6 Формирование аналогов опорного знания мысленными образами

Если известены для ваграночного газа Q_Н^Р=40^.10³ кДж/кг и для сухого твердого топлива Q_Н^Р=20934 кДж/кг с его материальным балансом:

С^р+H^р +О^р +S^р+ А^р +W^p=100% , (4.8)

44,3+3,0+14,4+0,2 +0,4+4,7+33=100%

Пусть при работе на сниженных нагрузках в топке котла сжигается =25 т/ч твердого топлива и =15^.10³ м³/ч газа. Определить условную теплоту сгорания топливной смеси.

Решение. При сжигании твердого или жидкого топлива в смеси с газообразными расчет ведется по условной теплоте сгорания, отнесенной к 1кг твердого или жидкого топлива:

Низшая теплота сгорания рабочей массы смеси твердого и газообразного топлив:

Q_Н^Р= Q_Н^Р+х Q_Н^Р, (4.9)

где х - количество газа, м³ , приходящегося на 1кг твердого или жидкого топлива.

Условную теплоту сгорания смеси топлив.

(4.10)

Лекция 5 Физико-химические свойства углей

1 Формирование исходных знаний

Уголь представляет собой сложную дисперсную систему, включающую в себя органическую массу, влагу и минеральные компоненты.

В состав органической массы входят следующие химические элементы: углерод (С), водород (Н), кислород (О), азот (N), сера (S), фосфор (Р). Самый ценный элемент в углях – углерод [8].

Физические свойства углей – плотность угольного вещества и минеральных примесей, пористость, механическая прочность, абразивность термическая и термохимическая стойкость, тепловые, электрические свойства и т. д.

2 Изучение нового материала

Физические свойства углей и минеральных примесей существенно влияют на формирование основных параметров, характеризующих гранулометрический и фракционный составы, изменение последних в процессах добычи, транспортировки и обогащения.

С механической прочностью, хрупкостью, дробимостью угля и сопутствующих пород связаны гранулометрический состав, шламообразование и абразивное воздействие на рабочие поверхности. Плотность угольного вещества и минеральных примесей, зависящая от петрографического и литологического составов и стадии метаморфизма, насыщение минеральными включениями, их дисперсность и характер срощенности с угольным веществом обуславливают выход и качество легких фракций и характер их распределения. Эти параметры являются определяющими при выборе схем и методов обогащения и направлений рационального использования продуктов обогащения.

Плотность органической массы, сопутствующих пород, рядовых углей, продуктов их обогащения и рассортировки в зависимости от рассматриваемого состояния объекта может быть оценена различными показателями [7].

Рядовые угли и продукты их обогащения состоят из минералов и минеральных включений в различных соотношениях как в насыпной массе, так и в отдельных кусках и зернах. В связи с различной плотностью органического и минерального компонентов, входящих в уголь, плотность исследуемого угля характеризует содержание в нем органической массы и минеральных включений.

Пористость. В процессе метаморфизма угольное вещество претерпевает изменения под воздействием внешних сил и структурных изменений органической массы. В результате этих процессов происходит образование и изменение пористой структуры угольного вещества, размера и объема пор.

Удельный и насыпной вес. Кажущимся удельный весом угля называется вес в единице объема угля с присущей ему влажностью и минеральными примесями. Для каменного угля – 1,2-1,3 г/см³ [7].

Удельный вес топлива определяется по формуле:

, т/м³ (5.1)

где - удельный вес органической массы топлива, для всех углей, кроме антрацитов Донбасса, принимают 1,44 т/м³;

А^С – зольность угля на сухую массу в %.

Для прочих углей удельный вес:

т/м³ (5.2)

где С^г- содержание углерода на горючую массу в %;

Н² – содержание водорода на горючую массу в %.

Кажущийся удельный вес определяется по формуле

, т/м³ (5.3)

где - предельная влажность при полном насыщении его влагой.

Кажущаяся плотность представляет собой отношение массы натурального (с учетом пор и трещин) тела к его объему. Кажущаяся плотность всегда меньше действительной и для каменных углей составляет 1100–1350 кг/м 3, антрацита – 1550–1800 кг/м³.

(5.4)

где m_g – масса топлива взвешенного в воздухе, г;

ρ_х– плотность жидкости, г/см³;

m₉ – масса топлива, смоченного с жидкостью, взвешенные на воздухе, г;

m₁₀ – масса топлива, смоченного с жидкостью вместе с массой жидкости, оставшейся в корзинке, взвешенные на воздухе, г;

m₁₁ – масса жидкости, оставшейся на корзинке.

Действительная плотность представляет собой количественное выражение массы единицы объема углей без пор и трещин. Действительная плотность, пересчитанная на сухое беззольное вещество, называется плотностью органической массы углей. Плотность органической массы углей и других компонентов зависит от стадии метаморфизма, петрографического и минерального составов:

(5.5)

где m – масса навески топлива, г;

W_а– массовая доля влаги в аналитической пробе, %;

ρ_р– плотность раствора смачивателя, условно принятая равной 1 г/см³ при температуре 20^о С;

m₂ – масса пикнометра с раствором смачивателя, г;

m₄ - масса пикнометра с навеской топлива и раствором смачивателя, г.

Насыпная плотность углей – отношение их массы к объему, характеризующему состояние насыпки в вагоне, бункере, штабеле или других емкостях. Насыпная плотность изменяется в зависимости от плотности, гранулометрического состава и влажности углей, а также от способов заполнения емкостей и приемов уплотнения. При свободной засыпке в случае формирования штабеля без уплотнения насыпная плотность зависит главным образом от угла естественного откоса, который обусловлен коэффициентом трения между зернами:

, (5.6)

В процессе метаморфизма угольное вещество претерпевает изменения под воздействием внешних сил и структурных трансформаций органической массы. В результате этих процессов возникает и преобразуется пористая структура угольного вещества, изменяются размер и общий объем пор [7].

Поры в углях можно разделить на макропоры со средним диаметром 5·10 - 7м (500 А°) и микропоры с диаметром (5–15)·10 - 9м (5–15 А°). Площадь внутренней поверхности макропор составляет примерно 1 м²/г, а микропор ~ 200 м²/г.

Механическая прочность углей и засоряющих пород оценивается дробимостью, твердостью, хрупкостью, временным сопротивлением сжатию и термической устойчивостью, отражающей сопротивление внешним усилиям при высоких температурах [7].

Дробимость (измельчаемость) углей показывает их способность сопротивляться разрушению под воздействием внешних усилий, передаваемых углю непосредственно дробящими устройствами. Количественно дробимость (измельчаемость) выражается удельной работой, затрачиваемой на образование новой поверхности, или отношением размеров кусков углей до и после дробления. Этот показатель принято определять методом Хардгрова: массу угля, прошедшего через сито с размером отверстий 75 мкм, вычисляют по формуле:

, (5.7)

где m₁ – масса угля, оставшегося на сите, [г].

Коэффициент размолоспособности определяют по тарировочному графику.

Повторное определение выполняют на порции, взятой из фракции угля с размером 1,18 мм – 600 мкм. Коэффициент Хардгрова рассчитывают, как среднее арифметическое результатов двух или более определений, округленное до целого числа.

Дробимость углей существенно изменяется в зависимости от стадии метаморфизма. Она увеличивается по мере перехода от высокой и низкой стадий метаморфизма к средней, достигая максимума в области, характеризующейся выходом летучих веществ 14–28%:

, (5.8)

где ε – коэффициент прочности частиц угля.

Хрупкость углей - свойство разрушаться при механическом воздействии на них без применения специальных устройств для дробления и наложения внешних усилий. Разрушение кусков углей в значительной мере определяется не только хрупкостью угольного вещества, но и наличием трещин. В качестве метода обобщенной характеристики сопротивления углей дроблению может служить ситовый анализ[7].

Твердость углей оценивается способностью противодействовать проникновению в них другого, более твердого тела. Твердость угля обычно определяют с помощью устройств Роквелла, Бринелля, Викерса методом Шора.

Упругие свойства: мо­дуль упругости Юнга Е и коэффициент поперечной деформации Пуассона , – определяются статическими методами при нагружении образца правильной формы и фиксации деформации датчиками. При динамическом методе используется соотношение скоростей распространения упругих колебаний продольного (v_p) и поперечного (v_s) типа. Для угля v_p = 0,62,7 км/с.

Коэффициент трения характеризует взаимодействие углей с рабочими поверхностями в случаях транспортировки и обработки. Для определения крепости (прочности) углей и засоряющих пород применяют метод толчения, разработанный М.М. Протодьяконовым.

Абразивность. Прочностные свойства угля и засоряющих пород связаны с абразивностью этих материалов, которая оказывает решающее влияние на срок службы поверхностей, соприкасающихся с транспортируемым и обрабатываемым материалом.

Оптические свойства (цвет, блеск, прозрачность, преломляемость света, отражательная способность) тесно связаны с молекулярной структурой органического вещества углей и закономерно изменяются в зависимости от изменения этой структуры под влиянием факторов метаморфизма.

Отражательная способность R – одна из наиболее важных оптических характеристик, применяемых для диагностики и оценки компонентов угля. Она измеряется отношением отраженного света L₀ к падающему L_п, выраженным в процентах:

, (5.9)

Электрические свойства углей определяются их электрической проводимостью. Ископаемые угли могут быть отнесены к полупроводникам. Удельное электрическое сопротивление, измеренное для порошка, при комнатной температуре и атмосферном давлении составляет для каменных углей средней стадии метаморфизма 1010– 2·1010Ом·см, для антрацитов – 5·105– 2·106Ом·см. Термическая обработка углей и антрацитов приводит к значительному снижению электрического сопротивления, достигающего минимального значения при их выдержке в интервалах температур 1100–1300°С.

Диэлектрические свойства углей характеризуются диэлектрической проницаемостью, которая различна для сухих и влажных углей и изменяется в зависимости от стадии метаморфизма. Повышение влажности углей приводит к увеличению диэлектрической проницаемости. На зависимости диэлектрической проницаемости от влажности угля основан диэлектрический метод измерения последней.

Магнитные свойства. По магнитным свойствам угли относят к диамагнитным веществам, для которых интенсивность намагничивания пропорциональна напряженности магнитного поля. Минеральные примеси угля характеризуются парамагнитными свойствами

Удельная магнитная восприимчивость χ (см³/г) диамагнитных веществ отрицательна и составляет для углей около 10-6 см3/г; для парамагнитных веществ, которыми представлены минеральные примеси, она положительна и изменяется в диапазоне 10 - 6 –10 - 3 см³/г.

, (5.10)

где  J - намагниченность вещества под действием магнитного поля,

  H -напряженность магнитного поля.

Главная задача при изучении физических свойств угля выявить содержание горючих  составляющих угля. При производстве технического анализа определяются влага, зола, летучие вещества, коксовый остаток (спекаемость) и сера.

Влага угля бывает общая или рабочая, состоящая из внешней и внутренней. Внешняя влага при лежании угля улетучивается. В окружающий воздух, после уголь переходит в воздушно-сухое состояние. Внутренняя же влага (гигроскопическая) – удаляется (не полностью) только при нагревании угля до температуры 105°.

Зола резко снижает теплоту сгорания топлива и требуют дополнительные затраты на транспортировку угля. Для бурых углей теплота сгорания обычно не превышает 4500 ккал/кг, для коксующихся – 8600-8700 ккал/кг, для антрацитов – 8200-8500 ккал/кг.

Летучие вещества – это смесь газообразных и парообразных веществ, которые выделяются из угля в результате разложения органической массы при нагревании до 850°С без доступа воздуха [13].

Сера входит в состав угля в виде различных сернистых соединений. Сера бывает пиритной, сульфатной и органической, превалирует пиритная сера. При сгорании серы образуется сернистый газ (SO2), который с водой образует серную кислоту, разъедающую стенки котлов. Наличие серы в коксе повышает расход руды и снижает производительность доменных печей.

Углерод (С). Определяет теплоту сгорания углей. В бурых углях количество углерода составляет в среднем 60-70%, в каменных – 75-91%, а в антрацитах – до 97%.

Водород (Н). Повышает теплоту сгорания углей, при сгорании водорода выделяется тепла в 4,2 раза больше, чем при сгорании углерода. Содержание водорода снижается от бурых углей (4-6%) к антрацитам. В сапропелитах содержание водорода достигает 7-9% и даже 11%.

Кислород (О₂). Содержание кислорода убывает от бурых углей (10-30%) к антрацитам (1-2%). В торфе содержание кислорода около 40%.

Азот (N₂). Содержится в углях в количестве 1-3% и заметно уменьшается по мере повышения степени углефикации.

Сера (S) органическая, связанная с углем химически, входит в состав растений, из которых образовался уголь.

Фосфор (P) является вредной примесью в коксующихся углях, поскольку он из кокса полностью переходит в чугун и резко снижает его качество. Содержание фосфора не должно превышать 0,03% [13].

Кислород, азот являются балластными компонентами углей. Сера, при содержании более 4%, не дает возможность использовать углекоксующиеся марки углей.

Физические свойства углей и минеральных примесей существенно влияют на формирование основных параметров, характеризующих гранулометрический и фракционный состав и их изменение в процессах добычи, транспортировки и обогащения.