Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования «Международный государственный экологический университет имени А.Д.Сахарова»

Кафедра энергоэффективных технологий

Топливо и его использование

Лабораторный практикум для студентов специальности 1-43 01 06 «Энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент»

Минск

2012

У ДК 621.039.542(07)

ББК 31.35я7

Т58

Рекомендовано к изданию НМС МГЭУ им. А.Д.Сахарова (протокол № 1 от 27 октября 2010 г.)

Составители:

А. А. Бутько, старший преподаватель кафедры энергоэффективных технологий МГЭУ им. А.Д.Сахарова;

О. И. Родькин, доцент кафедры энергоэффективных технологий МГЭУ им. А.Д.Сахарова, к. б. н.

Рецензенты:

зав. кафедрой энергетики БГАТУ, доцент, к. т. н. Коротинский В. А.;

старший преподаватель кафедры физики и высшей математики МГЭУ им. А.Д.Сахарова, ст. преподаватель Силенков М. А.

Т58           Топливо и его использование : лаб. практикум / сост. А. А. Бутько,            О. И. Родькин. – Минск : МГЭУ им. А.Д.Сахарова, 2012. – 32 c.

ISBN 978-985-551-023-0

В издании приведены ряд основных теплотехнических характеристик и свойств энергетических топлив, а также методики их определения.

УДК 621.039.542(07)

ББК 31.35я7

ISBN 978-985-551-023-0

© Международный государственный экологический университет имени А.Д.Сахарова, 2012

Оглавление

Цель работы: определение содержания влаги в аналитической пробе твердого топлива.

Приборы и оборудование: шкаф сушильный электрический с терморегулятором, обеспечивающий устойчивую температуру нагрева от 40 до 110 °С, с отверстиями для естественной вентиляции; пронумерованные бюксы стеклянные с крышками для определения влаги в лабораторной или аналитической пробе; противни из неокисляющегося металла для подсушивания проб; эксикаторы, наполненные свежепросушенным силикагелем или другими высушивающими веществами; весы микроаналитические с пределом взвешивания до 0,001 г.

Общие сведения

Влажность является важнейшей технической характеристикой твердого топлива. Содержание влаги в топливе затрудняет воспламенение топлива, снижает температурный уровень в топке, увеличивает объем продуктов сгорания, увеличивает потери тепла с уходящими газами. Кроме того, влага является балластом топлива, т. к. она увеличивает расходы на транспортировку и погрузочно-разгрузочные работы.

Содержание влаги в топливе необходимо учитывать при выборе методов подготовки топлива к сжиганию, оборудования систем транспортировки топлива и т. д.

Содержание влаги в твердом топливе зависит от его химической природы и геологического возраста, условий залегания пластов и способа добычи, а также от условий транспортировки и хранения.

Различают два вида влаги в топливе: внешнюю и внутреннюю (гигроскопическую).

Внешняя влага состоит из влаги поверхностной и капиллярной, содержащейся в порах (капиллярах) топлива.

Поверхностной называется влага, которая осаждается на наружной поверхности кусков (частиц) топлива и в промежутках между кусками, если эти промежутки имеют достаточно малые размеры. Содержание поверхностной влаги зависит от фракционного состава топлива. Так, с уменьшением размера фракций их удельная поверхность возрастает и количество влаги, механически удерживаемой наружной поверхностью топлива, увеличивается. На поверхностную влагу приходится незначительное количество влаги, 3–5 % от общей массы топлива.

К капиллярной относится та часть влаги, которая заполняет поры (капилляры) топлива за счет т. наз. капиллярной конденсации. Ее содержание уменьшается с увеличением плотности и уменьшением пористости топлива. На капиллярную влагу приходится основная часть влаги в топливе.

Внутренняя влага состоит из: 1) влаги сорбционной, которая находится частью в коллоидально-связанном состоянии и равномерно распределена в массе топлива; 2) гидратной, входящей в состав молекул минеральных примесей; 3) пирогенетической, представленной в виде соединения кислорода с водородом.

Сорбционная влага связана со способностью твердых топлив, относящихся к капиллярно-пористым телам, впитывать и удерживать (адсорбировать) влагу за счет сил межмолекулярного взаимодействия, которое может иметь место как на поверхности этих тел, так и в их объеме, что приводит к адсорбции молекул воды на поверхности раздела твердой и газовой фаз и обуславливает присутствие в топливе т. наз. адсорбционной влаги. Сорбция влаги в объеме приводит к образованию коллоидно-химической (гелевой) структуры органической части топлива; входящую в эту структуру воду называют коллоидной влагой.

Количество коллоидной влаги зависит от химической природы, состава топлива и содержания влаги в атмосферном воздухе.

Гидратная (кристаллизированная) влага, химически связанная с минеральными примесями топлива, представлена главным образом силикатами (например, Al₂O₃·2SiО₂·2Н₂О, Fе₂O₃·2SiО₂·2Н₂О) и сульфатами (CaSО₄·2Н₂О, МgSО₄·2Н₂О). Вода в кристаллогидратах содержится в строго определенных стехиометрических количествах, независимо от общей влажности топлива и внешних условий.

Пирогенетическая влага образуется при термическом разложении кислородсодержащих соединений органической массы топлива. Количество образующейся влаги зависит от природы (степени метаморфизма) ископаемого сырья и возрастает с увеличением в нем содержания кислорода.

Сорбционную, капиллярную и поверхностную влагу можно полностью удалить из топлива путем его просушивания при температуре 105–110 °С, в то время как полное удаление гидратной и пирогенетической влаги внутренней структуры органического и минерального вещества может произойти только в результате химических реакций разложения при температуре 700–1100 °С. Поэтому эти виды влаги не учитывают при определении общей влажности и ее составляющих. Содержание гидратной и пирогенетической влаги в топливе незначительно и составляет лишь несколько процентов от общего содержания воды в топливе.

При проектировании оборудования электростанций обычно используют различные показатели влажности топлива, определяемые опытным путем. Наибольшее значение имеет влажность топлива в его рабочем состоянии W_t^r.

Существует ряд стандартных методик определения общего содержания влаги в топливе. Наиболее распространенный и точный из них весовой метод. Сущность его заключается в определении количества влаги по потере массы пробы при полном ее высушивании на воздухе при температуре 105–110 °С. В найденную таким способом общую влагу W_t^r не входит гидратная и пирогенетическая влага.

Обычно общую влагу W_t^r определяют в два приема (двухступенчатым способом).

На первом этапе определяется так наз. внешняя влага W_ex – часть общей влаги топлива, которая удаляется при высушивании лабораторной пробы до воздушно-сухого состояния при относительной влажности (60 ± 2) % и температуре (20 ± 5) °С, в котором содержание влаги в топливе приходит в равновесие с воздухом в лабораторных условиях. Когда закончится изменение массы пробы, по разности между установившейся массой m₂ и начальной m₁ находят массовую долю испарившейся внешней влаги, %:

.

На втором этапе измеряется массовая доля влаги в воздушно-сухом топливе (гигроскопическая влага) W_h. С этой целью применяют метод сушки при температуре от 105 до 110 °С.

Общую влагу W_t^r находят суммированием внешней влаги W_ex и влаги воздушно-сухого топлива W_h, причем второе слагаемое необходимо предварительно пересчитать в проценты рабочей массы, т. к. величина W_h выражена в процентах воздушно-сухого топлива. Поэтому суммирование производят по формуле

.

Допустимые расхождения параллельных определений массовой доли общей влаги составляют от 0,2 до 0,7 % в зависимости от значения W_t^r.

Для общего анализа (определение зольности, выхода летучих веществ, теплоты сгорания) используется аналитическая проба топлива. Поэтому различают также влагу аналитической пробы W^a – содержание влаги в пробе с крупностью зерен менее 0,2 мм.

Обычно колебания температуры и относительной влажности в лабораторных помещениях невелики, а значения их близки к упомянутым выше величинам, вследствие чего величины W_h и W^a различаются незначительно, поэтому в некоторых случаях приближенно принимают W_h = W^a.

Твердое топливо при транспортировке и хранении на топливных складах (как правило, открытого типа) может подвергаться сильному увлажнению атмосферными осадками.

Однако способность топлива удерживать в себе влагу имеет предел, называемый максимальной влагоемкостью W_max, %. Величину W_max можно найти опытным путем или оценить по приближенной формуле

,

где W_t^r – влажность рабочего топлива, %.

Влага топлива может быть причиной перебоев в работе топливоподачи на ТЭС. С увеличением влажности твердого топлива ухудшается подвижность его частиц, и при достижении определенного критического содержания влаги, называемой влагой сыпучести W_сып, частицы топлива настолько слипаются между собой, что совсем лишаются способности свободного перемещения относительно друг друга. Это может произойти при небольшом дополнительном увлажнении топлива, т. к. обычно показатель W_сып близок к рабочей влажности W_t^r. Потеря сыпучести топлива приводит к зависанию топлива в бункерах сырого угля, «замазыванию» питателей и к прекращению в конечном итоге подачи топлива на сжигание.

В зимнее время (при отрицательной температуре) влажное кусковое топливо нередко смерзается в монолит. Минимальная доля общей влаги, при которой становится возможным смерзание топлива, называется влагой смерзания W_см. Поступление на ТЭС вагонов со смерзшимся топливом чрезвычайно осложняет работу топливопровода.

Содержание влаги топлива не является достаточным показателем энергетической ценности топлива. Для характеристики топлива большое значение имеет приведенная влажность W_пр, т. е. содержание влаги, отнесенное к 1000 ккал низшей теплоты сгоранияQ_i ^r, % кг·10³/ккал:

.

Примерные данные об общей и приведенной влажности представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Примерное содержание влаги в различных видах топлива

и приведенная влажность топлива

Топливо	Влажность, % (по массе)		Топливо	Влажность, % (по массе)
	общая, Wtr	приведенная, Wпр		общая, Wtr	приведенная, Wпр
Мазут	1–5	0,1–0,5	канско-ачинский	32	9
Кокс	3–8	0,5–1	подмосковный	33	13
Антрацит	4–7	0,5–1	александрийский	53	32
Полуантрацит	5–7	0,7–1	Дрова	25–55	15–30
Каменный уголь			Сланцы
тощий	5–7	0,8–1	волжские	20	15

Окончание таблицы 1.1

Топливо	Влажность, % (по массе)		Топливо		Влажность, % (по массе)
	общая, Wtr	приведенная, Wпр			общая, Wtr		приведенная, Wпр
коксовый	5–10	0,8–1,5	эстонские		15		6
длиннопламенный	10–15	1,5–2	Торф
Бурый уголь				кусковой		40		15
челябинский	17	5	фрезерный		50		25

Так, топлива с приведенной влажностью < 3 % считают маловлажными, 3–8 % – средневлажными, а от 8 до 15 % – высоковлажными.