ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ТОПЛИВНОЙ ПЫЛИ. Учебнометодическое пособие для выполнения лабораторных работ Для студентов, обучающихся по направлениям 13. 03. 01 Теплоэнергетика и теплотехника
 Скачать 2.01 Mb.
|
|
В.Н.Белоусов, О.С.Смирнова, С.Н.Смородин Топливо и теория горения Учебно-методическое пособие для выполнения лабораторных работ Санкт-Петербург 2016 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРОМЫШЛЕНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ДИЗАЙНА» __________________________________________________________________ ВЫСШАЯ ШКОЛА ТЕХНОЛОГИИ И ЭНЕРГЕТИКИ Кафедра промышленной теплоэнергетики В.Н.Белоусов, О.С.Смирнова, С.Н.Смородин Топливо и теория горения Учебно-методическое пособие для выполнения лабораторных работ Для студентов, обучающихся по направлениям 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств» Санкт-Петербург 2016 УДК 621.184(07) ББК 31.31р Б 438 Белоусов В.Н., Смирнова О.С., Смородин С.Н. Топливо и теория горения: учебно-методическое пособие для выполнения лабораторных работ / ВШТЭ СПбГУПТД. - СПб., 2016 - 58 с В настоящем учебно-методическом пособии рассматриваются методы исследования характеристик органического топлива и топочных процессов. Приводятся теоретические основы, схемы лабораторных установок, порядок проведения опытов и обработки экспериментальных данных. Предназначено для студентов энергетических, политехнических и технологических вузов, обучающихся по направлениям 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств». Рецензенты: доктор технических наук, заведующий кафедрой «Атомная и тепловая энергетика» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого проф. В.В.Сергеев; главный технолог АО «Лонас технология» В.В.Викторовский. Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом ВШТЭ СПбГУПТД в качестве учебно-методического пособия. © Белоусов В.Н., Смирнова О.С., Смородин С.Н., 2016 © Высшая школа технологии и энергетики СПбГУПТД, 2016 3 Введение Курс «Топливо и теория горения» является базовой дисциплиной для студентов, обучающихся по специальностям «Промышленная теплоэнергетика», «Энергетика теплотехнологий» и ряда других. Полученные знания помогают при изучении специальных курсов, таких как «Котельные установки промышленных предприятий» и «Высокотемпературные теплотехнические процессы и установки». Помимо лекционного материала и курсовой работы, он включает в себя и лабораторный практикум. Основная цель лабораторного практикума заключается в закреплении теоретических знаний, полученных в лекционном курсе, а также в получении практических навыков по определению основных теплотехнических характеристик топлив и особенностей эксплуатации котельных установок. Методические указания составлены в соответствии с программой курса «Топливо и теория горения» Перед выполнением лабораторных работ необходимо изучить основные теоретические положения, ознакомиться с установками, измерительным оборудованием, порядком проведения лабораторных работ, техникой безопасности, подготовить таблицы для записи экспериментальных результатов и расчѐтных данных. После выполнения лабораторных работ студент должен составить отчѐт, представляемый преподавателю при сдаче зачѐта по данной дисциплине. Полученные навыки исследовательской работы должны помочь студентам в их будущей производственной, конструкторской или научно- исследовательской деятельности. 4 Технический анализ твёрдого и жидкого топлива Энергетическим топливом называют горючие вещества, которые экономически целесообразно использовать для получения в промышленных целях больших количеств энергии. Более 2/3 всей вырабатываемой в России электроэнергии приходится на долю тепловых электростанций, работающих на органических топливах. Кроме того, топливо используется на транспорте и в технологических процессах (например, для выплавки чугуна, для варки стали, в машиностроении, в химической технологии и т. д.). По способу получения различают природные (натуральные) и искусственныевидытоплива (табл. 1). Таблица 1 Классификация органических топлив по агрегатному состоянию Топливо Агрегатное состояние твердое жидкое газообразное Природное Дрова, торф, бурые и каменные угли, антрацит, горючие сланцы Нефть Природный газ Искусственное Древесный уголь, полукокс, кокс, угольные и торфяные брикеты Мазут, керосин, бензин, соляровое масло, газойль, печное топливо Газы нефтяной, коксовый, генераторный, доменный, газ подземной газификации Искусственное топливо получают из природного топлива в процессе переработки. По агрегатному состоянию различают твердые, жидкие и газообразные виды топлива. Твѐрдые топлива используются в основном на ТЭС для получения электрической энергии, отопления, технологических нужд промышленности. 5 Энергетическим жидким топливом является мазут – остаточный продукт нефтепереработки. Состав и качество топлива определяются в специально оборудованных лабораториях химическим и механическим анализами средней пробы партии топлива. Все вещества в составе твердого и жидкого топлива находятся в нѐм в виде сложных высокомолекулярных органических соединений. Качественный и, особенно, количественный анализы этих соединений требуют проведения сложных и трудоѐмких лабораторных исследований. Поэтому состав топлива принято выражать не в виде соединений, а содержанием (в процентах к массе топлива) отдельных химических элементов: углерода (С), водорода (Н), серы летучей (S л ), кислорода (О), азота (N), а также золы (А) и влаги (W). Горючими элементами твѐрдого и жидкого топлива являются углерод, водород и сера (органическая и пиритная). В связанном с ними состоянии находятся кислород и азот, которые образуют внутренний балласт топлива. Зола и влага составляет внешний балласт топлива. Основным горючим элементом твѐрдого и жидкого топлива, содержание которого обуславливает выделение основного количества теплоты, является углерод, имеющий сравнительно высокую удельную теплоту сгорания (34,1 МДж/кг). Вторым по значимости элементом в составе твѐрдого и жидкого топлива является водород, который имеет более высокую удельную теплоту сгорания (120,5 МДж/кг), однако его содержание в топливе сравнительно мало, поэтому доля водорода в суммарном тепловыделении при горении топлива значительно меньше, чем углерода. Сера имеет невысокую теплоту сгорания (9,3 МДж/кг), содержится в топливе в небольших количествах, при горении образует токсичные газы SO 2 и SO 3 , а также вызывает сернокислотную (низкотемпературную) 6 коррозию. Поэтому сера не представляет ценности как горючий элемент, более того, является вредным и нежелательным элементом в топливе. Балласт (внутренний и внешний) значительно снижает ценность топлива, уменьшая его теплоту сгорания. Влага в топливе уменьшает относительное количество горючих веществ, а на еѐ испарение при горении расходуется теплота. Наличие золы не только снижает теплоту сгорания, но значительно затрудняет процесс горения и эксплуатацию топочных устройств. Кислород и азот, связанные (в виде органических соединений) с горючими элементами топлива, также снижают удельную теплоту его сгорания, а азот, являясь инертным газом, тем не менее, при высоких температурах образует в соединении с кислородом высокотоксичные оксиды NO Х Массу вещества топлива принято условно характеризовать как рабочую, сухую, беззольную, горючую, органическую и аналитическую. Топливо в том виде, в котором оно поступает к потребителю, называется рабочим, а составляющее его вещество — рабочей массой. Все компоненты рабочей массы обозначаются индексом r (от англ. «raw» – сырой, необработанный): С r + H r + S r о+р + O r + N r + A r + W r = 100 % . Влажность и зольность твердого топлива, даже в пределах одного сорта и одного месторождения, могут значительно колебаться, а также изменяться в процессе транспортировки и хранения. Поэтому элементный состав рабочей массы топлива является неустойчивой характеристикой топлива. Более устойчивой характеристикой является элементный состав сухой массы топлива (индекс d – от англ. «dry» – сухой): С d + H d + S d о+р + O d + N d + A d = 100 % . Устойчивой (неизменяемой) характеристикой любого твѐрдого топлива является сухая беззольная (горючая) масса. Сухая беззольная масса представляет собой сумму горючих элементов (С, H, S o+р ) и химически 7 связанного с ними внутреннего балласта (индекс daf – от англ. «dry ash free» – сухой беззольный): С daf + H daf + S daf о+р + O daf + N daf = 100 % . Название «горючая масса» носит условный характер, так как действительно горючими еѐ элементами являются только углерод, водород и сера. По аналогии вводится понятие беззольной массы (индекс af – от англ. «ash free» – беззольный), которое фигурирует в классификации топлива. Для проведения лабораторных исследований твѐрдого топлива пользуются отобранной пробой рабочего топлива, измельченной и подсушенной до такой влажности, которая при хранении топлива в лабораторных условиях не изменяется, — воздушно-сухая, или аналитическаяпроба (индекс а): С a + H a + S a о+р + O a + N a + A a + W a = 100 % . Состав твердого и жидкого топлива можно представить в виде графического отображения (рис. 1). Рис. 1. Элементный состав топлива Состав топлива различных видов и месторождений приводится в таблицах технических характеристик топлива. Пересчѐт элементного состава топлива с одной массы на другую осуществляется с помощью соответствующих формул (табл. 2). 8 Таблица 2 Коэффициенты пересчѐта состава топлива Заданная масса топлива Искомая масса топлива рабочая сухая горючая Рабочая 1 r W 100 100 r r А W 100 100 Сухая 100 100 r W 1 d А 100 100 Горючая 100 A W 100 r r 100 100 d А 1 В табл. 3 приведены элементный состав и основные теплотехнические характеристики различных видов топлива. Таблица 3 Топливо Выход летучих вещест в V daf , % Теплота сгорания Q r i , МДж/кг А r , % W r , % Состав горючей массы, % С daf H daf О daf N daf S daf Древесина 80-90 8-10 < 1 30-60 49-51 5-7 38-42 0,5- 2,3 - Торф 65-75 8,1-10,5 4-8 40-55 50-60 5-7 28-33 1,5- 2,5 0,2- 0,3 Бурый уголь 40-60 7,8-19 7-45 0-55 64-78 4-6 15-26 0,6- 1,6 0,3- 6,0 Каменный уголь 20-44 16-25 10-40 4-15 75-85 4-6 2-13 1,0- 2,7 0,5- 6,0 Антрацит 2-9 23-25 15-20 5-8,5 89-94 2-3 1-2 0,5- 1,5 2-3 Горючие сланцы 80-90 4,6-9 45-60 11-35 60-75 7-10 12-17 0,3- 1,2 4-13 Нефть - 40-46 0,8 1-1,5 83-87 11-14 0,1-2 0,1- 1,2 0,1-8 9 Лабораторная работа № 1. Определение влажности топлива Цель работы: определение содержания влаги в аналитической пробе топлива и анализ влияния влажности топлива на процесс воспламенения и горения при эксплуатации котельных установок. Основные теоретические положения Влага является внешним балластом топлива, снижает содержание горючих компонентов, требует затраты теплоты на испарение. Испарившаяся влага отбирает часть теплоты дымовых газов, в результате чего снижается их температура и количество теплоты, передаваемой поверхностям нагрева. Влага топлива увеличивает объѐм дымовых газов, что требует дополнительных затрат энергии на их удаление. При изменении влажности с W r 1 на W r 2 пересчѐт теплоты сгорания рабочей массы топлива производится по формуле: , 25W W 100 W 100 25W r 2 r 1 r 2 r 1 r 1 r 2 i i Q Q кг кДж Изменение теплоты сгорания топлива приводит к соответствующему изменению адиабатической температуры горения, энтальпии продуктов сгорания в зоне максимального тепловыделения и средней температуры факела. Технической характеристикой, отражающей содержание в топливе влаги, является влажность W r t . Она определяется по изменению массы топлива в результате его сушки при температуре 105…110 °С в стандартных условиях и выражается в процентах от начальной навески топлива. Влага топлива подразделяется на внешнюю (свободную) W ex и внутреннюю (связанную), или гигроскопическую W h , т.е. W r t = W ex + W h 10 К внешней относится поверхностная влага, попадающая в топливо при его добыче, транспортировке и хранении, а также капиллярная, заполняющая многочисленные поры топлива. Если пробу угля высушить до постоянной массы при комнатной температуре, внешняя влага выделяется, а проба приводится к воздушно- сухому состоянию (аналитическая масса), т.е. W a = W h К внутренней (гигроскопической) относят коллоидную и гидратную влагу. Коллоидная и гидратная влажность топлива зависят от его структуры и связаны, соответственно, с органическими веществами топлива и его минеральными примесями. Содержание влаги в твѐрдом топливе зависит от его химической природы и геологического возраста, условий залегания пластов и способа добычи, условий транспортировки и хранения. Примерный диапазон влажности рабочей массы топлива от W r = 5 % (антрацит) до W r = 70 % (древесина). В жидком топливе содержится только внешняя влага в капельно- жидком состоянии в виде эмульсии. Применительно к твердому топливу в топочной технике используют понятие приведенной влажности (% ∙ кг/МДж), под которой понимают отношение влажности топлива к количеству низшей теплоты сгорания топлива: r r пр W W i Q Если МДж кг % 7 , 0 W пр , то топливо считается маловлажным (антрацит, каменные угли). Если МДж кг % 6 9 , 1 W пр , топливо считается высоковлажным (торф, лигниты, бурые угли); топлива с промежуточными значениями п W составляют группу топлив средней влажности. 11 Сущность метода определения влажности твѐрдого топлива заключается в высушивании до воздушно-сухого состояния навески аналитической пробы топлива в сушильном шкафу при температуре 105…110 °С и вычислении массовой доли влаги по потере в массе. Бюкс с навеской топлива массой около 1 г помещают в сушильный шкаф, предварительно нагретый до температуры 105…110 °С, и при этой температуре сушат не менее: 30 мин – каменные угли, антрацит и горючие сланцы; 60 мин – бурые угли и лигниты. Аналитическая влажность % 100 m m W a , где m – масса навески топлива; Δm – убыль влаги. В случае необходимости определения рабочей влажности топлива, она рассчитывается по формуле: 100 100 ex a ex r W W W W , где W ex – внешняя влажность, определяемая следующим образом. Поступившую в лабораторию исходную пробу топлива (масса не менее 0,5 кг) высыпают в заранее взвешенный противень так, чтобы на 1 дм 2 поверхности приходилось не более 100 г пробы. Противень с пробой взвешивают с точностью до 0,05 % массы навески и ставят для свободной сушки в помещении с хорошей вентиляцией или в сушильный шкаф. Длительность сушки в сушильном шкафу не должна превышать 8 ч. Исключение составляют высоковлажные топлива (некоторые бурые угли, лигниты), для которых время сушки может быть увеличено. По окончании сушки в сушильном шкафу противень с пробой вынимают и оставляют для свободной сушки при комнатной температуре. Каждый час производят контрольное взвешивание до тех пор, пока разность масс за последний час между двумя последними взвешиваниями не будет превышать 0,3 % 12 первичной массы навески для бурых углей и 0,1 % – для каменных углей и горючих сланцев. Внешняя влажность рассчитывается аналогично аналитической: % 100 m m W ex Описание лабораторной установки Установка состоит из электрического сушильного шкафа с терморегулятором, стеклянного бюкса с навеской топлива и крышкой, эксикатора с химическим реактивом, поглощающим влагу, и электронных весов (рис. 2). Рис. 2. Сушильный шкаф Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться с лабораторной установкой, правилами включения сушильного шкафа и работы с весами. 2. Взвесить на электронных весах пустой бюкс вместе с крышкой. 3. Насыпать в бюкс уголь (в измельченном состоянии) или древесные опилки в количестве 1…2 г и снова взвесить. 4. Поместить бюкс с навеской топлива и приоткрытой крышкой в предварительно нагретый до 105…110 °С сушильный шкаф и 13 выдержать при этой температуре в течение 30…40 мин (уголь) или 50…60 мин (опилки). 5. По истечении времени сушки осторожно извлечь щипцами бюкс из сушильной камеры, закрыть крышкой и охладить на воздухе в течение 2 мин, а затем в эксикаторе до комнатной температуры. 6. Взвесить бюкс с навеской. 7. Произвести контрольное подсушивание и взвешивание через 30 мин. Контрольное подсушивание производится до тех пор, пока разность в весе при двух последовательных взвешиваниях не станет ≤ 0,001 г. 8. Все полученные данные занести в табл. 4. Таблица 4 Пустой бюкс с крышкой Бюкс с навеской Бюкс с навеской после сушки первая сушка контрольная сушка №2 №3 №4 a b c 1 c 2 c 3 c 4 |