Топливом в технике называются вещества, способные при горении выделять
тепловую энергию, которую можно использовать для промышленных целей. Чем
больше тепла выделяет топливо, тем оно лучше.
Очевидно, для того чтобы оценить топливе, необходимо знать количество
выделяемого им тепла при сгорании, а для этого необходимо знать, какими
единицами измеряется тепло.
Для измерения количества тепла, выделяемого при сгорании топлива,
принята специальная единица, которая называется калорией (большой и
малой).
Большой калорией (ккал) называется такое количество тепла, которое
необходимо затратить на нагрев одного килограмма воды на один градус
Цельсия.
Малая калория (кал) равна такому количеству тепла, которое необходимо
затратить, чтобы нагреть один грамм воды на один градус Цельсия.
Следовательно, большая калория больше малой калории в 1000 раз.
При технических расчетах пользуются большой калорией, поэтому в
дальнейшем, упоминая о калориях, мы будем всегда иметь в виду большую
калорию (ккал).
Виды топлива и его характеристика
Все существующие виды топлива разделяются на твердые, жидкие и
газообразные. Для нагрева используется также тепловое действие
электрического тока и пылевидное топливо. Некоторые группы топлива, в
свою очередь, делятся на две подгруппы, из которых одна представляет
собой топливо в том виде, в каком оно добывается, и это топливо
называется естественным; другая подгруппа — топливо, которое получается
путем переработки естественного топлива; это топливо называется
искусственным.
Твердое топливо: а) естественное — дрова, каменный уголь, антрацит,
торф; б) искусственное — древесный уголь, кокс и пылевидное, которое
получается из измельченных углей.
Жидкое топливо: а) естественное — нефть; б) искусственное — бензин,
керосин, мазут, смола.
Газообразное топливо: а) естественное — природный газ; б) искусственное
— генераторный газ, получаемый при газификации различных видов твердого
топлива (торфа, дров, каменного угля и др.), коксовальный, доменный,
светильный и другие газы.
Все виды топлива состоят из одних и тех же элементов. Разница между
видами топлива заключается в том, что эти элементы содержатся в топливе
в различных количествах. Элементы, из которых состоит топливо, делятся
на две группы. К первой группе относятся те элементы, которые горят сами
или поддерживают горение. К таким элементам относятся углерод, водород и
кислород. Ко второй группе элементов принадлежат те, которые сами не
горят и не способствуют горению; к ним относятся азот и вода. Особо от
названных элементов стоит сера. Она является горючим веществом и при
горении выделяет тепло, но ее присутствие в топливе нежелательно, так
как при горении серы выделяется сернистый газ, который переходит в
нагреваемый металл и ухудшает его механические свойства.
Выше было сказано, что количество тепла, выделяемое топливом при
сгорании, измеряется калориями. Каждое топливо при горении выделяет
неодинаковое количество тепла. Количество тепла (калорий), которое
выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или при
сгорании 1 м3 газообразного, называется теплотворной способностью.
Теплотворная способность различных видов топлива имеет широкие пределы.
Например, для мазута теплотворная способность составляет около 10000
ккал/кг, для качественного каменного угля — 7000 ккал/кг и т. д. Чем
выше теплотворная способность топлива, тем оно ценнее, так как для
получения одного и того же количества тепла его потребуется меньше. Для
сравнения тепловой ценности топлива применяется общая единица измерения.
В качестве такой единицы принято топливо, имеющее теплотворную
способность 7000 ккал/кг. Эта единица называется условным топливом.
Наибольшее распространение для сжигания в кузнечных печах находят
следующие виды естественного топлива: бурый уголь, каменный уголь и
газообразное топливо. Дрова и торф, обладая низкой теплотворной
способностью, почти не пригодны для нагрева металла.
Бурые угли. Бурые угли представляют собой наиболее молодые сорта
каменных углей. Золы в бурых углях содержится от 9 до 45%. Теплотворная
способность от 2500 до 5000 ккал/кг. Только что добытый бурый уголь
отличается большим содержанием влаги (до 60%). На воздухе бурый уголь
теряет влагу, и содержание ее понижается до 30%. Под влиянием
атмосферных условий эти угли быстро выветриваются и превращаются в
мелочь. При длительном хранении бурые угли самозагораются. В чистом виде
бурые угли лишь некоторых месторождений (карагандинское и др.)
используются для кузнечных печей с полугазовыми топками, так как они не
могут нагревать металл до необходимой температуры.
Каменный уголь. Каменный уголь—один из основных видов топлива для
кузнечных печей. Образуется каменный уголь отложением растений в течение
длительного времени. Образующиеся отложения со временем покрываются
толстым слоем земли. Под большим давлением, при полном отсутствии
воздуха, происходит разложение древесины и образование каменного угля.
Процесс образования угля идет очень медленно и длится тысячелетия. В
зависимости от длительности образования получаются разные сорта
каменного угля с различной теплотворной способностью. Для кузнечных
печей наиболее приемлемым является уголь с большим содержанием летучих,
т. е. длиннопламенный и газовый. При длинном пламени создается
возможность получения более равномерного нагрева металла в печи.
Газообразное топливо. Единственным естественным (природным) газом
является «горючий газ», который выделяется из земли через естественные
выходы или буровые скважины. Теплотворная способность нефтяного
(природного) газа около 8000— 8500 ккал/м3 и может доходить до 15000
ккал/м3.
В настоящее время естественный газ находит широкое применение в
промышленности и в быту, особенно в районах его образования.
Среди искусственных видов топлива особое значение для кузнечного
производства имеют кокс, древесный уголь, жидкое, газообразное и
пылевидное топливо.
Кокс. Кокс получается из каменного угля обработкой в специальных
коксовых печах без доступа воздуха. При этом выделяются летучие, образуя
богатый по калорийности газ, называемый коксовым, который, в свою
очередь, является хорошим топливом.
Кокс содержит 87% углерода, 4% летучих веществ, 8% золы и 1—2% серы.
Теплотворная способность кокса 5600—7000 ккал/кг. В кузнечном
производстве кокс употребляется главным образом в горнах.
Древесный уголь. Древесный уголь выжигается из дров в специальных
углевыжигательных печах и является лучшим топливом для кузнечных горнов.
В древесном угле содержится очень мало золы и практически совсем не
содержится серы. Однако ввиду дороговизны он употребляется редко.
Древесный уголь содержит 84 % углерода, 14 % летучих и 2% золы.
Теплотворная способность его 7000—8000 ккал/кг.
Жидкое топливо. Единственным жидким топливом естественного
происхождения, имеющим промышленное значение, является нефть. Сырую
нефть как топливо в печах не применяют, а применяют продукт ее
переработки — мазут, т. е. остатки, получаемые после отгонки из нефти
керосина и бензина. Мазут по составу не постоянен, чаще всего содержит
углерода 84—86%, водорода 12,4%, кислорода + азота + серы 1,3%, золы 0,3
%, воды 1—2%. Теплотворная способность мазута 9500—10000 ккал/кг.
Газообразное топливо. Искусственное газообразное топливо получается
путем газификации топлива в газогенераторах или как побочный продукт при
других процессах, например, при коксовании — коксовальный газ, в
доменном процессе—доменный газ. На металлургических заводах в
специальных коксовальных печах вырабатывается кокс, который служит
топливом для доменных печей. При этом как побочный продукт получается
газ, который называется коксовальным. Теплотворная способность этого
газа изменяется в пределах от 4000 до 5000 ккал/м3.
Для лучшего и более удобного использования твердого топлива его
превращают в газ в специальных устройствах, которые называются
газогенераторами. Например, из торфа получают торфяной генераторный газ,
из каменного угля — каменноугольный генераторный газ и т. д.
Теплотворная способность генераторного газа зависит от вида топлива, из
которого получен газ, и от способа газификации. Например, торфяной
генераторный газ имеет теплотворную способность от 1500 до 1600 ккал/м3,
каменноугольный генераторный газ — от 1200 до 1400 ккал/м3.
Пылеугольное топливо. Уголь для сжигания в нагревательных печах в виде
пыли предварительно размалывается в специальных мельницах до частиц
0,07—0,05 мм. Сжиганием угольной пыли в печах достигается высокая
температура нагрева металла.