Характеристика различных видов топлива используемых в металлургии

До XIX в. древесное топливо было основным и в технике, и в быту. Металлургия довольствовалась только этим видом топлива. И сейчас еще в некоторых лесных районах при выплавке чугуна используют древесный уголь.

Углежжение или сухая перегонка дерева раньше широко применялась для производства древесного угля. Дрова складывали в кучи и сжигали до угля. Труд угольщиков был тяжел и мало производителен. При таком углежжении далеко не полно использовались все ценные составляющие дерева. В настоящее время уголь получают сухой перегонкой дерева в специальных печах.

Основной массой дерева является древесина, состоящая из целлюлозы, лигнина и небольшого количества неорганических примесей, образующих при сгорании дерева золу.

Органическая масса древесины содержит около 50% углерода, 1% азота, 6% водорода и 43% кислорода. Содержание золы колеблется в пределах 0,7—2,0%, а влажность зависит от породы дерева, времени рубки, продолжительности и условий хранения и других причин.

Дрова бывают сухие (до 30% влаги), полусухие (30—50% влаги) и сырые (более 50% влаги).

Теплотворная способность дров, равная в среднем 4500 ккал/кг, зависит от влажности.

При нагревании без доступа воздуха древесина разлагается на газы, пары и твердый остаток — древесный уголь. При охлаждении паров получают древесную смолу и подсмольную воду — раствор древесного спирта, ацетона, уксусной кислоты и других веществ. Выход древесного угля составляет 35%, смолы 7% и подсмольной воды 43%. Получающиеся газы имеют теплотворную способность около 2500 ккал/нм3, а древесный уголь — 7000 ккал/кг.

Древесный уголь порист и гигроскопичен, поэтому при открытом хранении его влажность может достичь 40%. В результате большой пористости он способен хорошо поглощать газы из окружающей среды.



Торф образуется при гниении растительных организмов в воде и представляет собой обводненную смесь различных продуктов разложения древесины. Он встречается в зарастающих болотах. Различают несколько сортов торфа, в зависимости от природы образования, но в среднем без воды и золы он содержит 58% углерода, 6% водорода, 33% кислорода, 35% влаги и 10 % золы, теплотворность его равна 5580 ккал/кг. Свежедобытый торф имеет влажность до 90%, но после естественной сушки на воздухе в течение 1—1,5 мес. приобретает влажность 30—40%.

Торф содержит до 75% летучих и горит ярким светящимся пламенем.

Его достоинствами являются легкая воспламеняемость, большая распространенность и относительная легкость добычи, а недостатками — значительная влажность, сезонность добычи, большой объем и трудность перевозки. Торф успешно используется на больших тепловых электростанциях и является важным сырьем для химической промышленности.



Бурый уголь по степени минерализации занимает среднее место между торфом и каменным углем. Он темнее торфа, менее влажен, более плотен и содержит около 70% углерода. Содержание в нем серы и золы изменяется в широких пределах. Теплотворность бурых углей достигает 6350 ккал/кг.

Бурые угли хрупки, не выносят дальних перевозок и, как правило, являются местным топливом. На воздухе они быстро растрескиваются, измельчаются, поглощают кислород и частично окисляются. Иногда эти явления сопровождаются повышением температуры угольной массы и ее самовозгоранием.

Для районов добычи бурых углей они имеют большое значение и как топливо, и как важное сырье для ряда отраслей химической промышленности.



Каменный уголь, продукт дальнейшей минерализации топлива, содержит больше углерода и меньше кислорода, чем бурый уголь. Он плотен, тверд и прочен.

Вследствие высокой теплотворности, большой распространенности, удобства транспортирования и сжигания каменный уголь является наилучшим видом естественного твердого топлива. По своему составу каменные угли весьма разнообразны, их подразделяют на марки (классы) в зависимости от степени минерализации (от наиболее молодых, длиннопламенных, содержащих до 44% летучих и 75% углерода, до наиболее старых, тощих, содержащих до 12% летучих и 90% углерода, промежуточные марки угля: газовый, паровично-жирный, коксовый, паровично-спекающийся — с возрастающим содержанием углерода и понижающимся содержанием летучих). Паровично-жирный, коксовый и паровично-спекающийся угли хорошо коксуются. Коксование углей происходит за счет содержащихся в них плавких смолообразных веществ, называемых битумами, поэтому спекающиеся угли называют битуминозными.

Каменные угли содержат не более 5% влаги и теплотворность их изменяется от 5 до 7 тыс. ккал/кг. Некоторые сорта каменных углей, как и бурых, склонны к выветриванию и самовозгоранию и требуют осторожности при хранении (срок хранения 1—6 мес., высота штабеля 1,5 м).

Каменный уголь стали впервые широко применять в Англии. В России промышленная разработка угольных месторождений началась со второй половины XIX в. В настоящее время крупнейшими угольными бассейнами страны являются Донецкий, Кузнецкий и Карагандинский.

Чтобы улучшить качество угля (повысить теплотворность путем снижения содержания минеральных примесей), его подвергают обогащению. Простейшее обогащение заключается в дроблении крупных кусков, отборе от угля пустой породы и сортировке его по крупности грохочением, так как в мелкой фракции содержится больше золы.

При мокром обогащении уголь сначала измельчают, затем промывают сильной струей воды. Вода уносит более легкие частицы угля (уд. вес 1,25), отделяя их от более тяжелых частиц пустой породы (уд. вес 2,5). Обогащение имеет особое значение для углей, сжигаемых в пылевидном состоянии, например, в отражательных печах медной плавки или направляемых на коксование.

Чтобы использовать угольную мелочь, образующуюся при добыче и транспортировании угля, применяют брикетирование, которое позволяет превратить легко выветривающиеся и склонные к самовозгоранию бурые и каменные, угли в плотные брикеты, пригодные для длительного хранения.

Угольную мелочь предварительно высушивают, к ней добавляют 6—9% каменноугольного пека, имеющего температуру плавления 60—70°, и эту смесь нагревают до размягчения и прессуют при давлении 200—300 ат в брикеты весом до 10 кг.



Антрациты — наиболее минерализованное топливо. Они содержат до 97,5% углерода, не более 9% летучих, их теплотворность достигает 8480 ккал/кг. Они характеризуются большой плотностью и высокой стойкостью к окислению.

Антрациты не коксуются, трудно воспламеняются. Они широко применяются для котельных установок и иногда заменяют металлургический кокс.



Коксованием называется сухая перегонка каменного угля при 900—1000°. При этом получается кокс — прочное пористое богатое углеродом топливо, широко применяемое в металлургии. При сухой перегонке угля в виде газов и паров отделяется ряд ценных органических соединений.

Теперь для коксования применяют печи, которые нагреваются горючим газом, позволяют улавливать ценные летучие продукты. Образующийся коксовальный газ после извлечения из него ценных конденсирующихся продуктов имеет высокую теплотворность, равную 4500 ккал/нм3.

Коксовая печь состоит из ряда камер, между которыми расположены вертикальные каналы. По камерам движутся горячие газы. Длина камер 12—13 м, высота до 4,5 и ширина 0,4 м.

В камеру в течение 3—5 мин. загружается до 15 г угля, измельченного до. зерен 0—5 мм и увлажненного до 8—9% влаги. Загрузка хорошо механизирована и ведется из специального вагона.

Летучие отводятся по каналам в холодильники, где конденсируются, а содержащиеся в газах смолы, бензол и аммиак разделяются.

По окончании коксования открывают торцевые стенки камеры, образовавшийся кокс выгружают в вагон и направляют в тушильную башню, в которой кокс охлаждают водой.

Выход кокса составляет 80% от веса угля. Кокс получается в кусках, имеющих блестящую серую поверхность, и содержит 8 12% золы, до 4% влаги и до 2% серы. Пористость металлургического кокса 45—50%, а более низкосортного литейного — до 40%. Теплотворность кокса близка к 6500 ккал/кг. Кокс обладает высокой механической прочностью, что и определяет успешное его применение в металлургическом производстве. Кокс должен быть максимально свободен от примесей серы и фосфора. Расход его при доменной плавке достигает 1,15 т на 1 г чугуна; доменная печь заполнена коксом на две трети.

Коксовые батареи состоят из 40—70 печей, производительность их достигает 1300 т в сутки и более.



Нефть, как и другие сорта жидкого топлива, обладает высокой теплотворностью, высокой степенью сгорания и хорошей транспортабельностью.

Нефть может успешно служить топливом, а также сырьем для извлечения ряда ценных химических продуктов.

Происхождение нефти подобно происхождению углей. Она состоит из смеси различных углеводородов и содержит около 85% углерода и 14% водорода. Иногда содержание серы в нефти достигает 2—3% и кислорода с азотом до 1,5% при 0,2—0,3%. золы и 1—1,5% влаги. Теплотворность нефти 10000—11000 ккал/кг.

Ввиду высокой ценности содержащихся в ней продуктов нефть непосредственно не сжигают, а подвергают фракционной перегонке с выделением в возгоны бензина, лигроина, керосина и газойля. В остатке получают мазут, который либо применяют как топливо, либо подвергают дальнейшей переработке в вакууме с получением смазочных масел и нефтяного гудрона.

При переработке нефти, выделяющей мало легких фракций, остаток от перегонки (смесь газойля и мазута) подвергают крекингу, т. е. нагревают до 700° под давлением. При этом тяжелые углеводороды разлагаются и образуют легкие углеводороды (бензин), конденсируемые в холодильниках. С помощью крекинг-процесса, открытого В.Г. Шуховым в 1891 г., из нефти извлекают максимальное количество бензина, а крекинг-мазут используют как топливо.

При разложении нефти под обычным давлением при 700° (пиролиз) получают нефтяной газ, смолу, кокс и сажу. Из газа и смолы добывают искусственный бензин, толуол, пек и др.

Мазут нашел в металлургии широкое применение для отопления различных пламенных печей. Он представляет собой густую маслянистую жидкость буро-черного цвета, содержащую свыше 85% углерода и 12% водорода, теплотворность его равна 10 000 ккал/кг и выше.

Важнейшими свойствами мазута, определяющими его качество, являются вязкость, температура вспышки и температура застывания.

Вязкость измеряется в градусах Энглера (отношение времени, потребного для истечения 200 см3 мазута при температуре испытания, к времени истечения такого же количества воды при 20°). Вязкость в зависимости от марки мазута изменяется от 6 до 13° по Энглеру в пределах температуры 50—80°. В мазуте содержится парафин, который способствует загустеванию мазута при понижении температуры, поэтому необходимо обогревать мазутопроводы.

Обычно поступающий на заводы мазут принимается в подземные баки, из которых он перекачивается к местам потребления по трубопроводам, обогреваемым паром.

Температурой вспышки называется температура, при которой смесь паров мазута и воздуха вспыхивает при соприкосновении с пламенем. Эта температура близка к 100°, в то время как температура воспламенения мазута равна 500—700°. Несмотря на отличные качества мазута как топлива, возможность более целесообразного его использования при химической переработке определяет необходимость замены его на пылеуголь, газ и прочее.



Природный газ по составу весьма различен. В большинстве случаев он богат метаном, теплотворность его близка к 8,5—9,0 тыс. ккал/нм3.

Газ имеет большое значение как топливо, особенно при значительных его природных запасах, как например в России и США.

Громадные запасы газа начали использоваться в России во второй пятилетке. Сейчас построены крупнейшие газопроводы, такие как Бугуруслан—Куйбышев, Саратов—Москва, Ставрополь—Москва, Дашава—Киев, и строится ряд других. В США многие металлургические заводы применяют для отопления печей природный газ.



При коксовании угля из него отгоняются летучие компоненты, а основная часть горючей массы остается в виде кокса.

Генераторный газ получается в результате полного превращения горючей массы в газообразное состояние при сжигании углерода с образованием CO.

Получение генераторного газа основывается на принципах сжигания топлива в толстом слое, так как в слоях различной толщины уголь сгорает по-разному.

При сжигании топлива получается преимущественно двуокись углерода. Если над горячим слоем расположить новые слои топлива, для сжигания которых кислорода не хватает, то образующаяся в нижнем слое двуокись углерода реагирует с ними по уравнению:



и над слоем топлива получается газ, состоящий из окиси углерода и азота и называемый воздушно-генераторным.

Воздушно-генераторный газ (учитывая высокое содержание в воздухе азота) содержит в лучшем случае 34,7% окиси углерода и 65,3% азота.

Чтобы получить более калорийный газ, в генератор вводят водяной пар. При этом протекает реакция:



и над слоем топлива получают газ, содержащий только горючие компоненты (50% CO и 50% H2) и называемый водяным газом.

При пропускании через генератор смеси воздуха и пара получают смешанный паровоздушный генераторный газ, содержащий CO; H2 и N2 в пропорциях, изменяющихся в зависимости от отношения вдуваемых под решетку воздуха и пара.

В реальных условиях к перечисленным составляющим газа добавляются летучие компоненты из топлива: сероводород, влага и пр.

Газогенераторы состоят из футерованной огнеупорным кирпичом металлической шахты, имеющей в верхней части герметичное загрузочное устройство 1 (рис. 1), колосниковое устройство 4, герметизированное устройство для разгрузки золы 5 и газоход 6 для отвода полученного газа.

Сущность процесса состоит в превращении твердого топлива в газообразное, на что затрачивается часть тепловой энергии твердого топлива. Потеря части энергии компенсируется удобствами использования топлива и возможностью использовать малокалорийные, низкосортные его виды.

Из описанных процессов наименее выгоден воздушно-генераторный, поэтому он редко применяется.

Чаще других используют смешанный генераторный процесс, при котором на 1 кг газифицируемого углерода в генератор вводится 500 а пара. Избыток пара приводит к тому, что часть его, не разлагаясь, переходит в газ, способствуя протеканию реакций образования двуокиси углерода и ухудшая состав газа.

Чисто водяной процесс проводится в два периода: сначала через генератор продувают воздух, разогревая слой топлива и используя горячий газ для перегрева пара, а затем через раскаленный кокс пропускают перегретый водяной пар, разлагающийся по уравнению:



Когда слой топлива охлаждается, пар отключают, снова пропускают воздух, и операции повторяются.

Типичные составы генераторного газа приведены в табл. 4.

Генераторный газ широко используется в металлургии, особенно в пирометаллургии цинка и для отопления пламенных печей.



Газогенератор, применяемый для газификации кокса или антрацита, изображен на рис. 2. Он относится к числу полумеханизированных и представляет собой герметичное загрузочное устройство, подающее уголь в шахту генератора. Шахта 1 склепана из котельного железа и футерована шамотным кирпичом. Подвешенный в шахте конус 2 помогает поддерживать в ней необходимую высоту слоя топлива.

Нижняя часть стен шахты составлена из охлаждаемых водой кессонов 3. Нижнее кольцо шахты своими краями спущено в чашу 5, вращающуюся со скоростью около 1 об/час и заполненную водой; к дну чаши прикреплены и вращаются с нею колосники 4, состоящие из отдельных чугунных колец, положенных друг на друга.

В центральной части днища проложен канал 7, по которому под колосники подается воздух. Неподвижный канал и вращающееся днище соединяются между собой с помощью гидравлического затвора 8.

Имеющиеся на колосниковых кольцах гребки сбивают спекшиеся частицы золы, падающие на дно чаши, откуда золу удаляют вручную лопатой или специально устроенным гребком.

Наличие гидравлических затворов препятствует подсосу в генератор воздуха, помимо вдуваемого для газификации.

Иногда генераторы изготовляют с вращающейся шахтой и неподвижными решеткой и чашей. В этом случае неподвижная крышка генератора соединяется с ним гидравлическим затвором. Такие генераторы снабжены шуровщиками — водоохлаждаемыми наклонно расположенными и прикрепленными к крышке стержнями, которые при вращении шахты хорошо перемешивают уголь.

Высота таких газогенераторов не превышает трех метров при диаметре 3—3,5 м. При газификации торфа и бурых углей, при общем сохранении принципа описанной конструкции генератора, он наращивается дополнительной шахтой (называемой швель-шахтой), служащей для подсушивания топлива (в случае газификации торфа) и выделения из него ценных смол.

На 1 м2 сечения генератора можно газифицировать от 200 до 500 кг твердого топлива в час при коэффициенте полезного действия 70—80% (в зависимости от рода топлива).

Методы интенсификации генераторного процесса различны. Один из них — газификация топлива с жидким шлакоудалением. При этом способе нижнюю часть шахты генератора делают в виде горна и процесс ведут при температуре расплавления золы. Производительность генератора достигает 1000 кг/м2/час.

При газификации угольной или коксовой мелочи последнюю подают сверху в шахту генератора специальной конструкции. Эта мелочь движется навстречу восходящей струе воздуха. Процесс горения частиц во взвешенном состоянии позволяет достигнуть интенсивности газификации до 1300 кг/м2/час.

При газификации мелочи в кипящем слое через слой мелочи, лежащей на колосниковой решетке, пропускается воздух с тем большей скоростью, чем крупней частицы топлива.

Скорость воздуха принимается такой, чтобы частицы топлива пришли в движение, напоминающее кипение. Высокая степень аэрации топлива позволяет достигнуть газификации до 2400 кг/м2/час.

Наиболее целесообразной представляется подземная газификация угля, на возможность которой указывал еще в 1888 г. Д.И. Менделеев. Такой способ газификации был впервые осуществлен в 1938 г. в Донбассе, в 1942 г. начала работать такая же станция в Подмосковном угольном бассейне, а в 1956 г. — в Кузбассе.

Получаемый в газогенераторах газ подлежит очистке от пыли, паров воды и смол. При последующем сжигании газ нуждается лишь в грубой очистке до содержания 1—5 г/нм3 пыли. При использовании для других целей газ нуждается в более тонкой очистке. Генераторный газ очищают в таких же устройствах, что и все металлургические газы.