Температура горения угля каменного: Температура горения угля в печи

Содержание

Температура горения угля в печи

Эффективность и экономичность отопительной системы с твердотопливным котлом напрямую зависит от вида топлива. Помимо дров и отходов деревообработки в качестве энергоносителя активно используется уголь различных видов. Температура горения угля — один из важных показателей, но следует ли его учитывать при выборе топлива для печи или котла?

Уголь в печи

Уголь: разновидности и характеристики

Угли в первую очередь различаются по происхождению. В качестве энергоносителя используют древесный уголь, который получают путем пережигания древесины, а также ископаемое топливо.

Ископаемые угли — топливо, созданное природой. Они состоят из остатков древних растений и битумных масс, которые подверглись целому ряду превращений в процессе опускания под землю на большие глубины. Преобразование исходных веществ в эффективное топливо протекало при высоких температурах и в условиях дефицита кислорода под толщей земли. К ископаемым видам топлива относится бурые и каменные угли, а также антрацит.

Бурые угли

Среди ископаемых углей наиболее молодые — бурые угли. Свое название топливо получило за бурый цвет. Данный вид топлива характеризуется большим количеством летучих примесей и высоким содержанием влаги — до 40%. При этом количество чистого углерода может достигать 70%.

Из-за повышенной влажности у бурого угля низкая температура горения и невысокая теплоотдача. Воспламеняется топливо при 250°С, а температура горения бурых углей достигает 1900 °С. Теплота сгорания составляет приблизительно 3600 ккал/кг.

Как энергоноситель бурый уголь в естественном виде уступает дровам, поэтому его редко применяют для печей и твердотопливных агрегатов в частных домах. Но устойчивым спросом пользуется брикетированное топливо.

Бурые угли

Бурый уголь в брикетах — это топливо, прошедшее специальную подготовку. За счет снижения влажности повышается его энергоэффективность. Теплоотдача брикетированного топлива достигает 5000 ккал/кг.

Каменные угли

Каменные угли старше бурых, их залежи располагаются на глубине до 3 км. В этом виде топлива содержание чистого углерода может достигать 95%, а летучих примесей — до 30%. Влаги этот энергоноситель содержит не более 12%, что положительно влияет на теплоэффективность полезного ископаемого.

Температура горения каменного угля в идеальных условиях достигает 2100°С, но в отопительной печи топливо сжигается максимум при 1000°С. Теплоотдача каменноугольного топлива составляет 7000 ккал/кг. Его сложнее разжечь — для воспламенения требуется нагрев до 400°С.

Каменноугольный энергоноситель чаще остальных применяется для обогрева жилых домов и зданий иного назначения.

Каменный уоль

Антрацит

Самое древнее твердое ископаемое топливо, которое практически не содержит влаги и летучих примесей. Содержание углерода в антраците превышает 95%.

Удельная теплоотдача топлива достигает 8500 ккал/кг — это высший показатель среди углей. В идеальных условиях антрацит сгорает при 2250°С. Воспламеняется он при температуре не менее 600°С — это показатель для самых низкокалорийных видов. Для розжига требуется использовать дрова, чтобы создать необходимый нагрев.

Характеристики антрацита

Антрацит в первую очередь промышленное топливо. Его использование в печи или котле нерационально и дорого. Помимо высокой теплоотдачи к преимуществам антрацита относится низкая зольность и малодымность.

Свойства древесного угля

Древесный уголь выделяют в отдельную категорию, поскольку это не ископаемое топливо, а продукт производства. Для его получения древесину обрабатывают особым образом, чтобы изменить структуру и удалить излишки влаги. Технология получения эффективного и удобного в использовании энергоносителя известна с давних времен – раньше древесину пережигали в глубоких ямах, перекрыв доступ кислороду, а сегодня применяются особые углевыжигательные печи.

Сжигание древесины в углевыжегательной печи

При нормальных условиях хранения влажность древесного угля составляет около 15%. Воспламеняется топливо уже при нагреве до 200°С. Удельная теплотворная способность энергоносителя высока — она достигает 7400 ккал/кг.

Температура горения древесного угля варьируется в зависимости от сорта древесины и условий сжигания. К примеру, березовые угли можно использовать для разогрева кузнечного горна и ковки металла — при интенсивной подаче воздуха гореть они будут при 1200-1300°С. В печке или отопительном котле температура в процессе горения достигнет 800-900°С, а при использовании угля в мангале на улице — 700°С.

Горючее из пережженной древесины характеризуется экономичностью — его расход значительно ниже по сравнению с использованием дров. Помимо высокой теплоотдачи оно характеризуется низкой зольностью.

За счет того, что древесный уголь сгорает с малым количеством золы и выделяет ровный жар без открытого пламени, он идеально подходит для приготовления мяса и других продуктов на открытом огне. Также его можно использовать для каминного отопления или приготовления еды на варочной печи.

Особенности сжигания углей

Рассматривая, при какой температуре горит тот или иной вид топлива, следует учитывать, что приводятся цифры, достижимые только в идеальных условиях. В домашней печи или твердотопливном котле такие условия создать невозможно, да и не нужно. Кирпичный или металлический теплогенератор не рассчитан на такой уровень нагрева, а теплоноситель в контуре быстро закипит.

Поэтому температура сгорания топлива определяется режимом его сжигания, то есть, от количества воздуха, подаваемого в топочную камеру. Ископаемый и древесный энергоноситель лучше всего горит, если подача воздуха достигает 100%. Для ограничения воздушного потока используется задвижка или заслонка, благодаря чему поддерживается оптимальная для печи температура сгорания топлива — около 800-900°С.

Сжигание углей в котле

При сжигании энергоносителя в котле нельзя допускать вскипание теплоносителя в водяной рубашке — если предохранительный клапан не сработает, произойдет взрыв. Кроме того, смесь пара и воды губительно действует на циркуляционный насос в системе отопления.

Чтобы контролировать процесс горения, используются следующие способы:

  • энергоноситель загружается в топку и регулируется подача воздуха;
  • угольная крошка или топливо кусочками подается дозировано (по той же схеме, что и в пеллетных котлах).

Особенности горения

Угли различаются по виду пламени. У горящего каменного и бурого угля языки пламени длинные, антрацит и древесный уголь относятся к короткопламенным энергоносителям. Короткопламенное топливо сгорает практически без остатка, выделяя большое количество тепловой энергии.

Сгорание длиннопламенных энергоносителей происходит в два этапа. Первым делом выделяются летучие фракции — горючий газ, который сгорает, поднявшись к верхней части топочной камеры. В процессе выделения газов уголь коксуется, и после выгорания летучих веществ начинает гореть образовавшийся кокс, образуя короткое пламя. Углерод выгорает, шлаки и зола остаются.

Заключение

Выбирая, какой энергоноситель лучше использовать для твердотопливного котла или печи, стоит обратить внимание на ископаемое топливо и древесный уголь. Температура горения не принципиальна, поскольку ее в любом случае придется ограничивать, чтобы соблюсти оптимальный режим эксплуатации теплогенератора.

Важно оценить доступность энергоносителя и его стоимость, теплоэффективность, удобство использования. Для котельных агрегатов чаще всего используют каменный или бурый уголь. Сжигание каменного угля в пиролизной печи — оптимальный вариант, который позволяет использовать максимум тепловой энергии, снизив расход топлива и уменьшив количество вредных выбросов.

Пиролизная печь для сжигания каменного угля

Печь или котельный агрегат должны быть рассчитаны на работу с высокотемпературным энергоносителем.

Температура горения угля в котле и печи: свойства разных видов топлива

Теоретическая температура горения угля лежит в пределах 1000…2300 °С и зависит от ряда факторов – условий сжигания, удельной теплотворной способности, содержания влаги и так далее. Фактический нагрев по центру пламени, горящего в топке котла либо печки, редко превышает 1200 градусов. Но перед хозяином жилища вовсе не стоит задача накалить агрегат и трубы добела. Основная цель — эффективно использовать энергию ценного ископаемого, получая нужное количество теплоты в течение длительного периода.

Виды углей, применяемые для отопления

Образование черного топлива в недрах занимает от нескольких сотен тысяч до миллионов лет. Чем глубже и древнее месторождение, тем выше плотность и теплота сгорания угольной массы. Энергетическая ценность горючего зависит от одного показателя – процентного содержания чистого углерода в составе ископаемого.

Перечислим разновидности углей, сжигаемых в отопительных печах, в порядке возрастания калорийности:

  1. Бурый уголь содержит до 70% углерода. Оставшиеся 30% – летучие вещества (связанный кислород, азот, водород) и примеси – сера, железо, фосфор, кремний и алюминий.
  2. Более плотный каменный уголь на 82% состоит из углерода, остальное – примеси и влага.
  3. Антрацит – самое древнее топливо, содержащее до 95% углерода.
При сгорании бурые угли выделяют наименьшее количество тепловой энергии

Справка. В этой цепочке не хватает первого и последнего звена. Сначала биомасса – растения и деревья – образует низкокалорийный торф, залегающий близко к поверхности и пригодный для производства брикет. Завершает цепочку природный графит, состоящий из чистейшего углерода.

Каменноугольное твердое топливо делится на виды и классы по физическим свойствам и размерам фракции. В зависимости от происхождения состав угля меняется, что влияет на его характеристики – температуру воспламенения и горения, теплотворную способность и зольность. Ниже в таблице представлена классификация каменных углей по содержанию летучих веществ, влаги и золы.

После добычи угольная смесь проходит калибровку – деление на фракции. Чем крупнее куски, тем выше цена энергоносителя и лучше происходит сжигание. Насколько отличаются и как обозначаются угли разной крупности, покажем в очередной таблице.

Примечание. Если кроме марки топлива необходимо указать крупность фракции, буквенный индекс приписывается к основному обозначению класса. Пример: ГО – газовый орех, АП – антрацит – плита. Маркировка бурой смеси ореха с мелочью – БОМ.

Мы не причисляем к общей классификации древесный уголь по нескольким причинам:

  • горючее не является ископаемым, это продукт сухой переработки (перегонки) древесины;
  • использование выжженного угля для обогрева жилища невыгодно экономически, дешевле купить обычных дров;
  • данное топливо хорошо подходит для работы кузнечного горна, газогенератора либо сжигания в мангале.
Так выглядит горение длиннопламенной марки каменного угля

Температура воспламенения и другие параметры

Процесс горения угля – это химическая реакция окисления углерода, протекающая при высокой начальной температуре с интенсивным выделением теплоты. Теперь попроще: угольное топливо не может воспламениться подобно бумаге, для возгорания требуется предварительный нагрев до 370—700 °С в зависимости от марки горючего.

Ключевой момент. Эффективность сжигания угля в печи или бытовом твердотопливном котле характеризуется не максимальной температурой, а полнотой сгорания. Каждая молекула углерода соединяется с двумя частицами кислорода воздуха, образуя углекислый газ СО2. Процесс отражен в химической формуле.

Если ограничить количество поступающего кислорода (прикрыть поддувало, перевести ТТ-котел в режим тления), вместо СО2 образуется угарный горючий газ СО, выбрасываемый в дымоход, КПД горения существенно снизится. Чтобы добиться высокой эффективности, нужно обеспечить благоприятствующие условия:

  1. Бурые угли воспламеняются при температуре +370 °С, каменные – 470 °С, антрациты – 700 градусов. Требуется предварительный нагрев отопительного агрегата с помощью дров (опилочных брикетов).
  2. Воздух в топливник подается с избытком, коэффициент запаса составляет 1.3—1.5.
  3. Горение поддерживается за счет высокой температуры раскаленного слоя углей, лежащих на колосниковой решетке. Важно обеспечить проход кислорода через всю толщу топлива, поскольку воздух движется через зольник благодаря естественной дымоходной тяге.

Замечание. Исключением являются самодельные печки типа «Бубафоня» и цилиндрические котлы верхнего горения, где воздух подается в топку сверху вниз.

Теоретическая температура сжигания и удельная теплоотдача различных видов топлива показана в сравнительной таблице. Заметно, что в идеальных условиях любое горючее выделит максимум теплоты при взаимодействии с нужным объемом воздуха.

На практике создать подобные условия нереально, поэтому воздух подается с некоторым избытком. Реальная температура горения бурых углей в обычном ТТ-котле лежит в пределах 700…800 °С, каменных пород и антрацитов – 800…1100 градусов.

Если переборщить с количеством кислорода, энергия начнет расходоваться на подогрев воздуха и попросту вылетать в трубу, КПД печи заметно упадет. Причем температура огня может достигать и 1500 °С. Процесс напоминает обычный костер – пламя большое, тепла мало. Пример эффективного сжигания каменного угля ретортной горелкой на автоматическом котле представлен в видеосюжете:

Отопление углем – практические советы

Полноценное сжигание угольного топлива требует особого подхода к вопросу. Задача – достичь максимального КПД источника тепла, не перегреть теплоноситель и не устроить пожар из-за слишком высокой температуры.

Антрацит — самый калорийный коксующийся уголь

Предлагаем учесть наши рекомендации по выбору оборудования:

  1. Чисто дровяные котлы и стальные печки заводского изготовления нежелательно топить углями высокой калорийности – каменными и антрацитами. Мощная теплоотдача и сильный нагрев способен деформировать стенки топливника (обычно их делают толщиной 3 мм).
  2. Для угольного отопления не годятся ТТ-котлы с водонаполненными колосниками. Из-за разницы температур раскаленный спекающийся слой намертво прилипает к трубам с водой, проход воздуха и дальнейшая очистка агрегата сильно затрудняется.
  3. Если вы располагаете калиброванным каменным углем крупностью фракции 25—50 мм (по классификации – орех), лучшим выбором станет котел с автоматической подачей топлива. Агрегат оснащается ретортной горелкой и вентилятором, четко дозирующим нагнетание воздуха по команде электроники. Длительность непрерывной работы – до 7 суток.
  4. Идеальный вариант – купить шахтный либо традиционный котел, рассчитанный на использование угольных пород. В теплогенераторе предусмотрены подвижные колосники, поворачиваемые внешней рукояткой. Приспособление помогает сбрасывать золу из топки в нижнюю камеру.
  5. Отопители, оснащенные вентилятором или дымососом, удобнее и безопаснее котлов с механическими регуляторами на цепочке. При критическом росте температуры автоматика отключит подачу воздуха, а канал закроется заслонкой. Обычная крышка поддувала прилегает неплотно, кислород просачивается в камеру, медленное горение продолжается.
  6. Топить открытый камин углем – занятие бесполезное. Много тепла не получите, только разведете в комнате грязь, появится неприятный запах.
  7. В целях повышения безопасности очень желательно установить на котел дополнительный клапан теплового сброса. В случае перегрева и закипания элемент сбрасывает часть теплоносителя из котловой рубашки и одновременно заполняет ее холодной водопроводной водой.

К каждому типу угля нужно приноровиться. Незнакомое горючее лучше засыпать мелкими порциями, регулируя тягу шибером и наблюдая за ростом температуры. Когда вычислите все нюансы горения данной марки, заполняйте топливник на 2/3.

Важный момент, касающийся эксплуатации кирпичной печи с плитой. Ни в коем случае не открывайте конфорки после загрузки новой порции угля, пользуйтесь боковой дверцей. При недостатке кислорода топливо выделяет пиролизный газ, который выйдет наружу через отодвинутую конфорку.

Напоследок о сжигании угольной пыли

Мелкая фракция, остающаяся от рядового угля, тоже является полноценным топливом. Проблема заключается в загрузке – бо́льшая часть пыли сразу просыпается в зольник. Если загрузить ее поверх дров, перекрывается доступ кислорода, горение ухудшается. В подобных случаях можно применить 3 способа:

  1. Дедовский. Каменноугольная пыль перемешивается с водой, делаются лепешки и высушиваются на солнце.
  2. Брикетирование. Если вы располагаете большим количеством пыли, есть смысл изготовить либо заказать шнековый пресс для формования угольных брикетов в домашних условиях.
  3. Добавить к мелкой фракции воды и загружать в топку в старых полиэтиленовых пакетах.

Последний способ – наиболее простой и быстрый в реализации. Вода добавляется к пыли в соотношении 1 : 10, субстанция тщательно перемешивается и раскладывается по пакетам. Котел разгоняется до рабочей температуры на дровах, затем в топку загружается 2—3 таких порции. Подробнее о методе рассказывается на видео:

Из чего состоит уголь? Какова химическая формула угля


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.

Особенности сжигания углей

Когда потребитель знакомится с температурой горения того или иного угля, ему нужно учитывать, что производители указывают только те цифры, которые являются актуальными для идеальных условий. Конечно, в обычном бытовом котле или печи воссоздать необходимые параметры просто невозможно. Современные теплогенераторы из металла или кирпича просто не рассчитаны на столь высокие температуры, так как основной теплоноситель в системе может быстро закипеть. Именно поэтому параметры сгорания того или иного топлива определяются режимом его сжигания.

Иными словами, все зависит от интенсивности подачи воздуха. Как ископаемый, так и древесный уголь хорошо нагревает помещение, если уровень поступления кислорода достигает 100%. Чтобы ограничить воздушный поток, можно использовать специальную заслонку/задвижку. Такой подход позволяет создать наиболее благоприятные условия сгорания заправленного топлива (до 950˚С).

Если уголь используется в твердотопливном котле, тогда нельзя допустить вскипание теплоносителя. Основная опасность связана с тем, что предохранительный клапан может просто не сработать, а это чревато большим взрывом. К тому же смесь воды и горячего пара плохо воздействует на функциональные способности циркуляционного насоса. Специалистами были разработаны два наиболее эффективных способа, которые позволяют контролировать процесс горения:

  1. Дроблённое или порошковое топливо должно поступать в котёл исключительно в дозированном объёме (действует та же схема, что и в пиллетных устройствах).
  2. Основной энергоноситель загружается в топку, после чего регулируется интенсивность подачи воздуха.

Рассматривая, при какой температуре горит тот или иной вид топлива, следует учитывать, что приводятся цифры, достижимые только в идеальных условиях. В домашней печи или твердотопливном котле такие условия создать невозможно, да и не нужно. Кирпичный или металлический теплогенератор не рассчитан на такой уровень нагрева, а теплоноситель в контуре быстро закипит.

Поэтому температура сгорания топлива определяется режимом его сжигания, то есть, от количества воздуха, подаваемого в топочную камеру. Ископаемый и древесный энергоноситель лучше всего горит, если подача воздуха достигает 100%. Для ограничения воздушного потока используется задвижка или заслонка, благодаря чему поддерживается оптимальная для печи температура сгорания топлива — около 800-900°С.


Сжигание углей в котле

При сжигании энергоносителя в котле нельзя допускать вскипание теплоносителя в водяной рубашке — если предохранительный клапан не сработает, произойдет взрыв. Кроме того, смесь пара и воды губительно действует на циркуляционный насос в системе отопления.

Чтобы контролировать процесс горения, используются следующие способы:

  • энергоноситель загружается в топку и регулируется подача воздуха;
  • угольная крошка или топливо кусочками подается дозировано (по той же схеме, что и в пеллетных котлах).

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.

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:

Разновидности угля

Существует несколько видов этого топлива, температура угля при горении у каждого типа будет разной. По происхождению различают уголь, полученный из древесины, и ископаемые экземпляры.

Ископаемое топливо сотворила сама природа. В его состав входят растительные компоненты, которые подвергались изменениям, находясь под толщей земли.

К этой категории относятся следующие типы угля:

  • антрацит;
  • бурый;
  • каменный.


Выделяют 3 вида угля

Природные ископаемые

Самая молодая разновидностей ископаемых — бурый уголь. Этот вид топлива состоит из большого количества примесей и отличается высоким уровнем влаги (до 40%). При этом содержание углерода может доходить до 70%.

Из-за высокой влажности этот уголь имеет невысокую температуру горения и низкую отдачу тепла. Температура горения составляет 1900 градусов, а возгорание происходит при 250 градусах. Бурую разновидность редко используют для печей в частных домах, поскольку она сильно уступает дровам по качеству.

Однако высоким спросом пользуется бурый уголь в виде брикетов. Такой теплоноситель проходит специальную доработку. Его влажность понижается, а потому топливо становится более эффективным.


Данный уголь имеет высокую влажность
Каменные ископаемые старше бурых. В природе они содержатся очень глубоко под землей. Этот теплоноситель может содержать до 95% углерода и до 30% летучих примесей. При этом ископаемое имеет невысокое содержание влаги — максимум 12%.

Находясь в печи, температура горения угля составляет 1000 градусов, а в идеальных условиях может достигать отметки в 2100 градусов. Его достаточно сложно разжечь, для этого нужно нагреть ископаемое до 400 градусов. Каменный теплоноситель — самая популярная разновидность топлива для обогрева зданий и частных домов.

Антрацит — древнейшее ископаемое, практически не содержащее примесей и влаги. Количество углерода в топливе более 95%. Температура сгорания составляет 2250 градусов при подходящих условиях. Для воспламенения необходимо создать температуру минимум 600 градусов. Необходимо применять дрова для того, чтобы создавать нужный нагрев.
Интересно: температура горения дров в печке.


Данный уголь не имеет влаги

Продукты производства

Древесный уголь не является природным ископаемым, поэтому его выделяют в отдельную категорию. Этот продукт получается в результате обработки древесины. Из нее удаляют лишнюю влагу и меняют структуру. При правильном хранении влажность в древесном топливе равна 15%.

Для того чтобы топливо воспламенилось, его необходимо нагреть до 200 градусов. Следует учитывать то, что температура горения древесного угля может отличаться в зависимости от условий и вида древесины, например:

  • для ковки металла подойдут березовые угли — при качественной подаче воздуха, они будут гореть при 1200-1300 градусах;
  • в отопительной котле или в печи температура древесного угля при горении составит 800-900 градусов;
  • в мангале на природе показатель будет равен 700 градусов.

Топливо, полученное из древесины, очень экономично. Его требуется гораздо меньше, чем дров. Этот производственный продукт идеально подойдет для приготовления мяса в мангале.

В этом видео вы узнаете, чем отличается каменный уголь от древесного:

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.

Варианты угля

Зимой вопрос обогрева жилых помещений особенно актуален. В связи с систематическим ростом стоимости теплоносителей, людям приходится искать альтернативные варианты выработки тепловой энергии.
Оптимальным способом для решения сложившейся проблемы будет подбор твердотопливных котлов, которые имеют оптимальные производственные характеристики, отлично сохраняют тепло.

Удельная теплота сгорания каменного угля представляет собой физическую величину, показывающую, какое количество тепла способно выделяться при полном сгорании килограмма топлива. Для того чтобы котел работал длительное время, важно правильно подбирать к нему топливо. Удельная теплота сгорания каменного угля высока (22 МДж/кг), поэтому данный вид топлива считается оптимальным для эффективной работы котла.

Температура горения древесного угля значительно выше, поэтому данный вариант топлива является отличной альтернативой для обычных дров. Отметим и прекрасный показатель теплоотдачи, продолжительность процесса горения, незначительный расход топлива. Существует несколько разновидностей угля, связанных со спецификой добычи, а также глубиной залегания в земных недрах: каменный, бурый, антрацит.

У каждого из указанных вариантов есть свои отличительные качества и характеристики, которые позволяют использовать его в твердотопливных котлах. Температура горения угля в печи будет минимальной при использовании бурого, так как в его составе содержится достаточно большое количество разнообразных примесей.

У каменного угля температура воспламенения достигает 400 градусов. Причем теплота сгорания угля данного вида довольно высока, поэтому данный вид топлива широко используют для обогрева жилых помещений.

Максимальная эффективность у антрацита. Среди недостатков такого топлива выделим его высокую стоимость. Температура горения угля данного вида достигает 2250 градусов. Подобного показателя нет ни у одного твердого топлива, добываемого из земных недр.

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.

Свойства конструкции углевыжигательной печи, основанной на использовании пиролиза

Индивидуальной категорией необходимо отметить кокс. Такой вид топлива не считается ископаемым. Он, скорее, олицетворяет течение прогресса, потому как полностью выполняется человеком. Для его возгорания достаточно маленькой температуры в 100-200°C. При этом в процессе горения кокса она может достигать порядка 800-900°C, что обуславливает хорошие качества выделения тепла. Как же делают этот удивительный продукт? Этот процесс весьма прост. Заключается он в специализированной деревообработке, позволяющей значительно видоизменить ее структуру, выделив из нее влажность. Для реализации этой сложной задачи применяют углевыжигательные печи. Как становится ясно из их названия, назначение данных устройств состоит в выполнении предназначений деревопереработки. Печи для изготовления кокса имеют конкретную структуру и похожие конструкционные элементы.

Рабочий принцип такого приспособления построен на воздействии процесса пиролиза на древесину, который и создает роль ее изменения. Газогенераторная печь для изготовления кокса состоит из 4 центральных элементов:

  • укрепленное основание;
  • топка;
  • отсек вторичной переработки;
  • дымотвод.

Чертежи данного устройства предоставляют возможность проследить, какие собственно процессы протекают изнутри конструкции. Попадая в топку, дрова начинают поэтапно истлевать. Данный процесс обусловлен отсутствием кислорода в камере сгорания, нужного для поддерживания настоящего огня. В процессе тления выделяется большое количество тепла, а жидкость, которая есть в дереве, улетучивается. Выдиляющийся в результате подобного влияния дым проникает в отсек вторичной переработки, где полностью горит, вырабатывая тепло.

Подобным образом углевыжигательная печь делает одновременно несколько задач. Первая из них дает прекрасную возможность создавать кокс, вторая — обеспечивает помещение необходимым числом тепла. Однако процесс изменения дров считается очень щекотливым, потому как малейшая задержка может привести к полному их сгоранию. Благодаря этому в нужный момент обуглившиеся заготовки нужно достать из печи.

Благодаря этому процесса мы сможем получить замечательный материал, который поможет полностью нагреть помещение зимой. Углевыжигательные печи при этом играют очень важную роль, потому как в природе кокс почти не встречается.

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.

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

Сжигание — кокс

Схема абсорбера для кондукто-метрического титрования.  

Сжигание кокса продолжают обычно 10 — 15 мин. Затем трубку с аскаритом снимают и взвешивают на аналитических весах с той же точностью.  

Сжигание кокса ведут с недостатком воздуха, поэтому в дымовых газах содержится большое количество окиси углерода. Этот прием дает возможность увеличить скорость выжига, сократить подачу воздуха в регенератор, снизить выделение тепла при сгорании кокса, улучшить отвод избыточной теплоты и уменьшить площадь поперечного сечения аппарата.  

Дли сжигания кокса Представляет собой кварцевую трубку длиной 800 мм, нагреваемую тремя печами. Длина первых двух печей ( зона горения) по 125 мм, а третьей ( зона дожига) — 250 мм. Температура в печах поддерживается соответственно равной 590, 870 и 870 С.  

Скорость сжигания кокса повышается с увеличением.  

При сжигании кокса образуются дымовые газы, содержащие значительное количество окиси углерода и имеющие высокую температуру. В котле-утилизаторе П-1 этот газ сжигается, и за счет физического и химического тепла дымовых газов вырабатывается водяной пар. Количество пара превышает необходимое для нужд установки термоконтактного крекинга, и, следовательно, эта установка служит как бы дополнительной котельной для нефтеперерабатывающего завода.  

При сжигании кокса лодочку вводят сразу же в зону наибольшего накала муфеля.  

Изменение содержания золы и металлов ( в вес. % — Ю 4 на кокс от температуры прокаливания.  

При сжигании кокса значительная часть ванадия и никеля остается в золе. При содержании в золе V2O5 более 1 0 % экономически целесообразно извлекать из нее ванадий в том случае, если количество золы составляет 100 — 150 т / сут. Показана возможность и целесообразность извлечения никеля и ванадия в виде сплава с железом. Первая установка по извлечению ванадия ( 544 кг / сут) из золы с котельной установки, сжигающей нефтяной кокс из венесуэльской нефти с высоким содержанием ванадия, сооружена в Канаде.  

Схема установки термоконтактного крекинга ( коксования в кипящем слое.  

При сжигании кокса образуются дымовые газы, содержащие значительное, количество окиси углерода и имеющие высокую температуру. В котле-утилизаторе П-1 этот газ сжигается и вырабатывается водяной ftap. Количество пара превышает необходимое для нужд установки термоконтактного крекинга, и, следовательно эта установка служит как бы дополнительной котельной для НПЗ.  

Воздух для сжигания кокса подается в регенератор по расположенным внутри него вертикальным патрубкам, присоединенным к внешнему коробчатому коллектору. Этот коллектор помещен над регенератором. Патрубки погружены в слой катализатора примерно на одну треть высоты зоны сжигания.  

Шарошки для чистки косых ходов.  

Горелки для сжигания кокса и расплавления золы ( рис. 103) изготовлены из труб, расположенных одна в другой; наружная труба диаметром 31 — 37 мм и внутренняя — 12 мм.  

Рассматривается вариант сжигания кокса с таким малым содержанием серы, учет которого несущественно изменил бы конечные результаты расчета.  

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.

Максимальная температура горения угля (видео)

На сегодняшний день, такое применение разнообразного твердого топлива, в виде древесины, угля или торфа, является популярным. Его используют не только в быту для обогрева или приготовления пищи, но во многих отраслях промышленности.

Комментарии

0 Даниил 16.02.2018 13:06 Никогда об температуре горения не задумывался, но на практике антрацит показал себя лучше всего. Горит дольше и очень мало после него жужалки, в отличии от обычного угля. В результате антрацит и экономнее, отлично горит и мало после него отходов.
Цитировать

Обновить список комментариев RSS лента комментариев этой записи

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:

Применение бурого угля и древесного: области использования

Бурый уголь является самым дешевым среди других видов топлива. Его поэтому широко применяют в быту и некоторой промышленности. Например, в химической промышленности, для получения сажи, бензина, полукокса, горного воска, а так же их переработки.

Древесный уголь, как и бурый, очень востребованный. Его используют в быту, для поджарки мяса на гриле или мангале. Так же применяют такой вид топлива и для каинов или небольших печей, на которых можно готовить разную пищу.

Это топливо принесло очень большую пользу в сфере экологии. Древесный уголь, сегодня, считается экологически чистым топливом и при этом совсем безопасным. Поэтому его широко используют во многих отраслях промышленности.

Использование данного угля в промышленности:

  • При производстве очень редких и ценных металлов;
  • Используют в противогазах в качестве улавливателя вредных веществ;
  • Очищают газовые выбросы и стоки;
  • Принимают при отравлении в медицине;
  • Как подкормка рогатому скоту в сельском хозяйстве;
  • Отличное удобрение для почвы;
  • В качестве восстановителя.

Древесный уголь способен сгорать без образования золы и пламени, выделяя при этом ровный жар. Температура его горения не всегда постоянна, она может варьироваться. Березовые угли, например, можно использовать даже в кузнечном деле, так как они способны достичь температуры сгорания 1200 – 1300 градусов.

Особенности сжигания углей

Подобное устройство имеет конструктивные особенности, предполагает проведение реакции пиролиза угля. Древесный уголь не относится к полезным ископаемым, он стал продуктом человеческой деятельности.

Температура горения угля составляет 900 градусов, что сопровождается выделением достаточного количества тепловой энергии. Какова технология создания такого удивительного продукта? Суть заключается в определенной обработке древесины, благодаря чему происходит существенное изменение ее структуры, выделение из нее избыточной влаги.

  • камеры сгорания;
  • укрепленного основания;
  • дымохода;
  • отсека вторичной переработки.

При соблюдении технологической цепочки получается отличный материал, использовать который можно для полноценного обогрева жилых помещений во время зимнего отопительного сезона. Безусловно, температура горения каменного угля будет выше, но не во всех регионах такое топливо доступно по цене.

Горение древесного угля начинается при температуре 1250 градусов. Например, плавильная печь работает именно на древесном угле. То пламя, которое образуется при подаче в печь воздуха, с легкостью расплавляет металл.

Бурые угли


Бурые угли

Каменные угли


Каменный уоль

Антрацит

Активированный уголь

Активированный уголь — это тип угля с высокой удельной поверхностью пор, из-за чего он обладает даже большей адсорбционной способностью, чем древесный. В качестве сырья для его получения используются древесный и каменный угли, а также скорлупа кокосовых орехов. Исходный материал подвергают процессу активации. Суть его состоит в том, чтобы вскрыть закупоренные поры действием высокой температуры, растворами электролитов или водяным паром.

В ходе процесса активации меняется лишь структура вещества, поэтому химическая формула активированного угля идентична составу сырья, из которого тот был изготовлен. Влажность активированного угля зависит от удельной поверхности пор и обычно составляет менее 12%.

Химический процесс

После попадания в камеру происходит постепенное тление дров. Данный процесс происходит благодаря наличию в топке достаточного количества газообразного кислорода, поддерживающего горение. По мере тления наблюдается выделение достаточного количества тепла, превращение избыточной жидкости в пар.

Дым, выделяющийся в процессе реакции, идет в отсек вторичной переработки, там он полностью сгорает, происходит выделение тепла. Углевыжигательная печь выполняет несколько важных функциональных задач. С ее помощью образуется древесный уголь, а в помещении поддерживается комфортная температура.

Но процесс получения подобного топлива является достаточно деликатным, и при малейшем промедлении возможно полное сгорание дров. Необходимо в определенное время извлекать из печи обуглившиеся заготовки.

Древесный уголь

Этот тип угля не является ископаемым, поэтому он имеет некоторые особенности своего состава. Производят его путем нагрева сухой древесины до температуры 450-500 oC без доступа воздуха. Этот процесс называют пиролизом. В ходе него из древесины выделяется ряд веществ: метанол, ацетон, уксусная кислота и другие, после чего она превращается в уголь. Кстати, горение древесины — это тоже пиролиз, но из-за наличия кислорода воздуха загораются выделяющиеся газы. Именно этим и обуславливается наличие языков пламени при горении.

Древесина не является однородной, в ней очень много пор и капилляров. Подобная структура отчасти сохраняется и полученном из нее угле. По этой причине он обладает хорошей адсорбционной способностью и применяется наряду с активированным углем.

Влажность этого типа угля совсем небольшая (около 3%), но при длительном хранении он поглощает влагу из воздуха и процентное содержание воды повышается до 7-15%. Содержание неорганических примесей и летучих веществ регламентируется ГОСТами и должно составлять не более 3% и 20% соответственно. Элементный состав зависит от технологии получения, и примерно выглядит так:

  • Углерод 80-92%.
  • Кислород 5-15%.
  • Водород 4-5%.
  • Азот ~0%.
  • Сера ~0%.

Химическая формула угля древесного показывает, что по содержанию углерода он близок к каменному, но вдобавок имеет лишь незначительное количество ненужных для горения элементов (серы и азота).

свойства, процесс возгорания в котле и печи

В качестве энергоносителя применяют разные виды топлива, например, торф, уголь, древесину, а также топливные брикеты. Уголь по праву считается наиболее эффективной разновидностью, позволяющей котлу или печи работать максимально эффективно. Для того чтобы выбрать хорошее топливо, следует учитывать некоторые факторы, в том числе температуру горения угля.

При выборе материала – обязательно учитываем несколько факторов

Разновидности угля

Существует несколько видов этого топлива, температура угля при горении у каждого типа будет разной. По происхождению различают уголь, полученный из древесины, и ископаемые экземпляры.

Ископаемое топливо сотворила сама природа. В его состав входят растительные компоненты, которые подвергались изменениям, находясь под толщей земли.

К этой категории относятся следующие типы угля:

  • антрацит;
  • бурый;
  • каменный.
Выделяют 3 вида угля

Природные ископаемые

Самая молодая разновидностей ископаемых — бурый уголь. Этот вид топлива состоит из большого количества примесей и отличается высоким уровнем влаги (до 40%). При этом содержание углерода может доходить до 70%.

Из-за высокой влажности этот уголь имеет невысокую температуру горения и низкую отдачу тепла. Температура горения составляет 1900 градусов, а возгорание происходит при 250 градусах. Бурую разновидность редко используют для печей в частных домах, поскольку она сильно уступает дровам по качеству.

Однако высоким спросом пользуется бурый уголь в виде брикетов. Такой теплоноситель проходит специальную доработку. Его влажность понижается, а потому топливо становится более эффективным.
Данный уголь имеет высокую влажность

Каменные ископаемые старше бурых. В природе они содержатся очень глубоко под землей. Этот теплоноситель может содержать до 95% углерода и до 30% летучих примесей. При этом ископаемое имеет невысокое содержание влаги — максимум 12%.

Находясь в печи, температура горения угля составляет 1000 градусов, а в идеальных условиях может достигать отметки в 2100 градусов. Его достаточно сложно разжечь, для этого нужно нагреть ископаемое до 400 градусов. Каменный теплоноситель — самая популярная разновидность топлива для обогрева зданий и частных домов.

Антрацит — древнейшее ископаемое, практически не содержащее примесей и влаги. Количество углерода в топливе более 95%. Температура сгорания составляет 2250 градусов при подходящих условиях. Для воспламенения необходимо создать температуру минимум 600 градусов. Необходимо применять дрова для того, чтобы создавать нужный нагрев.

Данный уголь не имеет влаги

Продукты производства

Древесный уголь не является природным ископаемым, поэтому его выделяют в отдельную категорию. Этот продукт получается в результате обработки древесины. Из нее удаляют лишнюю влагу и меняют структуру. При правильном хранении влажность в древесном топливе равна 15%.

Для того чтобы топливо воспламенилось, его необходимо нагреть до 200 градусов. Следует учитывать то, что температура горения древесного угля может отличаться в зависимости от условий и вида древесины, например:

  • для ковки металла подойдут березовые угли — при качественной подаче воздуха, они будут гореть при 1200-1300 градусах;
  • в отопительной котле или в печи температура древесного угля при горении составит 800-900 градусов;
  • в мангале на природе показатель будет равен 700 градусов.
Топливо, полученное из древесины, очень экономично. Его требуется гораздо меньше, чем дров. Этот производственный продукт идеально подойдет для приготовления мяса в мангале.

В этом видео вы узнаете, чем отличается каменный уголь от древесного:

Особенности горения

Теплоносители отличаются по типу пламени. Для бурого и каменного ископаемого характерны длинные языки пламени, а антрацит и древесное топливо являются энергоносителями с коротким пламенем. Последние выделяют много тепловой энергии и сгорают почти без остатка.

Длиннопламенное топливо горит в два этапа. Сначала происходит испарение летучих фракций, горючий газ сгорает и перемещается в верхнюю область топочной камеры. Во время выделения газа уголь коксуется, после полного выгорания примесей начинается горение кокса. Появляется короткое пламя. В заключение углерод сгорает, а зола и шлаки остаются.

Температура в мангале

Идеальная температура топлива для жарки мяса — 600-700 градусов. В таком случае шашлык получится максимально сочным и прожаренным.

Профессионалы советуют определять температуру по виду теплоносителя. Оптимально, когда угольки начинают «седеть», то есть на них образуется белый пепел.

Важно не путать температуру горения угля и дров. Если в мангал поместить березовую древесину и зажечь ее, температура дойдет до отметки 1070-1570 градусов. Такой показатель не подойдет для жарки шашлыка. Мясо попросту сгорит.

Измерение показателей

Для того чтобы определить температуру в мангале, начинающие могут воспользоваться пирометром. Этот прибор стоит недорого и облегчит жизнь любителям дачного отдыха. Однако можно измерить показатель и без использования специальных средств. Для этого потребуется только рука. Ее необходимо поднять над мангалом на высоте 7-8 см от топлива.

В процессе необходимо подсчитать, через какое время станет максимально горячо:

  • через 1 секунду — уровень температуры от 350 градусов и больше;
  • 2 секунды — около 280 градусов;
  • 3 секунды — 250 градусов;
  • 4 секунды — отметка в 200 градусов;
  • 5 секунд или больше — меньше 150 градусов.
Измерение градусов таким способом очень условно и не слишком подходит для новичков. Только опытный шашлычник с помощью руки сможет безошибочно определить, какая температура в мангале.

Использование разнообразных видов топлива очень популярно. Уголь, торф и древесину применяют не только в быту, но и в промышленных целях. На современном рынке каждый найдет подходящий теплоноситель исходя из назначения и желаемых требований.

свойства, процесс возгорания в котле и печи

В качестве энергоносителя применяют разные виды топлива, например, торф, уголь, древесину, а также топливные брикеты. Уголь по праву считается наиболее эффективной разновидностью, позволяющей котлу или печи работать максимально эффективно. Для того чтобы выбрать хорошее топливо, следует учитывать некоторые факторы, в том числе температуру горения угля.

При выборе материала – обязательно учитываем несколько факторов

Разновидности угля

Существует несколько видов этого топлива, температура угля при горении у каждого типа будет разной. По происхождению различают уголь, полученный из древесины, и ископаемые экземпляры.

Ископаемое топливо сотворила сама природа. В его состав входят растительные компоненты, которые подвергались изменениям, находясь под толщей земли.

К этой категории относятся следующие типы угля:

  • антрацит;
  • бурый;
  • каменный.
Выделяют 3 вида угля

Природные ископаемые

Самая молодая разновидностей ископаемых — бурый уголь. Этот вид топлива состоит из большого количества примесей и отличается высоким уровнем влаги (до 40%). При этом содержание углерода может доходить до 70%.

Из-за высокой влажности этот уголь имеет невысокую температуру горения и низкую отдачу тепла. Температура горения составляет 1900 градусов, а возгорание происходит при 250 градусах. Бурую разновидность редко используют для печей в частных домах, поскольку она сильно уступает дровам по качеству.

Однако высоким спросом пользуется бурый уголь в виде брикетов. Такой теплоноситель проходит специальную доработку. Его влажность понижается, а потому топливо становится более эффективным.
Данный уголь имеет высокую влажность

Каменные ископаемые старше бурых. В природе они содержатся очень глубоко под землей. Этот теплоноситель может содержать до 95% углерода и до 30% летучих примесей. При этом ископаемое имеет невысокое содержание влаги — максимум 12%.

Находясь в печи, температура горения угля составляет 1000 градусов, а в идеальных условиях может достигать отметки в 2100 градусов. Его достаточно сложно разжечь, для этого нужно нагреть ископаемое до 400 градусов. Каменный теплоноситель — самая популярная разновидность топлива для обогрева зданий и частных домов.

Антрацит — древнейшее ископаемое, практически не содержащее примесей и влаги. Количество углерода в топливе более 95%. Температура сгорания составляет 2250 градусов при подходящих условиях. Для воспламенения необходимо создать температуру минимум 600 градусов. Необходимо применять дрова для того, чтобы создавать нужный нагрев.

Данный уголь не имеет влаги

Продукты производства

Древесный уголь не является природным ископаемым, поэтому его выделяют в отдельную категорию. Этот продукт получается в результате обработки древесины. Из нее удаляют лишнюю влагу и меняют структуру. При правильном хранении влажность в древесном топливе равна 15%.

Для того чтобы топливо воспламенилось, его необходимо нагреть до 200 градусов. Следует учитывать то, что температура горения древесного угля может отличаться в зависимости от условий и вида древесины, например:

  • для ковки металла подойдут березовые угли — при качественной подаче воздуха, они будут гореть при 1200-1300 градусах;
  • в отопительной котле или в печи температура древесного угля при горении составит 800-900 градусов;
  • в мангале на природе показатель будет равен 700 градусов.
Топливо, полученное из древесины, очень экономично. Его требуется гораздо меньше, чем дров. Этот производственный продукт идеально подойдет для приготовления мяса в мангале.

В этом видео вы узнаете, чем отличается каменный уголь от древесного:

Особенности горения

Теплоносители отличаются по типу пламени. Для бурого и каменного ископаемого характерны длинные языки пламени, а антрацит и древесное топливо являются энергоносителями с коротким пламенем. Последние выделяют много тепловой энергии и сгорают почти без остатка.

Длиннопламенное топливо горит в два этапа. Сначала происходит испарение летучих фракций, горючий газ сгорает и перемещается в верхнюю область топочной камеры. Во время выделения газа уголь коксуется, после полного выгорания примесей начинается горение кокса. Появляется короткое пламя. В заключение углерод сгорает, а зола и шлаки остаются.

Температура в мангале

Идеальная температура топлива для жарки мяса — 600-700 градусов. В таком случае шашлык получится максимально сочным и прожаренным.

Профессионалы советуют определять температуру по виду теплоносителя. Оптимально, когда угольки начинают «седеть», то есть на них образуется белый пепел.

Важно не путать температуру горения угля и дров. Если в мангал поместить березовую древесину и зажечь ее, температура дойдет до отметки 1070-1570 градусов. Такой показатель не подойдет для жарки шашлыка. Мясо попросту сгорит.

Измерение показателей

Для того чтобы определить температуру в мангале, начинающие могут воспользоваться пирометром. Этот прибор стоит недорого и облегчит жизнь любителям дачного отдыха. Однако можно измерить показатель и без использования специальных средств. Для этого потребуется только рука. Ее необходимо поднять над мангалом на высоте 7-8 см от топлива.

В процессе необходимо подсчитать, через какое время станет максимально горячо:

  • через 1 секунду — уровень температуры от 350 градусов и больше;
  • 2 секунды — около 280 градусов;
  • 3 секунды — 250 градусов;
  • 4 секунды — отметка в 200 градусов;
  • 5 секунд или больше — меньше 150 градусов.
Измерение градусов таким способом очень условно и не слишком подходит для новичков. Только опытный шашлычник с помощью руки сможет безошибочно определить, какая температура в мангале.

Использование разнообразных видов топлива очень популярно. Уголь, торф и древесину применяют не только в быту, но и в промышленных целях. На современном рынке каждый найдет подходящий теплоноситель исходя из назначения и желаемых требований.

Температура горения каменного угля, условия для сгорания топлива

Температура горения каменного угля при поступлении кислорода обычно превышает 1650 °C. Твердое топливо из пережженного дерева начинает гореть при температуре 1250 °C.

Считается, что плавильную печь лучше всего топить древесным углем. Его можно собрать из самых разных конструкционных материалов. Пламя каменного топлива при подаче воздуха способно расплавить даже металл.

Из-за столь высоких температурных показателей внутренние элементы печи, в которых происходит сжигание топлива, изготавливаются из особого огнеупорного кирпича. Как правило, бруски кладутся на жаростойкую глину.

Если создать определенные условия, то, сжигая каменный уголь, можно получить температуру выше 2000 °C.

Чтобы топливо сгорало без остатка, необходимо выполнить несколько операций. Прежде всего, нужно, чтобы температура предварительного нагрева максимально приближалась к точке воспламенения. Заметим, что разные виды топлива отличаются температурой начала горения. Они имеют следующие значения:

  • каменный уголь – 470 °C;
  • антрацит – 700 °C;
  • бурый уголь – 370 °C;
  • торф – 225 °C;
  • дрова – 300 °C.

Поддержка температуры воспламенения осуществляется раскаленным веществом, являющимся источником получения энергии, который находится на колоснике.

Сгорание топлива

Важно организовать беспрерывное поступление кислорода к топливу. Чтобы оно сгорало полностью, делается избыточная подача смеси газов. Иными словами, объем воздуха должен превышать теоретическое значение. Отрицательной стороной такого процесса является потеря тепла, часть которого просто уходит через трубу.

Как результат, температура топки начинает снижаться. Потому учеными был рассчитан избыточный объем воздуха для различных видов горючего.

Избыток кислорода позволяет добиться полного истлевания топлива. В результате можно достичь минимальных потерь тепла.

Похожие статьи:

Температура горения угля: виды углей и их свойства

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.

 

Вконтакте

Facebook

Twitter

Google+

Мой мир

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.

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

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.

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.

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

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.

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.

О горении бурого угля смотрите следующее видео:

Утилизация угля

| Летучие вещества и химия

Уровень угля

Образование угля из различных растительных материалов посредством биохимических и геохимических процессов называется углефикацией. Природа составляющих угля связана со степенью углефикации, измерение которой называется рангом. Ранг обычно оценивается с помощью серии тестов, которые вместе называются приблизительным анализом, которые определяют содержание влаги, содержание летучих веществ, зольность, содержание связанного углерода и теплотворную способность угля.

Влагосодержание определяется путем нагревания высушенного на воздухе образца угля при 105–110 ° C (221–230 ° F) в определенных условиях до достижения постоянного веса. Как правило, влажность увеличивается с понижением сорта и составляет от 1 до 40 процентов для различных сортов угля. Присутствие влаги является важным фактором как при хранении, так и при использовании угля, поскольку она увеличивает ненужный вес во время транспортировки, снижает теплотворную способность и создает некоторые проблемы при обращении.

Летучие вещества - это материал, который уносится при нагревании угля до 950 ° C (1742 ° F) в отсутствие воздуха при определенных условиях. Практически измеряется путем определения потери веса. Состоящие из смеси газов, органических соединений с низкой температурой кипения, которые конденсируются в масла при охлаждении, и смол, количество летучих веществ увеличивается с понижением ранга. Как правило, угли с высоким содержанием летучих веществ легко воспламеняются и обладают высокой реакционной способностью при сжигании.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.Подпишись сейчас

Минеральное содержание (зола)

Уголь содержит множество минералов в различных пропорциях, которые при сжигании угля превращаются в золу. Количество и природа золы, а также ее поведение при высоких температурах влияют на конструкцию и тип системы удаления золы, применяемой на предприятиях по утилизации угля. При высоких температурах угольная зола становится липкой (т. Е. Спекается) и в конечном итоге образует расплавленный шлак. Затем шлак становится твердым кристаллическим материалом при охлаждении и повторном затвердевании.Конкретные температуры плавления золы определяются в лаборатории путем наблюдения за температурами, при которых происходят последовательные характерные стадии плавления в образце золы при нагревании в печи в определенных условиях. Эти температуры часто используются как индикаторы клинкерной способности углей во время высокотемпературной обработки.

Содержание фиксированного углерода

Связанный углерод - твердый горючий остаток, который остается после нагревания частицы угля и удаления летучих веществ.Содержание связанного углерода в угле определяется путем вычитания процентного содержания влаги, летучих веществ и золы из образца. Поскольку реакции горения газ-твердое вещество протекают медленнее, чем реакции газ-газ, высокое содержание фиксированного углерода указывает на то, что для сгорания угля потребуется длительное время.

Теплотворная способность

Теплотворная способность, измеряемая в британских тепловых единицах или мегаджоулях на килограмм, - это количество химической энергии, хранящейся в угле, которая выделяется в виде тепловой энергии при сгорании.Это напрямую связано с рангом; Фактически, метод ASTM использует теплотворную способность для классификации углей на уровне или ниже уровня высоколетучих битуминозных (выше этого уровня угли классифицируются по содержанию фиксированного углерода). Теплотворная способность частично определяет ценность угля как топлива для сжигания.

Тип угля

Уголь - сложный материал, состоящий из микроскопически различимых, физически отличительных и химически различных органических веществ, называемых мацералами.Основываясь на их оптическом отражении, способе возникновения и внешнем виде под микроскопом, мацералы подразделяются на три основных класса: (1) мацералы липтинита или экзинита с низким коэффициентом отражения и высоким соотношением водорода к углероду получают из спор растений. , кутикулы, смолы и тела водорослей. (2) Витринитовые мацералы с промежуточной отражательной способностью и высоким соотношением кислорода к углероду получают из древесных тканей. (3) Мацералы инертинита с высоким коэффициентом отражения и содержанием углерода получают из ископаемого древесного угля или разложившегося материала.

Хотя ожидается, что различные мацералы в данной группе обладают схожими свойствами, они часто демонстрируют различное поведение при конкретном конечном использовании. Например, сообщается, что эффективность горения обратно пропорциональна содержанию инертинита, однако микринит, который классифицируется как инертинитовый мацерал, оказывается очень реактивным при сжигании. Корреляция между петрографическим составом и реакционной способностью угля еще не установлена.

Физические свойства

Шлифуемость

Измельчаемость угля является мерой его устойчивости к раздавливанию.На измельчаемость влияют два фактора: влажность и зольность угля. В целом лигниты и антрациты более устойчивы к измельчению, чем битуминозные угли. Одним из широко используемых методов оценки измельчаемости является испытание Hardgrove, которое заключается в измельчении специально подготовленной пробы угля в лабораторной мельнице стандартной конструкции. Массовый процент угля, который проходит через сито с размером ячеек 200 меш (сито с размером отверстий 74 микрометра, или 0,003 дюйма), используется для расчета индекса измельчаемости Hardgrove (HGI).Индекс используется в качестве ориентира для определения размеров помольного оборудования на углеобогатительной фабрике.

Пористость - это часть объема кажущегося твердого вещества, которая на самом деле представляет собой пустое пространство. Из-за пористости площадь поверхности внутри частицы угля намного превышает площадь внешней поверхности. В любой реакции газ-твердое тело или жидкость-твердое тело скорость реакции зависит от доступной площади поверхности, на которой может происходить реакция; следовательно, пористость угля влияет на скорость его реакции в процессе конверсии.Доступность реагента к внутренней поверхности угольной частицы также зависит от размера и формы пор и степени пористости.

В зависимости от предполагаемого конечного использования угля выполняется несколько видов измерения плотности. Наиболее часто измеряемая плотность - это объемная плотность; он определяется как вес угля, занимающего единицу объема, и выражается в граммах на кубический сантиметр или фунтах на кубический фут. Насыпная плотность зависит от гранулометрического состава угля и важна при проектировании складских бункеров и силосов.

Когда многие битуминозные угли нагреваются, они размягчаются и образуют пластичную массу, которая набухает и снова затвердевает в пористое твердое тело. Угли, которые проявляют такое поведение, называются спекающимися углями. Сильно спекающиеся угли, которые дают твердый продукт (кокс) со свойствами, подходящими для использования в доменной печи, называются коксующимися углями. Все коксующиеся угли слеживаются, но не все коксующиеся угли подходят для производства кокса.

Термопластические свойства зависят от петрографического состава. Например, мацералы липтинита обладают очень высокой текучестью, а мацералы инертинита - нет.Витриниты занимают промежуточное положение между этими двумя группами. Термопластические свойства желательны для получения кокса и ожижения, но они нежелательны для сжигания и газификации, поскольку камера сгорания или газогенератор может быть забит образовавшейся расплавленной массой.

Сарма В.Л.Н. Писупати Алан В. Скарони

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

МЕХАНИЗМЫ И ОПТИМИЗАЦИЯ СГОРАНИЯ УГЛЯ (Технический отчет)

Зигуракис, Кириакос. МЕХАНИЗМЫ И ОПТИМИЗАЦИЯ СГОРАНИЯ УГЛЯ .США: Н. П., 2000. Интернет. DOI: 10,2172 / 789667.

Зигуракис, Кириакос. МЕХАНИЗМЫ И ОПТИМИЗАЦИЯ СГОРАНИЯ УГЛЯ . Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/789667

Зигуракис, Кириакос. Вт. «МЕХАНИЗМЫ И ОПТИМИЗАЦИЯ СГОРАНИЯ УГЛЯ».Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/789667. https://www.osti.gov/servlets/purl/789667.

@article {osti_789667,
title = {МЕХАНИЗМЫ И ОПТИМИЗАЦИЯ СГОРАНИЯ УГЛЯ},
author = {Зигуракис, Кириакос},
abstractNote = {Завершенный исследовательский проект внес существенный вклад, который поможет нам решить проблемы, описанные в предыдущем разделе.Одна из основных новинок нашего экспериментального подхода заключается в применении видеомикроскопии и анализа цифровых изображений для изучения важных переходных явлений (таких как набухание и воспламенение частиц), возникающих во время пиролиза и горения угля. Анализ изображений также использовался для анализа макропористой структуры голья, доминирующего фактора при определении реакционной способности угля и характеристик воспламенения при высоких температурах, в которых работают все промышленные процессы. Объединив передовые экспериментальные методы с математическим моделированием, мы смогли достичь основных целей нашего проекта.Более конкретно: (1) Мы точно количественно оценили влияние нескольких важных условий процесса (таких как скорость нагрева при пиролизе, размер частиц, температура термообработки и время выдержки) на характеристики горения гальки. Эти измерения пролили новый свет на фундаментальные механизмы важных переходных процессов, таких как набухание и воспламенение частиц. (2) Мы разработали и протестировали теоретические модели, которые могут предсказать поведение воспламенения частиц угля и время их выгорания при высоких температурах, где очень важны ограничения внутричастичной диффузии.},
doi = {10.2172 / 789667},
url = {https://www.osti.gov/biblio/789667}, журнал = {},
номер =,
объем =,
place = {United States},
год = {2000},
месяц = ​​{10}
}

Производительность сжигания пылевидного угля в условиях высокотемпературного воздуха, разбавленного паром

Высокотемпературное сжигание воздуха (HiTAC) - передовая многообещающая технология для рекуперации тепла, энергосбережения и повышения стабильности пламени.Вычислительная гидродинамика (CFD) известна как прикладной инструмент для выполнения моделирования HiTAC. В этой статье характеристики сжигания пылевидного угля в предварительно нагретом воздухе и воздухе с дефицитом кислорода изучаются как экспериментальными, так и численными методами. Экспериментальные установки выполнены в камере HiTAC со скоростью нагнетания угля от 10 до 40 м / с. Чтобы достичь различных температур предварительного подогрева, воздух для горения в такой системе разбавляется регулируемым процентным содержанием пара от 0 до 44%.Результаты математического моделирования и экспериментальных испытаний демонстрируют убедительное согласие по всему региону. Сделан вывод, что выбросы уменьшаются за счет увеличения процентного содержания пара в окислителе из-за снижения температуры пламени. Кроме того, графические контуры показывают, что при добавлении большего количества пара в состав окислителя концентрация кислорода снижалась. Кроме того, результаты показывают, что, когда скорость впрыска топлива увеличивается, выбросы также увеличиваются, а когда скорость впрыска предварительно нагретого воздуха увеличивается, выбросы демонстрируют тенденцию к снижению.В будущем потребуется дальнейший вклад в исследование производительности таких технологий.

1. Введение

В последние десятилетия уголь использовался в основном для производства электроэнергии из-за низкой цены и большого количества доступных минеральных источников. После острой нехватки нефти и природного газа для промышленных целей ученые во всем мире прилагают усилия для разработки методов газификации углей. Уголь по своим свойствам более или менее схож с нефтью, поэтому, немного модифицируя предыдущие установки, ученые могут получить правдивое оборудование для твердотельного топлива вместо жидкого / газового.Как только эти методы будут полностью разработаны, они будут обозначать основной источник использования угля. Использование газифицированного угля на электростанциях улучшит скорость сжигания, что приводит к убедительной технологии чистого сжигания. Кроме того, газифицированный уголь производит более эффективный синтез-газ, который можно использовать для других целей, таких как вторичное сжигание и устойчивая рекуперация тепла.

Как правило, HiTAC - это известная технология, которая ставит под угрозу возможное решение по снижению выбросов загрязняющих веществ и равномерности теплопередачи [1–4].Сначала технология HiTAC разрабатывалась в Японии в тесном сотрудничестве с несколькими исследователями со всего мира. Основная особенность этого метода заключается в том, что сильно разбавленный и предварительно нагретый воздух смешивается с топливом для образования равномерного объемного горения. Эта технология обеспечивает более высокую энергоэффективность, рекуперацию тепла и низкий уровень выбросов. Кроме того, по сравнению с обычным горением, увеличение объема реакционной зоны и равномерное распределение температуры пламени являются важными характеристиками таких систем.Вышеупомянутые преимущества HiTAC были описаны отдельно Ito et al. [5] и Mörtberg et al. [6]. Результаты, полученные Tsuji et al. [7] показали, что использование этой технологии приводит к значительному снижению выбросов загрязняющих веществ, таких как оксиды азота, до 50% и расхода топлива до 30%.

Основываясь на истории использования технологии HiTAC, такая технология была впервые применена в газообразном топливе. Для чистого газообразного топлива, не содержащего каких-либо топливных соединений азота, результаты показывают очень низкие выбросы, даже если поток воздуха для горения предварительно нагревается до температуры, превышающей 1273 К.Противоположный случай имеет место в обычных системах сгорания, где реакции сосредоточены в тонком фронте пламени. HiTAC применялся во многих промышленных печах [8], особенно работающих на природном газе. Кроме того, было также продемонстрировано, что этот метод может быть использован для сжигания легких жидких топлив [9] и биогазов [10].

Моделирование горения в промышленных камерах представляет собой трехмерный пример, который включает в себя множество боковых проблемных вопросов, таких как поток жидкости и частиц, турбулентность, химия горения, радиационная теплопередача и расчеты загрязняющих веществ.Выполнение расчетов полного сгорания благодаря нескольким параметрам, таким как знания человека и мощность компьютера, по существу невозможно. Следовательно, необходимо сделать некоторые предположения, чтобы упростить проблему и сделать ее более ощутимой. Несколько методов сжигания поддерживают новые подходы к технологии HiTAC при сжигании угля, такие как сжигание с умеренным и интенсивным разбавлением кислородом (MILD) [11] или беспламенное окисление (FLOX) [12]. Эти передовые технологии привлекли внимание исследователей к сжиганию тяжелого твердого топлива.Большинство вкладов в нагнетание воздуха / пара в камеру сгорания зарегистрировано для газовых турбин и дизельных двигателей [13–15].

Выбросы от сгорания - довольно продвинутая и горячая тема среди исследователей, которые работают над производительностью и выбросами загрязняющих веществ от сгорания. Yang и Blasiak [16] провели одно из основных исследований модели в системах HiTAC, они показали, что NO с моделью O-маршрута N 2 может дать более разумный профиль образования NO, а увеличение коэффициента избытка воздуха приводит к увеличению NO выброс в регенеративной печи.Khoshhal et al. [17] представили свои результаты, основанные на котле HiTAC, которые, как показывают их наблюдения, увеличиваются за счет увеличения температуры и концентрации кислорода. Danon et al. [18], а также Набили и Блазиак [19] наблюдали, что снижение температуры в печи HiTAC происходит из-за того, что пиковая температура в печи HiTAC снижается, и пламя будет более стабильным, чем в обычных системах. Khoshhal et al. [20] исследовали CFD-расчет эффектов разбавленного воздуха в печи, и они показали высокую зависимость выбросов от температуры и наличие кислорода в разбавленном воздухе.

Цели данной работы были сосредоточены как на экспериментальном, так и на численном исследовании эффективности сжигания пылевидного угля. Численные расчеты и собранные данные выполнены для предварительно нагретого воздуха, разбавленного паром, в вертикальной камере HiTAC. Было изучено влияние различных параметров, таких как процентное содержание пара в смеси, скорость нагнетания и температура предварительного нагрева. Основной вклад предлагается исследовать эмиссию, теплопередачу и оценку температуры в камере сгорания.Поскольку выбросы загрязняющих веществ в значительной степени зависят от распределения потока жидкости, температуры и концентрации кислорода, они представлены на нескольких рисунках. Кроме того, дополнительное внимание уделяется образованию сажи и общим выбросам, которые являются решающими факторами в работе систем HiTAC.

2. Экспериментальное и испытательное оборудование

Экспериментальное оборудование обозначено как подогреватель, котел, питатель угля, камера сгорания и вторая камера сгорания на Рисунке 1.Объем основной камеры сгорания, моделируемый численными методами, равен 0,28 м 3 и превышен 2,2 м 2 . Два изокинетических зонда были установлены для сбора проб золы и дымовых газов для анализа. Температура измеряется 5 термопарами, которые устанавливаются в разных местах возле изолированной стены. Для того, чтобы выполнить систему сжигания угля HiTAC, в течение нескольких лет были реконструированы объекты и созданы испытательные стенды.


Для численного моделирования и экспериментальных измерений сжигания угля необходимы свойства угля.В таблице 1 приведены предварительные и окончательные анализы угля Хельсингборга для экспериментальных установок.

Proximate анализ 902 902
902 902 902 76,39 Кислород78

30,7202 902


Анализ угля Влажный Сухой Сушеный воздух Сухой без золы Агрегат

- 0,9 - %
Ясень 11.10 11,9 11,79 - %
Летучие 19,41 20,80 20,61 23,61 %

Окончательный анализ Хлор 0,01 <0,01 0,01 0.01 %
Сера 0,32 0,34 0,34 0,39 %
Углерод 70,91 76207 902 902 902 902 902 902 902 902 902 902 902 902 902 3,73 4,00 3,96 4,54 %
Азот 1,4 1,50 1,49 1,70 %
6,20 6,14 7,04 %

Высокие теплотворные способности (HHV) 28,95 31,03
Низкая теплотворная способность (LHV) 27,99 30,17 29,90 34,25 МДж / кг

9017Численные методы

Численные модели получены из уравнений Навье-Стокса для массы, импульса, энергии и уравнений переноса для скалярных переменных. Расчетная область для камеры сгорания HiTAC определяется 238526 тетраэдрическими объемными сетками. В этом исследовании поток жидкости моделируется с помощью трехмерного уравнения Навье-Стокса, усредненного по Рейнольдсу (RANS), вместе с моделью турбулентности RNG с использованием коммерческого программного обеспечения CFD, ANSYS FLUENT 14.0 [21]. Для моделирования выбросов загрязняющих веществ во время моделирования были активированы модели и сажи.Это означает, что для моделирования выбросов одновременно рассматриваются тепловые, быстрые, топливные и промежуточные модели N 2 O. В расчетной области для вышеупомянутых моделей и видов переноса частиц использовались уравнения PDE, схемы второго порядка против ветра, метод сегрегированного решения и ПРОСТАЯ связь давления и скорости.

3.1. Сжигание и удаление летучих компонентов Модель

Конкурирующая реакция, основанная на кинетико-диффузионной схеме, используется для моделирования скорости удаления летучих веществ из угля [22].Предполагается, что существуют две конкурирующие реакции, одна из которых дает преимущества при более низких температурах, а другая дает преимущества при более высоких температурах. После процесса удаления летучих веществ пылевидный уголь превращается в летучие и остаточный полукокс и. Две конкурирующие реакции сформулированы следующим образом: где взято значение процентного содержания летучих веществ, полученное при экспресс-анализе угля из таблицы 1, и дано значение 0,8 для отражения характеристик удаления летучих веществ при высокой температуре.Механизм цепной реакции угля сложен, поэтому некоторые из важных реакций в этом исследовании представлены шестью следующими реакциями:

Наиболее часто встречающиеся моменты при моделировании турбулентного горения связаны со средней скоростью реакции с учетом удовлетворительного представления химического состава реакций. В этом исследовании используется двухфазная объемная модель, основанная на реакциях с учетом реакций на поверхности частиц, с моделью вихревой диссипации (EDC).Однако при высокой температуре выше 1300 К скорости реакции в большей степени зависят от температуры, чем от турбулентных эффектов. Таким образом, эта модель способна прогнозировать условия горения воздуха при высоких температурах одновременно с турбулентными эффектами [23]. Дискретная ординатная (DO) модель используется для различных вариантов оптических толщин. Поскольку оптическая толщина в области пламени не различима, модель DO кажется приемлемой для расчетов излучения [24].

4. Результаты и обсуждение
4.1. Проверка экспериментальных результатов и результатов CFD

Чтобы сравнить достоверность вычислительных методов с экспериментальными измерениями, экспериментальные данные собираются термопарами и сравниваются с результатами CFD вдоль центральной линии камеры сгорания. Сравниваемые данные получены для нагнетания угля 10 м / с из сопла диаметром 5 мм при 1050 К и скорости впрыска окислителя 0,02 кг / с при 100% -ном составе воздуха.

На рис. 2 представлены данные, собранные по результатам экспериментов, в сравнении с численными расчетами.Разброс построенных графиков демонстрирует хорошую согласованность в общей зоне горения. Подтверждение температуры на рисунке 2 показывает тепловыделение от сгорания, которое произошло в режиме баланса с экспериментальными результатами. Однако небольшое различие между результатами связывает сбор данных с центральной линии расчетной области и пристенные экспериментальные измерения с помощью термопар.


Валидация концентраций частиц также рассматривается для процентного содержания кислорода в дымовых газах камеры HiTAC.На рис. 3 показана концентрация кислорода в дымовых газах для различных скоростей нагнетания угля из сопла диаметром 5 мм при 1050 K и скорости впрыска окислителя 0,02 кг / с при 100% -ном составе воздуха. Кроме того, результаты показывают приблизительно 6-7% концентрацию кислорода в выхлопе камеры, что дает убедительное подтверждение состава дымовых газов в системе сжигания угля [25]. Сравнение результатов по видам при выхлопе показывает, что дымовой газ получил достаточный эффект от химических реакций в реакционной зоне.


4.2. Влияние паровой смеси

На рисунке 4 показано распределение температуры для четырех различных вариантов состава окислителя. Построенные кривые показывают, что максимальная доступная температура составляет 2300 K, а минимальная - 1600 K в зонах пика. На всех кривых есть две точки пика, первый пик соответствует стадии объемной зоны горения, а второй - стадии горения полукокса. Кроме того, наблюдаются эффекты турбулентности вблизи точки нагнетания и колебания температуры от 0.От 2 м до 1 м полной высоты камеры сгорания [25]. Основное воздействие пара вызывают диссоциированные радикалы H и OH при закачке окислителя [26]. Эти радикалы легко вступают в реакцию за короткое время пребывания из-за своей природы и реагируют с сгоревшими частицами. Реакции радикалов H и OH либо с частицами угля, либо с дымовыми газами значительно снижают температуру.


На рисунке 5 показано образование сажи в камере сгорания при вдувании угля 10 м / с из сопла диаметром 5 мм при 1050 К и 0.Скорость нагнетания подогретого воздуха 02 кг / с в качестве базового случая исследований. Такая же тенденция распространения различима для всех кривых в зоне воспламенения, турбулентности и горения полукокса. Из этого рисунка следует, что при добавлении большего количества пара к композиции окислителя количество сажи уменьшилось. Следовательно, уловленная сажа в верхнем потоке будет более гладкой, чем горение на чистом воздухе, из-за большей концентрации кислорода в качестве реагента с частицами углерода. С другой стороны, пиковые точки на кривых на фиг. 5 представляют захваченную сажу на дне камеры сгорания.Кроме того, надежное сгорание оценивается по количеству сажи в образовании, которое показывает примеси углеродных частиц из-за неполного процесса сгорания [27].


Для дальнейшего исследования увеличения пара на выбросы загрязняющих веществ при сжигании угля, общий NO загрязняющих веществ показан на рисунке 6. Все кривые показывают тенденцию к увеличению за счет увеличения температуры и скорости нагнетания угля. Таким образом, можно сделать вывод, что радикалы ОН реагируют с одной из цепных реакций, таких как промотирование NO.В противном случае образования радикалов происходят за короткое время и вступают в реакцию с несколькими цепными реакциями. Следовательно, эти цепные реакции - не единственные, с которыми радикалы ОН могут реагировать, значительно способствуя выбросу NO. Кроме того, на этом рисунке рассматриваются все задействованные механизмы излучения. Из-за высокой температуры в камере сгорания тепло играет доминирующую роль по сравнению с другими механизмами. Таким образом, выброс NO в системе HiTAC сильно зависит от температуры, а не от скорости нагнетания и турбулентных эффектов.


4.3. Контуры HiTAC

Для демонстрации видимого дополнения распределения температуры, концентрации кислорода и загрязняющего NO в наших экспериментальных установках HiTAC предлагаются рисунки с 7 по 9. Контур температуры на рисунке 7 представляет собой распределение температуры в объеме сгорания. Целые контуры выбираются с поверхности, которая расположена в середине камеры на плоскости x - z . На рис. 7 показано, что основной объем пламени располагается вокруг точек впрыска, и он продолжает выходить в заданной форме.Основная характеристика пара известна как высокая теплотворная способность (HHV) пара для поглощения тепла от реакций с целью повышения собственной температуры. Кроме того, влага в составе окислителя также охлаждает оборудование, что обеспечивает более высокую конечную температуру во всем объеме и уменьшает разницу между минимальным и максимальным пиками температуры.

На рисунке 8 показаны концентрации кислорода в объеме камеры сгорания. Контуры кислорода идеально обозначают расположение угольного сопла и предварительно нагретого паровоздушного окислителя в верхней части камеры.На этом рисунке показано, что добавление большего количества предварительно нагретого воздуха / пара снижает массовую концентрацию кислорода и, соответственно, вызывает снижение температуры, как показано на рисунке 7. Высокая реакционная способность кислорода с водяным паром из-за уменьшения количества частиц угля и температуры газа приводит к к значительному снижению концентрации кислорода в реакционном объеме. Кроме того, концентрация кислорода показывает вероятность существования пламени в темно-синей области, что связано с потреблением кислорода в процессе горения.

На рисунке 9 показаны счетчики NO загрязняющих веществ для камеры HiTAC. Эти контуры подготовлены для впрыска угля 10 м / с из сопла диаметром 5 мм при 1050 K и скорости впрыска предварительно нагретого воздуха 0,02 кг / с. Из этого контура видно, что NO накапливается на большом расстоянии от фронта пламени, особенно вокруг него и на дне камеры [25]. Причина формы контуров NO в основном связана с тепловым механизмом, на который влияет высокая температура в тонком слое вокруг ядра пламени.В нашей камере всегда сообщается, что некоторое количество NO задерживается на дне камеры, как это видно из численных результатов.

4.4. Влияние скорости впрыска окислителя

На рисунках 10 и 11 показано распределение температуры и выбросы NO вдоль центральной линии камеры сгорания для различных скоростей впрыска. Чтобы оценить эффекты нагнетания предварительно нагретого воздуха, уголь впрыскивается из сопла диаметром 5 мм с 1050 К и 100% воздушным составом окислителя в качестве базового случая.



На рисунке 10 показаны одинаковые тенденции для всех случаев во всей камере. Из рисунка 10 видно, что при увеличении количества предварительно нагретого воздуха в составе окислителя температура будет снижаться, поскольку огромная концентрация воздуха в камере сгорания указывает на снижение температуры. С другой стороны, за счет уменьшения скорости нагнетания предварительно нагретого воздуха уменьшается разница пиковых температур. Как показано для скорости впрыска предварительно нагретого воздуха 0,02 кг / с из-за достаточного времени пребывания частиц в объеме, стадия сжигания полукокса улучшается.

На рисунке 11 показано, что при увеличении скорости впрыска предварительно нагретого воздуха температура будет снижаться из-за высокой концентрации непрореагировавшего воздуха в камере сгорания. Следовательно, прямое воздействие этой пониженной температуры приводит к меньшему выбросу NO. Также предполагается, что пиковые точки выброса NO будут уменьшаться за счет увеличения скорости нагнетаемого воздуха. Помимо упомянутых эффектов, турбулентные колебания также различимы вблизи точки впрыска сопла и продолжаются непосредственно перед основными точками пика.

4.5. Влияние скорости впрыска топлива

На рис. 12 показано, что при увеличении скорости впрыска угля камера HiTAC достигает высоких температур, поскольку увеличивается количество основного топлива. С другой стороны, этот эффект увеличения температуры имеет огромное значение в нижней части камеры и около выхлопной трубы. До 0,5 м полной высоты максимальная температура относится к впрыску топлива со скоростью 10 м / с, потому что в этой области низкая скорость помогает увеличить время пребывания пылевидных частиц.Следовательно, объемное горение происходит в высокотемпературной гладкой атмосфере. Кроме того, исходя из опыта, добавление большего количества топлива не всегда приводит к высокой температуре, и из-за ограничения соотношения топливо-воздух и неполного сгорания важно поддерживать разумный баланс для них.


На рисунке 13 представлены выбросы NO при различных скоростях впрыска топлива. При увеличении скорости нагнетаемого угля увеличивается количество основного топлива, а выбросы NO имеют тенденцию к увеличению.В противном случае, согласно анализу угля в таблице 1, наличие азота в составе угля означает, что при увеличении расхода топлива вероятность присутствия азота в топливе увеличится и приведет к высокому уровню выбросов NO. Второй пик на рисунке 13 относится к непрореагировавшим захваченным газам, которые не могут легко пройти через выпускное отверстие из-за их плотности.


4.6. Влияние температуры окислителя

Для исследования влияния температуры предварительно нагретого воздуха представлены рисунки 14 и 15.На обоих рисунках уголь впрыскивается из сопла диаметром 5 мм со 100% воздушным составом окислителя. На рисунке 14 показано, что распределение температуры в камере сгорания увеличивается за счет увеличения температуры предварительно нагретого воздуха. Основная концепция повышения температуры заключается в том, что при повышении температуры увеличивается объем и давление. После этого нагнетание предварительно нагретого воздуха под высоким давлением в камеру сгорания приводит к более объемному сгоранию. В противном случае повышение температуры предварительно нагретого окислителя способствует лучшему воспламенению топлива и окислителя при более высокой температуре.Предварительно нагретый воздух с высокой температурой помогает уменьшить разницу между температурами пламени по всей камере. Таким образом, все зоны сгорания достигают конечной температуры, как показано на рисунке 7.



На рисунке 15 представлена ​​концентрация NO на высоте камеры сгорания, которая нанесена на график для различных температур предварительно нагретого воздуха. Воздействие предварительно нагретого воздуха на выбросы NO полностью такое же, как показано на рисунке 14. Такое же поведение видно для всех графиков во время камеры сгорания, за исключением еще одного пика в 1050 K в конце камеры сгорания, который иллюстрирует захваченный загрязняющие вещества в конце камеры из-за низкой температуры окислителя.

5. Заключение

В этой работе были проведены экспериментальные и численные исследования для изучения характеристик горения пылевидного угля в сильно нагретом воздухе, разбавленном паром. Подтверждение численных результатов экспериментальными измерениями показывает хорошую согласованность во всех регионах как по температуре, так и по видам. Было изучено влияние процентного содержания смеси воздух / пар, скорости впрыска и температуры предварительного нагрева. Обнаружено, что (i) когда процентное содержание паровой смеси в смеси окислителя предварительно нагретого воздуха увеличивается, температура снижается, выбросы также уменьшаются и достигается равномерное распределение температуры; (ii) когда процентное содержание пара увеличивается, видимость пламени из-за снижения температуры уменьшается, и форма пламени становится более однородной по всей камере; (iii) когда процентное содержание пара увеличивается, достигаются низкие количества сажи, что приводит к более эффективному сгоранию; (iv) когда скорость впрыска / скорость увеличивается, происходит два аспекта.При увеличении скорости нагнетания угля температура увеличивалась, а также увеличивались выбросы, но когда увеличивалась скорость нагнетания подогретого воздуха, было обнаружено обратное действие; (v) когда скорость подогретого воздуха уменьшалась, пульверизованный впрыскиваемый уголь имеет достаточно времени, чтобы вступить в реакцию с окислителя, тогда распределение температуры, а также объемное горение происходят более однородно; (vi) когда скорость нагнетания увеличивается, в зоне удаления летучих веществ наблюдается более низкий коэффициент эквивалентности; следовательно, появляется запрос на эмиссию.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

Возникновение и выделение кадмия, хрома и свинца при сжигании каменного угля

Предварительный и окончательный анализ каменного угля

В таблице 1 представлены результаты приближенного и окончательного анализов экспериментального необработанного угля. Необработанный каменный уголь содержал 2,40% влаги, 39,16% золы, 4,87% летучих веществ и 53,57% связанного углерода.Теплотворная способность составила 5,53 МДж / кг, что намного ниже, чем у стандартного угля (290 МДж / кг). Пирит был первичной формой серы, составляющей 96,7% от общего количества серы. Необработанный каменный уголь характеризовался высоким выходом золы, средним содержанием серы, низким содержанием влаги, низким содержанием летучих веществ и низкой теплотворной способностью в соответствии с китайскими стандартами классификации угля (MT / T 850-2000, GB / T 15224.1, MT / T 849, GB / T 15224.2 и GB / T 15224.3).

Таблица 1 Приблизительный и окончательный анализ образца сырого каменного угля

Наличие Cr, Cd и Pb в каменном угле

Каменный угольный разрез в Хаопине ​​расположен в южной части Шэньси, а собранные образцы принадлежат Цзыян - Каменноугольный пояс Чжэньпин в южной части Циньлина.В китайском каменном угле содержится более 60 элементов, включая Se, V, Cr, Ni, Cd, Pb, Cu, Ga и As (Du et al.2017). Содержание Cr, Cd и Pb в каменном угле в некоторых регионах Китая приведено в Таблице 2. Содержание Cr, Cd и Pb в каменном угле в значительной степени варьируется в зависимости от местности, особенно большие различия наблюдаются для Cr и Cd. Содержание Cr, Cd и Pb в каменном угле в Китае обычно выше, чем средние значения для мирового угля, китайского угля и земной коры. Для образцов каменного угля из карьера Хаопин, проанализированных в данном исследовании, среднее содержание Cr, Cd и Pb составило 121,3.55 и 40,6 мкг / г соответственно. Согласно Стандартам угольной промышленности Китайской Народной Республики (MT / T 964-2005), эти значения указывают на то, что каменный уголь относится к высокохромистым (H Cr ) и высококадиевым (H Cd ). ) и угля с высоким содержанием Pb (H Pb ). Кроме того, содержание Cr, Cd и Pb в каменном угле в этом исследовании было в 7,9, 14,2 и 2,7 раза больше, чем в китайском угле (Dai et al. 2012), и в 7,6, 16,1 и 5,2 раза больше, чем в мировом угле ( Кетрис и Юдович 2009) соответственно.По сравнению с каменным углем из других шахт Шэньси, содержание Cr в каменном угле из Хапин было ниже, а содержание Cd и Pb было выше. Это указывает на то, что содержание элементов может сильно различаться между шахтами, даже если угленосные пласты одинаковы.

Таблица 2 Среднее содержание Cr, Cd и Pb в каменном угле из разных регионов Китая (Dai et al. 2012; Ketris and Yudovich 2009; Chen et al. 2013; Luo et al. 1995; Liu 1984)

Обогащение Cr, Cd и Pb в каменном угле при различных температурах горения

Содержание элементов в нагретых образцах угля зависит от двух процессов во время горения: обогащения и улетучивания (Dai et al.2017; Wang et al. 2013). Коэффициенты относительного обогащения (КВ) обычно используются для оценки степени обогащения и улетучивания. Согласно определению коэффициента потери массы элементов, EF выражается следующим образом (Liu et al. 2003; Mei 1994):

$$ {\ text {EF}} = Xa \ times {{\ upeta}} / Xc, $$

, где Xa - основанное на золе содержание элемента X в нагретом угле, Xc - содержание элемента X в необработанном угле; и η - соответствующий выход золы на единицу массы при интересующей температуре.Значение EF обычно находится в диапазоне от 0 до 1, при этом большой EF указывает на высокое обогащение и низкую летучесть.

Выход золы постепенно увеличивается с увеличением температуры горения. Для эффективного сравнения характеристик обогащения образцов, нагретых до различных температур, зольные содержания элементов в нагретых образцах угля должны быть преобразованы в общие содержания угля. Общее содержание элементов на основе угля в нагретых образцах угля определялось как произведение Xa, и η.

Значения EF образцов каменного угля, нагретых в диапазоне температур от 500 до 1000 ° C, представлены в таблице 3. КВ Cr, Cd и Pb сначала увеличивались, а затем немного уменьшались с увеличением температуры горения от 500 до 1000 ° C. С. Быстрое увеличение EF, особенно для Cr, можно объяснить разложением легколетучих компонентов при повышении температуры с 500 до 600 ° C. При дальнейшем повышении температуры до 700 ° C и 800 ° C EF постепенно снижается.Когда температура достигла 1000 ° C, EF Cr, Cd и Pb составили 0,74, 0,50 и 0,73 соответственно. Эти результаты отличаются от результатов предыдущих исследований, предполагающих, что КВ Co, Cr, Ni и V все уменьшались при повышении температуры горения от 100 до 1200 ° C (Tang et al. 2018; Li et al. 2018).

Таблица 3 Содержание и КВ Cr, Cd и Pb в образцах сырого каменного угля и золы

КВ Cr, Cd и Pb в золе каменного угля, нагретой до 500–900 ° C, были больше 0.8, что указывает на относительно низкое улетучивание Cr, Cd и Pb. При высокой температуре 1000 ° C плавление глинистых минералов, таких как каолинит и иллит, могло привести к высвобождению тяжелых металлов. По сравнению с Cr и Pb EF Cd был немного ниже при каждой температуре горения, что указывает на большее улетучивание Cd по сравнению с Cr и Pb. Свейн и Гударзи (1995) предположили, что органическое вещество является основным фактором, способствующим увеличению КВ низколетучих элементов при относительно низких температурах (500 ° C и 700 ° C).При повышении температуры с 700 до 1000 ° C в этом исследовании КВ Cr, Cd и Pb в золе каменного угля медленно снижались из-за разложения инертных минералов, таких как силикаты (Tang et al. 2018).

Улетучивание Cr, Cd и Pb в каменном угле при различных температурах горения

Коэффициент улетучивания ( Vr ) был использован для дальнейшего исследования обогащения Cr, Cd и Pb во время сжигания угля. Vr рассчитывали следующим образом (Liu et al.2016a, b):

$$ Vr = \ left ({1 - {\ text {EF}}} \ right) \ times 100 \%. $$

Как показано на рис. 1, значения Vr Cr, Cd и Pb сначала уменьшались, а затем увеличивались с увеличением температуры горения, что противоречит тенденции, наблюдаемой в значениях EF. При низкой температуре горения снижение Vr и увеличение EF может быть связано с разложением органических веществ и потерей воды из каменного угля. При дальнейшем повышении температуры EF постепенно уменьшались, а Vr увеличивались.При температуре горения 1000 ° C значения Vr для Cr, Cd и Pb составляли 26%, 50% и 27% соответственно, что указывает на то, что высокая температура увеличивает улетучивание тяжелых металлов и, в частности, Cd. . Однако содержание летучих Cr и Pb все еще было относительно низким, составляя лишь примерно одну четверть от общего содержания Cr и Pb в каменном угле-сырце. Это дополнительно демонстрирует, что Cr, Cd и Pb являются элементами с низкой летучестью.

Рис. 1

Коэффициенты улетучивания Cr, Cd и Pb в каменном угле при различных температурах горения

Минеральный состав и микроструктура каменного угля после сжигания

Для дальнейшего изучения обогащения и улетучивания Cr, Cd и Pb В каменном угле во время горения минеральный состав и микроструктура образцов каменного угля были охарактеризованы с помощью XRD и SEM.В таблице 4 представлены минеральные составы образцов каменного угля и угольной золы, нагретой до 600 и 1000 ° C. В минералах сырого угля преобладали кварц, глинистые минералы (каолинит, дикит и иллит), калиевый полевой шпат и плагиоклаз. При повышении температуры горения доли глинистых минералов и плагиоклаза уменьшались, доля гематита (Fe 2 O 3 ) значительно увеличивалась, а доля кварца (SiO 2 ) незначительно увеличивалась. При нагревании гидроксильные (–OH) группы в решетке дегидратировались, что соответствовало наблюдаемому эндотермическому процессу.Когда температура горения достигла 600 ° C, каолинит, диоктаэдрический слоистый алюмосиликат, был дегидратирован с образованием мета-каолинита, полуаморфной промежуточной фазы (Васильева, Василев, 2006; Василев и др., 1992, 2005). Когда температура горения достигала 1000 ° C, иллиты сначала дегидратировались, а затем образовывали стекловидную фазу при 950 ° C с последующим окончательным образованием кремниевой шпинели, гематита, кварца и других минералов (Tang et al.2018). В этом исследовании, когда каменный уголь нагревали при высокой температуре, Al в плагиоклазе мог быть заменен на Fe, а гематит образовался в процессе реструктуризации минералов.Основной минеральной фазой был риформированный кварц, который постоянно присутствовал как в сырых, так и в нагретых образцах угля (таблица 4 и рисунки 2 и 3) (Erarslan, Örgün, 2017; Vassileva, Vassilev, 2006). Аналогичные результаты были получены и в других исследованиях преобразования угля (Cutruneo et al. 2014; Martinello et al. 2014; Oliveira et al. 2014; Saikia et al. 2014; Silva et al. 2009a, b). Когда температура горения достигала 1000 ° C, минеральные фазы, как правило, были простыми и включали в основном фазы аморфного стекла наряду с гематитом и кварцем.

Таблица 4 Минералы в образцах каменного угля и золы (%) Рис. 2

Спектр XRD необработанного каменного угля. Выявленные минералы: гематит H , иллит I , каолинит K , мусковит M , микроклин Mi , кварц Q , альбит Al

Рис. компоненты a необработанный каменный уголь, b угольная зола, нагретая до 600 ° C, и c угольная зола, нагретая до 1000 ° C

Что касается алюмосиликатов, разложение глинистых минералов в каменном угле привело к выделению Cr, Cd и Pb из глинистых минералов при горении (рис.2б, в). Изменения содержания низколетучих Cr, Cd и Pb в золе каменного угля зависели от двух аспектов: выделения из органического вещества при низкой температуре и из глинистых минералов при высокой температуре. Эти результаты подтверждают, что летучие элементы, такие как As, Pb, Cr и Cd, легко обогащаются мелкой летучей золой после сжигания (Swaine and Goodarzi 1995).

Выделение Cr, Cd и Pb из каменного угля во время горения

Для изучения миграции элементов во время сжигания угля были определены химические вещества в необработанном угле и угольной золе, нагретой до 600 ° C и 1000 ° C.Формы Cr, Cd и Pb в каменном угле и продуктах его сгорания, полученные при 600 ° C и 1000 ° C, показаны на рис. 4. Последовательной химической экстракцией были определены пять форм тяжелых металлов: обменные, карбонаты, Fe– Оксиды Mn, органические вещества и остаточные формы.

Рис. 4

Доли различных форм Cr, Cd и Pb в необработанном каменном угле и золе от его сжигания, образующейся при 600 ° C и 1000 ° C

Доминирующей формой Cr в необработанном каменном угле был Fe– Cr, связанный с Mn, составляет 59% от общего количества Cr, за ним следует Cr с органическими соединениями, составляющий 24% от общего количества Cr, аналогично результатам предыдущего исследования (Gentzis and Goodarzi 2000).Однако доли различных форм Cr значительно различались в зависимости от образца (Xiong et al., 2017). Большая часть Cr в угле существует в связанном с органическими веществами (Роберт и др., 2018) или в виде остаточного Cr (Ли и др., 2018). В угольной золе основными формами Cr были карбонаты и Cr, связанный Fe-Mn (составляющий чуть более 25% от общего количества Cr) при 600 ° C, и Cr, связанный с органическими соединениями (составляющий 32% от общего количества Cr) при температуре 600 ° C. 1000 ° С. По мере увеличения температуры горения остаточная доля Cr постепенно увеличивалась. В отличие от органической фракции Cr, обменные и карбонатно-связанные формы Cr сначала увеличивались, а затем уменьшались с повышением температуры горения.Это указывает на то, что сжигание каменного угля повлияло на формы элементов в угле. Во время сжигания угля внутренняя энергия молекул угля увеличивается, а активность элементов увеличивается из-за повышения температуры. Микроэлементы могут быть отделены от исходных молекул, рекомбинированы и перераспределены в различных продуктах сгорания. Микроэлементы в угле, которые находятся в форме минералов, элементов и хелатов, дифференцируются в начале горения и продолжают разлагаться и переноситься при высокой температуре (Liu et al.2003 г.).

Обменные фракции элементов связаны с глинистыми минералами, гуминовыми кислотами и гидратированными оксидами железа и марганца (Tessier et al. 1979). Нагревание способствовало превращению Cr в каменном угле из Cr, связанного с органическими веществами, в обменный и связанный карбонатами Cr при 600 ° C. Доля Cr, связанного с органическими веществами, снова увеличилась в угольной золе при 1000 ° C.

Что касается Cr, основными формами Cd были Fe-Mn-связанный Cd в каменном угле и связанный карбонатом и Fe-Mn-Cd в угольной золе, нагретой до 600 ° C.Однако при 1000 ° C остаточный Cd был основной формой Cd в угольной золе. Во время горения доля Cd, связанного с органическими веществами, уменьшилась, составляя 1-7% от общего количества Cd, в то время как доля остаточного Cd значительно увеличилась с 8% до 55%. Аналогичным образом, в прошлых исследованиях карбонаты и моносульфиды были доминирующими фракциями Cd в каменном угле, в то время как только небольшое количество Cd было связано с органическими и нерастворимыми веществами (Robert et al. 2018; Xiong et al. 2017). Финкельман (1981a, b) и Swaine (1990) пришли к выводу, что большая часть кадмия в угле связана со сфалеритом в виде защищенных сульфидов.Процесс горения увеличил остаточную долю Cd в этом исследовании; однако EF Cd при 1000 ° C составлял всего 0,50, указывая на то, что Pb был более летучим, чем хром и кадмий при сжигании каменного угля; таким образом, свинец будет выброшен в атмосферу, что приведет к риску для жизни человека.

В этом исследовании значительные количества свинца присутствовали в виде карбонатных форм (50% от общего количества свинца) и Fe-Mn-связанных форм (36% от общего количества свинца), в то время как доли обменных, связанных органических веществ и остаточных свинца были малы.Результаты аналогичны предыдущим результатам. Финкельман (1981a, b) сообщил, что доминирующей формой свинца в большинстве углей является галенит, при этом некоторое количество свинца присутствует в сульфатах, карбонатах, фосфатах и ​​силикатах, особенно в углях с низким содержанием сульфидов. Суэйн (Swaine, 1990) предположил, что свинец может встречаться в виде пирита или органических форм в углях с низким содержанием углерода. Роберт и др. (2018) обнаружили, что в битуминозном угле только небольшое количество (5–10%) свинца связано с силикатами (Robert et al. 2018).

Сжигание каменного угля изменило формы Pb, присутствующего в угольной золе, как и Cr и Cd.Например, доли Fe-Mn-связанного и остаточного свинца в угольной золе заметно увеличиваются с повышением температуры горения. На Fe-Mn-связанные формы приходилось 49% всего свинца при 600 ° C и 58% при 1000 ° C. Напротив, доля Pb, связанного с карбонатами, уменьшилась, в то время как небольшие доли связанного с органическими веществами и обменного Pb в каменном угле заметно не изменились.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *