Свойства и технологические характеристики твердого топлива. Сыпучесть

Лекция 8 Свойства и технологические характеристики твердого топлива Сыпучесть Сыпучесть - это способность кусков и частиц топлива перемещаться относительно друг друга и прилегающих поверхностей под действием силы тяжести. Данное свойство используется в устройствах для транспортировки топлива на электростанциях. Показатели сыпучести. Перемещение кусков и частиц внутри слоя топлива под действием внешней силы представляет собой сдвиг материала в плоскостях, где эти силы создают наибольшие напряжения. Следовательно, сыпучесть можно охарактеризовать через сопротивление сдвигу. В качестве показателя сыпучести применяют два варианта коэффициента трения. Первый из них - коэффициент внутреннего трения, характеризующий силы сопротивления движению, действующие внутри слоя топлива. Второй вариант - коэффициент внешнего трения, отражающий сопротивление при движении слоя топлива по поверхности определенного конструкционного материала. Помимо коэффициентов трения в качестве показателей сыпучести топлива широко применяются углы естественного откоса, измерение которых намного проще, чем сил трения. Для углов естественного откоса также существует два варианта методики измерений. Когда откос формируется движущимся сыпучим материалом, например высыпаемым из поднятого сосуда (рис. 1 а), угол откоса называется динамическим βД. Второй вариант - обрушение части слоя, находившегося в неподвижном состоянии, после того как удалена одна из подпиравших его стенок (рис. 1 б). В этом случае угол откоса называется статическим βC или углом обрушения. Этот угол для топлива обычно меньше, чем динамический угол естественного откоса. Рис.1. Определение динамического (а) и статического (б) углов естественного откоса Увеличение коэффициентов трения и углов естественного откоса означает ухудшение сыпучести топлива. При m >> 1 и при β > 60° в работе системы топливоподачи ТЭС возникают серьезные затруднения. Полная потеря топливом сыпучести характеризуется значениямβ> 90°. Гранулометрический состав Гранулометрический состав - это количественная характеристика топлива по размеру кусков (частиц). Определение гранулометрического состава топлива на электростанциях проводится главным образом путем рассева проб на контрольных ситах (ситовый анализ). В тех случаях, когда потребители нуждаются в топливе определенной крупности, топливо сортируют по размерам кусков с помощью специальных сит большого размера, приводимых в движение особыми механизмами - грохотами. Совокупность кусков (частиц), размеры которых определяются размерами отверстий в ситах, используемых для сортировки топлива, называют классом крупности. Выход определенного класса крупности - это отношение его массы к сумме масс всех классов, полученных при рассеве данной партии или пробы топлива. Стандартом установлены следующие границы размеров кусков, названия и обозначения классов крупности топлива. Название класса Условное обозначение Размеры кусков, мм Плитный П 100 Крупный К 50 – 100 Орех О 25 – 50 Мелкий М 13 – 25 Семечко С 6 – 13 Штыб Ш 0 – 6 Рядовой Р 0 - 200 (300) Класс Р - это топливо, не подвергавшееся рассеву (грохочению). Допускается объединение соседних классов, т.е. установление классов крупности с расширенными границами размеров кусков, например, класс МС будет состоять из кусков размерами 6 - 25 мм, а класс МСШ - 0 - 25 мм. Тепловые электростанции обычно получают либо рядовое топливо (класс Р), либо наиболее мелкие классы крупности (Ш, СШ, МСШ). Ситовый анализ. Ситовый анализ твердого топлива - это способ определения гранулометрического состава путем рассева его пробы на лабораторных ситах. Минимальная масса m (кг) пробы, подвергаемой рассеву, зависит от максимального размера кусков топлива Dмм. Если проба имеет высокую влажность и по этой причине куски топлива слипаются или прилипают к ситу, его перед рассевом подсушивают при 40°С (каменные угли и антрациты можно сушить при 100°С). Рассев производят на ситах из металлического листа с круглыми или квадратными отверстиям либо из плетеной проволочной сетки. Характеристикой сита в любом случае служит размер отверстий. Стандартом предусмотрены определенные ряды сит, различающихся размерами отверстий: от 0,063 до 300 мм. Рассев начинают на сите с наибольшим размером отверстий и считают его законченным, когда в течение 1 мин через сито проходит менее 1% массы топлива, поданного на сито. Рассев обычно проводят на нескольких ситах с последовательно уменьшающимися размерами отверстий. По результатам рассева рассчитывают выход классов крупности (%) На ТЭС ситовый анализ чаще всего проводится для определения гранулометрического состава топлива после подготовки его к сжиганию, которая заключается в размоле с одновременной частичной сушкой. В этом случае ситовый анализ является средством контроля тонкости помола топливной пыли, позволяющим поддерживать ее в оптимальных пределах, чтобы обеспечить достаточно полное сгорание частиц топлива в топке при минимальном расходе энергии на размол. В целом методика ситового анализа топливной пыли соответствует изложенному выше стандарту, но имеет некоторые особенности, в частности специфические термины. Пробу пыли массой 25 г рассеивают одновременно на нескольких ситах, расположенных друг над другом (рис. 2). Встряхивание сит производят с помощью специальной рассевочной машины. Применяются плетеные сита стандартного ряда с размерами отверстий от 0,04 до 2,5 мм. Выходы классов крупности, выраженные в процентах от общей массы всех классов, называют остатками на ситах. При этом в виде индекса указывают размер x отверстий (ячеек) данного сита в микрометрах. Различают полные и фракционные остатки. Полный или суммарный остаток Rx - это выход класса крупности с размерами частиц свыше x. При рассеве по схеме на рис. 2 полному остатку соответствует надрешетный продукт первого (верхнего) сита. Рис.2. Схема определения фракционных Fxi/xi+1 и полных остатков Rxi на ситах с размерами отверстий x1 - x3 Для других классов крупности, которые прошли через одно или несколько сит, остаток на очередном сите называется фракционным и обозначается Fx1/x2, где x1 и x2 - размеры отверстии в ситах, которыми определяются границы размеров частиц данного класса крупности. Иначе говоря, Fx1/x2 - это доля массы топливной пыли, приходящаяся на частицы с размерами от x1 до x2. Например, F90/200 = 20% означает, что 20% массы пробы пыли составляют частицы размерами 90 - 200 мкм. При известных фракционных остатках легко рассчитать полный остаток на любом заданном сите, суммируя полный остаток на верхнем сите с фракционными остатками на последующих ситах, включая заданное. Так, для набора сит, показанного на рис. 2. полный остаток на сите с размером ячеек x1 определяется суммой Rx1 = Rx2 + Fx1/x2 + Fx1/x2. По полным остаткам на двух ситах легко рассчитать фракционный остаток с интервалом размеров частиц, определяемым этими ситами, например (рис. 3) Fx1/x2 = Rx1 - Rx2 Частицы топлива менее 0,04 - 0,06 мм разделять на ситах не удается из-за отталкивающего действия электростатических сил, возникающих от наэлектризованности частиц, а также из-за замазывания ячеек топливом при невысокой его прочности. В условиях электростанций определять содержание классов крупности менее 0,06 мм целесообразно расчетными методами, исходя из найденных ситовым анализом остатков R63 и R125. Существуют также экспериментальные методы, основанные на измерении скорости падения частиц в жидкости (воде) или воздухе. Ситовые характеристики. Результаты ситового анализа представляют в виде графиков, называемых ситовыми характеристиками. Графика зависимости суммарного выхода надрешетного продукта (полного остатка Rx) от размера отверстий сита x представлен на рис. 3). Рис.3. Кривая полных остатков (зависимость выхода суммарного надрешетного продукта от размеров отверстий сита). Кривая полных остатков позволяет находить Rx при любом x (на графике показаны два значения, относящиеся к x1 и x2). С помощью такого графика удобно определять выходы любых классов крупности (т.е. фракционные остатки). Например, массовая доля частиц с размерами от x1 до x2 будет определяться как Fx1/x2 = Rx1 - Rx2. Наконец, по кривой полных остатков удобно определять максимальный размер частиц в пробе xМАКС, как это показано на рис. 3. В некоторых случаях помимо кривой полных остатков строят также кривую фракционных остатков, схематично показанную на рис. 4 вместе с соответствующей кривой полных остатков. Строить зависимость Fx1/x2 от x не имеет смысла, так как на фракционный остаток сильно влияет произвольно задаваемая длина интервала размеров частиц Dx = x2 - x1. Поэтому, чтобы исключить влияние Dx, на график вместо F x/(x+Dx) наносят частное от деления фракционного остатка на Dx. Рис.4. Кривая фракционных остатков. Кривая фракционных остатков удобна тем, что наглядно показывает наиболее характерный для данной пыли размер частиц xm. Ему соответствует максимум на этой кривой. По форме графика судят о степени однородности пыли по размерам частиц: чем пыль однороднее, тем резче выражен максимум. Обобщенные показатели гранулометрического состава топливной пыли. Ситовые характеристики дают полное представление о гранулометрическом составе топлива, но пользоваться ими не всегда удобно. Для практических целей вместо графиков предпочтительнее числовые показатели тонкости помола пыли, определяемые на основе полу эмпирического уравнения, описывающего кривую полных остатков: В этом уравнении содержится два параметра (b и n), которые рассчитывают по результатам ситового анализа. Параметр n, называемый коэффициентом полидисперсности топливной пыли, отражает степень неоднородности частиц по размерам: с увеличением однородности он увеличивается. Значение n определяется в основном конструкцией мельницы и режимом размола, обычно он составляет 0,6 - 1,3. Параметр b характеризует общую степень измельченности топливной пыли и изменяется в диапазоне от 0,0025 для самого грубого помола до 0,1 для наиболее мелкого. Чтобы рассчитать b и n, достаточно определить экспериментально остатки Rx1 и Rx2 на двух ситах с размерами отверстий x1 и x2 (чаще всего берут сита 90 и 200 мкм или 200 и 1000 мкм). Записав уравнение дважды - для одного и для другого сита, получаем систему из двух уравнений с двумя неизвестными. Решение этой системы относительно n дает формулу Вместо параметра b на электростанциях чаще пользуются более наглядным критерием степени измельченности топливной пыли - полным остатком на каком-либо сите, обычно R90 или R200. Такой подход не меняет существа дела, поскольку величины Rx, b и n связаны между собой уравнением, по которому можно рассчитать любую из них, если заданы остальные две. Механическая прочность Прочность является важной технологической характеристикой топлива, потому что от нее зависят самопроизвольное его измельчение при транспортировке; количество энергии, расходуемой на дробление и размол, а также интенсивность износа оборудования, соприкасающегося с топливом (рабочих органов дробилок, мельниц, топливопроводов и т.п.). Прочность топлива определяется в первую очередь. молекулярным строением его органической части, т.е. происхождением и степенью углефикации. На нее влияют также петрографический состав, а в некоторых случаях и присутствующие в топливе минеральные примеси. Определение прочности топлива. Существует ряд методов определения прочности топлива при отдельных видах механических воздействий: сжатии, ударе, истирании. Однако в процессах транспортировки, дробления, размола топливо одновременно подвергается воздействиям разного рода. Применительно к таким комплексным воздействиям прочность топлива испытывают комплексными методами, из которых чаще всего применяется метод барабанной пробы. Сущность этого метода заключается в определении количества мелочи, которая образовалась из пробы топлива в результате механических воздействий, возникающих во время вращения этой пробы в стальном барабане при строго определенных условиях. Размолоспособность. Из различных показателей прочности топлива для ТЭС наибольший интерес представляет его размолоспособность - критерий, характеризующий энергозатраты при размоле данного топлива. Разумеется, такие энергозатраты зависят не только от прочности топлива, но и от достигаемой степени измельчения топливной пыли. Поэтому расход энергии на размол относят не к количеству полученной пыли, а к такой ее характеристике, которая однозначно связана с работой измельчения. Данной характеристикой является площадь S новой поверхности частиц, образующейся в процессе размола. К использованию в Россия принят так называемый лабораторный относительный коэффициент размолоспособности GrVTI, предложенный ВТИ. Коэффициент размолоспособности показывает, во сколько раз удельный расход энергии на образование единицы площади новой поверхности при размоле данного топлива (Э/S) меньше, чем топлива, принятого за эталонное ( ЭЭТ = SЭТ), т.е. Принятые стандартом условия размола топлива при его испытании обеспечивают практически одинаковый суммарный расход энергии независимо от вида топлива, поэтому приравнивают Э = ЭЭТ. Следовательно, коэффициент размолоспособности определяется соотношением площадей В качестве эталонного принято топливо (близкое по свойствам к антрацитовому штыбу), которое при размоле в стандартных условиях дает R90 = 70%. Формула, по которой определяют коэффициент размолоспособности: Абразивность топлива Под абразивностью понимают способность топлива производить постепенное поверхностное разрушение (истирание) конструкционных материалов, с которыми соприкасается движущийся топливный слой. Такое свойство топлива приводит к износу рабочих поверхностей дробилок и мельниц, повреждению топливопроводов и т.п. В наибольшей степени от абразивности топлива страдают мельницы. В соответствии с этим для сравнительной количественной оценки абразивных свойств различных топлив чаще всего применяются методы, основанные на определении износа мелящих тел при пробном размоле испытуемых топлив в строго определенных условиях. В России бычно пользуются методом, разработанным Центральным котлотурбинным институтом (ЦКТИ), который заключается в следующем. Топливо размалывается с помощью упрощенной лабораторной модели быстроходно-бильной мельницы. При определенном начальном состоянии топлива и фиксированном режиме работы мельницы определяют износ (потерю массы DG) мелющих элементов за некоторый промежуток времени. Отношение этой величины к работе А, затраченной на привод мельницы в тот же период, принимают за коэффициент износа, г/кВт·ч): KЭ = DG/A Значения относительного коэффициента абразивности для различных топлив изменяются в пределах от 0,7 (канско-ачинский бурый уголь) до 3,0 г/(кВт·ч) (донецкий АШ). Средними по абразивности считают топлива, для которых КЭ = 0,8 + 1,5 г/(кВт·ч). Абразивные свойства топлива зависят от твердости и прочности органических и минеральных его компонентов, а также от размеров и формы топливных частиц. Абразивность топлив повышается, в частности, при увеличении содержания в нем пирита, минеральных примесей типа песка, при угловатой, с острыми гранями, форме частиц.