Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Химическая технология Металлургия, коррозия металлов и способы защиты от нее, сырьевое и энергетическое обеспечение химических производств, химическое

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 89 / 119 10 11 > Следующая >>>

Анализ твердого топлива 81

данной породы не требует длительного времени (миллионы лет) одновременного воздействия давления и тепла — он может образоваться и в результате быстрого нагревания. Каменный уголь широко применяют как вид твердого топлива. Кроме того, его используют в технологических процессах выплавки металлов; на тепловых станциях путем сжигания угля вырабатывается электроэнергия.

Антрацит — это вид высококачественного угля. Как и иные типы

ископаемых, антрацит формируется на протяжении многих тысячелетий из растений, находившихся без доступа кислорода под слоями грунта. За значительный промежуток времени они были подвержены процессам углефикации и гумификации; это и послужило образованию антрацита. Залегает антрацит на глубине около 6 км. Места, где часто самообразуется это полезное ископаемое, характеризуются своеобразными сдвигами земной коры. В основном это отроги гор. Самые многочисленные месторождения антрацита расположены в каменноугольном бассейне на территории Донецкой области. Антрацит по своим характеристикам качественно отличается от других видов угля:

• имеет в своем составе высокое содержание свободного углерода (порядка 94–99 %);

• характеризуется низким содержанием серы;

• имеет высокую удельную теплоту сгорания;

• в составе топлива низкое содержание влаги;

• горит без дыма и пламени и быстро перегорает;

• имеет высокую плотность органической массы. Сланцы представляют собой горную породу, минералы в которой

расположены слоями, практически параллельно друг другу. Сланцы имеют разнородный химический состав, в который могут входить такие минералы, как кварц, альбит, хлорит, серпентин, полевые шпаты, слюды, графиты и т. д. Внешний вид и качества сланцев определяются месторождениями, минералогическим составом, условиями формирования. Они формируются в недрах планеты при участии вулканической деятельности либо на морском дне, где глина и другие вещества спрессовывались под давлением гор. Возраст этого вида твердого топлива составляет порядка 400 млн лет. Сланец — это собирательное название для отличных по составу горных пород. Можно выделить глинистые, аспидные, кристаллические, углистые, хлоритовые, горючие, вельдские, тальковые и др. сланцы. Самый известный и широко используемый вид сланца — это горючий сланец. Плотность его невелика, что обеспечи-

82 А. О. Летовальцев, Е. А. Решетникова. Химическая технология

вает легкий его поджог. Используется горючий сланец в качестве готового печного топлива и сырья для химического производства. Тяжелые маслянистые фракции продуктов переработки сланца используются как энергоноситель для тепловых электростанций. Нефтеподобные смеси сланцевых углеводородов перерабатываются в автомобильное горючее, газ, пластические массы, битумы и многие другие товары.

Бурый и каменный уголь, антрацит, горючие сланцы формировались в определенный геологический период, повторение которого невозможно; следовательно, они являются невозобновляемыми видами твердого топлива.

Кокс — синтетический вид твердого топлива. Кокс получают путем пиролиза коксующихся углей. Коксующиеся угли отличаются от других каменных углей свойством переходить в пластическое состояние и спекаться при воздействии высоких температур без доступа кислорода. Коксующийся уголь в концентрированном и необогащенном виде характеризуется низкой зольностью (менее 10 %), незначительным содержанием летучих компонентов (от 15 до 37 %) и серы (менее 3,5 %). По сравнению с другими видами угля коксующиеся угли обладают высокой температурой сгорания и характеризуются меньшим содержанием примесей. В природе существует много разновидностей каменного угля, которые отличаются техническим составом, показателями спекаемости и выходом летучих составляющих. Для коксования подходят всего несколько марок угля: жирный, слабоспекающийся, газовый, отощенно-спекающийся и коксовый. В этих марках углей содержится наименьшее количество примесей, и они обладают высокой пластичностью. Наиболее широкое применение кокс получил в металлургической промышленности. Его применяют для выплавки чугуна, как восстановитель для получения различных металлов; кроме того, это высококачественное бездымное топливо, его используют в литейном производстве, при изготовлении теплоизоляции, графитированных электродов, в химической промышленности.

Древесный уголь — почти стопроцентный углерод, который образуется в процессе сухой перегонки (пиролиза) древесины без воздуха при температуре 450–500 °C. Параллельно выделяются различные смолы, вода, уксусная кислота, метанол, ацетон и др. Содержит минеральные соли, входившие в состав древесины, в первую очередь соли калия. Существует 3 основных вида этого продукта: черный (производится из липовых, осиновых, ольховых, ивовых дров), красный (из хвойников)

Анализ твердого топлива 83

и белый (из дубовых, вязовых, грабовых, березовых дров). Сфера применения древесного угля очень широка:

• в производстве электродов, различных красок, стекла и хрусталя;

• для производства бора и кремния, который используют в полупроводниках;

• в металлургии — как восстановитель;

• в качестве удобрения;

• как добавку к кормам домашних животных;

• при шлифовке и полировке деталей, используемых в полиграфии;

• как изоляционный материал в строительстве;

• как замена графита при производстве пластмасс;

• в производстве дымового пороха;

• в производстве щеток, сопротивлений, контактов, которые устанавливаются в электрическую и электровакуумную технику;

• в производстве активированного угля — в качестве сырья. Но, несмотря на практически одинаковое содержание углерода в

составе кокса и древесного угля, в металлургии каменноугольный кокс вытеснил древесный уголь. Пользуясь древесным углем, невозможно было удовлетворить потребности промышленности в металле. В связи с увеличением объемов производства металлов ежегодная выработка древесного угля перестала покрывать растущие потребности. Кроме того, с увеличением размеров вновь строящихся доменных печей, древесный уголь в силу своей малой прочности не может выдержать большой высоты столба руды, флюсов, угля. Не выдерживая нагрузки, уголь крошится. Образовавшаяся при этом угольная пыль набивается между кусками руды. Газы не могут преодолеть сопротивление столба шихты, плавка замедляется, а то и прекращается полностью. Хрупкость, недостаточная прочность древесного угля не позволяет сооружать большие домны, для этого необходим более прочный углеродистый материал.

Одинаковые количества топлива дают при сжигании различное ко-

личество теплоты. Поэтому для оценки качества топлива определяют его теплотворную способность — наибольшее количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива. При сгорании топлива наибольшее количество тепла дают углерод и водород. Сера при горении также выделяет тепло, но несмотря на это она является вредной примесью, так как образующийся при горении сернистый газ разрушает топки, а при попадании с дымовыми газами в атмосферу губительно действует на растительность и в целом на окружающую среду.

84 А. О. Летовальцев, Е. А. Решетникова. Химическая технология

Теплотворная способность может быть определена по элементарному составу как сумма теплот сгорания отдельных элементов, составляющих топливо. Такой метод имеет определенную погрешность, так как углерод, водород и сера находятся в топливе не в свободном состоянии, а входят в состав соединений, образующих топливо. Во время горения топлива эти соединения разлагаются. В процессе разложения топлива может выделяться или поглощаться некоторое количество тепла. Принимая во внимание это обстоятельство, Д. И. Менделеев предложил следующую формулу для определения теплотворной способности:

= 81С + 300H – 26(O – S), ккал/кг,

где C, H, O, S — процентное (по массе) содержание в топливе углеро- да, водорода, кислорода и серы соответственно.

В данном случае определяется количество тепла, выделяемое при сжигании 1 кг топлива, без учета расхода тепла на испарение влаги, содержащейся в топливе. Такая теплотворная способность называется высшей теплотворной способностью. Низшая теплотворная способность учитывает количество тепла, затрачиваемое на испарение влаги, как содержащейся в топливе, так и образующейся в процессе горения:

= QВ – 6(9Н + W), ккал/кг,

где H и W — процентное содержание в топливе водорода и влаги соответственно.

Следующей по важности характеристикой твердого топлива является жаропроизводительность — максимальная температура, развивающаяся при горении соответствующего вида топлива.

В твердом топливе различают органическую массу, горючую массу, минеральную часть и влагу. В органическую массу топлива входит углерод, водород, кислород, азот и часть серы. Горючая масса включает органическую массу и горючую серу, входящую в минеральную часть (обычно в виде пирита). Минеральная часть состоит из силикатов щелочных и щелочноземельных металлов, сульфатов, карбонатов, соединений железа и алюминия. При горении минеральная часть переходит в золу, при этом ее состав и вес меняются. Минеральная часть своим присутствием понижает процентное содержание органической части и таким образом уменьшает теплотворную способность топлива. Содержание влаги в топливе приводит к уменьшению относительного количества горючей массы, а также к значительному расходу тепла на ее испарение. Все составные части входят в топливо в рабочем состоя-

Анализ твердого топлива 85

нии. Под рабочим топливом понимают топливо в том виде, в котором оно применяется на практике.

Влага. Влага, содержащаяся в топливе, может быть нескольких ви-

дов: адсорбционная, гигроскопическая, химически связанная, аналитическая (лабораторная), внешняя и общая.

Адсорбционная влага — вода, адсорбированная топливом. Она пред-

ставляет собой основной вид влаги. Содержание ее для разных видов топлива зависит от химического состава органической и минеральной массы топлива, его физико-химических характеристик, от температуры и степени насыщения воздуха парами воды.

Гигроскопическая влага является, по существу, адсорбционной вла-

гой, но она содержится в топливе лишь при определенных условиях: температура 20 °C, относительная влажность воздуха 65 %.

Химически связанная влага является составной частью органических

и минеральных компонентов топлива.

Под аналитической влагой (W a) понимают влагу, которая содержит-

ся в топливе в воздушно-сухом его состоянии, т. е. когда содержание влаги в топливе находится в равновесии с парами воды в атмосфере лабораторного помещения при данной температуре. Эта влага является постоянной, так как температура и влажность в лаборатории обычно меняются незначительно.

Если количество влаги превышает воздушно-сухое состояние, то та-

кая влага называется внешней. Сумма внешней и аналитической влаги называется общей влагой. Внешняя влага определяется высушиванием навески топлива на воздухе (до постоянного веса или пока убыль веса будет изменяться не больше чем на 1 %).

На практике имеют дело только с аналитической, внешней и общей

влагой.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Определение аналитической влаги в твердом топливе

Аналитическую влагу определяют в сушильном шкафу. Для этого навеску топлива массой 1 г помещают в предварительно взвешенный металлический бюкс и выдерживают в сушильном шкафу при температуре 102–105 °C 1–1,5 часа.

86 А. О. Летовальцев, Е. А. Решетникова. Химическая технология

100, %,

При более высокой температуре наряду с сушкой может происходить окисление топлива и даже его разложение, поэтому масса навески может изменяться не только за счет убыли влаги. Сушку производят с открытой крышкой бюкса. После окончания сушки бюкс закрывают крышкой, помещают в эксикатор и охлаждают 20–30 мин до достижения им комнатной температуры, после чего проводят взвешивание.

Рассчитывают аналитическую влагу по формуле:

∆

= ⋅

где g — начальная масса навески топлива, г;

∆g — убыль массы навески, г.

Определение зольности твердого топлива

В предварительно взвешенный фарфоровый тигель помещают навеску топлива массой 0,5 г. Тигель с навеской ставят в муфельную печь, разогретую до 300–400 °C. Затем температуру повышают до 800 °C и при этой температуре прокаливают в течение 1,5–2 часов. Тигель с золой вынимают, охлаждают некоторое время на воздухе на термоустойчивой прокладке, потом в эксикаторе 30–40 мин до комнатной температуры и взвешивают.

Выход золы рассчитывается по формуле:

= ⋅

где g1 — масса навески топлива, г;

g2 — масса золы, г.

Определение выхода летучих веществ и марки твердого топлива

Определение выхода летучих веществ проводится в закрытом фарфоровом тигле. Взвешивают тигель вместе с крышкой и помещают в него навеску топлива массой 1 г. Закрытый крышкой тигель помещают в муфельную печь с температурой 800 °C и выдерживают в нем 7 мин. По истечении времени тигель извлекают из печи, охлаждают в течение некоторого

Анализ твердого топлива 87

времени на термостойкой прокладке, затем в эксикаторе до комнатной температуры. После охлаждения тигель взвешивают и определяют убыль массы.

Выход летучих веществ рассчитывают по формуле:

∆

100 , %,

=⋅−

где g — навеска топлива, г;

∆g — убыль массы навески, г;

W a — аналитическая влага, определяемая по приведенной выше

формуле, %.

С учетом внешнего вида твердого остатка присваивают топливу

марку.

Контрольные вопросы

1. Какие виды топлива относятся к твердому?

2. Происхождение твердого топлива. Понятие возобновляемости. Какие виды твердого топлива являются возобновляемыми?

3. Найдите принцип последовательности, по которому виды твердого топлива перечислены в сравнительной таблице.

4. Искусственные виды твердого топлива. С какой целью они изготавливаются, хотя это энергетически невыгодно?

5. Объясните различие понятий «теплотворная способность» и «жаропроизводительность».

6. Какими способами можно получить значение теплотворной способности? В чем заключаются сложности каждого из способов?

7. В чем значимость таких характеристик твердого топлива, как влажность, зольность, выход летучих веществ при пиролизе?

8. Назовите виды влажности; опишите различие между ними.

9. В чем разница при определении зольности и выхода летучих веществ, несмотря на то, что оба опыта проводятся при одной и той же температуре?

10. Что означает понятие «марка»? Для чего она присваивается топливу?

СТЕКЛО И ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЕ

Согласно определению комиссии по терминологии АН СССР (1932 г.), «стеклом называются все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от их состава и температурной области затвердевания и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым».

Стеклообразное состояние

Вещества в твердом состоянии при обычной температуре и давлении могут иметь кристаллическое или аморфное строение. В природе наиболее распространены кристаллические твердые вещества, для структуры которых характерен геометрически строгий порядок расположения частиц (атомов, ионов) в трехмерном пространстве. Твердые кристаллические вещества имеют четкие геометрические формы, определенные температуры плавления, в большинстве случаев проявляют анизотропию, т. е. их физические свойства (показатель преломления, теплопроводность, скорости растворения и роста кристаллов и др.) неодинаковы при измерении в различных направлениях.

Стеклообразное состояние вещества представляет собой аморфную разновидность твердого состояния, является метастабильным, т. е. характеризуется избытком внутренней энергии. Стекло можно рассматривать как переохлажденную жидкость с очень высокой вязкостью. В отличие от кристаллических твердых веществ, которые имеют четко фиксированную температуру плавления, стекло характеризуется интервалом температур размягчения и перехода в текучее состояние. Процессы размягчения стекла или затвердевания стекломассы явля-

Стекло и его изготовление 89

ются однофазными, в отличие от плавления кристаллических веществ или кристаллизации расплавов. При размягчении стекла в интервале стеклования отсутствует жидкая фаза.

Как известно, все физические свойства вещества определяются его

строением и составом. Если для кристаллических структур характерно наличие ближнего и дальнего порядков, то особенность строения стекол состоит в том, что в их структуре имеется ближний порядок, но отсутствует дальний порядок в расположении координационных групп атомов. Отсутствие даль него порядка в структуре характерно для жидкостей и аморфных тел.

Многовековая история стеклоделия связана с изготовлением сили-

катных стекол, основывающихся на системе Na2O—СаО—SiO2. Только во второй половине XX в. было показано, что натрий-кальций-силикатные стекла составляют небольшую часть мира неорганических стекол.

По типу неорганических соединений различают следующие классы

стекол.

Элементарные стекла. Их способно образовывать лишь неболь-

шое число элементов — сера, селен, мышьяк, фосфор, углерод. Стеклообразные серу и селен удается получить при быстром переохлаждении расплава; мышьяк — методом сублимации в вакууме; фос фор — при нагревании до 250 °C под давлением более 100 МПа; угле род — в результате длительного пиролиза органических смол. Промыш ленное значение находит стеклоуглерод, обладающий уникальными свойствами, превосходящими свойства кристаллических модификаций углерода: он способен оставаться в твердом состоянии вплоть до 3700 °C, имеет низкую плотность порядка 1500 кг/м3, обладает высокой механической прочностью, электропроводностью, химически устойчив.

Галогенидные стекла получают на основе стеклообразующего ком-

понента BeF2. Многокомпонентные составы фторбериллатных стекол со держат также фториды алюминия, кальция, магния, стронция, бария. Фторбериллатные стекла находят практическое применение благодаря высокой устойчивости к действию жестких излучений, включая рентге новские лучи, и таких агрессивных сред, как фтор и фтористый во дород.

Халькогенидные стекла получают в бескислородных системах

типа As—Z, Ge—As—Z, Ge—Sb—Z, Ge—P—Z, где Z —S, Se, Te и др. Халькогенидные стекла имеют высокую прозрачность в ИК-области спектра, обладают электронной проводимостью, обнаруживают вну-

90 А. О. Летовальцев, Е. А. Решетникова. Химическая технология

тренний фото эффект. Такие стекла применяются в телевизионных высокочувствительных камерах, в электронно-вычислительных машинах в качестве переключа телей или элементов запоминающих устройств.

Оксидные стекла представляют собой обширный класс соединений. Наиболее легко образуют стекла оксиды SiO2, GeO2, В2О3, P2O5.

Каждый из стеклообразующих оксидов может образовать стекла в комбинации с промежуточными или модифицирующими оксидами. Стекла получают названия по виду стеклообразующего оксида: силикатные, боратные, фосфатные и т. д. Практическое значение имеют стекла простых и сложных составов, принадлежащие к силикатным, боратным, боросиликатным, фосфатным, германатным, алюминатным, молибдатным, вольфраматным и другим системам. Промышленные составы стекол содержат, как правило, не менее 5 компонентов, а специальные и оптические стекла могут содержать более 10 компонентов.

Можно выделить необходимые и достаточные условия для стеклообразования:

1) наличие в структуре локализованных парноэлектронных связей,

а значит, высокая доля ковалентности;

2) построение основной структурной сетки из бесконечных полимерных комплексов, т. е. наличие склонности к образованию разветвленных цепей;

3) соединение соседних комплексов только через одну мостиковую связь.

Кроме того, скорость охлаждения является определяющим фактором при стеклообразовании. Стеклование — это процесс релаксационный, поэтому реализация этого процесса во многом зависит от скорости охлаждения, что подтверждается многочисленными экспериментальными фактами. К стеклообразованию способны такие оксидные фазы, как оксид кремния, оксид бора, оксид германия (IV). Они могут иметь и кристаллическую форму: иногда трудно выбрать, какую форму реализовать; в этом случае, как уже было сказано, очень многое зависит от скорости охлаждения. Важное условие — это вязкость (одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой), так как она непосредственно связана с энергией связи. Чем она выше, тем труднее перестроиться структуре. В связи с этим при медленном охлаждении можно надеяться на получение кристаллических форм, а при быстром охлаждении будут получены аморфные формы, в

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 89 / 119 10 11 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]