Характеристики и свойства твердого топлива

К твердым топливам для тепловых электростанций относятся угли и
продукты их переработки, горючие сланцы и торф. В топливном балансе
ТЭС соотношение этих видов топлива таково: уголь – 94%, горючие сланцы - 4%, торф - 2%. Характеристики основных углей, сжигаемых на ТЭС,
приведены в табл. 1.1.

Для правильного выбора параметров оборудования топливно-транспортного хозяйства, обеспечения его надежной и эффективной работы необ­ходимо знание таких свойств твердого топлива, как гранулометриче­ский состав, плотность, сыпучесть, смерзаемость, абразивность, склон­ность к самовозгоранию и др.

Гранулометрический (фракционный) состав топлива — это характеристика крупности его кусков. От него зависит выбор технических пара­метров ряда устройств (решеток на приемных бункерах разгрузочных устройств, грохотов, дробилок, конвейерных лент и др.). Крупность частиц топлива определяют рассевкой пробы на стандартных ситах (гро­хотах) с размером ячеек 150, 100, 50, 25, 13, 6, 3, 0,5. Обычно сита собирают в комплект, располагая, их друг под другом с убывающими сверху вниз ячейками. Дно выполняют глухим. На верхнее сито поме­щают пробу топлива, и весь комплект встряхивают с помощью специаль­ной рассевочной машины. После этого определяют остаток на каждом сите и на дне и выражают его в процентах первоначальной массы пробы. Получаемые на всех ситах остатки, кроме верхнего, называют фракцион­ными и обозначают буквой F с индексом, указывающим размер ячеек данного x_i-1 и предыдущего x_i сита - . Таким образом, фракция - это массовая доля топлива в некотором интервале размеров частиц.

Полный остаток на каком-либо сите равен сумме фракционных остатков на данном сите и на всех других более крупных ситах. Он обозначается R_x, где индекс х указывает размер ячейки сита в миллиметрах. В результате рассевки проба топлива разделяется на фракции 0-0,5; 0,5-3; 13-25; 25-50; 50-100 и более 450 мм. Остатки на ситах и слу­жат количественными характеристиками гранулометрического состава топлива.

Твердые топлива подразделяются по предельным размерам кусков
на классы крупности (сорта) - см. табл. 1.1а.

Стандарт допускает совмещаемые классы ПК, ОК, ОМ, МС при условии соотношения верхних пределов не более 1:4 и классы ОМСШ, МСШ и СШ.

Уголь	Марка	Низшая теплота сгора­ния Qрн кДж/кг	Влажность	Зольность, %	Выход летучих веществ Vг,%	Насып­ная плот­ность , т/м3	Коэффициент раз- молоспособности kло
рабо­чая Wр	макси-мальная Wмакс	смерзания Wсм	рабо­чая Ар	макси­мальная Aмакс
Кузнецкий	Г								0,8	1,3
Кузнецкий	СС								0,87	1,99
Кузнецкий	Т								0,89	1,5
Донецкий	Д								0,83	1,13
Донецкий	Т								0,86	1,9
Донецкий	АШ								1,01	0,95
Экибастузский	СС			-			-		0,96	1,3
Карагандинский	Ж		7,5						0,93	1,4
Печорский	Д								0,92	1,15
Львовско-Волынский	Г			-	3,5		-		0,9	1,22
Черемховский	Д								0,89	1,3
Березовский	Б			-			-		0,76	1,24
Назаровский	Б			-		7,5	-		0,73	1,0
Челябинский	Б								0,84	1,3
Башкирский	Б								0,62	1,8
Богословский	Б								0,81	1,1
Подмосковный	Б								0,81	1,75
ГусиноозерскиЙ	Б			-			-		0,9	1,3
Азейский	Б			-			-		0,8	1,2
Райчихинскйй	Б								0,69	1,37
Артемовский	Б				-				0,83	0,92

Таблица 1.1. Характеристика основных углей, сжигаемых на ТЭС

Таблица 1.1а. Названия классов, их обозначения и размеры кусков (ГОСТ 19242-73)

При маркировке углей класс крупности проставляют после условного обозначения марки, цифрами в скобках указывают нижний и верхний пределы крупности в миллиметрах. Например, ГР (0—200) — разовый рядовой с размером кусков от 0 до 200 мм. ТЭС получают, как правило, топливо рядового класса. У твердого топлива различают три плотности: действительную (истинную), кажущуюся (объемную) и насыпную. Действительная плотность , г/см³, — это отношение массы образца топлива m к объему V_т входящих в него твердых составляющих, т.е. беспоровой части: = m/ V_т .

Кажущаяся плотность г/см³, — это отношение массы образца объему кусков и частиц топлива, включающему объем пор и трещин в них V_общ: = m/ V_каж

При расчетах и выборе различных элементов тракта топливоподачи широко используется понятие насыпной плотности или плотности в засыпки , г/см³ или т/м³. Эта величина представляет собой массу частиц, отнесенную к единице занятого ими объема, включающего не только объем пор, но и объем промежутков между частицами в слое. Насыпная плотность определяется как отношение массы топлива, свободно насыпанного в мерный сосуд, к объему этого сосуда.

Работа всех элементов топливно-транспортного хозяйства в огромной степени зависит от сыпучести топлива. Под сыпучестью понимают подвижность частиц топлива относительно друг друга и прилегающих поверхностей оборудования под действием силы тяжести. Сопротивление движению эго топлива складывается из сопротивления трения и сцепления частицами. Следует подчеркнуть, что сыпучие материалы по своим механическим свойствам фундаментально отличаются от жидкостей. Поэтому, употребляя термин "истечение топлива", например, при выходе топлива из бункера, не следует по ассоциации подразумевать, что при этом ведет себя как жидкость. Сыпучий материал следует рассматривать как пластичное тело со специфическими свойствами.

При движении, высыпании и встряхивании топлива неоднородного гранулометрического состава происходит явление сегрегации - самопроизвольного отделения крупных фракций от мелких, приводящее к неравно­мерному распределению топлива по крупности. Сегрегацию приходится учитывать, прежде всего, при хранении топлива на складе и организации контроля качества топлива.

Рис. 1.1 Определение ди­намического (а) и ста­тического (б) углов естественного откоса

При проектировании топливоподачи и при разработке мероприятий, устраняющих затруднения в ее работе, необходимо, знание показателей сыпучести топлива. Так как одного всеобъемлющего показателя сыпучести не существует, то используется несколько показателей и в их числе: насыпная плотность, угол естественного откоса, фракционный состав, коэффициент внутреннего и внешнего трения, начальное напряже­ние сдвига.

В зависимости от способа определения различают динамический и статический углы естественного откоса. Первый из них — это угол меж­ду горизонтальной плоскостью и образующей конической поверхности кучи, насыпанной на плоскость, второй - это угол между горизонтальной плоскостью и образующей поверхности, возникающей после удаления подпорной стенки (угол обрушения) (рис. 1.1). Для определения заполняют топливом цилиндрический сосуд, накрывают его плоской пластинкой, переворачивают и осторожно поднимают над пластинкой. Чем хуже сыпучесть топлива, тем больше угол естественного откоса. Для ра­бочего топлива электростанций значения находятся в диапазоне 30-45°. При > 60° возникают затруднения в системе топливоподачи.

Коэффициент внутреннего трения f_в и коэффициент внешнего тре­ния f_о характеризуют соответственно сопротивление топлива сдвигу внут­ри слоя и сопротивление сдвигу вдоль ограничивающей поверхности. Для угля с насыпной плотностью р_н = 0,7 - 0,9 т/м³ коэффициент внутреннего трения f_в = 0,6 - 1,0, коэффициент внешнего трения по резине f_о = 0,5 - 0,7, по стали f_о = 0,3 - 0,6. Для торфа с насыпной плотностью р_н = 0,3 - 0,8 т/м³ аналогичные величины имеют следующие значения: f_в = 0,3 - 0,8; f_о = 0,5 - 0,7 (по резине); f_о = 0,4 -г 0,6 (по стали).

Рис. 1.2. Схемы трибометров для измерения силы внутреннего (а) и внешнего (б)
трения

Рис. 1.3. Зависимость усилия сдвига Т от нормальногоусилия N для идеально сыпучего материала (1) b для топлива с ухудшенной сыпучестью (2)

Для определения коэффициентов трения используют специальные приборы - трибометры (рис. 1.2). Коэффициент трения f находят как отношение усилия сдвига Т к нормальному (сжимающему трущиеся поверхности) усилию N:

f=T/N

На рис. 1.3 линия 1 относится к топливу с идеальной сыпучестью. Для него f сохраняется постоянным при изменении сжимающей нагрузки. Линия 2 относится к топливу с ухудшенной сыпучестью. Для него зна­чение f зависит от сжимающей нагрузки в некотором начальном интервале значений N. При малых N коэффициент f оказывается наибольшим, с уве­личением N он вначале уменьшается, а затем остается постоянным. На­личие нелинейного участка на кривой 2 объясняется тем, что в неидеально сыпучем материале изменение внешней нагрузки N влияет не только на сопротивление собственно трения, зависящее только от сжатия, но и на сопротивление, возникающее вследствие сцепления поверхностей и зависящее от таких факторов, как площади соприкосновения, толщина прослойки жидкости и др.

Силы сцепления между частицами называют силами когезии, а между частицами и стенкой — силами адгезии. До тех пор пока влажность топли­ва находится в пределах гигроскопической, сыпучесть его сохраняется почти постоянной, а с появлением внешней влаги и увеличением ее содер­жания она постепенно ухудшается.

Нижнюю границу влажности, при которой начинается налипание топли­ва на топливно-транспортное оборудование и застревание его по тракту топливоподачи в эксплуатационных условиях, можно назвать критиче­ской влажностью налипания.

Для большинства углей критическая влажность налипания в 3,0—3,5 ра­за больше, чем гигроскопическая влажность, в то время как максималь­ная влагоемкость примерно в 4,0—4,5 раза больше W^ГИ.

Дальнейшее увлажнение, вплоть до максимальной влагоемкости, еще несколько уменьшает сыпучесть. Значение влажности, при которой уголь практически теряет свои сыпучие свойства, называется влагой сыпучести угля. Если влажность увеличивается еще больше, то может проявляться явление текучести углей, принципиально отличное от сыпучести.

По качественному характеру сыпучести используемые в энергетике угли разделены на четыре группы (табл. 1.2).

Сыпучие свойства углей ухудшаются с увеличением зольности, особен­но если минеральная часть представлена глинистыми включениями (под­московные, башкирские и другие угли). С ростом количества мелких частиц в угле его сыпучесть также ухудшается, что связано с повышенной влажностью мелких фракций по сравнению с крупными и увеличе­нием по этой причине сил сцепления между мелкими частицами угля.

Таблица 1.2. Группы углей по сыпучести

При длительном пребывании топлива в неподвижном состоянии возникает эффект слеживания, который наиболее неблагоприятно сказывается на поведении углей III и IV групп по сыпучести.

Внешняя влага влияет на способность топлива смерзаться при отрицательных температурах. Минимальную влажность, при которой наблюдается смерзание топлива, называют влажностью смерзания. Практически для всех углей она приблизительно в 3,0-3,5 раза больше гигроскопической влажности, т.е. близка к влажности налипания. Значения влаж­ности смерзания указаны в табл. 1.1.

Надежность работы и срок службы целого ряда элементов топливоподачи зависят от механической твердости и абразивности топлива.

Механическую прочность угля характеризуют лабораторным относительным коэффициентом размолоспособности k_ло, который определяется как отношение расхода энергии на измельчение эталонного угля Э_эт в воздушно-сухом состоянии от определенной крупности до заданной тонины помола к расходу энергии на измельчение испытываемого угля Э_и в стандартной лабораторной шаровой барабанной мельнице, загружен­ной фарфоровыми шарами:

k_ло= Э_эт/ Э_и

Наиболее близок по своим показателям к эталонному углю донец­
кий уголь марки АШ.

Бурые угли в основном непрочные. Среди каменных углей наиболее прочны длиннопламенные и газовые угли, а наименее - коксовые и отощенные.

Под абразивностью понимают способность движущихся частиц топлива механически изнашивать поверхности технологического оборудования с которыми они соприкасаются. Для снижения абразивного износа детали оборудования изготовляются из легированной стали, а пересыпные устройства покрываются износостойкими материалами.

Абразивные свойства углей определяются составом их минеральной части: чем выше в угле содержание твердых минералов, тем он более абразивен. Особенно велика абразивность экибастузского угля.

Условия хранения топлива определяются склонностью его к окислению и самовозгоранию. Твердое топливо окисляется кислородом с выделением теплоты даже при невысоких температурах, например в условиях хранения на складе. Интенсивность тепловыделения Q₁пропорциональна скорости химической реакции, т.е. зависит от температуры по закону:

где k - коэффициент пропорциональности; Е - энергия активации хими­ческой реакции окисления.

Если интенсивность отвода теплоты Q₂ оказывается меньше Q₂, то происходит процесс самонагревания топлива и при достижении температу­ры воспламенения начинается самовозгорание. Время, в течение которого достигается температура воспламенения, называют инкубационным перио­дом воспламенения. Для условий хранения на открытых складах углей со средней склонностью к самовозгоранию этот период может состав­лять от нескольких недель до месяцев.

Темп повышения температуры при самонагревании топлива в первую
очередь зависит от его физико-химических свойств, присутствия катализаторов (к их числу относится влага), условий доступа воздуха к поверхности окисления, интенсивности процессов тепло- и массопереноса в
слое топлива. Классификация топлив по их склонности к окислению при­
ведена в табл. 1.7.

С точки зрения обеспечения безопасной эксплуатации тракта топливоподачи важной характеристикой является взрывоопасное твердого топлива. Взвешенная в воздухе пыль углей, сланца, торфа и полукокса (за исключением антрацита и полуантрацита) с размером частиц менее 0,2 мм образует взрывоопасную смесь и при наличии источника воспламе­нения может взорваться. Взрывоопасна пыль всех топлив с выходом ле­тучих на горючую массу 20% и выше. Нижний концентрационный предел взрываемости пыли с размером частиц менее 70 мкм составляет 05-0,15 для бурых углей и 0,1-0,25 кг/м³ для каменных.

Теплофизические свойства топлива необходимо знать при рассмотрении Процессов его смерзания, размораживания и подсушки. Они существенна 1ависят от состава топлива и условий подвода и отвода теплоты.

Теплоемкость твердого топлива определяется с приемлемой точностью как аддитивная сумма теплоемкостей его составных частей: органиче­ской массы, минеральных примесей и влаги. Средняя теплоемкость ра* ! бочего топлива с, кДж/ (кг • К), может быть найдена по формуле:

где V^с - выход летучих веществ на сухую массу, %; В^р — горючая часть топлива на рабочую массу, %.

Теплоемкость смерзшегося топлива примерно на 8-10% больше теплоемкости размороженного топлива.

Процесс распространения теплоты в твердых топливах, представляющих собой гетерогенные системы с развитой межфазной поверхностью довольно сложен. Определяющую роль при этом играет термовлагопроводность, теплопроводность жидкой и газовой фазы. Поэтому интенсив­ность распространения теплоты в слое топлива существенно зависит от влажности, на нее влияют насыпная плотность, выход летучих.

С увеличением влажности и насыпной плотности теплопроводность существенно увеличивается, а с увеличением выхода летучих горючих не­сколько снижается. Топливо с небольшой степенью метаморфизма обла­дает меньшей теплопроводностью, чем тощие угли и антрацит.

В практическом диапазоне изменения влажности и насыпной плотности угля теплопроводность изменяется в пределах 0,1—0,45 Вт/(м • к).

Поставка угля на ТЭС

Уголь поставляется на ТЭС в соответствии с прямым договором, заключаемым с соответствующим управлением Углесбыта. Качество всех видов поставляемого электростанции топлива должно соответствовать ГОСТ и техническим условиям на поставку.

В договорах на поставку твердого топлива должны быть указаны: марка топлива, группа по зольности и предельная зольность, содержание летучих, класс по крупности и максимальные размеры кусков, отсутствие в топливе посторонних включений и максимальная влажность. На электростанциях должны периодически проводиться анализы качества топлива.

Уголь доставляют на ТЭС железнодорожным, водным, автомобильным или конвейерным транспортом. Вопрос о способе доставки должен решаться на основании технико-экономических расчетов, с учетом осо­бенностей района размещения ТЭС. В СССР наиболее распространена до­ставка угля на ТЭС железнодорожным транспортом широкой колеи(1520 мм).

Подъездные пути ТЭС эксплуатируются по договору с предприятием Министерства путей сообщения, заключаемому на основании "Единого технологического процесса (ЕТП) работы подъездных путей истанций примыкания". Норма простоя вагонов с углем под разгрузкой опреде­ляется в результате расчетов в ЕТП затрат времени на следующие опера­ции: подачу маршрута с углем со станции примыкания на ТЭС; взвешивание угля; разбивку маршрута на ставки и маневровые работы на ТЭС; разгрузку вагонов с углем; сбор порожняка и его возврат на станцию примыкания.

Рис. 1.4. Железнодорожный полувагон нормальной колеи грузоподъемностью 125 т

Топливо доставляется в полувагонах, т.е. открытых вагонах (рис. 1.4). Конструктивно-технический уровень полувагонов характеризуется рядом основных параметров, к числу которых относятся грузоподъемность, коэффициент тары, число осей.

Грузоподъемность полувагона q — наибольшая масса груза, допускае­мая к перевозке. Тара полувагона q_т — собственная масса полувагона. Коэффициент тары k_травен отношению q_т/q . Кроме коэффициента тары, не полностью отражающего эксплуатационные характеристики по­лувагона, используют также погрузочный (действительный) коэффи­циент тары, учитывающий фактическое использование грузоподъемности полувагона:

■

где V — объем груза в кузове полувагона, м³; — насыпная плотность транспортируемого материала, т/м³.

По числу осей различают двух-, четырех-, шести- и восьмиосные полу­вагоны. Число осей полувагона определяется допустимой нагрузкой на ось, которая в свою очередь зависит от несущей способности железнодо­рожного пути и равна около 22 т. Характеристики полувагонов нормаль­ной колеи приведены в табл. 1.3.

Для доставки угля на ТЭС саморазгружающиеся полувагоны получили незначительное распространение, так как они применимы для перевозки относительно сухих, несмерзающихся, мелкокусковых, сыпучих топлив.

Унифицированные четырех-, шести- и восьмиосные полувагоны имеют грузоподъемность соответственно 63, 94 и 125 т (шестиосные полувагоны сняты с производства). Унифицированные полувагоны оснащены донны­ми люками, которые открываются под малыми углами (10—26 и 31—36°), что затрудняет свободное высыпание топлива гравитационным способом, поэтому полувагоны с углем разгружаются на ТЭС с помощью вагоноопрокидывателей.

Маршруты с топливом подаются на железнодорожную станцию на
территории ТЭС. Число путей на станции выбирается в соответствии с необходимым количеством маршрутов в сутки с учетом коэффициента
неравномерности движения поездов 1, 2. Количество маршрутов определяется суточным расходом топлива, который принимается исходя из
24-часовой работы всех установленных котлов при их номинальной
производительности. Вагоны с топливом взвешиваются на тензометрических железонодорожных весах на ходу без остановки состава, порожняк не взвешивается.

Для эффективной разгрузки в зимнее время вагоны со смерзшимся топливом разогреваются в размораживающих устройствах.

Маневровые операции при подаче вагонов к размораживающему и разгрузочным устройствам, при откате порожних вагонов, при формировании и отправлении разгруженных железнодорожных составов обеспечиваются путевым железнодорожным хозяйством.

Вагоны надвигаются в разгрузочное устройство электротележкой-толкателем или электровозами с дистанционным управлением. Для сбора порожних вагонов используются специальные маневровые устройства.