Компоненты топлива
Углерод является наиболее важной горючей составной частью топлива. Углерод в топливе может находиться в форме разнообразных соединений с водородом, кислородом, азотом и серой. Эти соединения могут подвергаться естественному разложению в природных условиях и искусственному разложению при нагревании топлива без доступа воздуха. В результате получаются соединения приближающиеся к чистому углероду и содержащие в своей органической части водород, кислород, азот и серу в ничтожных количествах (антрацит, кокс, древесный уголь).
В органической части различных твердых топлив содержание углерода колеблется от 50 % в древесине до 95 % в антраците. В различных сортах жидкого топлива содержится 85¸90 % углерода и 10¸15 % водорода.
Окись углерода входит в состав газообразного топлива. Наибольшее количество ее содержится в доменном и генераторном газах (25¸35 %) в коксовом газе содержится примерно 6¸10 %, а в природном газе заметны лишь следы окиси углерода. Окись углерода способна вступать в соединение с гемоглобином крови.
Водород в топливе может находиться в свободном виде, а также в виде различных соединений с углеродом, серой и кислородом. Водород с углеродом и серой образуют непрочные соединения и дает при сгорании тепла примерно в таком же количестве, как и свободный. Водород, связанный с кислородом, остается инертным при горении, следовательно, является балластом топлива, причем условно считают, что весь кислород топлива связан с водородом в виде воды.
Общее содержание водорода в естественном твердом топливе колеблется в пределах 1¸6 %, в жидком - 10¸15 %, а в газообразном может достигать 60% (коксовый газ). Наибольшее количество свободного водорода содержится в коксовом газе, наименьшее в доменном и генераторном газах.
Углеводороды.
Естественные виды топлива, являясь продуктами органического мира, содержат соединения углерода, водорода и кислорода. Углерод и водород склоны вступать в прочные химические соединения между собой. Атомы углерода способны соединяться друг с другом, образуя “углеродный скелет” молекулы. Каждый атом углерода играет роль звена в углеродной цепи. Атом углерода может образовать 4 химические связи, из которых обычно 2 связи идут на образование углеродной цепи, а остальные могут быть заняты атомами водорода. Между атомами углерода могут быть двойные и тройные связи.
Углеводороды получают свои названия в зависимости от строения молекул.
Алканы (парафины) имеют молекулу с общей формулой CnH2n+2 (метан CH4, этан C2H6, пропан C3H8, бутан C4H10 и т.д). Углеводороды метанового ряда являются основными составляющими естественного газообразного топлива, а также входят в состав некоторых видов нефти.
Алкены (олефины) имеют молекулу с общей формулой CnH2n (этилен иначе этен C2H4, пропилен C3H6, бутен C4H8 и т.д).
Алкины имеют молекулу с общей формулой CnH2n-2 (ацетилен иначе этин C2H2, пропин C3H4, бутин C4H6 и т.д).
Углеводороды могут окисляться, т.е. вступать в соединение с кислородом, в результате чего образуются вещества: спирты, эфиры, альдегиды, карбоновые кислоты, углеводы в виде сахаридов, крахмал, клетчатка или целлюлоза.
Кислород в топливе находится, как правило, в прочных химических соединениях с горючими элементами и является балластом. В твердом топливе содержание кислорода достигает 44% (в древесине), в жидком до 1,5%, а в газообразном топливе содержание свободного кислорода незначительно до 0,5%.
Азот является негорючей составной частью топлива и, следовательно, представляет собой балласт. Содержание азота в твердых и жидких топливах весьма незначительно (0,5¸1%). Иначе обстоит дело с газообразными топливами, где азот в свободном состоянии может содержаться в больших количествах (60% в доменном газе).
Сера в твердом топливе может содержаться в трех видах: в виде органических соединений с углеродом, водородом, азотом и кислородом (So); в виде сернистого соединения (железный колчедан) - называется колчеданной (Sк); в виде сернокислых сульфатных соединений CaSO4, FeSO4 и т.д. - называется сульфатной (Sс). При нагревании топлива без доступа воздуха (при сухой перегонки) вся органическая и колчеданная сера улетучивается - такую серу называют летучей. При горении летучей серы выделяется тепло в значительных количествах. Присутствие серы в топливе нежелательно по следующем причинам: сернистый газ разъедает металлические части топки, а выброшенный в атмосферу вредно действует на растительный и животный мир; при нагревании или плавлении металла часть серы может переходить в металл, резко снижая его качество. Содержание серы в различных видах топлива колеблется от десятых долей процента в газообразном топливе до нескольких процентов в твердом.
Зола топлива является балластом. В состав золы входят кислотные окислы (SiO2, Al2O3) основные окислы (CaO, MgO, FeO, Fe2O3, Na2O, K2O и др.). Зола входит главным образом в состав твердого топлива. Жидкое топливо содержит мало золы, а газообразное топливо может содержать немного минеральной пыли.
Влага, являясь балластом топлива, способствует самовозгоранию твердого топлива в процессе хранения и его смерзанию в зимнее время. Различают влагу внешнюю и внутреннюю. Количество внешней влаги зависит от атмосферных условий. Внешняя влага удаляется при естественной подсушке топлива (без подогрева).
Внутренняя влага включает в себя гигроскопическую и гидратную влагу. Гигроскопическая влажность иначе называется влажностью аналитической пробы. Эта влага удаляется из топлива при нагревании его до 105 оС. В золе содержится гидратная влага, входящая в состав различных химических соединений. Эта влага удаляется при температуре порядка 400¸500 оС в процессе нагревания топлива.