Каменный уголь горит: Свойства угля — физические, химические, основные — состав каменного угля и применение

Содержание

Свойства угля — физические, химические, основные — состав каменного угля и применение

Свойства и характеристики угля


Уголь — это горючая осадочная порода растительного происхождения, состоящая в основном из углерода и ряда других химических элементов.


Состав угля зависит от возраста: самый молодой — бурый уголь (марка 1Б по свойствам ближе к древесине, 3Б — к каменному углю), затем идет каменный уголь, старше всех антрацит. По мере старения происходило концентрирование углерода и уменьшение содержания летучих составляющих, в частности, влаги. Так, бурый уголь имеет влажность 30–40%, более 50% летучих компонентов, у антрацита оба показателя составляют 5–7%.


Кроме основных компонентов, уголь содержит «породу»: различные негорючие золообразующие добавки. Наличие породы уменьшает удельную теплоту сгорания угля, увеличивает износ механизмов котла, затрудняет углеподготовку (дробление угля до нужной фракции). В зависимости от сорта и условий добычи зольность может различается очень сильно. Так, зольность кузбасского каменного угля 15-17%, бурого балахтинского (Красноярский край) менее 10%, но в России встречаются угли с зольностью до 30-35%.


Зола является вредным отходом, загрязняющим окружающую среду, и подлежит утилизации на специальных полигонах. Для удобства вывоза зольник в Термороботе сделан съемным, транспортабельным.


Есть также «зола уноса«, определяющая экологические показатели котла, ее количество учитывается при экологической экспертизе проекта котельной. Выброс пыли зависит от сорта угля, мощности и конструкции котла.


Важным показателем угля является температура плавления золы, зависящая от химического состава породы в конкретном угле, она определяет спекаемость (шлакование) угля в топке котла.


Есть еще один вредный компонент угля — сера. При сжигании серы образуются ее окислы, которые, взаимодействуя с водой, превращаются в серную кислоту. Она загрязняет окружающую среду и дает кислотный конденсат, разрушающий элементы котла. Содержание серы обычно находится в пределах 0,1-1%.


Основной показатель топлива — удельная теплота сгорания. В сертификатах указывают «высшую» и «низшую» теплоту сгорания. При выборе угля и при оценке КПД котла следует обращать внимание на низшую теплоту, обозначаемую в сертификатах Qir . У бурого угля ее значение составляет 3000-5000, у рядового каменного угля 5000-5500 ккал/кг. В справочниках можно встретить значение 7000 ккал/кг, это относятся к угольному концентрату («условное топливо»), на обычных угольных складах таким углем не торгуют.


Плотность угля — от 1 до 1,7 т/м3 в зависимости от содержания минеральных веществ, но в практических расчетах следует пользоваться «насыпной плотностью«. Для рекомендованного нами балахтинского угля 3Б она составляет 0,8 т/м3 (бункер котельной Терморобот-300 объемом 5 м3 вмещает 4 тонны угля). Насыпная плотность сортового каменного угля около 0,85 т/м3.

Как горит уголь


Уголь содержит 2 горючих компонента: летучие вещества и твердый коксовый остаток. Конструкция котла должна обеспечить полное сжигание обоих компонентов угля. Механический или химический недожог очень сильно снижает КПД котла и его экологические показатели.


На первом этапе горения происходит газификация угля: из него выделяются летучие вещества; при достатке кислорода они быстро сгорают, давая длинное пламя. Затем выгорает коксовый остаток; интенсивность и температура его горения зависит от вида угля (бурый, каменный, антрацит): чем выше степень углефикации (самая высокая она у антрацита), тем выше температура воспламенения и теплота сгорания, но ниже интенсивность горения.

Уголь марок Б, Д, Г


Из-за высокого содержания летучих веществ такой уголь быстро разгорается и быстро сгорает. Уголь этих марок доступен и пригоден почти для всех видов котлов, но для полного сгорания этот уголь должен подаваться маленькими порциями, чтобы выделяющиеся летучие вещества успевали полностью соединяться с кислородом воздуха (так, в котлах Терморобот ТР-200, ТР-300 уголь подается почти непрерывно). Полное сгорание угля характеризуется желтым пламенем и прозрачными дымовыми газами; неполное сгорание летучих веществ дает багровое пламя и чёрный дым.

Уголь марок СС, Т, А


Разжечь такой уголь труднее; он горит долго и выделяет много тепла; его можно загружать большими партиями, так как в нем горит в основном коксовый остаток, нет массового выделения летучих веществ. Очень важен режим поддува: при недостатке воздуха горение происходит медленно, возможно угасание, либо, напротив, чрезмерное повышение температуры, приводящее к прогоранию котла. В Термороботе при использовании углей СС и Т резко (на 30-50%) снижается мощность котла, это следует учитывать при выборе мощности котла. Использование в Термороботе угля А (антрацита) не допускается.

Температура горения дров и угля — что горит лучше. Жми!

Определение вида топлива, необходимого для печи, зависит от множества факторов.

Одним из них является количество тепла, выделяемого при сгорании.

В качестве горючего материала используются уголь, древесина, торф, топливные брикеты.

 

Особенности разных видов топлива

Рассмотрим два основных, наиболее распространенных, вида твердотопливного сырья — дрова и уголь.

Дрова содержат значительное количество влаги, поэтому сначала происходит испарение влаги, на что потребуется определенное количество энергии. После испарения влаги начинается интенсивное горение дров, но, к сожалению, процесс длится недолго.

Поэтому, чтобы его поддерживать, требуется регулярное подкладывание дров в топку. Температура возгорания древесины составляет около 300°С.

По количеству выделяемого тепла и длительности горения уголь превосходит древесину. В зависимости от возраста ископаемого материала минерал подразделяется на виды:

  • бурый;
  • каменный;
  • антрацит.

Состав топлива разных видов

Бурый уголь относится к молодым залежам, поэтому в нем содержится наибольшее количество влаги (от 20% до 40%), летучих веществ (до 50%) и небольшое количество углерода (от 50% до 70%). Температура горения у него выше, чем дерева, и составляет 350°С. Теплота сгорания — 3500 ккал/кг.

Наиболее распространенным видом топлива является каменный уголь. В нем содержится небольшое количество влаги (13-15%), а содержание горючего элемента углерода превышает 75%, в зависимости от сорта.

Средняя температура возгорания — 470°С. Летучих газов в каменном угле 40%. При сгорании выделяется 7000 ккал/кг.

К самым старым залежам твердотопливного ископаемого относится антрацит, залегающий на значительной глубине. В нем практически нет летучих газов (5-10%), а количество углерода варьируется в пределах 93-97%. Теплота сгорания находится в пределах от 8100 до 8350 ккал/кг.

[advice]Это интересно: температура горения берёзовых углей самая высокая — её достаточно для размягчения и ковки металла в кузнице. Её показатель — 1200-1300°С.[/advice]

Отдельно необходимо отметить древесный уголь. Его получают из древесины путем пиролиза — сжигания при высокой температуре без доступа кислорода. Готовый продукт отличается высоким содержанием углерода (от 70% до 90%). При сжигании древесного топлива выделяется около 7000 ккал/кг.

Об особенностях использования торфяных брикетов можно прочитать в данной статье: https://teplo.guru/kotly/torfyanyie-briketyi.html

Процесс горения

В зависимости от вида и сорта топливо делится на короткопламенное и длиннопламенное. К короткопламенным относится антрацит и кокс, древесный уголь.

При сжигании антрацит выделяет много тепла, но для его розжига требуется обеспечить высокую температуру более легко воспламеняемым топливом, например, дровами. Антрацит не выделяет дыма, горит без запаха, пламя у него низкое.

Длиннопламенные виды топлива сгорают за два этапа. Сначала выделяются летучие газы, которые сгорают над слоем угля в пространстве топки.

После выгорания газов начинает сгорать оставшееся топливо, превратившееся тем временем в кокс. Кокс горит на колосниках коротким пламенем. После выгорания углерода остается зола и шлаки.

Сжигание

Рассмотрим процесс сгорания топлива в обычной печке, которую используют для отопления частных домов. Она состоит из основных частей:

  • топки;
  • поддувала;
  • дымохода с трубой.

Топка соединяется с поддувалом через специальную решетку (колосники), расположенные внизу топки. На колосники укладывается топливо, а из поддувала через колосники воздух поступает в топку.

Формулы горения

Температуры воспламенения разных видов топлива (нажмите для увеличения)

При загорании топлива (дрова, уголь) идет химическая реакция с выделением тепла.

Двуокись углерода вступает в реакцию с углеродом топлива в верхних слоях, образуя окись углерода.

На этом процесс горения не заканчивается, ведь поднимаясь вверх в топочном пространстве, окись углерода вступает в реакцию с кислородом из воздуха, приток которого происходит через поддувало или открытую дверцу топки.

Ее сгорание сопровождается синим пламенем и выделением тепла. Образующийся угарный газ (двуокись углерода) поступает в дымоход и улетает через трубу.

[warning]Полезно знать: когда над топливом исчезают голубые язычки пламени, тогда можно закрыть заслонку дымохода, чтобы тепло не уходило через трубу на улицу.[/warning]

Тление с минимальным притоком кислорода приведет к образованию неядовитой окиси углерода, давая равномерное тепло.

Применение

Основным использованием топлива является его сжигание для выделения тепла. Тепло используется не только для отопления частного дома и приготовления пищи, но и в промышленности для обеспечения технологических процессов, происходящих при высокой температуре.

В отличие от обычной печки, где процесс поступления кислорода и интенсивность горения слабо регулируется, в промышленных печах особое внимание уделяется контролю над подачей кислорода и поддержанием равномерной температуры горения.

Рассмотрим основную схему сгорания угля.

  1. Идет нагревание топлива и испарение влаги.
  2. С ростом температуры начинается процесс коксования с выделением летучих коксовых газов. Сгорая, он дает основное тепло.
  3. Уголь превращается в кокс.
  4. Процесс горения кокса сопровождается выделением тепла, достаточного для запуска коксования следующей порции топлива.

В промышленных котлах горение кокса разделяется по разным камерам от горения коксового газа. Это позволяет осуществлять приток кислорода для кокса и газа с разной интенсивностью, добиваясь необходимой скорости горения и поддержания необходимой температуры.

Использование древесного угля

Древесный уголь в быту используется для приготовления мяса на мангале.

Благодаря высокой температуре горения (около 700°С) и отсутствию пламени обеспечивается равномерный жар, достаточный для приготовления мяса без обугливания.

Также его применяют как топливо для каминов, приготовления пищи на небольших печах.

В промышленности его используют как восстановитель при производстве металла. Незаменим древесный уголь при производстве стекла, пластмасс, алюминия.

Изготовить древесный уголь возможно и самостоятельно. Подробности: https://teplo.guru/eko/drevesnyiy-ugol-svoimi-rukami.html

Использование бурого угля

Хотя температура горения и теплоотдача бурого ископаемого меньше, чем каменного, его также используют для отопления и приготовления пищи.

Это объясняется его низкой стоимостью.

Но более широко применяется бурый уголь для переработки и получения различных химических веществ: полукокса, горного воска, сажи, бензина.

Принцип работы и преимущество угольных котлов рассмотрены здесь: https://teplo. guru/kotly/tverdotoplivnye/ugolnye-kotly-otopleniya.html

О горении бурого угля смотрите следующее видео:

  • Автор: Игорь