Какое свойство каменного угля и торфа позволяет использовать их как топливо

Установка твердотопливного котла — один из популярных способов решения проблемы отопления в доме. Выбор топлива в первую очередь зависит от степени его доступности. Потому что, каким бы эффективным и экономически выгодным оно ни было, если на его доставку вы будете тратить значительные силы и средства, то это — невыгодный вариант.

Горящее топливо

В первой части статьи о плюсах и минусах различных видов твёрдого топлива для котлов я рассматривала самые распространённые — древесину и её разнообразные технологические производные: топливные брикеты и пеллеты. В этой части речь пойдёт об ископаемых видах углеводородов, используемых в качестве твёрдого топлива для бытовых котлов.

Классификация ископаемого твёрдого топлива

Уголь — самое энергоэффективное твёрдое топливо, используемое в бытовых приборах отопления. В СССР и России удельная теплота сгорания одного килограмма каменного угля считалась и считается «условным топливом». Эта единица («условное топливо») используется для расчёта теплотворности производных нефти. Использование угля лежало в основе цивилизационного скачка человеческого общества: с этим ископаемым топливом связана промышленная революция. Все ископаемые виды твёрдого топлива различают и классифицируют по степени углефикации — природного процесса метаморфизации органических веществ:

торф;

бурый уголь;

каменный уголь;

антрацит.

Угольный разрез

Степень углефикации — это геологический возраст ископаемого. В процессе углефикации повышается количество углерода и уменьшается доля летучих веществ: сначала кислорода, а на более поздних стадиях — азота и водорода. Изменяются и физические характеристики угля: повышается плотность, снижается влагопоглощательная способность, меняется электропроводимость и теплопроводность. А главное — увеличивается удельная теплота сгорания.

Торф по своему составу и геологическому возрасту — самое молодое образование. И, собственно, углём он ещё не стал: он находится в самом начале пути превращения органических остатков в уголь. Торф — это наслоения не до конца разложившихся в условиях болот мхов и другой растительности. Со временем, в результате естественных процессов, сформировавшийся торф покрывается так называемой кровлей — слоем грунта. Постепенно торф опускается глубже, испытывает давление, вытесняющее из него кислород и воду, и увеличение температуры. Начинается процесс метаморфизма торфа в следующую стадию — бурый уголь.

Торфоразработка

Надо понимать, что схематично описываемый процесс превращения древних торфяников в угольные пласты растянут на миллионы лет. Но даже пока торф ещё не стал углём, он уже является топливом: в нём содержится около 50% углерода и его удельная теплота сгорания составляет от 8 до 15 МДж/кг — такая же, как у древесины. Теплотворность зависит от вида торфа и количества балластных примесей — зольности. Из добытого торфа изготавливаются топливные брикеты, которые подходят для печей, каминов и котлов. По количеству выдаваемой теплоты и образованию золы такое топливо сопоставимо с обычными дровами и топливными брикетами из древесных отходов. Их стоимость выше, чем у дров, но ниже цены на топливные брикеты из древесины.

Торфяные топливные брикеты

Тем, кто планирует приобрести в качестве топлива прессованный торф, нужно иметь в виду, что качество брикетов из него может быть разным. Некоторые рассыпаются, при сжигании издают неприятный запах, а после сгорания оставляют много золы. Причиной этого может быть недобросовестность производителя и низкое качество исходного сырья: его технические параметры зависят от глубины залегания торфа и от места добычи.

Бурый уголь

Бурый уголь принадлежит к третьей, низшей (буроугольной) степени углефикации. Залегает на глубине около километра. В советской и российской геологической школе, а также в странах Евросоюза и Англии, бурые угли ещё называют лигнитом. В Америке лигниты — вещества, содержащие лигнин (целлюлозные ткани), — выделяют в отдельную группу, предшествующую бурым углям. Бурый уголь имеет цвет от тёмно-коричневого (бурого) до чёрного. Часто в его структуре заметны растительные остатки, на изломе кусок такого угля похож на землю или древесину.

Кусок бурого угля

Он содержит 50-70% углерода, много летучих веществ и воды. Вода и большое количество примесей (кислород и азот) значительно снижают теплотворную способность бурого угля, она составляет около 15 МДж/кг. А летучие вещества облегчают розжиг: бурый уголь легко воспламеняется. Повышенное содержание примесей и летучих веществ приводит к образованию большого количества золы при сжигании — до 40%, коптящего пламени и осаждению сажи в дымоходе. Бурый уголь включает в себя много серы. Горение этого вида топлива сопровождается запахом гари. На открытом воздухе содержащаяся в буром угле вода испаряется, и куски рассыпаются в порошок. Это ещё одна особенность, осложняющая использование бурого угля в качестве топлива: необходим либо котёл со специальной горелкой, позволяющей сжигать пылевидное топливо, либо предварительное прессование угольной пыли в брикеты.

Брикеты бурого угля

Как топливо бурый уголь используется реже чем каменный, чаще всего в частных домах небольших населённых пунктов. Его стоимость невысока: тонна бурого угля стоит от 900 до 1400 рублей в зависимости от марки.

Каменный уголь

Каменный уголь в качестве топлива использовался с древних времён. Упоминание о нём можно встретить в трудах Аристотеля (IV век до н. э.). Каменный уголь принадлежит к второй степени углефикации — каменноугольной. Основные его запасы образовались в каменноугольном периоде (карбоне) — примерно 358 млн лет назад. Это довольно плотная порода чёрного или чёрно-серого цвета с характерным угольным блеском на изломе. По степени блеска можно определить одно из качеств твёрдого топлива — зольность, то есть количество балластных минеральных веществ, не участвующих в горении. Чем более матовую поверхность имеет уголь, тем больше в нём примесей.

Добыча угля в шахте

Каменный уголь содержит от 72 до 90% углерода, что позволяет ему иметь высокую удельную теплоту сгорания — 22-26 МДж/кг. При сжигании одного килограмма такого топлива получают до 6120 ккал или 7,2 кВт/час. Широкая распространённость и относительно небольшая цена (от 1100 до 2850 рублей за тонну) при высокой энергоэффективности делает каменный уголь наиболее популярным видом топлива для бытовых котлов. Стоимость каменного угля зависит от марки (технических параметров и фракции).

Железнодорожные составы с каменным углём

Отопление этим видом топлива связано с некоторыми особенностями:

модель котла;

Для эффективной работы требуется котёл, приспособленный для топки именно углём. Его топливник должен иметь трапециевидную форму, а наличие бункера очень желательно для организации непрерывной подачи топлива, иначе перевоплощаться в кочегара придётся несколько раз в сутки. Как правило, котлы, рассчитанные на топку углём, стоят дороже тех, что работают на дровах.

уголь грязный;

Запасы угля содержат угольную пыль, которая загрязняет и место хранения угля, и помещение котельной и человека, обслуживающего котельное оборудование.

Уголь

При сжигании угля в обычных котлах в продуктах сгорания остаётся довольно много недогоревших частиц (сажи). Эта чёрная пыль оседает на территории участка, особенно чётко это видно зимой на фоне белого снега. С этой проблемой помогают справится пиролизные модели угольных котлов, которые имеют дожиг продуктов сгорания. Пиролизные котлы обладают и большей эффективностью в сравнении с обыкновенными, их КПД достигает 85%. При сжигании каменного угля атмосфера загрязняется. У газогенераторных (пиролизных) котлов процент выброса в атмосферу вредных веществ ниже, правда, и стоимость их на порядок больше. Отопление углём требует хорошо организованной системы вентиляции котельной. При недостатке кислорода во время горения образуются токсичные вещества.

хранение;

Влага, впитывающаяся в уголь, снижает его эффективность. Степень влажности угля особенно важна при топке высокотехнологичных моделей котлов, требовательных к качеству топлива.

Антрацит

Каменный уголь самого высокого качества — антрацит. Это древнейший из ископаемых видов твёрдого топлива — в последней стадии углефикации. Чаще всего месторождения антрацита находятся в местностях с высокой геологической активностью. В результате сдвигов земной коры массивы этого ископаемого топлива оказываются погребёнными под очень большим (в несколько километров) слоем грунта. Антрацит содержит до 98% углерода и очень мало воды и прочих примесей, включая серу. Он густого чёрного цвета с высокой степенью блеска.

Антрацит

Антрацит имеет большую удельную теплоту сгорания — 30 МДж/кг, выдавая при сжигании килограмма угля до 7500 ккал. Это накладывает особые условия на отопительную технику: внутреннее устройство котла должно выдерживать большую температуру, иначе металлическая топка может просто расплавиться.

Древесный уголь

Строго говоря, древесный уголь не является в полном смысле ископаемым топливом. Углём этот вид топлива назван за свой чёрный цвет. Древесный уголь — продукт, получаемый при пиролизе древесины: нагреве дерева до температуры +400…+600°С без доступа (или с ограниченным доступом) кислорода. Древесина в таких условиях (без кислорода) не горит, однако происходит разложение органических веществ под действием температуры: сухая перегонка.

Древесный уголь

Во время получения древесного угля практически не изменяется структура древесины: на куске готового продукта можно разглядеть волокна дерева. Сохраняется пористость, потому древесный уголь — хороший адсорбент. Такой уголь содержит большое количество углерода, то есть имеет высокую теплотворную способность: удельная теплота сгорания древесного угля — 31 МДж/кг. Поэтому древесный уголь используют в своей работе кузнецы. Чугунолитейные производства на заре промышленной эры тоже работали на древесном угле.

Кузница

Отопление древесным углём более экологично в сравнении с ископаемым топливом. Процесс горения древесного угля аналогичен горению дров: остаётся малое количество золы, нет серы. Стоимость такого угля соизмерима с ценой на каменный уголь, и поэтому (из-за относительно высокой цены) древесный уголь — не самый распространённый вид топлива. Если есть желание и возможность, высокоуглеродное топливо можно получить и самостоятельно, подвергая пиролизу обычные дрова. Процесс получения древесного угля не требует высокотехнологичного оборудования, хотя, конечно, сегодня древесину обжигают в специальных промышленных печах.

Работа углежога

Кустарное производство древесного угля организовывается ямно или кучно: разводится костёр, затем сверху закладываются дрова, предназначенные для получения угля, а потом бурт или яма с дровами закрывается слоем земли. Внутри сохраняется высокая температура, но невозможен процесс активного горения. В работу углежога, помимо формирования бурта, входит и слежение за тем, чтобы сохранялся ограниченный доступ кислорода в бурт. При большом объёме древесины процесс пиролизного сжигания может длиться до нескольких месяцев. Я рассказала о всех видах твёрдого топлива, используемого в бытовых котлах, рассмотрев положительные и отрицательные стороны каждого из них. Какой сделать выбор — зависит от разных причин: доступности топлива, финансовой ситуации, модели отопительного оборудования, отношении к вопросам экологии и так далее.