Технические характеристики твердого топлива

Зольность.Ископаемое топливо содержит негорючие минеральные вещества, которые состоят главным образом из глины Al₂O₃^.SiO₂^.2H₂O, силикатов SiO₂ и железного колчедана FeS₂ . в их состав, кроме того, входят сульфаты кальция и железа, закись железа, окислы различных металлов, фосфаты, щелочи, хлориды и т.д. Минеральные примеси горючих сланцев в основном состоят из карбонатов кальция CaCO₃ и магния MgCo₃. При сжигании топлива его минеральные примеси в зоне высоких температур ядра факела претерпевают ряд превращений, в процессе которых образуется зола.

Зола представляет собой смесь минералов, находящихся в свободном состоянии или связанных с топливом. Мельчайшие твердые частицы золы подхватываются потоком топочных газов и уносятся из топочной камеры, образуя летучую золу. Последняя загрязняет конвективные поверхности нагрева, снижая их тепловую эффективность. Часть золы, расплавленной в ядре факела, выпадает вниз топочной камеры (шлакоприемник) или прилипает к трубным поверхностям и затвердевает, образуя шлаки. Следовательно, шлак представляет собой твердый раствор минералов, и его химический состав отличается от состава золы.

Плавкость золы определяют в лабораторных условиях при постепенном нагреве в электрической печи специально приготовленных из исследуемой золы трехгранных пирамидок (рисунок 1.3). В процессе нагрева отличают следующие характерные температуры:

Рисунок 1.3 – Определение вязкости золы топлива по состоянию золовой пирамидки:

1 – до нагревания; 2 – начало деформации; 3 – размягчение; 4 – жидкоплавкое состояние.

t₁ - начала деформации, соответствующая началу изменения формы (закругление вершины пирамидки);

t₂ - размягчения, при которой вершина пирамидки касается плоскости ее основания или пирамидка приобретает полусферическую форму;

t₃ - жидкоплавкого состояния, при которой пирамидка растекается на плоскости.

Влажность.Различают влагу поверхностную, капиллярную, коллоидную и кристаллогидратную. Грунтовая вода и атмосферные осадки, попадающие в топливо, механически удерживаются на его поверхности за счет смачиваемости водой поверхностного слоя топлива. Капиллярная влага находится в капиллярах и порах, имеющихся в большом количестве в молодых углях (торфе и буром угле).

Коллоидная влага обусловлена коллоидно-химической структурой органической части исходного топлива, способной впитывать в себя часть внешней влаги (явление набухания поверхностного слоя).

Кристаллогидратная влага является составной частью топлива, она входит в состав ряда минералов (например, CaCO₄ ^.2H₂O).

Повышенная влажность топлива вызывает ряд трудностей: снижается теплота сгорания и увеличиваются расход топлива и затраты на его размол и транспорт, увеличивается объем продуктов сгорания и расход энергии на привод дымососа, усиливается коррозия и загрязнение поверхности нагрева липкими отложениями, главным образом воздухоподогревателя.

В зимнее время высокая влажность вызывает смерзаемость топлива. По этой причине наблюдаются случаи резкого уменьшения подачи топлива и аварийного сброса нагрузки.

Летучие вещества.Если твердое топливо постепенно нагревать в инертной среде без доступа воздуха, то при высоких температурах сначала выделяются водяные пары, а затем происходит разложение кислородосодержащих молекул топлива с образованием газообразных веществ, получивших название летучих веществ (СО, Н₂, СН₄, СО₂, С_тН_п, О₂ и др.). Выход летучих веществ из твердых топлив происходит в интервале температур от 110 до 1100⁰ С. Наибольший выход (до 95%) имеет место при температуре до 800⁰ С.

Поскольку выход летучих веществ, прежде всего, определяется содержанием кислорода в топливе, то он тем больше, чем моложе топливо.

Твердый горючий остаток после выхода летучих веществ называется коксом. В воздушной среде кокс воспламеняется при температуре 900-1200⁰ С. Летучие вещества, выделившиеся из топлива, обеспечивают более раннее воспламенение кокса, так как они сами воспламеняются при более низкой температуре, чем коксовый остаток (350-600⁰ С).

В связи с этим выход летучих веществ оказывает непосредственное влияние на организацию топочного процесса, выбор объема топочной камеры, эффективность (полноту) сжигания топлива.

Технические характеристики жидкого топлива

Качество мазута оказывает сильное влияние на конструкцию и работу котельной установки, на схему и компоновку электрической станции в целом. Свойства мазута можно разделить на две группы: «управляемые», которые в процессе его подготовки можно существенно изменить и привести к желаемым значениям (вязкость, плотность, содержание влаги), и «неуправляемые, практически не изменяющиеся в процессе подготовки мазута (зольность, температуры застывания и воспламенения).

Вязкость. Вязкость мазута весьма существенно зависит от температуры. В логарифмических координатах эта зависимость выражается прямой линией. Вязкость мазута оказывает сильное влияние на продолжительность сливно-наливных операций, эффективность транспортировки по трубопроводам, качество распыления мазута перед сжиганием в топках и полноту его сжигания, а так же способность отстаивать содержащуюся в нем воду.

Рисунок 1.4 – Зависимость вязкости мазута от температуры

На рисунке 1.4 пунктирными линиями показаны предельные значения вязкости, при которой обеспечивается удовлетворительная работа перекачивающих мазут поршневых насосов (I), центробежных насосов (II), нормальная работа распыливающих паромеханических (III) и механических форсунок (IV).кроме энергетических на рисунке показана характеристика транспортных мазутов, применяемых для судовых установок (флотский мазут Ф5). Повышение вязкости мазута с понижением температуры определяется присутствием в них парафинов. При невысокой температуре по своим механическим свойствам мазут марок М40 и М100 занимает промежуточное состояние между жидкостью и твердым телом. Он обладает свойством налипать на стенки емкостей, труб, аппаратуры и прочно удерживаться на них, особенно при пониженных температурах (менее 40⁰С), что может вывести мазутосистему из работы. При нагреве мазута до 70⁰С и выше эти явления исчезают.

Плотность. Обычно используются относительной плотностью мазутов (плотностью по отношению к плотности воды при температуре 20 ^оС).

Влажность. Для мазута с относительной плотностью при 20 ^оС ρ₂₀<1 влагу отделяют отстаиванием в баках. Благодаря несколько большей плотности вода осаждается в нижних участках емкости, откуда она дренируется. При ρ₂₀ > 1 вода всплывает на поверхность очень медленно, и это затрудняет ее удаление. Содержание воды в техническом мазуте составляет 1-3 %. Влага в небольшом количестве способствует распылу мазута и улучшает характеристики воспламенения. При повышенном содержании влаги (до 10-15 %) развивается коррозия конвективных поверхностей нагрева, и растут потери теплоты с продуктами сгорания.

Зольность. При переработке нефти, содержащиеся в ней минеральные примеси концентрируются в основном в более тяжелых фракциях, главным образом в мазуте. Зольность мазута на сухую массу должна быть не более 0,1 %.

Особенностью золы мазута (главным образом, сернистого) является наличие в ней ванадия, интенсифицирующего образование плотных отложений на поверхностях нагрева. Окислы ванадия, кроме того, при температуре металла выше 590⁰С вызывают коррозию этих поверхностей. Поэтому в эксплуатации мазутных электростанций принимают меры, предотвращающие развитие интенсивной ванадиевой коррозии.

Температура застывания. Она зависит от химической природы исходной нефти и технологии ее переработки и характеризует ту минимальную температуру, при которой мазут теряет свойство текучести. Температура застывания оказывает непосредственное влияние на выбор технологической схемы хранения мазута, его транспорта по трубопроводам и подачу в топку.

При высокой температуре застывания возникают трудности слива из цистерн и перекачки по трубопроводам. Застывший мазут приходится подогревать, что увеличивает эксплуатационные расходы и вызывает потерю времени. Лучшим является мазут с температурой застывания ниже -5 ^оС. Температура застывания большинства марок мазутов от +10 до +36 ^оС.

Температура вспышки. Эта температура определяет условия, когда пары мазута в смеси с окружающим воздухом вспыхивают при соприкосновении с открытым пламенем.

Мазут, сжигаемый на электростанциях, имеет температуру вспышки 90-140 ^оС. Во избежание пожара температура подогрева мазута в открытых системах всегда должна быть ниже температуры вспышки, причем недогрев должен составлять не менее 10 ^оС. Закрытая система теплоснабжения – в теплообменниках под давлением – допускает подогрев мазута выше температуры вспышки.

Температура воспламенения. Это температура, при которой после вспышки топливо горит не менее 5 с. Температура воспламенения превышает температуру вспышки на 15-20 ^оС.

Технические характеристики газообразного топлива

Основными техническими характеристиками природного газа является плотность, взрываемость и токсичность.

Плотность. Почти все виды газового топлива легче воздуха, поэтому проникший в помещение газ скапливается под перекрытиями. В целях безопасности перед пуском котла проверяют отсутствие газа в вероятных местах его скопления.

В практике пользуются понятием относительной плотности газа, представляющего собой отношение плотности газа к плотности воздуха при t=0⁰С и ρ=0,1 МПа: Ρ_отн = ρ_г/ ρ_в= ρ_г/1,293

где ρ_в – плотность воздуха при t=0 ^оС и ρ=0,1 МПа, равная 1,293 кг/м³ .

Взрываемость. Смесь горючего газа с воздухом в определенных пропорциях в присутствии огня может взорваться. Опасные концентрации горючего газа в воздухе зависят от химического состава и свойства газа. При концентрации меньше нижнего предела воспламеняемости газовоздушная смесь не взрывается и не горит. При концентрации газа в смеси, превышающей верхний предел воспламеняемости, смесь не горит, но при ее разбавлении воздухом и зажигании (например, на выходе из горелки в топку) она будет спокойно гореть без взрыва.

Токсичность. Под токсичностью понимают способность газового топлива вызывать отравление. Наиболее опасными элементами в этом отношении являются оксид углерода СО и сероводород Н₂S.