Определение зольности твердого топлива

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

Приборы и оборудование: муфельная печь с максимальной температурой нагрева 900-1000 °С, обеспечивающая постоянные температуру и скорость нагрева; весы микроаналитические с погрешностью взвешивания до 0,001 г; пронумерованные тигли, лодочки для сжигания из кварца или фарфора, глубиной от 8 до 15 мм № 1, 2, 3; изоляционная пластина из кварца толщиной 6 мм или аналогичное приспособление; щипцы тигельные; эксикатор.

Общие сведения

Минеральные примеси твердого топлива образованы большим количеством веществ, главными из которых являются: силикаты (глинозем Аl₂O₃, кремнезем SiO₂), карбонаты (СаСО_з, MgCO₃, FeCO₃), сульфиды (FeS₂, CaS), сульфаты (CaSO₄, MgSO₄), закиси и окиси металлов, фосфаты, хлориды, соли щелочных металлов и др. Некоторые из этих веществ объединены в минералы сложного состава, например: каолинит А1₂O₃·2SiO₂·2H₂O, доломит CaMg(CO₃)₂, ортоклаз К[АlSi₃O₈], Na[АlSi₃O₈], Са[Аl₂Si₂O₈] и др. Соотношение между отдельными компонентами минеральных примесей и общее их количество по отношению к массе топлива существенно зависят от месторождения топлива и могут сильно различаться.

Порошкообразный негорючий остаток, образовавшийся после термического разложения и обжига минеральных примесей топлива в процессе его горения, называется золой.

Важное практическое значение имеет плавкость золы, которая характеризуется температурами: t₁ – начало деформации, t₂ – начало размягчения и t₃ – начало жидкоплавкого состояния. В зависимости от величины температуры плавления различают легкоплавкую золу (с температурой жидкоплавного состояния t₃<1250 °С), среднеплавкую (1250<t₃<1450 °C), тугоплавкую (t₃>1450 °С).

Отдельные фракции золы имеют различные температуры плавления (от 800 до 2800 °С). При относительно низких температурах плавятся щелочи и окислы железа, высокую температуру плавления имеют кремнезем и глинозем, окислы кальция и магния, различные минеральные составляющие золы, расплавляясь, образуют смеси, имеющие более низкие температуры плавления.

Зола, прошедшая стадию разложения и плавления преобразовавшаяся в спекшую или сплавленную массу называется шлаком. В отличие от золы, которая в основном состоит из свободных окислов различных элементов, в шлаке эти окислы образуют сложные многокомпонентные системы.

Золы и шлаки по способу улавливания и удаления подразделяются:

- золу-унос – тонкодисперсный материал, образующийся из минеральной части твердого топлива, сжигаемого в пылевидном состоянии и улавливаемый золоулавливающими устройствами из дымовых газов тепловых электростанций;

- шлак – часть золы топлива, агрегирующаяся в топочном пространстве и удаляемая снизу топки;

- золошлаковые материалы – смесь золы и шлака, образующаяся при совместном удалении золы и шлака.

Характеристики золы необходимо знать при проектировании и эксплуатации топочных устройств. В топочной камере можно организовать сжигание топлив с твердым или жидким шлакоудалением.

Твердое шлакоудаление неизбежно при сжигании топлив с тугоплавкой золой (при температуре начала жидкоплавкого состояния t₃ > 1400 °С). Оно целесообразно также и для топлив с умеренными значениями температуры t₃, но при относительно не большой зольности этих топлив (приведенная зольность < 1 % кг/МДж и высоком выходе летучих веществ > 25 % поскольку небольшое количество летучей золы в продуктах сгорания не ограничивает скорости газов в газоходах и не приводит к ощутимому удорожанию золоулавливающих устройств, а потери с недожогом топлива ввиду значительного выхода летучих остаются низкими.

Жидкое шлакоудаление применяют для сжигания малореакционных углей (антрацитов, полуантрацитов, тощих и слабоспекающихся каменных углей при выходе летучих веществ < 25 %), оно рекомендуется при сжигании шлакующих каменных и бурых углей, отличающихся повышенным количеством относительно легкоплавкой золы t₃ = 1150-1300 °С. Организация жидкого шлакоудаления с высоким уровнем температуры горения топлива обеспечивает при малом выходе летучих веществ заметное уменьшение потерь топлива с недожогом, а в случае сжигания высокозольных топлив позволяет облегчить борьбу с шлакованием и износом конвективных поверхностей.

Большая зольность снижает теплоту сгорания топлива. Так, при изменении зольности топлива от до теплота сгорания рабочей массы составит, кДж/кг:

,

где 24,42 – скрытая теплота парообразования 0,01 кг водяного пара, кДж;

Снижение теплотворной способности топлива приводит к ухудшению экономических и экологических показателей котельных установок.

Содержание золы топлива не является достаточным показателем энергетической ценности топлива, так как топлива с одинаковым содержанием золы часто имеют различную теплоту сгорания. Для характеристики топлива большое значение имеет приведенная зольность , т.е. содержание золы, отнесенное к 1000 ккал низшей теплоты сгорания , % кг·10³/ккал:

(1)

где – рабочая зольность топлива, поступающего в топку, %.

Зольность топлива на сухую массу пересчитывают по формуле, %

.

Зольность топлива на рабочую массу пересчитывают по формуле, %

.

Существует ряд стандартных методик определения содержания золы в топливе. Наиболее распространенный и точный из них метод медленного озоления.

Сущность его заключается в определении содержания золы в топливе при медленном озолении пробы и прокаливании зольного остатка в условиях свободного доступа воздуха при температуре (815±10 °С) до постоянной массы.

Описание экспериментальной установки

Установка состоит из муфельной электрической печи с максимальной температурой нагрева 900-1000 °С, обеспечивающая постоянные температуру и скорость нагрева; две кварцевые или фарфоровые лодочки (тигли) с навесками топлива; изоляционная пластина из кварца или аналогичное приспособление, размер которого позволяет легко вводить его в муфельную печь (рис. 1). Эксикатор без высушивающего вещества. Весы микроаналитические электрические с пределом взвешивания до 0,001 г.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки:

1 – шкаф сушильный; 2 – изоляционная пластина; 3 – лодочки (тигли).

Порядок выполнения работы

Сущность метода заключается в сжигании навески аналитической пробы топлива в муфельной печи при температуре (815±10)°С и вычислении массовой доли золы по потери в массе.

Из аналитической пробы топлива во взвешенную лодочку отбирают не более 1 г топлива. Тигель или лодочку с навеской помещают в муфельную печь при комнатной температуре. В течение 60 мин повышают температуру печи до 500 °С и поддерживают эту температуру в течение (кроме кокса и термоантрацита):

60 мин. – для бурых углей лигнитов, и горючих сланцев;

30 мин. – для каменных углей и антрацитов.

Продолжают нагрев до (815±10) °С в той же печи либо, при использовании двух печей, переносят тигель или лодочку во вторую печь, предварительно нагретую до (815 ± 10) °С, и выдерживают при этой температуре не менее 60 мин.

После прокаливания тигель или лодочку вынимают из печи и охлаждают на толстой металлической плите в течение 10 мин, а затем помешают в эксикатор без осушителя.

После охлаждения тигель или лодочку с зольным остатком взвешивают.

Проводят контрольные прокаливания при (815±10) °С в течение нескольких 15-минутных периодов до тех пор, пока последующее изменение массы станет не более 0,001 г.

Массовую долю золы аналитической пробы в процентах вычисляют по формуле:

,

где – масса пустой лодочки (тигля), г;

– масса лодочки (тигля) с пробой, г;

– масса лодочки (тигля) с золой, 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 1.

Таблица 1.

Маркировка пробы	№ лодочки (тигля)	Масса, г	Зольность топлива, %
пустой лодочки (тигля),	лодочки (тигля) с пробой,	лодочки (тигля) с золой,	золы
	I
	II

Контрольные вопросы:

1. Каким образом содержание золы в топливе влияет на его энергетическую ценность?

2. Для чего введено понятие приведенной зольности твердого топлива?

3. Каким методом определяется зольность твердого топлива?

4.

Литература:

1. ГОСТ 11022-95. Топливо твердое минеральное. Методы определения зольности. – Мн.: Изд-во «Стандартинформ». – 8 с.

2. Бойко Е.А., Деринг И.С., Охорзина Т.И. Котельные установки и парогенераторы (тепловой расчет парового котла). – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2005. – 96 с.

3. Хутская Н.Г., Пальченок Г.И. Топливо и его использование: лабораторный практикум. – Мн.: БНТУ, 2006. – 60 с.

Дата добавления: 2015-11-30