61

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Конспект лекций по дисциплине «теплогенерирующие установки» для направления подготовки 653500 «Строительство»

1. Источники тепловой энергии для систем теплоснабжения, топливо, топливные ресурсы

Лекция 1. Определение теплогенерирующей установки. Классификация ТГУ. Технологическая схема производства тепла. Основные компоненты обеспечения работы теплогенератора: котельная установка, топливо, вода. Классификация ТГУ.

Теплогенерирующей установкой (ТГУ) называется совокупность технических устройств, предназначенных для производства тепловой энергии в виде пара, горячей воды или подогретого воздуха.

Пар используют для технологических нужд (технологии в промышленности, выработка электрической энергии, приведения в движение паровых двигателей), подогрева воды, используемой для отопления, вентиляции и прочих нужд. Горячую воду используют для отопления, водоснабжения технологий производства.

Теплогенерирующие установки осуществляют выработку тепла из первичных источников: органического и ядерного топлива, солнечной и геотермальной энергии, горючих и тепловых отходов производства, сельского хозяйства, бытовых отходов.

В зависимости от назначения различают следующие ТГУ: отопительные – для обеспечения теплом систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения; отопительно-производственные - для обеспечения теплом систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения и технологического водоснабжения и производственные – для технологического теплоснабжения.

Тепловая энергия – один из основных видов энергии, наиболее активно используемых человеком во всех сферах его жизнедеятельности, а именно: обеспечение комфортных условий жизни, промышленные технологии, выработка электроэнергии.

Теплогенерирующая установка состоит из теплогенерирующего агрегата, вспомогательных механизмов и устройств. Теплогенерирующий агрегат в обобщенном варианте включает топочное устройство, трубную систему с барабанами, пароперегреватель, водяной экономайзер, воздухоподогреватель, обмуровку, газоходы и арматуру.

К вспомогательным механизмам и устройствам относят дымососы и дутьевые вентиляторы, питательные, водоподготовительные, пылеприготовительные установки, системы топливоподачи, газорегуляторные станции, мазутное хозяйство, насосное оборудование, контрольно-измерительные приборы и автоматы.

В процессе получения горячей воды или пара для нужд отопления и технологических целей служат три основных компоненты: вода, топливо и воздух. Рабочим телом является вода. Эти три компоненты и определяют особенности конструирования, обвязки и эксплуатации ТГУ.

В промышленности, коммунальном хозяйстве применяют различные виды котлов. Паровой котел представляет собой устройство с топкой, обогреваемой продуктами сжигаемого в ней топлива, и предназначенное для получения пара давлением выше атмосферного, а водогрейный котел – такое же устройство, но предназначенное для нагревания воды, находящейся под давлением выше атмосферного и используемой в качестве теплоносителя. И пар и вода вырабатываются для использования их вне ТГУ.

Котел-утилизатор – это паровой или водогрейный котел, в котором в качестве источника тепла используются горячие газы технологического процесса.

Пароперегреватель представляет собой устройство, предназначенное для перегрева пара выше температуры насыщения в результате передачи ему тепла дымовыми газами, а экономайзер – устройство, обогреваемое продуктами сгорания топлива и служащее для подогрева или частичного испарения воды поступающей в котел. Воздухоподогреватель обеспечивает подогрев воздуха, идущего в топку, теплом уходящих газов.

Питательная установка состоит из питательных насосов для подачи воды в котел под давлением. Тягодутьевое устройство, состоящее из дутьевых вентиляторов, системы газовоздуховодов, дымососа и дымовой трубы, обеспечивает подачу необходимого воздуха на горения и удаление продуктов сгорания из ТГУ за пределы агрегата.

Устройство теплового контроля и автоматического управления обеспечивает бесперебойную и согласованную работу котельной установки по выработке необходимого количества пара (воды) определенной температуры и давления.

Установка подготовки питательной воды очищает воду от механических примесей и растворенных в ней накипеобразующих солей, а также удаления растворенных в воде газов.

топливоо

Рис.1. Технологическая схема котельной со стальными водогрейными котлами

1– котел; 2 – подогреватель химически очищенной воды после первой ступени очистки; 3 – насос ре­циркуляции; 4 – подогреватель сырой воды; 5 – химводоочистка (ХВО); 6- – перепуск холодной воды для поддержания постоянной температуры воды за котлом и снижения температуры воды, идущей в тепловые сети; 7 – насос для подпитки тепловых сетей; 8 – эжектор для создания вакуума в деаэрато­ре; 9 – атмосферный деаэратор; 10 – охладитель выпара из деаэратора; 11 – сетевой насос; 12 – бак технической воды; 13 – насос к эжектору;14–потребитель, использующий тепло на нужды отопле­ния, вентиляции и горячего водоснабжения

Для представления об основных компонентах теплогенерирующей на рис.1 приведена ее технологическая схема.

Приведенная схема простейшей теплогенерирующей установки показывает три основных компоненты системы: котел, преобразующий энергию топлива в тепловую энергию. Топливо - из которого за счет химической реакции создается тепловая энергия и вода, выполняющая роль переносчика тепла от котла к потребителю.

В теплогенерирующей установке создают термодинамические условия с максимально возможной полнотой (коэффициентом полезного действия), при которых происходит преобразование различных видов энергии (хими­ческой, излучения, электрической) в тепловую энергию.

Тепловую энергию требуемых параметров получают путем преобразования химической энер­гии органического топлива, энергии, выделяемой при расщеплении ядерно­го топлива, электрической энергии, энергии солнечного излучения, геотер­мальной и тепловой энергии низкого потенциала.

Использование всех трех составляющих процесса должно проводиться в строгом соответствии с разработанными нормами и правилами, поскольку экономическая эффективность использования теплогенерирующей установки, ее жизнеспособность определяющим образом зависит от режимов горения и чистоты теплоносителя, то есть воды.

Рост себестоимости добычи углеводородного сырья привел к внедрению теплогенерирующих установок на основе солнечной энергии, геотермальной энергии. Ограниченность ресурсов заставит широко использовать ядерную энергию для производства тепловой энергии.

В связи с разнообразием различных видов энергии, теплоносителей и условий работы применяют следующие теплогенерирующие установки и соответствующие методы производства тепловой энергии :

1. Котельные агрегаты – устройства, имеющие топку для сжигания ор­ганического топлива в окислительной среде, где в результате экзотермиче­ских химических реакций горения образуются газообразные продукты с высокой температурой (топочные газы), теплота от которых передается другому теплоносителю (воде или водяному пару), более удобному для дальнейшего использования.

2. Атомные реакторы – устройства, в которых проходит цепная ядер­ная реакция деления тяжелых ядер трансурановых элементов под действи­ем нейтронов. В результате ядерная энергия преобразуется в тепловую энергию теплоносителя (воды, в перспективе гелия), вводимого в активную зону атомного реактора, теплота от которого затем в атомном парогенера­торе передается воде или пару.

3. Электродные котлы – устройства, в которых проходит преобразова­ние электрической энергии в тепловую энергию путем разогрева нагрева­теля с высоким электрическим сопротивлением и последующей передачей теплоты от этого нагревателя рабочему телу.

4. Гелиоустановки – устройства, в которых солнечная (световая) энер­гия преобразуется в тепловую энергию инфракрасного излучения. В гелио­приемнике или солнечном коллекторе энергия Солнца трансформируется в тепловую энергию с последующей передачей теплоты рабочему телу – воде или воздуху.

5. Геотермальные установки – устройства, в которых проходит пере­дача теплоты от геотермальных вод к рабочему телу, нагреваемому за счет тепловой энергии этих вод до заданных параметров.

6. Котлы-утилизаторы – устройства, в которых используется теплота газов, покидающих различное высокотемпературное технологическое обо­рудование (нагревательные, обжиговые и другие печи). Теплота от высоко­температурных газов передается другому теплоносителю (воде или пару), более удобному для дальнейшего использования.

7. Для систем теплоснабжения также используют производство тепло­вой энергии из биомассы, сельскохозяйственных и городских отходов, а также устройства, в которых энергия с низким энергетическим потенциа­лом преобразуется в высокопотенциальную тепловую энергию другого те­плоносителя с затратами других видов энергии, подводимых извне (напри­мер, электроэнергии в тепловых насосах).

Эффективность ТГУ определяется совершенством технологической схемы преобразования энергии, стоимостью исходного источника энергии, а также параметрами, которые должен иметь теплоноситель.

В экономике России энергосбережение и энергосберегающие техноло­гии являются приоритетными при внедрении их в производство. Знания принципов работы, расчета и эксплуатации оборудования теплогенери­рующих установок позволяют определить – где, что, в каких количествах, куда и почему теряется. Эффективность, безопасность, надежность и эко­номичность работы оборудования котельных во многом определяются ме­тодом сжигания топлива, совершенством и правильностью выбора обору­дования и приборов, своевременностью и качеством проведения пуско-­наладочных работ, квалификацией и степенью подготовки обслуживающе­го персонала.

В теплогенерирующих установках образуется рабочее тело или носитель тепловой энергии, с по­мощью которого тепловая энергия транспортируется к потребителю и реа­лизуется в виде теплоты заданного потенциала. Как правило, рабочим те­лом для переноса тепловой энергии – теплоносителем – служат жидкости или газы.

Комплексы устройств, производящих тепловую энергию и доставляющие ее в виде пара, горячей воды или подогретого воздуха потребителю называются системами теплоснабжения. Системы теплоснабжения принято разделять на централизованные и децентрализованные. Одним из критериев классификации является мощностной показатель единицы оборудования, вырабатывающей тепловую энергию. Ранее в качестве такого мощностного показателя была мощность комплекса теплогенерирующей установки - 58 мВт. В децентрализованных системах теплоснабжения мощность отопительных установок не превышает 10 мВт. К таковым системах относятся и системы поквартирного отопления.

Несомненно, что в энергетическом комплексе всегда будет две тенденции развития: централизованное и децентрализованное. Сейчас децентрализованное теплоснабжение связывается с большим комфортом, высоким уровнем автоматизации и, следовательно, экономически более эффективным использованием. Трудно порой представить технологию пищевого предприятия без автономного источника теплоснабжения. Однако оборотной стороной развития децентрализованного теплоснабжения является высокий уровень выбросов, сконцентрированных в определенном районе промышленного производства или жилого комплекса. Централизванные системы, оснащены системами пылеулавливания, высокими дымовыми трубами и в перерасчете на единицу вырабатываемой мощности вносят меньшие загрязнения в окружающую среду по выбросам окислов серы, азота, углерода.

Органическое топливо

Основные определения, классификация и происхождение органического топлива. Элементный и технический состав топлива. Теплота сгорания топлива и способы ее определения. Твердое топливо. Жидкое топливо. Газообразное топливо. Условное топли­во.

Топливом называют вещества, способные вступать с кислородом воздуха в быстрый окислительный процесс – горение, выделяя при этом значительное количество теплоты. Топливо представляет собой сложное органическое соединение, входящих в его состав горючих элементов, забалластированных негорючими составляющими, оказывающими значительное влияние на его качество.

Основными его видами являются органические топлива: торф, горючие сланцы, угли, природный газ, продукты переработки нефти.

По способу получения различают природные и искусственные топлива. К

природным относятся натуральные топлива: уголь, сланцы, торф, нефть, природные газы. Из твердых топлив к искусственным относятся кокс, брикеты угля, древесный уголь. Из жидких - мазут, бензин, керосин, соляровое масло, дизельное топливо. Из газовых — газы доменный, генераторный, коксовый. Торф, бурые угли, каменные угли и антрациты образовались в процессе последовательной углефикации отмершей растительной массы.

Дальнейшая классификация каждой группы может быть проведена по их агрегатному состоянию на твердые, жидкие и газообразные топлива.

Состав и качество топлива устанавливается с помощью химического и технического анализа. Для этого берется так называемая средняя проба данной партии топлива, которая должна наиболее правильно отображать свойства и состав всей партии или пласта, из которого добывается топливо. Отбор средней партии проводится в соответствии со специально разработанными инструкциями.

Топливо, добытое из недр, с поверхности земли и доставленное потребителю называют рабочим топливом. В состав рабочего топлива входят: углерод (С), водород (Н), сера летучая(S_л), которые при сгорании выделяют определенное количество тепла, кислород (О) и азот(N), представляющие собой внутренний балласт топлива, и, наконец, зола(А) и влага (W), составляющие внешний балласт топлива. Все перечисленные выше элементы, входящие в состав топлива, даются в процентах по весу. Топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю, называется рабочим, а вещество, составляющее его, — рабочей массой. Элементарный химический состав его выражается следующим образом:

C^p + H^p + O^p + N^p + S^p + A^p + W^p =100%

Минеральные примеси и влажность одного и того же сорта топлива в разных районах его месторождения и различных местах могут быть разными, а также могут изменяться при транспортировке и хранении. Более постоянным является состав горючей массы топлива. Имея в виду это обстоятельство, для сравнительной теплотехнической оценки различных сортов топлива ввели условные понятия сухой, горючей и органической массы, составляющие которых, выраженные в процентах, обозначаются теми же символами, что и рабочая масса, но соответственно с индексами «с», «г» и «о» вместо индекса рабочей массы, «р».

Влага. Содержание влаги в твердых топливах колеблется в значительных пределах – от 5% до 60%.Влажность жидких и газообразных топлив невелика. Влагу топлива делят на внешнюю (механическую) W_вн, % _, и внутреннюю (гигроскопическую) W_гр, %.Сумма их составляет рабочую влажность

W ^р = W_вн+ W_гр, [%]

Внешняя влага удаляется из топлива при его естественной сушке в условиях комнатной температуры. Уменьшение веса топлива прекратится при этом тогда, когда наступит равновесие между давлением водяных паров, находящихся в топливе и парциальным давлением водяных паров, находящихся в окружающем воздухе.

Внутренняя влага удерживается в порах топлива вследствие наличия капиллярных сил и удаляется из него только путем нагревания топлива. В сушильном шкафу до 105 ⁰С. Содержание внутренней влаги в твердом топливе доходит до 10%. Однако найденная таким образом суммарная влажность оказывается меньше действительно находящейся в топливе влажности, потому что в ряде твердых топлив содержится кристаллизационная или гидратная влага, связанная с некоторыми минеральными составляющими топлива: глиной, силикатами, органическими веществами. Эта влага может быть удалена из топлива лишь при температуре 800 ⁰С.

Наличие влаги в топливе отрицательно сказывается на его качестве, и, следовательно, на работе котельной установки, так как за счет влаги уменьшается в топливе количество горючих веществ, и, конечно, уменьшается количество теплоты, выделяющейся при его сгорании. Кроме этого, часть тепла идет на испарение влаги, и затем уходит вместе с парами из котельной установки, понижая ее к.п.д. Следует отметить также трудность воспламенения топлива, содержащего влагу, увелечение объема дымовых газов, что в свою очередь повышает расход электроэнергии дымососами. При низких температурах уходящих газов наличие в них водяных паров вызывает опасность конденсации последних и возникновения коррозии металлических поверхностей нагрева и дымовых труб.

Зола. Твердый негорючий остаток, получающийся после завершения преобразований в минеральной части топлива в процессе его горения, называют золой. Выход газифицирующейся части примесей уменьшает массу золы по отношению к исходным минеральным примесям топлива, а некоторые реакции, например, окисление железного колчедана, приводят к его увеличению. Обычно масса золы немного меньше массы минеральных примесей в топливе, лишь в горючих сланцах вследствие разложения содержащихся в них карбонатов золы

получается значительно меньше по сравнению с массой минеральных примесей.

Золы как таковой в исходном топливе нет Она возникает в результате сжигания топлива как сухой остаток. В твердых топливах содержание золы колеблется от 2% до 60%.В жидких и газообразных топливах содержание зольного остатка крайне мало.

Зола представляет собой смесь различных минеральных веществ, попавших в топливо. Зола подразделяется на три вида. Первичная зола попадает в исходный материал –древесину- в виде растворенных солей вместе с почвенной водой и равномерно распределяется в ней. Вторичная зола попадает в топливо также извне с подземными водами или в результате горообразующих процессов, происходивших в доистроические времена. Оба вида этой золы выделить из топлива не удается. Третичная зола представляет собой случайную примесь в виде породы, захваченной при добыче топлива и отделяемой от него в результате обогащения.

В топочной камере при высоких температурах часть золы расплавляется,

образуя раствор минералов, который называется шлаком. Из топки шлаки удаляются в жидком или гранулированном состоянии. Для оценки степени засоренности горючей массы топлива зольность относят к его сухой массе, выражая ее в процентах. Зольность определяется сжиганием предварительно высушенной пробы топлива определенной массы в платиновом тигле и прокаливанием до постоянной массы (твердых топлив при температуре 800±25°С, а жидких топлив — 500°С). Зольность топлива изменяется от долей процента в мазуте и древесине до 40—60% в сланцах.

Зола, образующаяся при сгорании топлива при высоких температурах и кратком времени пребывания в топочной камере, по своему химико-минералогическому составу отличается от золы, образующейся при анализе на зольность сжиганием топлива в лабораторных условиях.

Важными свойствами золы являются ее абразивность и характеристики плавкости. Зола с высокой абразивностью вызывает сильный износ конвективных поверхностей нагрева теплогенераторов.

Плавкость золы определяется нагреванием в специальной печи в полувосстановительной газовой среде трехгранной пирамидки стандартных размеров высотой 13 мм и длиной грани ее основания 6 мм, сделанной из измельченной пробы испытуемой золы (ГОСТ 2057-49).

Различают следующие характеристики плавкости золы:

t₁ — температура начала деформации, при которой пирамидка сгибается или вершина ее закругляется;

t₂ — температура начала размягчения, при которой вершина пирамидки

наклоняется до ее основания или пирамидка превращается в шар;

t₃ — температура начала жидкоплавкого состояния, при которой пирамидка

растекается на подставке;

t₀ — температура начала истинно жидкого состояния, при котором расплав

шлака подчиняется законам Ньютона о течении истинной жидкости.

По характеристикам плавкости золы энергетические угли подразделяются на три группы: с легкоплавкой золой t₃<1350 °С, с золой средней плавкости

1350< t₃ <1450 °С и с тугоплавкой золой t₃ >1450 °С.

Присутствие золы в топливе существенно понижает его ценность и вызывает трудности в процессе его сжигания. Летучая зола, уносимая в газоходы котлоагрегата истирает и загрязняет поверхности нагрева, ухудшая коэффициент теплопередачи. Выпавшая в котлоагрегатах зола и шлак требуют специальных мероприятий по их удалению.

Углерод. Углерод представляет одну самых существенных составляющих каждого топлива и входит в его состав не свободном состоянии, а виде сложных органических соединений с водородом, кислородом, серой и азотом. При горении чистый углерод выделяет 8130ккал\кг (34,4 МДж/кг) и является главным источником теплотворной способности топлива. Содержание углерода в некоторых твердых топливах достигает 95 %.

Водород. Другой важной составляющей топлива является водород, содержание которого в горючей массе твердых и жидких топлив колеблется от 2 до 10%. Много водорода содержится в природном газе, мазуте и горючих сланцах, меньше всего в антраците. По теплотворной способности водород почти в 4 раза превосходит углерод и его теплота сгорания в водяной пар — составляет 10,8 МДж/м³ (2579 ккал/м³).э

Сера. Содержание серы в твердых топливах за исключением сланцев невелико. При сгорании сера выделяет незначительное количество тепла. Сера в топливе содержится в трех разновидностях. Органическая сера S₀ и колчеданная Sк составляют так называемую горючую летучую серу:

S_л = S₀ + Sк [%]

Третьей разновидностью серы является сера сульфатная – S_а, которая уже окислена и поэтому не может выделять тепла, вследствие чего входит в состав золы топлива в виде минеральных соединений с железом и кальцием. Общее содержание серы в топливе составляет

Sоб = Sл + Sа [%]

Органическая сера входит в состав сложных высокомолекулярных органических соединений топлива. Колчеданная сера представляет собой ее соединения с металлами, чаще с железом (FeS_2 — железный колчедан), и входит в минеральную часть топлива. Органическая и колчеданная сера S_л_при горении топлива окисляется с выделением тепла. Сульфатная сера входит в минеральную часть топлива в виде сульфатов CaS0₄ и FeS0₄ и поэтому в процессе горения дальнейшему окислению не подвергается. Сульфатные соединения серы при горении переходят в золу. В горючую массу топлива входят S_o и S_к, которые при сгорании топлива переходят в газообразные соединения SO₂ , и в небольшом количестве в SO₃.

Содержание серы в твердых топливах обычно невелико. В нефти сера входит в состав неорганических соединений, в природных газах она практически отсутствует, в попутных газах некоторых нефтяных месторождений содержится немного серы в виде сероводорода H₂S и сернистого газа SO₂. Образующийся при горении топлива сернистый газ и особенно сопутствующий ему в небольшом количестве серный газ SO₃ вызывают коррозию металлических частей теплогенераторов и отравляют окружающую местность. Вследствие низкой теплоты сгорания — 9,3 МДж/кг (2220ккал/кг) присутствие серы уменьшает теплоту сгорания топлива. Поэтому сера является вредной и нежелательной примесью топлива.

Азот и кислород относятся к внутреннему балласту топлива. Азот является инертным газом. Содержание его в твердом топливе составляет 1-2% и при сгорании топлива он выделяется в свободном состоянии.

Содержание кислорода в топливе колеблется в широких пределах, достигая 40%. Принято считать что весь кислород в топливе связан с водородом и при сгорании топлива образуют водяные пары. Кроме того, кислород, находясь в соединении с водородом или углеродом топлива, переводит некоторую часть горючих в окислившееся состояние и уменьшает его теплоту сгорания. Содержание кислорода велико в древесине и торфе. Азот при сжигании топлива в атмосфере воздуха не окисляется и переходит в продукты сгорания в свободном виде.