Фактори реального впливу на теплоту згорання торфових брикетів

Размещено на http://allbest.ru

Національний університет водного господарства та природокористування

УДК 622.331.662.812

Фактори реального впливу на теплоту згорання торфових брикетів

Гнєушев В.О., к.т.н., доцент

м. Рівне

Торфові паливні брикети являють собою тверде паливо переважно комунально-побутового призначення. Найбільшою мірою воно продукується на торфобрикетних заводах, розташованих у Волинській, Рівненській, Житомирській, Львівській, Тернопільській та Чернігівській областях. Головними споживачами торфобрикетів є сільське населення та організації бюджетного фінансування: школи, медичні установи, заклади культури тощо. Прийнятий у 1992 році державний стандарт України на торфові паливні брикети регламентує п'ять показників якості цього виду паливної продукції:

Таблиця 1

Показники якості паливних торфових брикетів [1]

Присутність у стандарті показника теплоти згорання на перший погляд виглядає логічно: цей показник, тобто кількість тепла, що утворюється при повному згоранні одиниці маси палива, являє собою справді важливу його характеристику. Органи Держстандарту вимагають від виробника чіткого дотримання і контролю значень кожного показника якості продукції. Контроль при цьому не є самоціллю, а здійснюється з метою оперативного впливу на режими технологічного процесу у випадку відхилення будь-якого з показників якості від нормативних значень. Тому кожний показник якості продукції, регламентований стандартом, має бути керованим в перебігу виробничого процесу. Чи відповідають цій вимозі всі показники стандарту?

Це питання при розробці стандарту і протягом 15 років його існування ніким не досліджувалось. А між тим відповідь на нього має практичне значення, оскільки непорозуміння між органами Держстандарту та торфобрикетними заводами з приводу контролю та регульованості виробником показника теплоти згорання вже мали місце, і реальним (та формально законним) наслідком цих непорозумінь могла стати зупинка виробництва продукції.

Тому ретельний аналіз відповідності кожного показника якості торфових паливних брикетів вимогам стандарту не лише кількісно, а й з точки зору реальної керованості являє собою актуальну задачу, розв'язанню якої й присвячена ця стаття. Як відомо, горіння палива є процесом його швидкого окислення. Ця хімічна реакція відбувається з утворенням кислот, на що витрачається певна кількість теплової енергії палива. Кількість тепла, що утворюється при повному згоранні одиниці маси палива за мінусом теплоти кислотоутворення називається вищою теплотою згорання (позначається Q). Ще професор Д.І. Мендєлєєв встановив головні чинники, що впливають на вищу теплоту згорання органічного палива, і відобразив це у відповідній формулі [2]:

Q = [81C^P + 300H^P - 26(O^P - S^P)]Ч4,19, кДж/кг, (1)

де C^P, H^P, O^P, S^P - відповідно вміст карбону (вуглецю), гідрогену (водню), оксисену (кисню) та сульфуру (сірки) в робочому паливі.

Значення нижчої теплоти згорання більш важливе для споживача оскільки являє собою ту кількість теплоти, яка утворюється при повному згоранні одиниці маси палива за мінусом теплоти пароутворення і реально може бути використана.

Негативний вплив вологи, що міститься в паливі, на його теплоту згорання простежується у формулі [2]

Q = Q [6(9H^P+w^P )]Ч4,19 кДж/кг, (2)

де w^P - вологість робочого палива.

Є ще один чинник, який суттєво впливає на теплоту згорання палива: його зольність. Найчастіше оперують поняттям зольності сухої речовини палива, тобто відношенням маси мінеральної частини торфу (золи), яка залишається після його згорання (b), до маси сухого торфу (c)

(3)

До складу золи входять кремній, кальцій, залізо, алюміній, фосфор, калій, натрій, марганець, сірка та ін., які у формі різноманітних хімічних з'єднань присутні в рослинах-торфоутворювачах або привносяться на торфове родовище ззовні (приміром, з вітром або з ґрунтовими чи поверхневими водами). Зола знижує вміст в торфі горючих елементів і погіршує якість торфових палив.

Відсутність у формулах (1) та (2) символу А не повинна створювати ілюзій стосовно відсутності впливу зольності на теплоту згорання. Достатньо проаналізувати формулу перерахунку вмісту карбону з горючої маси на робочу, де фігурує символ А^Р (зольність в розрахунку на робоче паливо), і стає зрозумілим, що цей вплив суттєвий і також негативний:

С^Р = (4)

Ще однією негативною властивістю золи є здатність її розплаву погіршувати процес горіння в топкових пристроях (так зване шлакування топки) чи навіть виводити з ладу конструктивні елементи топок (колосникові решітки, керамічні пластини та ін).

Автор, проаналізувавши матеріали геологорозвідувальних робіт по 17 торфових родовищах Волині та Львівщини, також встановив наявність міцного зв'язку між зольністю і нижчою теплотою згорання палива.

Кореляційний аналіз показав, що між ними існує обернена кореляція з коефіцієнтом 0,74. Одержане методом найменших квадратів емпіричне рівняння має вигляд

Q = 11,60 - 0,14А^С, МДж/кг (5)

і також засвідчує сильний негативний вплив зольності на теплоту згорання торфу.

Аналіз формул (1-5) дозволяє чітко розділити компоненти палива на дві групи: ті, що сприяють збільшенню теплоти згорання, і ті, що знижують цей показник:

Таблиця 2

Фактори впливу на нижчу теплоту згорання торфових брикетів

Розглянемо природу та керованість кожного фактора, почавши аналіз з елементного складу палива. Торф, як відомо, являє собою наймолодшу ланку в ланцюгу каустобіолітів "торф - буре вугілля - кам'яне вугілля - антрацит". Відповідно й концентрація корисних енергетичних елементів (карбону та гідрогену) у торфі найнижча. Натомість вміст баластних компонентів дуже вагомий.

Встановлено [3], що вологість торфу в умовах природного залягання може досягати значень 86-94%! Тобто концентрація сухої речовини торфу, яка й є джерелом його теплової енергії, за таких обставин становить менше 10%, а на кожний кілограм сухої речовини припадає 9ч11,5 кг води [4]. Тому використання торфу як базового продукту для виготовлення палива вимагає якомога повнішого позбавлення від такого баласту, яким у цьому випадку є вода. Сухий же торф має інший недолік, що знижує його цінність як палива: малу насипну густину (або щільність). Низька концентрація сухої речовини торфу в одиниці об'єму вимагає значної кількості великогабаритних засобів транспортування такого палива, веде до збільшення транспортних витрат, що негативно відбивається на економічних показниках господарської діяльності споживачів торфового палива. Таким чином, навіть висушений торф також потребує збагачення шляхом його ущільнення.

Таке збагачення комплексно виконується в процесі брикетування торфу, коли сировина (фрезерний торф) послідовно проходить через дві операції: штучне сушіння і пресування.

В процесі штучного сушіння вдається видалити з матеріалу переважну кількість вільної та фізико-механічно зв'язаної води (воду капілярів та вологу змочування - плівкову воду). Адсорбційно та хімічно зв'язана вода (як і частина вільної) залишаються в торфі і після штучного сушіння, яке зовсім не повинно мати на меті повне висушування матеріалу. Надмірно (до 10 % вологості) висушений фрезерний торф погано пресується, одержані брикети не мають достатньої міцності. Важливо й те, що торфобрикет, залежно від температури та відносної вологості повітря, в процесі зберігання може зменшувати або й збільшувати свою вологість, прагнучи до досягнення її рівноважного значення. Зрозуміло, що здійснювати штучне сушіння торфу до значень вологості, які менше рівноважної, недоцільно, оскільки використання продукції (брикетів) здебільшого відбувається після певного строку їх зберігання, тобто після досягнення ними вологості, близької до рівноважної. В межах вологості 12ч16% зміною маси брикетів, зумовленою процесами сорбції та десорбції вологи з повітря (тобто - зволоженням чи підсиханням брикетів) практично можна знехтувати [5]. Таким чином, встановлену українським стандартом гранично допустиму вологість брикету торфового паливного в розмірі 20% можна вважати верхньою межею близького до оптимального значення вологості. Слід визнати, що сучасні сушильні установки та засоби регулювання сушильного процесу роблять показник вологості брикету чітко контрольованим. Брикетування торфу не передбачає будь-якого впливу на його елементний склад. Тому вміст карбону, гідрогену, оксигену і сульфуру (див. табл. 2) в брикеті практично такий самий, як у сировині - фрезерному торфі. Але державний стандарт України на цей вид торфової продукції [6] не висуває жодних вимог щодо елементного складу:

Таблиця 3

Вимоги до торфу фрезерного для виробництва брикетів

З викладеного слідує, що показники елементного складу торфу (вміст карбону, гідрогену, оксигену, нітрогену і сульфуру) не є контрольованими з боку виробника, оскільки жодним чином не регулюються ні на стадії вибору сировини (див. табл. 3), ні в перебігу технологічного процесу на торфобрикетному заводі. Дослідження елементного складу торфів широкого спектру властивостей дали такі результати [5]:

Таблиця 4

Приблизний вміст елементів у горючій масі торфу

Зольність торфового паливного брикету не повинна перевищувати 23 % (див. табл. 1). Виробник може регулювати цей показник шляхом поставок на завод сировини, зольність якої не перевищує 20 % (див. табл. 3). Різниця між наведеними показниками у 3 % є своєрідним запасом на певне додаткове зазолювання торфу в процесі його сушіння у потоці димових газів, до складу яких входять і мікрочастинки зольного залишку торфу, що спалюється у технологічній топці. паливний фрезерний торфовий брикет

Якщо на якихось технологічних ділянках полів видобутку фрезерного торфу норматив зольності перевищується, то на торфобрикетних заводах виконують шихтування таких торфів з тими, які видобуваються на інших ділянках, де зольність торфу нижче нормативної. Це єдиний активний спосіб впливу виробника на показник зольності.

Висновки

На підставі викладеного можна зробити наступні висновки:

1. З п'яти показників якості брикету торфового паливного, передбачених ДСТУ 2042-92, реально керованими з боку виробника є чотири:

- масова частка загальної вологи в робочому стані палива (w^P), яка регулюється шляхом встановлення відповідного режиму штучного сушіння сировини;

- зольність (А^c), яка контролюється шляхом поставок на завод фрезерного торфу зольністю до 20% або шихтуванням більш зольного торфу з менш зольним;

- механічна міцність брикетів, яка досягається дотриманням необхідного режиму пресування (безпосередньо) і належних значень вологості та насипної густини висушеного торфу (опосередковано);

- масова частка дрібняку (шматки розміром менше 25 мм), яка забезпечується створенням відповідних умов транспортування виробленого брикету на склад, його зберігання на складі та відвантаження споживачеві.

2. Теплота згорання торфобрикету залежить від елементного складу фрезерного торфу (вмісту карбону, гідрогену, оксигену, нітрогену і сульфуру) і вологості та зольності сировини.

З перелічених факторів реально регульованими є лише два останні показники, і вони регламентуються стандартом окремо (див. п.п. 1 і 2 в табл. 1).

3. Як показують розрахунки значень теплоти згорання торфового брикету, виготовленого з українських торфів елементного складу, наведеного в табл. 4, навіть при мінімальних значеннях вмісту карбону та гідрогену і дотриманні передбачених ДСТУ 2042-92 значень вологості та зольності брикету, показник нижчої теплоти згорання не менше 14,9 МДж/кг завжди забезпечується.

4. В контексті викладеного стає зрозумілою нелогічність наявності, зайвість показника теплоти згорання торфового паливного брикету в державному стандарті на даний вид продукції.

Доцільно вилучити цей показник при перегляді стандарту, що жодним чином не відіб'ється на якості торфових паливних брикетів і усуне можливе джерело непорозумінь між виробниками торфового палива та органами Держстандарту.

Бібліографія

1. Брикеты торфяные для коммунально-бытовых нужд. Технические условия. ДСТ Украины 2042-92. Киев, Госстандарт Украины, 4 с.

2. В.М. Наумович. Сушка торфа и сушильные установки брикетных заводов. М.: Недра, 1971, 280 с.

3. Справочник по торфу. М., Недра, 1982, 760 с.

4. Лиштван И.И. и др. Физико-химические основы технологии торфяного производства. - Минск: Наука и техника, 1983 - 232 с.

5. М.Г.Булынко, Е.Е.Петровский. Технология торфобрикетного производства. М.: Недра, 312 с.

6. Торф фрезерный для производства брикетов. Технические условия. ДСТ Украины 2043-92. Киев, Госстандарт Украины, 3 с.

Анотація

УДК 622.331.662.812

Фактори реального впливу на теплоту згорання торфових брикетів. Гнєушев В.О., к.т.н., доцент. Національний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне

Наведені результати аналізу значимості та керованості факторів, які визначають теплоту згорання торфових паливних брикетів. Зроблений висновок щодо необхідності перегляду державного стандарту на цей вид продукції.

Annotation

The results of the analysis of significance and controllability of the factors, which determine the heat of combustion of peat fuel briquettes, are given. Is made conclusion about the need for the revision of state standard to this form of the production.

Размещено на Allbest.ru