Формы связи влаги с материалом - Физико-химические основы горения

Химическая связь. (вода связывается с материалом в строгих соотношениях). Она бывает ионная (в гидрооксидах) и молекулярная (в кристаллогидратах). В процессе сушки, при нагревании до 120-150°С, химически связанная вода не удаляется, так как энергия химической связи велика. Химически связанная вода удаляется при прокаливании, но при этом нарушается химический состав и изменяются физико-механические свойства материала. газообразный зольный паровой

Физико-химическая связь. (вода связана с телом в различных, не строго определенных соотношениях). Ф-х связь бывает адсорбционная и осмотическая.

Адсорбционная связь характерна для типичных коллоидных тел. При поглощении типичным коллоидным телом жидкости ее молекулы адсорбируются молекулами и мицеллами внешней и внутренней поверхностей клеток коллоидного тела. Процесс адсорбции сопровождается выделением теплоты набухания Q (Дж), которая рассчитывается по формуле

Где U--влагосодержание тела, кг/кг ; a, b--постоянные.

Наибольшее количество теплоты выделяется при образовании первого мономолекулярного слоя. Энергия этой связи, порядка 3,5-103 Дж/моль. Последующие слои связаны менее прочно: по мере поглощения жидкости теплота набухания уменьшается, пока толщина слоя полимолекулярной адсорбции не достигнет нескольких сотен диаметров молекул. При сушке сначала удаляются наружные по отношению к стенкам клеток коллоидного тела слои адсорбированной влаги; последующие слои удаляются лишь при больших затратах теплоты. Мономолекулярный адсорбционный слой при сушке не удаляется.

Адсорбционно связанная вода по сравнению со свободной имеет иные свойства: она не растворяет соли и потому является диэлектриком, обладает повышенной плотностью и свойствами упругого твердого тела; мономолекулярный адсорбционный слой не замерзает даже при температуре -78°С. Свойства последующих адсорбционных слоев постепенно приближаются к свойствам свободной жидкости.

Осмотическая связь. В процессе набухания коллоидные тела -- желатин и костный клей -- поглощают до 2000% воды в расчете на сухое вещество, но лишь 50% воды связывают адсорбционно, а остальную влагу -- осмотически вследствие разности осмотических давлений внутри и снаружи замкнутых клеток. К осмотической связи относится и структурная-- связь жидкости, захваченной при образовании геля. Поглощение жидкости в обоих случаях происходит без выделения тепла, следовательно, при сушке для удаления осмотически и структурно связанной жидкости необходимо затратить лишь теплоту парообразования.

Физико-механическая связь. (вода удерживается телом в неопределенных соотношениях, а энергия связи невелика). Здесь различают связи в микрокапиллярах, в макрокапиллярахн связьсмачивания.

Связь в микрокапиллярах. Микрокапиллярами называют капилляры с радиусом до 10~7 м. В процессе адсорбции толщина слоя адсорбированной влаги может достигать 10~7 м. В капиллярах такого же радиуса адсорбированные пленки сливаются и в сквозных, без дна, капиллярах образуют, в случае смачиваю щей жидкости, вогнутые мениски. Давление насыщенного пара над вогнутым мениском всегда меньше давления насыщенного пара над плоской поверхностью жидкости. Это различие давлений насыщенного пара растет по мере уменьшения радиусов капилляров и менисков и становится заметным в микрокапиллярах. Насыщенный пар над мениском микрокапилляра оказывается пересыщенным и конденсируется, поэтому микрокапиллярыспособны сорбировать влагу из влажного воздуха и достаточно прочно ее удерживать. Радиус микрокапилляров сравним со средней длиной свободного пробега молекул в газах, что определяет особый механизм переноса парообразной влаги -- путем эффузии.

Связь в макрокапиллярах. В капиллярах с радиусом более 10~7 м адсорбированный слой жидкости может образовывать мениск только на дне замкнутого, несквозного капилляра. Давление насыщенного пара над таким мениском с точностью до 1% равно давлению пара над плоской поверхностью, поэтому макрокапилляры не сорбируют влагу из влажного воздуха. Если они заполняются водой при влажной обработке полуфабриката, то в процессе естественной сушки отдают всю влагу влажному воздуху.

Связь смачивания. Связь смачивания -- это связь прилипания при непосредственном соприкосновении воды с поверхностью гидрофильного непористого тела.

Влага смачивания и макрокапилляров является свободной и легко удаляется при сушке; удельная энергия этих видов связи равна теплоте парообразования.

2. Гигроскопическая влажность - это влажность, которую пористое вещество способно связывать из воздуха и отдавать ее обратно в воздух. Влага оседает в равновесии со своей окружающей средой, в этом случае у вещества гигроскопическая равновесная влажность. 3. Относительной или рабочей влажностью называют отношение массы влаги к массе влажной древесины. 5. Влажность топлива негативно влияет на характеристики топлива. Она снижает тепловую экономичность котла и создает трудности в его эксплуатации. При горении топлива часть выделяющейся теплоты затрачивается на испарение влаги и разложение на водород и кислород. Эта теплота расходуется сразу же, как только топливо попадает в зону горения. Поэтому влага особенно неблагоприятно влияет на воспламенение горючих веществ и поэтому неприятно для низкореакционных топлив. В процессе горения водород и кислород реагируют с образованием водяных паров, создавая при этом теплоту. Однако полные потери тепла в начальной стадии (на испарение воды) это не компенсирует. Наличие влаги в дымовых газах создает условия для появления коррозионных процессов. Поэтому температура уходящих газов на выходе из котельной установки должна быть выше температуры точки росы (конденсации). Влажность топлива создает проблемы в системах топливо - и пылеприготовления, когда из-за влаги теряется подвижность топлива, происходит налипание на внутренних частях оборудование и замазывание различных каналов. Благодаря высокой влажности топлива зимой возможно смерзание топлива. 6. Бурый уголь

Разновидность ископаемых углей с высшей теплотой сгорания во влажном беззольном состоянии менее 24 МДж/кг и выходом летучих веществ 40--60%. Бурый уголь подразделяют по влажности процентности топлива, находящегося в рабочем состоянии, на три группы: Б1 (св. 40), Б2 (30--40) и Б3 (менее 30). Неглубокое залегание и большая мощность угольных пластов позволяют широко применять открытый способ разработки, экономические и технические преимущества которого во многом компенсируют относитительно низкое качество сырья.

Лабораторная работа № 2

1. Твердое органическое топливо по степени углефикации исходного органического материала делят на древесину, торф, бурый уголь, каменный уголь и антрацит. 2. В твердом топливе значительную часть примесей составляют внешние примеси. Поэтому содержание минеральных примесей даже в одном и том же виде топлива может сильно колебаться. Основными минеральными примесями являются: силикаты (кремнезем SiO2, глинозем А1203, глина), сульфиды (преимущественно FeS2), карбонаты (СаСО3, MgCO3, FeCO3), сульфаты (CaSO4, MgS04), закиси и окиси металлов, фосфаты, хлориды, соли щелочных металлов.

В процессе горения в среде высоких температур в минеральных примесях топлива происходят физические и химические преобразования.

3. Основным компонентом золы-уноса является стекловидная алю-мосиликатная фаза, составляющая 40--65% всей массы и имеющая вид частиц шарообразной формы размером до 100 мкм. Из кристаллических фаз в золах могут присутствовать а-кварц и муллит, а при повышенном содержании Fe203 также гематит. Количественное соотношение между ot-кварцем и муллитом определяется соотношением Si02 /A1203. С увеличением последнего содержание а-кварца в кристаллической фазе возрастает, а муллита убывает. Соответственно несколько возрастает активность зол по поглощению извести. Золы, обогащенные оксидами железа, более легкоплавки, в них образуется больше стекла.

Основные компоненты шлака: кислотные оксиды SiO2 и TiO2, основные оксиды CaO, FeO, MgO, а также нейтральные оксиды Al2O3, ZnO. В зависимости от преобладания тех или других оксидов, шлаки разделяются на основные и кислые.

4. Отрицательное влияние зольности топлива на работу парового котла: 1. повышается расход сжигаемого топлива; 2. снижается полнота сгорания; 3. загрязняются поверхности нагрева, что ухудшает теплопередачу и повышает потерю теплоты с уходящими газами; 4. изнашиваются трубы поверхностей нагрева золовыми частицами; 5. повышается нагрузка на оборудование систем шлако - и золоудаления.

Лабораторная работа № 3

1. Летучие вещества - газообразные и парообразные вещества, выделяющиеся из твердого минерального топлива при нагревании его без доступа воздуха или при недостаточном его подводе. Содержание летучих веществ в углях колеблется от 50% (бурые угли) и до 4% (антрациты). 2. Характеристики и состав твердого топлива, в том числе выход летучих, спекаемость кокса, оказывают сильное влияние на процесс горения угля. С увеличением выхода летучих и содержания в них более реакционно-способных газов воспламенение топлива становится легче, а кокс благодаря большей пористости получается более реакционно-способным. По этим свойствам каменных углей проводят их классификацию. Ископаемые угли подразделяются на три основных типа: бурые, каменные угли и антрацит. 3. Если твердое топливо нагревать без доступа воздуха, то оно распадается на две части: твердый остаток - кокс и летучие вещества (рис. 4). В летучие вещества переходят испаряющаяся из топлива влага, кислород, азот в виде сложных соединений с другими элементами, летучая сера, водород как в чистом виде, так и в соединениях с углеродом в виде различных углеводородов. В коксе остаются часть углерода и зола. Практически процесс коксования идет несколько сложнее, и в твердом остатке, кроме углерода и золы, обнаруживаются и другие элементы, но в незначительном количестве.

Лабораторное определение выхода кокса и летучих веществ должно проводиться в строго определенных стандартных условиях, иначе нельзя получить сравнимых величин.

Рис. 4

Навеску топлива в 1 г помещают в фарфоровый или кварцевый тигель, перекрывающийся крышкой, чтобы предотвратить горение навески Тигель помещают в электропечь, где и выдерживают в продолжении 7 мин. при температуре 850°. Убыль веса, выраженная в процентах к весу навески топлива, после вычитания содержания влаги топлива в процентах и дает значение выхода горючих летучих веществ.

Кокс и летучие вещества в топливе обозначаются аналогично с составом топлива в процентах к весу рабочего топлива или горючей массы и пр. (Vp, Vr и т. д.).

В составе кокса и летучих веществ находится горючие элементы, поэтому каждая из двух частей топлива горит, но условия их сжигания весьма различны. Характеристика топлива по выходу летучих накладывает отпечаток на конструкцию топки и методы ее эксплуатации. При сжигании в топках твердого кускового топлива процесса выхода летучих в его чистом виде не происходит, так как к топливу все время подводятся новые порции воздуха; однако свежезаброшенное топливо в первую очередь начинает по большей части бурно газифицировать, и затем процессы горения и газификации идут одновременно.

Если, например, взять дрова топливо с очень высоким выходом летучих (более 80% от веса топлива), то при сжигании их на колосниковой решетке конструктор должен озаботиться должным развитием объема топочного пространства, в котором будут сгорать горючие кокс и летучие вещества (рис. 12). Весь воздух, требующийся для горения как кокса и летучих веществ на решетке в топочном пространстве, подводится обычно через поддувало и колосниковую решетку. Таким образом, значительная часть воздуха, направляясь в топочное пространство, пройдет через колосники и слой топлива транзитом. Этот воздух будет охлаждать колосники и лежащий на них слой топлива, поэтому при сжигании дров колосники не будут сильно нагреваться и могут быть простой формы.

Совершенно иная картина получается при сжигании антрацита - топлива с минимальным выходом летучих (около 4%). В этом случае через слой топлива почти не требуется пропускать транзитного воздуха для сжигания летучих веществ и не будет наблюдаться того охлаждения слоя, которое получалось при дровах. В результате этого колосники при сжигании антрацита сильно греются и часто перегорают.

Свойство топлива распадаться при нагревании на кокс и летучие вещества используется в промышленности для получения угля из дерева, кокса из каменного угля и торфа. Особенно большое значение имеет спекающийся кокс каменного угля, так как он обладает большой механической прочностью и используется в доменных печах и вагранках.

Однако не всякий уголь дает кокс в виде плотных и монолитных брусков. Имеется целый ряд ископаемых топлив, дающих в процессе перегонки кокс в виде сыпучего горошка; такое топливо, если оно к тому же имеет незначительный выход летучих, а следовательно, из него невозможно получить большое количество смолы или других продуктов перегонки, идет на цели сжигания и называется энергетическим.

Необходимо особо подчеркнуть, что принципиально наиболее рациональным использованием ископаемого топлива, запасы которого вообще ограничены, является предварительная его сухая перегонка с получением побочных высокоценных продуктов и затем уже сжигание. Практически пока это положение выполняется преимущественно в отношении топлива с повышенным процентом выхода летучих.

Образцами энергетического топлива являются антрациты и тощие угли, обладающие рассыпающимся коксом при малом выходе летучих, но в то же время выделяющие большое количество тепла при их сжигании. Указанные выше разновидности коксовой массы - спекающаяся и сыпучая - являются 5. как бы границами дтя промежуточных стадий коксуемости. Например, имеются угли, кокс которых слипается, но легко разрушается от незначительных усилий, у других углей кокс принимает вспученную форму с оплавливанием только внешних поверхностей и т. п. Характер кокса и летучих веществ топлива играет большую роль в топочных процессах.

Если сжигается на колосниковой решетке топливо, кокс которого распадается на мелкие частицы (примером может служить тощий уголь), то такое топливо может давать большой вынос несгоревших мельчайших частиц кокса в котельные газоходы, где температурные условия уже таковы, что сгореть эти частички не смогут, а будут уноситься в дымовую трубу или осаждаться в нижних частях газоходов и в дальнейшем удаляться вместе с золой. Наоборот, топливо, дающее спекающийся кокс, образует при сжигании сверху слоя корочку, предохраняющую от уноса мелкие частицы.

В топках, сильно форсируемых, т. е. выделяющих большое количество калорий на квадратной единице площади горения, вследствие больших скоростей воздуха и газов, проходящих через слой топлива, унос особенно велик. Сюда относятся паровозные топки, при эксплуатации которых иногда к углю, имеющему сыпучий кокс, прибавляют небольшое количество спекающегося угля. Например, к подмосковному углю добавляют донецкий уголь марки ПЖ или ПС. Спекающийся уголь сжигают также в кузнечных горнах; получающаяся сверху корка способствует образованию в очаге равномерно распределенных высоких температур.

4. Коксовый остаток в зависимости от типа топлива может быть спекшийся, слабоспекшийся и порошкообразный. Характер коксового остатка играет решающую роль при определении наиболее рационального пути использования топлива. Каменные жирные угли с большим содержанием битума дают спекшийся крупнопористый остаток, используемый в металлургических печах; в котлах и отопительных установках такие угли не сжигаются. Энергетические топлива имеют порошкообразный коксовый остаток. 5. Кокс является единственным видом твердого топлива для доменной плавки во всей мировой практике черной металлургии. Исходным сырьем для получения кокса являются особые сорта каменных углей, называемых коксующимися. Подготовка углей к коксованию заключается в дроблении, обогащении для снижения зольности и усреднении. Кокс получают сухой перегонкой каменных углей в коксовых печах, представляющих собой узкую камеру шириной около 0,5 м, высотой 4 - 5 м и длиной около 15 м, объединенных в батареи. Число печей в батарее может достигать 60 - 70 штук. Подготовленная шихта загружается в камеру через специальные отверстия. Обогрев печи осуществляется с боков через стенки огнеупорного кирпича путем сжигания газа в обогревательных простенках. Для повышения температуры коксования воздух, используемый для сжигания газа и газ, предварительно нагревают до 900 - 1000 °С в регенераторах, расположенных под печами. Горение газа происходит в простенке, за счет этого осуществляется нагрев стенок двух соседних камер до температуры 1350 - 1400 °С. Продукты сгорания через обводной канал попадают в другой простенок, опускаются по нему, обогревая две другие стенки камер, и, проходя через регенераторы, нагревают их и уходят в дымовую трубу. Периодически происходит смена направления движения газов. Через нагретые регенераторы попадают воздух и газ, а через остывшие - продукты сгорания. Загруженная шихта нагревается в камерах примерно до 1000 °С. Продолжительность коксования составляет около 15 часов. Затем полученный коксовый пирог специальным выталкивателем выталкивают из печи и тушат водой или инертными газами. В процессе коксования из 1 тонны угольной шихты получают около 700 кг кокса, 300 - 350 м3 коксового газа и около 20 кг смолы. Смола и газ являются ценным химическим сырьем, из которого производят лаки, краски, удобрения и другие продукты. Очищенный коксовый газ применяют в металлургических печах в качестве топлива. В последнее время для экономии кокса при доменной плавке в печь вдувают природный газ, мазут, угольную пыль. Достоинством применения указанных видов топлива является то, что они способствуют улучшению процесса восстановления оксидов железа путем обогащения доменного газа реагентами-восстановителями (СО и Н2).

Характеристики и состав твердого топлива, в том числе выход летучих, спекаемость кокса, оказывают сильное влияние на процесс горения угля. С увеличением выхода летучих и содержания в них более реакционно-способных газов воспламенение топлива становится легче, а кокс благодаря большей пористости получается более реакционно-способным.

По этим свойствам каменных углей проводят их классификацию. Ископаемые угли подразделяются на три основных типа: бурые, каменные угли и антрацит.

Лабораторная работа № 4

1. Описать схему проведения ситового анализа твердого топлива. 1.1. Пробу топлива перед рассевом взвешивают полностью или частями. 1.2. Рассев топлива с размером кусков 3 мм и более или 1 мм и более ведут на грохотах и приспособлениях или вручную. Ручной рассев применяют также для контроля просеивания механизированным способом.

Рассев начинают на сите с наибольшим размером отверстий.

Схема проведения ситового анализа для рядового топлива приведена на чертеже.

Схема проведения ситового анализа рядового топлива крупностью 0 - 100 мм

Примечание. Пунктиром обозначены операции, которые проводятся при необходимости.

1.3. Высота подачи топлива на сито и разгрузки подрешетного продукта после рассева должна быть не более 400 мм. 1.4. Топливо на сито подают частями, не допуская его перегрузки, так, чтобы к концу рассева надрешетный продукт покрывал не более 3/4 поверхности сетки сита. 1.5. При ручном способе рассев ведут в горизонтальной плоскости или с наклоном сита не более 10° при равномерном перемещении материала на сите. Если рассев проводят на подвесных ситах или ситах, расположенных на катках, то время перемещения сита из исходного положения и возвращения в исходное положение должно составлять 1 - 2 с.

Рассев считают законченным, если выход подрешетного продукта в течение 1 мин будет составлять менее 1 % массы топлива, поданного на сито. При использовании комплекта сит необходимо учитывать подрешетный продукт нижнего сита.

Не допускается продавливать отдельные куски через отверстия сита, но куски размером свыше 100 мм допускается выбирать вручную и отделять во избежание их измельчения.

1.6. Рассев топлива крупностью 3 мм и менее или 1 мм и менее ведут на механическом встряхивателе сухим или мокрым способом. 1.7. При сухом рассеве пробу топлива помещают на верхнее сито, закрывают его крышкой и включают встряхиватель. Рассев ведут в течение 25 мин. После этого сетку каждого сита снизу очищают щеткой, топливо добавляют в подрешетный продукт данного сита и пробу подвергают контрольному рассеву в течение 1 мин. Снова очищают сетку каждого сита. Надрешетный продукт каждого сита переносят в отдельную емкость. 1.8. При мокром рассеве на верхнее сито встряхивателя подают предварительно смоченное топливо массой не более 1 г на 1 см2 сетки.

Включают встряхиватель и пробу непрерывно поливают водой. Рассев считают законченным, если вода, прошедшая через нижнее сито, не содержит частиц топлива.

При рассеве на наклонном встряхивателе с открытой поверхностью сит топливо и воду подают на верхнее сито; рассев на верхнем сите заканчивают после того, как вода, прошедшая через него, не будет содержать частиц топлива. Затем воду подают на следующее сито и ведут рассев, как указано выше.

Надрешетный продукт с каждого сита переносят в отдельные емкости. Подрешетный продукт после нижнего сита осаждают, при этом допускается применять флокулянты. Все продукты рассева сушат.

1.9. Полученные при рассеве классы крупности раздельно взвешивают. При необходимости от каждого класса крупности выделяют пробы, для определения массовой доли общей серы и фракционного состава, зольности - для углей, удельной теплоты сгорания - для сланцев.

Массовую долю общей влаги в рабочем состоянии топлива определяют, если проба перед рассевом не подвергалась сушке.

В топливе крупностью более 25 мм могут быть определены составляющие компоненты - уголь или сланец, сростки и минеральные примеси.

Пробы хранят до конца испытания.

Формы связи влаги с материалом - Физико-химические основы горения

Похожие статьи