Усиление значимости низшей теплоты сгорания как интегрированного показателя качества энергетических углей

В рыночных условиях хозяйствования перед работниками угольной промышленности встают следующие задачи:

-  в условиях реализации Стратегии индустриально-инновационного развития Республики Казах­стан до 2015 г. в широких масштабах внедрять новую технику, совершенствовать технологию угледобычи и на этой основе обеспечить повышение качества углей;

-  сосредоточить работы по реконструкции и модернизации в первую очередь на тех шахтах и разрезах, на которых применение прогрессивной технологии и новой техники обеспечит зна­чительное повышение производительности труда;

-  улучшить структуру угольного производства, для чего широко развернуть работы по увеличе­нию добычи угля открытым способом;

-  принять меры по повышению качества топлива, увеличению выпуска угля крупных и средних классов, совершенствованию техники и технологии обогащения углей;

-  ускорить разработку и освоение серийного производства высокопроизводительных механизи­рованных комплексов нового технического уровня для добычи угля на тонких пологих и кру­тых пластах, увеличить производство проходческих комбайнов, погрузочных машин и другого оборудования;

-    совершенствовать организацию труда во всех звеньях производства и управления;

-    полнее и рациональнее использовать рабочее время;

-  снизить непроизводительные затраты труда и увеличить продолжительность работы оборудо­вания;

-    повысить эффективность использования материальных ресурсов;

-    совершенствовать экономическое стимулирование повышения эффективности производства и др. Повышение качества продукции является одним из основных направлений эффективности об­щественного производства, так как качество угля и продуктов его переработки во многом предопре­деляет экономическую эффективность их использования благодаря сокращению затрат общественно­го труда.

Повышение качества углей не только снижает издержки производства у потребителей, но и от­ражает финансовое состояние шахт, так как последнее зависит не только от количества добытого (пе­реработанного) и отгруженного угля, но и, в значительной мере, от его качества (зольности, содержа­ния влаги, серы и мелочи), марочного состава и выхода угля крупных и средних классов.

Качество продукции зависит от множества факторов. К основным из них относятся: уровень развития техники и технологии производства, совершенствование организации труда и соблюдение технологической дисциплины, повышение научно-технического уровня действующих стандартов, совершенствование ценообразования на уголь и продукты его переработки, планирование качества продукции, организация технического контроля, материальное и моральное стимулирование и др.

Главная роль в решении проблемы повышения качества углей принадлежит техническому про­грессу, представляющему собой непрерывное развитие орудий труда и технологических процессов. Существующая и вновь разрабатываемая техника позволяет производить облагораживание углей по золе (удаление минеральных примесей методами обогащения), гранулометрическому составу (пре­вращение мелочи в куски требуемых размеров механическими и термическими способами), сере (из­влечение сернистых соединений на стадии подготовки топлива к сжиганию или улавливание их в конце технологического процесса) и влаге (различные методы обезвоживания). Указанные направле­ния облагораживания углей повышают их энергетическую и технологическую ценность. Поэтому качество товарной продукции угольных предприятий решающим образом зависит от уровня обога­щения и переработки добываемых углей.

Качество продукции зависит от правильно разработанной технологии производства и техноло­гической дисциплины. Технологическая дисциплина зависит от добросовестности каждого работ­ника, чувства ответственности за порученное дело.

Большая роль в повышении качества продукции принадлежит стандартизации. Основываясь на передовых достижениях науки и техники, государственные стандарты, с одной стороны, определяют высшие нормы требований к качеству продукции, соответствующие современным научно-техниче­ским достижениям, с другой — устанавливают обязательную границу качества, соответствующую потребностям и возможностям общественного производства, являющуюся научно обоснованным экономическим оптимумом качества.

Оптимальным уровнем качества с позиций народнохозяйственной эффективности следует счи­тать такой его уровень, при котором совокупная величина затрат на производство и потребление яв­ляется минимальной.

Планирование показателей качества продукции является важным фактором повышения каче­ства. Процесс формирования качества начинается с установления планируемых показателей, опреде­ления уровня показателей и проходит через основную стадию производства, в которой заданное ка­чество обеспечивается.

Важную роль в заинтересованности предприятий в повышении качества выпускаемой продук­ции играет совершенствование ценообразования, так как недостаточный учет в ценах потребитель­ских свойств продукции порождает противоречие между интересами народного хозяйства и предпри­ятиями, подрывает заинтересованность коллективов предприятий в повышении качества продукции.

Оптовая цена должна быть такой, чтобы она могла обеспечить возмещение затрат на повышение качества, большую рентабельность и больший объем фактической прибыли от производства и реали­зации более качественной продукции по сравнению с ранее выпускавшейся.

Большое значение для повышения качества выпускаемой продукции имеет правильная органи­зация технического контроля. Контроль качества продукции — это проверка соответствия показате­лей ее качества установленным требованиям потребительских стандартов или технических условий. Материальные и моральные стимулы являются большой действенной силой, которая помогает еще выше поднять инициативу коллективов, отдельных работников, побудить их еще активнее участво­вать в решении основной задачи — повышении качества продукции.

Качество продукции изменяется, в свою очередь требования к нему тоже не постоянны. Они из­меняются в зависимости от развития техники, науки, культуры, жизненного уровня и т.д. В соответ­ствии с изменениями потребностей меняются и требования к качеству продукции. Если уровень ка­чества ниже, то для удовлетворения потребностей необходимо дополнительное количество продук­ции. Так, увеличение зольности топлива по сравнению с нормами потребительских стандартов, ис­пользуемых для коммунально-бытовых нужд, ухудшает его качество. Имеющийся в настоящее время дефицит в угле крупных и средних классов для котельных установок со слоевым сжиганием вызыва­ет необходимость применения несортированных углей, что приводит к значительному понижению коэффициента полезного действия котлов и повышенному расходу топлива. Для углей, направляе­мых на коксование, повышение качества является обязательным. Для народного хозяйства имеет зна­чение не количество поставляемого угля, а получаемых из него тепловой энергии, кокса и различных химических продуктов. Изготовление продукции с высокими показателями качества, которые не вы- зываются необходимостью, экономически нецелесообразно, так как в этом случае затраты живого и овеществленного труда, воплощенные в избыточном качестве, не могут быть признаны общественно необходимыми.

Так, для углей, используемых для пылевидного сжигания, целесообразность улучшения их каче­ства определяется в каждом конкретном случае технико-экономическими расчетами. При этом следу­ет рассматривать этот вопрос не с отраслевой позиции (угольной промышленности), а с народнохо­зяйственной точки зрения. Величина зольности угольных концентратов, идущих на коксование, так­же должна быть подтверждена технико-экономическими расчетами, так как извлечение концентрата при низких плотностях разделения связано с большими его потерями. Доведение влажности топлива до абсолютно сухого состояния является нецелесообразным вследствие загрязнения атмосферы при погрузочно-разгрузочных работах, а также потерь при перевозке топлива железнодорожным транс­портом [1].

В связи с этим возникает вопрос об экономически целесообразных границах повышения качест­ва, которые определяются сопоставлением затрат с экономической эффективностью от повышения качества.

Таким образом, качество продукции является одновременно и технической и экономической ка­тегорией.

Особенно важно иметь представление о требованиях к качеству угля, используемого в данный момент и в перспективе.

Уголь в народном хозяйстве используется непосредственно как топливо, т.е. вещество, которое при сжигании выделяет значительное количество тепла и служит источником получения энергии.

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

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 Qp, либо сухой массы Q^c, либо го­рючей Q, либо органической Q⁰.

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 [2].

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:

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).

Таблица 2

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 4-му 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.

Расчеты показали, что с изменением содержания влаги на 1 % теплота сгорания для экибастуз- ских углей составляет 52,53 ккал/кг (табл. 3).

Таблица 3

 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 , Wр 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 %.

Таблица 4

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

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

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 вр , соответствующую зольности , то потребитель получит в каждом килограмме топлива с зольностью

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 выше можно сделать следующие основополагающие 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 Экибастузского 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.

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.

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.

Список литературы

1. Каренов Р.С. Минерально-сырьевой комплекс Казахстана в условиях рыночной экономики. — Алматы: РИО ВАК РК, 2000.
2. Каренов Р.С. Формирование рынка минерально-сырьевых ресурсов Казахстана. — Караганда: ИПЦ «Профобразова­ние», 2008.