Топливо для котлов

  • автор:

Чем лучше топить особенности горения дров разных пород древесины

Теплотворность дров

Объём тепла, выделяемый при сгорании дров, зависит от породы дерева и влажности древесины. Влажность снижает теплотворность дров, так как испаряемая вода уносит часть тепловой энергии. Потери от влажности незначительно зависят от начальной температуры дров (точнее, воды в них) и принимаются равными 0,63 кВт·ч на килограмм воды.

Абсолютно сухие дрова лиственных пород выдают около 5 кВт·ч тепла на килограмм дров.
Абсолютно сухие дрова хвойных пород дают около 5,2 кВт·ч тепла на килограмм дров, в связи с химическим отличием их древесины.

В реальных условиях добиться идеальной сухости невозможно, поэтому ниже в таблице представлена теплотворность дров разных пород дерева при влажности 15 % и для сравнения других видов топлива:

Хотя массовая теплотворность хвойной древесины больше, чем лиственной, но из-за меньшей плотности древесины удельная объёмная теплотворность у хвойных дров оказывается меньше, чем у лиственных. Хвойные дрова занимают больше места и сгорают быстрее.

Кубометр сухих лиственных дров способен заменить 200 литров нефти, 200 кубометров природного газа. Энергия, извлекаемая из дров, также имеет солнечное происхождение. Но при этом, в отличие от нефти, угля и газа, древесина относится к возобновляемым ресурсам. Дрова как разновидность биотоплива являются источником возобновляемой энергии.

Энергия топлива. Удельная теплота сгорания топлива

Теория > Физика 8 класс > Тепловые явления

В природе существует много горючих веществ, которые при сгорании выделяют тепло. Это дрова, уголь, нефть, спирт, газ и т.д.
Однако, топливом можно считать лишь те горючие вещества, у которые обладают большой удельной теплотой сгорания, низкой температурой воспламенения,отсутствием вредных продуктов сгорания.

Чем больше выделяется тепла при сгорании топлива, тем лучше. Эту энергию можно использовать для обогрева жилища, приведение в движение различных механизмов или получения электроэнергии.

Для обогревания дома потребуется угля в несколько раз меньше, чем сухих дров, так разные виды топлива одинаковой массы при полном сгорании выделяют разное количество теплоты. Сравнить количества теплоты , выделившиеся при сгорании разных видов топлива можно, используя физическую величину — удельную теплоту сгорания.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива.Удельная теплота сгорания обозначается буквой q. Единицей удельной теплоты сгорания является 1 Дж / кг.
Удельную теплоту сгорания определяют на опыте с помощью довольно сложных приборов.

Результаты опытных данных приведены в .

Расчетная формула для количества теплоты, выделившейся при полном сгорании топлива:
Q = q*m
где Q — количество выделившейся теплоты ( Дж ),
q — удельная теплота сгорания ( Дж/кг ),
m — масса сгоревшего топлива ( кг ).

Теория | Калькуляторы | ГДЗ | Таблицы и знаки | Переменка | Главная Карта Сайта

Колка и заготовка дров

Поленница дров

Корзина-дровница

Перевозка дров

Большая часть дров имеет форму поле́на. Технология изготовления поленьев проста: стволы деревьев и толстые ветки пилят на отрезки длиной 40—60 см () и затем раскалывают топором в продольном направлении на более мелкие части с площадью торца до 100 см². Для колки удобнее использовать специальный топор-колун, лезвие которого имеет форму клина с углом примерно в 30°. Колуном можно раскалывать даже самые толстые чурки при меньшей силе удара. При колке топором, особенно толстых чурок, велика вероятность застревания лезвия в образовавшейся трещине чурки. Тогда, чтобы доколоть или освободить топор, переворачивают топор застрявшей чуркой вверх и бьют обухом по другой чурке.

Правильная стойка во время колки дров — ноги шире плеч. Это предотвратит от травмы в случае промаха, неудачного удара или поломки топора. Также для удобства чурку лучше всего расположить на высоте пояса человека, чаще всего в качестве подставки используют — очень толстый и кряжистый отрезок круглого дерева.

Самыми «жаркими» считаются дрова из берёзы, самыми «холодными» — из осины.

Для переноса дров используют корзину-дровницу.

Установив твердотопливный котел или только планируя это сделать, возникает вполне закономерный вопрос, какое топливо для него использовать что было максимально эффективно и экономически выгодно его использовать.

Существует мнение что твердотопливные котлы очень прожорливы, требуют постоянного обслуживания, а период между циклами закладки дров настолько короткий что нельзя выходить из дома надолго. Но, это не так, совершенствуется не только система отопления с такими котлами, а и топливо, на котором они работают.

Так например, пиролизный котел работает 12 часов всего на одной закладке, а пеллетные котлы могут работать на полной автоматике. При этом, одного бункера, 2-3 тонны, может хватить на весь отопительный сезон.

Какие виды топлива для котлов сейчас существуют

Те времена когда люди топили только дровами, углем или торфом давно прошли. Современный рынок предлагает более высокий ассортимент топлива. Здесь можно найти различные брикеты, пеллеты, щепу и тд. Они имеют разный КПД, вернее калорийность, и используются в установках разных типов. Давайте разберем их подробнее, рассмотрим плюсы и минусы.

Колотые или пиленые деревянные колодки различных пород древесины давно использовались для обогрева жилья в печах и каминах. Популярны они и в наши дни, так как доступны в необходимом количестве на территории страны и стоят относительно недорого.

Эффективность использования этого топлива зависит от нескольких факторов:

  • влажность древесины,
  • порода,
  • типа самого котла.

Влажность древесины. Это пожалуй самый важный параметр, который влияет на степень эффективность. Поскольку многие не занимаются заготовкой дров вовремя, просушиться до нужного % влажности естественным путем они попросту не успевают. Так же, часто их хранят под открытым небом, и даже просушенные поленья набирают влагу в осенний сырой период.

Порода дерева. Здесь главную роль играет плотность, чем она больше тем дольше будет гореть полено, а значит выделяет больше тепловой энергии. Наиболее часто используют такие породы как: береза, клен, ясень, дуб. С них можно получить до 15 МДж/кг. Реже используют хвойные породы: ель и сосну.

Кроме того что энергоэффективность меньше примерно на 15-30%, эти породы еще и содержат большое количество смол, которые засоряют дымоходы.

Тип котла. Старая печь имеет очень маленькую эффективность по сравнению например с водонагревательными твердотопливными котлами. Те, в свою очередь, также имеют различную эффективность, подробнее о них можно почитать здесь.

Немного о экологии. В нашей стране каждое домохозяйство имеет право на 15м3 дров на отопительный сезон. Это примерно 60-70 деревьев в диаметре 20 см средней высоты. Масштабы ежегодной вырубки вы можете себе представить. Поэтому стоит задуматься о энергоэффективных технологиях уже сейчас.

Преимущества Недостатки
Доступность Необходима заготовка
Низкая цена Низкая эффективность

Неравномерный процесс сгорания, зависящий от фракции дров

Удельная теплота сгорания 3,5 кВт/час. Мелкие топливные гранулы, диаметром 6-8 мм и длинной до 5 см, с удельной влажностью не более 20%. Изготавливают путем прессования под высоким давлением различных отходов деревообработки, соломы, лузги подсолнечника, кукурузы и тд. Примерно 80% отопительных котлов в европейских странах работают именно на пеллетах, это часть развития программы энергосберегающих технологий.

Они используются как в котлах с ручной загрузкой, так и в автоматических системах с бункерами в несколько кубических метров. Подача топлива осуществляется различными механизмами, например шнеком, и контролируется автоматикой. Именно благодаря своей полной автономной работе такие котлы настолько популярны.

Различают три сорта топливных гранул:

  • Стандарт — гранулы тёмного цвета, так как изготовлены с добавлением лузги подсолнечника и гречишной шелухи. Допустимый процент зольности — 3%. Это наиболее популярный вид пеллет, потому что при хороших показателях получения тепла они имеют небольшую стоимость.
  • Премиум — гранулы белые или светло-серые. Характеризуется высокими показателями удельной теплоты сгорания и низкой зольностью — 0,4%. Изготовлены из отходов деревообработки лиственных пород древесины.
  • Индустриальный — Гранулы серого цвета изготавливаются из отходов древесины с корой. Они имеют самый низкий показатель теплоотдачи и низкую стоимость.
Преимущества Недостатки
Высокая эффективность Высокая цена
Единственный вид топлива, используемый в твердотопливных котлах с автоматической подачей Неэффективно использовать в обычных печах
Удобно хранить в любой таре
Равномерность сгорания

Интересное видео о пеллетах

Топливные брикеты

Их еще называют евродрова. Изготавливаются они путем прессования различных отходов деревообработки и сельского хозяйства. Сам процесс прессовки проходит под высоким давлением до 1000 бар и температуре порядка 260 градусом, при котором выделяется вещество лигнин, которое и склеивает частички материала достаточно прочно чтобы сформировать брикет.

Благодаря такому давления плотность заготовки может превышать плотность даже твердых пород древесины, таких как дуб и ясень, независимо от материала из которого они изготовлены.

По своему принципу процесс изготовления схож с прессовкой пеллет, только брикеты имеют больший размер и различную форму и размер. Есть возможность применять их не только в печах и котлах, но и каминах, чем существенно отличает брикеты от пеллет

Сама форма здесь играет не последнюю роль, во многих странах запрещены брикеты полностью цилиндрической формы. Это связано с пожарной безопасностью при использовании их в открытых каминах. Квадратная, шестигранная или прямоугольная форма не даст брикету выкатится из топки во время горения.

Существуют различные виды евродров

Пини-кей (pini-kay). Полено имеет квадратную или прямоугольную форму в разрезе и отверстием по всей длине. Это отверстие улучшает циркуляцию кислорода во время горения и увеличивает площадь горения. Длина до 30 см позволяет использовать их во всех видах котлов.

Эти брикеты, в свою очередь, бывают двух видов:

  1. Светлого цвета – стандартный вид, имеют плотность от 1,08 до 1,40 г/см³, что делает их очень энергоэффективным топливом.
  2. Темного цвета – кроме высокой плотности этот брикет обладает также высокими водоотталкивающими свойствами.

Нестро (nestro). Это вид топлива изготовлен под меньшим давлением, поэтому и плотность меньше, 0,9-1,2 г/см³. Могут быть изготовлены только цилиндрической формы как с отверстием, так и без него. Эти брикеты имеют меньшую энергоэффективность относительно пини-кей так как их прессовка проводится под значительно меньшим давлением. Упрощенная технология удешевляет этот вид топлива, поэтому его можно назвать самым бюджетным вариантом среди всех брикетов.

Руф (RUF). Запатентованный брикет одноименной фирмы. имеет форму кирпича плотностью 0,75-0,8 г/см³. Соответственно энергоэффективность этих кирпичей ниже остальных видов.

Видео обзор этих брикетов

Преимуществом этого вида топлива является также низкая зольность. То есть они, после сгорания, оставляют мало золы 1-3% ( у дров это показатель может достигать 20%) и обслуживание котлов необходимо проводить значительно реже.

Преимущества

Недостатки

Высокая эффективность Высокая цена
Удобно хранить Неэффективно использовать в обычных печах
Равномерность сгорания

Почему брикеты и пеллеты эффективнее дров?

Здесь все дело в плотности и влажности этих видов топлива. Плотность брикетов выше чем у дров за счет прессования под высоким давлением. Влажность меньше, так как мелкое сырье проще и легче просушить чем поленья. К примеру, это показатель у пини-кей составляет 4-6%, у дров естественной сушки 30-40%.

Таким образом значительная часть энергии при горении дров идет на выпаривание лишней влаги. Пини-кей выделяют 4538 ккал/час, древесина березы — 3538 ккал/час.

Также, некоторое сырье, как например лузга подсолнечника, увеличивает теплотворность евродров. Однако и зольность будет выше, а значить будут дополнительные расходы на чистку дымоходом.

Таблица теплоотдачи различного топлива

Вид топлива Тепловая способность, ккал/кг
Пелетты 4500
Брикеты 4900
Дрова 2500
Уголь древесный 7500
Торфяной брикет 3800
Каменный уголь 7400
Мазут 9800
Дизельное топливо 10200
Природный газ 8300

С точки зрения экологии

Как упоминалось выше, на дрова уходит очень много деревьев. Несмотря на то что их запасы значительные, сейчас прирост меньше скорости вырубки. Особенно это актуально для ценных и долго растущих пород: дуба, граба, ясеня.

Пеллеты и брикеты делаются из отходов, которые зачастую просто выбрасываются, сваливаются на перегнивание или сжигание. Это стружка, ветки, больные деревья и тд. Таким образом можно значительно оптимизировать вырубку деревьев у увеличить их восстановление. Многие компании даже платят за утилизацию своих отходов.

В некоторых странах выращивают особые быстрорастущие породы лозы, которые перерабатывают на цепу и прессуют в брикеты. Тем самым увеличивают свою энергонезависимость и минимизируют вред природе.

Уголь

Это природный минерал, образовавшийся за миллионы лет в различных слоях грунта из древесины и других растений. Люди научились добывать это ископаемое довольно давно и поняли его ценность в качестве энергоносителя.

В зависимости от сорта, уголь имеет очень высокую теплотворность, порядка 6800-8350 ккал/кг. Поэтому является наиболее высококалорийным твердым видом топлива. Однако, он не лишен и значительных недостатков. В первую очередь это цена, которая значительно выше чем у дров. Его стоимость можно сравнить с некоторыми видами брикетов, но, при этом, сжигание угля загрязняет окружающую среду. Высокая зольность требует очень частого обслуживания котлов, а сама зола требует утилизации.

Прежде чем решить каким углем лучше топить, посмотрим угля и теплотворность:

  • Бурый уголь – до 4177 ккал/кг. Редко используется в частных домах из за сложности хранение и высокой вероятности самовозгорания.
  • Каменистый уголь – 5097-6700 ккал/кг. Самый распространенный вид топлива частных хозяйствах благодаря его свойствам, среди которых и безопасность хранения.
  • Антарциты – 5800-6500 ккал/кг. Промышленный вид угля.

Торф

Ископаемое, образовавшееся путем перегнивания остатков растений в условиях ограниченного доступа кислорода и повышенной влажности. Добывается в болотистой местности, затем брикетируется и просушивается. Теплотворность составляет 3511-4492 ккал/кг.

Это топливо давно и широко применяется как для отопления частных домовладения, так и на производстве. Доступность по цене и неприхотливость в хранении позволяет ему конкурировать с дровами и углем.

К веществам органического происхождения относится топливо, которое при горении выделяет определенное количество тепловой энергии. Выработка тепла должна характеризоваться высоким КПД и отсутствием побочных явлений, в частности, веществ, вредных для здоровья человека и окружающей среды.


Если рассматривать топливо с позиции его агрегатного состояния, то структуру вещества по степени горючести можно разделить на две составляющие. К горючей части относятся такие химические элементы, как водород и углерод, представляющие в целом углеводородную смесь, а также сера. В составе негорючей составляющей присутствуют вода, минеральные соли и следующие элементы: кислород, азот и ряд металлов.

Полное сгорание 1 кг топлива, состоящего из вышеуказанных компонентов, способствует выделению различного количества тепловой энергии. Любое вещество оценивается по такому показателю, как теплота сгорания.

Под теплотой сгорания топлива (ТСТ), измеряемой в кДж/кг, подразумевается количество энергии, которое выделяется в результате полного сгорания 1 кг вещества. Этот показатель формируется по двум уровням. Высшая ТСТ образуется за счет процесса конденсации воды, имеющейся в продуктах горения. При определении низшей ТСТ предыдущую ее степень не учитывают.

Так, расчет теплоты в двигателях внутреннего сгорания обычно исходит от значения низшей. Это объясняется довольно просто: в цилиндрах невозможен процесс конденсации жидкости. Для установления ТСТ используется калориметрическая бомба, в которой сжатый кислород насыщен водяным паром. Навеска определенного вида топлива помещается в эту среду, затем анализируются результаты.

Для нефтяных веществ ТСТ высчитывается по следующим формулам:

QВ = 33913ω(С) + 102995 ω(Н) – 10885 ω(O – S),

QН = QВ – 2512 ω(Н2О),

где ω(C, H, O, S) – массовые доли элементов в топливе, %;

ω(Н2О) – количество водяных паров в продуктах сгорания одного кг материала, %.

Для каждого типа вещества, отличающегося химическим составом, характерна своя ТСТ. К самым ходовым разновидностям твердого топлива относят:

  • дрова и уголь;
  • пеллеты и брикеты.

Рассмотрим каждый тип по отдельности.

Дрова

Это пиленные либо колотые куски дерева, которые во время сжигания в печах, котлах и прочих устройствах вырабатывают тепловую энергию.

Для удобства загрузки в топку древесный материал разрезают на отдельные элементы длиной до 30 см. Чтобы повысить эффективность от их использования, дрова должны быть максимально сухими, а процесс горения – относительно медленным. По многим параметрам для отопления помещений подходят дрова из таких лиственных пород, как дуб и береза, лещина и ясень, боярышник. Из-за высокого содержания смолы, повышенной скорости горения и низкой теплотворности хвойные деревья в этом плане значительно уступают.

Следует понимать, что на величину показателя теплотворности влияет плотность древесины.

Дрова (естественная сушка) Теплотворная способность кВт⋅ч/кг Теплотворная способность мега Дж/кг
Грабовые 4,2 15
Буковые 4,2 15
Ясеневые 4,2 15
Дубовые 4,2 15
Березовые 4,2 15
Из лиственницы 4,3 15,5
Сосновые 4,3 15,5
Еловые 4,3 15,5

Это природный материал растительного происхождения, добываемый из осадочной породы.

В таком виде твердого топлива содержатся углерод и прочие химические элементы. Существует деление материала на типы в зависимости от его возраста. Самым молодым считается бурый уголь, за ним идет каменный, а старше всех остальных типов – антрацит. Возрастом горючего вещества определяется и его влажность, которая в большей степени присутствует в молодом материале.

В процессе горения угля происходит загрязнение окружающей среды, а на колосниках котла образуется шлак, создающий в определенной мере препятствие для нормального горения. Наличие серы в материале также является неблагоприятным для атмосферы фактором, поскольку в воздушном пространстве этот элемент преобразуется в серную кислоту.

Однако потребители не должны опасаться за свое здоровье. Производители этого материала, заботясь о частных клиентах, стремятся уменьшить содержание в нем серы. Теплота сгорания угля может отличаться даже в пределах одного типа. Разница зависит от характеристик подвида и содержания в нем минеральных веществ, а также географии добычи. В качестве твердого топлива встречается не только чистый уголь, но и низкообогащенный угольный шлак, прессованный в брикеты.

Вид угля Удельная теплота сгорания материала
кДж/кг ккал/кг
Бурый 14 700 3 500
Каменный 29 300 7 000
Антрацит 31 000 7 400

Пеллеты

Пеллетами (топливными гранулами) называется твердое топливо, созданное промышленным путем из древесных и растительных отходов: стружки, коры, картона, соломы.

Измельченное до состояния трухи сырье высушивается и засыпается в гранулятор, откуда уже выходит в виде гранул определенной формы. Для добавления массе вязкости применяют растительный полимер – лигнин. Сложность производственного процесса и высокий спрос формируют стоимость пеллетов. Материал используется в специально обустроенных котлах.

Разновидности топлива определяются в зависимости от того, из какого материала они переработаны:

  • кругляка деревьев любых пород;
  • соломы;
  • торфа;
  • подсолнечной шелухи.

Среди преимуществ, которыми обладают топливные гранулы, стоит отметить следующие качества:

  • экологичность;
  • неспособность к деформации и устойчивость к грибку;
  • удобство хранения даже под открытым небом;
  • равномерность и длительность горения;
  • относительно невысокая стоимость;
  • возможность использования для различных отопительных устройств;
  • подходящий размер гранул для автоматической загрузки в специально обустроенный котел.
Вид топлива Тепловая способность, ккал/кг
Пеллеты 4500
Дрова 2500
Уголь древесный 7500
Каменный уголь 7400
Мазут 9800
ДТ 10200
Природный газ 8300

Брикеты

Брикетами называется твердое топливо, во многом сходное с пеллетами. Для их изготовления используются идентичные материалы: щепа, стружка, торф, шелуха и солома. Во время производственного процесса сырье измельчается и за счет сжатия формируется в брикеты. Этот материал также относится к экологически чистому топливу. Его удобно хранить даже на открытом воздухе. Плавное, равномерное и медленное горение этого топлива можно наблюдать как в каминах и печах, так и в отопительных котлах.

Рассмотренные выше разновидности экологичного твердого топлива являются хорошей альтернативой получения тепла. В сравнении с ископаемыми источниками тепловой энергии, неблаготворно воздействующими при горении на окружающую среду и являющимися, кроме того, не возобновляемыми, альтернативное топливо имеет явные преимущества и относительно невысокую стоимость, что немаловажно для потребителей некоторых категорий.

В то же время пожароопасность таких видов топлива значительно выше. Поэтому требуется предпринять некоторые меры безопасности относительно их хранения и использования огнестойких материалов для стен.

Жидкое и газообразное топливо

Что касается жидких и газообразных горючих веществ, то ситуация здесь следующая:

Топливо q
МДж/кг ккал/кг
Жидкое
Бензин 44-47 10500-11200
Дизельное автотракторное 42,7 10 200
Керосин 44-46 10 500-11 000
Нефть 43,5-46 10 400-11000
Спирт 27,0 6450
Топливо для РЖД (керосин+жидкий кислород) 9,2 2200
Топливо для реактивных двигателей самолетов (ТС-1) 42,9 10 250
Газообразное
Ацетилен 48,1 11 500
Водород 120 28 600
Газ природный 41-49 9800-11700
Метан 50,0 11950
Окись углерода (II) 10,1 2420

Как сделать топливные брикеты из листьев своими руками

4 Оборудование для изготовления евродров

Главным элементом производства является пресс. Для начала нужно определиться, какой формы будут готовые элементы и в зависимости от этого выбирать оборудование. Чаще всего применяются брикеты круглой или цилиндрической формы.

К профессиональным прессам можно отнести:

  • Шнековый. Выдаёт восьмиугольные пеллеты с отверстием в центре. Они обладают максимальной плотностью, вследствие чего показывают высокую длительность горения. Через отверстие удобно продеть шнур или верёвку, чтобы вывесить гранулы на солнечный свет для просушки.
  • Гидравлический. С его помощью можно производить прямоугольные элементы. Плотность их минимальна, поэтому расход материала довольно велик.
  • Ударно-механический. Позволяет получить брикеты любой формы. Плотность — средняя.

С помощью этих устройств можно изготавливать евродрова высокого качества. В наши дни существует немало фирм, специализирующихся на производстве, доставке и установке оборудования для изготовления прессованного топлива. Единственный минус — цена таких аппаратов достаточно велика.

Поэтому, если не планируется изготовление большого количества материала для продажи, выгоднее сделать устройство собственными руками.

Для этого понадобится форма, в качестве которой можно использовать, например, старую канализационную трубу с толстыми стенками. Чтобы лишние жидкость и воздух выходили, в трубе проделываются отверстия. Именно в этой форме (матрице) смесь и будет спрессовываться в пеллет.

Матрица присоединяется к любому ручному прессу рычажного или винтового типа либо к гидравлическому домкрату.

Сырьё закладывается в форму, сдавливается прессом, после чего готовый продукт выталкивается с помощью металлического штока наружу.

Следует учитывать, что сила нажатия у винтового и рычажного прессов довольно слаба, поэтому плотность брикетов будет минимальной или средней. Для усиления сжатия можно использовать электродвигатель.

1. Классификация твердых топлив

Твердое топливо – это горючие вещества, основной составной частью которых является углерод. К твердому топливу относят древесину, торф, горючие сланцы, каменный уголь и бурые угли.

Содержание углерода, водорода, кислорода, азота и серы, называемое химическим составом определяет свойства твердого топлива. При сжигании одинаковые количества различного топлива выделяют различные количества тепла. Тогда для оценки теплотворной способности топлив производят определение наибольшего количества теплоты, которое может быть выделено топливом при полном его сжигании в количестве 1 кг. Наибольшей калорийностью обладает каменный уголь.

Рис. 1. Некоторые типы твердого топлива

Как известно из курса теплотехники твердое органическое топливо часто применяют для получения теплоты и других видов энергии с последующим их преобразованием в механическую энергию. Помимо этого из твердых топлив при их соответствующей перегонке (обработке) можно получить более 300 различных химических соединений.

Рис. 2. Дерево это твердое топливо

2. Каменный уголь

Каменный уголь – это уголь с высокой степенью обугливания и высшей теплотворной способностью более 24 МДж/кг (5700 ккал/кг) на беззольной, но влажной основе и с коэффициентом отражения витринита 0,5 и более.

Рис. 3. Каменный уголь

К каменному углю относят не осажденный шлам, не классифицированные. Образование каменных углей в основном протекало в палеозое, преимущественно в каменноугольном периоде, а это более 300 миллионов лет тому назад.

Как и древесина, химический состав каменного угля представлен смесью углерода, водорода, кислорода, азота, серы, а также воды и летучих веществ с небольшими количествами минеральных примесей. Минеральные примеси не подвержены горению и при сжигании угля образуют золу. Каждый из добываемых углей отличается соотношением слагающих их компонентов, что влияет и на их теплотворную способность. Ряд органических соединений, входящих в состав каменного угля, обладает канцерогенными свойствами.

Рис. 4. Расколотый кусок каменного угля

Для образования угля необходимо обильное накопление растительной массы. Начиная с девонского периода в торфяных болотах, накапливалось органическое вещество, из которого без доступа кислорода формировались ископаемые угли. Большинство промышленных месторождений ископаемого угля относится к девонскому периоду, хотя существуют и более молодые месторождения. Возраст самых древних углей оценивается примерно в 350 миллионов лет.

Каменный уголь к первым ископаемым топливам которые начали широко применяться человеком. Применение каменного угля в промышленности для получения энергии позволило сделать большой шаг вперед. Данный уголь формировался как осадочная порода, за счет естественного разложения древних растений. Каменный уголь состоит из огромного количества углерода. Содержание углерода в несколько раз выше по сравнению с бурыми углями. Кроме того в каменном угле содержатся летучие вещества с низким содержанием золы. Наиболее эффективным альтернативным видом переработки каменного угля является его газификация. В ходе газификации из угля получают оксид углерода и водород, затем с помощью каталитических реакций получают жидкое топливо. Для получения одной тонны нефтеподобной жидкости обычно необходимо газифицировать 2-3 тонны каменного угля. Также каменный уголь является основным сырьем для выработки графита.

Промышленным способом из каменного угля извлекают серу, цинк, германий, свинец, ванадий. В производстве керамики, строительных материалов, абразивов применяется отходы добычи и переработки углей, а также зола, оставшаяся после их сжигания. Чтобы использование угля носило рациональный характер, из него удаляют минеральные примеси, то есть, производится обогащение угля. Кокс и уголь используется в металлургии в процессе выплавки железа. Кроме этого, каменный уголь используется и в металлургии, при производстве стали и чугуна. Каменный уголь имеет наибольшую стоимость за тонну готовой продукции. Связанно это в первую очередь с его калорийностью и малой зольностью. Также каменные угли довольно часто применяют для отопления домов.

Мы видим, что каменный уголь применяют практически во всех сферах жизнедеятельности. Данное обстоятельство говорит о том, что добыча каменного угля будет продолжаться еще долгое время.

На счет перспектив развития промышленности по добыче каменного угля во всем мире не так однозначны. Нет также и одной выбранной всеми странами доктрины по переработке каменных углей. Стратегии по добыче и переработке углей разрабатываются и принимаются каждой страной в отдельности и зависят от условий, уровня рентабельности разработки угольных месторождений, геологических запасов, экологических ограничений, места и роли угля в топливно-энергетическом балансе, степени интеграции экономики страны в региональные и мировые структуры и прочее.

Рис. 5. Добыча каменного угля

В ряде стран благодаря благоприятным геологическим условиям эксплуатации месторождений угольная промышленность является высокорентабельной отраслью и служит важным источником доходов государственных бюджетов. Речь идет о таких странах, как США, Австралия, ЮАР, Канада, Индонезия, Колумбия. Вместе с тем есть немало стран, где развитая в прошлом угледобывающая отрасль под давлением конкуренции признана экономически целесообразной, в результате чего добыча угля прекращена, несмотря на значительный рост зависимости большинства из этих стран от внешних поставок энергоресурсов. Так произошло в Бельгии, Голландии, Ирландии, Португалии, Франции, Японии.

3. Бурый уголь или лигнит

Бурый уголь или лигнит – это уголь с низкой степенью обугливания, сохранивший анатомическую структуру растительного вещества, из которого он образовался. Данный уголь имеет высшую теплотворную способность менее 24 МДж/кг (5700 ккал/кг) на беззольной, влажной основе. Его коэффициент отражения витринита менее 0,5.

Суббитоминозный уголь, или бурый уголь – горючее полезное ископаемое, ископаемый уголь 2-й стадии метаморфизма (переходное звено между лигнитом и каменным углем), получается из лигнита или напрямую из торфа.

Рис. 6. Десятитонный кусок бурого угля в Музее бурого угля в Японии

Классификация ископаемых углей довольно запутана, например, в Англии и Евросоюзе используют термин лигнит (которой считается синонимом бурого угля), а в Америке понятия бурый уголь и лигнит выделяются отдельно и очень четко. На территории России синонимом бурого угля является такое понятие как лигнит. В основном данный тип углей называют бурым углем также к этой категории относят и лигнит высокой степени углефикации (ВСУ) и не учитывая суббитуминозные угли высокой степени углефикации, последние угли уже классифицируют как каменный уголь.

Рис. 7. Наиболее типичный внешний вид бурого угля

Использование бурого угля в России и многих других странах для большой энергетики в качестве топлива значительно уступает использованию каменного угля. Однако низкая стоимость делает его привлекательным для сжигания в мелких и частных котельных, где доля его использования в среднем составляет до 80 %. Сжигание бурого угля осуществляется в пылевидном (при хранении бурый уголь высыхает и рассыпается) и кусковом видах в слое. Основным энергетическим топливом на тепловых электростанциях Греции и особенно Германии бурый уголь используется для выработки электроэнергии. Так в Греции на таких станциях вырабатывается до 50 % электроэнергии, 24,6 % – в Германии.

Набирает обороты и производство жидких углеводородных топлив из бурого угля посредством перегонки. После перегонки остаток годится для получения сажи. Из него извлекают горючий газ, получают углещелочные реагенты и монтан-воск (горный воск). В небольших количества монтан-воск применяют для изготовления поделок.

Если говорить о стабильности рынка в отношении энергетических углей, то он достаточно стабилен. В связи с чем увеличения объема продаж бурого вряд ли ожидаются. Наряду со стабильной ситуацией в энергетике возник недостаток металлургических топлив и коксовой продукции. И поэтому сейчас многие ресурсы направлены на выработку технологий по переработке бурых углей в готовый продукт для нужд металлургиии. Такая переработка в перспективе будет экономически обоснована, потому как стоимость коксовой продукции в несколько раз дороже рядового угля.

Рис. 8. Установка, генерирующая электричество из бурого угля

В мире карбонизацией бурых углей уже долгие годы занимаются два предприятия: комбинат «Райнбраунколе» мощностью 210 тыс. т/год кокса в Германии и компания

«Австралиан чар» мощностью 80 тыс. т/год. Разработанные в 30-е годы прошлого столетия и затем усовершенствованные технологии фирмой «Лурги», отличаются чрезвычайно высокой капиталоемкостью. Данные аспект делает недоступным покупку импортных технологий и оборудования.

В России данной тематикой занимается достаточно большое число научных коллективов, имеются и технологические разработки на тему термического облагораживания бурого угля. Но в большинстве случаев данные исследования выполняются только на уровне лабораторных

установок. Известно, что путь от лабораторной установки до коммерческого предприятия с надежной технологией проходят только 5 % от всех разработок. Обусловлено это большими инвестициями и большим сроком апробации, отдача от которых вернется очень нескоро.

4. Торф

Торф (нем. Torf) – это горючее полезное ископаемое; образовано скоплением остатков мхов, подвергшихся неполному разложению в условиях болот. Для болота характерно отложение на поверхности почвы неполно разложившегося органического вещества, превращающегося в дальнейшем в торф. Слой торфа в болотах не менее 30 см, (если меньше, то это заболоченные земли).

Рис. 9. Торфяной среднеразложившийся горизонт дерново- подзолистой грунтово-оглеенной почвы

Торф отличается от почвенных образований содержанием органических соединений, их количество в торфе составляет не менее 50 % по отношению к абсолютно сухой массе. В 30-50 гг. прошлого столетия торф активно применяли в энергетике и для выработки газа, а также для отопления домов.

Применение торфа как топлива обусловлено его составом: большим содержанием углерода, малым содержанием серы, вредных негорючих остатков и примесей. По сути, это молодой уголь.

Основными недостатками торфа является низкая теплотворная способность, а также трудность его сжигания, что обусловлено большим содержанием влаги (до 65%).

Преимуществами торфяного топлива являются:

  • экологическая чистота сгорания (малая доля серы);
  • полное горение (малый остаток золы);
  • низкая себестоимость производства;
  • появившиеся новые технологии сжигания.

Рис. 10. Торф в руке

В ходе маркетингового исследования «Российский рынок органических удобрений: итоги 2011 г., прогноз 2012-2013 гг.», проведенного NeoAnalytics выяснилось, что производство торфа для сельского хозяйства ожидают большие перспективы. Это можно характеризовать тем, что торфяная промышленность пришла в упадок. Так в период с 1990 по 2011 год добычи торфа сократились более чем в 20 раз, большинство предприятий, связанных с добычей и переработкой торфа, прекратили деятельность, на других, действующих в настоящее время предприятиях, оборудование физически и морально устарело. Разрабатываемые ранее залежи торфа зарастают, что удорожает добычу торфа, или возвращены в гослесфонд как не используемые.

Рис. 11. Свойства и области применения торфа

Рис. 12. Добыча торфа

Если сравнивать показатели добычи торфа, то легко заметить ее снижение. Так в 2011 году было произведено 128 тыс. тонн торфа для сельского хозяйства, что почти в 30 раз меньше добычи в 1998 году (3834 тыс. тонн). Запасы торфа по экономическим районам России распределены следующим образом: более половины запасов (51%) торфа расположено в Западно-Сибирском районе, затем на втором месте идет – Северный регион (18%), на третьем месте – Дальневосточный (13%). Наименьшие запасы торфа находится в Центральном экономическом районе, порядка 2 %.

Торф относят к возобновляемым природным ресурсам.

Используют его в основном в энергетике и сельском хозяйстве.

Более 65 % добываемого торфа поставляется для нужд сельского хозяйства. В целом торфяные ресурсы в мировом масштабе оцениваются более 400 млн. гектаров. Из них 162,7 млрд. тонн при влажности в 40 % расположены на территории Российской Федерации.

Рис. 13. Торф в сельском хозяйстве

5. Брикетное топливо

Брикетное топливо – это еще одно назначение каменноугольных брикетов. Брикетирование происходит путем спекания угольных или торфяных частиц, под действием температуры и давления, в брикеты правильной формы. Для лучшей спекаемости угольных частиц в угольные брикеты при их производстве добавляют связующие.

Торфяные брикеты – это готовый к сжиганию продукт, изготавливаемый из сырого торфа с добавлением связующих веществ или без них, последующей сушкой и обработкой высоким давлением.

Рис. 14. Торфяные топливные брикеты

Буроугольные брикеты – изготавливают из бурого угля и лигнита. Их спекание производят под высоким давлением без добавления связующих веществ после предварительного дробления и сушки с образованием брикетов правильной формы.

6. Кокс

Кокс – это твердый остаток, получаемый путем сухой перегонки каменного угля или лигнита при полном отсутствии доступа воздуха (карбонизация).

Различают каменноугольный, буроугольный и газовый кокс.

6.1 Кокс каменноугольный

Кокс каменноугольный (от нем. Koks и англ. coke) – это твѐрдый пористый продукт серого цвета, получаемый путѐм коксования каменного угля при температурах 950-1100 °С без доступа воздуха. Кокс содержит 96-98 % С, остальное Н, S, N, O. Пористость 49-53 %, истинная плотность 1,80-1,95 г/см³, кажущаяся плотность ≈ 1 г/см³, насыпная масса 400-500 кг/м³, зольность 9-12 %, выход летучих веществ 1 %. Влажность при тушении водой и инертным газом соответственно 2-4 % и не более 0,5 %. Предел прочности при сжатии 15-25 МПа, при срезе (характеризует устойчивость к истиранию) 6-12 МПа, теплота сгорания 29-30 МДж/кг.

Рис. 15. Кокс каменноугольный

Для выплавки чугуна в основном применяют каменноугольный кокс как высококачественное бездымное топливо или по-другому доменный кокс, также его применяют как восстановитель железной руды и разрыхлитель шихтовых материалов. Также каменноугольный кокс используют как ваграночное топливо в литейном производстве (литейный кокс), для бытовых целей (бытовой кокс), в химической и ферросплавной отраслях промышленности (специальные виды кокса).

Доменный кокс выпускают с размером кусков не менее 25- 40 мм, наличие мелочи должно составлять не более 3% (куски до 25 мм и не более 2-3 % для кусков больше 80 мм.

Литейный кокс, если рассматривать его по размерам кусков, то окажется что он крупнее доменного. Он также более пригоден как продукт, в котором присутствуют куски менее 60-80 мм. Главное чем отличается литейный кокс от доменного является то, что в нем содержится очень мало серы, менее 1 % против 2 % в доменном коксе.

При производстве ферросплавов активно применяют кокс мелких фракций порядка 10-25 мм. Применяемые коксы обладают высокой степенью реакционной способности. Если говорить о прочности кокса то эти требования менее строгие, чем, например, к доменному или литейному коксу.

Рис. 16. Доменный процесс

Наиболее лучшим коксом для любого типа производства является прочный, малозольный кокс с низким содержанием серы и малым количеством мелких фракций.

В современном мире производство каменноугольного кокса составляет около 550-650 млн. т/год. Больше половины от этого объема производится в КНР (60-70 % мирового производства).

6.2 Газовый кокс

Газовый кокс – это побочный продукт переработки угля, используемого для производства искусственного газа на газовых заводах, и печной кокс, к которому относятся все другие виды кокса, получаемые из каменного угля.

6.3 Буроугольный кокс

Буроугольный кокс – это твердый продукт, получаемый путем карбонизации буроугольных брикетов.

Рис. 17. Частицы угля в буроугольном коксе

Сегодня основными потребителями буроугольных коксов являются черная и цветная металлургия. Здесь его используют в качестве восстановителя или технологического топлива для агломерации, и изготовления ферросплавов, в качестве отощающей добавки в производстве металлургического кокса и основного наполнителя при изготовлении коксобрикетов. Изготовленные коксоугольные брикеты применяют как бытовое топливо. Основные наполнители такого кокса это тяжелая или суммарная смола и полукокс. Полукоксы активно используются и для их газификации с получением горючего газа и в некоторых химических производствах.

7. Горючий сланец

Горючий сланец – это осадочная порода с высоким содержанием органического вещества (керогена), которое может быть преобразовано в сырую нефть или газ путем нагревания.

Горючий сланец полезное ископаемое из группы твердых каустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы (близкой по составу к нефти). Образование сланцев в основном происходило 450 миллионов лет тому назад на дне моря из растительных и животных остатков.

Горючий сланец состоит из преобладающих минеральных (каолинит, кальцит, монтмориллонит, кварц, полевые шпаты, доломит, гидрослюды, пирит и др.) и органических частей (кероген), последняя составляет 10-30 % от массы породы и только в сланцах самого высокого качества достигает 50-70 %. Органическая часть является био- и геохимически преобразованным веществом простейших водорослей, сохранившим клеточное строение (талломоальгинит) или потерявшим его (коллоальгинит); в виде примеси в органической части присутствуют измененные остатки высших растений (витринит, фюзенит, липоидинит).

Рис. 18. Кукерсит (горючий сланец).

Горючие сланцы – это порода смешанного обломочного и органогенного происхождения; образуются на дне морей, лагун, озер при одновременном осаждении глинистых частиц, карбонатного вещества и сапропелевого ила с органическими остатками (планктон, высшие растения) в условиях ограниченной циркуляции воды и воздуха. Скопившаяся органическо- минеральная масса постепенно уплотняется и преобразуется в плотную осадочную породу.

Горючие сланцы зарекомендовали себя в первую очередь как очень ценное энергетическое сырье. Их применяют и в качестве топлива, а также в различных отраслях: химической промышленности, сельском хозяйстве и дорожном строительстве, в энергетике, при производстве строительных материалов. Особую ценность представляет сланцевая смола. Ее используют как сырье для изготовления жидкого топлива, а также различных ценных химических продуктов (олифы, серы, ядохимикатов, красок). Также из горючих сланцев иногда получают синтетическую нефть. Они также содержат значительные концентрации радиоактивных и редкоземельных элементов.

Данные породы делятся, в частности, на горючие, глинистые и кристаллические. Ежедневный спектр применения сланцев весьма велик. Например, сланцевые породы используют для производства огнестойкого сырья, в строительстве для внешней отделки, к этой же породе относится и известная всем черепица.

Сланцевый газ, добывают из пород, залегающих на большой глубине. В основном такой газ храниться в сланцах, которые имеют пористую структуру. Содержание газа в сланцах небольшое и храниться он там мелкими в промышленном понимании порциями. Таким образом, при выкачивании газа из сланцевых пород в него попадает множество примесей. Сегодня содержание метана в добываемом газе варьируется от 30 до 70 %. Это обстоятельство говорит о необходимости в и без того сложном процессе добычи газа производить очистку газа. Поэтому для добычи недорогого, но при этом чистого газа стремятся разрабатывать залежи газа по форме напоминающих пузыри.

По данным международного энергетического агентства IEA и независимой консалтинговой компании в области энергетики ARI на июнь 2013 крупнейшие запасы сланцевого газа находятся в США – около 32,875 миллиардов кубометров. На втором месте находится Китай – там по оценкам экспертов сконцентрировано 31,573 миллиардов кубометров. В Европе значительные запасы сланцевого газа обнаружены в Австрии, Великобритании, Венгрии, Германии, Швеции, Украине и Польше. Россия в этом рейтинге занимает лишь 9 место, зато с большим отрывом лидирует в списке обладателей сланцевой нефти.

Рис. 19. Схема добычи сланцевого газа

Сегодня добычу сланцевого газа запретили в ряде стран Европы путем введения моратория. Обусловлено это заботой об окружающей среде. Россия так же заявила, что не собирается начинать освоение сланцевого газа в ближайшие десятилетия. США наоборот уже несколько дет ведет добычу сланцевого газа. Мировые запасы сланцевого газа на сегодняшний день оцениваются как 220,729 миллиардов кубометров.

8. Битуминозные пески

Битуминозные пески – это пески или песчаники (битумы) с высоким содержанием смолистых углеродов, способные выделять нефть при нагревании или других процессах извлечения.

К битуминозным пескам относят и другие виды сырой нефти, а также густых вязких нефтяных продуктов с большой плотностью и вязкостью. Данные битумы или правильнее битуминозные пески не могут быть добыты традиционным способом добычи нефти, т. е. путем естественного фонтанирования или откачки. Причина этого кроется как раз в их плотности и вязкости. Для их добычи стремятся снизить их вязкость с помощью нагревания, содержащих их твердых пород, и тем самым отделить их. Кроме того, применяют и много других специальных способов добычи нефти из битуминозных песков.

Тяжелые виды сырой нефти также относят к категории твердых топлив. Параметром, разграничивающим сырую нефть и битумы, является показатель их вязкости. Если говорит о разграничении сверхтяжелой сырой нефти, тяжелой сырой нефти и другими видами нефти необходимо оценивают их плотность.

Рис. 20. Фото битуминозных песков

Нефтяные пески Венесуэлы и Канады содержат большие запасы нефти около 3400 млрд. баррелей. Разработка данных залежей производится в основном карьерным или шахтным способом. Сегодня такие ведущие компании как Shell и BP до сих пор не способны предложить технологию, которая позволила бы добывать большие объемы нефти из нефтяных песков. Однако это не останавливает их в поисках и они до сих пор продолжают свои исследования.

Запасы нефти в битуминозных песках Альберты (Канада) и в Ориноко (Венесуэла) составляют соответственно 1,7 и 2,0 трлн. баррелей, в то время как мировые запасы обычной нефти на начало 2006 года оценивались в 1,1 трлн. баррелей. Добыча нефти в 2006 из битуминозных песков Альберты составила 1,126 Мб/д (млн. баррелей в день). Добыча нефти из битуминозных песков Ориноко составляет 0,5 Мб/д. Вся мировая добыча нефти составляет около 84 Мб/д. Таким образом, хотя запасы битуминозных песков огромны, добыча нефти из них в обозримом будущем (согласно нынешним прогнозам) будет удовлетворять всего несколько процентов от мировых потребностей нефти. Проблема в том, что нынешние технологии добычи нефти из битуминозных песков требуют большого количества пресной воды.

9. Битумы

Битумы – это вещества имеющие вязкости, превышающие 10000 сантипуаз.

Рис. 21. Битум

Различные виды сырой нефти имеют вязкости меньше или равные 10000 сантипуаз. Эти величины вязкости относятся к измерениям, выполненным при отсутствии газа и первоначальной температуре нефтяного пласта.

Битумы нерастворимы в воде, полностью или частично растворимы в бензоле, хлороформе, сероуглероде и др. органических растворителях; плотностью 0,95-1,50 г/см³.

Просмотров: 1 480

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *