какое в основном топливо использует металлургия
металлургическое топливо
Полезное
Смотреть что такое «металлургическое топливо» в других словарях:
Топливо — [fuel] горючие вещества, выделяющие при сжигании значительного количества теплоты, используемые непосредственно в технологических процессах или преобразовывается в другие виды энергии. Для сжигания топлива служат разные технические устройства:… … Энциклопедический словарь по металлургии
пылевидное топливо — [pulverized coal] продукт механической переработки твердого топлива, измельченного до порошка с Энциклопедический словарь по металлургии
комбинированное топливо — [combined fuel] смесь топлив, разных по агрегатному состоянию. Химический состав комбинированного топлива определяется относительной долей и химическим составом смешиваемого компонентов и может быть заранее задан в соответсвтии с требованиями… … Энциклопедический словарь по металлургии
естественное (природное) топливо — [natural fuel] ископаемое и находящееся на поверхности земли твердое, жидкое и газообразное топливо, используемое в том виде, в котором оно встречается в природе. К твердому топливу относятся: древесина, торф, бурый и каменный уголь, антрацит,… … Энциклопедический словарь по металлургии
твердое топливо — [solid fuel] топливо, характеризующееся общим для всех его видов агрегатным состоянием. Твердое топливо обладает свойствами сыпучего тела, позволяющего добывать, складировать и перемещать его посредством общеизвестных механических систем и… … Энциклопедический словарь по металлургии
условное топливо — [fuel unit, standard fuel] единица учета расхода органического топлива, применяемая для сопоставления эффективности разных видов топлива и суммарного их учета. В качестве единицы условного топлива принят 1 кг топлива с теплотой сгорания 29,3… … Энциклопедический словарь по металлургии
искусственное топливо — [artificial fuel] топливо, полученное в результате переработки природного топлива или как побочный продукт технологического процесса. Разнообразные методы переработки природного топлива могут быть разделены на две группы: физико механическую и… … Энциклопедический словарь по металлургии
жидкое топливо — [liquid fuel] горючее вещество, имеющее общее для всех его видов жидкое агрегатное состояние. Жидкое топливо представлено своими естественными видами (разными сортами нефти) и постянно расширяющимся перечнем искусствен видов. Нефть природный… … Энциклопедический словарь по металлургии
газообразное топливо — [fuel gas] горючие газы в смеси с негорючими соединениями. Физико химические свойства и теплотехническая характеристика газообразного топлива определяется свойствами отдельных компонентов, входящих в состав данного топлива (N2, H2, H20, СО2, SO2 … Энциклопедический словарь по металлургии
Парокислородный газ — искусственный газ, получаемый путём газификации твёрдого топлива в Газогенераторах с дутьём из смеси кислорода и водяного пара. Объёмный состав П. г. в идеальном случае: 66% CO и 34% H2. Однако в реальных условиях в П. г. содержатся и др … Большая советская энциклопедия
Топливо металлургических печей
Кокс — топливо современных доменных печей — получают нагревом измельченных каменных углей до температур 1100— 1200° С без доступа воздуха. Угли перед коксованием измельчают и обогащают. Обогащение угля снижает его зольность в 2—3 раза, например: зольность обогащенных углей донецкого бассейна 6— 8%, необогащенных 12—16%. Угли обогащают в поршневых отсадочных машинах в тяжелых суспензиях и методом флотации. В результате обогащения получают:
Качество кокса определяют по содержанию летучих, золы, вредных примесей (серы, фосфора) и влаги.
В нормальном коксе содержится от 0,9 до 1,25% летучих. Содержание летучих более 1,5% указывает на недококсованность угля, наличие «недопала». Куски «недопала» обладают малой прочностью, попадая в доменную печь, легко истираются и крошатся.
В коксе содержится 0,01 % P, а в отдельных случаях до 0,05%.
Влаги в коксе содержится от 2 до 6%. Эта примесь не влияет на технологию плавки или качество металла, но создает затруднения в правильном навешивании топлива.
По анализу органической массы устанавливают степень и качество выжига кокса. В выжженном коксе находится 82— 90% С. Теплотворная способность горючей массы около 33075,7— 33494,4 кдж/кг (7900—8000 ккал/кг).
Под физико-химическими свойствами кокса понимают реакционную способность, температуру воспламенения и горючесть.
Реакционная способность определяется способностью углерода кокса к восстановлению углекислоты по реакции CO2 + С = 2CO. Температура воспламенения кокса 600—750° С. Горючесть — это скорость горения.Физико-механические свойства кокса определяются:
Механическая прочность кокса — свойство, в значительной степени определяющее процесс доменной плавки. Чем менее прочен кокс, тем больше он образует мелочи, тем хуже будет работать доменная печь. Усилие для раздавливания кокса составляет 981— 1471,5 н/см 2 (100—150 кГ/см 2 ). Обычно прочность кокса определяют сбрасыванием и барабанной пробой. Испытание прочности в барабане более полноценно. Барабан Сундгрена имеет боковую поверхность из железных прутьев диаметром 25 мм, длиной 800 мм, с просветами 25 мм. В барабан загружают 410 кг кокса и вращают 15 мин со скоростью 10 об/мин. Масса остатка в барабане является показателем качества. По современным техническим условиям металлургический кокс должен давать остаток не менее 315 кг. Термическую стойкость оценивают сохранением механической прочности при высоких температурах.Ситовый анализ кокса, выданного из коксовых печей, следующий:
Газопроницаемость определяется соотношением между крупными и мелкими фракциями и пористостью кусков. Под пористостью понимают отношение объема всех пор куска к общему объему куска, выраженному в процентах. Пористость кокса колеблется от 49 до 53%. Более плотный кокс для доменных печей не пригоден и его применяют в вагранках (литейный кокс).
Кокс из донецких углей отличен от кокса кузнецкого; кокс из английского угля отличается от кокса, полученного из силезского угля и т. д.
Пылевидное топливо
Угольную пыль, измельченную до 0,25—0,05 мм, можно получить из разных сортов каменного угля. Это топливо не получило распространения в мартеновских печах. Угольная пыль хорошо сгорает, создает ярко светящееся пламя. Но при горении из пыли выпадает зола, которая осаждается в мартеновской печи, портит свод и головки, заносит шлаковики, осаждается в регенераторах и портит их керамику. В последнее время на отдельных заводах вдувают пыль в доменную печь, заменяя часть дорогостоящего и дефицитного кокса.
Мазут и смола
При сжигании мазута или смолы образуется сильно светящееся пламя, хорошо излучающее тепло в рабочем пространстве мартеновской печи. Мазут — высококалорийное топливо, Q р н крекинг — мазута можно принять равной 39776,6 кдж/кг (9500 ккал/кг).
Для снижения вязкости и улучшения движения топлива в трубопроводах мазут хранят в баках, подогреваемых до 65—95° С. При подаче в печь по трубопроводам мазут нагревают паром под давлением 0,7—1 Мн/м 2 (7—10 ат). Влага в мазуте понижает его теплотворную способность, образует стойкие эмульсии и накапливается в хранилищах, баках. Количество влаги не должно превышать 2%, а при подогреве паром 7%. Содержание серы в мазуте для отопления мартеновских печей не должно превышать 0,5%, однако в ишимбаевском мазуте ее содержится 2,5—3,0%, в уфимском 1,5— 2,0%, в сахалинском 0,6—0,7%.
Для хорошего сжигания мазут должен быть распылен на мелкие капли. Степень распыления определяется давлением распылителя При испарении мазута выделяются углеводороды, разложение которых дает сажистый углерод, обеспечивающий хорошую светимость пламени. Высокая стоимость мазута заставляет переводить печи, отапливаемые мазутом, на более дешевое топливо, как например природный газ.
Смола применяется для карбюрации пламени. Она является побочным продуктом коксования. При перегонке получают несколько фракций смол; для мартеновских печей используют антраценовую фракцию (300—360° С). Повышенное количество тяжелых углеводородов и наличие сажистого углерода (4—9%) делают факел смолы более светящимся, чем мазутный.
Генераторный газ
Состав и теплотворная способность газа определяются родом топлива и способом газификации. Сухая древесина дает газ с калорийностью 6280 кдж/м 3 (1500 ккал/м 3 ); калорийность газа из сырой древесины не превышает 4186,8—4396,1 кдж/м 3 (1000— 1050 ккал/м 3 ), калорийность генераторного газа составляет 5652,2—6196 кдж/м 3 (1350—1480 ккал/м 3 ).
Состав газа меняется в зависимости от исходного генерируемого топлива в следующих пределах: 25—30% СО, 13—15% Н2, 0,5—3,0% СН4, 5,5—8,5% СО2, 45—53% N2, 0,0—0,4% O2, 0,0—1,3% Н2S.
Генераторный газ содержит частицы углерода и смолы, благодаря которым он горит светящимся пламенем, хорошо излучающим тепло. Калорийность генераторного газа очень низка, поэтому его смешивают с другими, более калорийными газами.
Доменный и смешанный газы
На заводах полного металлургического цикла существенную долю в топливном балансе занимает доменный газ, который называют колошниковым. Средний состав колошникового газа современных доменных печей следующий: 9—13% СО2; 28—30% СО; 56,5—58,5% N2; 1,5—2,5% Н2; 0,2—0,4% СН4.
Калорийность такого газа — не более 3977 кдж/м 3 (950 ккал/м 3 ). Чистый доменный газ используют для нагревательных печей прокатного цеха, а также для нагрева доменных воздухонагревателей. Мартеновскую плавку нельзя осуществить, если применять только доменный газ, так как в этом случае из-за его низкой калорийности необходимы неприемлемые для практики огромные расходы газа, а следовательно, и воздуха. Смесь доменного и коксового газов оказалась наиболее выгодным топливом с точки зрения как общей экономики завода, так и теплотехники мартеновской печи. Идея смешения газов заключается в том, что к доменному газу прибавляют коксовый газ в таком количестве, чтобы его углеводороды могли в возможно большей степени восстановить СO2 и Н2O доменного газа. Обычно в смешанном газе содержится 40—50% коксового газа, что обеспечивает среднюю калорийность смеси 9629,6— 10040 кдж/м 3 (2300—2400 ккал/м 3 ).
Коксовый газ
Коксовый газ — продукт высокотемпературной перегонки каменного угля, очищенный от влаги, смолы, бензольных углеводородов и аммиака, — используется для отопления мартеновских печей. Состав газа современных коксовых печей примерно следующий: 2—2,5% СO2 + Н2S; 2,2—2,5% СnНn; 6—7% СО;24—26% СН4; 54—60% Н2; 3—8% N2. Это высококалорийный газ, его теплотворная способность 16667—17504,6 кдж/м 3 (4000— 4200 ккал/м 3 ) так высока, что позволяет сжигать газ в холодном состоянии. Холодный коксовый газ горит бесцветным пламенем, так как при горении не успевает выделяться сажистый углерод. Для создания светимости необходимо расходовать большие количества карбюратора (мазута или смолы).
Природный газ
Природный газ — самый высококалорийный [калорийность 31401—39774 кдж/м 3 (7500—9500 ккал/м 3 )], применяют его для отопления мартеновских печей и вдувания в доменные печи. Состав природного газа разных месторождений различается содержанием углеводородов и серы. После очистки концентрация серы может быть уменьшена до следов. Газ нефтяных скважин называют попутным газом. Природный и попутный газы могут применяться в мартеновских печах без подогрева. Холодные природный и попутный газы горят несветящимся пламенем, поэтому без карбюрации их не применяют.
Топливо применяемое в металлургии
Для получения металла из руд и его переработки в металлургической промышленности и других отраслях производства используют твердое, жидкое и газообразное топливо.
В качестве твердого топлива применяют каменноугольный кокс, древесный и каменный угли, антрацит и термоантрацит.
Коксом называется продукт спекания смеси коксующихся углей, получаемый при удалении из них летучих веществ. Спекание производится без доступа воздуха в специальных коксовальных печах, где угольная смесь нагревается до 950—1000°С. Время коксования колеблется в пределах от 14 до 20 час.
Для получения кокса применяют каменные угли с различными содержаниями летучих веществ. В зависимости от их содержания угли подразделяются на жирные, полужирные и тощие.
Подготовка угля для коксования заключается в измельчении до крупности зерна 2 мм, обогащении и смешивании. Измельчению подвергаются все угли, поступающие для коксования. Угли дробят в щековых дробилках, а затем размалывают в дезинтеграторах.
Обогащению подвергаются угли, содержащие большое количество золы (породы). Во время обогащения порода из угля удаляется. Процесс обогащения осуществляется различными способами: в отсадочных машинах, на сотрясательных и концентрационных столах и в минеральных суспензиях большой плотности.
В результате обогащения получается угольный концентрат, идущий на коксование. Промежуточный продукт с низким содержанием углерода используется на энергетические нужды, а хвосты поступают в отвал. Выход угольного концентрата в зависимости от состава угля и способов обогащения колеблется в пределах от 66 до 78%,
Выход кокса зависит от содержания летучих в угле и составляет 78—82% от веса угля.
Качество кокса определяется его химическим составом, физико-химическими и физико-механическими свойствами.
Химический состав кокса определяется:
а. Содержанием летучих, которых должно быть в пределах от 0,9 до 1,25%, Повышенное содержание летучих наблюдается в коксе с недопалом, т. е. с нескоксовавшимся углем. Недопал обладает малой прочностью и истирается.
б. Содержанием золы в коксе, которое колеблется в пределах от 8 до 12—14%. В отдельных случаях получают низкозольный кокс с содержанием золы 5—6% и высокозольный, с содержанием до 22%. В коксе всегда получают большее количество золы, чем в исходном угле, так как на тонну кокса расходуется угля около 1,2 т.
в. Содержанием серы в коксе, которое определяется главным образом ее количеством в коксующихся углях и находится в пределах от 0,5 до 2,0% и выше.
В углях сера бывает трех типов: пиритная, сульфатная и органическая. При обогащении и коксовании удаляется только частично пиритная и сульфатная сера, а органическая сера не удаляется. Поэтому, чем больше органической серы в углях, тем больше ее будет в коксе.
г. Содержанием фосфора в коксе, которое обычно составляет от 0,01 до 0,05%. При производстве бессемеровских и специальных чугунов используют кокс с минимальным содержанием фосфора.
д. Содержанием влаги в коксе (от 2 до 6%). Крупные куски кокса содержат влаги 3,0—4,0%, а мелочь 10—15%. Повышенное содержание влаги в коксе искажает весовую характеристику его.
Физико-химические свойства кокса характеризуют реакционную способность, горючесть, температуру воспламенения и теплотворную способность.
Реакционной способностью кокса называется его способность вступать во взаимодействие с СО2 и образовывать окись углерода. Различные сорта кокса имеют различную реакционную способность, которая зависит от совершенства кристаллов графита и его пористости.
Горючестью называется скорость горения кокса, она зависит в основном от тех же факторов, что и реакционная способность. Температура воспламенения кокса находится в пределах от 600 до 750° С. Теплотворная способность кокса 6500—7500 ккал/кг.
Физико-механические свойства кокса определяются:
а) механической прочностью; б) термической стойкостью; в) ситовым составом и г) газопроницаемостью.
Под механической прочностью понимается способность противостоять истиранию, дроблению от ударов и раздавливанию. Чем прочнее кокс, тем меньше образуется мелочи в доменной печи, меньше будет сопротивление прохождению газов и больше фильтрация продуктов доменной плавки, стекающих в горн.
Кокс получают доменный и литейный. Доменный кокс в основном используется при получении чугуна в доменных печах, а литейный кокс отличается от доменного кокса более крупными кусками, меньшей пористостью и более низким содержанием серы.
Литейный кокс имеет пористость до 40%, содержание серы не свыше 1,5%, Доменный кокс выпускается с пористостью 45—55%. Содержание серы в нем допускается 2,0—2,5%.
Древесный уголь представляет собой продукт, получаемый при сухой перегонке древесины без доступа воздуха. Процесс перегонки дерева для получения древесного угля разбивается на четыре стадии: 1) нагрев дерева при температуре — 150°С, при которой происходит подсушка исходного материала; 2) нагрев от 150 до 280° С, при котором происходит медленное разложение древесины с выделением газов (СО2, CO) с примесью уксусной кислоты, метана и смолы, а из хвойных пород — скипидара; 3) при дальнейшем нагреве от 280 до 430° С происходит экзотермическое разложение древесины. Выделяющееся при этом тепло способствует обугливанию древесины; 4) нагрев свыше 400—480° С характеризуется дальнейшим выделением летучих. В газе возрастает содержание водорода за счет разложения углеводородов.
Первоначально древесный уголь получали в кучках. Куча выкладывается из поленьев дров, обмазывается снаружи глиной. В обмазке делается отверстие для доступа небольшого количества воздуха. Вверху в куче оставляется отверстие для отвода дыма. Теперь уголь получают в печах. Кучный уголь содержит меньше летучих и больше углерода.
Содержание золы в кучном древесном угле от 0,5 до 2,5% (в печном не больше 5%), фосфора — от 0,01 до 0,018%, сера почти отсутствует. Пористость угля колеблется от 73—85%. Теплотворная способность 6500—7500 ккал/кг. Насыпной вес 1 м3 угля; березового 175 кг, соснового 137 кг и елового 115 кг. Прочность угля невысокая.
Древесный уголь используется для получения чугуна специального назначения в доменных печах малого объема.
Каменный уголь является продуктом разложения древесины под слоем земли, накопившейся в отдаленные геологические эпохи. Каменные угли различных месторождений по своим физическим свойствам отличаются друг от друга. Они содержат от 29,4 до 70% углерода, летучих от 32 до 42%, золы от 10,1 до 23,6%. Теплотворная способность каменного угля колеблется в пределах от 2870 до 6430 ккал/кг.
Антрацит является одной из разновидностей каменного угля, с большим содержанием углерода — до 94% и меньшим содержанием летучих — до 3,5%. Теплотворная способность антрацита около 8000 ккал/кг. Однако антрацит при горении растрескивается и куски его рассыпаются, что является его недостатком.
Термоантрацит получают путем термической обработки антрацита в шахтных печах при температуре 1150°С с ограниченным доступом воздуха. Термоантрацит порист, прочен и не растрескивается при горении. Теплотворная способность термоантрацита до 8500 ккал/кг.
В виде жидкого топлива используют мазут и смолу в основном при плавке стали в мартеновских и нагревательных печах.
Мазутом называются остатки, получаемые после переработки нефти при получении бензина, керосина и различных масел. Мазут содержит 84-88% Сг, 10—12% Нг, 0,5—1,0% Nг+Оn. 0,5—3,5% Sp 0—10% Wp.
Для мартеновских печей применяется мазут с содержанием серы не больше 0,5%.
Теплотворная способность безводного мазута 8500— 10500 ккал/кг. Качество мазута определяют, учитывая его вязкость, температуру вспышки и температуру застывания. Перед сжиганием мазут предварительно подогревают или распыливают компрессорным воздухом в форсунках высокого давления.
Смола является побочным продуктом коксохимического производства, ее используют в качестве карбюризатора, т. е. для получения светящегося пламени при газовом отоплении мартеновских печей.
В качестве газообразного топлива применяют доменный, коксовальный, генераторный и природный газы.
Доменный газ. На заводах с полным металлургическим циклом доменного газа имеется большое количество, так как выход его составляет около 3800 м3/т кокса. Теплотворная способность около 1000 ккал/м3. Плотность газа около 1,3 кг/м3. В связи с незначительным содержанием в доменном газе углеводородов (0,2 CH4) он дает несветящееся пламя. Поэтому доменный газ используется в смеси с другими газами, свойства которых компенсируют его недостатки.
Коксовый газ получается при производстве кокса. Примерный состав газа 58,5% H2, 22,5% CH4, 8,2% CO, 2,2% CO2, 1,8% CmHn, 0,5% O2 и 6,3% N2. Теплотворная способность 3900 ккал/кг. Плотность 0,47 кг/нм3. В газе содержится серы от 5 до 20 г/м3. Содержание серы в газе, используемом в мартеновских печах, должно быть 2—3 г/м3, поэтому газ очищают от серы.
Коксовый газ применяется для мартеновских печей в холодном виде, т. е. без предварительного подогрева, необходимого для разложения метана, вследствие этого он горит несветящимся пламенем. Ввиду малой плотности газа при сжигании его факел стремится оторваться от поверхности ванны к своду печи. Для увеличения плотности коксовый газ используют в смеси с другими видами топлива, преимущественно с доменным газом или мазутом.
Смешанный газ (коксовый и доменный) является в России основным видом топлива для мартеновских печей на тех заводах, где имеется полный металлургический цикл.
Теплотворная способность смешанного газа колеблется от 1800 до 2600 ккал/м3 и изменяется в процессе плавки от максимума (в период заливки и прогрева шихты) до минимума (в период доводки плавки). При смешивании 55% (объемн.) доменного и 45% (объемн.) коксового газа средняя теплотворная способность составляет около 2800 ккал/м3, при этом 78% химической энергии вносит коксовый и только 22% — доменный газ. Коксовый газ обогащает смесь тяжелыми углеводородами, при разложении которых в процессе нагрева в регенераторах, выделяется сажистый углерод, в результате чего образуется светящееся пламя.
При работе на смешанном газе используются достоинства каждого из компонентов и компенсируются недостатки, т. е. коксовый газ обеспечивает светимость пламени и повышает теплоту сгорания, а доменный газ повышает плотность и понижает содержание серы в смеси. В России до 70% стали выплавляют с использованием смешанного газа.
Генераторный газ раньше был основным видом топлива для мартеновских печей. В последнее десятилетие он вытесняется другими видами топлива. Генераторный газ получают в специальных устройствах — газогенераторах путем газификации антрацита, каменного угля, дров или торфа.
Теплота сгорания генераторного газа в зависимости от вида используемого для генерации топлива находится в пределах от 1215 до 1500 ккал/м3. Плотность от 1,1 до 1,13 кг/м3. Наиболее подходящим генераторным газом является газ, полученный из каменного угля. Преимуществом генераторного газа является то, что не требуется карбюризация его. Состав газа: 4,5—9,0% CO2, 11,0—17,5% H2, 24—29%’ CO, 2,3—3,0% CH4, 45,8—53,0% N2, 0,2% O2.
Природный газ. В последние годы в России открыты большие месторождения природного газа. Добыча природного газа в 1965 г. составит около 150 млрд. м3, превысив добычу 1958 г. в пять раз.
Природный газ различных месторождений нашей страны содержит 78—98% метана (CH4), 0,5—7,5% тяжелых углеводородов (CmHn) до 0,2% CO2, в основном до 1,5% N2 и другие составляющие.
Теплотворная способность природного газа составляет от 8000—8500 ккал/м3. Плотность 0,7—0,8 кг/м3. При сжигании холодного газа образуется слабосветящийся факел, так как в нем отсутствуют сажистые частицы углерода. Поэтому при использовании природного газа в мартеновских печах к нему добавляют мазут (20—40% по количеству тепла). Добавка мазута не только повышает светимость факела, но и утяжеляет его. При использовании одного природного газа для мартеновских печей его реформируют. Реформирование газа состоит в разложении углеводородов при нагреве его до 110° C без доступа воздуха и выдержке при этой температуре. Например, при выдержке в течение одной секунды разлагается до 40% метана.
Природный газ дешев и почти не содержит серы.
Характеристика различных видов топлива используемых в металлургии
До XIX в. древесное топливо было основным и в технике, и в быту. Металлургия довольствовалась только этим видом топлива. И сейчас еще в некоторых лесных районах при выплавке чугуна используют древесный уголь.
Углежжение или сухая перегонка дерева раньше широко применялась для производства древесного угля. Дрова складывали в кучи и сжигали до угля. Труд угольщиков был тяжел и мало производителен. При таком углежжении далеко не полно использовались все ценные составляющие дерева. В настоящее время уголь получают сухой перегонкой дерева в специальных печах.
Основной массой дерева является древесина, состоящая из целлюлозы, лигнина и небольшого количества неорганических примесей, образующих при сгорании дерева золу.
Органическая масса древесины содержит около 50% углерода, 1% азота, 6% водорода и 43% кислорода. Содержание золы колеблется в пределах 0,7—2,0%, а влажность зависит от породы дерева, времени рубки, продолжительности и условий хранения и других причин.
Дрова бывают сухие (до 30% влаги), полусухие (30—50% влаги) и сырые (более 50% влаги).
Теплотворная способность дров, равная в среднем 4500 ккал/кг, зависит от влажности.
При нагревании без доступа воздуха древесина разлагается на газы, пары и твердый остаток — древесный уголь. При охлаждении паров получают древесную смолу и подсмольную воду — раствор древесного спирта, ацетона, уксусной кислоты и других веществ. Выход древесного угля составляет 35%, смолы 7% и подсмольной воды 43%. Получающиеся газы имеют теплотворную способность около 2500 ккал/нм3, а древесный уголь — 7000 ккал/кг.
Древесный уголь порист и гигроскопичен, поэтому при открытом хранении его влажность может достичь 40%. В результате большой пористости он способен хорошо поглощать газы из окружающей среды.
Торф образуется при гниении растительных организмов в воде и представляет собой обводненную смесь различных продуктов разложения древесины. Он встречается в зарастающих болотах. Различают несколько сортов торфа, в зависимости от природы образования, но в среднем без воды и золы он содержит 58% углерода, 6% водорода, 33% кислорода, 35% влаги и 10 % золы, теплотворность его равна 5580 ккал/кг. Свежедобытый торф имеет влажность до 90%, но после естественной сушки на воздухе в течение 1—1,5 мес. приобретает влажность 30—40%.
Торф содержит до 75% летучих и горит ярким светящимся пламенем.
Его достоинствами являются легкая воспламеняемость, большая распространенность и относительная легкость добычи, а недостатками — значительная влажность, сезонность добычи, большой объем и трудность перевозки. Торф успешно используется на больших тепловых электростанциях и является важным сырьем для химической промышленности.
Бурый уголь по степени минерализации занимает среднее место между торфом и каменным углем. Он темнее торфа, менее влажен, более плотен и содержит около 70% углерода. Содержание в нем серы и золы изменяется в широких пределах. Теплотворность бурых углей достигает 6350 ккал/кг.
Бурые угли хрупки, не выносят дальних перевозок и, как правило, являются местным топливом. На воздухе они быстро растрескиваются, измельчаются, поглощают кислород и частично окисляются. Иногда эти явления сопровождаются повышением температуры угольной массы и ее самовозгоранием.
Для районов добычи бурых углей они имеют большое значение и как топливо, и как важное сырье для ряда отраслей химической промышленности.
Каменный уголь, продукт дальнейшей минерализации топлива, содержит больше углерода и меньше кислорода, чем бурый уголь. Он плотен, тверд и прочен.
Вследствие высокой теплотворности, большой распространенности, удобства транспортирования и сжигания каменный уголь является наилучшим видом естественного твердого топлива. По своему составу каменные угли весьма разнообразны, их подразделяют на марки (классы) в зависимости от степени минерализации (от наиболее молодых, длиннопламенных, содержащих до 44% летучих и 75% углерода, до наиболее старых, тощих, содержащих до 12% летучих и 90% углерода, промежуточные марки угля: газовый, паровично-жирный, коксовый, паровично-спекающийся — с возрастающим содержанием углерода и понижающимся содержанием летучих). Паровично-жирный, коксовый и паровично-спекающийся угли хорошо коксуются. Коксование углей происходит за счет содержащихся в них плавких смолообразных веществ, называемых битумами, поэтому спекающиеся угли называют битуминозными.
Каменные угли содержат не более 5% влаги и теплотворность их изменяется от 5 до 7 тыс. ккал/кг. Некоторые сорта каменных углей, как и бурых, склонны к выветриванию и самовозгоранию и требуют осторожности при хранении (срок хранения 1—6 мес., высота штабеля 1,5 м).
Каменный уголь стали впервые широко применять в Англии. В России промышленная разработка угольных месторождений началась со второй половины XIX в. В настоящее время крупнейшими угольными бассейнами страны являются Донецкий, Кузнецкий и Карагандинский.
Чтобы улучшить качество угля (повысить теплотворность путем снижения содержания минеральных примесей), его подвергают обогащению. Простейшее обогащение заключается в дроблении крупных кусков, отборе от угля пустой породы и сортировке его по крупности грохочением, так как в мелкой фракции содержится больше золы.
При мокром обогащении уголь сначала измельчают, затем промывают сильной струей воды. Вода уносит более легкие частицы угля (уд. вес 1,25), отделяя их от более тяжелых частиц пустой породы (уд. вес 2,5). Обогащение имеет особое значение для углей, сжигаемых в пылевидном состоянии, например, в отражательных печах медной плавки или направляемых на коксование.
Чтобы использовать угольную мелочь, образующуюся при добыче и транспортировании угля, применяют брикетирование, которое позволяет превратить легко выветривающиеся и склонные к самовозгоранию бурые и каменные, угли в плотные брикеты, пригодные для длительного хранения.
Угольную мелочь предварительно высушивают, к ней добавляют 6—9% каменноугольного пека, имеющего температуру плавления 60—70°, и эту смесь нагревают до размягчения и прессуют при давлении 200—300 ат в брикеты весом до 10 кг.
Антрациты — наиболее минерализованное топливо. Они содержат до 97,5% углерода, не более 9% летучих, их теплотворность достигает 8480 ккал/кг. Они характеризуются большой плотностью и высокой стойкостью к окислению.
Антрациты не коксуются, трудно воспламеняются. Они широко применяются для котельных установок и иногда заменяют металлургический кокс.
Коксованием называется сухая перегонка каменного угля при 900—1000°. При этом получается кокс — прочное пористое богатое углеродом топливо, широко применяемое в металлургии. При сухой перегонке угля в виде газов и паров отделяется ряд ценных органических соединений.
Теперь для коксования применяют печи, которые нагреваются горючим газом, позволяют улавливать ценные летучие продукты. Образующийся коксовальный газ после извлечения из него ценных конденсирующихся продуктов имеет высокую теплотворность, равную 4500 ккал/нм3.
Коксовая печь состоит из ряда камер, между которыми расположены вертикальные каналы. По камерам движутся горячие газы. Длина камер 12—13 м, высота до 4,5 и ширина 0,4 м.
В камеру в течение 3—5 мин. загружается до 15 г угля, измельченного до. зерен 0—5 мм и увлажненного до 8—9% влаги. Загрузка хорошо механизирована и ведется из специального вагона.
Летучие отводятся по каналам в холодильники, где конденсируются, а содержащиеся в газах смолы, бензол и аммиак разделяются.
По окончании коксования открывают торцевые стенки камеры, образовавшийся кокс выгружают в вагон и направляют в тушильную башню, в которой кокс охлаждают водой.
Выход кокса составляет 80% от веса угля. Кокс получается в кусках, имеющих блестящую серую поверхность, и содержит 8 12% золы, до 4% влаги и до 2% серы. Пористость металлургического кокса 45—50%, а более низкосортного литейного — до 40%. Теплотворность кокса близка к 6500 ккал/кг. Кокс обладает высокой механической прочностью, что и определяет успешное его применение в металлургическом производстве. Кокс должен быть максимально свободен от примесей серы и фосфора. Расход его при доменной плавке достигает 1,15 т на 1 г чугуна; доменная печь заполнена коксом на две трети.
Коксовые батареи состоят из 40—70 печей, производительность их достигает 1300 т в сутки и более.
Нефть, как и другие сорта жидкого топлива, обладает высокой теплотворностью, высокой степенью сгорания и хорошей транспортабельностью.
Нефть может успешно служить топливом, а также сырьем для извлечения ряда ценных химических продуктов.
Происхождение нефти подобно происхождению углей. Она состоит из смеси различных углеводородов и содержит около 85% углерода и 14% водорода. Иногда содержание серы в нефти достигает 2—3% и кислорода с азотом до 1,5% при 0,2—0,3%. золы и 1—1,5% влаги. Теплотворность нефти 10000—11000 ккал/кг.
Ввиду высокой ценности содержащихся в ней продуктов нефть непосредственно не сжигают, а подвергают фракционной перегонке с выделением в возгоны бензина, лигроина, керосина и газойля. В остатке получают мазут, который либо применяют как топливо, либо подвергают дальнейшей переработке в вакууме с получением смазочных масел и нефтяного гудрона.
При переработке нефти, выделяющей мало легких фракций, остаток от перегонки (смесь газойля и мазута) подвергают крекингу, т. е. нагревают до 700° под давлением. При этом тяжелые углеводороды разлагаются и образуют легкие углеводороды (бензин), конденсируемые в холодильниках. С помощью крекинг-процесса, открытого В.Г. Шуховым в 1891 г., из нефти извлекают максимальное количество бензина, а крекинг-мазут используют как топливо.
При разложении нефти под обычным давлением при 700° (пиролиз) получают нефтяной газ, смолу, кокс и сажу. Из газа и смолы добывают искусственный бензин, толуол, пек и др.
Мазут нашел в металлургии широкое применение для отопления различных пламенных печей. Он представляет собой густую маслянистую жидкость буро-черного цвета, содержащую свыше 85% углерода и 12% водорода, теплотворность его равна 10 000 ккал/кг и выше.
Важнейшими свойствами мазута, определяющими его качество, являются вязкость, температура вспышки и температура застывания.
Вязкость измеряется в градусах Энглера (отношение времени, потребного для истечения 200 см3 мазута при температуре испытания, к времени истечения такого же количества воды при 20°). Вязкость в зависимости от марки мазута изменяется от 6 до 13° по Энглеру в пределах температуры 50—80°. В мазуте содержится парафин, который способствует загустеванию мазута при понижении температуры, поэтому необходимо обогревать мазутопроводы.
Обычно поступающий на заводы мазут принимается в подземные баки, из которых он перекачивается к местам потребления по трубопроводам, обогреваемым паром.
Температурой вспышки называется температура, при которой смесь паров мазута и воздуха вспыхивает при соприкосновении с пламенем. Эта температура близка к 100°, в то время как температура воспламенения мазута равна 500—700°. Несмотря на отличные качества мазута как топлива, возможность более целесообразного его использования при химической переработке определяет необходимость замены его на пылеуголь, газ и прочее.
Природный газ по составу весьма различен. В большинстве случаев он богат метаном, теплотворность его близка к 8,5—9,0 тыс. ккал/нм3.
Газ имеет большое значение как топливо, особенно при значительных его природных запасах, как например в России и США.
Громадные запасы газа начали использоваться в России во второй пятилетке. Сейчас построены крупнейшие газопроводы, такие как Бугуруслан—Куйбышев, Саратов—Москва, Ставрополь—Москва, Дашава—Киев, и строится ряд других. В США многие металлургические заводы применяют для отопления печей природный газ.
При коксовании угля из него отгоняются летучие компоненты, а основная часть горючей массы остается в виде кокса.
Генераторный газ получается в результате полного превращения горючей массы в газообразное состояние при сжигании углерода с образованием CO.
Получение генераторного газа основывается на принципах сжигания топлива в толстом слое, так как в слоях различной толщины уголь сгорает по-разному.
При сжигании топлива получается преимущественно двуокись углерода. Если над горячим слоем расположить новые слои топлива, для сжигания которых кислорода не хватает, то образующаяся в нижнем слое двуокись углерода реагирует с ними по уравнению:
и над слоем топлива получается газ, состоящий из окиси углерода и азота и называемый воздушно-генераторным.
Воздушно-генераторный газ (учитывая высокое содержание в воздухе азота) содержит в лучшем случае 34,7% окиси углерода и 65,3% азота.
Чтобы получить более калорийный газ, в генератор вводят водяной пар. При этом протекает реакция:
и над слоем топлива получают газ, содержащий только горючие компоненты (50% CO и 50% H2) и называемый водяным газом.
При пропускании через генератор смеси воздуха и пара получают смешанный паровоздушный генераторный газ, содержащий CO; H2 и N2 в пропорциях, изменяющихся в зависимости от отношения вдуваемых под решетку воздуха и пара.
В реальных условиях к перечисленным составляющим газа добавляются летучие компоненты из топлива: сероводород, влага и пр.
Газогенераторы состоят из футерованной огнеупорным кирпичом металлической шахты, имеющей в верхней части герметичное загрузочное устройство 1 (рис. 1), колосниковое устройство 4, герметизированное устройство для разгрузки золы 5 и газоход 6 для отвода полученного газа.
Сущность процесса состоит в превращении твердого топлива в газообразное, на что затрачивается часть тепловой энергии твердого топлива. Потеря части энергии компенсируется удобствами использования топлива и возможностью использовать малокалорийные, низкосортные его виды.
Из описанных процессов наименее выгоден воздушно-генераторный, поэтому он редко применяется.
Чаще других используют смешанный генераторный процесс, при котором на 1 кг газифицируемого углерода в генератор вводится 500 а пара. Избыток пара приводит к тому, что часть его, не разлагаясь, переходит в газ, способствуя протеканию реакций образования двуокиси углерода и ухудшая состав газа.
Чисто водяной процесс проводится в два периода: сначала через генератор продувают воздух, разогревая слой топлива и используя горячий газ для перегрева пара, а затем через раскаленный кокс пропускают перегретый водяной пар, разлагающийся по уравнению:
Когда слой топлива охлаждается, пар отключают, снова пропускают воздух, и операции повторяются.
Типичные составы генераторного газа приведены в табл. 4.
Генераторный газ широко используется в металлургии, особенно в пирометаллургии цинка и для отопления пламенных печей.
Газогенератор, применяемый для газификации кокса или антрацита, изображен на рис. 2. Он относится к числу полумеханизированных и представляет собой герметичное загрузочное устройство, подающее уголь в шахту генератора. Шахта 1 склепана из котельного железа и футерована шамотным кирпичом. Подвешенный в шахте конус 2 помогает поддерживать в ней необходимую высоту слоя топлива.
Нижняя часть стен шахты составлена из охлаждаемых водой кессонов 3. Нижнее кольцо шахты своими краями спущено в чашу 5, вращающуюся со скоростью около 1 об/час и заполненную водой; к дну чаши прикреплены и вращаются с нею колосники 4, состоящие из отдельных чугунных колец, положенных друг на друга.
В центральной части днища проложен канал 7, по которому под колосники подается воздух. Неподвижный канал и вращающееся днище соединяются между собой с помощью гидравлического затвора 8.
Имеющиеся на колосниковых кольцах гребки сбивают спекшиеся частицы золы, падающие на дно чаши, откуда золу удаляют вручную лопатой или специально устроенным гребком.
Наличие гидравлических затворов препятствует подсосу в генератор воздуха, помимо вдуваемого для газификации.
Иногда генераторы изготовляют с вращающейся шахтой и неподвижными решеткой и чашей. В этом случае неподвижная крышка генератора соединяется с ним гидравлическим затвором. Такие генераторы снабжены шуровщиками — водоохлаждаемыми наклонно расположенными и прикрепленными к крышке стержнями, которые при вращении шахты хорошо перемешивают уголь.
Высота таких газогенераторов не превышает трех метров при диаметре 3—3,5 м. При газификации торфа и бурых углей, при общем сохранении принципа описанной конструкции генератора, он наращивается дополнительной шахтой (называемой швель-шахтой), служащей для подсушивания топлива (в случае газификации торфа) и выделения из него ценных смол.
На 1 м2 сечения генератора можно газифицировать от 200 до 500 кг твердого топлива в час при коэффициенте полезного действия 70—80% (в зависимости от рода топлива).
Методы интенсификации генераторного процесса различны. Один из них — газификация топлива с жидким шлакоудалением. При этом способе нижнюю часть шахты генератора делают в виде горна и процесс ведут при температуре расплавления золы. Производительность генератора достигает 1000 кг/м2/час.
При газификации угольной или коксовой мелочи последнюю подают сверху в шахту генератора специальной конструкции. Эта мелочь движется навстречу восходящей струе воздуха. Процесс горения частиц во взвешенном состоянии позволяет достигнуть интенсивности газификации до 1300 кг/м2/час.
При газификации мелочи в кипящем слое через слой мелочи, лежащей на колосниковой решетке, пропускается воздух с тем большей скоростью, чем крупней частицы топлива.
Скорость воздуха принимается такой, чтобы частицы топлива пришли в движение, напоминающее кипение. Высокая степень аэрации топлива позволяет достигнуть газификации до 2400 кг/м2/час.
Наиболее целесообразной представляется подземная газификация угля, на возможность которой указывал еще в 1888 г. Д.И. Менделеев. Такой способ газификации был впервые осуществлен в 1938 г. в Донбассе, в 1942 г. начала работать такая же станция в Подмосковном угольном бассейне, а в 1956 г. — в Кузбассе.
Получаемый в газогенераторах газ подлежит очистке от пыли, паров воды и смол. При последующем сжигании газ нуждается лишь в грубой очистке до содержания 1—5 г/нм3 пыли. При использовании для других целей газ нуждается в более тонкой очистке. Генераторный газ очищают в таких же устройствах, что и все металлургические газы.