Технический Анализ твердого топлива

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

 

 

Содержание работы:

 

1) Ознакомление с методикой определения влажности, зольности и выхода летучих веществ; 

2) изучение опытных установок по определению указанных характеристик топлива;

3) определение влажности зольности и выхода летучих исследуемой пробы топлива;

4) анализ полученных результатов.

 

                                     1.Определение влажности топлива

                                               Общие сведения      

Влажность топлива – примесь балластная. Она снижает тепловой эффект горе -

ния, так как вода своим присутствием уменьшает долю горючих элементов в единице массы или объёма топлива, и, кроме того, при горении топлива вода испаряется, отнимая на это часть тепла реакции.

      В твёрдом топливе различают внешнюю, гигроскопическую и общую влагу. Внешняя влага - влага, механически удерживаемая наружной поверхностью топлива при его смачивании (дождём, тающим снегом и т.д.). Эта влага удаляется при естественной сушке топлива до равновесного состояния с окружающей средой; такое топливо называется воздушносухим.

Гигроскопическая влага  - влага, заполняющая поры и капиляры твёрдых топлив и удерживающаяся в них после воздушной сушки. Её также называют влагой аналитической пробы топлива . При определении гигроскопической влаги топливо предварительно доводят до воздушносухого состояния при определённых условиях окружающей среды – при относительной влажности воздуха 60 ±2% и температуре 20 ± 5°С (аналитическая проба топлива). Гигроскопическая влага удаляется из топлива путём нагревания его в сушильном шкафу при определённом тепловом режиме.

Общая влажность топлива – сумма внешней и гигроскопической влаги, то есть это влажность рабочей массы топлива  

          

В настоящее время для определения влажности твёрдого топлива преимущественно используется весовой метод. Он основан на сопоставлении убыли массы высушенной пробы топлива с первоначальной массой навески топлива. Проба топлива высушивается постепенно в термостате при постоянном тепловом режиме.                 

                                             Порядок проведения опыта

 

Взвесив с точностью до 0,001 г просушенный стаканчик (бюксу) с притёртой крышкой, насыпают в него 1-2 г измельчённого топлива, высушенного при комнатной температуре, и снова взвешивают.

Помещают открытую бюксу с топливом 2 и крышку 5 в нагретый сушильный шкаф 1 (рис.1) и выдерживают в течение 1ч. Во время высушивания топлива следят за температурой воздуха в шкафу по термометру 4 и поддержи -вают её посредством имеющихся регуляторов 6, 7 в пределах 102-105°С, 3 - вентиляционная заслонка.

Если температура в термостате будет выше 110°С, то из топлива начнут выделяться горючие летучие вещества, что исказит результаты опыта. При температуре в нём ниже 100°С из топлива удаляется не вся гигроскопическая влага.

После высушивания топлива бюксу закрывают крышкой и вынимают (лаборатор - ными щипцами) из шкафа, помещают в экси - катор на 10-15 мин для охлаждения. Чтобы предотвратить поглощение влаги топливом из воздуха, находящегося внутри эксикатора, в него насыпают хлористый кальций.

После охлаждения бюксу вынимают из эксикатора и взвешивают (на тех же весах).

Для проверки полного удаления влаги бюксу с топливом, открыв крышку, снова помещают в термостат на 10-15 мин, а затем вторично охлаждают и взвешивают. Так поступают до тех пор, пока разница с предыдущей массой после сушки будет менее 0,003 г, то есть до постоянной массы.

Относительная влажность топлива (аналитическая) определяется по формуле

где g - масса пробы топлива до сушки, г;                  

        - масса топлива после сушки, г;

        g₁ – убыль массы при высушивании топлива, г;

 

                             2. Определение зольности топлива

                                            Общие сведения

 

Зола – негорючая минеральная часть топлива. В золу твёрдого топлива входят: глинозём Аℓ₂O₃ и Н₂О, свободный кремнезём SiO₂,окислы железа FeO и Fe₂O₃, известь CaО, магнезия MgO, щёлочи, хлориды и др.

По происхождению различают золу внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя (первичная) зола – минеральные вещества тех растений, из которых образовался тот или иной сорт топлива. Количество первичной золы является величиной характерной и постоянной для каждого определённого сорта топлива.

Внешняя зола состоит из вторичной, образовавшейся за счёт заноса пласта минеральными веществами, и третичной, являющейся пустой породой, захваченной при добыче топлива или при его транспортировании и перегрузках.

Обычно в лаборатории определяют общую зольность топлива весовым методом при соблюдении следующих условий:

1. Сжигание следует проводить при свободном доступе воздуха (при достаточном для горения количестве воздуха).

2. При сжигании необходимо следить, чтобы не возникало пламя. Топливо должно тлеть, а не гореть, так как пламенное горение сопровождается уносом твёрдых частиц топлива и золы. В случае появлении пламени тигель следует прикрыть на несколько секунд крышкой.

3. При температуре прокаливания тигли с золой выдерживают до постоянной массы (или до разности в массе в 0,1% от массы первоначальной навески топлива).

Если уменьшающаяся сначала масса золы при дальнейшем прокаливании начнёт увеличиваться, то это указывает на окисление солей железа. В этом случае за массу золы принимается последняя масса, разнящаяся с предыдущей не более, чем на 0,1%, независимо от того, уменьшалась или увеличивалась масса.

      Содержание золы в топливе уменьшает теплоту его сгорания и часто усложняет процесс горения отдельных сортов топлива: происходят механическая неполнота сгорания многозольных топлив, зашлаковывание топок легкоплавкой золой, большой вынос золы (до 80%) при факельном сжигании с сухим золоудалением.

 

                                        Порядок проведения опыта               

Взвесив с точностью до 0,001 г просушенный тигель, насыпают в него 1-2 г измельчённого топлива, высушенного при комнатной температуре, и снова взвешивают.

Тигель с топливом 6 ставят в предварительно разогретую до температуры 800°С муфельную печь 1 (рис.2), 2 – нагреватель, 6 – реостат.

Вначале тигель 6 ставят у входа в муфель и выдерживают 10 мин. При по- явлении пламени тигель на несколько секунд прикрывают крышкой.

Затем постепенно, со скоростью около 1 см в минуту, подвигают тигель в зону полного накала муфеля. Дверцу печи закрывают и прокаливают топливо в течение 40 мин, следя за постоянством температуры по термоэлектрическому пирометру3, 4 (t = 800°С).

Об окончании сжигании топлива судят по исчезновению искрения в тигле и получению серого или желтоватого порошка золы. Наличие обугленных частиц чёрного цвета в тигле говорит об остатке несожжённого кокса. В таком случае прокаливание следует продолжить.

Убедившись (визуально) в окончании прокаливания, вынимают щипцами тигель из муфельной печи, ставят его на асбестовую или фарфоровую подставку и охлаждают в нём до комнатной температуры.

Охлаждённый тигель взвешивают.

Проверку содержания золы в пробе топлива производят путём повторного прокаливания в течение 20–30 мин до постоянной массы.

Полученные данные позволяют определить:

а) содержание золы в аналитической пробе топлива:

где - масса золы, г;                           

g – масса топлива до прокаливания, г;

б) содержание золы в абсолютно сухом топливе:

где - аналитическая влага топлива.

 

                  3. Определение выхода летучих веществ

                      

                                 Общие сведения

В процессе нагревания всех  видов твёрдого топлива происходит распад органических веществ горючей массы с выделением газообразных продуктов разложения – летучих веществ. Они бывают горючие и негорючие. К первым относятся: водород, окись углерода, метан, сложные углеводороды, ко вторым – водяные пары.

Твёрдый остаток топлива, полученный после отгонки летучих веществ, называется коксом. Он состоит из углерода и золы. Кокс различают: порошко-образный, слипшийся, сплавленный, слабоспёкшийся, рыхлый, вспученный и др.

Содержание летучих веществ и характер кокса влияют на процесс горения топлива: температуру воспламенения, характер пламени, оживление процессов горения на решётке в случае спекающихся коксов и т.д.

По количеству летучих веществ и характеру кокса каменные угли маркируют на длиннопламенные, газовые, тощие и др., а также учитывают эти характеристики при выборе способа сжигания топлива и конструкции отдельных элементов топки.

Количество летучих принято определять на горючую массу топлива V^Г  с помощью весового метода. Сущность метода заключается в нагревании навески топлива в закрытом тигле при температуре 850°С. выход летучих веществ вычисляется по разности между общей потерей массы и потерей, происходящей за счёт испарения влаги.

 

                             Порядок проведения опыта

 

 Взвесив с точностью до 0,001 г просушенный тигель 6 (см. рис. 2) с крышкой, помещают в него 1 г измельчённого топлива, покрывают крышкой и снова взвешивают.

Открывают дверцу муфельной печи 1, нагретой до устойчивой температуры 850°С, и быстро ставят в печь тигель 6, закрытый крышкой.

Продолжительность нагревания пробы угля массой 1 г составляет 7 мин. При навеске более 1 г об окончании нагревания топлива судят по исчезновению язычков пламени из отверстия в крышке. это свидетельствует о завершении сгорания основной массы летучих веществ.

Температура при нагревании навески топлива не должна превышать 850°С, что контролируется термоэлектрическим пирометром 3,4.

По окончании нагревания тигель вынимают из печи. При наличии налёта сажи на внешней поверхности тигля опыт повторяют, так как это приводит к искажению весовых соотношений.

Вынутый тигель охлаждают на воздухе 5 мин и окончательно в эксикаторе до комнатной температуре.

После охлаждения тигель с коксом взвешивают и определяют искомые величины:

а) выход летучих в аналитической пробе топлива:

      где  g₁ – убыль массы топлива, г;

                   g – масса навески топлива, г;

                   - влажность аналитической пробы топлива, %;

                   б) содержание кокса в топливе:

                   в) выход летучих на условную горючую массу:

      где - содержание золы в аналитической пробе топлива, %.

В конце опыта рекомендуется осторожно высыпать твёрдый остаток из тигля на бумагу и, осмотрев его, указать характер полученного кокса.

                                      Анализ полученных результатов

В конце проведения опытов нужно сравнить полученные данные влажности, зольности и выхода летучих веществ топлива с нормативными вели -чинами для данного сорта топлива (табл. 2) и при наличии значительных рас - хождений установить причины этого.

Обобщение опытных данных по исследуемому топливу приводят в табл.1.

                                                                                                   Таблица 1

                                        Сорт топлива

Показатели		AC %	VГ  %	Примечание  *
Опытные Нормативные Расхождение

* Привести объяснения выявленных расхождений.

При сравнительных подсчётах определяют приведенную влажность

 

и приведенную зольность топлива

где  - низшая теплота сгорания рабочей массы топлива, ккал/кг (табл. 2.);

 - соответственно влажность и зольность рабочей массы топлива, %        

(табл. 2).

При значении < 3 % топливо считают маловлажным, при > 8 % -сильновлажным.

Если < 4 %, топливо считают малозольным.

 

                                                                                                    Таблица 2

Республика, край, область	Бассейн,    месторождение	Марка топлива	%	%	AC %	%	VГ  %
УССР, Донецкая, Луганская области; РСФСР, Ростовская область	Донецкий	Д Г Т А Ж	13,0 8,0 5,0 8,5 9,0	21,8 23,0 23,8 22,9 35,5	25,0 25,0 25,0 25,0 39,0	4,5 3,0 1,5 2,5 1,3	44,0 40,0 15,0 3,5 30,0	4680 5260 5780 5390 4300
РСФСР, Кемеровская область	Кузнецкий	Д Г Т	12,0 8,5 6,5	13,2 11,0 16,8	15,0 12,0 18,0	4,0 3,0 1,5	42,0 40,0 13,0	5450 6240 6250
Коми АССР	Печорский:   Воркутинское	Ж	5,5	23,6	25,0	1,8	33,0	5650
	Интинское	Д	11,0	25,4	28,6	7,0	40,0	4370
РСФСР, Пермская область	Кизеловский	Г	6,0	31,0	33,0	1,5	42,0	4700
РСФСР, Свердловская область	Егоршинское	ПА	8,0	23,9	26,0	1,5	9,0	5350
РСФСР, Красноярский край	Минусинский: Черногорское	Д	14,0	15,5	18,0	8,0	44,0	5030
РСФСР, Иркутская область	Черемховское	Д	13,0	27,0	31,0	4,5	47,0	4270

                                            

Контрольные вопросы

1. Как объяснить влияние балластных примесей – влажности, зольности - на тепловой эффект горения топлива?

2. Как классифицируется влажность и зольность топлива? Летучие вещества и кокс?

3. Каким методом пользуются для определения зольности, влажности и выхода летучих веществ?

4. Как определяется гигроскопическая влажность топлива?

5. Почему температура воздуха в сушильном шкафу поддерживается 102-105°С?

6. Каково назначение и устройство эксикатора?

7. Как определяется содержание золы в абсолютно сухом топливе?

8. Каково назначение, принцип действия и устройство термоэлектрического пирометра?

9. Как влияют на процесс горения топлива содержание летучих веществ и

характер кокса?

10. Как определяется выход летучих веществ на горючую массу топлива?

11. Как классифицируется топливо: по величине приведенной влажности топлива, по приведенной зольности?