Определение влажности твердого топлива

Цель работы: определение содержания влаги в аналитической пробе твердого топлива.

Приборы и оборудование: шкаф сушильный электрический с терморегулятором, обеспечивающий устойчивую температуру нагрева от 40 (до 50 ± 5) и 105-110 ºС, с отверстиями для естественной вентиляции; пронумерованные бюксы стеклянные с крышками для определения влаги в лабораторной или аналитической пробе; противни из не окисляющегося металла для подсушивания проб; эксикаторы, наполненные свежепросушенным силикагелем или другими высушивающими веществами; весы микроаналитические с пределом взвешивания до 0,001 г.

Общие сведения

Влажность является важнейшей технической характеристикой твердого топлива. Содержание влаги в топливе затрудняет воспламенение топлива, снижает температурный уровень в топке, увеличивает объем продуктов сгорания, увеличивает потери тепла с уходящими газами. Кроме того, влага является балластом топлива, так как она увеличивает расходы на транспортировку и погрузочно-разгрузочные работы.

Содержание влаги в топливе необходимо учитывать при выборе методов подготовки топлива к сжиганию, оборудования систем транспортировки топлива и т.д.

Содержание влаги в твердом топливе зависит от его химической природы и геологического возраста, условий залегания пластов и способа добычи, а также от условий транспортировки и хранения.

Различают два вида влаги в топливе: внешнюю и внутреннюю (гигроскопическую).

Внешняя влага состоит из влаги поверхностной и капиллярной, содержащейся в порах (капиллярах) топлива.

Поверхностной называется влага, которая осаждается на наружной поверхности кусков (частиц) топлива и в промежутках между кусками, если эти промежутки имеют достаточно малые размеры. Содержание поверхностной влаги зависит от фракционного состава топлива, так с уменьшением размера фракций удельная поверхность их возрастает и количество влаги, механически удерживаемой наружной поверхностью топлива увеличивается. На поверхностную влагу приходится незначительное количество влаги, 3-5 % от общей массы топлива.

К капиллярной относится та часть влаги, которая заполняет поры (капилляры) топлива за счет так называемой капиллярной конденсации. Ее содержание уменьшается с увеличение плотности и уменьшением пористости топлива. На капиллярную влагу приходится основная часть влаги в топливе.

Внутренняя влага состоит из влаги гигроскопической (аналитической), которая находится частью в коллоидально-связанном состоянии и равномерно распределена в массе топлива, в виде гидратной, входящей в состав молекул минеральных примесей и пирогенетической влаги представленной в виде соединения кислорода с водородом.

Сорбционная (коллоидная) влага связана со способностью твердых топлив, относящихся к капиллярно-пористым телам, впитывать и удерживать (адсорбировать) влаг за счет сил межмолекулярного взаимодействия, которое может иметь место, как на поверхности этих тел, так и в их объеме. Первое приводит к адсорбции молекул воды на поверхности раздела твердой и газовой фаз и обуславливает присутствие в топливе так называемой адсорбционной влаги. Сорбция влаги в объеме приводит к образованию коллоидно-химической (гелевой) структуры органической части топлива; входящую в эту структуру воду называют коллоидной влагой.

Количество коллоидной влаги зависит от химической природы и состава топлива и содержания влаги в атмосферном воздухе.

Гидратная (кристаллизированная) влага химически связанная с минеральными примесями топлива, представлена главным образом силикатами (например, Al₂O₃·2SiО₂·2Н₂О, Fе₂O₃·2SiО₂·2Н₂О) и сульфатами (CaSО₄·2Н₂О, МgSО₄·2Н₂О). Вода в кристаллогидратах содержится в строго определенных стехиометрических количествах, независимо от общей влажности топлива и внешних условий.

Пирогенетическая влага образуется при термическом разложении кислородсодержащих соединений органической массы топлива. Количество образующейся влаги зависит от природы (степени метаморфизма) ископаемого сырья и возрастает с увеличением в нем содержания кислорода.

Сорбционную, капиллярную и поверхностную влагу можно полностью удалить из топлива путем его просушивания при температуре 105...110 ºС, в то время как полное удаление гидратной и пирогенетической влаги внутренней структуры органического и минерального вещества может произойти только в результате химических реакций разложения при температуре 700...1100 ºС. Поэтому эта влага не участвует в определении общей влажности и ее составляющих. Содержание гидратной и пирогенетической влаги в топливе незначительно, составляя лишь несколько процентов от общего содержания воды в топливе.

При проектировании оборудования электростанций обычно используют различные показатели влажности топлива, определяемые опытным путем. Наибольшее значение имеет влажность топлива в его рабочем состоянии .

Существует ряд стандартных методик определения общего содержания влаги в топливе. Наиболее распространенный и точный из них весовой метод.

Сущность его заключается в определении количества влаги по потере массы пробы при полном ее высушивании на воздухе при температуре 105...110 ºС. В найденную таким способом общую влагу не входит гидратная и пирогенетическая влага.

Обычно общую влагу определяют в два приема (двухступенчатым способом).

На первом этапе определяется так называемая внешняя влага – часть общей влаги топлива, которая удаляется при высушивании лабораторной пробы до воздушно-сухого состояния при относительной влажности (60 ± 2) % и температуре (20 ± 5) ºС, в котором содержание влаги в топливе приходит в равновесие с воздухом в лабораторных условиях. Когда закончится изменение массы пробы, по разности между установившейся и начальной массами находят массовую долю испарившейся внешней влаги, %:

.

На втором этапе определения влажность рабочей массы топлива является измерение массовой доли влаги в воздушно-сухом топливе (гигроскопической влаги) . С этой целью применяют метод сушки при температуре 105 до 110 ºС.

Общую влагу находят суммированием внешней влаги и влаги воздушно-сухого топлива , причем второе слагаемое необходимо предварительно пересчитать в проценты рабочей массы, так как величина выражена в процентах воздушно-сухого топлива. Поэтому суммирование производят по формуле:

.

Допустимые расхождения параллельных определений массовой доли общей влаги составляют от 0,2 до 0,7 % в зависимости от значения .

Для общего анализа (определение зольности, выхода летучих веществ, теплоты сгорания) используется аналитическая проба топлива. Поэтому различают также влагу аналитической пробы – содержание влаги в пробе с крупностью зерен менее 0,2 мм.

Обычно колебания температуры и относительной влажности в лабораторных помещениях невелики, а значения их близки к упомянутым выше величинам, вследствие чего значения величин и различаются незначительно, поэтому в некоторых случаях приближенно принимают .

Твердое топливо при транспортировке и хранении на топливных складах (как правило, открытого типа) может подвергаться сильному увлажнению атмосферными осадками.

Однако способность топлива удерживать в себе влагу имеет предел, называемый максимальной влагоемкостью , %. Величину находят опытным путем или можно оценить по приближенной формуле:

,

где – влажность рабочего топлива, %.

Влага топлива может быть причиной перебоев в работе топливоподачи на ТЭС. С увеличением влажности твердого топлива ухудшается подвижность его частиц, и при достижении определенного критического содержания влаги, называемой влагой сыпучести , частицы топлива настолько слипаются между собой, что совсем лишаются способности свободного перемещения относительно друг друга. Это может произойти при небольшом дополнительном увлажнении топлива, так как обычно показатель близок к рабочей влажности . Потеря сыпучести топлива приводит к зависанию топлива в бункерах сырого угля, «замазыванию» питателей и в конечном итоге к прекращению подачи топлива на сжигание.

В зимнее время (при отрицательной температуре) влажное кусковое топливо нередко смерзается в монолит. Минимальная доля общей влаги, при которой становится возможным смерзание топлива, называется влагой смерзания . Поступление на ТЭС вагонов со смерзшимся топливом чрезвычайно осложняет работу топливопровода.

Содержание влаги топлива не является достаточным показателем энергетической ценности топлива. Для характеристики топлива большое значение имеет приведенная влажность , т.е. содержание влаги, отнесенное к 1000 ккал низшей теплоты сгорания , % кг·10³/ккал:

.

Примерные данные об общей и приведенной влажности представлены в табл. 1.

Таблица 1

Примерное содержание влаги в различных видах топлива

и приведенная влажность топлива

Топливо	Влажность, % (по массе)	Топливо	Влажность, % (по массе)
общая,	приведенная,	общая,	приведенная,
Мазут	1-5	0,1-0,5	канско-ачинский
Кокс	3-8	0,5-1	подмосковный
Антрацит	4-7	0,5-1	александрийский
Полуантрацит	5-7	0,7-1	Дрова	25-55	15-30
Каменный уголь			Сланцы
тощий	5-7	0,8-1	волжские
коксовый	5-10	0,8-1,5	эстонские
длиннопламенный	10-15	1,5-2	Торф
Бурый уголь			кусковой
челябинский			фрезерный

Так, топлива с приведенной влажностью < 3 считают маловлажными, 3-8 – средневлажными, а от 8 до 15 % – высоколажными.

Описание экспериментальной установки

Установка состоит из шкафа сушильного электрического с естественной вентиляцией, оснащенного терморегулятором со стопорным устройством, выключателем с часовым механизмом, контрольным термометром; противни для установки бюкс в сушильный шкаф; бюксы стеклянные с крышками в количестве двух штук (рис. 1). Два эксикатора наполненных высушивающим веществом Весы микроаналитические электрические с пределом взвешивания до 0,001 г.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки:

1 – шкаф сушильный; 2 – противни; 3 – бюксы.

Порядок выполнения работы

Сущность метода заключается в высушивании навески аналитической пробы топлива (максимальный размер зерен не более 2 мм) в сушильном шкафу при температуре 105-110 ºС и вычислении массовой доли влаги по потери в массе.

Из аналитической пробы топлива во взвешенную бюксу отбирают не более 1 г топлива. Бюксу с навеской топлива помещают в сушильный шкаф, предварительно нагретый до температуры 105-110 ºС и при этой температуре сушат не менее:

30 мин. – каменный угли, антрацит и горючие сланцы;

60 мин. – бурые угли и лигниты.

После окончания сушки бюксы вынимают из сушильного шкафа, закрывают крышками и охлаждают 2-3 мин. на металлической подставке, затем в эксикаторе до комнатной температуры, после чего взвешивают. Проводят контрольные сушки в течение 30 мин. Сушку считают оконченной, если потеря массы пробы между двумя высушиваниями не превысит 0,2 % общей потери массы. За результат принимают самую низкую массу.

Массовую долю аналитической пробы в процентах вычисляют по формуле:

,

где – масса пустого бюкса с крышкой, г;

– масса бюкса с крышкой и пробой до сушки, г;

– масса бюкса с крышкой после сушки, г.

Результаты вычисляют с точностью до 0,1 %. Допускаемые расхождения результатов двух параллельных определений в одной лаборатории не должны превышать 2 %.

Результаты взвешиваний и расчетов занести в таблицу 2.

Таблица 2.

№ бюксы	Масса пробы топлива, г	Масса бюкса, г	Убыль влаги, г	Аналитическая влажность, %	Относительная погрешность расчета влажности, %
пустого,	с пробой топлива,	после конечного просушивания,
I
II

Контрольные вопросы:

1. Какие виды влаги различают в твердом топливе?

2. Каким методом определяется содержание влаги в топливе?

3. Для чего введено понятие приведенной влажности топлива?

4. Каким образом содержание влаги в топливе влияет на его энергетическую ценность?

Литература:

1. ГОСТ 52911-2008. Топливо твердое минеральное. Методы определения общей влаги. Изд-во Стандартинформ. – М., 2008. – 19 с.

2. Григорьев К.А., Рундыгин Ю.А., Тринченко А.А. Технология сжигания органических топлив. Энергетические топлива: учебное пособие. – СПб.: Изд-во Политехн. ин-та. 2006. – 92 с.

3. Равич М.Б. Эффективность использования топлива. – М.: Наука. 1977. – 343 с.

Дата добавления: 2015-11-30