2.6. ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ОРГАНИЧЕСКОЙ МАССЫ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ
Горючая часть топлива состоит преимущественно из органического вещества углеводородного характера с большим или меньшим содержанием кислорода, азота, серы и других второстепенных элементов. Основными теплопроизводительными элементами горючей части топлива являются углерод и водород.
В табл. 2.9 приведен элементарный состав органической массы различных видов твердого топлива. Из приведенных в таблице данных видно, что с увеличением зрелости топлива происходит увеличение содержания углерода, уменьшение водорода и кислорода.
Углерод — главная составляющая органической массы угля как по общему его содержанию, так и по влиянию на технологические свойства топлива. Углерод можно считать главным носителем теплоценности топлива, поскольку с увеличением его содержания увеличивается удельная теплота сгорания топлива. В метаморфическом ряду углей также наблюдается закономерное возрастание удельной теплоты сгорания с ростом содержания углерода в угле. Однако удельная теплота сгорания антрацитов, несмотря на высокое содержание в них углерода, оказывается ниже, чем у предыдущих членов ряда, содержащих меньше углерода.
Таблица 2.9. Элементный состав органической массы твердых топлив
Объясняется это тем, что одновременно с ростом содержания углерода в последних стадиях метаморфизма наблюдается значительное уменьшение содержания водорода, удельная теплота сгорания которого значительно выше, чем у углерода.
Водород — важная составная часть органической массы всех топлив. Содержание его закономерно уменьшается с ростом зрелости твердого топлива: в торфе и бурых углях содержание водорода 4,0—6,0% и постепенно с увеличением степени углефикации снижается до 1—2% в антрацитах; в сапропелите содержание водорода достигает 11%. Особенность водорода как составной части органической массы топлива заключается в том, что удельная теплота сгорания его более чем в 4 раза выше удельной теплоты сгорания углерода. Поэтому даже небольшие изменения в его содержании оказывают значительное влияние на удельную теплоту сгорания топлива.
Кислород. Содержание кислорода в органической массе твердых горючих ископаемых закономерно снижается с ростом зрелости топлива. В торфах содержание кислорода достигает 35—39%, в бурых углях оно снижается до 20—25%, а в антрацитах до 1—2%. Особенность кислорода, содержащегося в топливе, заключается в том, что он понижает удельную теплоту сгорания исходного материала. Основная часть кислорода, входящего в состав органической массы топлива, образует в пределах макромолекул угольного вещества активные гидроксильные, карбонильные и карбоксильные группы, которые оказывают существенное влияние как на многие физические и химические свойства топлива, так и на характер его горения в топке.
Сера содержится во всех твердых горючих ископаемых независимо от их происхождения. Это нежелательная примесь в топливе. Наличие ее в углях оказывает настолько большое влияние на их свойства, что во многих случаях ее содержание становится решающим показателем пригодности угля для того или иного вида переработки. Сера содержится в органической и минеральной массах угля в формах: органической, пиритной, сульфидной, сульфатной и свободной. При горении топлива органическая и пиритная сера сгорают главным образом до двуокиси серы и частично до серного ангидрида. Только небольшая часть этой серы переходит в золу и шлак. Поэтому органическую и пиритную серу объединяют и называют горючей серой. Сульфатная сера находится в угле главным образом в виде сульфата кальция и частично сульфата железа. Она не участвует в горении и полностью переходит в золу и шлак. Сульфатной серы в углях содержится обычно около 10—15% общего ее количества, а пиритная и органическая сера содержатся почти в равных количествах.
В техническом анализе массовую долю серы обозначают буквой S. Формы серы обозначают первыми буквами их русского названия и пишут как нижний индекс у основного обозначения: Sоб — общая сера; So — сера органическая; Sп — сера пиритная; Sc — сера сульфатная. Содержание серы в углях колеблется в пределах от 0,5 до 6,0%. По содержанию общей серы, в пересчете на сухую массу, в энергетике принято делить угли па четыре группы: малосернистые, с содержанием серы до 1,5%; среднесернистые 1,6—2,5%; сернистые 2,6—4,0% и высокосернистые — более 4,0%.
Образующиеся при сжигании топлива двуокись серы и серный ангидрид вместе с дымовыми газами выбрасываются в атмосферу, заражая воздушный бассейн.
Количество образующегося в топке серного ангидрида (SO3) относительно небольшое. Оно пропорционально содержанию горючей серы в топливе и возрастает с повышением температуры и избытка воздуха в топочной камере. С повышением содержания серы в топливе возрастает серная коррозия хвостовых поверхностей нагрева котельных агрегатов. Повышение окислов серы в продуктах сгорания и особенно серного ангидрида SO3 снижает температуру точки росы топочных газов, что ведет к необходимости повышения температуры уходящих газов, а следовательно, к увеличению тепловых потерь и снижению экономичности котельного агрегата.
Содержание пиритной серы в угле снижает коэффициент размолоспособности топлива, увеличивает износ рабочих деталей мельницы и пылепроводов. Сульфатная сера способствует повышению прочности отложений золы, образующихся на наружной стороне поверхностей нагрева.
Азот. Содержание его в горючей массе твердых горючих ископаемых довольно постоянно (1—3%). В сапропелите азота обычно меньше, чем в гумите. Содержание азота в углях имеет тенденцию к уменьшению с ростом их степени углефикации. В техническом анализе массовое содержание азота принято обозначать первой буквой латинского названия элемента N и выражать в процентах.
При сгорании топлива азот выделяется в свободном состоянии, не выделяя тепла. Это дает основание относить азот к бесполезной составляющей топлива, так называемому внутреннему его балласту; Однако часть азота, выделившегося из топлива во время его сгорания и введенного в топку с дутьем, при высоких температурах окисляется до окислов азота, которые выбрасываются в атмосферу вместе с дымовыми газами. Установлено, что чем выше температура в топочной камере, тем больше содержится окислов азота в уходящих газах. По количеству выбрасываемых в атмосферу окислов азота и серы (по условиям загрязнения воздушного бассейна) определяют высоту дымовых труб и допустимую единичную мощность электростанции для того или иного района.
