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).

 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 Q^c, 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 _ 81С^р+300Н^р-26О^р-26С^р-6(W^P + 9H^p),

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).

 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).

 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.

 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 А^с, 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.