находят:

Н^р= 5,0*0,462 = 2,3;

О^р = 20,8*0,462 = 9,6;

N^p = 1,3*0,462 = 0,6;

S_л^P= 5,9*0,462 = 2,7;

А^р+ W^P = 53,8,

Составляющие рабочего состава топлива в сумме равны 100%.