Хранение угля и торфа на ТЭС - Важнейшие показатели качества топлива

2.5. ВАЖНЕЙШИЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ТОПЛИВА И ИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ
Основными показателями, характеризующими качество угля как энергетического топлива, является удельная теплота сгорания, влажность, зольность, выход летучих веществ и механическая прочность.

Удельная теплота сгорания.

Удельная теплота сгорания — количество тепла, выделяемое при полном сгорании единицы массы топлива, — важнейший показатель качества любого топлива. Ее принято обозначать буквой Q с верхним и нижним индексами: первым отмечен вид или состояние топлива, для которого определена данная величина, а вторым — форма теплоты сгорания или условия ее измерения. Например, — низшая удельная теплота сгорания рабочей массы топлива;—удельная теплота сгорания горючей массы топлива по бомбе. Удельную теплоту сгорания принято выражать в джоулях на килограмм топлива.

Влажность топлива.

  Влажностью топлива называют массовую долю влаги в топливе, выраженную в процентах. В техническом анализе влажность горючей обозначают буквой W. В зависимости от природы связи воды с топливом различают влагу воздушно-сухого угля и внешнюю влагу, кроме того, топливо характеризуют гигроскопической влажностью WГИ — равновесной влажностью угля, находящегося при 20°С в атмосфере воздуха с 60%-ной относительной влажностью. Гигроскопическая влажность приблизительно соответствует влажности воздушно-сухого топлива Wс или аналитической влажности Wа. Вода, составляющая гигроскопическую влажность, при низких температурах не замерзает. При охлаждении она не выделяет скрытой теплоты плавления и не поглощает ее при размораживании топлива, гигроскопическая влажность не ухудшает сыпучих свойств топлива и не вызывает смерзания. Внешней влажностью называют ту, которая находится в топливе сверх воздушно-сухой. Сумма вл ажности в оздушно-сухого угля и внешней влажности составляет общую влажность топлива общую влагу отгруженного или используемого топлива называют рабочей влажностью и ее массовую долю обозначают Wр.
Содержание общей влаги в ископаемых углях закономерно снижается с ростом зрелости угля от 58 до 4%. Влажность бурых углей является одним из основных критериев их маркировки. Влага является нежелательной примесью в ископаемых углях, так как она ухудшает многие технологические свойства топлива. Она, как и зола, своим присутствием уменьшает содержание сухой беззольной массы угля и этим снижает теплопроизводительность рабочего топлива. Но в отличие от золы при горении топлива на испарение влаги расходуется некоторое количество тепла, которое дополнительно снижает удельную теплоту сгорания. Увеличение влажности топлива на 20—25% относительных приводит к снижению производительности мельниц на 10—15% и соответствующему увеличению расхода электроэнергии на размол и пневматический транспорт пыли. Для сушки топлива с повышенной влажностью необходимо интенсифицировать вентиляцию мельниц, т. е. увеличивать подачу первичного воздуха в топку, что ухудшает ее воздушный режим, повышает потери тепла и снижает надежность работы котельного агрегата в целом.
Внешняя влага влияет на сыпучесть топлива и способность его смерзаться при отрицательных температурах. Сыпучесть угля сохраняется почти постоянной до тех пор, пока его влажность находится в пределах гигроскопической. С появлением внешней влаги и ростом ее содержания сыпучесть угля постепенно ухудшается и при достижении общей влажности приблизительно в 3 раза большей, чем гигроскопическая, шихта приобретает способность прилипать к твердым поверхностям, но при этом сыпучие свойства шихты полностью не утрачиваются. Дальнейшее увлажнение, вплоть до максимальной влагоемкости, еще несколько уменьшает сыпучесть, после чего начинается медленное повышение подвижности топлива благодаря приобретению им нового свойства — текучести. При влажности угля, превышающей его максимальную влагоемкость, мелкое топливо приобретает консистенцию тестообразной массы, которая при достаточных уклонах может течь подобно грязевому селю. При движении топлива, увлажненного до состояния налипания, по тракту топливоподачи оно зависает в бункерах, застревает в течках, налипает на транспортерной ленте, дробилках и грохотах, что нарушает нормальную работу топливоподачи и систем пылеприготовления. Влажность угля, при которой наблюдается его застревание по тракту топливоподачи, называют критической влажностью налипания [18]. ГОСТ 170070—79 рекомендует характеризовать влагу, при которой наблюдается потеря сыпучести угля, максимальной влагоемкостью. Однако критическая влажность налипания и максимальная влагоемкость — понятия неравнозначные. Первая является нижней границей влажности, при которой наблюдается налипание на топливно-транспортное оборудование в эксплуатационных условиях, а максимальная влагоемкость—показатель, определяемый в лабораторных условиях, далеких от производственных. Максимальная влагоемкость, определенная по ГОСТ 8858—71, всегда выше, чем нижний предел влажности, при котором наблюдается налипание топлива при движении его по тракту топливоподачи.
В табл. 2.8 приведены значения влажности налипания для некоторых энергетических углей, наблюдаемые в эксплуатационных условиях. Из приведенных данных видно, что значение влажности налипания изменяется в широких пределах и снижается с ростом зрелости угля. Для подавляющего большинства углей влажность налипания в 3,0—3,5 раза больше, чем гигроскопическая влажность угля, а максимальная влагоемкость примерно в 4,0—4,5 раза больше WГИ. Эти соотношения позволяют с некоторой степенью приближения прогнозировать технологическое поведение углей, для которых максимальная влагоемкость и влажность налипания не известны.
Минимальную влажность, при которой наблюдается смерзание топлива, называют влажностью смерзания. Некоторые исследователи считают, что если каменный уголь содержит более 4—6 % внешней влаги, то при отрицательных температурах он обязательно будет смерзаться. Но эта закономерность оправдывается не во всех случаях, она не распространяется на бурые и молодые каменные угли. Исследования УралВТИ показали, что влажность смерзания практически для всех углей приблизительно в 3,0—3,5 раза больше гигроскопической влажности. Другими словами, влажность смерзания близка к влажности налипания. 

Таблица 2.8. Влажность налипания для некоторых энергетических углей, зафиксированная в эксплуатационных условиях

Важной эксплуатационной характеристикой рабочего топлива является резервная влагоемкость, т. е. разницы между максимальной влажностью, или влажностью налипания, и рабочей влажностью топлива. Эта величина показывает, сколько воды рабочее топливо может принять, чтобы его продвижение по тракту не вызывало затруднений, связанных с налипанием, или, напротив, насколько влажное рабочее топливо, застревающее по тракту топливоподачи, должно быть подсушено, чтобы иметь нормальную проходимость.

Зольность топлива.

Все твердые горючие ископаемые содержат минеральные примеси (минеральную массу)· Количество и состав их оказывают большое влияние на технологические свойства топлива и в значительной степени определяют пригодность его для того или иного способа использования и переработки.
Минеральные вещества, содержащиеся в топливе, делят по их происхождению па две части: первая тесно связана с угольным веществом и попала в исходный материал в процессе углеобразования; вторая случайно попала в уголь в процессе его добычи, транспортировки и хранения. Минеральные вещества естественного происхождения в угле в основном представлены тремя видами минералов: 1) глины и сланцы, представляющие собой в основном силикаты и алюмосиликаты; 2) сульфидные минералы, преимущественно сульфид железа— железный колчедан и 3) карбонатные породы, главным образом карбонат кальция — известняк. Эти минералы обычно составляют 95—98% всей минеральной массы естественного происхождения. Минеральные вещества, попадающие в уголь в процессе его добычи, представлены в основном вмещающими породами угольного пласта. Эти примеси обычно называют пустой породой.
Вследствие глубоких химических превращений, происходящих при сжигании топлива, составы исходной минеральной части топлива и его золы существенно различны. Массовое содержание золы в топливе (зольность) выражают в процентах и обозначают буквой А. Зольность углей изменяется от 2 до 40% и более. Но твердые горючие ископаемые с содержанием золы более 50% обычно относят к углистым, или горючим, сланцам. Зола снижает технологические показатели углей, загружает транспорт непроизводительной перевозкой балласта и обременяет потребителя организацией огромных золоотвалов. Количество и состав золы часто являются основным критерием, определяющим пригодность топлива для технологической переработки. Поэтому техническими условиями и ГОСТом на угольную продукцию устанавливаются средние и предельные значения зольности в зависимости от назначения продукции. По некоторым угольным бассейнам, где зольность может изменяться в широких пределах, угольную продукцию дополнительно к основной классификации по маркам и классам делят еще и по группам зольности.
При энергетическом использовании углей увеличение их зольности ведет к снижению КПД котельного агрегата, увеличению расхода электроэнергии на собственные нужды, преждевременному износу оборудования, усложнению систем улавливания и удаления золы. Изменение зольности сжигаемого топлива вызывает изменение положения факела в топочной камере и перемещение температурных полей, что сильно затрудняет работу систем автоматического регулирования и ухудшает условия работы металла. Считают, что для обеспечения надежного автоматического регулирования крупных энергетических блоков зольность сжигаемого топлива по отдельным вагонам и партиям не должна отличаться от расчетной более чем на ±10—15% относительных, или ±3—5% абсолютных. Тем не менее на электростанциях сжигают наиболее низкосортные и многозольные угли.
Важной теплотехнической и технологической характеристикой золы является ее температура плавления, по которой судят о допустимых температурных режимах топки и возможности применения того или иного способа удаления золы из топочной камеры. Стандартный метод определения плавкости золы регламентирован ГОСТ 2057—74. Метод испытания основан на нагревании образца (конуса) в полувосстановительной газовой среде до температуры деформации. При этом отмечают температуры трех характерных моментов изменения формы образца: температуру начала деформации образца t1, при которой начинается оплавление или наклон верхушки образца; температуру размягчения t2, при которой образец оплавляется, образуя полусферу, или сгибается, касаясь верхушкой подставки; температуру начала жилкоплавкого состояния t3, при которой образец растекается по подставке, образуя слой высотой 1,0—1,5 мм, или начинается резкое опадение полусферы.
Золу с температурой размягчения конуса t2 ниже 1200°C считают легкоплавкой; от 1200 до 1350°C — среднеплавкой и выше 1350°C — тугоплавкой. Низкая температура плавления золы способствует шлакованию поверхностей нагрева при твердом шлакоудалении. В то же время низкая плавкость золы облегчает организацию жидкого шлакоудаления. Разность температур t3—t2 является важным показателем при оценке пригодности золы для жидкого шлакоудаления. Чем меньше эта разность, тем легче выдерживается топочный режим, обеспечивающий падежную работу жидкого шлакоудаления При большом содержании в золе окиси кремния и алюминия разность t3—t2 достигает 200°C, а с увеличением содержания окислов железа, кальция и щелочных металлов она уменьшается до 10—15 °C.
Возможность снижения температуры плавления золы с увеличением содержания в ней щелочных и щелочноземельных металлов необходимо учитывать при использовании химических средств размораживания угля и применения ингибиторов, содержащих электролиты.

Выход летучих веществ и кокса.

При нагревании углей без доступа воздуха образуются твердые и газообразные продукты термического разложения. Массу летучих продуктов разложения единицы массы угля называют выходом летучих веществ и обозначают V. Твердый остаток после выделения из угля летучих веществ называют нелетучим остатков. Характер последнего является важной характеристикой для оценки углей, идущих на коксование. Если остаток спекшийся, то его называют коксовым корольком, а уголь, из которого он получился, — спекающимся. Если остаток порошкообразный — уголь относят к неспекающимся.
С выходом летучих веществ связан целый ряд свойств, определяющих область использования угля в народном хозяйстве; на количественной оценке выхода летучих веществ основана техническая классификация каменных углей. Выход летучих веществ в твердых топливах уменьшается по мере перехода от торфа к бурым, затем каменным углям и антрациту. Для торфа выход летучих веществ составляет около 70%, бурых углей — 46—55%, каменных углей от 10 до 50% и для антрацитов не более 8%. Особенно высоким выходом летучих веществ, более 90%, обладают сапропелитовые угли.
Выход летучих веществ является одним из основных показателей при расчетах и конструировании топочных устройств и выборе оптимальной тонкости помола. Он в значительной степени определяет режимы сушки топлива, взрывоопасность пылесистем и склонность топлива к самовозгоранию. Выход летучих веществ имеет большое значение для процессов воспламенения топлива и горения его в топочной камере. При поступлении в топку топлива с выходом летучих веществ меньше расчетного ухудшается воспламенение пылевоздушной смеси в топке, нарушается устойчивость процесса горения. Напротив, при повышенном выходе летучих веществ воспламенение пылевоздушной смеси ускоряется, фронт пламени приближается к устьям горелок, которые обгорают и шлакуются.

Для выбора оптимальных режимов горения важны не только значение выхода летучих веществ, но и их удельная теплота сгорания, т. е. распределение теплоты сгорания между газообразными веществами, образующимися в процессе нагревания топлива, и нелетучим остатком. При хранении топлива выход летучих веществ часто заметно увеличивается вследствие присоединения к органической массе молекулярного кислорода, а удельная теплота сгорания их снижается.

Механическая прочность и коэффициент размолоспособности.

Одной из важных технологических характеристик угля является механическая прочность. Количественно механическую прочность углей характеризуют дробимостью, хрупкостью, твердостью, временным сопротивлением сжатию, а также коэффициентом размолоспособности. При добыче, перевозке и использовании топлива в шихте большое практическое значение имеет его прочность, оцениваемая индексом механической прочности, определяемым по ГОСТ 15490—70 методом барабанной пробы или методом толчения. Первый основан на истирании пробы топлива в стальном вращающемся барабане диаметром 1000 или 180 мм и последующем определении массы кусков размером больше нижнего предела испытываемого класса. Испытание методом толчения состоит в дроблении пробы топлива падающей гирей, сбрасываемой с постоянной высоты, и в последующем измерении объема образующейся мелочи размером менее 0,5 мм. По механической прочности угли делят на прочные, средней прочности и непрочные.
Механическая прочность углей зависит от состава органической массы и минеральных примесей. В метаморфическом ряду ископаемых углей наименьшей механической прочностью обладают землистые бурые угли. Среди каменных углей наибольшая прочность наблюдается у длиннопламенных и газовых углей, а наименьшая — у коксовых и отощенных. Антрациты преимущественно относятся к прочным и очень прочным углям. Бурые угли в основном непрочные, хотя среди них иногда встречаются образцы, обладающие очень высокой прочностью.
Механическая прочность угля во многом зависит от трещиноватости топлива, которая может существенно изменяться не только от месторождения к месторождению, но и от пласта к пласту. Из литотипов особо высокой прочностью обладает дюрен, наименьшей — фюзен.

Содержание в угле того или иного литотипа заметно влияет на изменение механической прочности.
В энергетике принято прочность углей оценивать коэффициентом размолоспособности, характеризующим сопротивляемость топлива размолу. Сущность метода определения коэффициента размолоспособности по ГОСТ 15489—70 заключается в размоле пробы воздушно-сухого топлива в шаровой барабанной мельнице, загруженной фарфоровыми шарами, и последующем ситовом анализе измельченного материала. Коэффициент размолоспособности Кло определяют как отношение удельной поверхности испытываемого топлива к удельной поверхности эталонного топлива, образовавшейся в результате их размола при одинаковой затрате энергии, и оценивают суммарным выходом материала с частицами крупнее 90 мкм, выраженным в процентах к исходной массе топлива.
Коэффициент размолоспособности показывает, насколько легче или труднее испытываемый образец топлива поддается измельчению в стандартной лабораторной мельнице по сравнению с эталонным образцом. Он уменьшается с ростом механической прочности угля, т. е. чем меньше коэффициент размолоспособности, тем труднее измельчается топливо. По сопротивлению размолу угли делят на прочные, умеренно прочные и мягкие. Прочные угли имеют коэффициент размолоспособности меньше единицы, умеренно прочные 1,0—1,5 и мягкие —  больше 1,5. Сапропелитовые угли относятся к самым прочным углям и имеют коэффициент размолоспособности 0,3—0,5.