Летучие вещества и кокс твердого топлива. Характеристика золы
При нагревании топлива без доступа воздуха оно претерпевает последовательно несколько стадий. Сначала происходит испарение влаги, заканчивающееся при температуре 103—105 °С. При этом никаких структурных изменений в горючей массе и минеральных примесях топлива не наблюдается. Дальнейшее нагревание топлива вызывает разложение термически неустойчивых молекул органических веществ горючей массы и углеводородных соединений. Выделяемые при этом горючие и негорючие газы (СО, Н2, СН4, СШН„, 02, N3, С02, 302 и др.) и конденсирующиеся пары, состоящие в основном из смолосодержащих соединений, называются летучими горючими веществами топлива. Водяной пар, полученный при испарении влаги топлива, в состав летучих веществ не входит.
Температура, при которой начинается выход летучих веществ, и их количество зависят от химического возраста топлива. Для торфа выход летучих веществ начинается при 115—120 °С, бурых и молодых каменных углей— 150—170 °С, старых каменных углей и антрацитов — 380—400 °С. Завершается выход летучих вещестм при 1000—1200 °С. Разделение твердого топлива н! составные части в процессе термического разложения показано на рис. 1.
Для каменных и бурых углей выход летучих вещее Я оценивают по их относительной массе, выраженной I» процентах. Так как количество летучих веществ, ВЫ] деляющееся при разложении органических соединении топлива, зависит от температуры и продолжительное! нагрева, то при определении выхода летучих вещест температурный режим, условия и продолжительное! нагрева топлива строго регламентированы.
При определении выхода летучих веществ (в процм тах от массы топлива) навеску аналитической про! топлива в фарфоровом тигле с крышкой выдерживш в муфельной печи при температуре 850 ± 20 °С в течей 7 мин. Уменьшение массы навески, выраженное в ГШ центах от ее начальной массы, за вычетом содерж.шп влаги условно принимают за выход летучих вещест I' %. Летучие вещества в топливе в готовом виде не со к жатся, а образуются при его термическом разложи.................
Выходлетучих ве-■" ■ ■ iii (в процентах) от "|| оеззольной массы шва составляет: для И — 70—74, бурых 'i40— 50, моло-кпмепных углей — 10,старых камен-\ глей — 11 — 15, м шпго и — 3—7. Ипроцессе термиче-
разложенияв летучие вещества переходит не ■ герод топлива. Углерод, оставшийся после за-
.......... 'рмпческогоразложения,и минеральные
I II соплива образуют твердый остаток, называемый
I'и'ни/чих веществ является одной из важнейших
и|........ V инрдого топлива, оказывающей большое
1Н ни процесс горения. Топливо с большим выпи чих веществ, например торф, бурый уголь, "нимиуголь, попадая в топку,
вследствие образования порошкообразного слоя кокса, плохо продуваемого воздухом.
Свойства золы топлива. Важными характеристиками золы, оказывающими существенное влияние на горение и работу топки, являются температура плавкости и химические свойства золы и шлака.
В состав минеральных примесей твердых топлив входят вещества, имеющие как сравнительно низкую температуру плавления — 800—1000 °С (оксиды натрия и калия), так и очень высокую — 1600—2500 °С (оксиды магния и алюминия). При горении топлива в условиях высоких температур образуются расплавы из различных компонентов минеральных примесей, температура плавления которых отличается от температуры плавления входящих в расплав компонентов. При определенных соотношениях между составными частями минеральных примесей образуются эвтектические смеси с температурой плавления более низкой, чем у самых легкоплавких веществ, входящих в состав золы. Кроме того, плавкость золы зависит от среды, в которой она нагревается. В полувосстановительной среде, которая не содержит кислород, а содержит восстановительные компоненты (СО, Н2, СН4) и С02, температура плавления золы топлива на 100—300 °С ниже, чем в окислительной среде, содержащей свободный кислород.
■Стандартный метод определения характеристик плавкости золы (рис. 2) заключается в постепенном нагревании в полувосстановительной среде специально спрессованной из золы трехгранной пирамидки высотой 13 мм с основанием в виде равностороннего треугольника со стороной, равной 6 мм, причем одна из граней пирамидки перпендикулярна к основанию. В процессе нагревания фиксируют характерные значения температур в печи, при которых пирамидка изменяет свои геометрические формы: ^ — температура, при которой вершина пирамидки начинает изгибаться или закругляться. Эта температура называется температурой начала деформации; *2 — вершина пирамидки наклоняется до основания или пирамидка превращается в шар, иногда в полусферу — температура начала размягчения; (3—пирамидка растекается по подставке — температура начала жидко-плавкого состояния.
Температуры плавкости золы приводятся в таблицах технических (физико-химических) характеристик топлив ц I иравочной литературе. В зависимости от температуры Начала жидкоплавкого состояния все твердые топлива разделяются на три группы: с легкоплавкой золой (не более 1350 °С), с золой средней плавкости (1350—1450 °С) и с тугоплавкой золой (свыше 1450 °С). Большинство энергетических топлив СССР имеет легкоплавкую золу.
Кроме рассмотренных выше температур плавкости юлы (/х, /2и /3) различают температуру, при которой все компоненты шлака полностью расплавляются и в нем Отсутствует твердая фаза. При такой температуре, называемой температурой начала истинно жидкого состояния, или критической, шлак подчиняется законам течения жидкости.
При удалении шлака в жидком состоянии большое шачение имеет вязкость шлака и.или ее обратная величина — текучесть 1/ц.. С увеличением температуры вязкость уменьшается, а текучесть, наоборот, увеличивается. Характер изменения текучести жидкого шлака зависит от его состава, следовательно, для шлаков различных топлив он будет различным.
Вязкостно-температурные характеристики двух шлаков в интервале температур ?тах — 10>в котором шлак находится в истинно жидком состоянии, показаны на рис. 3. Шлак, имеющий крутой наклон линии и характеризующий зависимость его текучести от температуры (линия а), называют «коротким», шлак, имеющий более пологую характеристику, называют «длинным» (линия б).
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 на три группы: кислые — 5Ю2, Т102, Р205, основные — < !аО, М§0, РеО, К20 и амфотерные — А1203, Ре203. Последниехарактеризуютсятем,чтов сплавах,
Рис. 2. Температуры плавкости с.олы топлива:
„_„«оплпя-9 __ начало деформации;
КоТ-'з-^че^я?^- жвдкопла^состонниеж
э[------ —^Сш<
ч
содержащих преобла- дающее количество ос- новных оксидов, они ведут себя как кис- лые, а в кислых — как основные. По хими- ческим свойствам зо- ла и шлак разделяют- ся на кислые, основ- ные и нейтральные. К кислым относятся зола и шлак, у кото- о - длинный.рых отношение содер-
жания кислых оксидов к суммарному содержанию основных и амфотер-ныхоксидов,называемоекислотностьюК >• 1, к основным — еслиотношениесодержания основных оксидов к суммарному содержанию кислых и амфотер-ных оксидов, называемое основностью 0>1. Зола и шлаки, не удовлетворяющие этим условиям, являются нейтральными.
Огнеупорные материалы по своим химическим свойствам так же, как зола и шлак, делятся на кислые, ос-поипьк' 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, а зола и шлак — основные или наоборот), то между футеровкой и золой (шлаком) может произойти химическое взаимодействие, вызывающее интенсивное разрушение футеровки. Поэтому химические свойства золы топлива необходимо учитывать при выборе материала для футеровки стен топки.
и I и скольких фаз с различной плотностью. В твердую ф Iiv пчодят органические и минеральные вещества. В ка-шл трах и на поверхности частиц топлива удержива-■ се и плата, а трещины, поры частиц и промежутки меж-|ними заполнены воздухом. Следовательно, плотность
.... лива (масса вещества в единице объема) будет зави-
■ и. от выбора объема, к которому отнесена его масса. П соответствии с этим различают следующие виды плот-ц.и|ц твердого топлива: действительную, кажущуюся и насыпную. Действительной плотностью рд (в кг/м3) нанимают плотность угля без учета пор и трещин. Она вы-ражает усредненное значение отношения массы тела к
.... ,ему его твердой части (без воздуха и несвязанной
■лаги, содержащейся в порах топлива);
р„ = т/Ктв, (15)
гдеш — масса образца топлива, кг; Утв— объем твер-|ы \ веществ топлива, без пор и трещин, т. е. объем его .'хч'пористой части, м3.
Вследствие сложности оценки объема пор и трещин определение Утвпредставляет значительные трудности. 11оэтому на практике обычно используют кажущуюся и насыпную плотность.
Кажущаяся плотность рк определяется отношением массы пористого (натурального) образца топлива т Ко всему объему отдельно взятой топливной частицы (включая трещины и поры) Уч, т. е.
Р» = тД\. (16)
Насыпная плотность рн (в кг/м3), или плотность в засыпке, выражается отношением массы большого количества кусков (частиц) топлива М к объему, включающему в себя промежутки между частицами Ун>
Ра = М/Уа. (17)
11асыпную плотность учитывают при расчете вместимости топливных складов, бункеров котельной и емкостей, необходимых для перевозки топлива.
Прочность — это способность твердого топлива сопротивляться разрушению под действием внешних сил. Различают два вида прочности топлива: хрупкость и дробимость.
Хрупкостью называют свойство топлива разрушаться без заметных пластических деформаций под действием
внешних сил без применения специальных дробящих устройств, например измельчение топлива при пе-. ревалках с одного вида транспорта на другой, при тряске во время длительной транспортировки и т. п.
Под дробимостью топлива понимают его способность сопротивляться разрушению под действием сил, передаваемых топливу дробящими устройствами (молотками, зубьями, шарами ит. д.). Дробимость является показателем размольных свойств топлива. От нее зависят расход энергии на дробление и размол топлива, износ оборудования для приготовления пыли.
На практике размольные свойства топлива оценивают условным показателем, называемым лабораторным относительным коэффициентом размолоспособности кл,0.Он равен отношению удельных расходов электроэнергии на размол эталонного (наиболее твердого) и испытуемого топлива. При этом оба топлива имеют одинаковый начальный размер частиц и размалываются в стандартной лабораторной мельнице до одинаковой характеристики размолотой пыли:
где Ээт — удельный расход электроэнергии на размол эталонного топлива, кВт • ч/кг; Эи — удельный расход электроэнергии на размол исследуемого топлива, кВт X X ч/кг.
Сыпучесть. Под сыпучестью твердого топлива понимают способность его частиц перемещаться относительно друг друга и прилегающих поверхностей под действием силы гравитации. Это свойство широко используется при перемещении топлива в системе топли-воприготовления. Ухудшение сыпучести топлива может вызвать серьезные затруднения при эксплуатации оборудования топливоподачи и обычно связано с необходимостью больших
