Мошкарин А.В., Барочкин Е.В., Зорин М.Ю. Тепловые процессы в энергетических установках. Часть 2 - файл n1.doc

Мошкарин А.В., Барочкин Е.В., Зорин М.Ю. Тепловые процессы в энергетических установках. Часть 2
скачать (17121.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc17122kb.19.11.2012 20:08скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9


Министерство образования Российской Федерации

Ивановский государственный энергетический университет

____________________________________________________

А.В.Мошкарин, Е.В.Барочкин, М.Ю.Зорин.

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
Курс лекций по «Энергетическим установкам

электрических станций» (часть II)
Под редакцией доктора технических наук, профессора

А.В. Мошкарина


Рекомендовано Учебно-методическим объединением по

образованию в области энергетики и электротехники в качестве

курса лекций для студентов, обучающихся по специальностям

100200 и 100100.
Иваново 2002

____________________________________________________________
УДК 621.311

Тепловые процессы в энергетических установках: Курс лекций, часть II / А.В. Мошкарин, Е.В. Барочкин, М.Ю. Зорин.; Под ред. А.В. Мошкарина; Иван. гос. энерг. ун-т.- Иваново, 2002. - 134 с. ISBN


Приведены основные положения технической термодинамики и теплопередачи в объеме, соответствующем программе курса «Энергетические установки электрических станций» для студентов электроэнергетических и экономических специальностей энергетических вузов (100100, 100200)


Табл. 3, Ил.39. Библиогр.: 4 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Ивановского государственного энергетического университета.

Рецензенты:

кафедра ТЭС МЭИ (Технический университет).

А.С.Седлов , д.т.н., проф.(МЭИ), В.А.Савельев , д.т.н., проф.(ИГЭУ).
Мошкарин Андрей Васильевич

Барочкин Евгений Витальевич

Зорин Михаил Юрьевич

Тепловые процессы в энергетических установках

Курс лекций, часть I
Редактор Н.С.Работаева

Лицензия ЛР№020264 от 15.12.96 г.

Подписано в печать 27.10.2000 г. Формат 60х84 1/16.

Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 4,18.

Уч.- изд. л. 4,8. Тираж 250 экз. Заказ


Ивановский государственный

университет.

Отпечатано в ОМТ МИБИФ.

153003 Иваново,

ул. Рабфаковская, 34.

ISBN

А. В. Мошкарин,

 Е.В. Барочкин,

М.Ю. Зорин, 2000


______________________________________________________

Предисловие



Вторая часть курса лекций по «Энергетическим установкам электрических станций» предназначен для студентов высших учебных заведений, изучающих одноименную общеинженерную дисциплину. Это студенты специальностей «Электрические станции», «Сети и системы», «Электроснабжение промышленных предприятий».

Во вторую часть курса лекций вошли следующие разделы:

Все перечисленные разделы имеют компьютерную поддержку в виде автоматизированных обучающих систем и систему контроля знаний. Для практического закрепления теоретической части курса лекций студенты указанных специальностей выполняют расчет тепловой схемы паротурбинной установки, используя для этого методические указания «Расчет тепловой схемы энергетического блока конденсационной электростанции», разработанные в ИГЭУ, которые содержат пример расчета энергетического блока.

Учитывая важную роль дисциплины в формировании инженера-электроэнергетика, авторы настоящего издания попытались обобщить многолетний опыт чтения курса в Ивановском государственном энергетическом университете, уделив внимание основополагающим понятиям, определениям, положениям.

Предисловие и введение написаны д-ром техн. наук, профессором А.В. Мошкариным., разделы IV и V – А.В. Мошкариным. и канд. техн. наук, доцентом Е.В. Барочкиным., раздел VI и VII – А.В. Мошкариным., Е.В. Барочкиным. и канд. техн. наук, доцентом М.Ю. Зориным.

Общая редакция курса лекций проведена А.В. Мошкариным.

Авторы выражают признательность рецензентам профессору д-ру техн. наук Московского энергетического института (технического университета) Седову А.С. и профессору д-ру техн. наук Савельеву В.А. за помощь в работе над рукописью пособия, а также редакционно-издательскому отделу ИГЭУ за подготовку рукописи к изданию.
Доктор технических наук, профессор А.В.Мошкарин

___________________________________________________________

Раздел четвёртый. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО

4.1. Виды топлива

Под топливом следует понимать любые материалы или вещества, используемые для получения тепловой энергии.

Вещества, основной составной частью которых является углерод, и выделение тепловой энергии происходит за счет химической реакции окисления этих веществ, относятся к органическому топливу. Органическое топливо состоит, в основном, из углеродистых и углеводородистых соединений, которые, будучи нагреты до определенной температуры, активно вступают в реакцию с кислородом и выделяют при этом значительное количество теплоты.

Смесь веществ (материалов), в состав которых могут входить изотопы урана, плутония и тория, а выделение тепловой энергии происходит за счет ядерных реакций деления, относится к ядерному (неорганическому) топливу.

В тепловой энергетике используют органическое топливо, в атомной энергетике – ядерное топливо.

Наиболее распространенными видами топлива являются: древесина, торф, ископаемые угли, горючие сланцы, нефть и продукты ее переработки, а также природные и искусственные газы.

По своему состоянию топливо делится на твердое, жидкое и газообразное, а по способу получения – на естественное и искусственное, а также топливные отходы.

К естественным видам твердого топлива относятся антрациты, каменные и бурые угли, торф, горючие сланцы и дрова, к искусственным – брикеты, кокс, полукокс и пр. Естественным жидким топливом является нефть, искусственным – продукты перегонки нефти – бензин, керосин, мазут и пр. Естественным газообразным топливом является природный газ, искусственным – газ генераторный, коксовый, нефтяной, доменный и др.

Важнейшим ядерным топливом является уран. Далее по значимости следует считать плутоний, а затем торий. Природный уран представляет собой смесь изотопов: U – 234 – 0,006%, U – 235 – 0,714% и U – 238 – 99,28%. Плутоний в природе в естественном виде не существует. Он получается в реакторах в результате ядерных превращений изотопа U – 238 и находится в виде изотопов Pu – 239, Pu – 240, Pu – 241 и Pu – 242. В качестве “горючих” (делящихся) изотопов в атомной энергетике используются: U – 233, U – 235, U – 238, Pu – 239, Pu – 241, а также Th – 232.


4.2. Элементарный состав топлива

4.2.1. Элементарный состав твердого и жидкого топлива

Органическая часть твердых и жидких топлив состоит из большого количества сложных химических соединений, в состав которых в основном входят пять химических элементов: углерод С, сера S, азот N и кислород О. Топливо также содержит минеральные примеси А и влагу W .

Углерод входит в состав топлива в виде сложных соединений с другими элементами. Чем выше содержание углерода, тем выше теплота сгорания топлива. В горючей массе топлива содержание его колеблется от 50 % для древесины до 93 % для антрацита. Теплота сгорания углерода около 33 МДж/кг.

Содержание водорода в твердом топливе колеблется от 2 до 6 %. Теплота сгорания водорода примерно в четыре раза выше, чем углерода, поэтому его содержание оказывает заметное влияние на теплоту сгорания топлива. При сгорании водорода образуется вода, которая может находиться в парообразном или жидком состоянии, поэтому теплота сгорания водорода колеблется: для парообразного состояния – 120 МДж/кг, для жидкого – 142 МДж/кг.

Кислород является частью внутреннего балласта топлива, так как своим присутствием уменьшает горючую часть в топливе. Содержание кислорода в горючей массе топлива колеблется в пределах от 2 % у антрацита 42 % у древесины.

Азот, как и кислород, также считается внутренним балластом топлива, снижающим горючую часть, так как входит в органическое вещество. В твердом топливе содержание азота доходит до 3 %. Азот топлива при горении целиком превращается в токсичные окислы NO и NO2.

Сера имеет невысокую теплоту сгорания – 9,05 МДж/кг. В твердом топливе она находится в виде органической (S0), колчеданной (Sк) и сульфатной (Sc) серы. Органическая сера входит в состав молекул органических соединений; колчеданная входит в состав пирита – FeS2, а сульфатная содержится в минеральной части топлива в виде солей металлов, например FeSO4, MgSO4, CaSO4 и т.д. Органическую и колчеданную серу называют летучей (Sл), так как она участвует в процессе горения. В твердом топливе содержание серы составляет 1-3 %, в отдельных топливах достигает 6-7 %. При сгорании сера окисляется в основном в сернистый ангидрид SO2, в меньшей степени – в серный ангидрид SO3. Эти окислы в присутствии влаги образуют слабые растворы сернистой и серной кислот, вызывающие коррозию элементов оборудования и оказывающих вредное воздействие на окружающую среду.

4.2.2. Минеральные примеси твердого топлива

Присутствие в твердых топливах минеральных компонентов обусловлено следующими тремя основными причинами:

наличием минеральных веществ в исходном органическом материале, из которого образовалось топливо. Количество примесей такого происхождения невелико – до 0,5 % сухой массы топлива. Их называют первичными примесями;

накоплением в залежи с органическим материалом веществ, заносимых туда водой и ветром (песок, глина и т.п.) и образующихся в результате жизнедеятельности бактерий (сульфаты, пирит, карбонаты и др.). Эти минеральные примеси получили название вторичных. Вместе с первичными их называют также внутренними примесями, поскольку они распределены в самой залежи топлива;

попаданием в топливо минералов из окружающих горных пород при разработке месторождения. Примеси, заносимые в топливо в процессе его добычи, называют третичным или внешним. Доля их в общем количестве примесей зависит от геологии пласта топлива и способа его разработки; с увеличением механизации добычи доля эта значительно возрастает.

Зола представляет собой твердый минеральный остаток после сжигания топлива и состоит из топочных шлаков и летучей золы, покидающей топку с продуктами сгорания. Содержание минеральных примесей в топливе изменяется в широких пределах: от 1-2 % у древесины до 55 % в углях, а в горючих сланцах до 70 %.

Важное практическое значение имеет характеристика плавкости золы, которую разделяют на: тугоплавкую с температурой плавления выше 1425 С, среднеплавкую – 1200-1425 С, легкоплавкую - ниже 1200 С. Плавкость золы зависит от ее вязкостных характеристик и оценивается по трем характерным температурам: t1 – начало деформации; t2 – начало размягчения; t3 – начало жидкоплавкого состояния.

Для топок с твердым шлакоудалением важно сгранулировать расплавленный шлак до его встречи с трубами на выходе из топки для предотвращения шлакования труб. Поэтому топочный режим горения рассчитывают так, чтобы температура газов на выходе из топочной камеры была ниже температуры t2. Для устойчивого образования жидкого шлака на поде топочной камеры в топках с жидким шлакоудалением необходимо, чтобы температура газов у пода была выше t3 на 100 – 200 С. Эту температуру обозначают tн.ж и называют температурой нормального жидкого шлакоудаления.


4.2.3. Влага твердого топлива

Все виды твердого топлива способны удерживать в себе некоторое количество влаги за счет сил химического и физико-химического происхождения.

Различают два вида влаги в топливе: внешнюю и внутреннюю. Внешняя влага разделяется на поверхностную и капиллярную. Поверхностная влага остается в топливе после контакта с водой и сохраняется на поверхности за счет смачивания. Ее количество зависит от степени измельчения топлива и внешних условий при транспорте и хранении топлива. Капиллярная влага скапливается в каналах и трещинах кусков топлива.

Внутренняя влага связана с органическим веществом и его минеральными примесями. Она состоит из двух компонентов: гигроскопической в коллоидно-связанном состоянии, равномерно распределенной в массе топлива, и гидратной, входящей в состав молекул минеральных примесей. Внутреннюю влагу принято называть гигроскопической (Wгн). Значение гигроскопической влажности необходимо для оценки допустимой влажности угольной пыли во избежание слипания частиц при повышенной ее влажности или взрывоопасности пересушенной пыли.

Большая влажность рабочей массы топлива вызывает определенные трудности при сжигании топлива: снижается теплота сгорания, растут расходы топлива и объемы продуктов сгорания, увеличиваются потери теплоты с уходящими газами и затраты энергии на привод дымососов. Увеличение влажности топлива часто приводит к росту влажности дымовых газов, что в свою очередь вызывает усиление коррозии метала воздухоподогревателя. Кроме того, в тракте доставки топлива и при его переработке нарушается нормальное движение топлива вследствие потери сыпучести, а в зимнее время топливо смерзается.

Влага, как и зольность, является внешним балластом топлива. Сумма рабочих зольности и влажности составляет внешний балласт рабочего топлива и обозначается – Б.

4.2.4. Химический состав твердых и жидких топлив

Химический состав твердых и жидких топлив определяют по суммарной массе химических элементов в топливе в процентах от 1 кг, т.е. устанавливают элементарный состав топлива.

Различают пять основных элементарных масс топлива.

Рабочая масса топлива

(4.1)

Аналитическая масса топлива

(4.2)

Сухая масса топлива

(4.3)

Условная горючая масса топлива

(4.4)

Органическая масса топлива

(4.5)

Рабочей считается масса топлива в том виде, в каком она поступает на ТЭС. Расчет расхода топлива и полученных объемов продуктов сгорания производится по составу рабочей массы топлива. Рабочее топливо, измельченное до порошкообразного состояния и доведенное в лабораторных условиях до воздушно-сухого состояния, теряет внешнюю влагу, и масса его называется аналитической.

Таблица 4.1. Таблица коэффициентов пересчета состава топлива

с заданной массы на другую искомую массу


Искомая

масса

топлива

Заданная масса топлива

Рабочая

Сухая

Горючая

Органическая


Рабочая


1








Сухая




1







Горючая






1




Органическая








1


Органическая масса отличается от горючей только отсутствием колчеданной серы. Пересчет состава топлива заданной массы на другую искомую массу производится с помощью коэффициентов, приведенных в табл. 4.1

Если топливо нагреть до 100-105 С, то испариться вся влага и тогда получиться сухая масса топлива. В горючую массу топлива входят химические элементы исходного органического вещества, кроме того, сюда причисляют серу органическую и колчеданную, поэтому она называется условной горючей массой.

Кроме вышеперечисленных масс топлива применяют ещё одну – влажную беззольную массу, в которой при максимально возможной влажности отсутствует зола.

4.2.5. Выход летучих твердого топлива

Одной важнейших характеристик твердого топлива является выход летучих. От него зависят условия воспламенения и характер горения топлива.

При нагревании из твердого топлива выходят летучие Vг, включающие горючие и негорючие газы (СО, СН4, Н2, СО2), а также водяной пар, а из углерода и минеральной части топлива образуется коксовый остаток различного вида - спекшийся, слабоспекшийся и порошкообразный.

Каменные жирные угли с большим содержанием битума при нагревании дают плотный, спекшийся, крупнопористый остаток, называемый коксом и используемый в черной металлургии. Такие угли называют коксующимися и, как правило, в энергетике не используют.

В энергетических установках используются топлива, непригодные для получения плотного кокса.

С химическим возрастом топлива количество летучих веществ на горючую массу Vг неизменно снижается. Поэтому для торфа выход летучих составляет около 70 %, для бурых углей – 35-60 %, для каменных углей – 12-45 %, для антрацитов – 3-8 %. Чем ниже выход летучих в топливе, тем ниже его реакционная способность и поэтому менее надежно и устойчиво зажигание и горение топлива. Следовательно условия зажигания и горения бурого угля значительно более надежны, чем антрацита или каменного угля с небольшим выходом летучих.

Выход летучих веществ из твердого топлива происходит в интервалах температур 110–1100 С. Наибольший выход (до 95 %) имеет место при температуре до 800 С. Поэтому условно за выход летучих веществ твердых топлив принимают уменьшение массы навески топлива после выдержки в тигле при температуре 850  25 С в течение 7 минут, отнесенное к горючей массе топлива.

4.2.6. Элементарный состав газового топлива

Объемный состав газового топлива выражается обычно на сухой объем:

. (4-6)

Масса 1 м3 сухого газового топлива вместе с влагой и минеральной пылью

(4.7)

где н – плотность обеззоленного газового топлива, кг/м3; d – влагосодержание газа, г/м3; атл – содержание минеральной пыли в газовом топливе, г/м3.

Элементарный состав газового топлива можно пересчитать на условное твердое топливо в процентах массы:

, (4.8)

, (4.9)

, (4.10)

, (4.11)

, (4.12)

, (4.13)

. (4.14)

Точность расчетов проверяется соотношением

. (4.15)

4.3. Теплота сгорания топлива

4.3.1. Теплота сгорания твердого и жидкого топлива

Теплота сгорания характеризует энергетическую ценность органического топлива и представляет собой количество тепловой энергии, выделяющейся в ходе химических реакций окисления горючих его компонентов газообразным кислородом.

При определении теплоты сгорания в теплотехнике исходят из того, что содержащийся в горючей части топлива водород и углерод окисляются до состояния высших окислов этих элементов – Н2О и СО2, сера превращается в SО2, а азот выделяется в виде простого вещества N2. Именно такие продукты в основном образуются при сжигании топлива в различных промышленных топках, в том числе топках энергетических котлов.

Теплоту сгорания рассматривают как удельную характеристику, т.е. относят ее к единице количества топлива или определенной его части. Для твердого и жидкого топлива за единицу количества может быть принят 1 кг любой из расчетных масс: рабочей, сухой, горючей и т.п. Как и при указании состава, для обозначения теплоты сгорания той или иной массы топлива пользуются верхними индексами: Qр, Qс, Qг и т.п.

Теплота сгорания твердого и жидкого топлива определяется калориметрическим способом или принимается из таблиц.

Теплота сгорания называется высшей Qв, если она включает в себя теплоту конденсации QH2O водяного пара, входящего в состав продукта сгорания.

В подавляющем большинстве технологических процессов, связанных со сжиганием топлива продукты сгорания выбрасываются в атмосферу при таких температурах, при которых водяные пары практически полностью остаются в газовой фазе. Поэтому тепловой эффект сжигания топлива получается меньше высшей теплоты сгорания на величину QH2O. Разность носит название низшей теплоты сгорания топлива.

Для определения низшей теплоты сгорания рабочей массы топлива в кДж/кг может быть использована формула Д.И. Менделеева

. (4.16)

Высшая теплота сгорания пересчитывается на низшую по формулам, кДж/кг:

, (4.17)

, (4.18)

. (4.19)

Связь между низшей теплотой сгорания рабочей массы топлива и низшей теплотой сгорания сухой и горючей массы топлива определяется по формулам, кДж/кг:

, (4.20)

, (4.21)

, (4.22)

. (4.23)

Если известна низшая теплота сгорания рабочей массы топлива при одной влажности, то при изменении влажности теплота сгорания определяется по формуле, кДж/кг,

. (4.24)

При изменении рабочей влажности и зольности топлива новая низшая теплота сгорания может быть определена по формуле, кДж/кг,

. (4.25)

При определении высшей теплоты сгорание сухой или горючей массы топлива при известной высшей теплоте сгорания рабочей массы топлива используют зависимости, кДж/кг:

, (4.26)

. (4.27)

4.3.2. Теплота сгорания газового топлива

Теплота сгорания 1м3 газового топлива может быть определена в калориметре и подсчитана для сухого беззольного газа по формуле смешения, если известен его состав, кДж/кг,

,.. (4.28)

где QCO, QH2 и т.д. – теплота сгорания отдельных компонентов газового топлива, кДж/м3 , (табл. 4.2);

Таблица 4.2. Теплота сгорания отдельных компонентов газового

топлива




CO

H2

H2S

CH4

C2H6

C3H8

C4H10



12640

10800

23400

35820

63770

91340

118700

Теплота сгорания рабочей массы газового топлива определяется по формуле, кДж/кг,

. (4.29)

4.3.3. Приведенные характеристики топлива

При сравнении работающих установок по экономичности и другим показателям удобно пользоваться относительными характеристиками топлива, такими, например, как условное топливо и приведенные влажность и зольность.

Теплота сгорания различных топлив колеблется в широких пределах, что часто затрудняет проведение расчетов, например, при сравнении удельных расходов топлива и норм расхода на 1 кВт/ч, на единицу продукции и т.п.

Для облегчения таких задач введено понятие условного топлива с низшей теплотой сгорания 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг), что отвечает теплоценности хорошего каменного угля. Для перевода любого топлива в условное необходимо низшую рабочую теплоту сгорания разделить на 29,33 (или 7000); частное от деления называют тепловым эквивалентом топлива Э.

. (4.30)

Содержание балласта (влаги, золы и серы) топлива не является достаточным показателем энергетической ценности топлива, так как топлива с одинаковым содержанием влаги или золы часто имеют разную теплоту сгорания. Для сравнительной оценки количество золы влаги серы, содержащихся в топливе, предложены приведенные характеристики топлива, кг·%/МДж, в которых содержание балласта отнесено к 1000 ккал или 4,19 МДж, а Qнр выражены в МДж/кг:

Wпр = 4,19 Wр / Q , (4.31)

Aпр = 4,19 Aр / Q , (4.32)

Sпр = 4,19 Sр / Q . (4.33)

При сжигании двух топлив теплота сгорания смеси определяется по формуле, кДж/кг,

, (4.34)

где коэффициент q1 определяется по формуле (1.11).

При сжигании двух сухих обеззоленных газообразных топлив теплота сгорания смеси определяется по формуле, кДж/кг,

(4.35)

В соответствии с этим для каждого топлива имеется тепловой эквивалент, который может быть больше или меньше единицы.

4.4. Классификация энергетических топлив

Энергетическим топливом называют органическое топливо, которое используется для выработки электрической и тепловой энергии и которое технически невозможно или экономически нецелесообразно использовать для переработки в химической, металлургической и других отраслях народного хозяйства и которого имеются в природе большие запасы.

К энергетическим топливам относятся: торф, сланцы, бурые угли, некоксующиеся каменные угли, антрацитовый штыб, мазуты, природный горючий газ чисто газовых месторождений и искусственные газы, доменный, коксовый, конверторный, крекинг, подземной газификации углей и др. Представителями энергетических топлив являются и так называемые местные топлива, по своей низкой теплоценности не выдерживающие дальних перевозок и поэтому сжигаемые непосредственно у места добычи.

Критерием целесообразности использования органического топлива в энергетике является либо качество топлива (обычно под котлами стремятся сжигать низкосортные виды топлива), либо цены на различные виды топлива в месте сжигания (из нескольких видов топлива добываемых или доставляемых в данное место сжигается наиболее дешевое).

В связи с развитием техники угледобычи появились вторичные виды энергетических топлив, такие как отсевы углей, отходы углеобогащения и пр. Так, получило распространение энергетическое топливо - ГСШ (газовый, семечко со штыбом) – отсев газовых каменных углей, с Q=21 МДж/кг, с большим количеством щелочей и поэтому склонное к образованию плотных отложений на поверхностях нагрева.

Ископаемые угли разделяются на бурые, каменные и антрациты.

Каменные угли имеют теплоту сгорания влажной беззольной массы более 24 000 кДж/кг и выход летучих веществ более 9 %.

Антрацит относится к старейшим по происхождению каменным углям, отличается большой твердостью, трудно загорается, хорошо выдерживает перегрузки и перевозки. К антрацитам относятся угли с выходом летучих на горючую массу Vг = 2 – 9 %.

Бурые угли характеризуются высшей теплотой сгорания влажной беззольной массы менее 24 000 кДж/кг. Бурые угли содержит много влаги, легко соединяется с кислородом воздуха и при длительном хранении на воздухе сильно выветривается и рассыпается в порошок. Кроме того, он обладает большой склонностью к самовозгоранию.

По влажности бурые угли делятся на следующие группы, которые приведены в табл.4.3.
Таблица 4.3. Группы бурых углей

Группа

Содержание влаги в рабочей массе топлива

Б1

Более 40%

Б2

30 – 40 %

Б3

Менее 30%

По своей структуре отличается повышенным содержанием балласта и очень высокой гигроскопичностью, вследствие чего влажность бурых углей Wр = 17 – 55 %. Бурые угли не спекаются, отличаются большим вылетом летучих (Vг = 33,5 – 58,5 %) на горючую массу и зольностью на сухую массу (Ас = 10,5 – 34 %), высоким содержанием серы (Sр = 0,6 – 5,9 %). Рабочая теплота сгорания бурых углей Q = 10,7 – 17,5 МДж/кг

К группе энергетических топлив следует отнести и некоторые сорта особо молодых бурых углей. Они разделяются на землистые бурые угли кусковатые бурые угли и лигниты. Землистые угли отличаются высокой забалластированностью W = 56 %, А= 17 – 35 %, низкой теплотой сгорания Q= 1,5 – 1,9 МДж/кг и низкой температурой плавкости золы. Кусковатый бурый уголь отличается от землистого большой прочностью и крупностью кусов, высоким содержанием серы – до 8,5 – 9,5 %. Особую группу углей составляют лигниты, представляющие собой слаборазложившуюся массу, похожую на обуглившуюся древесину со скоплениями различных смолистых веществ (Wр = 45 %; Ас = 45 %; Q = 6,2 МДж/кг). Размеры кусков лигнита достигают 800 мм в поперечнике.

Бурые угли, как правило, залегают на сравнительно небольших глубинах, поэтому часто их добывают открытым способом, который в 5–7 раз производительнее и дешевле шахтного. Бурые угли (Б) делятся по рабочей влажности на 3 группы: Б1 – угли с Wр  40 %, Б2 – Wр = 30-40 %; Б3 – Wр  30 %.

К энергетическим топливам также относится большая группа так называемых окисленных бурых и каменных, углей. Эти угли неглубоких залеганий; под воздействием атмосферного кислорода и влаги в них совершается процесс выветривания или окисления, заключающийся в том, что падает процент содержания горючих, теплоценность горючих, рабочая низшая теплота сгорания, температура плавления шлаков; с другой стороны, растут внешний балласт, плотность и твердость угля.

4.5. ГОРЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА

Горение – экзотермическая окислительно-восстановительная реакция топлива с окислителем (кислородом воздуха и др.), сопровождающаяся выделением теплоты и света. Различают гомогенное горение, протекающее в объеме, когда топливо и окислитель находятся в одинаковом агрегатном состоянии (например, горение газа в воздухе), и гетерогенное, происходящее на поверхности раздела фаз, когда топливо и окислитель находятся в различных агрегатных состояниях (например, горение твердых и жидких топлив).

Процесс может идти с различной скоростью: от медленного до мгновенного окисления горючих элементов во всем объеме топлива. Примером медленного горения является самовоспламенение твердого топлива при хранение его на складе без соприкосновения с пламенем или раскаленным телом. Мгновенное окисление представляет собой взрыв. В энергетических установках практическое значение имеет такая скорость реакция, при которой происходит устойчивое горение с постоянной во времени концентрацией топлива и окислителя (воздуха). Такой процесс горения осуществляется, например, в двигателе внутреннего сгорания или в топочной камере парового котла. При нарушении соотношения между концентрациями топлива и воздуха, например при избытке воздуха (бедная смесь) или топлива (богатая смесь), скорость реакции снижается и вследствие этого уменьшается тепловыделение на единицу объема. Существуют нижний и верхний пределы концентрации топлива, вне которых горение становится невозможным.

Максимальное тепловыделение в процессе горения происходит при определенных соотношениях масс элементов исходных веществ, вступающих в реакцию горения, которые называют стехиометрическими. В качестве примера приводятся стехиометрические соотношения для основных горючих элементов твердого (жидкого) топлива в единицах массы, а для газов – в единицах объема:

4.5.1.Теоретический расход воздуха на горение

При горении топлива горючие элементы взаимодействуют с кислородом и образуют окислы CO2, SO2 и H2O. Так как окисление идет в основном за счет кислорода, содержащегося в воздухе (21 %), то в продуктах сгорания содержится кроме указанных окислов азот, входивший в состав воздуха. Если при полном сгорании топлива прореагирует весь поданный с воздухом кислород, то имеющееся при этом соотношение кислорода и топлива называется стехиометрическим, а количество поданного воздуха Vо – теоретически необходимым для горения, м3/кг – при сжигании твердого и жидкого топлива, м3 3 – сжигании газообразного топлива.

Необходимое для полного сгорания топлива количество кислорода определяется из стехиометрических уравнений горения 1 моля каждого горючего компонента топлива.

Для углерода можно записать:

С + O2 = CO2, (4.36)

12кг C + 32кг O2 = 44кг CO2,

Для 1 кг углерода получим:

1кг C + 2,67 О2 = 3,67 СО2 . (4.37)

Для серы и водорода соответственно:

S + O2 = SO2, (4.38)

1кг S + 1кг O2 = 2кг SO2 ;

2H2 + O2 = 2H2O , (4.39)

1кг H2 + 8кг O2 = 9кг H2О .

Следовательно, для полного сжигания 1 кг углерода требуется 2,67 кг кислорода, для сжигания 1 кг серы – 1 кг кислорода, а для сжигания 1 кг водорода – 8 кг кислорода

Суммарная потребность кислорода для сжигания 1 кг рабочей массы твердого и жидкого топлива с учетом кислорода, имеющегося в самом топливе, равна, кг/кг,

. (4.40)

Теоретически необходимый для горения объем кислорода определяется после подстановки в (4.40) плотности кислорода О2 = 1,429  кг/м3.

, (4.41)

. (4.42)

С учетом того, что в воздухе содержится 21 % кислорода по объему, получим формулу для определения количества теоретически необходимого воздуха, м3/кг,

,(4.43)

. 4.44)

В массовом выражении, кг/кг,

(4.45)

Для газообразных топлив определяется как сумма теоретических необходимых количеств воздуха, необходимых для полного сжигания горючих компонентов, м33.

(4.46)

где – процентное содержание соответствующих компонентов в газообразном топливе, которые приведены в таблице расчетных характеристик газообразных топлив.

4.5.2. Теоретические объемы продуктов сгорания

При полном сгорании топлива образуются только продукты полного окисления горючих элементов – СО2, SО2, H2О и азот воздуха N2.

Теоретический объем продуктов сгорания , м3/кг,

. (4.47)

Суммарный теоретический объем трехатомных газов СО2 и SО2 обозначен символом RO2, м3/кг:

. (4.48)

Эта величина определяется из уравнений горения (2.1) и (2.3) и для твердых и жидких топлив равна

. (4.49)

Учитывая, что , получим выражение

. (4.50)

Теоретический объем азота , м3/кг, обусловлен азотом, входящим в теоретически необходимое для горения количество воздуха, и азотом топлива.

, (4.51)

где 0,8 = 1/, а .

Теоретический объем водяных паров, м3/кг, для твердых и жидких топлив

; (4.52)

Здесь объем водяных паров при сжигании водорода

, (4.53)

объем водяных паров за счет испарения рабочей влаги

, (4.54)

объем водяных паров с атмосферной влагой в теоретическом объеме воздуха

, (4.55)

где – плотность сухого воздуха, плотность водяного пара и влагосодержание воздуха соответственно (обычно, d = 0,01 кг водяных паров на 1кг воздуха).

В результате общее выражение для определения теоретического объема водяных паров имеет вид, м3/кг:

. (4.56)

Объем продуктов сгорания газообразного топлива рассчитывается по стехиометрическим уравнениям горения отдельных горючих компонентов аналогично расчету объемов продуктов сгорания при сжигании твердых и жидких топлив.

Теоретический объем трехатомных газов, м33,

. (4.57)

теоретический объем азота, м33,

. (4.58)

теоретический объем водяных паров, м33,

, (4.59)

где dг.тл. – влагосодержание газового топлива, отнесенное к 1 м3 сухого газа (г/м3).

4.5.3. Действительные объемы продуктов сгорания

Для осуществления полного сгорания топлива в топку подают количество воздуха Vд, которое всегда больше теоретически необходимого Vо. Тогда

, (4.60)

где т – коэффициент избытка воздуха в топке.

Процесс горения заканчивается, как правило, в топке, по этому объем трехатомных газов не изменяется по всему тракту дымовых газов. Избыточное количество воздуха приводит к увеличению в продуктах сгорания объема водяных паров на величину , м3/кг или м33,

, (4.61)

и появлению в них избыточного воздуха Vв, м3/кг или м33,

. (4.62)

Таким образом, действительный объем продуктов сгорания определяется по формулам:

, (4.63)

, (4.64)

Объем сухих газов и водяных паров при > 1

. (4.65)

4.6. Энтальпия воздуха и продуктов сгорания

Энтальпия продуктов сгорания J, кДж/кг или кДж/м3, является суммой физической теплоты трехатомных газов (RO2), двухатомных (N2) и водяных паров (H2O). При  = 1

, (4.66)

где – теплоемкость соответствующих газов, которая принимается из таблиц в зависимости от температуры, кДж/(м3 К);

 – температура продуктов сгорания.

Энтальпия дымовых газов при  > 1 равна

, (4.67)

Здесь энтальпия теоретического объема воздуха равна

, (4.68)

где Свл.воз. – теплоемкость влажного воздуха, tв – температура воздуха.

При сжигании твердых топлив, у которых > 1,4, следует учитывать при определении физическую теплоту золы Jз, кДж/кг:

, (4.69)

где Сз – теплоемкость золы; tз – температура золы; аун – доля золы, уносимой через газоходы котла; - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг. В этом случае энтальпия продуктов сгорания определяется по формуле

. (4.70)

__________________________________________________________________
Раздел пятый. КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
  1   2   3   4   5   6   7   8   9


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации