Генераторы тепла

Содержание золы в процентах  от рабочей массы топлива составляет: в дровах 0,6, торфе 5-7, в бурых и каменных углях от 4 до 25, в мазуте 0,3.

При сжигании, твердого топлива важное значение имеют характеристика золы, степень ее легкоплавкости. Плавкость  золы определяют в лаборатории. В  особую электропечь помещают несколько  выполненных из золы пирамид «конусов»  высотой 20 мм со стороной основания 7 мм. Одна из граней пирамиды должна быть перпендикулярна  основанию.

В процессе постепенного нагревания пирамид в электрическое печи отмечают три точки (рис. 8): температуру  начала деформации t1 определяемую в  начале плавления верхушки пирамиды; температуру размягчения t2, которая  фиксируется в момент, когда верхушка пирамиды наклонится до основания или  же пирамида превратится в шар, и  температуру t3, когда содержимое пирамиды растечется по основанию.

Зола бывает легкоплавкой с температурой размягчения ниже 1050°С, вызывающая шлакование топки при сжигании топлива, I тугоплавкой с температурой размягчения выше 1050°С. Учитывая большое влияние зольности на качественные характеристики топлива, для сравнительных подсчетов используют понятие приведенной зольности

Ап = Ар/ Qнр, %, (18) 

где Qн р  рабочая низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг. 

Влага топлива складывается из внешней, или механической, вызванной поверхностным  увлажнением кусков топлива и  заполнением влагой пор и капилляров, и равновесной, называемой гигроскопической, которая устанавливается в материале  при длительном соприкосновении  с окружающим воздухом. Содержание внешней влаги определяют высушиванием пробы топлива на воздухе до постоянной массы, а гигроскопической РР твердого топлива — высушиванием в сушильном  шкафу измельченной пробы воздушно-сухого топлива до постоянной массы при 102 — 105°С.

При влажности твердого топлива  выше 60% сжигание его в большинстве  случаев становится невозможным, так  как количество выделенного топливом тепла не может нагреть продукты горения даже до температуры 900°С, при  которой еще возможен устойчивый топочный процесс.

Повышенная влажность топлива  приводит к коррозии водяных экономайзеров  и воздухоподогревателей и к  их засорению из-за прилипания к  этим поверхностям нагрева влажной  золы, что увеличивает потери с  уходящими газами.

С увеличением влажности топлива  объем водяных паров возрастает, а следовательно возрастает и  объем газов, приходящихся на 1000 кал  низшей теплоты сгорания топлива. Увеличенный  объем продуктов сгорания, проходящих по газоходам, вызывает увеличение температуры  уходящих газов, а следовательно  и бoльшие потери с ними. Одновременно повышается и расход электрической энергии на тягу как в связи с возросшим объемом газов, так и в связи с ростом сопротивлений из-за увеличения скоростей в газоходах.

Кроме того, затрата тепла на испарение  влаги топлива и увеличенный  объем продуктов сгорания (при  повышенной влажности) являются причиной снижения температуры в топке, замедленного выделения летучих, весь топочный процесс  ухудшается, и поэтому увеличиваются  потери от химической неполноты сгорания.

Для определения влажности жидкого  топлива отстаивают воду в течение  суток при 40°С в специальных сосудах  и взвешивают всю пробу и воду. При нахождении влажности газообразного  топлива пропускают пробу газа через  слой хлористого кальция, поглощающего влагу.

Летучие вещества и кокс.Для оценки качества топлива и условий горения большое значение имеет выход летучих веществ. Если нагревать топливо без доступа воздуха, то под воздействием высокой температуры (от 200 до 800°С) происходит разложение его на газообразную часть — летучие вещества (водород, метан, тяжелые углеводороды, окись углерода, немного двуокиси углерода и некоторые другие газы, т. е. в основном газообразные горючие вещества) и твердый остаток — кокс. Выход летучих определяется в процентах к горючей (т.е. везводной и беззольной) массе топлива и обозначают Yг %.

Выход летучих веществ, их состав, а также температура, при которой  они начинают выделяться, определяются химическим возрастом топлива: чем  топливо старше по возрасту, тем  меньше выход летучих и выше температура  начала их выделения. Например, выход  летучих торфа составляет приблизительно 70% общей массы горючей части  топлива, они начинают выделяться при 120— 150°С; выход летучих бурых  и молодых каменных углей уменьшается  приблизительно от 13 до 58,5%, они начинают выделяться при 170— 250°С, а антрацита  — до 4% при температуре начала выделения газов около 400°С.

Летучие вещества оказывают большое  влияние на процесс горения топлива: чем больше выход летучих, тем  ниже температура воспламенения  и легче зажигание топлива  и тем больше поверхность фронта пламени. Топливо с большим выходом  летучих (торф, бурый уголь, молодой  каменный уголь) легко загорается и  сгорает быстро с малой потерей  тепла. Топливо с малым выходом  летучих, например антрацит, загорается значительно труднее, горит медленнее  и сгорает не полностью.

При прочих равных условиях чем больше выход летучих, тем меньше потери от механической неполноты сгорания топлива и тем меньшими могут  быть выбраны коэффициенты избытка  воздуха в топке, что положительно скажется на экономичности котла.

Кокс, оставшийся после полного  выделения летучих, состоит из углерода и минеральных топливных примесей. В зависимости от вида термически разложенного топлива кокс может  быть порошкообразным, слипшимся, спекшимся, сплавленным. 

Теплота сгорания топлива. Наиболее важной характеристикой топлива является теплота сгорания, которой называют количество тепла, получаемого при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 нм3 газообразного топлива в кДж/кг (ккал/кг): 1 ккал = 4,1868, или 4,19, кДж.

Как указывалось ранее, к горючим  элементам в топливе относят  углерод С, водород Н и летучую  горючую серу SЛ. Элементарно их горение  может быть представлено следующими уравнениями: 

С + О2 = СO2;     2Н2 + О2 = 2Н2О;    S + О2 = SО2.      (20) 

В процессе горения горючих элементов  выделяется следующее количество тепла  при сжигании 1 кг:

углерода — 33,65 МДж (8031 ккал/кг),

серы — 9 МДж (2172 ккал/кг),

водорода — 141,5 МДж (33 770 ккал/кг). 

Различают высшую и низшую теплоту  сгорания. Высшей теплотой сгорания(Qвр)топлива называют все количество тепла, выделенное при сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива, или 1 нм3 газообразного (при нормальных условиях) и превращении водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, в жидкость.

На практике, однако, не удается  охладить продукты сгорания до полной конденсации и потому введено  понятие низшей теплоты сгорания (Qнр), которую получают, вычитая из высшей теплоты сгорания теплоту парообразования водяных паров как содержащихся в топливе, так и образовавшихся при его сжигании.

На парообразование 1 кг водяных  паров расходуется 2514 кДж/кг (600 ккал/кг). Для твердого и жидкого топлива  низшая теплота сгорания (кДж/кг или  ккал/кг)

Qнр = Qвр – 2514 · (9Н р + WР / 100) 

Или 

Qнр = Qвр –  600  · (9·Н р + WР / 100)                                                                (21) 

 

где 2514 — теплота парообразования  при температуре 0°С и атмосферном  давлении, кДж/кг;

НР и WР — содержание водорода и водяных паров в рабочем топливе, %;

9 — коэффициент, показывающий, что при сгорании 1 кг водорода  в соединении с кислородом  образуется 9 кг воды. 

Если известен элементарный состав топлива, то низшая теплота сгорания твердого и жидкого топлива, кДж/кг или ккал/кг,

может быть определена по эмпирической формуле, предложенной Д. И. Менделеевым:  

Qнр = 339 · Ср  + 1256 · Hр – 109 · (Oр – Sл р) – 25,14 · (9·Нр + WР)  

Или 

Qнр =81·Ср  +246· Hр –  26·(Oр – Sл р) ·WР                                                                      (22)  

Сама по себе теплота сгорания топлива  не влияет на экономичность процесса горения, однако величина теплоты сгорания в значительной степени зависит  от содержания в топливе балласта (влаги, золы), влияние которого было рассмотрено выше. По этим причинам теплота сгорания топлива и рассматривается  как один из факторов, определяющих экономичность горения.

Путем смешивания топлив разных марок  можно значительно повысить экономичность  топочного процесса.

Классификация твердого топлива. По химическому возрасту различают три стадии образования твердого топлива: торфяную, буроугольную и каменноугольную. 

Древесина — это твердое топливо, используемое преимущественно в мелких котельных установках. Широкое применение имеют отходы деревообделочного производства: горбыли, щепа, стружки, опилки, кора и др. Дрова применяют реже.

Влажность воздушно-сухих дров не превышает 25%, полусухих — 35%, свежесрубленных  — 50%. Опилки обычно имеют влажность 45—60%. К полусухим относят дрова  весенней заготовки, пролежавшие не менее 6 месяцев после рубки, в  том числе не менее двух летних месяцев. К сухим относят дрова, пролежавшие после рубки около  года в лесу и влажность которых  не превышает 30%.

Дрова как топливо характеризуются  высоким выходом летучих горючих  веществ — до 85% и незначительным содержанием золы — в среднем  до 1%, лишь в сплавных дровах зольность  повышается до 5%. Следовательно, балласт  дров определяется в основном их влажностью, от которой и зависит теплота  сгорания. 

 

Торф по способу добычи подразделяют на три основных вида: машинно-формовочный (багерный) торф, гидравлический и фрезерный торф.

При машинно-формовочном способе  торфяная масса забирается из торфяного  карьера экскаваторами (багерами) и  подается на специальные прессы, где  получает форму ленты, которая разрезается  на отдельные кирпичи, а затем  их механически транспортерами распределяют по полю сушки, после чего складывают в штабеля.

Гидравлический способ добычи торфа  основан на размывке торфяного массива  струей воды, идущей под сильным  напором. Получающаяся жижа — пульпа пропускается через специальные  растиратели, перекачивается насосами на площадку, где и высушивается. Высушенная торфяная масса особыми машинами нарезается на кирпичи.

Фрезерный способ заключается в  том, что торфяное болото последовательно  разрабатывается — вспахивается специальными машинами на глубину от 5 до 35 мм. Получаемая торфяная крошка подсушивается, а затем складывается в штабеля.

Торф как топливо по своим  свойствам близок к дровам. Влажность  торфа колеблется в зависимости  от способа добычи, условий сушки  и хранения от 30 — 40 до 50 — 55%. Влажность  же фрезерного торфа выше кускового  примерно на 5 — 10%. Зольность торфа (Ар), добываемого в центральных областях СССР, колеблется от 7 до 15%.

Теплота сгорания Qнр = 8,38-10,72 МДж/кг (Qнр = 3511- 4492 ккал/кг). 

 

Ископаемые угли разделяют на бурые, каменные и антрациты.

При классификации угли различают  по маркам, классам и групам, а также по составу, крупности, зольности. Марки отличаются одна от другой выходом летучих и степенью спекаемости. Группы углей определяют по величине их зольности. По крупности кусков ископаемые угли делят на классы.

Бурый уголь содержит много влаги, соединяется легко с кислородом воздуха и при длительном хранении на воздухе сильно выветривается и рассыпается в порошок. Кроме того, он обладает большой склонностью к самовозгоранию. По своей структуре отличается повышенным содержанием балласта и необычно высокой гигроскопичностью, вследствие чего влажность бурых углей WР = 17 - 55%. Бурые угли не спекаются, отличаются большим выходом летучих (Vг = 33,5 — 58,5%) на горючую массу и зольностью на сухую массу (Ас = 10,5 — 34%), высоким содержанием серы (Sп = 0,6—5,9%).

Рабочая теплота сгорания Qнр = 10,7 —17,5 МДж/кг (4177 кк.ал/кг). 

 

Каменный уголь на территории СССР имеется в огромных количествах и подразделяется: на длиннопламенный, газовый, паровичный жирный, коксовый паровичный спекающийся и тощий. Каменные угли отличаются высокой теплотой сгорания Qнр = 21,20 - 28,07 МДж/кг (5097 - 6700 ккал/кг). Выход летучих Vг = 3,5 - 45%.

Каменный уголь применяют непосредственно  как топливо или перерабатывают на кокс. По виду кокса различают  угли неспекающиеся (порошкообразный  кокс) и спекающиеся (сплавленный  кокс, иногда вспученный). Каменные угли довольно плотны и малопористы и содержание внешней влаги в них значительно ниже, чем в бурых углях. Многие каменные угли обладают повышенной механической прочностью. В хранении они более устойчивы, меньше подвержены самовозгоранию, а некоторые их виды совсем не самовозгораются.

Антрацит относится к старейшим по происхождению каменным углям, отличается большой твердостью, трудно загорается, горит коротким пламенем, хорошо выдерживает перегрузки и перевозки.

К ним относят угли с выходом  летучих на горючую массу Vг= 2—9% и теплотой сгорания горючей массы Qнр=24,35— 27,24

МДж/кг (5800 — 6500 ккал/кг). Переходным между  каменными углями и антрацитом является полуантрацит. Антрацит и полуантрацит не самовозгораются. Характеристика твердого топлива энергетического назначения приведена в таблице 9.

Марки углей отличаются одна от другой выходом летучих и степенью спекаемости. Различают следующие марки углей: Д (длиннопламенные), Г (газовые), Ж (жирные), КЖ (коксовые жирные), К (коксовые), С (отощенные спекающиеся), Т (тощие), СС (слабоспекающиеся). Все виды углей по размеру кусков делят на классы (табл. 10).