книги / Теплотехника (курс общей теплотехники)

Удельный вес нефти и природного газа в общем топливном балансе непрерывно возрастает и к концу текущего пятилетия 1971—1975 гг. будет доведен до 67%. Однако большую роль играют и каменные и бу­ рые угли и другие виды твердого топлива.

Твердое и жидкое топливо состоит из углерода С, водорода Н, органической серы 50 и горючей колчеданной серы 5,{кислоро­

да О и азота N. находящихся в виде слож­ ныхсоединений. Помимоуказанных элемен­ тов, составляющих горючую массу топлива,

Если из топлива исключить балласт (только мысленно, так как золу технически удалить невозможно), то получим горючую массу топлива, которая представляет собой сумму

Состав р-абочей массы топлива (рис. 16-1) сильно зависит от вели­ чины балласта, и поэтому в справочниках чаще всего бывают приведены данные по составу горючей массы топлива,, которая более стабильна для топлива каждого вида и месторождения.

Сообразно с содержанием, вкладываемым в понятие о массах топ­

лива, для их взаимного пересчета служат очевидные формулы, объеди­ ненные в табл. 16-2.

Таблица 16-2 Формулы для пересчета состава топлива с одной массы на другую

207

Углерод и водород представляют самую ценную часть топлива.

Углерод при полном сгорании, т.е при образовании СОг, выделя­ ет 33,65 Мдж на 1 кг и содержится в значительном количестве в топли­

ве всех видов: древесине и торфе 50—58%, в бурых и каменных углях 65—80%» в тощих углях и антрацитах 90—95%, в мазуте 84—87%, в сланцах 61—73%. Указанные цифры даны в процентах на горючую массу топлива. Содержание углерода возрастает с увеличением хими­ ческого возраста топлива и характеризует степень обуглероживания ис­ ходной органической массы растительного и животного происхождения.

Водород —второй ценный компонент каждого топлива. При пол­ ном сгорании 1кг водорода выделяется 141,5 Мдж, если конечным про­ дуктом сгорания является вода. В топливе водород частью находится в связанном виде, составляя внутреннюю влагу топлива, что понижает его тепловую ценность. С увеличением химического возраста топлива содержание водорода уменьшается. Водород играет большую роль в образовании летучих веществ, выделяющихся при нагревании топлива без доступа воздуха. В состав этих летучих водород входит в чистом ви­ де и в виде углеводородных и других органических соединений.

Содержание водорода в % от горючей массы топлива составляет: в мазуте 10,5—11,5%, в горючих сланцах 7,5—9,5%, в дровах и в торфе

6—6,2/о, в бурых и каменных углях 4—6%, в антрацитах 1,6—1,8%. Кислород и азот являются внутренним балластом топлива, сни­

жающим содержание горючих элементов: кислород связывает часть во­ дорода в топливе, вследствие чего топливо частично обесценивается.

Сера содержится в топливе в виде органических соединений 50 и

колчедана 5К, объединяемых в летучую серу 5л=5о+5к, способную при полном сгорании, т.е. при образовании 50г, выделить на 1 кг ее 9 Мдж.

Кроме того, сера входит в состав топлива в виде сернистых солей— сульфатов (например, гипса Са$04), неспособных гореть.

Присутствие серы резко снижает качество топлива, так как сернис­ тые газы, образующиеся при ее сгорании, отрицательно влияют на ка­ чество металла и других веществ, соприкасающихся с газами. Сернис­ тые газы, проникая в рабочие помещения, могут вызвать в той или иной

степени отравление обслуживающего персонала.

Зола топлива, являясь балластной примесью, сильно влияет наего качество и протекание процесса сгорания в топках и газогенераторах.

Золу разделяют на первичную, входящую в состав материнского вещества; вторичную, представляющую собой продукты выветривания и разложения минеральных пород, более или менее равномерно распре­ деленных в горючем материале, и третичную —пустую породу, захва­ ченную механизмами при разработке пластов угля.

Содержание золы в бурых и каменных углях (в процентах от рабо­ чей массы топлива) составляет 4—25%, в торфе 5—7%, в дровах 0,6%, в мазуте 0,3%. Зола является смесью различных негорючих минераль­ ных веществ. Так, в золу твердого топлива входят глина, состоящая из глинозема А1203 и 5Ю2, свободный кремнезем 5Ю2, окислы железа РеО и Ре20з, известь СаО, магнезия МдО, щелочи и хлориды.

При сжигании сланцев, в состав золы которых входят карбонаты кальция и магния СаС03 и МдС03, происходит разложение последних при нагревании с выделением свободной углекислоты по схеме СаС03->Са0+С02. Зольность топлива в лаборатории определяют путем сжигания его в фарфоровом тигле при температуре 800°С и соответст­ вующим взвешиванием. При сжигании зольного топлива возникают затруднения, вызванные плавлением золы и образованием из нее шлака. Легкоплавкаязола приводитк зашлаковыванию горящегослоя топлива, а также налипанию размягченной или расплавленной летучей золы на

208

котельные трубы. При этом загрязняется поверхность нагрева и ухуд­ шается теплопередача в пучках труб. При высоких температурах жид­ кий шлак может вступать в химическое взаимодействие с огнеупорной кладкой, вызывая быстрый ее износ. Плавкость золы можно определить в лаборатории, нагревая стандартные пирамидки (конусы), изготовлен­ ные из исследуемой золы в лабораторной электрической печи. При на­ гревании отмечают следующие показатели температуры: 1\—темпера­ тура начала деформации конуса; /2—температура размягчения, когда вершина конуса коснется его основания, и и —температура жидкоплав­ кого состояния. Температуры 1\, /2 и /3 называют температурными ха­ рактеристиками золы. Существуют и более точные способы исследова­

ния плавкости золы.

При сравнительных подсчетах пользуются приведенной зольностью. Под этим термином понимают зольность, отнесенную к 1000 дж или 1Мджрабочей низшей теплоты сгорания топлива:

где <2{|—рабочая низшая теплота сгорания топлива, Мдж1кг, о ко­ торой более подробно будет сказано ниже. При Ар <4%

топливо считается малозольным.

Влага топлива, так же как и зола, —вредная балластная со­ ставляющая рабочей массы топлива, которая резко снижает его цен­ ность. В отдельных случаях (в дровах, торфе и бурых углях) влажность топлива достигает 30—50%. Влага топлива складывается, во-первых, из внешней или механической, вызванной поверхностным увлажнением кусков топлива и заполнением влагой пор и капилляров, и, во-вторых, из равновесной влаги (устанавливающейся в материале при длительном контакте с окружающим воздухом), называемой гигроскопической при 100%-ной относительной влажности воздуха и представляющей собой границу, отделяющую внешнюю влагу от связанной. Содержание внеш­ ней влаги определяют высушиванием пробы топлива на воздухе до по­ стоянной массы, а гигроскопическую влажность ауги твердого топлива— высушиванием в сушильном шкафу измельченной пробы воздушно-су­ хого топлива до постоянной массы при 102—105° С. Влажность жидкого топлива определяют, давая воде отстояться в течение суток при темпе­ ратуре 40°С в специальных сосудах и взвешивая всю пробу и воду. Влажность газообразного топлива находят, пропуская пробу газа через слой хлористого кальция, поглощающего влагу.

В топочной технике используют понятие приведенной влажности, под которым подразумевают влажность топлива, приходящуюся на 1000 кдж или 1Мдж низшей теплоты сгорания топлива:

влажным.

Важнейшей характеристикой топлива является его теплота сгора­ ния. Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Высшей теплотой сгорания (<2В) топлива называют все количество тепла, выделенное при сгорании 1кг твердого или жидкого топлива, или 1м3 (при нормальных условиях) газообразного при превращении водяных паров, содержащих­ ся в продуктах сгорания, в жидкость. На практике, однако, не удается охладить продукты сгорания до полной конденсации и потому введено понятие низшей теплоты сгорания (С?н). Ее величину получают, вычитая из высшей теплоты сгорания теплоту парообразования влаги как со­ держащейся в топливе, так и образовавшейся при его сжигании. На па­

209

рообразование 1кг влаги расходуется ~2511 кдж/кг, и тогда для твер­ дого и жидкого топлива (2р выражается так:

<2? = <25 —2511 (9Нр/100)— 2511 (№р/100) = (&- 226,0НР —

где 9#р/100—количество водяных паров, образовавшихся в результате

сгорания водорода топлива; И7р7100—количество водяных паров, образовавшихся вследствие ис­

парения влаги топлива.

Если известен элементарный состав топлива, то низшая теплота сгорания твердого и жидкого топлива может быть определена по форму­

Числовые коэффициенты в этой формуле подобраны экспериментально и они приблизительно выражают 0,01 теплоты сгорания отдельных со­ ставляющих топдива. Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива оп­ ределяют экспериментально калориметрическим способом при помощи калориметрической установки, в составе которой имеется прибор, на­ зываемый калориметрической бомбой.

Теплоту сгорания газообразного топлива определяют при помощи газового калориметра. В нем в течение определенного периода сжигают топливо, непрерывно подаваемое к горелке. Выделяющееся тепло вос­ принимается потоком воды. Расход газа определяется счетчиком, а рас­ ход воды — взвешиванием. В автоматическом калориметре обеспечено постоянство соотношения количеств воды и газа, благодаря чему ис­ ключается необходимость регистрации расхода воды и газа.

Теплоту сгорания обезвоженного топлива называют теплотой сго­ рания сухой массы топлива и обозначают <2$, а обезвоженного и обез­

воленного топлива— теплотой сгорания горючей массы топлива и обоз­ начают <2;

Для сравнения тепловойценностиразличныхтопливвведено понятие <гусловное топливопод которым подразумевают топливо, характеризу­ емое теплотой сгорания 29,35 Мдж/кг (или 7000 ккал/кг)\ безразмерный коэффициент, служащий для пересчета данного натурального топлива

Другой важной характеристикой топлива является выход летучих веществ при нагревании топлива без доступа воздуха. Выход летучих Vг дается в процентах от горючей массы топлива. Чем больше выход летучих, тем ниже температура воспламенения и легче зажигание топ­ лива и тем больше при прочих равных условиях объем пламени.

На рис. 16-2 приведена сравнительная характеристика различных топлив СССР. Твердый остаток после отгонки летучих веществ без до­ ступа воздуха называют коксом. Характер получаемого кокса различен

ив значительной мере предопределяет процесс сгорания топлива в топ­ ках, а также использование топлива для его коксования, газификации

идругих целей. Кокс может быть спекшимся, сплавленным и порошко­

образным. Большинство каменных углей обладает свойством спекаемости.

При использовании топлива в разных промышленных процессах представляют интерес и другие его свойства. При коксовании каменных углей их важнейшей характеристикой также являются свойства кокса,

210

потому что в доменных и других печах можно ис­ пользовать кокс лишь с определенными свойства­ ми по составу, по выхо­

ду и механической проч­ ности.

Для размола углей при их сжигании в пыле­ видном состоянии суще­ ственное значение имеет их способность поддавать­ ся размолу, характеризуе­

мая их лабораторным от­ носительным коэффициен­

том размолоспособности

/(л.о- Под /Сл о понимают отношение расхода элек­ троэнергии при размоле угля, принятогоза эталон, к расходу электроэнергии

при размоле такого жеко­ личества данногоугля, на­ ходящегося в воздушносухом состоянии и при ус­ ловии, что сравниваемые топлива подвергаются размолу от одной и той же крупности и до одной и той же тонкости по­

мола.

При газификациитоп­

лива интересуются реак­ ционной способностью топлива (горючестью), его термической прочно­

стью и другими свойствами. При сжигании топлива в промышленных ус­ тановках, 1;де требуется достижение определенных температур, пред­ ставляет интерес жаропроизводительность топлива, .представляющая наивысшую теоретическую температуру в условиях адиабатного сгора­

ния (без потерь тепла).

В табл. 16-3 приведена физико-химическая характеристика рядовых углей, сланцев, торфа, дров и мазута по данным Всесоюзного теплотех­ нического института им. Ф. Э. Дзержинского (ВТИ).

Характеристика отдельных видов топлива. Твердое топливо

Различают три стадии образования твердого топлива: торфяную, буроугольную и каменноугольную. Твердые топлива отличаются другот друга химическим возрастом, под которым понимают глубину химичес­ ких превращений исходной растительной массы, произошедших в нед­ рах земли. Химический возраст не совпадает с геологическим, так как залежи топлива находились в разных геологических условиях, на раз­ ной глубине и подвергались поэтому воздействию разных температур, давлений и других факторов, влияющих на образование угля.

По запасам топлива в недрах земли на первом месте находятся бу­ рые и каменные угли. Геологические запасы углей СССР составляют 55% от мировых запасов. В СССР наиболее крупными угольными бас-

211

Физико-химическая характеристика Горючая масса

состав, % —•

Марка

* Первое слагаемое —зола, второе —углекислота карбонатов (минеральная). 212

213

сейнами являются Кузнецкий (месторождения— Беловское, Ленинское, Куйбышевское, Прокопьевское, Кемеровское, Анжеровское), Караган­ динский (месторождения— Экибастузское, Леигерское, Шоптыкуль-

ское и др.); Печорский (Интинское, Воркутское и др.); Донецкий; бассейны Урала (Кизеловский,Челябинский,Богословский);Подмосков­

ный; Украины (Александрийское месторождение и др.); Кавказа (Тквибульское месторождение и др.); Средней Азии (месторождения-Ан- гренское, Сулюктинское и др.); Восточной Сибири (месторождения— Черемховское, Лазаревское и др.); Восточной Сибири (Канско-Ачин- ский бассейн и др), Дальнего Востока (месторождения—Райчихинское, Сучанское, Артемовское и др.). Наиболее интенсивно эксплуатируемы­ ми угольными бассейнами являются Донецкий, Кузнецкий, Карагандин­ ский, Канско-Ачинский, Печорский и Дальневосточный.

Угольными месторождениями называют осадочные толщи с подчи­ ненными им слоями ископаемого угля, имеющие промышленное значе­ ние. Угольные месторождения с очень большой площадью распростране­ ния угленосных отложений (доходящих до сотен тысяч квадратных ки­ лометров) носят название угольных бассейнов. Точного разграничения междуэтимидвумя понятияминет.

Ископаемые углиразделяютна бурыеи каменные угли и антрациты. Бурые угли не спехаются, отличаются повышенным содержа­ нием Ог+№ и большим выходом летучих (Уг>40%). Они характери­

зуются высокими показателями влажности Ц7р=20—40% и зольности Лр= 15—30%, пониженным содержанием углерода и невысокой по срав­ нению с каменными углями теплотой сгорания <25 = 10—17 Мдж/кг.

Они легко теряют на воздухе механическую прочность, часто рассыпа­ ясь в мелочь, и могут самовозгораться. Бурые угли по содержанию в них общей рабочей влаги разделяют на три группы: Б1 с влажностью №р>40%; Б2 с влажностью Ц7р=30—40%; ВЗсвлажностью №рдо30%.

Кроме того, бурые угли группируют по зольности. Наиболее извест­ ны следующие бурые угли: подмосковный, челябинский, богословский, карагандинский, шоптыкульский, сулюктинский, канско-ачинский, арте­ мовский и украинский. Бурые угли используют как местное энергетиче­ ское топливо, так как из-за высокого балласта их невыгодно транспор­ тировать на значительное расстояние.' Каменные угли содержат неболь­ шое количество балласта (Др=5—15% и и?Р=5—10%), а потому их можно перевозить к отдаленным потребителям.

Основная масса каменных углей в большей или меньшей степени спекается. Это значит, что при нагревании измельченного топлива без доступа воздуха до температуры 1000°С после удаления летучих ве­ ществ твердый остаток представляет собой спекшуются коксовую массу. Только небольшая часть углей не спекается (длиннопламенные и тощие). Каменные угли отличаются высокой (по сравнению с бурыми) теплотой сгорания (<22=23—27 Мдж/кг), меньшим содержанием кислорода и

большим содержанием углерода. Выход летучих уг у этих углей состав­ ляет 9—40% и выше. Они более прочны и плотны, а потому слабее вы­

ветриваются и самовозгораются.

Каменные угли Кузнецкого, Донецкого, Карагандинского, Печор­ ского и других районов используют для коксования. На коксохимиче­ ских предприятиях в результате химической переработки углей получа­ ют металлургический кокс и побочные продукты — коксовый газ, бен­

зол, аммиак и др.

Старейшими по химическому возрасту являются антрациты, у кото­ рых процесс обуглероживания почти достиг своего предела: количество углерода в них составляет 93—96%. Антрацит представляет собой почти естественный кокс. Антрациты характеризуются малым выходом лету-

214

Наименьшей себестоимостью добычи отличается фрезерный торф (в виде крошки), добываемый при помощи фрезерных машин. Более до­ рогим является гидроторф, получаемый путем размыва водой залежей торфа и последующей сушки гидроторфяной массы, и машиноформо­ ванный. Торф используют как местное энергетическое топливо для промышленных котельных и для электростанций небольшой мощности.

Для коммунально-бытовых целей применяют брикеты, изготовляе­

мые из фрезерноготорфа.

Др о в а. В лесных районах СССР в качестве топлива используют дрова и отходы древесины, образующиеся при заготовке леса и обработ­ ке древесины. Дрова—топливо малозольное, не содержащее серы, ха­ рактеризуемое большим выходом летучих (Уг=85%); вследствие вы­ сокой влажности теплота сгорания дров невелика — <25=10,5—

14,7 Мдж/кг. Для повышения качества дров.организуют их естественную сушку на месте заготовки. Дрова используют для отопительно-бытовых нужд, а также в качестве сырья для получения древесного угля, смолы, скипидара и многих других химических продуктов.

Жидкое и газообразное топливо

Жидкое топливо. Нефть, добываемая из недр земли, согласно распространенной гипотезе, образовалась из продуктов разложения животных и разных растительных организмов на дне морей и океанов, подвергшихся на протяжении очень длительного времени высокотемпе­ ратурным геологическим процессам. Нефть состоит из разных углеводо­ родов с примесью кислородных, азотных и сернистых соединений. В на­ стоящее время, кроме известных месторождений нефти в районах Баку, Грозного и Эмбы, эксплуатируются крупные месторождения в УралоВолжской нефтеносной области (районах Татарской АССР, Башкир­ ской АССР, Куйбышевской, Волгоградской областей) и на полуострове Мангышлак (восточное побережье Каспийского моря), Пермской и Тю­ менской областях, Западной и Восточной Сибири, Сахалине и др. Новые крупнейшие месторождения Тюмени и Мангышлака в пятилетии 1971— 1975 гг. дадут 75% всего прироста нефти. Добываемая здесь нефть со­ держит серу и парафин, что вызывает трудности при ее использовании.

Сырую нефть как топливо не употребляют; ее перерабатывают (пе­ регоняют, подвергают крекингу) и в результате получают ценные жид­ кие продукты — моторные топлива (бензин, лигроин, керосин), а также разные масла и другие продукты. В качестве топлива для промышлен­ ных потребителей используют мазут— тяжелый остаток после перера­ ботки нефти. Мазут— топливо очень хорошее, характеризуемое высокой теплотой сгорания (($% =38,4—41,2 Мдж{кг). Мазут представляет вяз­

кую жидкость, для понижения ее вязкости (повышения текучести, необ­ ходимой при транспортировании по трубам) мазут подогревают до 40— 50°С, а при сжигании— до 80—120°С. В зависимостиотвязкости, опре­ деляемой при помощи вискозиметров, различаютмазуты следующихнаи­ более употребительных марок: М40, М100, М200, МП (для металлурги­ ческих печей) и Ф5 и Ф12 (флотский). Цифры указывают наибольшее значение вязкости в градусах условной вязкости (°ВУ) при температу­ ре 50°С. Величина вязкости имеет большое значение в эксплуатации и является величиной, обратнойтекучести. \

Природный газ играет очень большую роль как промышлен­ ное топливо и как сырье многих химических производств и как топливо для бытовых нужд. В СССР эксплуатируют много месторождений, газ из которых транспортируют по стальным магистральным газопроводам

216