91 Литература 96 Приложение 1 97 Приложение 2 98 Приложение 3 99
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
1.5. Теплотехнические характеристики топлива К теплотехническим характеристикам топлива относятся теплофизические свойства, которые оказывают существенное влияние на процесс горения, эксплуатацию топок, камер сгорания и устройств для транспортировки, хранения и подготовки топлива к сжиганию содержание горючих веществ, влаги, минеральных примесей, удельную теплоту сгорания, физико-механические характеристики (плотность, вязкость и др. Для твёрдого топлива важными характеристиками являются также выход летучих веществ, свойства кокса и золы. Состав и основные теплотехнические характеристики топлива приведены в приложении. 1.5.1. Влажность топлива Влага топлива подразделяется на внешнюю (свободную) и внутреннюю связанную. Внешняя влага, в свою очередь, делится на поверхностную и капиллярную. 17 К поверхностной, или механически удерживаемой, влаге относят ту часть воды, которая, попадая в топливо из подземных и грунтовых водили атмосферных осадков, осаждается на поверхности частиц топлива. Очевидно, что количество поверхностной влаги зависит от удельной поверхности частиц топлива (чем меньше размер кусков, тем больше удельная поверхность) и свойств этой поверхности, в первую очередь, её способности к смачиванию. Поэтому измельчение твердого топлива целесообразно лишь после транспортировки с места добычи к месту потребления. Количество поверхностной влаги обычно не превышает 3-5 % массы топлива. Капиллярная влага находится в капиллярах и порах частиц топлива. Поры с диаметром более 10 мм заполняются при прямом контакте с водой, в порах с меньшим размером возможна конденсация влаги из воздуха. Ее содержание зависит от водоносности месторождения и атмосферных условий в период транспортировки и хранения топлива. С повышением степени углефикации содержание углерода в топливе) количество капиллярной влаги уменьшается. Внешняя влага может быть удалена механическими средствами и тепловой сушкой. К внутренней относят коллоидную и гидратную влагу. Коллоидная влага является составной частью органической массы топлива. Ее количество зависит от вида топлива и его химического возраста. По мере увеличения степени углефикации содержание коллоидной влаги уменьшается. (В торфе и бурых углях 10-15 %, в молодых каменных углях 3-6%, в старых углях и антрацитах 0,5-1 %). Коллоидная влага удаляется в процессе сушки при температуре 102-105 С. Гидратная, или кристаллизационная, влага химически связана с минеральными примесями топлива и образует соединения минеральных веществ с водой, например, силикаты Al ₂O₃·2SiO₂·2H₂O, Fe₂O₃·2SiO₂·2H₂O, сульфаты CaSO ₄·2H₂O, MgSO₄·2H₂O (так называемые кристаллогидраты) и др. Содержание гидратной влаги в топливе обычно невелико. Она становится заметной лишь в многозольном топливе. При сушке топлива гидратная влага, 18 в отличие от коллоидной, не испаряется. Она выделяется только при дегидратации в процессе термического разложения топлива при температуре Си выше. Технической характеристикой, отражающей содержание в топливе влаги, является влажность 𝑊 𝑡 𝑟 . Она определяется по изменению массы топлива в результате сушки при температуре 102-105 Св стандартных условиях и выражается в процентах от начальной навески топлива. Так как при сушке вода из гидратов топлива не выделяется, то влажность меньше действительного содержания влаги W на величину кристаллогидратной воды гидр , те. 𝑊 𝑡 𝑟 = 𝑊 - гидр . Однако это расхождение незначительно. 1.5.2 Состав и содержание минеральных примесей. Зольность топлива. Свойства золы топлива. Несгоревшаячасть топлива образует очаговые остатки, которые, в зависимости от условий сжигания и от местонахождения в разных частях топки и газоходах, могут принимать форму шлака или золы. Зола — это твёрдый негорючий порошкообразный остаток, получившийся после завершения преобразований в минеральной части топлива в процессе его горения. Различают летучую золу — пылевидные фракции, уносимые уходящими газами, и провал — более крупные фракции золы, покидающие зону горения через холодную воронку. Шлак — это минеральная масса, подвергшаяся высокотемпературному нагреву, в результате которого она приобрела значительную прочность за счёт оплавления и спекания. Зольность, как техническая характеристика, представляет собой массу золы, отнесённую, как правило, к сухой массе топлива и выраженную в процентах A d 19 Минеральные примеси, в зависимости от их происхождения, подразделяются на первичные, вторичные и третичные. Состав и содержание первичных примесей, внесённых в топливо с исходным органическим углеобразующим материалом, и вторичных, которые попадают в топливо в процессе углеобразования, для каждого конкретного месторождения довольно стабильны. Они равномерно распределены в топливе, и их механическое отделение практически неосуществимо. Третичные (внешние) минеральные примеси попадают в топливо в процессе разработки месторождения, добычи топлива, его транспортировки и хранения (пустая порода, земля, песок. Третичные примеси обычно неравномерно распределены в топливе и могут сравнительно легко отделяться от топлива (например, в процессе его обогащения. Минеральные примеси уменьшает содержание горючих веществ в единице массы топлива снижают удельную теплоту его сгорания. Основными минеральными примесями твёрдых топлив являются - кремнезём SiO ₂ (до 50%); - глинозём Al ₂O₃ (до 25%); - оксиды Na ₂O, K₂O, CaO, MgO, Fe₂O₃, TiO₂ (до 25%); - сульфиды (преимущественно FeS ₂); - карбонаты CaCO ₃, MgCO₃, FeCO₃; - сульфаты CaSO ₄, MgSO₄; - фосфаты, хлориды, соли щелочных металлов. Помимо перечисленных основных компонентов, в минеральных примесях твердого топлива могут присутствовать соединения многих редких элементов германия, кобальта, никеля, палладия, платины, урана и др. При сжигании топлива многие компоненты его минеральных примесей подвергаются химическим преобразованиям, в результате которых масса и состав образующейся золы всегда отличается от массы и состава исходных минеральных примесей топлива 20 При температуре свыше 500÷600 ℃ протекают реакции дегидратации, те. происходит выделение гидратной влаги из гипса, алюмосиликатов (глин, оксидов и гидроксидов железа с образованием Al ₂O₃, SiO₂, Fe₂O₃, H₂O, например Al ₂O₃∙SiO₂∙2H₂O → Al₂O₃ + SiO₂ + 2H₂O , CaSO ₄ ∙ 2H₂O → CaSO₄ + 2H₂O. В интервале температур 500÷900 ℃ происходит разложение карбонатов с выделением диоксида углерода Ca(Mg, Fe)CO ₃ → Ca (Mg, Fe)O+CO₂. Разложение сульфата железа протекает при 850÷950 ℃: 2FeSO ₄ → 2FeO + 2SO₂ + O₂. При температуре выше 400 ℃ начинается окисление соединений Fe⁺² до Fe ⁺³: 4FeO + O ₂ = 2Fe₂O₃. Улетучивание хлоридов и соединений щелочных металлов происходит при температуре выше 500 ℃. В интервале температур 700÷1000 ℃ происходит образование сульфата кальция 2CaO + 2SO ₂ + O₂ = 2CaSO₄. Эта реакция протекает по мере выделения SO ₂ при сгорании органической серы и окислении дисульфида железа (железного колчедана, а также разложения карбонатов, содержащихся в минеральной массе углей. Именно благодаря протеканию этой реакции возможно эффективное связывание оксидов серы в топках с низкотемпературным кипящим слоем. При температуре выше 1000 ℃ начинается диссоциация сульфатов. При рассмотрении реакций, происходящих в процессе преобразования минеральных примесей топлива, можно сделать следующие общие выводы 21 1. В процессе горения химический состав минеральной части топлива значительно изменяется, поэтому масса и состав золы никогда неравны массе и составу минеральных веществ. 2. Среди реакций, протекающих в минеральной массе при озолении углей, преобладают реакции разложения, поэтому зольность угля почти всегда получается несколько меньше, чем содержание минеральной массы. 3. Каждая из приведенных реакций протекает на определенных стадиях озоления угля ив определенном интервале температур. В соответствии с этим масса и состав золы, полученной при озолении одного итого же угля при разных температурах (например, 800 и 1500 Сбудут значительно различаться. При сжигании твёрдого многозольного топлива возникают затруднения, обусловленные плавлением золы и образованием шлака, обладающего определённой плавкостью и вязкостью, в зависимости от состава золы и температурных условий. В состав минеральных примесей твёрдого топлива входят вещества, имеющие как сравнительно низкую температуру плавления 800-1000 С (оксиды натрия и калия, таки очень высокую — 1600-2500 С оксиды магния и алюминия. Однако плавкость золы зависит не только от температуры плавления отдельных компонентов, но и от среды, в которой она нагревается. В полувосстановительной среде, которая не содержит кислород, зато включает в себя восстановительные компоненты (СО, H₂, Си СО, температура плавления золы топлива на 100-300 С ниже, чем в окислительной среде, содержащей свободный кислород. Стандартный метод определения характеристик плавкости золы (рис) заключается в постепенном нагревании в полувосстановительной среде специально спрессованной из золы трёхгранной пирамидки высотой 13 мм, в основании которой лежит равносторонний треугольник со стороной, равной 6 мм, причём одна из граней пирамидки перпендикулярна к её основанию. В процессе нагревания фиксируют характерные значения температур в печи, при которых пирамидка изменяет геометрические формы 22 𝑡 𝐴 — температура, при которой вершина пирамидки начинает изгибаться или закругляться, — температура начала деформации 𝑡 𝐵 — вершина пирамидки наклоняется до основания, или пирамидка превращается в шар, — температура начала размягчения 𝑡 𝐶 — пирамидка растекается по подставке — температура начала жидкоплавкого состояния. Рисунок 2 - Характерные конфигурации образца при определении плавкости золы 1 — до нагрева 2 — начало деформации 3 — размягчение 4 - жидкоплавкое состояние Температуры плавкости золы приводятся в таблицах технических характеристик топлив в справочной литературе. В зависимости от температуры начала жидкоплавкого состояния 𝑡 𝐶 все твёрдые топлива разделяются натри группы • с легкоплавкой золой ( 𝑡 𝐶 < 1350 С • с золой средней плавкости ( 𝑡 𝐶 = 1350-1450 С • с тугоплавкой золой ( 𝑡 𝐶 > 1450 ℃ ). Большинство энергетических топлив имеют легкоплавкую золу. Характерной является также температура, при которой все компоненты шлака полностью расплавляются, ив нём отсутствует твёрдая фаза (температура истинно жидкого состояния, или критическая. При такой температуре шлак подчиняется законам течения жидкости. На работу топки (в первую очередь, на стойкость огнеупорных материалов) существенное влияние оказывают химические свойства золы и шлака топлива. Оксиды, входящие в состав золы, можно разделить натри группы 23 • кислые — SiO ₂, TiO₂, P₂O₅; • основные — CaO, MgO, FeO, КО, Na₂O; • амфотерные — АО, Fе₂О₃. Для амфотерных оксидов характерно то, что в сплавах, содержащих преобладающее количество основных оксидов, они ведут себя как кислые, и наоборот. Зола и шлак по химическим свойствам разделяются на кислые, основные и нейтральные. К кислым относятся зола и шлаку которых отношение содержания кислых оксидов к суммарному содержанию основных и амфотерных оксидов, называемое кислотностью, К > 1. К основным — если отношение содержания основных оксидов к суммарному содержанию кислых и амфотерных, называемое основностью, O > 1. Зола и шлак, не удовлетворяющие этим условиям, являются нейтральными. Расплавленный шлак не только осложняет эксплуатацию слоевых и факельных топок, загрязняет конвективные поверхности нагрева котла, снимает интенсивность теплообмена, но может и разрушать огнеупорную обмуровку. Огнеупорные материалы по своим химическим свойствам также, как и зола и шлак, делятся на кислые, основные и нейтральные. Если футеровка топки выполнена из огнеупорного материала, химическая среда которого не соответствует химическим свойствам золы и шлака сжигаемого топлива например, огнеупорный материал кислый, азола и шлак - основные, или наоборот, то между футеровкой и золой (шлаком) может произойти химическое взаимодействие, вызывающее интенсивное разрушение футеровки. Поэтому при выборе материала для футеровки стен топки необходимо учитывать химические свойства золы топлива, которое предполагается сжигать. 24 1.5.3 Теплота сгорания топлива Наиболее важной теплотехнической характеристикой топлива является теплота сгорания (теплотворная способность, те. количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы массы твёрдого или жидкого (кДж/кг) или единицы объёма газообразного (кДж/м³ ) топлива. Теплоту сгорания, также как и элементный состав, относят к рабочей, сухой или горючей массе топлива 𝑄 𝑟 , 𝑄 𝑑 , 𝑄 В зависимости оттого, в каком состоянии (жидком или газообразном) находятся в продуктах сгорания водяные пары, различают высшую ( 𝑄 𝑠 ) и низшую (𝑄 𝑖 ) теплоту сгорания (индексы s — от англ. superior — высший, i — inferior — низший. Высшей теплотой сгорания 𝑄 𝑠 называют максимальное количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы количества топлива (1 кг — твёрдое или жидкое, 1 м — газообразное) с учётом теплоты конденсации водяным паров, содержащихся в продуктах сгорания. В реальных промышленных установках температура входящих газов во избежание низкотемпературной коррозии должна превышать температуру конденсации водяного пара, а, следовательно, теплота его конденсации не используется. Поэтому во всех практических расчётах в качестве показателя теплотворной способности топлива применяют так называемую низшую теплоту сгорания 𝑄 𝑖 . Таким образом, низшая теплота сгорания 𝑄 𝑖 получается вычитанием из высшей теплоты сгорания Q S теплоты конденсации водяных паров, которые образуются при испарении влаги, содержащейся в топливе, а также при сгорании водорода топлива 𝑄 𝑖 𝑟 = 𝑄 𝑠 𝑟 − 𝑄 квп (13) Возникает вопрос, как определить численное значение теплоты конденсации водяных паров 𝑄 квп 25 Теплота конденсации водяных паров зависит от количества водяных паров, образующихся при сжигании 1 кг топлива Gвп ( НО / кг топлива, а также от удельной (так называемой скрытой) теплоты парообразования (или конденсации) г (кДж/кг): 𝑄 квп = 𝑟 ∙ 𝐺 вп кДж кг (14) Скрытая теплота конденсации (парообразования) при атмосферном давлении r = 539 ккал/кг = 2260 кДж/кг. С учётом некоторого охлаждения дымовых газов можно принять r = 600 ккал/кг = 2500 кДж/кг. Для определения расхода (количества) водяных паров необходимо понять источник (или источники) их возникновения. Во-первых, водяные пары образуются при испарении влаги, входящей в состав топлива, при этом их масса равна массе влаги в топливе 𝐺 1 = 𝑊 𝑟 100 , кг 𝐻₂𝑂 кг топлива (15) Во-вторых, водяные пары образуются при сжигании водорода, входящего в состав топлива, в соответствии с реакцией H ₂ + 0,5O₂ = H₂O. Из реакции следует, что при полном сгорании 1 моля водорода молекулярная масса водорода равна 2 кг) образуется 1 моль водяного п молекулярная масса 18 кг, те. при сжигании 2 кг водорода образуется 18 кг H ₂O, а при сжигании 1 кг водорода — 9 кг H₂O. Тогда количество (масса) водяного пара, образовавшегося при сжигании 1 кг топлива, содержащегося водород в количестве 𝐻 𝑟 , получится 𝐺 2 = 9 ∙ 𝐻 кг 𝐻₂𝑂 кг топлива (16) В итоге теплота конденсации водяных паров 𝑄 квп = 𝑟 ∙ (𝐺 1 + 𝐺 2 ) = 2500 ∙ ( 𝑊 𝑟 100 + 9 𝐻 𝑟 100 ) = 25 ∙ (𝑊 𝑟 + 9𝐻 кДж кг) Тогда соотношение (математическая связь) между низшей и высшей теплотой сгорания представляется следующим образом 26 𝑄 𝑖 𝑟 = 𝑄 𝑠 𝑟 − 25(𝑊 𝑟 + 9𝐻 кДж кг (18) 𝑄 𝑖 𝑑 = 𝑄 𝑠 𝑑 − 225𝐻 кДж кг (19) 𝑄 𝑖 𝑑𝑎𝑓 = 𝑄 𝑠 𝑑𝑎𝑓 − 225𝐻 кДж кг (20) В отличие от теплоты сгорания рабочей массы топлива 𝑄 𝑟 , которая зависит от содержания внешнего балласта (золы и влаги, теплота сгорания горючей массы топлива 𝑄 𝑑𝑎𝑓 - величина, достаточно постоянная для конкретного месторождения. Поэтому, зная 𝑄 𝑑𝑎𝑓 и (поданным технического анализа топлива) влажность 𝑊 𝑟 и зольность А 𝑟 , можно рассчитать 𝑄 𝑟 : 𝑄 𝑖 𝑟 = 𝑄 𝑖 𝑑𝑎𝑓 100 −𝑊 𝑟 + 𝐴 𝑟 100 − 25𝑊 кДж кг (21) Соответственно, связь между теплотой сгорания рабочей и сухой массы 𝑄 𝑖 𝑟 = 𝑄 𝑖 𝑑 100 −𝑊 𝑟 100 − 25𝑊 кДж кг (22) Пересечёт теплоты сгорания рабочей массы топлива при изменении влажности сна производится по формуле 𝑄 𝑖2 𝑟 = (𝑄 𝑖1 𝑟 + 25𝑊 1 𝑟 ) 100 −𝑊 2 𝑟 100 − 𝑊 1 𝑟 − 25𝑊 2 𝑟 кДж кг (23) При одновременном изменении влажности и зольности топлива теплота сгорания пересчитывается так 𝑄 𝑖2 𝑟 = (𝑄 𝑖1 𝑟 + 25𝑊 1 𝑟 ) 100 −𝑊 2 𝑟 − 𝐴 2 𝑝 100 − 𝑊 1 𝑟 − 𝐴 1 𝑝 − 25𝑊 2 𝑟 кДж кг (24) 1.5.3.1. Определение теплоты сгорания топлива Наиболее точно теплота сгорания твёрдого и жидкого топлива определяется экспериментально в специальном приборе (рис) - калориметрической бомбе. В герметически закрываемом стальном цилиндрическом сосуде калориметрической бомбе) сжигают навеску топлива в среде кислорода, подаваемого под давлением 2,5-3 П. Количество теплоты, выделяемой при сжигании топлива, определяется по повышению температуры воды в 27 калориметре, в который помещена калориметрическая бомба, и частей самого калориметра с учётом их водяного эквивалента. Температура воды в калориметре близка к температуре окружающего воздуха (20 С, поэтому водяной пар, образующийся в бомбе при сжигании топлива, практически полностью конденсируется. Следовательно, тепловой эффект, измеряемый с помощью калориметра, должен соответствовать высшей теплоте сгорания. Однако, определённая таким образом теплота сгорания в бомбе б превышает высшую теплоту сгорания Q S , так как при сгорании топлива в бомбе в среде кислорода протекают экзотермические реакции образования серной и азотной кислоты, которые в топочных условиях не имеют места. Поэтому при расчёте теплоты сгорания следует соответствующие поправки. Рисунок 3 - Калориметрическая установка 1 — калориметрическая бомба 2 - калориметр 3 — наружная оболочка 4 — термометр 5 — крышка 6 — мешалка с приводом С учетом кислотообразования при сжигании навески аналитической массы топлива 𝑄 𝑠 𝑎 = 𝑄 б 𝑎 − (𝛽 ∙ 𝑆 𝑡 𝑎 + 𝛼 ∙ 𝑄 б кДж кг (25) 28 где 𝛽 - коэффициент, учитывающий теплоту образования серной кислоты при окислении продуктов сгоревшей в бомбе серы 𝑆 𝑡 𝑎 , %, от SO ₂ дои растворении серного ангидрида вводе. Численно этот коэффициент равен 94 кДж на 1% серы α - коэффициент, учитывающий теплоту образования азотной кислоты, и равный 0,001 для тощих углей, антрацита и жидкого топлива и 0,0015 - для других углей, сланцев и торфа. При отсутствии опытных данных теплота сгорания твёрдого и жидкого топлива при заданном элементном составе топлива может быть приближённо рассчитана по формуле Д.И.Менделеева: 𝑄 𝑖 𝑟 = 339𝐶 𝑟 + 1030𝐻 𝑟 + 109𝑆 𝑜+𝑝 𝑟 − 109𝑂 𝑟 − 25𝑊 кДж кг (26) где 𝐶 𝑟 , 𝐻 𝑟 , 𝑆 𝑜+𝑝 𝑟 , 𝑂 𝑟 , 𝑊 𝑟 - соответственно, содержание углерода, водорода, летучей серы, кислорода и влаги в рабочей массе топлива, %. Теплоту сгорания газообразного топлива определяют экспериментально в газовом калориметре и относят к 1 м З г газа при нормальных физических условиях. При отсутствии опытных данных она определяется как сумма произведений объёмных долей отдельных горючих газов на теплоту их сгорания (МДж/м³): 𝑄 𝑖 𝑑 = 0,01 ∙ [∑(𝑄 𝐶 𝑚 𝐻 𝑛 ) + 𝑄 𝐶𝑂 𝐶𝑂 + 𝑄 𝐻 2 𝐻 2 + 𝑄 𝐻 2 𝑆 𝐻 2 𝑆], (27) где, 𝑄 𝐶 𝑚 𝐻 𝑛 , 𝑄 𝐶𝑂 , 𝑄 𝐻 2 , 𝑄 𝐻 2 𝑆 - теплота сгорания отдельных газов табл, МДж/м³, 𝐶 𝑚 𝐻 𝑛 , СОН, Н - объёмные доли соответствующих компонентов, %. Подставив значения теплоты сгорания отдельных компонентов в формулу (1), можно получить универсальную формулу для расчёта теплоты сгорания газообразного топлива (МДж/м З ): 𝑄 𝑖 𝑑 = 0,01 ∙ [10,8 ∙ 𝐻 2 + 12,65 ∙ 𝐶𝑂 + 35,85 ∙ 𝐶𝐻 4 + 63,8 ∙ 𝐶 2 𝐻 6 + … + 23,4 ∙ 𝐻 2 𝑆] (28) При сжигании смеси двух видов топлива теплота сгорания смеси определяется по формуле 𝑄 м 𝑟 = 𝑄 𝑖1 𝑟 𝑚 1 + 𝑄 𝑖2 𝑟 (1 − кДж кг, (29) 29 где 𝑚 1 - массовая доля топлива с теплотворной способностью 𝑄 𝑖1 𝑟 Таблица 2 Теплота сгорания горючих газов Газ Химическая формула Теплота сгорания 𝑄 𝑖 𝑑 , МДж/м³ Водород H ₂ 10,8 Оксид углерода CO 12,65 Метан CH 4 35,85 Этан C 2 H 6 63,8 Пропан C 3 H 8 91,3 Бутан C 4 H 10 123,8 Пентан C 5 H 12 146,3 Этилен C 2 H 4 60,10 Пропилен C 3 H 6 87,50 Бутилен C 4 H 8 115,20 Ацетилен C 2 H 2 56,90 Сероводород H 2 S 23,4 |