Твердое топливо
Твердое топливо включает в себя торф и различные ископаемые угли, которые образовались в процессе последовательной углефикации отмершей растительной массы. Твердое топливо происходит от высокоорганизованных растений (древесина, листья, хвоя и т. д.). Основой древесины является клетчатка. Кроме того, древесина состоит из азота, лигнина (связывающее вещество), смолистых веществ, древесного сока (раствор в воде различных органических и минеральных веществ) и влаги.
Отмершие части растений, богатые лигнином, разрушались грибками и под действием воздуха постепенно превращались в темно-бурую массу с пониженным содержанием кислорода и повышенным содержанием углерода. Эта темно-бурая масса, называемая торфом, представляет собой рыхлую, рассыпчатую массу перегноя или так называемых гуминовых кислот. В этой массе также содержатся остатки неразложившихся частей растений (листья, стебли).
Торф в верхних слоях залежей - менее разложившийся, чем торф в низинных местах. Чем волокнистее строение торфа и меньше объемная масса, тем меньше степень его разложения. Скопления торфа при дальнейших преобразованиях превращаются в бурый уголь. В буром угле отсутствуют отпечатки элементов растений. Под воздействием высокого давления и температуры бурые угли в результате длительных преобразований превращаются в каменные угли, а затем в антрацит. Описанный процесс углеобразования характерен для углей гумусового происхождения (гумус - перегной).
Исходным веществом в процессе углеобразования также могут быть отмирающие микроскопические растительные и животные организмы, оседающие на дно заливов, озер, лиманов, застойных зон мелководных морей. Они образуют ил, который преимущественно состоит из органических веществ.
Под водой при слабом доступе воздуха в органических веществах под длительным воздействием микроорганизмов протекали процессы углефикации. Гниющий ил (сапропель) представляет собой торфяную стадию образования. При дальнейшей углефикации образуются сапропелевые угли. Они встречаются сравнительно редко и отличаются повышенным содержанием в органической массе водорода и пониженным содержанием кислорода. Разновидностью этих горючих ископаемых являются горючие сланцы, представляющие собой твердые минеральные породы (глинистая или мергелевая масса), пропитанные нефтеподобными органическими веществами сапропелевого происхождения.
Добытое твердое топливо состоит из углерода, водорода, кислорода, азота, серы, минеральных примесей и влаги.
Основным горючим элементом твердого топлива является углерод С, имеющий атомную массу, равную 12. Содержание углерода в твердом топливе колеблется от 50 до 94 %. Углерод представляет собой твердое вещество. При полном сгорании 1 кг углерода выделяет около 34 МДж теплоты. Содержание углерода в твердом топливе увеличивается с его возрастом.
Водород Н, содержащийся в топливе, также является горючим элементом. В органической массе древесины по сравнению с другими твердыми топливами содержится максимальное количество водорода. Атомная масса водорода принимается равной 1. В древесине весь водород связан с кислородом. Это вызывает снижение теплоты сгорания топлива, следовательно, кислород является нежелательным элементом топлива. Снижение содержания кислорода в топливе может быть достигнуто только путем коксования топлива. Атомная масса кислорода 16.
В остальных твердых топливах водород частично находится в свободном состоянии.
Кислород О и азот N, содержащиеся в топливе, являются внутренним балластом топлива. Содержание кислорода с увеличением возраста топлива снижается. Так, в органической массе древесины содержится около 41 % кислорода, а в антраците 1,7-2,6 %.
Азота в твердом топливе содержится немного, до 2 %. При сжигании топлива азот выделяется в свободном состоянии, не принимая никакого участия в горении. Однако в зоне высоких температур азот может окисляться кислородом, что приводит к образованию окислов азота. Окислы азота весьма вредны, и выброс их в атмосферу загрязняет воздушный бассейн. Атомная масса азота 14.
Сера S является горючим элементом топлива. Содержание серы в твердом топливе незначительно, за исключением сланцев. При сжигании сера выделяет небольшое количество теплоты (теплота сгорания серы 9,3 МДж/кг). Сера содержится в топливе в трех видах: органическая Sop, колчеданная Sh и сульфатная Sc. Органическая сера Sop и колчеданная SК составляют так называемую летучую серу. В горении участвуют только органическая и колчеданная сера. Поэтому при выполнении теплотехнических расчетов учитывают содержание в топливе только летучей серы Sл= S0p + SK. Сульфатная сера входит в минеральную часть топлива и в горении не участвует. При сжигании летучей серы образуются сернистый ангидрид S02 и в небольшом количестве серный ангидрид S03, которые загрязняют атмосферу. Кроме того, наличие серного ангидрида S03 при определенных условиях приводит к коррозии металлических поверхностей нагрева агрегата. В связи с этим сера является вредной примесью в топливе. Атомная масса серы 32.
Минеральная часть топлива А представляет собой неорганические примеси, содержание которых колеблется в широких пределах, от 5 до 40 % и выше. Основными минеральными примесями являются силикаты, сульфиды, карбонаты, сульфаты, оксиды металлов, фосфаты, хлориды, соли щелочных металлов. В зависимости от происхождения минеральные примеси принято делить на три вида. Первичные примеси попали в топливо из углеобразователей и связаны с органической массой топлива. Этих примесей в топливе немного, они равномерно в нем распределены и не могут быть из него удалены. Вторичные примеси внесены в топливо в процессе его образования ветром и водой, как наносы. Они распределены в топливе менее равномерно, но также не могут быть удалены из него. Поэтому первичные и вторичные примеси являются внутренними примесями топлива. Третичные примеси попадают в топливо при добыче и представляют собой породы, попавшие в топливо от внешнего минерального окружения пласта. Они распределены в топливе неравномерно и легко отделяются.
Твердый негорючий остаток, получающийся после завершения преобразований в минеральной части топлива при выжигании его в лабораторных условиях, называется золой. Выжигание топлива осуществляется в муфельной печи при температуре 800 °С в воздушной среде. Обычно масса золы несколько меньше массы минеральных примесей, содержащихся в топливе.
Хотя зола и неидентична минеральной части топлива, однако при различных теплотехнических расчетах широко пользуются содержанием золы в топливе.
Состав и характеристики золы топлива оказывают существенное влияние на условия работы котельного агрегата. Золу топлива принято характеризовать ее плавкостью и абразивностью. В соответствии с ГОСТ плавкость золы определяется нагреванием в специальной печи пирамидки из измельченной золы. Пирамидка должна быть трехгранной и иметь стандартные размеры: высоту 13 мм, основание в виде равностороннего треугольника со стороной 6 мм; одна из граней пирамидки перпендикулярна основанию.
В зависимости от состояния пирамидки при ее нагревании (рис. 2-1) различают: t1 - температуру начала деформации, при которой вершина образца оплавляется (пирамидка сгибается или вершина ее закругляется); t2 - температуру начала размягчения, при которой пирамидка оплавляется, превращаясь в полусферу; t3 - температуру начала жидкоплавкого состояния, при которой пирамидка растекается по пластинке.
В зависимости от температуры начала жидкоплавкого состояния золы различают угли с легкоплавкой золой (С< <1350 °С), с золой средней плавкости (t3 = 1350/1450 °С) и с тугоплавкой золой (73> 1450 °С).
Влага топлива, являясь его балластом, не только уменьшает теплоту сгорания, но и создает трудности при транспортировке и сжигании топлива, так как для испарения влаги приходится затрачивать теплоту, выделяющуюся при горении топлива. Содержание влаги в топливе обозначают W.
Влагу топлива принято разделять на внешнюю и внутреннюю. Внешняя влага состоит из поверхностной и капиллярной. Поверхностная влага попадает в топливо при добыче, транспортировке и хранении. Чем мельче топливо, тем больше на нем поверхностной влаги. Капиллярная влага - это влага, заполняющая поры топлива. Чем старше топливо, тем меньше в нем пор, а значит, и капиллярной влаги. Внешняя влага может быть удалена из топлива тепловой сушкой и механическими средствами.
Внутренняя влага состоит из коллоидной и гидратной. Коллоидная влага физико-химически связана с органической массой топлива и распределяется в нем довольно равномерно. Количество коллоидной влаги падает с увеличением возраста топлива. Максимальное количество коллоидной влаги содержится в торфе, минимальное - в антраците. Содержание гидратной влаги, входящей в состав молекул некоторых минеральных примесей, невелико. При подсушке испаряется часть коллоидной влаги, а количество гидратной влаги остается практически неизменным. Удаление гидратной влаги происходит только при высоких температурах.
Твердое топливо с установившейся в естественных условиях влажностью называют воздушно-сухим. В процессе сушки топлива его важной характеристикой является гигроскопическая влажность.
Гигроскопической влажностью называют влажность топлива, доведенного при подсушке до равновесного состояния в воздухе, имеющем относительную влажность (65±5) % и температуру (20± 1) °С.
При использовании топлива и выполнении различных теплотехнических расчетов различают рабочее топливо, аналитическую пробу топлива, сухую, горючую и органическую массы топлива.
Рабочим называют как добытое топливо, так и топливо, поступившее к потребителю. Соответственно массу вещества (в процентах), из которого состоит рабочее топливо, называют рабочей массой:
Пробу, взятую из воздушно-сухого топлива и поступившую для анализа в лабораторию, называют аналитической. Соответственно масса этой пробы (в процентах)
Масса топлива, полностью лишенного влаги, называется сухой и выражается равенством (в процентах)
Условная масса топлива, лишенного влаги, золы и сульфатной серы, называется горючей и выражается равенством (в процентах)
Горючая масса топлива без колчеданной серы называется органической и выражается равенством (в процентах)
В уравнениях (2-1) - (2-5) через С, Н, О, N, S, А и W с индексами «р», «а», «с», «г» и «о» обозначено процентное содержание углерода, водорода, кислорода, азота, серы, золы и влаги соответственно в рабочей, аналитической, сухой, горючей и органической массе топлива.
Пересчет состава топлива с одной массы на другую производится при помощи множителей, приведенных в табл. 2-2. Для пересчета из одной массы в другую каждый элемент заданной массы умножают на множитель, соответствующий искомой массе из табл. 2-2.
Среди характеристик твердого топлива существенное значение имеют выход летучих и свойства коксового остатка. Под выходом летучих понимают процентное содержание в горючей массе топлива водорода, углеводородов, оксида углерода, углекислого газа и водяных паров, выделяющихся при нагревании топлива.
Выход летучих определяют нагреванием пробы воздушно-сухого топлива массой 1 г без доступа воздуха при температуре 850 °С в течение 7 мин. Выход летучих подсчитывают как массу пробы за вычетом содержащейся влаги и относят к горючей массе топлива. Выход летучих у различных твердых топлив колеблется в больших пределах, от 3 до 70 %. Чем больше возраст топлива, тем меньше в нем летучих.
Коксом называют остаток, образовавшийся после отгонки летучих. Кокс состоит из углерода и минеральной части топлива. Кокс, образовавшийся после отгонки летучих, может быть порошкообразным, слипшимся, спекшимся, сплавленным. Свойства кокса оказывают существенное влияние на использование топлива. Спекшийся кокс обладает большой механической прочностью. Топлива, дающие спекающийся кокс, используются в металлургической промышленности, а неспекающийся - для сжигания в парогенераторах и водогрейных котлах.
Важнейшей характеристикой любого топлива, в том числе и твердого, является его теплота сгорания. Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива. Если образовавшиеся в результате полного сжигания единицы массы или единицы объема топлива водяные пары конденсируются, то выделившееся количество теплоты называют высшей теплотой сгорания. Количество теплоты, выделившееся при полном сгорании единицы массы или единицы объема топлива, за вычетом теплоты, затраченной на образование водяных паров, получающихся при горении, называется низшей теплотой сгорания. Кроме того, теплота сгорания может быть отнесена к рабочей, аналитической, сухой, горючей или органической массе топлива.
Соотношение между выcшей и низшей теплотой сгорания рабочей массы топлива (в МДж/кг) имеет вид
где 2,51 МДж/кг - значение энтальпии насыщенного водяного пара при атмосферном давлении.
Соотношение между высшей и низшей теплотой сгорания соответственно сухой и горючей массы топлива (в МДж/кг) можно определить по формулам:
Теплоту сгорания твердого топлива определяют экспериментально с помощью калориметрической установки. Она представляет собой стальной цилиндрический сосуд, называемый калориметрической бомбой. В бомбу помещают навеску топлива в 1 г и подают кислород при давлении 2,5-3,0 МПа. Затем бомбу погружают в водяной калориметр и по достижении установившегося температурного состояния в калориметре поджигают навеску топлива при помощи электрического запальника. По приросту температуры воды в калориметре и по массе пробы топлива вычисляют его теплоту сгорания. Определенная таким способом теплота сгорания обозначается Qб.
Высшая теплота сгорания вычисляется по теплоте сгорания, определенной в калориметрической установке, МДж/кг:
где 9,43*10-2 Sб - теплота, выделяющаяся при окислении продуктов сгоревшей в бомбе серы So от S02 до S03 и растворении S03 в воде; 6,3*10-6Qб — теплота образования азотной кислоты в бомбе для каменных и бурых углей.
Низшая теплота сгорания рабочей массы твердого топлива (МДж/кг) может быть ориентировочно определена по эмпирической формуле, предложенной Д. И. Менделеевым:
При различных теплотехнических расчетах рекомендуется пользоваться теплотой сгорания, определенной в калориметрической установке.
Теплота сгорания горючей массы определенного сорта топлива является постоянной величиной. Поэтому при изменении зольности и влажности этого топлива теплота сгорания рабочей массы (МДж/кг) может быть определена по уравнению
Определение теплоты сгорания рабочей массы топлива по известной теплоте сгорания сухой массы (МДж/кг) производится по формуле
Низшая теплота сгорания рабочей массы топлива QH1p с содержанием влаги W1P пересчитывается на массу с влажностью W2Р по формуле
При одновременном изменении влажности и зольности для пересчета Qnp используется формула
Согласно действующему ГОСТ ископаемые угли делятся на три типа: бурые, каменные и антрацит. Переходным типом между каменными углями и антрацитом является полуантрацит. К бурым углям Б (обозначение марки угля) относят угли, имеющие неспекающийся кокс и высокий выход летучих (более 40%), с высшей теплотой сгорания рабочей массы беззольного угля
Бурые угли имеют высокую общую и гигроскопическую влажность, пониженное содержание углерода и повышенное содержание кислорода по сравнению с каменными углями. Бурые угли характеризуются также повышенной зольностью и соответственно невысокой теплотой сгорания рабочей массы (QHP=10,5/15,9 МДж/кг).
В зависимости от содержания влаги бурые угли разделяются на три группы: Б1 с содержанием влаги Wр≥40 %; Б2 с 1КР = 30/40 %; БЗ WР<30 %. Угли на воздухе легко теряют влагу и прочность, превращаясь в мелочь.
Ископаемые угли, имеющие высшую теплоту сгорания рабочей беззольной массы
и выход летучих более 9 %, относятся к каменным углям. Каменные угли принято характеризовать выходом летучих, состоянием кокса и размером кусков.
Примечание. Для дальневосточных углей марки Т выход летучих на горючую массу Vr = 8/20 %..
Классификация каменных углей по выходу летучих и характеристике коксового остатка приведена в табл. 2-3, а по размеру кусков - в табл. 2-4.
К полуантрацитам (обозначаются ПА) и антрацитам (обозначаются А) относят угли, имеющие выход летучих менее 9 %.
В соответствии с приведенной классификацией обозначение угля производят следующим образом. К условному обозначению марки угля приписывают обозначение класса. Например, БР - бурый уголь рядовой; АО - антрацит орех; ДСШ - длиннопламенный семечко со штыбом.
Торф является наиболее молодым ископаемым твердым топливом. Он имеет высокий выход летучих (70 %) и высокую влажность (до 52 %).
В зависимости от способа добычи различают торф кусковой и фрезерный. Кусковой торф имеет вид кирпичей, а фрезерный представляет собой мелкую крошку. Добыча фрезерного торфа дешевле, чем кускового. Поэтому в настоящее время для сжигания используется в основном фрезерный торф. Сланцы характеризуются высокой зольностью (Ар = 50/60 %) и повышенной влажностью (Wp= 15/20 %). Низшая теплота сгорания рабочей массы сланцев не превышает 10 МДж/кг. Торф, сланцы и некоторые бурые угли (подмосковные, башкирские, украинские) целесообразно использовать в непосредственной близости от места добычи во избежание непроизводительных расходов на перевозку большой массы влаги и золы. Топлива, которые целесообразно использовать только в месте их добычи, называют местными.
