книги из ГПНТБ / Кашкаев, И. С. Производство глиняного кирпича учеб. пособие

Г л а в а X

ТОПЛИВО, ПРИМЕНЯЕМОЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КИРПИЧА

§ 46. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТОПЛИВЕ И ЕГО КЛАССИФИКАЦИЯ

Топливом, по определению Д. И. Менделеева, называются го­ рючие вещества, сжигаемые для производства тепла. Далеко не все вещества, способные выделять тепло при соединении с кисло­ родом, можно считать топливом. Только те вещества принято на­ зывать топливом, которые удовлетворяют следующим особым тре­ бованиям:

продукты сгорания топлива должны быть газообразными; это создает возможность гибкого управления процессом сгорания и использования тепла, получаемого при сгорании топлива;

продукты сгорания должны быть безвредными (в процессах, где используется теплота сгорания) для обслуживающего персо­ нала и аппаратуры, а также для животного и растительного мира при выбрасывании продуктов сгорания в окружающее простран­ ство.

Этим требованиям удовлетворяет топливо, содержащее химиче­ ские элементы — углерод С и водород Н, а также их соединения, которые, как правило, имеют органическое происхождение. Такие вещества, как алюминий, сера, фосфор и другие, выделяющие мно­ го тепла при соединении с кислородом, не могут быть причислены к топливу.

Основным поставщиком топлива является органический мир земного шара. Топливо в его естественном виде не всегда может удовлетворять предъявляемым требованиям, а потому часто его предварительно обрабатывают, в результате чего появляются раз­ личные искусственные виды топлива.

Большинство разновидностей твердого, жидкого и газообраз­ ного топлива применяют для отопления кольцевых и туннельных кирпичеобжигательных печей. Выбор того или иного вида топлива базируется в основном на технологических особенностях режима обжига и конструкции печи, но с учетом технико-экономических ха­ рактеристик самого топлива и местных условий.

Для кольцевых и туннельных печей целесообразно использовать природный газ, если данный район газифицирован и подача газа не лимитируется. Весьма ценным топливом для печей является мазут.

В современных туннельных печах процессы сжигания топлива должны обеспечивать автоматическое регулирование теплового ре­ жима. Наиболее просто это выполняется при сжигании газообраз­ ного топлива, несколько сложнее — при сжигании мазута и совсем не выполняется при применении твердого топлива, сжигаемого в рабочем канале кирпичеобжигательнон печи.

180

Это положение очень важно при выборе топлива для обжига

кирпича.

К характеристике топлива относятся классификация по проис­ хождению и агрегатному состоянию, химический состав топлива и количество тепла (теплота сгорания), которое выделяется при сгорании топлива.

В основу классификации положено физическое состояние и про­ исхождение топлива. Общая классификация различных видов топ­ лива приведена в табл. 23.

§47. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И М АССА ТОПЛИВА

Всостав топлива входят дза основных горючих элемента — углерод С и водород Н. Эти горючие элементы находятся в топ­ ливе в виде соединений один с другим. В связанном с ними состоя­

нии находится также кислород 0 2, азот N2 и сера S. Соединения из пяти перечисленных элементов принято условно называть горю­ чей массой топлива.

В состав твердого и жидкого топлива почти всегда входят зо­ ла А и влага W. Эти примеси топлива принято называть баллас­ том.

У г л е р о д С — главная горючая составляющая топлива. Со­ держание углерода в топливе колеблется от 50%' (в древесине) до 97% (в антраците). При полном сгорании 1 кг углерода выделя­ ется 7850 ккал. Большое количество углерода увеличивает тепло­ ту сгорания топлива и обусловливает его горение коротким пла­ менем и трудную возгораемость.

В о д о р о д Н2 в топливе содержится от 1%' (в антраците) до 25% (в природном газе). При сгорании водорода образуется вла­ га. Количество тепла, выделяемого при горении водорода, зависит от состояния продуктов горения (жидкого или парообразного) и составляет при сжигании 1 кг водорода соответственно 28 750 и 34 150 ккал.

Наличие водорода обусловливает выделение при горении смо­ листых соединений, дающих растянутое коптящее пламя.

181

К и с л о р о д 0 2 уменьшает горючую часть топлива, вследствие чего снижается его теплота сгорания. Содержание кислорода в раз­ личных видах топлива изменяется в пределах от 0 %' (в природном газе) до 44% (в древесине). При сжигании топлива кислород участ­ вует в реакциях горения, образуя Н20, С 02 и другие продукты. Большое содержание кислорода в некоторых бурых углях служит причиной их самовозгорания при хранении.

Аз от N2 является балластом топлива и при сжигании целиком переходит в продукты сгорания. Азот содержится в топливе в не­ большом количестве — от 0,3—-2,0%' (в твердом топливе) до 14,5% (в природном газе Бугурусланского месторождения).

С е р а S в твердом топливе содержится в виде органических соединений (органическая сера обозначается S0), сернистых соеди­ нений с железом (колчеданная сера FeS2 обозначается SK) и сер­ нокислых соединений в виде сульфатов (сульфатные CaS04, FeS04 обозначаются Sc).

Сера в топливе является вредной составляющей. Это объясняет­

(вентиляторов, вагонеток и др.). Кроме того, сернистый и серный газы, выбрасываемые с продуктами сгорания топлива в атмосфе­ ру, оказывают вредное действие на здоровье людей, а также на окружающий животный и растительный мир.

З о л а А представляет собой остаточный продукт, получаемый при полном сгорании топлива. Она является результатом раз­ ложения и частичного окисления минеральных примесей топлива. К таким примесям относятся: глины (А120 3 • 2Si02 -2H20 ) , сво­ бодный кремнезем (Si02), карбонаты (CaC03, MgC03, FeC03)y

сульфаты (CaS04 и MgS04), закиси и окиси металлов, хлориды и т. д.

Содержание золы в твердых топливах изменяется в широких пределах: от 1—2% (з древесном топливе) до 70%' (в горючих сланцах); в жидком топливе — до 1 %.

Впроцессе горения топлива минеральные примеси могут из твердого состояния переходить в жидкое. Плавкость золы, как ее основное свойство, определяется составом и температурными ус­ ловиями процесса горения.

Взависимости от температуры плавления различают золы: ту­

удаляемую с поверхностей. Легкоплавкая зола в процессе сгорания

его теплоту сгорания. На испарение влаги тратится часть теплоты, выделяемой при сгорании топлива. Влага топлива делится на внеш­ нюю (физическую) Wra (%) и внутреннюю (гигроскопическую)

182

Wrp (%'), сумма которых составляет рабочую влажность:

1ГР = W7BH+ 1^Гр, %■

В зависимости от элементарного состава топливо условно ха­ рактеризуется различными массами: рабочей, сухой, горючей и органической. Каждая из этих масс определяется компонентами,

включаемыми в нее.

Сумма содержания золы и влаги дает содержание балласта. Топливо, добытое из недр и доставленное потребителю без из­

менения, характеризуется рабочей массой.

Путем искусственного высушивания топлива при ^ 1 0 5 ° С мож­ но удалить из рабочей массы топлива всю содержащуюся в нем влагу. В этом случае состав топлива характеризуется абсолютно сухой массой.

Горючая масса топлива равна весу рабочей массы за вычетом балласта. Горючая часть топлива состоит только из углерода, во­ дорода и серы. Известно, что азот является инертным газом, а кис­ лород принимает участие в горении, но сам не горит. Однако азот и кислород находятся в связанном состоянии с другими элемента­ ми топлива, поэтому их включение в состав горючей массы условно.

Горючая масса является наиболее устойчивым составом топ­ лива.

Органическая масса топлива состоит из горючей части за вы­ четом серы.

§48. ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА, УСЛОВНОЕ ТОПЛИВО

ИТОПЛИВНЫЕ ЭКВИВАЛЕНТЫ

При сгорании топлива выделяется теплота. Количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидко­

(раньше эта величина называлась теплотворной способностью или теплотворностью). Ее размерность в международной системе еди­ ниц СИ: для твердого и жидкого топлива — кдж/кг, а газообраз­ ного топлива — кдж/м3.

В науке и технике в качестве единицы количества теплоты по­ лучила весьма широкое распространение международная калория

1 кал = 4,187 дж; 1 ккал = 4,187 кдж.

Теплоту сгорания топлива обычно обозначают буквой Q с соот­ ветствующим индексом о, г, с или р (например, Qp— теплота сго­ рания рабочей массы).

Различают высшую QB и низшую QHтеплоту сгорания топлива. Высшая теплота сгорания соответствует условию, при котором водяные пары, находящиеся в продуктах сгорания, доводятся до

жидкого состояния.

В практических условиях сжигания топлива водяные пары не конденсируются, а удаляются из печи в виде пара с другими про­

183

дуктами сгорания и инертными газами в атмосферу. С целью при­ ближения к реальным условиям сжигания топлива введено поня­ тие низшей теплоты сгорания. Ее величину получают, вычитая из высшей теплоты сгорания теплоту парообразования влаги, как содержащейся в топливе, так и образующейся при его сжигании.

Зная состав топлива, можно рассчитать его теплоту сгорания. Если неизвестен химический состав топлива, а известен лишь род топлива, низшую теплоту сгорания его можно определить, ис­ ходя из теплоты сгорания горючей массы топлива по приближенной

формуле.

После определения в лабораторных условиях завода влажности и зольности твердого топлива Q£ находят из выражения

П р и м е р . Определить низшую теплоту сгорания подмосковного угля, если известно, что зольность его Лр= 25% и влажность W? = 35%.

Для сравнения и оценки разных видов топлива по их тепловой ценности и решения вопроса о замене одного топлива другим, а также составления норм расхода топлива и планов его потребле­ ния используют понятие об условном топливе и топливных экви­ валентах различных видов топлива.

Под условным топливом понимают такое топливо, которое при сгорании выделяет 7000 ккал/кг.

Любое топливо может быть пересчитано на условное:

184

где Оусл, G„ — массы условного и натурального топлива, кг.

ископаемое топливо. Ископаемое твердое топливо подразделяется на торф, бурый и каменный уголь, антрацит и горючие сланцы.

Древесное топливо при производстве кирпича применяют в ос­ новном для розжига печи и в виде опилок, вводимых в состав шихты.

В древесине практически отсутствует сера. Зольность сухой массы древесного топлива незначительна (Ас= 1 —2 %).

Торф применяют для обжига кирпича в кольцевых печах. Торф отличается низкой теплотой сгорания и малой механической проч­ ностью, поэтому его используют вблизи мест добычи. Содержание влаги в свежедобытом торфе достигает 80—82%' в сухих залежах и до 95% в мокрых. Свежедобытый торф сушат на открытом воз­ духе в течение 1—2,5 месяцев.

Торфяное топливо с теми влажностью и зольностью, с которыми оно поступает потребителю, называется натуральным торфяным топливом. Количество сухой массы в нем в зависимости от влаж­ ности различно. Поэтому все массовые расчеты по поставкам торфа ведут по условной влажности (33%' для кускового и 40% для фре­ зерного торфа).

Бурые угли (марки Б) являются неспекающимися углями и ха­ рактеризуются значительно меньшей, чем каменные угли, теплотой сгорания, объясняющейся большим содержанием балласта (влаж­ ность W p = 20—40%, зольность Ар = 1 5 —30%); высоким выходом летучих (Vr>40%'); повышенным содержанием кислорода и азота. Бурые угли легко теряют на воздухе механическую прочность и обладают повышенной способностью к самовозгоранию. Бурые уг­ ли используют как местное топливо.

Бурые угли в зависимости от содержания в них влаги разделя­ ются на три группы: Б 1 — Wp больше 40%, Б2 — \Ур = 30—40%!,

БЗ — \Vp = до 30 %'.

В зависимости от размера куска бурые угли подразделяют на классы, которые приведены в табл. 25.

185

Т а б л и ц а 25

Классификация бурых углей по размеру куска

Каменные угли разделяются на шесть марок, различающихся между собой выходом летучей части, степенью спекаемости, проч­ ностью и внешним видом коксового остатка (табл. 26).

Т а б л и ц а 26

Классификация каменных углей по выходу летучих и степени спекаемости

Каменные угли в основной массе представляют собой спекаю­

Каменные угли характеризуются большей устойчивостью про­ тив выветривания и самовозгорания.

В Кузбассе добывается уголь, свойства которого близки к свой­ ствам углей марок ПЖ и К, но отличаются от них слабой спекаемостью. Такой уголь маркируется буквами СС.

По крупности кусков каменные угли марок, Д, Г, Т и СС клас­ сифицируются так же, как и бурые. Для их условного обозначе­ ния к наименованию класса впереди приписывается название мар­ ки, например ДК (длиннопламенный крупный).

186

Антрациты являются неспекающимися углями. Они дают наи­ меньший выход летучих (Vr = 2—9%), трудно загораются. Весьма малое содержание водорода (Ы2 = 1,8 %') обусловливает меньшую, чем у некоторых каменных углей, теплотворность. Содержание влаги Wp?k 6 %, зольность Ар =15—20%. Зола, как правило, лег­ коплавкая.

Антрациты отличаются постоянным составом и поэтому клас­ сифицируются исключительно по размерам куска (табл. 27).

Т а б л и ц а 27 •

Классификация антрацита по размерам куска

Горючие сланцы являются самым низкосортным твердым топ­ ливом. Обладая высокой теплотой сгорания горючей массы (Q£

до 9000 ккал/кг), сланцы из-за высокой зольности (Ар д о 70%') представляют малоценное рабочее топливо.

Хранение твердого топлива

Ископаемое твердое топливо при длительном хранении на от­ крытом воздухе выветривается и может самовозгораться.

В результате выветривания угли и горючие сланцы теряют ме­ ханическую прочность, измельчаются, их теплота сгорания сни­ жается. В наибольшей степени подвержены выветриванию молодые каменные угли (марки Д и Г), бурые угли и горючие сланцы.

Кроме механических потерь при хранении вследствие раструс­ ки, распыления и т. д., возможны значительные потери угля от са­ монагревания и самовозгорания, вызывающих значительное ухуд­ шение свойств некоторых сортов каменных углей при хранении. Самонагревание и самовозгорание углей зависят от целого ряда их свойств, к числу которых относятся крупность, состав, строение и влажность угля, внешние условия, продолжительность хранения

и т. д.

При хранении каменный уголь поглощает кислород, причем различные сорта углей — с различной интенсивностью. Этим и обу­ словлена различная степень их воспламеняемости. Некоторые сор­ та топлив начинают энергично поглощать кислород уже при тем­ пературе 30—50° С.

187

При неправильном хранении угля, способствующем его энер­ гичному окислению, снижается теплота сгорания и изменяются некоторые свойства угля. Чем выше в топливе содержание летучих, тем интенсивнее идет процесс окисления. Активность процесса по­ вышается с уменьшением частиц угля, так как при этом возрастает общая поверхность соприкосновения с кислородом. Увеличение влажности воздуха и топлива способствует ускорению окисления.

Чем дольше хранится топливо, тем выше потери теплоты сгора­

ся содержание кислорода.

Во время окисления выделяется тепло. При интенсивном про­ текании процесса потери тепла в окружающую атмосферу и почву недостаточны и температура штабеля повышается.

Для предупреждения возгорания угля необходимо хранить его в определенных условиях. Преимущественно распространено хра­ нение угля на складах в открытых штабелях. Угольный склад дол­ жен быть в сухом и высоком месте. Уголь хранят в штабелях оп­ ределенной высоты, раздельно по маркам и сортам.

Для устойчивых углей (антрацита, тощих углей) размеры шта­ белей не ограничены. Для углей средней устойчивости и неустой­ чивых (каменные угли ПЖ, ПС, Д, Г, СС, К и бурые угли) высота штабеля не должна превышать 2,5 м, а ширина — не более 20 м.

Чтобы предупредить проникновение воздуха внутрь штабеля, его наружные поверхности уплотняют катками. В случае повыше­ ния температуры в штабеле до 40° С его дополнительно уплотняют и покрывают поверхности штабеля слоем глины. Если температура угля в какой-либо точке поднялась до 60—70° С, то разогревшийся уголь из штабеля удаляют, охлаждают и направляют потребителю.

Жидкое топливо

В качестве жидкого топлива в кольцевых и туннельных печах используют мазут, который представляет собой отход переработки сырой нефти. Органическая масса мазута состоит из углерода и водорода и ничтожно малого внутреннего балласта (O2+ N2), что в сочетании с отсутствием внешнего балласта (Ap + Wp) обуслов­ ливает высокую теплоту сгорания мазута..

Важными характеристиками мазута являются температура за­ стывания, температура вспышки и вязкость. Условной вязкостью называется отношение времени истечения 200 мл испытуемой жид­ кости при данной температуре ко времени истечения равного объе­ ма воды при 20° С. Вязкость в значительной степени снижается при повышении температуры мазута. Поэтому для перекачивания и сжигания в форсунках мазут необходимо подогревать. Во из­ бежание пожара подогревать мазут следует до температуры более низкой, чем температура вспышки, т. е. такой, при которой вспы­

188

хивают на воздухе при приближении открытого огня выделяющие­ ся из мазута пары.

Данные о вязкости, температуре застывания и вспышки мазута (по ГОСТ 10585—63) приведены в табл. 28.

Т а б л и ц а 28

Характеристика мазута

Низшая теплота сгорания мазута в зависимости от его состава и содержания влаги колеблется в пределах 9000—9800 ккал/кг.

Хранение мазута

Мазут хранят в закрытых бетонных или железобетонных резер­ вуарах подземного и полуподземного типов. На складе преду­ смотрено не менее двух резервуаров, каждый из которых оборудо­ ван устройствами для подогрева топлива, приспособлениями для безопасной и удобной эксплуатации (указателем уровня, спускной и вытяжной трубами, лазами для очистки, внутренними лестница­ ми и т. п.), а также противопожарными средствами.

Топливо подают к печи насосами, которых должно быть не ме­ нее двух. Перед насосами установлены фильтры, в которых топливо очищается от механических примесей.

Газообразное топливо

Газообразное топливо отличается от жидкого и твердого рядом преимуществ, важнейшими из которых являются: легкое и удобное регулирование процесса горения и возможность полной механиза­ ции и автоматизации его, простота топливного хозяйства и обору­ дования; отсутствие золы при сжигании; лучшие санитарно-гигие­ нические условия труда обслуживающего персонала. Все это при­ вело к тому, что газообразное топливо постепенно вытесняет на кирпичных заводах топливо других видов.

180