ТОПЛИВО. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Топ л и в о м назьщаш^ которое при сгорании образует
Продукты, нагретыёГдо1Вь1Соких температур, за" счёт содержащейся в нем“ .^ш[чеШ1"етдааАшой энергии. ~
' Обычно топливо представляет собой Сложные углеродистые ж углеводородистые соединения с примесью Некоторого количества Минеральных веществ, образовавшихся из остатков Растительного Или животного происхождения путем преобразования В (результате Процессов, происходивших под давлением и без доступа Воздуха на (протяжении длительного времени.
Все виды органическдт^хдцлша по „ащещтад!^^
Топлива прйнято пвдращщляхь, на еотето&дащ®_^^^
Получаемые В РезультаТе перЕрАботки естестВенного Топлива (табл. 1-1).
Учитывая потребности отраслей Промышленности, Принято органические топлива подразделять на две основные Группы: технологи-
|
[Таблица 1-1 |Виды и способы получения органического
|
Чески е — идущие на переработку для извлечения нужных промышленности продуктов и Энергетически е — используемые для сжигания с целью получения тепловой, механической и электрической энергии.
В состав любого топлива в виде основных горючих элементов (и их химических соединений) входят углерод С, водород Н и сера Э. Кроме того, в топливе, как правило, содержатся кислород О и азот N. Кислород обычно связывает некоторое количество горючих элементов, уменьшая этим выделение теплоты при сгорании топлива. Азот не участвует в процессе горения, но на его подогрев и выделение затрачивается определенно количество теплоты. Далее в топливе содержится влага V? И зола А.
Все перечисленные элементы содержатся в топливе в соединениях сложного типа в горючей и негорючей его части.
Топливо в том виде, в каком оно используется для сжигания, называют Рабочим и содержание в нем перечисленных элементов дают с индексам «р», т. е. на рабочую массу топлива, и в процентах.
Таким образом, рабочее топливо состоит из:
|
(1-1) |
Ср+Нр+Б^+Ор+№+ №р+Лр=100 %.
Углерод является одной из главных составляющих топлива, так как его содержание определяет теплоту сгорания топлива. В состав топлива углерод входит в виде сложных соединений с кислородом, азотом и серой.
Водород изнза того, что его теплота сгорания превышает теплоту сгорания углерода больше чем в 4 раза, является второй главной составляющей топлива. Но содержание водорода в топливе небольшое, и поэтому количество теплоты, выделяемой им при сгорании, невелико и тем ниже, чем больше геологический возраст топлива.
Кислород в топливе содержится также в количестве, зависящем от Геологического Возраста топлива. Так Как Находящийся в соединении с горючими элементами топлива кислород не способствует выделению химической энергии топлива, его считают балластом органической Части топлива.
Сера в топливе может встречаться в трех видах: Органической— 80, когда она связана с углеродом, водородом, азотом и кислородом в виде сложных органических соединений, Колчеданной — Бк в соединении с железом и Сульфатной — £с в виде соединений ИеЗОд, МдБ04, Са$04 и др. Сера, входящая в состав органических и колчеданных соединений, может сгорать и выделять теплоту, образуя сернистый и серный ангидрид. Это содержание серы принято объединять и называть Летучей горючей:
|
|
(1-2)
Сера, входящая в состав сульфатных соединений из-за того, что последние практически не разлагаются, не выделяет при горении топлива теплоты и переходит в шлаки и золу.
Азот в топливе содержится, как правило, в малых количествах, в горении не участвует и переходит в свободном состояний в продукты сгорания. По сравнению с содержанием азота в воздухе, подаваемом для сжигания топлива, содержание авота в топливе (кроме природного газа некоторых месторождений) мало, так же как и влияние его на объем продуктов горения.
| Минеральная часть топлива, для (которой принято выражение ' щ о л а, в топливе может быть Первичной (внутренней), образовавШейся За счет негорючей части и содержащейся в веществах, из которых образовалось топливо; Вторичной, внесенной в топливо извне, /Главным образом в период образования пласта’топлива, и Третичной, попадающей при добыче топлива из прослоек, кровли и подошвы пласта слоя топлива.
I ( Под золой топлива (Понимают Твердый остаток, полученный После 1 сжигания Специальной Пробы Топлива При Температуре 800°С.
При сжигании топлива его минеральная часть, подвергаясь ряду превращений, образует золу, количество которой зависит не только от содержания и состава исходных минеральных примесей, но и от условий и от способа сжигания топлива. При прокаливании-топлива в лабораторной муфельной печи в минеральной части топлив протекают следующие процессы: гидратированные силикаты, гидраты окиси железа и гипс теряют крист аллогидр атную воду, щелочи и хлориды испаряются, карбонаты и сульфаты железа и алюминия разлагаются и дают новые соединения, так же как соли закиси железа, сульфиды железа и сернистый ангидрид [Л. 3]. В связи с указанными превращениями масса и состав образующейся золы никогда не бывают равными массе и составу исходных минеральных примесей.
В ходе озоления топлива иногда происходит сплавление золы, препятствующее выгоранию органического вещества, а также унос озоляемого материала образующимися газами. Отсюда следует, что зола, зольность топлива — понятия в известной мере условные. Количество ее, как и состав, в сильной степени зависит от конечной температуры прокаливания. Кроме того, выражение «содержание золы в топливе» не точное, так как зола в топливе не содержится, а цолучается при его сжигании. В топочных устройствах при сжигании топлива минеральная масса претерпевает в основном те же превращения, что и в муфельной печи, однако изменение ряда условий накладывает определенный отпечаток на состав и количество образующейся золы. Ниже1 минеральная часть топлива условно названа золой.
Влагу, содержащуюся в топливе, принято разделять на Внешнюю и гигроскопическую.
Внешняя влага яри хранении топлива в сухом месте постепенно удаляется (испаряется) до тех пор, пока не наступит равновесие между парциальным давлением паров в воздухе и паров воды, содержащейся в топливе. Топливо, высушенное таким образом, называют Воздушно-сухим.
Если продолжить подсушку топлива, нагреть его до температуры 105°С при атмосферном давлении, то можно условно считать, что вся влага из топлива, удалена. Это количество влаги, удаленное из воздушно-сухого топлива, называют Гигроскопической влагой.
Внешняя и гигроскопическая влага в сумме составляет рабочую влажность топлива:
'№>='№**+№™. (1-3)
Кроме того, в некоторых минеральных соединениях (кристаллах) топлива содержится некоторое (Количество влаги, удаление которой возможно лишь при нагреве топлива до температуры порядка 800°С, т. е. до разложения этих соединений. Эту влагу называют Гидратной
Или кристаллизационной, и ее не считают входящей в общую
Влагу топлива.
Влага не только ухудшает качество топлива, но й, превращаясь при торении в пар, отнимает часть теплоты сгоревшего топлива. Температура же уходящих из котельной установки дымовых газов обычно выше 100°С, т. е. теплота, затраченная на испарение влаги из топлива, обычно теряется. Если из топлива удалить внешнюю и гигроскопическую влагу, то останется Сухая масса топлива, имеющая состав:
Сс+Нс + $с+0°+№+Лс=100%. (1-4)
2— 53.... ■.............................. 17
Состав. сухой массы топлива необходим для (правильного определения зольности топлива в тех случаях, когда топливо до сжигания подсушивается.
Условно удалив из сухой массы топлива ‘содержащуюся в нем золу, можно получить состав Горючей 'массы топлива:
Сг+Нг+Бг+Ог+№=100 % • (1-5)
Из (сопоставления рабочей и горючей одаюс топлива видно, что последняя отличается от первой отсутствием балласта (влаги и золы):
£=№р+Лр. (1-6)
Нетрудно видеть, что горючая масса топлива является наиболее постоянной для данного вида и месторождения топлива.
Если выделить из горючей массы топлива серу летучую и колчеданную 5гк, то оставшаяся масса топлива будет содержать только органическую серу 5Г0, и ее называют Органической массой Топлива:
С° + Н° + 5Г0+0°+№=100 %. (1 -7)
Понятием органической массы топлива пользуются при некоторых лабораторных и других исследованиях топлива. Из уравнений (1-6) и (1-7) видно, что горючая и органическая массы топлива весьма близки друг к другу.
Наконец, если пробу рабочего топлива достаточно долго хранить в сухом помещении, а затем направить для анализа, то оставшуюся в топливе вкешнюю и гигроскопическую влагу называют Аналити - Ч е с Кой №а, и тогда состав этой массы топлива будет:
Са+На+5а+Оа+№+Ла+И7а=ЮО%- (1-8)
Соотношения между рабочей, сухой, горючей, органической и аналитической массой топлива может дать сводка формул для пересчета состава топлива с одной 'массы на другую (табл. 1-2).
Таблица 1-2
|
Формулы для пересчета состава и теплоты сгорания топлива
|
Из сопоставления выражений для двух масс топлива видно, что коэффициенты пересчета этих масс топлива для всех элементов постоянны. *ч
Выполняемый в специальных лабораториях химический анализ топлива дает возможность определить (содержание в топливе отдельных 18
Элементов, т. е. элементарный состав топлива, хотя эти элементы содержатся в топливе в весьма сложных соединениях. Однако для обычных расчетов, связанных с использованием полученной теплоты в процессе сжигания топлива, знание элементарного состава топлива на рабочую массу обычно является достаточным.
Сведения о рабочем составе твердого топлива, используемого в промышленных и отопительных котельных, даны в табл. 1-3.
Бели топливо нагревать без доступа воздуха до температуры порядка 850°С, то из топлива выделяются Летучие вещества и остается твердый нелетучий остаток (кокс).
Величину выхода летучих веществ принято пересчитывать на горючую массу топлива и называть Выходом летучих VT, давая ее в процентах. *
В состав летучих входят водород Н, углеводороды CnHm, окись углерода СО, двуокись углерода С02 и некоторые другие соединения. Чем моложе геологически топливо, тем меньше его степень углефика - ции — насыщения углеродом, тем больше выход летучих. Так, например, у дров Уг~85%, торфа — 70%» бурого угля — 60%, полуантраци - тов и антрацитов — 9 и 4%.
Выделение летучих веществ начинается задолго до достижения топливом температуры 850°С, так, например, начало выделения летучих для дров лежит на уровне температур около 160°С, торфа—100—110°С, бурого угля — 130—170°С, полуантрацита и антрацита — 380—400°С. Чем больше выход летучих и ниже температура начала их выделения, тем легче воспламеняется топливо и выше его реакционная способность при горении.
После выхода летучих из нагреваемого топлива получается остаток, который может быть различного вида: спекшийся, слабоспекшийся и порошкообразный. Лишь некоторые каменные кугли дают плотный, спекшийся остаток с 'большим числом пор, называемый коксом и пригодный для использования в металлургии. Этот кокс по химическому составу близок к углероду. Так как при сжигании часть минеральных примесей улетучивается, количество золы топлива никогда не бывает равно количеству минеральных примесей.
Основными компонентами золы, определяющими ее химический состав и характеристики, являются окись кремния SiЦ2, окись алюминия А1203, Окись Титана ТЮ2, окислы железа Fe203, известь СаО, магнезия MgO, окислы щелочных металлов Na20 и КгО, а также соединения серы (.сульфаты и сульфиды).
Плавкость золы зависит от состава золы и окружающей ее газовой среды. Оценку плавления золы проводят по трем температурам: начала деформации Tu начала размягчения /2 и жидкоплавкого состояния U.
Определение этих температур ведется в лабораторных условиях путем наблюдения за изменениями специально изготовленной из золы пирамидки, помещаемой в муфельную печь и постепенно нагреваемой в газовой среде, содержащей продукты неполного горения — СО, Н2 и 'т. д. (рис. 1-1). Полученные значения температуры сводят в таблицы с характеристиками элементарного состава топлива.
При выборе типа топочного устройства и режимов сжигания топлива важно знать не только абсолютные значения указанных температур, но и их интервалы или разности: i‘2—tu tg—ti, позволяющие оценить возможнее нарушения топочных процессов.
Золу,, прошедшую стадии плавления и высоких температур, при которых она частично разлагается и превращается в сплавленную или спекшуюся массу, называют Шлаком. В Отличие от золы, которая состоит в основном из ювободных окислов различных элементов, в шла - 2* 19
|
Западная Украина Львовско-Волынское, Ново-Волынское, ГР Подмосковный Бассейн Подмосковный, Б2 Донецкий бассейн Донецкий, Д Г А Кавказский Бассейн Ткибульское, Д Печорский Бассейн Интинское, Д Воркутинское, Ж Урал Кизеловское, Г Челябинское, БЗ Казахская ССР Карагандинское, К |
|
Месторождение и марка топлива |
|
|
5,37 7,13 |
|
4,91 6,68 |
|
Объемы при а = 1, м8/кг |
|
Приблизительная оптовая цена на месге добычи, руб/т |
|
Ко В ^ |
|
I |
|
|||
|
|||
 |
|||
|
|||
 |
|||
|
|
||
|
|||
|
|||
|
|
||
|
|||
|
|||
|
|
||
 |
|
||
|
|
||
|
|
||
|
|
||
|
|||
|
Продолжение табЛш 1*3
|
|
Продолжение табл. 1-3
|
Ice окислы образуют многокомпонентные системы, возникшие после воздействия на золу высоких температур и (попадания в нее дополнительных веществ из присадок, из обмуровки.
Вследствие этого температура плавления шлака отличается от температуры плавления золы T3. Для борьбы с загрязнением поверхностей топочной камеры особенно важно знать значение температуры затвердевания золы, наступающего после прохождения ею зоны высоких температур, — оно обычно ниже 4 примерно на 50°С/ Сюда же надо отнести и вязкость шлака в расплавленном состоянии при различных темпера-
Рис. 1-1. Определение температур, характеризующих золу топлива.
1 — до нагрева; 2 — начало деформации; 3 — начало размягчения; 4 — полное размягчение; S — жидкоплавкое состояние.
Турах, величину которой необходимо знать при удалении шлака из топочной. камеры в расплавленном состоянии-—жидком удалении шлака. Значение вязкости шлака топлива необходимо и при использовании шлака для изготовления так называемой шлаковой ваты.
При нагревании часть минеральных соединений улетучивается; в первую очередь, это относится к карбонатам (СаС03, MgC03, FeC03), которые, разлагаясь, дают двуокись углерода С02 и окислы металлов.
Для топлив, у которых содержание. карбонатов выше 5%, в первую очередь для сланцев, за горючую массу топлива принимают величину
!00 —Гр-Лриспр(С02)к, (1-9)
Где Л»испр=ЛР - [2,5(Бсл —[Sca)—1-0,375SCK)] °/с
Т. е. зольность без сульфатов, образовавшихся при разложении карбонатов, но с поправкой на сгорание колчеданной серы.
Величина (С02)к есть процентное содержание двуокиси углерода, выделившейся при разложении карбонатов.
Величину, найденную по выражению, находящемуся в квадратных скобках, можно принять равной 2% для эстонских и гдовоких сланцев, 3,1% —Для савельевских и 4,1% —для кашпирских.
Характеристики жидких топлив и их элементарный состав пересчитывают с помощью тех же формул и коэффициентов, которые были приведены для твердого топлива. Для топлив, получаемых из нефти, характерны высокая теплота сгорания, низкая влажность и зольность. В золе после сжигания жидких топлив встречаются соединения ванадия, снижающие надежность работы отдельных элементов котло агрегата, если эти элементы имеют температуру выше 600°С и расположены в среде продуктов сгорания топлива. Если в жидком топливе содержится больше 0,5% серы, то для хвостовых поверхностей нагрева необходима защита части элементов котлоагрегата от сернокислотной коррозии.
В газообразном топливе, кроме горючих элементов — водорода Н2, углеводородов метанового ряда СПН2т+2, тяжелых углеводородов CnHm, сероводорода H2S и окиси углерода СО, содержатся в небольшом количестве кислород О2, азот N2, двуокись углерода С02 и водяные пары Н20.
Состав газообразного топлива удобней давать в процентах по объему и все расчеты вести, исходя из единицы объема сухого газа,
Взятого при нормальных условиях — давлении 0,1 МПа (760 мирт, ст.) и температуре 0°С, а затем вводить поправку «а 'содержание водяных паров.
