Коксование угля

Наличие окислов серы в продуктах сгорания при определенных концентрациях опасно для организмов и растений и требует определенных мер и средств для ее улавливания или рассеивания в атмосфере.

Технические характеристики топлив

Основными техническими характеристиками топлива являются: теплота сгорания; выход газообразных веществ при нагреве, зольность топлива, свойства зольного остатка, влажность и сернистость топлива.

Теплота сгорания является основной характеристикой топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Высшей теплотой сгорания Q называют количество тепла, которое выделяется при сгорании 1 кг твердого (жидкого) или 1 куб. м газообразного топлива. Низшая теплота сгорания Q отличается от высшей на теплоту испарения влаги и влаги, образующейся при горении водорода. Чем больше влажность топлив, тем меньше будет величина Q низшей.

Высшая величина сгорания твердого и жидкого топлива определяется экспериментально. Низшая теплота сгорания положена в основу классификации топлив.

Выход летучих веществ. Если сухую массу топлива поместить в тигель и постепенно нагревать в инертной среде без доступа воздуха, то будет происходить уменьшение ее массы. При высоких температурах начинается разложение кислородосодержащих молекул топлива с образованием газообразных продуктов, получивших название летучих веществ. Выход летучих веществ из твердых топлив происходит в интервале температур от 110 до 1100º С.

Выход летучих веществ определяет температуру воспламенения топлива и условия его хранения, сильно влияет на конструкцию топок, где сжигается это топливо.

Чем больше выход летучих веществ, тем легче воспламеняется топливо (газообразные, летучие вещества имеют низкую температуру воспламенения).

Зольность топлива. В процессе горения топлива его минеральная часть подвергается химическим преобразованиям. Масса несгораемого остатка – золы оказывается на 10-15% меньше, чем масса исходной минеральной части топлива и существенно отличается от нее по составу. Свойства золы играют большую роль при сжигании топлива.

Образовавшаяся после сгорания топлива зола – это смесь минералов, а их сплавы, возникающие в зоне высоких температур, называют шлаками. Суммарное количество золы и шлаков принято называть зольностью топлива. Температуры плавления отдельных минералов и их сплавов сильно различаются и находятся в пределах от 600 до 3000º С. Поэтому плавление представляет собой процесс постоянного размягчения от твердого до жидкого состояния по мере роста температуры.

Влажность топлива. Влажность топлива (W) в процентах от его рабочей массы определяется опытным путем сушки при температуре 105º С до достижения постоянства массы.

Большая влажность топлива вызывает трудности при сжигании. Снижается теплота сгорания, растет расход топлива, увеличиваются потери тепла с уходящими газами. Влажность топлива вызывает усиление коррозии металла отдельных конструкций топок, приводит к повышенному загрязнению поверхностей нагрева.

Сернистость топлива. При сжигании сера создает серьезные экологические проблемы. Окислы серы и азота, образующиеся в зоне высоких температур, представляют большую опасность для жизнедеятельности. Для улавливания этих окислов строят сложные очистные сооружения, что приводит к удорожанию примерно вдвое энергетических установок.

Широко распространённый технологический процесс, который состоит из стадий: подготовка к коксованию, собственно коксование, улавливание и переработка летучих продуктов.

Подготовка включает обогащение (для удаления минеральных примесей) низкосернистых, малозольных, коксующихся углей, измельчение до зёрен размером около 3 мм, смешение нескольких сортов угля, сушка полученной т. н. «шихты».

Для коксования шихту загружают в щелевидную коксовую печь (ширина 400—450 мм, объём 30-40 м³). Каналы боковых простенков печей, выложенных огнеупорным кирпичом, обогреваются продуктами сгорания газов: коксового (чаще всего), доменного, генераторного, их смесей и др.

Продолжительность нагрева составляет 14-16 часов. Температура процесса — 900—1050 °C. Полученный кокс (75-78 % от массы исходного угля) в виде т. н. «коксового пирога» (спёкшейся в пласт массы) — выталкивается специальными машинами («коксовыталкивателями») в железнодорожные вагоны, в которых охлаждается («тушится») водой или инертным газом (азотом).

Парогазовая смесь выделяющихся летучих продуктов (до 25 % от массы угля) отводится через газосборник для улавливания и переработки. Для разделения летучие продукты охлаждают впрыскиванием распыленной воды (от 70 °C до 80 °C) — при этом из паровой фазы выделяется большая часть смол, дальнейшее охлаждение парогазовой смеси проводят в кожухотрубчатых холодильниках (до 25-35 °C). Конденсаты объединяют и отстаиванием выделяют надсмольную воду и каменноугольную смолу. Очищенный коксовый газ (14-15 % от массы угля) используют в качестве топлива для обогрева батареи коксовых печей и для других целей.

Соляровое масло — фракция нефти, прошедшая щелочную очистку. Выкипает в интервале примерно 240 400 °С; вязкость 5 9 сст (при 50 °С); содержание серы не более 0,2%; температура застывания не выше 20 °С; температура вспышки в открытом тигле не ниже 125 °С.

В настоящее время в энергетике России сложилась сложная ситуация, обусловленная тем, что с начала 70-х гг энергоснабжение в стране оказалось ориентированным на один вид топлива – природный газ.

Россия является пятой страной в мире по добыче угля, уступая только Китаю, США, Индии и Австралии. По разведанным запасам угля наша страна занимает третье место в мире после США и Китая.

В условиях сложившегося экспорта газа энергетика не может рассчитывать на увеличение поставок газа, и его дефицит необходимо покрывать вводом в строй новых, расширением действующих и реконструкцией существующих пылеугольных ТЭС, или загрузкой ГЭС и АЭС.

Преимущества газомазутной ТЭС в сравнении с пылеугольной:

– газомазутные ТЭС имеют более высокий кпд, меньшие топливные затраты на выработку электроэнергии и теплоты и меньшие затраты энергии на собственные нужды, чем пылеугольные;

– затраты на сооружение на 20-30 % меньше, чем пылеугольных;

– при сжигании газа расходы на охрану окружающей среды значительно меньше, чем на пылеугольных;

– неконкурентоспособность угля на внутреннем рынке по сравнению с природным газом.

Газообразное топливо

Составляющие природного газа:

метан СН₄ (86 – 98 % объема);

этан С₂Н₆ (до 14,5 % объема);пропан С₃Н₈ (до 7,6 %);

бутан С₄Н₁₀ и непредельные углеводороды (в среднем менее 2,5 %).

Балласт: азот (1-8,8 %) и углекислый газ (0,1-1,2 %).

Непредельные углеводороды — углеводороды с открытой цепью, в молекулах которых между атомами углерода имеются двойные или тройные связи. Непредельные углеводороды способны к реакциям присоединения по двойным и тройным связям в открытой цепи. Они, например, присоединяют бром, легко окисляются раствором перманганата калия. Для многих непредельных углеводородов характерны реакции полимеризации. К непредельным углеводородам принадлежит несколько гомологических рядов: этилена (алкены), ацетилена (алкины)

Незначительное количество в природном газе негорючих материалов и азота, практическое отсутствие серосодержащих элементов и золы способствует тому, что природный газ является экологически самым чистым топливом. Это позволяет создавать компактные по габаритам и металлоемкости котлы с низкой температурой уходящих газов и кпд на уровне 95 %.

Природные газы – это высокоэкономичное энергетическое топливо, имеющее высокую теплоту сгорания (Q = 35000 кДж/кг и выше).

Газ чисто газовых месторождений состоит почти из одного метана. Этан и пропан содержатся в общем объеме в незначительных количествах, другие углеводороды и прочие газы практически отсутствуют. При таком составе (содержание гомологов менее 50 г/куб. м) газ называют бедным или тощим.

Газ газоконденсатных месторождений помимо метана содержит значительное количество высших углеводородов, главным образом пропан и бутан. Газ с высоким содержанием гомологов называют богатым или жирным.

Газы нефтяные попутные содержат в значительных количествах гомологи, в том числе высокомолекулярные предельные углеводороды, кроме того, в них присутствуют пары воды, углекислый газ, азот, сероводород, редкие газы - гелий, аргон. Попутный газ (нефтепромысловый) получают при разработке нефтяных месторождений. Количество газов (в куб. м), приходящихся 1 т добытой нефти (т. н. газовый фактор), зависит от условий формирования и залегания нефтяных месторождений и может изменяться от 1-2 до нескольких тысяч куб. м/т нефти.

Искусственные газы содержат больше негорючих компонентов (балласта). Газы коксовых печей содержат до 57% водорода, 22% метана, около 7% окиси углерода, остальное – балластные газы. Теплота сгорания коксового газа около 17000 кДж/кг. Доменный газ содержат около 30% горючих компонентов, остальное - балласт. Поэтому теплота сгорания доменного газа низкая и немного превышает 4000 кДж/кг условного топлива.

Жидкое топливо

Мазут – остаточный продукт перегонки нефти.

Несмотря на сложный химический состав, мазут можно представить в виде совокупности компонентов:

углерод – 83-85 %;

водород – 10,4-11,8 %;

сера – 0,3-3,5 %;

кислород и азот – менее 3 %;

зола.

Зола: осаждается на стенках, плохо очищается и препятствует передаче теплоты; содержащийся в ней ванадий вызывает высокотемпературную коррозию поверхностей нагрева при температуре стенки металла более 590⁰ С.

Из-за наличия парафиносодержащих соединений мазут становится чрезвычайно вязким при 11-33⁰ С, поэтому его надо подогревать (до 80-120⁰ С). С повышением температуры вязкость мазута уменьшается.

Температура вспышки мазута составляет 135-240º С в зависимости от его вязкости. Теплота сгорания (Q = 40000 кДж/кг).

Торф. Самый молодой вид топлива. Энергетические установки сжигают преимущественно фрезерный торф, получаемый путем срезания с поверхности тонкого слоя фрезами. Фрезерный торф имеет высокую влажность рабочей массы (W до 50% и более) и в связи с этим низкую теплоту сгорания Q = 8500 кДж/кг. Как молодое топливо торф обладает большим выходом летучих веществ (V = 70%), что позволяет успешно его сжигать в пылевидном состоянии. Из-за большой влажности и низкой теплотворности его не перевозят на дальние расстояния. Торф используют как местное сырье.

Бурые угли по содержанию влаги в рабочей массе делятся на сильно влажные, повышенно влажные, влажные. Кроме большой влажности, бурые угли имеют высокую зольность и невысокую теплоту сгорания (Q = 6,7-17000 кДж/кг), поэтому дальние перевозки также нецелесообразны. Большой выход летучих веществ обеспечивает высокоэкономичное сжигание этих углей в виде подсушенной пыли.

Каменные угли объединяют большое количество углей различного химического возраста. Молодые каменные угли по выходу летучих веществ, близки к бурым углям, но имеют меньшую влажность и зольность. Это увеличивает их теплоту сгорания (Q = 19000-27000 кДж/кг). Средняя, по возрасту группа углей отличается повышенной зольностью. Их теплота сгорания ниже, чем у молодых углей. Более старые угли имеют малую влажность, невысокую зольность и соответственно высокую теплотворную способность (Q = 25000-27000 кДж/кг), однако низкий выход летучих веществ затрудняет их воспламенение в топках.

Полуантрациты и антрациты – это наиболее старые угли с низким выходом летучих веществ, низкой влажностью и зольностью. Также являются хорошим сырьем для металлургической промышленности.

Новые виды жидкого и газообразного топлива

Нефть «синтетическую» и газ, полученные из угля, дополни­тельные углеводородные ресурсы, представленные органической составляющей горючих сланцев, битуминозных пород, топлив­ные спирты, а также водород, относят к новым видам жидкого и газообразного топлива.

Уголь, горючие сланцы и битуминозные породы являются главными перспективными источниками получения жидкого и газообразного топлива. Потенциальные запасы содержащегося в них углеводородного сырья намного превосходят известные за­пасы нефти и природного газа.

Широко доступная и разнообразная сырьевая база и полно­стью отработанная и освоенная технология их производства яв­ляются одним из основных преимуществ энергетического ис­пользования спиртов в качестве топлива или добавки к нему. По мнению многих специалистов водород способен заменить иско­паемое органическое топливо в таких сферах его потребления, как авиация, автотранспорт, коммунально-бытовой сектор и т. д. При этом ресурсы водорода (если в качестве его источника рас­сматривать воду) практически не ограничены. Самым важным свойством водорода является универсальность его использова­ния. Он может применяться в качестве основного топлива или как добавка к нефтяному при относительно небольших конст­руктивных переделках двигателя; энергия водорода может также преобразовываться в топливных элементах в электроэнергию; водород способен заменить природный газ и нефть почти во всех крупных химических производствах и т. д.

Дата добавления: 2014-01-03