Минеральные примеси. Минеральные вещества (общее обозначение ММ— мине­ральная масса), содержащиеся во всех видах твердого топлива и называемые примесями, в большей своей части не связаны с органиче­ской массой топлива. По происхождению примеси могут быть разделены на внутренние и внешние. Внутренние примеси сформирова­лись в процессе образования топлива, а внеш­ние — попали при добыче (из прослоев пус­той породы) или транспортировке и погрузке топлива.

Минеральные примеси топлива представ­ляют собой сложную смесь различных мине­ралов, в состав которых входят самые разно­образные соединения: силикаты; сульфиды; карбонатные соединения кальция, магния, железа; сульфаты кальция и железа; фосфаты; хлориды и т. д.

Превращения минеральной части топ­лива. При сжигании топлива его минеральная часть подвергается высокотемпературному преобразованию. В результате полного выго­рания органики и преобразования минераль­ной части топлива остается твердый негорю­чий остаток — зола (общее обозначение А).

При сжигании топлива и прокаливании золы в атмосфере воздуха минеральные при­меси подвергаются ряду превращений. Так, силикатные соединения теряют гидратную влагу; соли закиси железа превращаются в оксидные соединения; карбонаты разлагают­ся, образуя оксиды и выделяя С02. Входящие в состав минеральной части колчедан и дру­гие сернистые соединения окисляются, обра­зуя S02. Соли щелочных металлов при темпе­ратуре топки улетучиваются, а впоследствии конденсируются на более холодных поверх­ностях труб или частицах золы. Эти процессы обусловливают значительное изменение хи­мического состава минеральных примесей в ходе сжигания топлива. Следовательно, со­став, масса и свойства золы существенно отличаются от тех же характеристик ис­ходных минеральных примесей.

Превращение каждого из исходных мине­ралов происходит при определенных темпе­ратурных условиях, в связи с чем состав и свойства золы зависят от условий озоления. Образующиеся продукты распада исходных минералов могут взаимодействовать между собой и с газовой средой топки, поэтому на состав и свойства конечных продуктов золы оказывает влияние и газовая среда. Таким об­разом, качество, состав и свойства обра­зующейся золы зависят от состава исходных минеральных примесей; а также от условий, в которых происходит сжигание топлива.

Зольность топлива. Для сопоставления различных топлив по количеству и составу золы характеристику его зольности А опреде­ляют при строго оговоренных государствен­ным стандартом (ГОСТ 11022) условиях про­ведения испытания проб топлива. Обычно зольность определяется в лаборатории при испытании аналитической пробы топлива ме­тодом достаточно длительного прокаливания в условиях свободного доступа воздуха при температуре 800…830 °С.

В реальных промышленных условиях сжигания топлива газовая среда топок (низкое содержание свободного кислорода) вносит некоторые изменения в состав минеральной части и оказывает влияние на ее превращения, которые обычно не достигают полного окис­ления, как в лабораторных условиях, а завер­шаются на закисных соединениях. Кроме то­го, в условиях высоких температур топочной среды зола может частично возгоняться, а также расплавиться и перейти в жидкое со­стояние — шлак. Расплав различных соедине­ний создает благоприятные условия для их контакта и взаимодействия, что также в итоге приводит к резкому отличию состава и свойств шлака и исходных минеральных примесей.

Зола удаляется из котла в виде топочных шлаков и летучей золы, покидающей топку с продуктами сгорания.

Состав и характеристики плавкости зо­лы. В практике проектирования и эксплуата­ции котельных установок и оборудования те­пловых электростанций, работающих на твер­дом топливе, необходимы данные о количест­венном содержании золы, ее составе и свой­ствах. Именно эти характеристики определя­ют наиболее важные решения по организации топочного процесса» тепловую и конструк­тивную схемы котла, выбор оборудования систем шлакозолоудаления и золоулавлива­ния.

Наличие золы в топливе, кроме загрязне­ния окружающей среды, приводит к таким негативным явлениям, как шлакование и за­грязнение поверхностей нагрева, их коррози — онно-эрозионному износу. Интенсивность этих воздействий золы на элементы котла в значительной степени зависит от организации топочного процесса.

Химический состав золы обычно выража­ют в процентах по массе следующими окси­дами: кремния Si02, алюминия А1203, титана ТЮ2, железа Fe203, кальция СаО, магния MgO, калия Ка20, натрия Na2G. Состав золы твердых топлив приведен в табл. П.2.

Особое значение при организации процес­са сжигания топлива имеют температурные характеристики плавкости золы. Температу­ры, при которых зола переходит в размягчен­ное и расплавленное состояние, зависят от ее химического состава и кристаллического строения. Температуры плавления определя­ют стандартным методом конусов (ГОСТ 2057), когда из золы прессуется пира­мидка с заданными размерами и помещается в печь. В процессе нагрева (в окислительной воздушной среде) фиксируют следующие ха­рактерные значения температуры:

TA — начало деформации, когда появляет­ся первое изменение формы пирамидки (ок­ругление кромок, наклон вершины), tA= 1000.. .1200 °С;

TB— плавление, когда образец принимает форму полусферы или его вершина касается подставки, tB = 1100… 1400 °С;

Tc— жидкоплавкое состояние, когда об­разец растекается по подставке, /с= 1200…1500 °С.

Характеристики плавкости золы твердых топлив приведены в табл. П.2.

4.3. Выход летучих веществ и спекаемость

Выход летучих веществ (общее обозна­чение V) — важная техническая характери­стика топлива, дающая представление о час­тичном его разложении при нагреве. Под дей­ствием высоких температур нестойкие угле­водородные комплексы, входящие в состав топлива, расщепляются на более простые со­единения; при этом выделяются газообразные и парообразные легковоспламеняющиеся го­рючие продукты разложения — летучие топ­лива.

Процесс термического разложения топли­ва в зависимости от температуры можно раз­делить на три стадии:

Разложение до 300 °С называют берти — нироеанием, получаемый при этом твердый остаток — бертинатом. При бертинировании выделяется небольшое количество малоцен­ного газа (в основном С02, СО, немного Н2 и углеводородов) и пирогенетической воды (общее обозначение WsK );

Разложение при 450,..550 °С называют полукоксованием, твердый остаток — полу­коксом (общее обозначение sK). На этой ста­дии выделяется основное количество горюче­го газа и смолы, а также увеличивается выход пирогенетической воды;

Разложение при 700… 1100 °С называют коксованием, твердый остаток — коксом (об­щее обозначение К). На этой стадии заверша­ется процесс выхода летучих веществ. Твер­дый остаток состоит практически из углерода и негорючих минеральных примесей.

Выход летучих характеризует реащион — ную способность топлив — способность к воспламенению.

Выход летучих зависит от вида твердого топлива, а также от условий нагрева и темпе­ратуры прокалки. Стандартный метод (ГОСТ 6382) определения выхода летучих веществ заключается в прокаливании навески анали­тической пробы топлива при температуре (850 ± 25) °С без доступа воздуха в течение 7 минут.

Выход летучих обычно относят к сухому беззольному состоянию Vaf. Значения Vі4 для твердых топлив приведены в табл. ПЛ.

Показатель выхода летучих веществ V6^ необходимо учитывать при обосновании ра­циональной организации топочного процесса, при конструировании топки [6,7], выборе оборудования и параметров системы пыле- приготовления [8].

Спекаемость. В опыте по определению выхода летучих веществ можно получить еще одну характеристику угля — спекаемость.

Она характеризует способность угля образо­вывать при нагревании нелетучий остаток в виде кусочков кокса, обладающих определен­ной прочностью.

Нелетучий остаток, полученный в тигле после определения выхода летучих веществ, в зависимости от внешнего вида и прочности классифицируют (ГОСТ 6382) следующим образом:

А) порошкообразный — мелкий сыпучий порошок;

Б) слипшийся — при легком нажиме паль­цем рассыпается в порошок;

В) слабоспекшийся — при легком нажиме раскалывается на кусочки;

Г) спекшийся, н е сплавленный для рас­калывания на отдельные кусочки необходимо приложить усилия;

Д) сплавленный, не вспученный — плоская лепешка с серебристым металлическим бле­ском поверхности;

Е) сплавленный, вспученный — остаток с серебристым металлическим блеском поверх­ности, высотой менее 15 мм;

Ж) сплавленный, сильно вспученный — не­летучий вспученный остаток с серебристым блеском, высотой более 15 мм.

В классификации углей имеют значение еще две характеристики епекаемоети:

Индекс епекаемоети по Рогу RI, характе­ризующий прочность кокса, получаемого из смеси испытуемого угля с неспекающейся добавкой (например, антрацитом).

Толщина пластического слоя у, мм, харак­теризующая количество пластической массы, образующейся при термическом разложении пробы угля в специальном приборе — пла — етометре.