91 Литература 96 Приложение 1 97 Приложение 2 98 Приложение 3 99
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
1.5.4 Выход летучих веществ и свойства коксового остатка При нагревании твёрдого топлива происходит разложение термически нестойких молекул органических веществ горючей массы и углеводородистых соединений. Выделяющиеся при этом горючие (CH 4 , СО, H 2 ) и негорючие (СО, O 2 , N 2 , SO 2 и др) газы называются летучими веществами. (Водяной пар, выделяющийся при испарении влаги топлива, в состав летучих веществ не входит. Летучие вещества в топливе не содержатся, а образуются в результате его термического разложения. Поэтому говорят о выходе летучих вещества не об их содержании в топливе. 30 В процессе термического разложения в летучие вещества переходит не весь углерод топлива. Оставшийся после термического разложения углерод вместе с минеральными примесями образует твёрдый нелетучий остаток, называемый коксом. Так как количество выделяющихся летучих веществ зависит от температуры и продолжительности нагрева, то при определении выхода летучих веществ температурный режим, условия и продолжительность нагрева топлива строго регламентированы. При экспериментальном определении выхода летучих веществ навеску аналитической (воздушно-сухой) пробы топлива выдерживают в муфельной печи без доступа воздуха при температуре 830-870 ℃. Выход летучих - уменьшение массы пробы топлива (за вычетом содержащейся в ней влаги) - принято относить к горючей массе топлива и обозначать V daf , % (от англ - летучий. По величине выхода летучих все топлива делятся на две группы пламенные и тощие. Температура, при которой начинается выход летучих вещества также их количество зависят от химического возраста топлива. По мере увеличения степени углефикации топлива выход летучих веществ уменьшается, а температура начала их выхода увеличивается. При этом вследствие уменьшения количества инертных газов теплота сгорания летучих веществ увеличивается. Выход летучих веществ и их состав оказывают существенное влияние на процесс воспламенения и горения. Топливо с высоким выходом летучих (торф, бурые угли, молодые каменные угли) при нагревании быстро выделяет значительное количество горючих газообразных веществ, которые легко воспламеняются и быстро сгорают. Оставшийся после выделения летучих кокс такого топлива содержит относительно малое количество углерода, поэтому горение его протекает также сравнительно быстро и с малыми потерями теплоты от недожога. Наоборот, топливо с малым выходом летучих (антрацит, 31 тощие угли) воспламеняется значительно труднее, а горение его коксового остатка протекает более продолжительное время. Таблица 3 Выходи температура начала выхода летучих веществ Выход летучих веществ оказывает определённое влияние и на механические свойства коксового остатка. Топливо сочень высоким или малым выходом летучих веществ образует механически непрочный, легко рассыпающийся кокс. Это затрудняет слоевое сжигание такого топлива вследствие образования порошкообразного слоя кокса, плохо продуваемого воздухом. При содержании в угле битуминозных веществ, которые при нагревании переходят в пластическое состояние или расплавляются, коксовый остаток может спекаться и вспучиваться. Способность топлива при термическом разложении без доступа воздуха переходить в пластическое состояние и образовывать относительно прочный кокс называется спекаемостью. Процесс термического разложения топлива протекает в несколько стадий. При нагревании некоторых углей выше С без доступа воздуха из них выделяются парогазовые и жидкие продукты, происходит размягчение частиц угля, благодаря чему они становятся пластичными (переход в пластическое состояние. При температуре С пластическая масса затвердевает, и образуется спекшийся твердый остаток - полукокс. При Вид топлива Выход летучих, V daf , % Температура начала выхода летучих, С Торф 70 - 75 100 - 120 Бурые и молодые каменные угли 30 - 60 150 - 170 Старые каменные угли 10 - 15 380 - 400 Антрациты 2 - 9 400 32 дальнейшем увеличении температуры (до Си более) в полукоксе снимается содержание кислорода, водорода, серы, а содержание углерода возрастает. Полукокс переходит в кокс с повышенной твёрдостью и прочностью. Коксуемость — свойство измельченного угля спекаться с последующим образованием кокса с установленными крупностью и прочностью кусков. В зависимости от внешнего вида и прочности, различают следующие разновидности коксового остатка • порошкообразный • слипшийся • слабоспёкшийся; • спёкшийся, не сплавленный • сплавленный, не вспученный • сплавленный, вспученный • сплавленный, сильно вспученный. Угли, образующие спёкшийся и сплавленный коксовый остаток, являются ценным технологическим топливом и используются, в первую очередь, для производства металлургического кокса (коксующиеся угли. 1.6 Промышленная классификация твердого топлива Ископаемые угли по установленным в России стандартам условно делятся натри основных типа бурые, каменные и антрациты. Добываются они либо подземным способом (при глубоком залегании, либо открытым (при помощи экскаваторов, когда залежи их выходят на поверхность. Угли могут подвергаться сортировке и обогащению (отделению от угля пустой породы. К бурым (марка Б) относятся угли с • неспёкшимся коксовым остатком • высоким выходом летучих веществ (V daf > 40%); • высшей теплотой сгорания беззольной массы Q s af < 24МДж/кг. 33 Бурые угли характеризуются пониженным содержанием углерода и повышенным содержанием кислорода, серы и влаги, имеют окраску от бурого до чёрного цвета. Содержание золы в сухой массе A d колеблется, как правило, от 20 до 30 %. При сушке на воздухе они теряют механическую прочность, растрескиваются и обладают повышенной склонностью к самовозгоранию. В зависимости от содержания влаги в беззольном топливе W af , бурые угли делятся натри группы Б — W af ≥ 50 %; Б — 30 % ≤ W af < 50 %; ЗБ — W af < 30 %. Бурые угли относятся к низкосортному топливу. Вследствие высокого содержания внешнего балласта бурые угли имеют невысокую низшую теплоту сгорания рабочей массы топлива 𝑄 𝑖 𝑟 = 23 ÷ 27,5 МДж/кг. К каменным относятся угли с - высшей теплотой сгорания беззольной массы 𝑄 𝑠 𝑎𝑓 > 24 МДж/кг; - выходом летучих веществ V daf > 9 %. Вследствие меньшего содержания внешнего балласта (A d = 15-20 %, W r = 4-12 %) каменные угли обладают более высокой теплотой сгорания,чем бурые угли 𝑄 𝑖 𝑟 = 23 - 27,5 МДж/кг. В зависимости от выхода летучих веществ и толщины пластического слоя, каменные угли подразделяются наследующие технологические марки — длиннопламенный - Д — газовый - Г — газовый жирный отощённый - ГЖО; — газовый жирный - ГЖ; — жирный - Ж — коксовый жирный - КЖ; — коксовый - К — коксовый отощённый; 34 — коксовый слабоспекающийся низкометаморфизованный - КСН; — коксовый слабоспекающийся - ОС — отощённый спекающийся - ОС — тощий спекающийся - ТС; — слабоспекающийся - СС; — тощий - Т. Каменные угли обладают высокой механической прочностью, плотностью, способностью к коксованию, мало подвержено выветриванию и самовозгоранию. По цвету и характеру излома кусков каменные угли можно разделить наследующие группы - блестящие, имеющие черный и яркий блеск - матовые, ст мно-чрным цветом без блеска - волокнистые, густого чёрного цвета, сохраняющие структуру древесины - слоистые, образованные рядом чередующихся слови дающие в изломе блестящие и матовые полосы. Угли с выходом летучих веществ Vᵈᵃᶠ =2÷9 % относятся к антрацитам. Антрациты (марка А) характеризуется очень высоким содержанием углерода, достигающим в горючей массе C daf = 95÷96 %. Они обладают высокой механической прочностью, имеют черный с металлическим блеском цвет, не самовозгораются. Угли, промежуточные между каменными и антрацитами, относят к полуантрацитам. Они отличаются выходом летучих веществ V daf = 5÷10 % и теплотой сгорания несколько большей, чему антрацитов ( за счёт повышенного содержания водороды.) Классификация углей по размеру кусков приведена в таблице 4. 35 Таблица 4 Классификация углей по размеру кусков Наименование Обозначение Размер кусков, мм Плита > 100 Крупный к 50 - 100 Opex О 25 - 50 Мелкий М 13 - 25 Семечко С 6 - 13 Штыб Ш < 6 Рядовой Р неограничен Торф по способу добычи подразделяется на кусковой в виде кирпичей или брикетов) и фрезерный в виде мелкой крошки. По глубине залегания торф подразделяется на верховой, переходный и низинный. Воздушно-сухой торф содержит до 40-50 % влаги. Зольность сухой массы колеблется от 3 до 10 %. Вследствие высокой влажности торф имеет низкую рабочую теплоту сгорания. Торф характеризуется плохой сыпучестью, склонностью к слёживанию, повышенной взрывоопасностью, высокой гигроскопичностью и легкостью смерзания. Горючие сланцы характеризуются высоким выходом летучих веществ, достигающим 70-80 % в горючей массе, высокой зольностью (до 40-60 %), наличием серы (дои карбонатов кальция, магния и железа, которые при сгорании сланца разлагаются, выделяя диоксид углерода. Влажность сланцев достигает 15-20 %. Наиболее целесообразно использовать сланцы в качестве сырья для газификации и получения горючих газов. Пи сухой перегонке сланцев выделяется значительное количеств смол, близких по составу к нефти. Сланцы в основном образовались 450 млн. лет тому назад на дне моря из растительных и животных остатков. 36 1.7 Жидкое топливо Одним из важных источников углеводородов является нефть - маслянистая жидкость темно-коричневого или черного цвета с плотностью 730-1040 кг/м З . Нефть представляет собой сложную смесь преимущественно жидких органических веществ. По составу нефть бывает парафиновая (состоит из предельных углеводородов с прямой или разветвленной цепью, нафтеновая (содержит предельные циклические углеводороды) и ароматическая (включает ароматические углеводороды — бензол и его гомологи. Однако чаще встречается нефть смешанного типа. Кроме углеводородов, в состав нефти входят примеси органических кислородсодержащих и сернистых соединений, а также вода и растворенные в ней минеральные соли. Содержатся в нефти и механические примеси — песок и глина. Нефть используют для получения высококачественных видов моторного топлива, а продукты её химической переработки являются ценным сырьём для получения многочисленных соединений, включая смазочные масла, ароматические вещества и другие синтетические материалы. 1.7.1 Переработка нефти Наиболее простым способом переработки нефти является температурная перегонка — разделение её на фракции по температурам выкипания углеводородов, входящих в состав нефти (рис. 37 Рисунок 4 - Температурная перегонка нефти Процесс разделения нефти на фракции основан, на том, то с увеличением молекулярной массы углеводородов повышается температура их кипения. При нагревании 200 ℃ отгоняются наиболее лёгкие бензиновые фракции, при 250-300 ℃ - керосиновые и т.д. В результате перегонки нефти на фракции получают 55-75% моторных топлив (бензина, керосина, газойля и др) и 25-45 % тяжёлого нефтяного остатка (мазута. При таком способе переработки нефти молекулярная структура углеводородов не разрушается. Бензин - горючая смесь лёгких углеводородов с температурой кипения от 40 до 200 ℃. Плотность около 750 кг/м³. Температура замерзания ниже минус 60 ℃. Теплотворная способность примерно 10500 ккал/кг (46 МДж/кг, или 34,5 МДж/л). Лигроин - прозрачная желтоватая жидкость, нерастворимая вводе. Пределы кипения 150-250 ℃, плотность 785-795 кг/м³ и вязкость 1,2 мм²/с при 20 ℃). Лигроин вырабатывался, главным образом, как моторное топливо для тракторов. В связи с переводом тракторного парка на дизельные двигатели лигроин как моторное топливо утратил своё значение и применяется, в основном, в приборостроении в качестве наполнителя жидкостных приборов и как растворитель в лакокрасочной промышленности. Является более тяжёлым, чем бензин, и более лёгким, чем керосин. 38 Керосин - смесь углеводородов (от С до С, выкипающая в интервале температур 180-300 ℃, прозрачная, слегка маслянистая на ощупь, горючая жидкость. Плотность 780-850 кг/м³ (при 20 ℃), вякость 1,2-4,5 мм²/с при 20 ℃), температура вспышки 28-72 ℃, теплота сгорания около 43 МДж/кг. Применяется в качестве растворителя (технический и осветлительный керосин) и авиационного топлива (авиакеросин). Газойль - смесь углеводородов различного строения (от С до Си примесей (серо, азот- и кислородсодержащих) с пределами выкипания 250- 500 ℃. Лёгкий газойль (пределы выкипания 250-350 ℃) - основной компонент дизельного топлива, тяжёлый газойль (350-500 ℃) - маловязкий компонент топочного мазута. Мазут - жидкий продукт темно-коричневого цвета, остаток после выделения из нефти бензиновых, керосиновых и газойлевых фракций, выкипающих до 350-360 ℃. В связи с интенсивным развитием всех видов транспорта и постоянно увеличивающейся потребностью в лёгких моторных топливах широкое применение получил способ глубокой переработки нефтепродуктов. Этот процесс глубокой переработки, основанный на расщеплении молекул тяжёлых углеводородов на более лёгкие, называется крекингом. Крекинг протекает при высокой температуре 450-600 Си резком снижении давления (Р = 4-5 П. Чтобы ускорить крекинг, увеличить выход лёгких моторных топлив и провести его при более низкой температуре, применяют специальные катализаторы (каталитический крекинг. 1.7.2 Свойства мазута Основным видом жидкого энергетического топлива является мазут. Он представляет собой тяжёлый остаточный продукт переработки нефти и состоит из наиболее тяжёлых углеводородов (>C 20 ). В состав мазута входят также асфальтосмолистые вещества, сернистые соединения, минеральные примеси и 39 влага, перешедшая в мазут из нефти. Мазут получают на нефтеперерабатывающих заводах одновременно с производством других продуктов (моторных топлив, смазочных масел и др. В зависимости от условий переработки нефти (температурная разгонка или крекинг, получают либо прямогонный мазут, либо крекинг-мазут, который может содержать более сложные и тяжёлые жидкие углеводороды — например, гудрон и полугудрон. Минеральные примеси мазута представляют собой соли щелочных металлов, которые при сжигании мазута частично переходят в оксиды, обуславливая образование золы, а также продукты коррозии резервуаров. Зольность топочных мазутов обычно не превышает 0,1 %. Согласно стандартам, в мазуте, поставляемом потребителям, содержание воды не должно превышать 1,5 %. Однако при разогреве мазута паром перед сливом из цистерн происходит значительное повышение влагосодержания мазута — дои более. Пи сжигании обводнённого мазута возрастают аэродинамическое сопротивление и расход энергии на собственные нужды электростанции, при этом уменьшаются адиабатическая температура теоретическая температура горения) и теплоотдача в топке, вследствие чего снижается КПД котла. Кроме того, влага усложняет эксплуатацию мазутного хозяйства и может привести к расстройству режима горения мазута из-за возможного образования водяных пробок, прерывающих равномерную подачу топлива к форсункам. Основными характеристиками мазута, оказывающими существенное влияние на его использование, являются - вязкость - плотность - температура вспышки - температура воспламенения - температура самовоспламенения - температура застывания. 40 Одной из важнейших характеристик мазута является его вязкость, в связи с чем она положена в основу маркировки мазута. Для сравнительной оценки высоковязких продуктов, каким является мазут, обычно пользуются условной вязкостью, которая представляет собой отношение времени истечения 200 мл мазута при заданной температуре ко времени истечения такого же объёма дистиллированной воды при 20 С. Она выражается в градусах условной вязкости (°ВУ). От вязкости мазута зависят затраты энергии на его транспортировку по трубопроводам, время слива из ёмкости, скорость и полнота отстаивания отводы и механических примесей, эффективность распыления. Вязкость мазута зависит от температуры, давления и предварительной термообработки. При увеличении температуры вязкость мазута уменьшается, поэтому для облегчения транспортировки и повышения качества распыления производят его подогрев (до температуры на 20 С ниже температуры вспышки. При этом для обеспечения необходимой вязкости температуры подогрева высоковязких и маловязких сернистых мазутов различаются несущественно. Например, для мазутов Ми М в случае, если необходимо получить одинаковую вязкость перед механической форсункой (3,5 °ВУ), разница в подогреве должна составлять всего 20 Си С. С ростом давления вязкость мазута повышается, при этом, чем сложнее молекулярное строение компонентов мазута, тем большее влияние оказывает давление на вязкость. Предварительная термообработка мазута меняет его вязкостные свойства. Связано это с присутствием в мазуте углеводородов, образующих при относительно низких температурах более или менее жесткие структуры. В качестве жидкого котельного топлива чаще всего применяется мазут марок Ми М. Марка топлива определяется предельной величиной вязкости при 80 С, составляющей 41 для мазута М 40 — 8,0 °ВУ; для мазута М 100 — 16,0 °ВУ. Для передвижных котельных установок применяется так называемый мазут флотский — марок Фи Ф. Флотские мазуты относятся к категории легких топлив, топочный мазут марки М — к категории средних топлив, топочный мазут марки М — к категории тяжелых топлив. Плотность отражает товарное качество нефтепродукта. Показателем плотности пользуются в расчётах для определения вместимости резервуаров мазута, расхода энергии на его перекачку и т.д. Для практических целей часто пользуются относительной плотностью, которая представляет собой безразмерную величину, численно равную отношению плотности мазута при заданной температуре к плотности дистиллированной воды при С. Например, при температуре 20 С относительная плотность мазута ρ 4 20 находится в диапазоне от 0,95 до 1,06. Плотность мазута в сочетании с вязкостью в значительной степени определяет скорость отстаивания его отводы и осаждения механических примесей. При плотности мазута, меньшей плотности воды, отстаивание происходит сравнительно быстро (от 100 до 200 ч. При приближении относительной плотности к единице скорость отстаивания падает, а для мазутов, плотность которых превышает единицу, отстаивание практически не происходит, так как мазут в резервуаре находится ниже воды. Для перекачки мазута, заполнения и слива его из ёмкостей температура мазута должна быть не ниже 60-70 С, что соответствует вязкости - 30 °ВУ. Температурой вспышки называют температуру, при которой пары топлива, нагреваемого в стандартных условиях, образуют с окружающим воздухом горючую смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени. Горение при этом моментально прекращается, те. гор → 0. Если продолжать нагревание жидкости, то при достижении определённой температуры продукт, вспыхнувший от внешнего источника пламени, горит в 42 течение нескольких секунд (не менее 5 с. Эту температуру называют температурой воспламенения, или верхним пределом температуры вспышки жидкого топлива. Температуры вспышки и воспламенения связаны с температурой кипения соответствующих фракций топлива. Чем легче фракция, тем ниже температура вспышки и воспламенения. Ниже приведены температуры вспышки некоторых жидких топлив, ℃: бензиновые фракции до минус 40 сырая нефть 20-40 парафинистые мазуты 50-70 мазут М 40 90 мазут М 100 110 прямогонные мазуты, не содержащие парафинов 140-230 Температура воспламенения нефтепродуктов обычно на 50-70 Свыше температуры вспышки. Температурой самовоспламенения называется температура, при которой жидкое топливо воспламеняется без внешнего источника пламени. Для мазутов она находится в пределах 500-600 С. Для транспортировки мазута по трубопроводу и слива его из железнодорожных цистерн большое значение имеет температура, при которой он теряет подвижность, те. застывает (температура застывания. При определении температуры застывания мазут предварительно подогревают, а затем охлаждают в пробирке до предполагаемой температуры застывания. Температура, при которой уровень мазута в пробирке, наклонённой к горизонту под углом 45˚, остаётся неподвижным в течение l мин, принимается за температуру застывания. Прямогонные мазуты, и особенно крекинг-мазуты, обладают высокой температурой застывания (до 42 С, причём она уменьшается при понижении 43 плотности и вязкости. Температура застывания мазута М 40 равна 10 С, а мазута МС По содержанию серы мазуты разделяются на четыре группы • низкосернистые (массовое содержание серы S r ≤ 0,5 %); • малосернистые (0,5 % < S r ≤ 1,0 %); • сернистые (1 % < S r ≤ 2,0 %); • высокосернистые (2% < S r ≤ 3,5 Теплота сгорания мазута 𝑄 𝑖 𝑑 = 39,8 − 41,3 МДж/кг. Технологический тракт подготовки мазута на электростанции (рис) включает приемно-сливное устройство, основные резервуары для хранения постоянного запаса мазута, мазутонасосную систему, систему трубопроводов для мазута и пара, группу подогревателей мазута и фильтров. Рисунок 5 - Технологическая схема подготовки мазута на электростанции 1 — цистерна с мазутом 2 — сливное устройство 3 — фильтр грубой очистки 4 — сливной резервуар с Подогревом 5 - перекачивающий насос 6 — основной резервуар 7, 8 — линии рециркуляции мазута 9 — насос первого подъема - обратный клапан 11 — подогреватель мазута 12 — фильтр тонкой очистки 13 — насос второго подъема 14 — запорная задвижка 15 - регулятор расхода 16 — расходомер 17 — задвижка 18 — форсунка. 44 Мазут перед сжиганием необходимо подготовить удалить механические примеси, повысить давление мазута и подогреть (для снижения потерь давления при транспортировке по трубопроводами обеспечения тонкого распыливания. Температура в баках поддерживается на уровне 60-80 С за счет циркуляционного подогрева. Типовой является двухступенчатая схема подачи топлива, предусматривающая двухступенчатое повышение давления. Очистка мазута от твердых фракций происходит вначале в фильтрах грубой очистки с размером ячеек 1,5x1,5 мм, а затем в фильтрах тонкой очистки с ячейками 0,3-0,5 мм, установленных перед насосами второй ступени. |