10.3. Твёрдое топливо

Определения и обозначения

Твёрдое топливо — природные или искусственные горючие вещества в твёрдом состоянии: древесина, торф, уголь, кокс, брикеты. Их сжигают для получения теплоты, электроэнергии и пара, а кокс дополнительно применяют как восстановитель.

Торф — рыхлая горючая масса из неполностью разложившихся растительных остатков. Он содержит много влаги и летучих веществ, поэтому служит не только топливом, но и исходным материалом естественного ряда углефикации.

Каменный уголь — более зрелый продукт углефикации, чем бурый уголь; он содержит больше углерода и меньше влаги. По сравнению с антрацитом в нём обычно больше летучих веществ, поэтому он легче воспламеняется и горит более ярким пламенем.

Кокс получают нагреванием каменного угля без доступа воздуха. Это пористое вещество с высоким содержанием углерода, ценное как топливо и восстановитель руд, например при получении чугуна.

Как это устроено

Отмершие растения накапливаются в болотах и погружаются в воду, где кислорода мало. Микроорганизмы разрушают часть органических веществ, но полное гниение не происходит, поэтому остаётся торф. Давление новых слоёв и постепенный нагрев удаляют воду и часть летучих соединений, превращая органическую массу в уголь.

Последовательность изменений называют углефикацией: торф — бурый уголь — каменный уголь — антрацит. Чем дольше длится процесс, тем плотнее становится топливо и тем больше в нём относительная доля углерода. Влажность обычно уменьшается, а количество летучих веществ снижается, хотя точные значения зависят от месторождения.

Состав топлива определяет его теплоту сгорания и поведение в топке. Углерод и водород дают основную энергию, вода забирает часть теплоты на испарение, а минеральные примеси образуют золу. Летучие вещества облегчают воспламенение и дают пламя, тогда как углеродистый остаток горит медленнее; при недостатке кислорода вместо CO₂ образуется ядовитый CO.

Древесину и торф используют в топках, рассчитанных на влажное и сравнительно лёгкое топливо, но их приходится сушить. Бурый уголь также требует учёта высокой влажности, а каменный уголь подходит для котельных и электростанций с соответствующей подачей воздуха. Антрацит горит устойчиво при хорошем подводе воздуха, поэтому нуждается в правильно устроенной колосниковой решётке.

При сухой перегонке каменного угля его нагревают без доступа воздуха, поэтому уголь не сгорает, а распадается на новые продукты. Твёрдым остатком становится кокс, газообразная часть образует коксовый газ, а конденсируемые вещества — каменноугольную смолу. Кокс используют в металлургии, газ — как топливо и сырьё, смолу — для получения органических веществ.

Основные виды твёрдого топлива и продукты его переработки

В таблице удобно сравнивать не только происхождение топлива, но и причины различий в его горении. Чем больше влаги и золы, тем меньше доля полезной горючей массы; чем больше летучих веществ, тем легче воспламенение. Значения являются типичными и могут изменяться у разных образцов.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Расположите торф, бурый уголь, каменный уголь и антрацит по возрастанию относительного содержания углерода. Объясните изменение свойств.

1. Записываем последовательность углефикации: торф образуется раньше угля, антрацит — наиболее зрелый продукт.
2. При переходе к следующей стадии удаляются вода и летучие соединения, поэтому доля углерода возрастает.
3. Получаем ряд: торф → бурый уголь → каменный уголь → антрацит. Одновременно уменьшаются влажность и содержание летучих веществ, а топливо становится плотнее.

Ответ: торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит; воспламеняемость обычно снижается, а теплота сгорания сухой горючей массы возрастает.

Задача 2

Условие. Образец А содержит 70% углерода, 20% воды и 10% золы, а образец Б — 85% углерода, 5% воды и 10% золы. Какой образец предположительно даст больше теплоты?

1. Сравниваем горючую часть: у Б углерода на 15 процентных пунктов больше.
2. Учитываем воду: у А её в четыре раза больше, поэтому при сжигании больше энергии уйдёт на испарение.
3. Зольность одинакова, значит, она не меняет сравнение. Образец Б должен иметь большую теплоту сгорания на единицу массы.

Ответ: образец Б; окончательный вывод по реальному топливу делают с учётом также водорода, серы и других горючих компонентов.

Задача 3

Условие. Сожжём 10 г угля состава: 80% C, 5% H, 3% S, 5% O, 2% H₂O и 5% золы. Найдите объём воздуха для полного сгорания и объём CO₂ при н. у.

1. Массы элементов: m(C)=8 г, m(H)=0,5 г, m(S)=0,3 г, m(O)=0,5 г. Тогда n(C)=0,667 моль и n(S)=0,0094 моль.
2. Кислород нужен для C, H₂ и S: n(O₂)=0,667 + 0,125 + 0,0094 − 0,0156 ≈ 0,786 моль. Вычитаем кислород топлива, уже входящий в его состав.
3. Объём чистого O₂ равен 0,786 · 22,4 ≈ 17,6 л. В воздухе около 21% кислорода, поэтому V(воздуха)=17,6/0,21≈83,8 л.
4. Из углерода образуется n(CO₂)=0,667 моль, значит, V(CO₂)=0,667 · 22,4≈14,9 л.

Ответ: необходимо примерно 84 л воздуха; образуется около 14,9 л углекислого газа.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Торф, бурый уголь, каменный уголь и антрацит считают независимыми веществами. Так происходит, если запоминают только названия, а не происхождение; проверить себя можно вопросом: какой вид образуется из предыдущего при углефикации?

Ошибка 2. Массовую долю углерода принимают за чистоту топлива. В топливе есть вода, зола и другие компоненты, поэтому нужно отдельно оценивать горючую часть, влажность и зольность.

Ошибка 3. Кокс отождествляют с каменным углём. Кокс — продукт сухой перегонки угля, почти лишённый летучих веществ; проверка проста: спросите, был ли исходный уголь переработан без доступа воздуха.

Ошибка 4. Для любого горения углерода записывают только CO. При избытке кислорода образуется CO₂, а CO появляется при неполном сгорании; уравнение нужно выбирать по условию о доступе воздуха.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны состав органических веществ, массовая доля элемента, уравнения горения и расчёты по количеству вещества. Эти знания позволяют определить расход кислорода и состав продуктов.

Тема связана с нефтью и природным газом как видами топлива, а также с металлургией и окислительно-восстановительными процессами. Она помогает понять экологические последствия выбросов CO₂, CO, оксидов серы и золы.

Связь с физикой проявляется через теплоту сгорания: количество теплоты находят по массе топлива и его удельной теплоте сгорания. Влажность и состав объясняют, почему одинаковые массы разных топлив дают разный энергетический эффект.

Что запомнить

• Твёрдое топливо содержит горючую органическую часть и негорючие примеси.
• Основные природные виды твёрдого топлива — древесина, торф и угли.
• Ряд углефикации: торф — бурый уголь — каменный уголь — антрацит.
• При углефикации обычно возрастает относительное содержание углерода и уменьшается содержание влаги.
• Кокс получают сухой перегонкой каменного угля.
• При полном сгорании углерода образуется углекислый газ, а при недостатке кислорода — угарный газ.
• Свойства и применение топлива зависят от его состава, влажности, зольности и содержания летучих веществ.