В каком топливе содержится максимальное количество коллоидной влаги

Влажность (в общем виде обозначается как Wi) является важнейшей технической ха­рактеристикой твердого топлива. Влага за­трудняет воспламенение топлива, снижает температурный уровень в топке, увеличивает потери тепла с уходящими газами.

Содержание влаги в топливе необходимо учитывать при выборе методов подготовки топлива к сжиганию, оборудования систем транспортировки топлива и т. д.

Содержание влаги в твердом топливе за­висит от его химической природы и геологи­ческого возраста, условий залегания пластов и способа добычи, а также от условий транс­портировки и хранения. Геологически более древние топлива (антрацит, тощий уголь) со­держат гораздо меньше влаги, чем топлива со сравнительно небольшим геологическим воз­растом (бурый уголь, лигнит, торф).

Виды влаги по характеру ее связи с то­пливом. По форме связи влаги с топливом различают следующие основные ее виды: вла­гу сорбционную, капиллярную, поверхност­ную, гидратную.

Сорбционная влага связана со способно­стью твердых топлив, относящихся к капил­лярно-пористым коллоидным телам, впиты­вать и удерживать (адсорбировать) влаїу за счет сил межмолекулярного взаимодействия, которое может иметь место как на поверхно­сти этих тел, так и в их объеме. Первое при­водит к адсорбции молекул воды на поверх­ности раздела твердой и газовой фаз и обу­словливает присутствие в топливе так назы­ваемой адсорбционной влаги. Сорбция влаги в объеме приводит к образованию коллоидно — химической (гелевой) структуры органиче­ской части топлива; входящую в эту структу­ру воду называют коллоидной влагой.

К капиллярной относится та часть влаги, которая заполняет достаточно узкие поры то­плива за счет так называемой капиллярной конденсации.

Поверхностная влага располагается на на­ружной поверхности кусков (частиц) топлива и в промежутках между кусками, если эти промежутки имеют достаточно малые разме­ры.

Гидратная влага (общее обозначение WMm) входит в состав кристаллогидратов, ко­торые присутствуют среди минеральных при­месей топлива и представлены главным обра­зом силикатами (например, Al203-2Si02-2H20 или Fe203-2Si02-2H20) и сульфатами (CaS04-2H20, MgS04-2H20). Вода в кристал­логидратах содержится в строго определен­ных стехиометрических количествах, незави­симо от общей влажности топлива и внешних условий.

Сорбционную, капиллярную и поверхно­стную влагу можно полностью удалить из то­плива путем его просушивания при темпера­туре 105…110 °С, в то время как полное уда­ление гидратной влаги может произойти только в результате химических реакций раз­ложения кристаллогидратов при температуре 700…800 °С. На гидратную влагу обычно при­ходится лишь несколько процентов содержа­ния воды в топливе.

Технологические показатели влажности топлива. При проектировании оборудования электростанций обычно используют различ­ные показатели влажности топлива, опреде­ляемые опытным путем. Наиболее важное значение имеет влажность топлива в его ра­бочем состоянии W[, %.

Существует ряд стандартных методик оп­ределения общего содержания влаги в топли­ве. Наиболее распространенный и точный из

Ч

Них — весовой метод (ГОСТ 27314). Сущ­ность его заключается в определении количе­ства влаги по потере массы пробы при полном ее высушивании на воздухе при температуре Ю5…110°С. В найденную таким способом

Общую влагу W[ не входит гидратная влага.

Обычно общую влагу Wf определяют в

Два приема (двухступенчатым способом).

На первом этапе определяется так назы­ваемая внешняя влага Wfx — часть общей

Влаги топлива, которая удаляется при высу­шивании лабораторной пробы до воздушно — сухого состояния при комнатной температуре.

На втором этапе определяется влага воз­душно-сухого топлива Wh — часть общей вла­ги топлива, которая остается в нем после вы­сушивания лабораторной пробы до воздушно — сухого состояния. Определение Wh произво­дится путем просушки лабораторной пробы (с крупностью зерен до 3 мм) при температуре 105.. .110 °С.

Общую влагу W[ находят как сумму

Внешней влаги в топливе Wfx и влаги воз — душно-сухого топлива Wh (с учетом пере­счетного коэффициента) по формуле

Wf = Wrex + Wh (100 — Wrex) /100. (4.1)

Для общего анализа (определение зольно­сти, выхода летучих веществ, теплоты сгора­ния) используется аналитическая проба топ­лива. Поэтому различают также влагу анали­тической пробы Wa — содержание влаги в пробе с крупностью зерен менее 0,2 мм.

Кроме того, существует понятие гигроско­пической влаги W™ — содержание влаги в аналитической пробе в состоянии равновесия с окружающей атмосферой при относитель­ной влажности (60 ±2)% и температуре (20 ±5) °С (ГОСТ 8719).

Обычно колебания температуры и относи­тельной влажности в лабораторных помеще­ниях невелики, а значения их близки к упомя­нутым выше величинам, вследствие чего зна­чения величин Wh, Wa и Wm различаются незначительно, поэтому в некоторых случаях

Приближенно принимают Щ= Wa~ Wm.

Твердое топливо при транспортировке (в открытых железнодорожных вагонах) и хра­нении на топливных складах (как правило, открытого типа) может подвергаться сильно­му увлажнению атмосферными осадками. Однако способность топлива удерживать в себе влагу имеет предел, называемый макси­мальной влагоемкостъю Жтах, %. Величину

WnrdX находят опытным путем (ГОСТ 8858)

Или можно оценить по приближенной форму­ле

WmSK=l + ,07Wtr, (4.2)

Где W[— влажность рабочего топлива, %.

Влага топлива может быть причиной пе­ребоев в работе топливоподачи на ТЭС. С увеличением влажности твердого топлива ухудшается подвижность его частиц, и при достижении определенного критического со­держания влаги, называемой влагой сыпуче­сти WCbm (ранее этот показатель называли «предельной влажностью» WupQд), частицы то­плива настолько слипаются между собой, что совсем лишаются способности свободного перемещения относительно друг друга. Это может произойти при небольшом дополни­тельном увлажнении топлива, так как обычно показатель WCbm близок к рабочей влажности

W[. Потеря сыпучести топлива приводит к

Зависанию топлива в бункерах сырого угля, «замазыванию» питателей и в конечном итоге к прекращению подачи топлива на сжигание (называемому в эксплуатации «обрывом по­дачи топлива»).

В зимнее время (при отрицательной тем­пературе) влажное кусковое топливо нередко смерзается в монолит. Минимальная доля об­щей влаги, при которой становится возмож­ным смерзание топлива, называется влагой смерзания WCM (ранее этот показатель называ­ли «безопасной влажностью» W^). Поступле­ние на ТЭС вагонов со смерзшимся топливом чрезвычайно осложняет работу топливопода — чи.

Цель работы

Цель работы: ознакомление с методом экспериментального определения влажности твердого топлива, расширение и закрепление теоретических знаний.

Теоретические основы

Топливо состоит из горючей массы и балласта. Основными балластирующими компонентами топлива являются влага, минеральная масса и азот.

Минеральная масса содержится в основном в твердом топливе. Азот — основной балласт газообразного топлива. Влага имеется во всех ископаемых твердых топливах, содержание которой в топливе определяется его геологическим возрастом, химической природой, условиями залегания, добычи, транспортировки и хранения. Содержание влаги в топливе колеблется от долей процента в некоторых видах жидкого топлива до 60 % в сырых дровах и свежедобытом торфе.

Влажность топлива — одна из важнейших его характеристик. Она снижает его теплоту сгорания, значительно снижается также температура горения вследствие расхода тепла на испарение воды и нагрев образующегося водяного пара. Кроме того, влага, превращаясь при горении в пар, отнимает часть теплоты сгоревшего топлива, поскольку температура уходящих газов из котла обычно выше 100°C, то теплота, затраченная на испарение, полезно не используется, а теряется в атмосфере.

Влага топлива, являясь его балластом, не только уменьшает теплоту сгорания, но и создает трудности при транспортировке и сжигании топлива, так как для испарения влаги приходится затрачивать теплоту, выделяющуюся при горении топлива.

Влагу топлива принято разделять на внешнюю и внутреннюю. Внешняя влага состоит из поверхностной и капиллярной. Поверхностная влага падает в топливо при его добыче, транспортировке и его хранении. Чем меньше топливо, тем больше на нем поверхностной влаги. Капиллярная влага – это влага, заполняющая поры топлива. Чем старше топливо, тем меньше в нем пор, значит, и капиллярной влаги. Внешняя влага может быть удалена из топлива тепловой сушкой и механическими средствами.

Внутренняя влага состоит из коллоидной и гидратной. Коллоидная влага физико-химически связана с органической массой топлива и распределяется в нем довольно равномерно. Количество коллоидной влаги падает с увеличением возраста топлива. Максимальное количество коллоидной влаги содержится в торфе, минимальное – в антраците. Содержание гидратной влаги, входящей в состав молекул некоторых минеральных примесей, невелико. При подсушки испаряется часть коллоидной влаги, а количество гидратной влаги остается практически неизменным. Удаление гидратной влаги происходит только при высоких температурах.

Твердое топливо с установившейся в естественных условиях влажностью вызывают воздушно-сухим. В процессе сушки топлива его важной характеристикой является гигроскопическая влажность. Гигроскопической влажностью называют влажность топлива, доведенного до равновесного состояния в воздухе, имеющем относительную влажность (65±5)% и температуру (20±1)°C.

Методика исследования

Для определения содержания влаги в твердом топливе измельченную навеску (1 — 2 г) высушивают при температуре 375 — 378°K в сушильном шкафу до постоянного веса. Навеска топлива подвергается сушке до полного испарения влаги. При этой температуре каменные угли выдерживают 1 ч, бурые угли — 1.5 ч, антрацит — 2 ч.

Затем бюксы с испытуемым топливом вынимают из сушильного шкафа, охлаждают в эксикаторах и взвешивают.

По убыли массы навески рассчитывается влажность топлива. Высушивание повторяют в течение 0,5 ч до тех пор, пока убыль веса между двумя определениями будет менее 0,01 г. Иногда при последнем взвешивании отмечается некоторое увеличение веса исследуемого топлива, что объясняется частичным его окислением. В этом случае для расчета влажности принимают предпоследний, т. е. минимальный вес.

Указанная выше температура сушки принимается равной 375-378°K из тех соображений, что при этом значении температуры парциальное давление водяных паров в топливе превышает парциальное давление водяных паров в окружающей среде (атмосферном воздухе), что способствует интенсивному испарению влаги топлива. Превышение температуры сушки выше указанной величины может повлечь за собой окисление и разложение органических веществ топлива с выделением летучих веществ и поэтому недопустимо.

Описание лабораторной установки

1 — Электрический сушильный шкаф; 2 — бюкса с навеской топлива; 3 — эксикатор; 4 — термометр.

Рисунок 1 – Лабораторная установка.

Лабораторная установка для определения влажности твердого топлива состоит из:

1. электрического сушильного шкафа 1 с терморегулятором и отверстиями для естественной вентиляции, предназначенного для прогрева навески топлива;

2. бюкса 2 с навеской;

3. эксикатора 3 с химическим реактивом, поглощающим воду;

4. термометра 4 для измерения температуры внутри сушильного шкафа;

5. аналитических весов с комплектом разновесов и комплекта бюкс.

На процессы удаления влаги из материалов значительное влияние оказывает энергия связи молекул воды с поверхностью твердого. Чем больше энергия связи, тем труднее отделить влагу от поверхности твердого и, следовательно, тем больше конечная влажность продукта.

В зависимости от энергии связи молекул воды с минеральной поверхностью, а в общем случае с твердым телом, различают следующие виды влаги по классификации академика П. А. Ребиндера.

1. Химическая или связанная влага (внутренняя) – это влага, которая содержится в кристаллической решетке некоторых минералов в виде гидроксильных ионов в гидратах и в виде молекул воды в кристаллогидратах, например, в минералах карналлите KCI · MgCI · 6H2O, хризоколле CuSiO3 · 2H2O. В свою очередь внутренняя влага подразделяется на:

а) конституционную – эта влага содержится в виде ионов H+, OH-, Н3О+. Например в малахите СuCO3 · Cu(OH)2. Такая влага удаляется в виде молекул воды при разложении химических соединений минералов при высокой температуре их нагревания;

б) кристаллизационную – эта влага содержится в кристаллогидратах, например, CuSO4 · 5H2O, FeSO4 · 7H2O. Это влага в молекулярной форме; удаляется в виде молекул воды при температуре до 300°С. В процессах обезвоживания химически связанная влага не удаляется.

2. Адсорбированная влага (пленочная) – это по природе физико-химическая влага, которая удерживается на поверхности частиц в виде гидратных пленок силами адсорбции. Адсорбированная влага подразделяется на:

а) гигроскопическую;

б) прочно связанную;

в) адгезионную.

Гигроскопичность – это свойство пористых тел адсорбировать на своей поверхности парообразную влагу из воздуха. Эта влага образует на поверхности частиц тонкие пленки воды, удерживаемые силами адсорбции, и заполняет структурные поры и трещины в частицах. Количество адсорбированной гигроскопической влаги зависит от влажности окружающего воздуха и от свойств материала. В среде с относительной влажностью 100% тело приобретает максимальную сорбционную влажность, называемую максимальной гигроскопичностью wг.

Гигроскопическая влага обладает рядом аномальных свойств: большей плотностью, повышенной вязкостью, пониженной температурой замерзания, пониженной способностью к растворению. Различия в физических свойствах гигроскопической и свободной влаги объясняются наличием значительных электростатических сил притяжения диполей воды к ионам на поверхности твердых частиц. Наблюдается строгая ориентация диполей воды, что затрудняет их движение по сравнению с движением молекул свободной влаги.

При связывании влаги поверхностью твердого происходит выделение теплоты смачивания, которая, будучи отнесенной к 1 грамму связанной влаги, является постоянной величиной – 80 калорий/г независимо от природы вещества. Толщина слоев воды, вызывающих выделение теплоты смачивания, ≈ 5–10 диаметров молекулы воды (= 2,76·10-8 см).

Передвижение молекул гигроскопической влаги может осуществляться только в парообразном состоянии за счет температурного градиента и при постоянной температуре из участков тела с бóльшей влажностью в участки с меньшей влажностью.

Если твердое тело из атмосферы с относительной влажностью менее 100% поместить в воду, то происходит достраивание пленок воды до максимальной гигроскопичности wг. Такая влага называется прочно связанной, то есть по своей природе это гигроскопическая влага. Передвижение прочно связанной влаги возможно только в парообразном состоянии. Особенностями ее являются: пониженная растворяющая способность, отсутствие электропроводности и повышенная плотность. С повышенной плотностью прочно связанной влаги, которая у каменных углей составляет 1,48–2,25 г/см3, а у антрацитов доходит до 3 г/см3, непосредственно связано и повышение ее вязкости.

Значительно отличаются прочно связанная и гигроскопическая влаги от свободной и по своей теплоемкости. Теплоемкость гигроскопической влаги в различных пористых средах в среднем составляет 0,7. Диэлектрическая постоянная связанной воды составляет
2–2,2 вместо 80 для свободной воды. Прочно связанная влага имеет аномально низкую температуру замерзания, составляющую 78°С.

Адгезионная влага образует над пленками прочно связанной влаги более толстые пленки толщиной до 100 диаметров молекулы воды, которые удерживаются силами адсорбции, но менее прочно. Ориентация диполей воды относительно поверхности твердого уже менее правильная, вследствие этого аномальные свойства адгезионной влаги проявляются слабее. Плотность адгезионной влаги 1,25 г/см3; она обладает пониженной растворяющей способностью и пониженной температурой замерзания. Наибольшее количество адгезионной влаги в 2–4 и более раза превышает количество гигроскопической влаги при максимальной гигроскопичности среды. Адгезионная влага занимает промежуточное положение между прочно связанной и свободной влагой.

3. Капиллярная влага– это по природе физико-механическая влага, она заполняет промежутки между частицами и структурные пустоты в самих зернах и удерживается в них силами капиллярного давления. Капиллярные силы возникают на границе соприкосновения трех фаз – твердой, жидкой и газообразной и создаются поверхностным натяжением на искривленной поверхности (мениске) жидкости в капилляре. Капиллярная влага подвижна в материале и зависит от размеров капилляров и условий смачивания водой их поверхности.

Капиллярную влагу можно разделить на внутрикапиллярную, капиллярно-стыковую и внутрипромежуточную влагу.

Внутрикапиллярная влага впитывается порами, трещинами, пронизывающими частицы твердого. Различают влагу макро- и микрокапилляров. К макрокапиллярам относят капилляры с радиусом более 10-5 см, а к микрокапиллярам – с радиусом менее 10-5 см, где 10-5 см – длина свободного пробега молекулы воды. В трещины и поры с радиусом капилляра менее 10-5 см могут проникать только молекулы адсорбированной влаги, а собственно капиллярная влага может находиться только в макрокапиллярах.

Капиллярная влага удерживается силами капиллярного давления

, (1.1)

где σж-г – поверхностное натяжение на границе жидкость – газ;

q – краевой угол смачивания;

rк – радиус капилляра.

В связи с тем, что реальные капилляры в слое осадка не имеют цилиндрической формы и одинаковых размеров по всему сечению, удобнее выразить размер капилляра через величину эквивалентного диаметра. Тогда для частиц неправильной формы получим

, (1.2)

где y – коэффициент формы частиц;

е – коэффициент пористости;

dэкв – эквивалентный диаметр частиц осадка.

Капиллярно-стыковая влага скапливается в местах стыка частиц осадка. При сферической форме частиц одного диаметра вода имеет вид двояковогнутой линзы, боковая поверхность которой выпукло-вогнутая. Такое отдельное скопление воды принято называть водной манжетой, а всю воду, находящуюся в осадке в форме манжет, – капиллярно-стыковой.

Внутрипромежуточная влага заполняет все промежутки между частицами осадка, представляющие собой систему разветвленных, соединяющихся между собой каналов. Эта влага называется также влагой капиллярного подъема.

При фильтровании пористых осадков удаляется только внутрипромежуточная и часть капиллярно-стыковой влаги; внутрикапиллярная влага не удаляется.

4. Гравитационная влага – это свободная влага, она появляется, когда все капилляры, поры и промежутки между частицами заполнены водой. Гравитационная влага свободно перемещается между частицами твердого под действием силы тяжести. Она составляет основной объем воды в продуктах мокрого обогащения. Кроме гравитационной влаги, в операциях обезвоживания при необходимости удаляется пленочная, капиллярная и гигроскопическая влага. Виды влаги показаны на рис. 1.1.

Схема расположения диполей воды у поверхности твердого тела показана на рис. 1.2. Первый слой молекул воды располагается с четкой ориентацией диполей у поверхности твердого, причем таким образом, что отрицательные заряды поверхности тела притягивают положительные концы диполей воды, а их отрицательные концы притягивают положительные концы других молекул воды и так до тех пор, пока постепенно не прекращается действие сил адсорбции. С дальнейшим увеличением расстояния от поверхности твердого тела силы притяжения уменьшаются и тепловое движение молекул воды препятствует их ориентации. В последующих слоях упорядоченность расположения молекул воды выражена ещё слабее. Здесь заканчивается область гигроскопической и прочно связанной влаги и начинается область адгезионной влаги – влаги смачивания, за которой следует свободная гравитационная влага.

Рис. 1.1. Виды влаги:
1 – пленочная адсорбированная влага; 2 – внутрипромежуточная влага;
3 – манжеты капиллярно-стыковой влаги; 4 – внутрикапиллярная влага;
5 – свободная гравитационная влага; Т – частицы твердого

Рис. 1.2. Схема расположения диполей воды у поверхности твердого тела

Влажные материалы, в зависимости от форм связи и содержания поглощенной влаги, можно разделить на коллоидные, капиллярно-пористые и капиллярно-пористые коллоидные.

Коллоидными называют материалы, в которых влага преимущественно осмотически связана и поглощена. При удалении влаги такие материалы значительно сжимаются. К ним относятся глина, желатин и др.

Капиллярно-пористыми называют тела, в которых влага в основном связана капиллярными силами. К ним относятся рудные концентраты, кварцевый песок, каменные и старые бурые угли.

Капиллярно-пористые коллоидные тела содержат воду всех форм связи; это торф, молодые бурые угли и др.

1.4. Классификация продуктов
по содержанию влаги

По количеству содержащейся в продуктах обогащения воды различают продукты обводненные, мокрые, влажные, воздушно-сухие и сухие.

Обводненные продукты (пульпы или суспензии) – это механические смеси твердого и воды, обладающие подвижностью жидкости; содержат воды не менее 40%.

Мокрые продукты – получаются после предварительного обезвоживания обводненных продуктов, не обладают подвижностью жидкости и содержат в себе остатки гравитационной влаги, а также адсорбированную и капиллярную влагу. В них содержится от 15 до 40% воды.

Влажные продукты – содержат от 5 до 15% влаги, не обладают текучестью; в них не содержится свободной гравитационной влаги, а присутствует лишь некоторое количество капиллярной, пленочной и гигроскопической влаги.

Воздушно-сухие продукты – получаются после высушивания на воздухе влажных продуктов; в них содержится только гигроскопическая влага; влажность не более 5%.

Сухие продукты – получаются в результате термической сушки при условии испарения из материала большей части гигроскопической влаги.