Повышение роли низшей теплоты сгорания как интегрированного показателя качества энергетических углей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышение роли низшей теплоты сгорания как интегрированного показателя качества энергетических углей

А.А. Арынов

Энергетическое топливо сжигается с целью получения тепла с последующим преобразованием его в различные виды энергии, поэтому качественный состав энергетических углей следует рассматривать с точки зрения его влияния на уменьшение или увеличение тепловой энергии топлива. Следовательно, основным полезным свойством угля как топлива является его теплота сгорания.

Различают три вида теплоты сгорания: теплоту сгорания, определенную в лабораторных условиях, которую называют теплотой сгорания по бомбе, высшую теплоту сгорания и низшую теплоту сгорания рабочего топлива.

Теплота сгорания по бомбе -- это количество теплоты, выделяемой единицей массы топлива при полном сгорании в калориметрической бомбе в предусмотренных стандартом условиях постоянного объема, при которых водяной пар полностью конденсируется, а кислоты, образовавшиеся от окисления азота и серы, растворяются в воде. Высшая теплота сгорания -- это теплота сгорания по бомбе минус теплота образования азотной и серной кислот. Низшая теплота сгорания QJ -- это разность между теплотой сгорания по бомбе и теплотой парообразования, что приближает результат к практическим условиям сжигания в топке, где водяной пар не конденсируется и уносит с собой теплоту парообразования.

Теплота сгорания зависит от элементарного состава топлива, основными составляющими которого являются углерод, водород, сера, азот, кислород, зола и влага.

Углерод является основной горючей составляющей топлива. Содержание его в различных углях неодинаково: в бурых углях -- 60-70, в каменных -- 75-90, в антрацитах -- 90-94 %. При полном сгорании 1 кг углерода выделяется около 8000 ккал теплоты. Большое содержание углерода увеличивает количество тепловой энергии, получаемой при сжигании топлива. С этой точки зрения антрацит, например, представляет собой топливо высшей степени углефикации и соответственно имеет наивысшую теплоту сгорания рабочего топлива -- свыше 8000 ккал/кг.

Вторым горючим элементом является водород. Содержание его в различных видах углей изменяется от 3,8 до 6,3 %. При полном сгорании 1 кг водорода выделяется 29500-24600 ккал теплоты.

Кислород, азот, зола и влага -- это балластные составляющие. Их содержание, с одной стороны, уменьшает горючую часть топлива, снижая теплоту сгорания, а с другой -- увеличивает расход теплоты на испарение влаги и плавление минеральной массы (при увеличения золы и влаги). Процентное содержание кислорода в товарных углях колеблется от о,5 до 4,3, азота -- от о,5 до 1,5, золы -- от 3 до 50, влаги -- от 2 до 60 %.

В зависимости от того, в каком виде рассматривается топливо (только горючая его часть или полный состав, с учетом золы и влаги, или без влаги, или только органический состав), различают рабочую, сухую, горючую и органическую массу топлива (табл. 1).

Таблица 1

Анализ топлива в различных состояниях

Под рабочей массой подразумевается элементарный состав топлива, доставляемого потребителю.

Если проследить по данным таблицы 1 за изменением содержания углерода и водорода в зависимости от состояния топлива, то обнаружится своего рода «насыщение» или накопление этих основных горючих компонентов по мере «освобождения» топлива от других составляющих.

Теплота сгорания в зависимости от того, к какой массе она относится, тоже принимает соответствующие значения -- это либо теплота сгорания рабочей массы Q, либо сухой массы Q^c, либо горючей -- Q, либо органической -- Q.

ГОСТами предусмотрено определение на угольных предприятиях только высшей теплоты сгорания на горючую массу (раз в месяц по сборной пробе), однако она резко отличается от низшей теплоты сгорания рабочего топлива. По существу, реальным показателем тепловых возможностей энергетических углей может служить только низшая теплота сгорания рабочей массы. Она всегда значительно меньше теплоты сгорания по бомбе. Для каменных углей эта разница составляет 2200-2500 ккал/кг, для антрацитов и полуантрацитов -- 1900-2000, для бурых углей -- 2400-3300 ккал/кг.

Показатель низшей теплоты сгорания используется для подсчетов потребности в топливе, при составлении тепловых балансов и определении к.п.д. котельных установок. В то же время он до сих пор не применяется при расчетах за качество поставляемого топлива и лишь косвенно учитывается при формировании цен на угли разных марок и классов, хотя является комплексной величиной с точки зрения отражения в нем изменения качественного состава топлива.

Наличие взаимосвязи между теплотой сгорания и элементарным составом топлива подтверждается существующими теплотехническими зависимостями, установленными в свое время Дюлонгом, Малером, Бунте, Д.И.Менделеевым. Универсальная формула подсчета низшей теплоты сгорания, разработанная Д.И.Менделеевым, дает достаточно полное совпадение с результатами калориметрических определений различных видов топлива:

QI _ 81С^р+300Н^р-26О^р-26С^р-6(W^P + 9H^p),

где 81 -- теплота сгорания 1 % углерода, ккал/кг; 300 -- теплота сгорания 1 % водорода, содержащегося в топливе, в воде, ккал/кг; 26 -- снижение теплоты сгорания топлива вследствие содержания в нем 1 % кислорода, ккал/кг; 26 -- теплота сгорания 1 % горючей серы, ккал/кг; 6 -- снижение теплоты сгорания топлива вследствие расхода тепла на испарение 1 % влаги, содержащейся в топливе или образующейся при сгорании водорода (9Н^р).

Приведенная формула свидетельствует о том, что в теплоте сгорания отражаются изменения всех качественных показателей топлива. При увеличении или уменьшении доли горючих компонентов (углерода, водорода) соответственно повышается или снижается теплота сгорания; наоборот, увеличение доли балластных составляющих вызывает снижение теплоты сгорания, а уменьшение приводит к ее увеличению. В качестве примера проведем расчет изменения низшей теплоты сгорания в зависимости от изменения качественного состава топлива (табл. 2).

энергия уголь теплота сгорание

Таблица 2

Абсолютное и относительное изменения низшей теплоты сгорания в зависимости от элементарного состава угольного топлива

За исходный принят 1-й вариант, с усредненными показателями элементарного состава угольного топлива. В каждом следующем варианте изменено процентное содержание одного из элементов при прочих постоянных, и расчет теплоты сгорания ведется соответственно по новым показателям. Например, в 1-м варианте содержание углерода равно 70,34, во 2-м -- 72,34 %, т.е. на 2 % выше. Теплота сгорания соответственно увеличивается на 2,5 %. В 3-м варианте при прочих равных условиях изменено количество водорода с 3,91 до 5,91 %. Это сказалось на теплоте сгорания топлива. Вычисленная по формуле величина при повышенном содержании водорода увеличивалась на 7,5 %. По 4му варианту увеличение содержания кислорода с 5,48 до 7,48 % вызывает снижение теплоты сгорания на 1 % и т.д. Полученные результаты характеризуют низшую теплоту сгорания как комплексный показатель качества энергетических углей.

Зольность и влажность энергетических углей в значительной степени снижают теплоту сгорания топлива вследствие не только уменьшения горючих компонентов, но и увеличения расхода тепла на плавление или нагрев минеральной массы и испарение воды. Для оценки изменения теплоты сгорания под действием этих балластных составляющих автором были проведены расчеты по экибастуз- ским углям, которые показали, что с изменением содержания влаги на 1 % теплота сгорания для этих углей составляет 52,53 ккал/кг (табл. 3).

Таблица 3

Абсолютные и относительные изменения теплоты сгорания на 1 % влаги для энергетических углей Экибастузского месторождения

Наличие золы снижает теплоту сгорания топлива как за счет уменьшения в нем содержания горючих веществ, так и из-за увеличения расхода тепла на нагрев и плавление минеральной массы. При определении содержания золы в топливе, т.е. при прокаливании минеральной массы, происходят процессы, сопровождающиеся изменением количества исходной минеральной массы: потеря гидрат- ной влаги силикатами и гипсом, декарбонизация карбонатов, сгорание пирита, образование сульфатов, окисление закисного железа в окисное.

Между теплотой сгорания и зольностью существует следующая зависимость:

где В -- теплота сгорания обеззоленной массы топлива;

Величина В определяется теплотой сгорания горючей массы и рабочей влажностью W

При рассмотрении влияния зольности условно принимаем, что Q, W и В примерно постоянны. При учете зольности на сухую массу

Коэффициент Б характеризует изменение теплоты сгорания топлива по абсолютной величине в килокалориях на 1 % содержания золы. Чтобы определить его величину для конкретных марок угля, были проведены расчеты при различных значениях зольности, установленной на сухую массу (от 10 до 40 %), позволяющих охватить все диапазоны качества добываемых углей -- от низкозольных до высокозольных. При этом в рассматриваемый интервал была включена также расчетная зольность. Для экибастузских углей марки СС она была принята равной 38 %.

При определении влияния зольности на теплоту сгорания содержание влаги принималось для экибастузских углей в размере 8 %.

Результаты расчетов изменения теплоты сгорания (Qf) на 1 % изменения зольности по энергетическим углям Экибастузского месторождения представлены в таблице 4.

Таблица 4

Абсолютное и относительное изменения теплоты на 1 % изменения зольности для энергетических углей Экибастузского месторождения

Из приведенных данных следует, что для углей Экибастузского месторождения марки СС теплота сгорания на 1 % зольности изменяется на 69 ккал/кг. Если план поставки топлива рассчитан на нормальную теплоту сгорания QJ, соответствующую зольности А^с, то потребитель получит в каждом килограмме топлива с зольностью А

откуда эквивалент фактического количества топлива к количеству, предусмотренному в плане, может быть выражен формулой

где К -- относительное изменение теплоты сгорания на 1 % содержания золы.

Соответственно повышение зольности на 10 % (абсолютных) вызывает перерасход топлива, доходящий в отдельных случаях до 16-18 %. При расчетах за качество только по золе это изменение не учитывается.

Теплота сгорания топлива, добываемого на одном предприятии, изменяется в зависимости от горно-геологических, технологических и других факторов. Переменная теплота сгорания поставляемого топлива вызывает необходимость сжигать для получения равного теплового эффекта неодинаковое количество натурального топлива. Необходимость сжигания разного количества топлива в зависимости от его теплоты сгорания для получения одного и того же количества теплоты требует от потребителя различных затрат на единицу конечной продукции. Чтобы как-то нивелировать эти затраты, необходимо, чтобы цена топлива формировалась и с учетом его теплоты сгорания.

Изменение теплоты сгорания энергетического топлива вызывает несоответствие между количеством сожженного топлива и выделившегося при этом количества теплоты.

На основании сказанного можно сделать определенные выводы.

1. Основным свойством энергетических углей, характеризующим реальное количество тепловой энергии, заключенной в топливе, является низшая теплота сгорания на рабочую массу.

2. Теплота сгорания в первую очередь определяется содержанием в топливе углерода и водорода.

3. Значительное влияние на теплоту сгорания оказывает наличие в углях золы и влаги. Расчеты показали, что при изменении зольности угля на 1 % теплота сгорания изменяется для углей Экиба- стузского месторождения марки СС на 69 ккал/кг. При изменении влажности угля на 1 % при постоянной зольности для углей марки СС изменение теплоты сгорания составляет 52,53 ккал/кг.

4. Кроме того, расчеты показали, что изменение зольности на 10 % приводит к перерасходу топлива у потребителя на 16-18 %, однако ныне действующими ценами это обстоятельство не учитывается.

5. Показатель зольности в настоящее время выполняет в ценообразовании функцию универсального качественного критерия. Несмотря на важность этого показателя, он должен учитываться в сочетании с низшей теплотой сгорания.

Размещено на Allbest.ru