Повышение роли низшей теплоты сгорания как интегрированного показателя качества энергетических углей

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

Состояние

топлива

Составляющие, %

С

Н

О

N

S

А

W

X

Рабочее топливо

70,34

3,91

5,48

1,42

4,02

10,0

4,82

100,0

Сухая масса

73,91

4,11

5,76

1,47

4,22

10,53

-

100,0

Г орючая масса

82,59

4,59

6,43

1,67

4,72

-

-

100,0

Органическая

масса

85,46

4,82

6,75

1,75

1,22

-

-

100,0

 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 Qc, 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 _ 81Ср+300Нр-26Ор-26Ср-6(WP + 9Hp),

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 (9Нр).

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).

Таблица 2

Абсолютное и относительное изменения низшей теплоты сгорания в зависимости от элементарного

состава угольного топлива

Вариант

Элементарный состав топлива на рабочую массу, %

Низшая

теплота

сгорания,

ккал/кг

Отношение теплоты сгорания к исходной величине, ± %

Ср

Нр

Ор

Np

Sp

Ap

W

X

1-й

70,34

39,1

5,48

1,42

4,02

10,0

4,82

100,0

6592

100,0

2-й

72,34

39,1

5,48

1,42

4,02

8,0

4,82

100,0

6754

+102,5

3-й

70,34

5,91

5,48

1,42

4,02

8,0

4,82

100,0

7084

+107,5

4-й

70,34

3,91

7,48

1,42

4,02

8,0

4,82

100,0

6540

-99,0

5-й

70,34

3,91

5,48

1,42

4,02

8,0

4,82

100,0

6544

-99,0

6-й

68,34

3,91

5,48

1,42

4,02

12,0

4,82

100,0

6430

-97,5

7-й

70,34

1,91

5,48

1,42

4,02

12,0

4,82

100,0

6100

-92,5

8-й

70,34

3,91

3,48

1,42

4,02

12,0

4,82

100,0

6644

+100,9

9-й

70,34

3,91

5,48

1,42

2,02

12,0

4,82

100,0

6540

-99,0

 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

Марка

угля

Содержание влаги, %

Качественные показатели угля

Изменение теплоты сгорания на 1 % влаги

Зольность угля, %

Теплота сгорания, ккал/кг

Тепловой

эквивалент

абсолютное,

ккал/кг

относительное,

%

Qr

Q

 

5,0

38,0

7820

4390

0,6272

-

-

рр

7,0

38,0

7820

4285

0,6122

52,53

1,22

 

8,0

38,0

7820

4233

0,6047

52,54

1,24

 

10,0

38,0

7820

4128

0,5897

52,53

1,27

 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

Марка

угля

Золь­ность угля Ас, %

Качественные показатели угля

Изменение теплоты сгорания

Содержа­ние влаги, %

Теплота сго­рания, ккал/кг

Тепловой

эквивалент

абсолютное,

ккал/кг

относительное, %

Q

Q

на 1 %

Ас

на 1 %

Ар

на 1 %

Ас

на 1 %

Ар

 

10,0

8,0

7820

6166

0,8809

-

-

-

-

 

20,0

8,0

7820

5476

0,7822

69,05

75,05

1,26

1,37

СС

30,0

8,0

7820

4785

0,6836

69,05

75,05

1,44

1,57

 

38,0

8,0

7820

4233

0,6047

69,05

75,05

1,63

1,77

 

40,0

8,0

7820

4095

0,5850

69,05

75,05

1,68

1,83

 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 Ас, 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.
Фамилия автора: А.А.Арынов
Год: 2007
Город: Караганда
Категория: Экономика
Яндекс.Метрика