Билет № 20

1. Технологические схемы бсц.

2. Раздельная технология приготовления бетонной смеси.

3. Виды топлива, его химический состав и свойства.

В технике топливом называют вещества, реакция со­единения которых с кислородом воздуха сопровождается выделением света и тепла. Д. И. Менделеев называл топливом горючие вещества, сжигаемые для получения тепла. Но не все горючие вещества могут быть использованы в качестве промышленного топлива. Для этого они должны обладать определенной скоростью горения, с тем чтобы этот процесс можно было бы регулировать, добиваясь максимального теплового эффекта. Одновре­менно они должны быть относительно дешевыми и прак­тически доступными для добычи. Этим условиям не удовлетворяют, например, такие горючие вещества, как се­ра, спирт, ацетон, порох, термитные смеси и т. п.

Все известные разновидности технических топлив делят по происхождению на естественные и искусственные, а по агрегатному состоянию – на твердые, жидкие и газообразные. К естественным относят те виды топли­ва, которые сжигают без обогащения. Механическая обработка естественного топлива: дробление, грохочение, промывка, не переводит его в разряд искусственных топлив. Последние получают из естественных путем их тер­мической переработки, в процессе которой могут менять­ся их химический состав, агрегатное состояние и свойства. Общая классификация технических топлив, применяе­мых в промышленности, приведена в табл. 2.1. Отдель­ные составные части твердого топлива образуют его органическую, горючую, сухую и рабочую массу (рабо­чее топливо). Схема формирования состава топлива приведена на рис. 2.1.

В элементарный химический состав топлива входят С, Н, О, N и S. Кроме того, в топливе содержится влага и зола. C, Н, О и N образуют органическую массу топлива, а вместе с серой — горючую массу. Частично сера вхо­дит в зольную часть топлива. В составе сухой массы топлива находится горючая масса и зола, а сухая мас­са с влагой образуют рабочее топливо.

В верхней части схемы (рис. 2.1) показаны состав­ные части топлива, которые по-разному ведут себя при его нагревании без доступа воздуха. Вода — превраща­ется в пар, углеводородные соединения, включающие кислород, азот, водород и часть углерода, содержащегося в топливе, выделяются при нагревании в газообраз­ном виде, образуя горючие летучие вещества. Оставша­яся часть углерода вместе с серой и золой образует кок­совый остаток, причем углерод с горючей частью серы образует горючую часть кокса, а зола с негорючими сер­нистыми соединениями - негорючую часть кокса. Лету­чие горючие вещества сгорают в топочном (или печном) пространстве и при более низкой температуре, чем кок­совый остаток, который горит непосредственно в слое в результате взаимодействия кислорода с поверхностью кусков кокса.

В справочных таблицах состав топлива приводится иногда в процентах на органическую, горючую или сухую массу, в то время как для расчетов горения топли­ва требуется знать его состав, отнесенный к рабочей массе. В связи с этим возникает необходимость в пере­счете состава топлива. Для этой цели пользуются коэф­фициентами, приведенными в табл. 2.2.

Символы А, W, S означают соответственно содержа­ние золы, влаги и серы; верхние индексы г, с, р относят­ся соответственно к горючей, сухой и рабочей массе топлива; нижним индексом "к" обозначена колчеданная се­ра (вместе с сульфидной), которая, как и органическая сера, является горючей, в отличие от сульфатной него­рючей серы. В инженерных расчетах процесса горения топлива в связи со сравнительно небольшим содержани­ем в нем серы все ее содержание в топливе принимают как горючую серу.

Дрова. Дрова как топливо в промышленности строи­тельных материалов уже не применяют. В производстве стеновой керамики широко используют древесные опил­ки в качестве добавки в сырьевую смесь. Основное их назначение в этом случае - технологическое - улучше­ние сушильных свойств сформованных изделий, но по­путно, сгорая в процессе обжига кирпича в его теле (черепке), они выделяют тепло и участвуют в процессе нагрева изделий.

Торф. Также перестал применяться в тепловых уста­новках строительной индустрии. Ранее фрезерный торф сравнительно широко использовали для обжига кирпи­ча в кольцевых печах, а кусковой торф - в топках су­шильных и котельных установок, а также на газогенераторных станциях стекольных заводов. В настоящее время торф вытеснен более прогрессивными видами топлива.

Сланцы в настоящее время в качестве топлива в тепловых установках строительной индустрии не приме­няют. В прошлом их использовали для обжига кирпича в кольцевых печах. Теперь от этого отказались. Основ­ная трудность их сжигания обусловлена низкой тепло­творностью в сочетании с многозольностью: при сжига­нии 1 т сланцев получается примерно 1 м³ золы.

Бурый уголь - наиболее распространенный вид твер­дого топлива в нашей стране. Несмотря на трудности его сжигания, обусловленные высокими влажностью и зольностью, низкой погодостоикостью, склонностью к самовозгоранию, а иногда и повышенной сернистостью, применять его в тепловых установках строительной индустрии все же приходится. Сжигают его в топках котельных установок. Сжигание в топках сушильных установок, в связи с относительно большим содержанием в буром угле серы, вызывает большие ос­ложнения в эксплуатации сушилок. Поэтому его стре­мятся заменить природным газом, мазутом, каменным углем или антрацитом.

В значительных количествах бурый уголь использу­ют для обжига кирпича в кольцевых и туннельных пе­чах. Кроме непосредственного его сжигания в рабочих каналах этих печей, где он сгорает на обжигаемом кир­пиче, бурый уголь вводят еще в качестве добавки в сырьевую смесь. В этом случае он сгорает в теле самого кирпича, улучшая физико-технические свойства обож­женных изделий.

В отличие от бурых углей каменные угли пого­достойки, транспортабельны и более калорийны. Поэто­му их не рассматривают как сугубо местное топливо и транспортируют на далекие расстояния. Их широко ис­пользуют на предприятиях строительной индустрии в топках котельных и сушильных установок, а также для обжига кирпича в кольцевых и туннельных печах.

Антрацит - самый высокоценный вид твердого топлива. Он обладает высокими тепло­творностью, механической прочностью и погодостойко­стью. Поэтому это практически единственный вид твер­дого топлива, применяемый для обжига извести в пере­сыпных шахтных печах. Применяется он в тепловых установках строительной индустрии так же, как и ка­менные угли.

Брикеты. Торфяные и буроугольные брикеты полу­чают термической обработкой спрессованных заготовок, в процессе которой выделяющиеся смолистые вещества цементируют нагреваемые заготовки, сообщая им вы­сокую механическую прочность, термостойкость и погодостойкость. Они являются хорошим видом кускового топочного топлива. Однако технология брикетирования угля достаточно сложна, в силу чего в нашей стране бри­кеты не производят.

Кокс является продуктом высокотемпературной тер­мической обработки каменных углей без доступа возду­ха. В результате этого процесса из угля выделяются летучие вещества, образующие коксовый газ, и получа­ется спекшееся прочное высокопористое тело, состоя­щее почти целиком из углерода и минеральной части топлива. Кокс высококалориен, механически прочен, термостоек, погодостоек. Не все каменные угли пригод­ны для получения кокса. Для этой цели используют лишь коксующиеся угли, месторождения которых в нашей стране немногочисленны. Поэтому кокс является топливом относительно дорогим и дефицитным и почти монопольный его потребитель - черная металлургия (для доменного процесса получения чугуна). В строи­тельной индустрии он применяется только для получения минераловатных расплавов в вагранках.

Составные части твердого топлива существенно вли­яют на его технические свойства.

Углерод является самой существенной частью твер­дого топлива. Он находится в топливе в связанном со­стоянии в виде сложных органических соединений. Го­рение чистого углерода беспламенно. Реакция полного горения углерода - С+О₂ = СО₂+33700 кДж/кг угле­рода, а неполного горения — С+0,5О₂ = СО+5700 кДж/ /кг.

Водород находится в топливе в виде органических соединений. Это наиболее высококалорийная его часть. При горении водорода образуется влага, которая может находиться в парообразном или в жидком состояниях. В зависимости от этого тепловые эффекты горения водорода составляют: Н₂+0,5О₂ = Н₂О_пар + 119800 кДж/кг; Н2 = 0,5О₂Н_жид + 142000 кДж/кг. Разница 142200-119800 = 22400 кДж/кг Н₂ или 22400:9 = 2450 кДж/кг. Н₂О - скрытая теплота парообразования воды.

Сера, как уже отмечалось, встречается в топливе в трех видах. Сера при горении образует токсичные агрессивные газы и потому является вредной составляющей топлива. Сернистые газы коррозируют металл тепловых установок, от их воздействия гибнет растительность. При общем содержании серы более 7 % топливо непригодно для использования в промышлен­ных тепловых установках.

Кислород, находящийся в топливе, участвует в окис­лении горючих веществ, делает пламя менее коптящим, но одновременно с этим снижает теплотворность топлива. Азот - балласт. Он не горит и горения не поддержива­ет. Зола - минеральная часть топлива. Она затрудняет его сжигание, повышает при этом тепловые потери и снижает теплотворность топлива.

Вода не участвует в горении топлива, требует для своего испарения около 2450 кДж/кг тепла и потому снижает теплотворность и затрудняет сжигание топ­лива.

Нефть сырая в качестве топлива в нашей стране не исп-ся. Более экономична химическая перера­ботка нефти с получением многих ценных для народного хозяйства продуктов.

Мазут - наиболее тяжелая фракция термической переработки нефти. Являясь почти беззольным и высо­кокалорийным топливом, мазут более технологичен в сжигании, чем все виды твердого топлива. Поэтому там, где отсутствует природный газ, стараются применять мазут. Однако мазут в нашей стране дефицитен и по этой причине рассчитывать на значительные возможно­сти замены им твердого топлива в тепловых установках строительной индустрии не приходится. При отоплении мазутом, необходимо создавать довольно сложное ма­зутное хозяйство с подогревом мазута для возможности его слива, хранения и транспортирования. Однако тех­нологические и экономические преимущества мазутного отопления по сравнению с твердым топливом настолько существенны, что затраты по созданию и эксплуатации мазутного хозяйства вполне себя оправдывают.

Природный газ - бесценный дар природы. Преимущества его как топлива исключительно велики, а воз­можности применения практически неограниченны. Это сухое и абсолютно беззольное топливо. При его сжига­нии легко регулируется температура и химическая ха­рактеристика газовой среды, возможность сжигания с предельно малым избытком воздуха обусловливает большую тепловую экономичность его применения, он легко транспортируется, а топочные устройства для его сжигания предельно просты. В строительной индустрии природный газ сжигают в топках котельных и сушиль­ных установок, а также во всех видах промышленных печей.

Главнейшими свойствами твердого топлива являют­ся его теплотворность (теплотворная способ­ность или теплота сгорания), температура воспламенения, температура плавления золы, механическая прочность, погодостойкость, склонность к самовозгоранию. Для жидких топлив кроме теплотворности важны еще вяз­кость и температура вспышки.

Теплотворность характеризуют количеством тепла, выделяющимся при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива, либо 1 м³ газового топлива. Обозна­чают эту величину буквой Q с верхним индексом, соот­ветствующим массе топлива, и с нижним индексом _в или _п, обозначающим соответственно высшую или низшую теплотворность. Высшая теплотворность включает теп­лоту конденсации водяных паров, образовавшихся при горении топлива, а низшая - предусматривает сохране­ние водяных паров в продуктах горения в газообразном состоянии. Практическое значение в расчетах промыш­ленных тепловых установок имеет низшая теплотвор­ность рабочего топлива Q^р_н которая приводится во всех справочных таблицах по топливу. Пересчитывают выс­шую теплотворность Q^р_н в низшую по формуле:

Теплоту сгорания можно вычислить по его элемен­тарному составу, зная приведенные выше тепловые эф­фекты отдельных реакций горения составных частей топлива. Однако в этом нет практической необходимо­сти, поскольку для всех видов топлива, применяемых в промышленности и энергетике, определены и опублико­ваны в справочных таблицах величины теплотворности, которыми и пользуются в инженерных теплотехнических расчетах.

Для сопоставления различных видов топлива по их теплотворности и для сравнения тепловой экономично­сти установок, работающих на различных топливах, а также для планово-производственных расчетов, связан­ных с расходом топлива, применяют понятие условного топлива. Под условным понимают топливо с Q^р_н = 7000 ккал/кг или 29300 кДж/кг. Величину называют эквивалентом условного топлива (переводным коэффициентом, калорийным эквивалентом). Пере­счет расхода натурального топлива В_н в условное В_у и обратно производят по формуле

Переводные коэффициенты для наиболее распрост­раненных видов топлива приведены в справочниках.

Температурой воспламенения топлива называют ту низшую температуру, при достижении которой топливо воспламеняется без участия горящего очага. Температура воспламенения повышается по мере увеличения воз­раста топлива и уменьшается с ростом содержания в нем летучих горючих веществ. Примерные температуры воспламенения различных видов топлива в °С таковы: дрова 250-300; торф 250-300; бурые угли 350-450; каменные угли 400-500; антрацит и кокс 700-800.

В отличие от температуры воспламенения темпера­тура вспышки является специфическим свойством жид­кого топлива и характеризует температуру, при которой топливо загорается в присутствии горящего очага.

Огнеупорность золы - температура ее плавления обусловливает агрегатное состояние золы при темпера­туре горения топлива, а также физическую структуру зольного остатка после удаления его из топочного про­странства. По огнеупорности различают 4 группы зол с температурой плавления в °С: легкоплавкая - до 1160; среднеплавкая 1160-1350; тугоплавкая 1350-1500 и огнеупорная - более 1500.

При сжигании топлив, зола которых огнеупорна, она после сжигания получается в виде тонкодисперсного по­рошка, а при легкоплавких золах — в виде пористого ноздреватого омоноличенного конгломерата - шлака. После сжигания топлив со среднеплавкой и тугоплавкой золами минеральный остаток получается в виде золо-шлаковой смеси. Эти положения не являются непрелож­ным правилом, а характеризуют лишь тенденции, так как характеристика зольного остатка после сжигания топлива, помимо огнеупорности золы, зависит еще от действительной температуры горения топлива и от спо­соба золоудаления.

При сжигании топлива путем его ввода (запрессов­ки) в обжигаемый материал, точнее в сырьевую смесь (принцип «черного брикета») приходится учитывать со­став и минеральную природу золы, так как в этих слу­чаях она участвует в формировании свойств готового продукта (его состава, структуры и т. п.) и, следовательно, влияет на его физико-технические свойства.

Погодостойкость топлива определяет его транспор­табельность и возможность длительного хранения, ко­торая в свою очередь зависит от склонности топлива выветриванию и самовозгоранию. Последнее вызывается наличием в топливе сульфидов железа, которые, окисляясь при взаимодействии с кислородом воздуха переходят в сульфаты с выделением тепла. Этот процесс сопровождается разрыхлением и нагреванием угля, которое приводит к его самовозгоранию. Присуще это в основном бурым и частично каменным углям. В связи с этим высота штабелей бурого угля должна быть не более 2-2,5 м при сроке хранения до 2 мес и 1,5-2 м при хранении более 2 мес. Для каменных углей (кроме тощих) допустимые высоты составляют соответственно 2,5-3,5 и 2-2,5 м. Угли Канско-Ачинского и Экибастузского бассейнов вследствие низкой погодостойкости совершенно нетранспортабельны. Поэтому принято ре­шение на базе этих месторождений (которые по мощно­сти являются уникальными) строить крупные электро­станции и «транспортировать» электроэнергию, а не угли. Повышенная влажность углей затрудняет их сжига­ние, приводит к потере сыпучести и замазыванию транс­портирующих устройств, что вызывает большие осложне­ния в эксплуатации механизированных топок. Предель­ные влажности в %, при которых различные угли теряют сыпучесть, колеблются в довольно широком диапазоне: от 7-9 % для Воркутинских, Донецких тощих углей и антрацитов до 34-35 для Подмосковных углей. Пре­дельная влажность угля, при которой наступает зама­зывание, превышает на 2-3 % влажность при потере сыпучести.

В качестве жидкого топлива практически использу­ют только мазут, который является продуктом термиче­ской переработки нефти - наиболее тяжелой ее фрак­цией. Для приема (слива), транспортирования, хране­ния и процесса сжигания мазута большое значение име­ет его вязкость. По этой характеристике мазут марки­руется. Различают товарные марки мазута 20; 40; 60; 80; 100. Марка мазута соответствует условной его вяз­кости в градусах Энглера при температуре 50°С. Граду­сом Энглера называют отношение продолжительности истечения 200 см³ нефтетоплива в вискозиметре Энгле­ра при температуре испытания к времени истечения то­го же объема дистиллированной воды при 20°С.

Температура вспышки паров мазута составляет 80-125^оС.

Температура застывания мазута равна 5-25°С в за­висимости от его марки. Механические примеси допус­каются только для марок «80» и «100» в количестве до 2,5%. В зависимости от содержания сернистых соеди­нений, % по массе, различают мазуты: малосернистый-до 0,5; сернистый до 1; высокосернистый-до 3,5%. Плотность мазута -0,9 г/см³.

Природный газ, если он не содержит сернистых соединений, не токсичен. Однако ненасыщенные УВ, из кот-ых он в основном состоит, обладает наркотическими свойствами. Иногда содержится Н₂S. Этот газ имеет неприятный запах тухлых яиц и явл-ся сильным ядом.