2.2 Описание технологического процесса
В период технологического прогресса, роль топлива неуклонно растет. Возрастает и расход топливных ресурсов, поэтому остро становится вопрос о его добыче, переработке, и, наверное, главное – правильному расходу этих ресурсов. Если обратиться немного к истории, то мы увидим, что начиная с 1929 года топливная промышленность претерпевала всевозможные изменения и преобразования, и даже появились ее разновидности. Это значительно уменьшило потери при переработке, но и количество потребляемых ресурсов тоже выросло. На сегодняшний день в сфере малого бизнеса эта отрасль приносит значительный доход, ведь стоимость топлива постоянно увеличивается, природные ресурсы, к сожалению, не увеличиваются.
Уголь разрабатывают открытым (карьерами) и подземным (шахтами и штольнями) способами. Выбор способа ведения горнодобывающих работ зависит в основном от расположения угольного пласта относительно земной поверхности. Разработка открытым способом обычно ведется при глубине его залегания не более 100 метра. В зависимости от направления подхода к угольному пласту различают способы вскрытия месторождения: штольней (горизонтальной подземной выработкой) и вертикальными или наклонными шахтными стволами. Иногда уголь добывают из месторождений, простирающихся далеко в море. Подводная добыча угля ведется в Канаде, Чили, Японии и Великобритании.
Рисунок 2-Способы разработки угольных месторождений
Месторождение разрабатывается либо подземным способом, и тогда оно вскрывается шахтным стволом или штольней (в некоторых случаях с уклоном), либо открытым способом, если уголь залегает неглубоко под поверхностью. 1-вскрытие месторождения шахтным стволом; 2-вскрытие месторождения штольней; 3-вскрытие месторождения наклонной выработкой; 4-карьер (разработка открытым способом).
Вскрытие месторождения штольней. Если пласт выходит на дневную поверхность на склоне горы, то к нему проводится горизонтальный туннель, называемый штольней. Штольню, как правило, ведут по падению (наклону) пласта. Если пласт почти горизонтален, то начинают разработку немного ниже его уровня и, уже дойдя до пласта, следуют по его падению. Если мощность пласта невелика, то извлекают часть его почвы (пород, залегающих ниже пласта) или кровли. Для определения самой низкой и наиболее удобной точки входа в штольню бурят мелкие скважины и проводят короткие штольни, в которых осуществляются маркшейдерские измерения. Боковые стороны и верх устья штольни бетонируют, особенно вблизи поверхности. Если штольня рассчитана на несколько лет, то ограничиваются установкой деревянной крепи.
Наклонные выработки. Угольные пласты часто залегают наклонно. Угол падения пласта иногда бывает более 90° (в случае опрокинутого залегания), тогда подошва пласта становится его кровлей. Такие пласты нередко эксплуатируются на угольных месторождениях Франции. В случаях, когда пласт круто падает от места выхода на дневную поверхность, проводят наклонные подземные выработки. Если экономически рентабельный пласт не имеет удобного выхода, то выработка ведется по простиранию пород. Как правило, вскрытие месторождения наклонными выработками экономически целесообразно при длине не более 800 метров.
Шахтные стволы. Многие угольные месторождения удобнее всего вскрывать вертикальной выработкой - шахтным стволом. Стоимость строительства и эксплуатации шахтного ствола выше, чем штольни, но когда подземные водотоки пересекают угольный пласт в разных направлениях, суммарные расходы по эксплуатации месторождения могут оказаться ниже. Этот способ позволяет более рационально планировать горные работы; кроме того, шахтный ствол служит дольше, чем разрозненные штольни. Однако вентиляция и дренаж обходятся дороже, и приходится идти на затраты, связанные с подъемом угля.
При этом они должны отвечать всем критериям перевозки данного сырья и быть достаточно дешевыми, т.к. слишком высокой стоимости перевозки сырья, возрастает его стоимость, что негативно сказывается на экономике страны. В результате технические новшества в мире, которые механизировали не только предприятия, но и быт человека и были предназначены для облегчения человеческого труда, способствовали созданию дефицита топливных ресурсов. И если сегодня природные ресурсы еще как-то покрывают наши затраты и потребности, то через 100 лет человечеству придется искать другой источник для этих целей.
2.3 Устройство ТСУ (топливо сжигающее устройства)
Сжигание топлива. В промышленности для сжигания твердого топлива используются печи непрерывного действия. Принцип непрерывности поддерживается за счет колосниковой решетки, на которую постоянно подается твердое топливо. Скорость протекания реакций, в которых участвуют твердые вещества, напрямую зависит от их поверхности, в свою очередь последняя – от степени измельчения. Однако степень измельчения ограничивается оптимальными размерами частиц.
Во время подачи воздуха в топку необходимо соблюдать ряд определенных условий. Если воздуха недостаточно, то сгорание будет неполным: образуется оксид углерода (II) при этом остаются мелкие несгоревшие частицы угля в виде сажи (черный дым). Таким образом, выделяется намного меньше теплоты по сравнению с теоретически возможным количеством. И напротив, если воздух поступает в избытке, то большая часть выделенной теплоты напрасно затрачивается на его обогревание.
Для более рационального сжигания топлива сооружаются печи, которые способны сжигать его в пылеобразном состоянии.
Теплота сгорания дров разных пород в абсолютно сухом состоянии в расчёте на 1 кг одинакова: около 18800 кдж (4500 ккал) с отклонениями не более 3—5 %. Теплота же сгорания дров в расчёте на 1 дм3 различна и составляет в среднем (кдж (ккал)); для дуба 12500 (3000), берёзы 10900 (2600), чёрной ольхи 8400 (2000), сосны 7500 (1800), ели и осины 7100 (1700). По теплоте сгорания 100 кг сухих дров соответствуют 31 кг нефтяных остатков, 43 кг каменного угля, 50 кг сухого и 120 кг полусухого торфа. В топливном балансе удельный вес незначителен и неуклонно снижается.
Древесина почти не применяется в качестве топлива для промышленности, так как широко используется в качестве строительного материала, а также для химической переработки.
Торф, горючие сланцы и бурый уголь вследствие их низкой теплотворной способности являются топливом местного значения; хотя они и потребляются в значительных количествах, но лишь вблизи от места их добычи.
Высококалорийными видами топлива являются каменный уголь (в первую очередь — тощий), антрацит и практически без балластное жидкое котельное топливо, и их перевозят на большие расстояния.
Устройства для сжигания топлива называются топками. При сжигании твердого топлива в виде кусков (каменный уголь, антрацит, торф) оно забрасывается на колосниковую решетку, состоящую из отдельных чугунных брусков или плит — колосников — и имеющую отверстия. Через эти отверстия проходит снизу воздух, необходимый для горения топлива, и проваливается зола или образующийся при ее плавлении шлак. Загруженное в топку топливо, попадая в зону высоких температур, подсушивается, а затем коксуется, выделяя летучие продукты, сгорающие в топочном пространстве над колосниковой решеткой; кокс сгорает на самой решетке. Чем выше выход летучих продуктов из горючей массы топлива, тем больше должен быть объем топочного пространства, чтобы летучие продукты успевали в нем сгорать. Топливо, содержащее много балласта, должно сжигаться в толстом слое, который бы аккумулировал тепло, обеспечивая быструю подсушку и нагревание топлива. Например, торф сжигают в слое толщиной 50—90 см, тогда как при сжигании антрацита слой не должен быть выше 10—12 см во избежание порчи колосников. Продукты горения (топочные, или дымовые газы) используются в промышленности в качестве теплоносителя — чаще всего для нагревания воды и получения водяного пара в паровых котлах, для нагревания реагентов в промышленных печах, аппаратах. После этого газы отводятся в канал (боров) и далее — в дымовую трубу. Воздух должен подаваться в топку в количестве, несколько превышающем (примерно в 1,2—1,5 раза) теоретически необходимое для сгорания топлива, чтобы обеспечить по возможности полное сгорание. Подача большего избытка воздуха нежелательна, так как увеличивает объем продуктов горения и, следовательно, потерю тепла с отходящими в трубу газами и снижает температуру в топочном пространстве.
С целью устранения тяжелого ручного труда и повышения производительности топки в крупных котельных теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), государственных районных электростанций (ГРЭС). Применяются механические топки с подвижной цепной колосниковой решеткой, состоящей из отдельных колосников, связанных между собой в одну бесконечную цепь, похожую на гусеницы танка. В этих топках осуществлено непрерывное поступление топлива и удаление шлака. Топливо медленно перемещается вместе с решеткой на расстояние до 8 м и при этом сгорает, после чего шлак удаляется шлако-снимателем. Воздух, нагретый до 2500, подается из окон 4 в отверстия решетки и дополнительно — в месте поступления топлива (унося из него пыль) и в топочное пространство с целью завихривания факела пламени — для ускорения сгорания летучих продуктов. Для использования мелкозернистого топлива (мелочи) его превращают в брикеты — правильной формы куски, для этого каменный уголь измельчают, смешивают с пеком и нагретую смесь подвергают прессованию, после чего полученные брикеты охлаждают; бурый уголь подсушивают и прессуют без добавки связующего вещества.
Другой, широко применяемый на электростанциях и в промышленных печах способ использования мелочи (например, фрезерного торфа, мелкого антрацита — штыба, а также тощего угля) заключается в измельчении ее путем дробления в мельницах в пыль и сжигания в виде аэрозоля, подобно обжигу флотационного колчедана.
Для сжигания пылевидного топлива применяют камерные топки в виде камер из огнеупорного кирпича, в которые вдувается с большой скоростью смесь пыли с воздухом, нагретым до ~4000. Для полного сгорания пыли и завихривания в факел.
Котельное топливо подается дополнительно сбоку воздух. Частицы шлака, падая вниз, удаляются через отверстие в нижней части топки. Стенки камеры защищаются от расплавления расположенными вертикально близко друг от друга трубами парового котла, в которых образуется пар; далее он поступает в горизонтальный цилиндрический сосуд — барабан котла — в верхней части топки и затем в трубы пароперегревателя.
Сжигаемые материалы должны пройти полный анализ, включающий в себя расчет необходимого для горения объема воздуха, определение объема выхлопных и отработанных газов, массы шлака и получаемого топлива. При оценке возможности применения установок для производства твердого топлива необходимо определить, насколько они удовлетворяют экологическим требованиям, предъявляемым к таким печам в стране, где предполагается их использовать.