Гранулометрический состав твердого топлива

Гранулометрический состав твердого топлива характеризует распределение частиц в массе топлива по их крупности. Твердые топлива классифицируют по предельным наименьшим размерам частиц или кусков в их массе, разделяя их на классы, установленные стандартом (ГОСТ 19242–73).

Наименование класса крупности	Обозначение	Размеры кусков, мм
Плитный	П	100 – 200 (300)
Крупный	К	50 – 100
Орех	О	25 – 50
Мелкий	М	13 – 25
Семечко	С	6 – 13
Штыб	Ш	0 – 6
Рядовой	Р	0 – 200 (300)

Допускается использование совмещенных классов топлива, например ПК, ОМ, ОМСШ, СШ, в которых верхние и нижние пределы крупности соответственно смещаются.

 

Маркировка твердых топлив

Топливам присваиваются различные марки в зависимости от количества влаги в рабочей массе топлива (бурые угли) и выхода летучих веществ (каменные угли). Так, бурые угли разделяются на три группы: Б1– с содержанием влаги 50 %; Б2– при
= 30 – 50 % и Б3 – при < 30 %. В основу маркировки каменных углей положены выход летучих веществ и характеристика кокса (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Маркировка каменных углей

 

Марка угля	Обозначение	Выход летучих веществ , %	Характеристика коксового остатка
Длиннопламенный	Д	36 и более	Порошкообразный, слабоспекающийся
Газовый	Г	То же	Спекшийся
Газовый жирный	ГЖ	31 – 37	То же
Жирный	Ж	24 – 37	То же
Коксовый жирный	КЖ	25 – 33	То же
Коксовый	К	17 – 33	То же
Отощенный спекающийся	ОС	14 – 27	То же
Слабоспекающийся	СС	17 – 37	Слабоспекшийся, порошкообразный
Тощий	Т	9 – 17	То же
Антрацит	А	2 – 9	То же
Полуантрацит	ПА	5 – 10	То же

 

В маркировке совмещается марка с классом крупности. Так, распространенными являются топлива типа АШ – антрацит-штыб и ГСШ – газовый уголь, семечко со штыбом.

Обозначение класса крупности топлива, как правило, совмещают с обозначением его марки, например: Б3Р – бурый уголь с влажностью менее 30 %, рядовой; АШ – антрацит, штыб. Определение гранулометрического состава топлива производят путем рассева топлива на нескольких стандартных ситах с последующим расчетом массовых долей топлива, оставшегося на каждом сите.

 

Жидкое топливо

Основная масса жидкого топлива, используемого в энергетике, получается из нефти путем ее термохимического разложения.

Состав органической массы нефти: С^о =83–87 %; Н^о =11÷14 %; S^о =0,l–5 %;
N^о =0,05–1,5 %; О^о =0,1–1 %. Низшая рабочая теплота сгорания нефти мало меняется от состава ее органической массы и составляет =43–46 МДж/кг. Кислород О, азот N и сера S в нефти находятся в составе высокомолекулярных органических соединений. Природная нефть содержит не более 0,3 % минеральных примесей и свыше 2,0 % воды в виде механических включений. Температура кипения фракций нефти от 30 до 600 °С.

Нефтепродукты являются синтетическим топливом, получаемым из нефти либо методом термической перегонки, при которой нефть разделяется на узкие фракции по температурам их кипения без разрушения молекулярной структуры этих фракций, либо методом термического крегинга, при котором происходит глубокая переработка углеводородов нефти с разрушением их молекулярной структуры и образованием новых соединений с меньшей молекулярной массой. В зависимости от температуры перегонки нефтепродукты делят на фракции: бензиновые с температурой перегонки до 200 – 225 °С, керосиновые – 140 – 300 °С, дизельные – 190 – 350 °С, соляровые – 300 – 400 °С, мазутные – свыше 350 °С. Бензиновые, керосиновые, дизельные и соляровые фракции являются светлыми нефтепродуктами, называемыми дистиллятным топливом. Для бытового потребления промышленностью выпускается топливо печное бытовое ТПБ
(ТУ 38-101-656-76), получаемое из дистиллятных фракций нефтепродуктов. В котлах крупных тепловых станций и крупных отопительных котельных, работающих на жидком топливе, как правило, применяют мазут, а в меньших отопительных котельных и в бытовых теплогенераторах – топливо печное бытовое.

Физические свойства жидких топлив характеризуются их относительной плотностью ; вязкостью условной ВУ, °ВУ, и динамической ,Па ^. с; температурой вспышки t_всп, °С, и температурой застывания t_заст, °С.

Условная вязкость – отношение времени, необходимого для непрерывного истечения 200 см³ нефтепродукта при определенной температуре, ко времени истечения этого же объема дистиллированной воды при температуре 20 °С.

Относительной плотностью называют отношение плотности нефтепродукта при температуре t ₂ к плотности дистиллированной воды при температуре t ₁. Чем выше температура, тем меньше плотность.

Температурой вспышки называется температура, при которой топливо, будучи нагрето в строго определенных условиях, выделяет достаточное количество паров для того, чтобы смесь этих паров с окружающим воздухом могла вспыхнуть при поднесении к ней пламени.

Температура застывания – температура нефтепродукта, при которой он загустевает настолько, что при наклоне пробирки с топливом на 45° к горизонту его уровень остается неподвижным в течение 1 мин. По температуре застывания жидкое топливо подразделяется на малопарафинистое t_заст £ –16^оС, парафинистое t_заст = –15 … +20 °С, высокопарафинистое t_заст >20 °С.

Мазуты, применяемые для производства тепловой энергии в котлах, делятся на флотские мазуты марки Ф5 и Ф12 (легкие топлива), топочные мазуты марок 40В и 40 (средние топлива), топочные мазуты марок 100В, 100 и 200 (тяжелые топлива). В качестве котельного топлива применяются также угольный и сланцевые мазуты, являющиеся продуктами термохимической переработки угля и сланца. Флотский мазут предназначен для использования в судовых котлах, газотурбинных установках и двигателях, поэтому его условная вязкость при температуре 50 °С не превышает 5 (мазут Ф5) и 12 (мазут Ф12) °ВУ. Мазуты марок 40 и 40 В используются в судовых котлах, промышленных печах, отопительных котельных и тепловых электростанциях; мазуты марок 100, 100В и 200 в основном используют в крупных котельных и на теплоэлектроцентралях.

Основным показателем качества мазута является вязкость, которая измеряется в единицах кинематической вязкости сСт (сантистоксах) или градусах условной вязкости °ВУ. Вязкость лежит в основе маркировки мазутов. Для нормального транспорта по трубопроводам и тонкого распыливания мазута в механических форсунках необходимо поддерживать его вязкость на уровне 2 – 3,5°ВУ. Вязкость мазута в значительной мере зависит от температуры, поэтому топочные мазуты на ТЭЦ и котельных необходимо нагревать до 100 – 120 °С.

В зависимости от содержания серы различают малосернистый (S^p <0,5 %), сернистый (S^p =0,5 – 2 %) и высокосернистый (S^р >2 %) мазуты.

Зольность мазутов A не превышает 0,1 – 0,3 %, увеличиваясь с повышением его вязкости. В минеральных компонентах мазута содержится от 3,0 до 10 % Fe ₂ O ₃ и от 0 до 29 % V ₂ O ₅ (на массу золы). Содержание воды в мазуте колеблется в весьма широких пределах (от 0,5 до 5 % и выше), что связано с технологией его разогрева в процессе доставки и приемки у потребителя. При разогреве мазута острым паром его влажность может повыситься на 5 – 10 %. Теплота сгорания мазута зависит в основном от его влажности и составляет 39 – 42 МДж/кг. Мазуты являются жидкостями с высокой относительной плотностью, равной 0,98 – 1,05. Температура вспышки мазутов равна 80 – 140 °С, а температура застывания (–5 до 42) °С; условная вязкость, определяемая при температурах 50, 80 и 100 °С, меняется от 5 до 16 °ВУ.

Топливо печное бытовое (ТПБ) имеет теплоту сгорания = 41,87 МДж/кг и содержание серы от 0,5 до 1,2 %, содержание золы А^р составляет не более 0,02 %, температура застывания не выше минус 15 °С и температура вспышки не ниже 42 °С. Топливо печное бытовое является маловязким топливом с условной вязкостью не более 1,15°ВУ, что позволяет использовать его без предварительного подогрева.

 

Газообразное топливо

Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов, содержащую некоторое количество примесей в виде водяных паров, смолы и пыли. Горючие газы подразделяют на природные и искусственные (синтетические). К природным относятся газ, добываемый из чисто газовых месторождений, попутный газ, добываемый одновременно с добычей нефти, а также газ, добываемый из конденсатных месторождений. К природным газам также можно отнести газы, получаемые из недр Земли одновременно с другими полезными ископаемыми, например шахтный метан, выделяющийся при добыче угля. Основными компонентами природного горючего газа являются предельные углеводороды. Природный газ, как правило, не содержит водорода, оксида углерода и кислорода, содержание азота и диоксида углерода в нем невелико.

К искусственным (синтетическим) относятся газы, получаемые на заводах при переработке нефти (нефтезаводские газы), в процессе переработки угля (коксовый газ, газы полукоксования), при газификации угля (генераторный газ), в технологических процессах, связанных с переработкой твердого топлива (доменный газ, ваграночный газ), а также сжиженные газы. Искусственные газы в зависимости от способа их получения могут, кроме предельных углеводородов, содержать водород, оксид углерода, непредельные углеводороды.

Газы, добываемые из чисто газовых месторождений, в основном состоят из метана
(85 – 95 %) и являются сухими; низшая теплота сгорания этих газов в пересчете на сухое состояние = 33 – 40 МДж/м³; содержание в них N ₂ =0 – 4 %; СО ₂ не более 15 %; H ₂ S не более 6 %; плотность газов составляет 0,73 – 0,9 кг/м³. Попутные нефтепромысловые газы помимо метана содержат значительное количество более тяжелых углеводородов (обычно свыше 150 г/м³); они состоят из: СН ₄ – 30 – 57 %; С ₂ Н ₆ – 13 – 20 %; С ₃ Н ₆ – 11 – 20 %; С ₄ Н ₁₀ –
3 – 20 %; С ₅ Н ₁₂ – 3 – 10 %. Их низшая теплота сгорания существенно выше, чем у газов, добытых из чисто газовых месторождений, и составляет 33,5 – 58,6 МДж/м³. Газы, добываемые из конденсатных месторождений, состоят из смеси сухого газа и паров конденсата; они содержат, %: СН ₄ – 84 – 93; С ₂ Н ₂ – 1 – 11, а также до 300 – 350 г/м³ конденсата, что составляет 30 – 40 % потенциальной теплоты сгорания газа. Конденсат при переработке выводится из газа, так что теплота сгорания очищенного газа в этом случае мало отличается от теплоты сгорания газа чисто газовых месторождений. Шахтный метан представляет собой смесь метана с воздухом с концентрацией метана от 2,5 до 40 % и выше.

Важнейшими характеристиками газообразных топлив являются плотность, пределы взрывоопасной концентрации в смеси с воздухом и токсичность.

Природный газ легче воздуха, поэтому при утечке из газопроводов может скапливаться в верхней части помещений и топок котлов.

Газ вместе с воздухом при определенных концентрациях образует взрывные смеси, т. е. смеси, способные воспламеняться при зажигании. Взрываемость газовоздушных смесей характеризуют нижним и верхним пределами воспламеняемости, или взрываемости. Нижним пределом взрываемости называется минимальная концентрация газа в газоводушной смеси, при которой возможно ее воспламенение. Верхним пределом взрываемости называется максимальная концентрация газа в газоводушной смеси, при которой возможно ее воспламенение. Таким образом, воспламенение газа возможно только в определенных границах содержания его в воздухе.

Взрывоопасность газа в смеси с воздухом зависит от состава газа. Так, для природного газа Саратовского месторождения взрывоопасной является его концентрация в воздухе от 5 до 15 %. При меньшей концентрации смесь не горит и не взрывается, при большей – горит без взрыва.

Природный газ не токсичен, однако вытеснение газом воздуха из помещения может привести к удушью. Для обнаружения газа в воздухе газ одорируют этилмеркаптаном.

 

 

Искусственное топливо

 

Искусственным топливом называется топливо, получаемое из органического сырья (твердого, жидкого и газообразного) либо путем его целенаправленной обработки, либо в виде побочного продукта, образуемого параллельно с основным продуктом технологического процесса. Искусственное топливо делится на композиционное, синтетическое и топливо из горючих отходов и биомассы.

Композиционным называется топливо, полученное путем смешения нескольких видов топлива или топлива с другими горючими и негорючими компонентами в таких соотношениях, что в результате получается новый вид топлива со свойствами, существенно отличающимися от свойств первоначального топлива. К композиционным топливам относят топливные эмульсии, суспензии, гранулы и брикеты. Топливные эмульсии – равномерные смеси двух и более взаимно нерастворимых жидкостей, из которых по меньшей мере одна является жидким топливом. В качестве топлива получают распространение водомазутные эмульсии, содержащие до 10 – 20 % воды, тщательно диспергированной в объеме мазута в виде капель размером 3 – 10 мкм. Использование таких эмульсий, особенно при применении обводненных мазутов, существенно улучшает процесс горения мазута, снижает сажеобразование и сокращает образование других вредных выбросов с продуктами сгорания. Теплота сгорания водомазутных эмульсий =30 – 38 МДж/кг.

Топливные суспензии – равномерная смесь мелких твердых частиц (дисперсная фаза) в жидкой (дисперсионной) среде. Размер твердых частиц в суспензии составляет от 0 до 0,2 мм. В качестве топлива применяют водоугольные суспензии, представляющие собой механические смеси угля с водой, суммарная влажность суспензии W^р= 28 – 50 %, теплота сгорания = 8 – 16 МДж/кг. Эти суспензии обладают высокой стабильностью при хранении; их транспортируют как жидкое топливо. В системах теплоснабжения водоугольные суспензии при малой зольности исходного угля могут использоваться вместо жидкого топлива в крупных теплогенераторах без их существенной реконструкции.

Мазутоугольные суспензии – механические смеси мелких угольных частиц (размером до 0,04 мм) с мазутом. Смеси не стабильны, поэтому при их использовании обязательно введение стабилизирующих присадок. В качестве такой присадки может применяться вода в количестве до 15 % к массе суспензии. В этом случае суспензия называется водомазутоугольной суспензией. Концентрация твердых частиц в мазутоугольной суспензии составляет 30 – 50 %, теплота сгорания = 35 – 38 МДж/кг; теплота сгорания водомазутоугольной суспензии несколько ниже и равна 25 – 30 МДж/кг. Мазутоугольные суспензии применяют в качестве топлива с целью частичной замены жидкого топлива твердым и с целью снижения образования вредных веществ, выбрасываемых с продуктами сгорания.

Твердыми композиционными топливами являются брикеты и гранулы. Топливные брикеты – это механическая смесь угольной или торфяной мелочи размером до 3 – 6 мм со связующими веществами нефтяного происхождения, например, с нефтебитумом, спрессованная под давлением до 100 МПа в штемпельном прессе. Возможно получение брикетов из бурых углей определенных угольных месторождений без связующих веществ. Топливные брикеты являются относительно малозольным (А^с = 10 – 25 %) сортированным топливом с теплотой сгорания от 17 – 18 МДж/кг (буроугольные брикеты) до
20 – 30 МДж/кг (каменноугольные брикеты). Топливные гранулы получают на вращающихся тарельчатых грануляторах диаметром 3 – 8 м из смеси угольной мелочи размером до 0,25 мм и водного раствора органических жидких отходов целлюлозного производства. Доля водяного раствора связующего вещества составляет 16 – 18 % к массе смеси. Топливные гранулы могут быть приготовлены как из бурых, так и каменных углей. Диаметр гранул определяется требованиями, предъявляемыми к топливам для слоевого сжигания, и составляет 12 – 35 мм; влажность гранул 20 – 30 %; теплота сгорания = 18 МДж/кг. Для повышения прочности гранулы подвергают термической обработке при температуре до 250 °С.

Синтетическим топливом называется искусственное топливо, полученное в результате термохимической или химической переработки горючих ископаемых. Основным исходным топливом для получения синтетического топлива является уголь. Продукты термохимической переработки угля путем скоростного пиролиза при температуре до 590 °С состоят до 15 % из горючего газа с теплотой сгорания =14,5 – 16,5 МДж/м³, до 15 % из жидких углеводородов с величиной = 36 – 38 МДж/кг и до 70 % из полукокса с выходом летучих = 10,7 % и величиной = 27 – 28,5МДж/кг. Полукокс является синтетическим твердым топливом, которое можно использовать в топках котлов крупных тепловых электростанций и ТЭЦ с пылевидным сжиганием, в качестве топлива для доменных печей, а также как исходное сырье для получения топливных брикетов и гранул. Жидкиепродукты термохимического разложения угля содержат ценные химические соединения и могут быть направлены для дальнейшей химической переработки. Горючий газ является высококачественным топливом, в том числе и для производства тепловой энергии. Термохимическим процессом окусковывания угольной мелочи без применения связующих веществ является процесс термобрикетирования, заключающийся в кратковременном нагреве угля до температуры 350 – 440 °С (в зависимости от степени углефикации угля) с последующим брикетированием нагретой угольной массы под давлением 40 – 75 МПа. Теплота сгорания полученных термобрикетов из бурых углей = 29 – 30 МДж/кг.

Топливо из горючих отходов и биомассы. Горючие отходы промышленных производств, бытового потребления, городской мусор, органические отходы сельскохозяйственного производства являются ценными вторичными энергетическими ресурсами. Топливо из горючих отходов во всех случаях является искусственным, поскольку эти отходы во всех случаях требуют либо механической, либо термохимической переработки. Отличительной особенностью первичных горючих отходов являются их нестабильность по составу и забалластированность негорючими компонентами (стеклом, металлом). Горючие отходы можно разделить на жидкие и твердые.

Жидкие горючие отходы – отработанные масла, обмывочные жидкости с большим содержанием органических веществ, жидкие органические соединения химических производств. Их используют в качестве топлива в тех случаях, когда их применение в качестве химического сырья не является целесообразным. В качестве топлива жидкие горючие отходы могут быть использованы самостоятельно, если их теплота сгорания выше 6 – 8 МДж/кг, или совместно с другими топливами, имеющими большую теплоту сгорания. Их также используют в качестве дисперсионной среды в жидких композиционных топливах – топливных эмульсиях и суспензиях.

Твердые горючие отходы во всех случаях подвергают предварительной обработке.
Из городского мусора извлекают стекло и металл; растительные органические отходы подвергают измельчению. Подготовленный для сжигания городской мусор с величиной W^р = 29,l % и A^с = 21,1 % имеет теплоту сгорания = 10,6 МДж/кг. Теплота сгорания сухих сельскохозяйственных отходов (соломы) равна 14,3 – 16 МДж/кг, а древесных отходов –
19 – 22 МДж/кг. Возможно совместное сжигание таких отходов с основным топливом в котлах крупных станций и ТЭЦ.

Растительные и другие органические отходы сельскохозяйственного производства можно использовать в качестве химического сырья для производства так называемого биотоплива методом анаэробной ферментации (сбраживания). Этот метод позволяет получить при неглубокой переработке метан, а при глубокой – метиловый и этиловый спирты. Остатки от переработанных таким образом отходов являются хорошим сельскохозяйственным удобрением. Биотопливо в виде метана может найти применение в отопительных котельных сельскохозяйственных комплексов, особенно при их удалении от транспортных магистралей и районов добычи ископаемых топлив.