Технический анализ твердого и жидкого топлива. методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Теплогенерирующие установки». Курносов А.Т., Китаев Д.Н

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

Кафедра теплогазоснабжения и нефтегазового дела

ТЕХНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТВЕРДОГО И ЖИДКОГО ТОПЛИВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Теплогенерирующие установки» для студентов

направления подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» (профиль «Проектирование и строительство городских систем энергоснабжения») всех форм обучения

Воронеж 2021

УДК 621.1(07) ББК 31.3я7

Составители: А. Т. Курносов, Д. Н. Китаев

Технический анализ твердого и жидкого топлива: методические ука-

зания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Теплогенерирующие установки» для студентов направления подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» (профиль «Проектирование и строительство городских систем энергоснабжения») всех форм обучения / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост.: А. Т. Курносов, Д. Н. Китаев. – Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2021. – 15 с.

В методических указаниях приводится методика проведения лабораторных работ по определению влажности, зольности, выхода летучих веществ твердого топлива, температур вспышки и застывания жидкого топлива по теплогенерирующим установкам.

Предназначены для студентов направления подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» (профиль «Проектирование и строительство городских систем энергоснабжения) всех форм обучения.

Табл. 3. Библиогр.: 9 назв.

УДК 621.1(07) ББК 31.3я7

Рецензент – Т. В. Щукина, канд. техн. наук, доцент кафедры жилищно-коммунального хозяйства ВГТУ

Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

2

ВВЕДЕНИЕ

Экономичность работы теплогенерирующих установок существенно зависит от качественных характеристик топлив, сжигаемых в топочных устройствах. Знание физико-химических свойств топлива позволяет эффективно управлять тепловыми процессами в теплогенераторах.

Студенты бакалавриата направления подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» профиля «Проектирование и строительство городских систем энергоснабжения», изучая курс «Теплогенерирующие установки», должны иметь ясное представление о всех видах органического топлива, знать его основные качественные особенности, владеть методами технического анализа топлива.

Данные методические указания к лабораторным работам составлены в соответствии с программой курса «Теплогенерирующие установки».

Целью лабораторных работ является закрепление и углубление знаний по разделу «Топливо», а также приобретение навыков в проведении технического анализа твердого и жидкого топлив.

В каждой работе указано ее назначение, даны краткие теоретические сведения, описание лабораторной работы и методика ее проведения, порядок оформления результатов опыта.

Перед каждой лабораторной работой студент должен проработать соответствующие теоретические части курса, знать цель работы, сущность процессов изучаемого явления, порядок проведения исследования, ожидаемые результаты. Преподаватель, ведущий лабораторные занятия, прежде чем допустить студента к работе, проверяет его подготовку и знание им правил техники безопасности при проведении работы.

При выполнении лабораторных работ используются печи, в которых создается высокая температура.

Во избежание ожогов устанавливать тигли в печь и вынимать их из нее следует только специальными удлиненными щипцами.

Запрещается ставить горячие тигли на деревянную поверхность стола. Тигли следует ставить на керамическую подставку или асбестовый картон.

Лабораторная работа выполняется каждым студентом самостоятельно или группой по 3-4 человека (по указанию преподавателя). Результаты исследований с соответствующими расчетами студент должен показать руководителю и только после этого приступить к оформлению отчета.

Индивидуальный отчет по работе должен включать следующие разделы:

1.Задание.

2.Схема экспериментальной установки.

3.Опытные данные (журнал наблюдений).

4.Обработка опытных данных с расчетами.

5.Анализ результатов, вывод по работе.

3

Отчет должен быть тщательно оформлен и снабжен таблицей наблюдений с подписью преподавателя.

Оформление отчета по выполненной лабораторной работе желательно производить в лаборатории непосредственно после выполнения работы или дома в день выполнения работы и предъявлять его преподавателю не позже следующего лабораторного занятия. Без отчета по выполненной работе студент не допускается к следующей работе. По правильно оформленному индивидуальному отчету студенту предлагается несколько вопросов, и при положительном ответе на них отчет считается защищенным, а лабораторная работа зачтенной.

Отчет по лабораторным работам может проводиться также и на ЭВМ в виде теста.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

1.1. Задание

а) определение процентного содержания влаги в топливе; б) сопоставление полученных результатов с табличными данными для

исследуемого топлива; в) написание отчета по работе.

1.2. Краткие теоретические сведения

Все виды естественного твердого топлива содержат влагу. Содержание влаги в ископаемом твердом топливе в основном определяется его химической природой и степенью углефикации; в меньшей мере оно зависит от условий залегания, добычи, транспортировки и хранения топлива. Свежеизвлеченный из залежей торф содержит до 85-90 % влаги, молодые бурые угли — до 50-60 %, плотные блестящие бурые угли — до 30-40 %, молодые каменные угли марок Д и Г — до 15-20 %, старые каменные угли марки Т и антрациты содержат влаги не более 8-10 %.

Различают влагу внешнюю WBH и внутреннюю, или гигроскопическую, WГИ [4]. К внешней относится влага, попавшая в топливо из окружающей среды в процессе его добычи, транспортирования и хранения. Внутренняя (гигроскопическая) влага связана с органическими веществами топлива и его минеральными примесями. По своей физической сущности гигроскопическая влага есть адсорбционная влага, однако обычно термину «гигроскопическая влажность» придают более узкое значение, понимая под ней влагу, содержащуюся в топливе, измельченном в порошок и доведенном до воздушно-сухого состояния при комнатных условиях.

4

Согласно [1] доведение измельченного в порошок топлива до воздушносухого состояния производится при температуре 20±5 °С и от носительной влажности воздуха 60±2 %.

Влажность топлива, измельченного в порошок и доведенного до воздуш- но-сухого состояния в условиях данной лаборатории, обозначается WВСа . Вели-

чина WВСа из-за малых колебаний температуры и влажности воздуха в лаборато-

рии также может быть использована для практической характеристики топлив. Сумма внешней и внутренней влаги называется общей, или рабочей,

влажностью WP [4]:

WP = WBH + WГН.

Влага не только ухудшает качество топлива, но и, превращаясь при горении в пар, отнимает часть теплоты сгоревшего топлива.

Температура уходящих из теплогенерирующей установки дымовых газов выше 100°С, т. е. теплота, затраченная на испарение влаги из топлива, не используется в теплогенераторе.

1.3.Описание установки и методика проведения опыта

Всостав лабораторной установки входят: сушильный шкаф, тигель или стеклянный бюкс с крышкой, эксикатор, термометр.

Определение содержания аналитической влаги в бурых и каменных углях, антраците и горючих сланцах проводят основным [5] или ускоренным ме-

тодом [2,6].

Метод высушивания пробы при температуре 105-110°С (основной метод) заключается в следующем: приготавливают пробу топлива с размером частиц 0-2 мм, тщательно перемешивают в закрытой банке путем встряхивания, после чего, открыв банку, на разной глубине из двух-трех мест отбирают в предварительно взвешенные тигли две навески по 1±0,1 г каждая. Взвешивания должны производиться с погрешностью, не превышающей ±0,0002 г. После взвешивания слой топлива разравнивают легким встряхиванием тигля.

Тигли с приоткрытыми крышками помещают в предварительно нагретый до 105-110°С сушильный шкаф при открытых вентиляционных заслонках и су-

шат при этой температуре: при определении содержания аналитической влаги Wа каменных углей, антрацита и горючих сланцев — 33 мин; бурых углей – 60 мин. Время высушивания считают с того момента, когда температура в шкафу, понизившаяся при установке стаканчиков, снова достигла 105110°С. После высушивания стаканчики с навесками топлива закрывают крышками, вынимают из шкафа, охлаждают сначала на воздухе 2-3 мин, а затем в эксикаторе до комнатной температуры, после чего взвешивают.

Метод высушивания пробы при температуре 140±5°С (ускоренный метод) заключается в следующем: сушильный шкаф нагревают до 160-165°С при полностью открытых вентиляционных заслонках. Тигли с навесками топлива

5

ставят на предварительно нагретую перфорированную металлическую полку шкафа, снимают с них крышки и кладут их также на полку. Полку помещают в сушильный шкаф. Высушивание проб производят при температуре 140±5°С. Длительность сушки при определении аналитической влаги Wа каменных углей и антрацита — 5 мин; горючих сланцев — 8 мин; бурых углей — 20 мин. По окончании высушивания бюксы закрывают крышками, вынимают из шкафа, переносят на холодную пластину вместе с полкой, охлаждают сначала на воздухе 2-3 мин, а затем в эксикаторе до комнатной температуры, но не более 20 мин, после чего взвешивают.

1.4. Обработка результатов

Содержание влаги вычисляют по формуле

где М – масса навески топлива до высушивания, г; M1 – масса навески топлива после высушивания, г.

Расхождение между результатами двух параллельных определений не должно превышать при определении Wа – 0,2 (абс)% при содержании влаги до 10 % и 0,3 (абс)% при содержании влаги свыше 10 %. Результаты взвешивания и расчетов следует свести в табл. 1.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗОЛЬНОСТИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

2.1. Задание

а) определение зольности твердого топлива; б) сравнение результатов опыта с табличными данными; в) составление отчета по работе.

2.2. Краткие теоретические сведения

Все виды твердого топлива содержат минеральные примеси. Большая их часть не связана с органической массой топлива, и лишь некоторые из них об-

6

разуют сложные химические соединения с последней. Содержание минеральных примесей в каменных и бурых углях колеблется от 5 до 45 %, а в отдел ь- ных случаях и выше; содержание в горючих сланцах — от 50 до 80 %, в торфе

— от 20 до 30 %, в древесине и других твердых топливах растительного происхождения — от 0,5 до 3-5 %. По составу минеральные примеси представляют сложную механическую смесь разнообразных веществ; преобладают силикаты алюминия, железа, кальция, магния, натрия, калия, а также сульфиды железа, карбонаты кальция, сульфаты кальция и железа, закись железа, хлориды.

При сжигании твердого топлива его минеральная часть, подвергаясь ряду превращений, образует золу. При прокаливании топлива в лабораторной муфельной печи минеральные примеси подвергаются ряду превращений: при температуре порядка 100°С гидратированные силикаты начинают терять свою кристаллогидратную воду и полностью теряют ее в процессе прокаливания; гидраты окиси железа превращаются в окись железа. Карбонаты разлагаются с образованием двуокиси углерода уже при температуре порядка 500°С. При температуре около 800°С все реакции, протекающие в минеральной массе топлива, заканчиваются. Поэтому эта температура принята как температура окончательного прокаливания при определении зольности всех видов минерального твердого топлива.

2.3.Описание установки и методика проведения опыта

Всостав лабораторной установки входят: электрическая муфельная печь, фарфоровая лодочка, эксикатор для охлаждения лодочки, термопара с милливольтметром для измерения температуры в муфельной печи. Согласно [3,7] определение зольности проводят медленным и ускоренным методом. По точности результатов ускоренный вариант не уступает медленному. При медленном озолении прокаливание зольного остатка ведется для всех топлив при температуре 800-825°С. Вариант медленного озоления: в предварительно взвешенные, прокаленные и пронумерованные фарфоровые лодочки помещают навески топлива

вколичестве 1±0,1 г. Взвешивание производится с погрешностью, не превы-

шающей ±0,0002 г.

Лодочки с навесками топлива ставят на под разогретого до 300°С муфеля. Закрывают дверцу и нагревают муфель до температуры 800-825°С в течение 1- 1,5 ч при температуре 800-825°С. Образовавшийся зольной остаток прокаливают 1-2 часа в закрытом муфеле, после чего лодочки вынимают и охлаждают 5 мин на воздухе, затем в эксикаторе до комнатной температуры, а затем взвешивают.

При ускоренном озолении муфель нагревают до 850-875°С. После этого лодочки ставят на керамическую пластинку и помещают ее на-под муфеля. При открытой дверце лодочки выдерживают в таком помещении 3 мин при озолении углей и антрацитов. Затем пластинку с лодочками продвигают в центр муфеля со скоростью 2 см/мин, после чего закрывают его дверцу. Прокаливание

7

навески ведут при температуре 800-825°С. Для каменных углей и антрацита продолжительность прокаливания — 25-35 мин, для бурых углей — 20-25 мин, для горючих сланцев -15 мин. Отсчет времени начинают при температуре муфеля не ниже 800°С. По окончании прокаливания пластинку с лодочками вынимают из муфеля и охлаждают 5 мин на воздухе, а затем в эксикаторе и взвешивают.

Контрольных прокаливаний не производят.

2.4. Обработка результатов

Зольность аналитической пробы топлива Аа независимо от варианта озоления вычисляют по формуле

где M1 — масса зольного остатка, г; М – масса навески топлива, г. Вычисление результатов анализа, а также пересчет результатов на сухое и

рабочее топливо производят с точностью до 0,01 %.

Пересчет зольности в аналитической пробе на сухую массу топлива Ас , %, производится по формуле

где W а — влажность в аналитической пробе топлива, %.

Пересчет зольности в аналитической пробе на рабочую массу топлива Ар , %, производится по формуле

8

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫХОДА ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ ТВЕРДОГО

ТОПЛИВА

3.1. Задание

а) определение процентного содержания выхода летучих в данном топливе;

б) сравнение результатов с табличными данными; в) составление отчета по работе.

3.2. Краткие теоретические сведения

При нагревании сухого твердого топлива без доступа воздуха происходит частичное разложение его органической минеральной части с образованием парообразных и газообразных продуктов, называемых летучими веществами.

Всостав летучих входят водород, азот, кислород, влага, сера, летучая

двуокись углерода. Чем моложе топливо, тем больше выход летучих. Так, например, у дров VГ≈85 %, торфа — 70 %. Выделение летучих начинается при температуре около 160 °С, торфа — 100-110°С, бурого угля — 130-170°С, полуантрацита и антрацита — 360-400°С.

Чем больше выход летучих и ниже температура начала выделения, тем легче воспламеняется топливо и выше реакционная способность при горении, что учитывается при конструировании топочных устройств [2].

3.3.Описание установки и методика проведения опыта

Всостав установки входят: муфельная печь, которая имеет в передней стенке отверстия для удаления веществ; тигель с навеской топлива; эксикатор для охлаждения тигля; термопара (с милливольтметром) для измерения температуры в муфельной печи.

Определение выхода летучих веществ проводится по методике, описан-

ной в [3,8].

Аналитическую пробу топлива, отобранную с соблюдением всех правил, помещают в количестве 1±0,01 г в предварительно взвешенные тигли. Тигли с навесками, закрытые крышками, устанавливают на подставке и помещают как возможно быстрее в зону устойчивой температуры муфельной печи, предварительно нагретой до 860 °С. В закрытой печи тигли выдерживают точно 7 мин.

Температура, понизившаяся при установке тиглей в печь, должна снова достичь 850±10°С не более чем за 3 мин, в противном случае определение повторяют. По истечении 7 мин подставку с тиглями вынимают из печи, охлаждают сначала на воздухе около 5 мин, не снимая крышек, а затем в эксикаторе до комнатной температуры и взвешивают.

9

Все взвешивания производят с погрешностью, не превышающей

±0,0002 г.

3.4. Обработка результатов

Выход летучих веществ в аналитической пробе топлива Vа, % определяют по формуле

где а – убыль в массе тигля с навеской топлива, г; М – масса навески топлива, г; Wа – содержание влаги в испытываемой пробе, %.

Пересчет на горючую массу топлива V Г , % осуществляется по формуле

где Аа — зольность аналитической пробы.

Значение величин Wа, Аа в формулах (5)-(6) принимают по данным лабораторной работы № 1 и № 2.

Результаты расчетов сводят в табл. 3.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ВСПЫШКИ ЖИДКОГО ТОПЛИВА

4.1. Задание

а) определение температуры вспышки мазута; б) сравнение результатов опыта с табличными данными и определение

марки мазута; в) составление отчета по работе.

4.2. Краткие теоретические сведения

Главные физические и химические свойства мазутов характеризуют следующие параметры: температуры вспышки и застывания.

Температурой вспышки называется температура, при которой жидкое топливо, нагреваемое в строго определенных условиях, выделяет достаточное ко-

10