4003

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Е.А.Лебедева

ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ТОПЛИВ

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным, практическим и семинарским занятиям по дисциплине

«Проблемы использования композиционных топлив» для обучающихся по направлению подготовки 13.04.01 Теплоэнергетика и теплотехника

профиль Тепломассообменные процессы и установки

Нижний Новгород

ННГАСУ

2016

УДК 620.9:504

Лебедева Е.А. Проблемы использования композиционных топлив [Электронный ресурс]: учеб. - метод. пос. /Е.А.Лебедева; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун – т. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. –35 с; ил. 1 электрон. опт. диск (CD-RW)

Представлена информация о современных достижениях в области использования композиционных топлив, приведено содержание лекционных занятий, даны указания по содержанию и последовательности выполнения практических и семинарских занятий по дисциплине «Проблемы использования композиционных топлив», даны рекомендации по выполнению индивидуальных заданий.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекционным, практическим, семинарским занятиям, выполнению индивидуальных заданий и РГР по направлению подготовки 13.04.01 Теплоэнергетика и теплотехника, профиль Тепломассообменные процессы и установки.

Учебно-методическое пособие ориентировано на обучение в соответствии с календарным учебным графиком и учебным планом по основной образовательной программе направления подготовки 13.04.01 Теплоэнергетика и теплотехника, профиль Тепломассообменные процессы и установки, одобренной решением научно-технического совета (НТС) от «9» июня 2015г. Протокол № 2.

© ЕА.Лебедева, 2016

© ННГАСУ, 2016.

2

3

1. Общие положения

1.1 Цели изучения дисциплины и результаты обучения

Целями освоения учебной дисциплины являются:

-формирование теоретических знаний и практических навыков по способам эффективного сжигания композиционных топлив;

-формирование умений выявить различия в теплотехнических и эксплуатационных характеристиках по сравнению с традиционными видами топлива;

-разработка мероприятий по реконструкции топочных устройств проектируемой или действующей установки, сжигающей композиционное топливо.

Впроцессе освоения дисциплины студент должен

Знать:

-современные методы исследования, включая количественные и качественные показатели процесса горения органического топлива;

-способы модернизации топливосжигающего оборудования с позиции технологической и экологической эффективности;

-методики проведения технических расчетов по использованию органического топлива, программы компьютерного расчета экологических параметров, методы обеспечения экологической безопасности установки;

-особенности состава композиционного топлива в сравнении с традиционными видами органического топлива с целью выявления эффективных методов сжигания топливных смесей на основе отбросных газов;

-негативные качества топливных смесей с позиции обеспечения полноты горения

итехнические способы устранения проскока пламени при сжигании водородсодержащих топливных смесей;

-способы замещения традиционного органического топлива горючими отходами

промышленного производства. Уметь:

- выявить показатели эффективности процесса горения органического топлива;

-выявить перспективные топливосжигающие устройства с минимальным образованием вредных веществ в процессе горения;

-проводить технические расчеты по проектам реконструкции действующего оборудования, выполнять технико-экономическое обоснование и функционально-стоимостный анализ эффективности предложенных решений;

-выбрать способы стабилизации факела применительно к сжиганию композиционного топлива с большим содержанием балласта;

-выявить особенности эффективного сжигания композиционного топлива в действующих топках котлов и печей;

-выполнить технико-экономическое обоснование эффективности использования горючих отходов производства для получения тепловой энергии.

Владеть:

-методиками расчета теплотехнических и эксплуатационных характеристик процесса горения органического топлива;

4

-способами расчета устойчивости процесса горения композиционных топлив, технологиями стабилизации факела и снижения вредных выбросов;

-методиками расчета основных параметров процесса горения традиционного органического топлива и топливных смесей переменного состава;

-способностью выбора горелочных устройств для сжигания композиционного топлива с большим содержанием балласта;

-методиками теплового расчета топочных камер котлов и печей;

-методиками технико-экономического обоснования эффективности использования композиционных топлив с целью замещения традиционных видов органического топлива

Данная дисциплина позволит студентам систематизировать полученные теоретические знания в области использования композиционных топлив применительно к энергетическим установкам; выявить проблемы использования композиционных топлив в энергетике; укрепить практические навыки расчета и обоснования эффективности использования композиционных топлив (на примере сжигания топливных смесей традиционного органического топлива с горючими отходами технологических процессов).

Таблица 1. Очная форма обучения.

1.2 Содержание дисциплины

Материал дисциплины сгруппирован по следующим разделам:

Раздел 1. Основные виды композиционных топлив. Состав. Характерные особенности.

Композиционные топлива. Виды. Характеристика. Состав. Агрегатное состояние. Принципиальные отличия от традиционных видов топлива.

Раздел 2. Материальный баланс процесса горения. Составляющие материального баланса и их расчет

Процесс сжигания композиционного топлива. Физико-химические основы процесса горения. Особенности горения, обусловленные составом композиционного топлива. Составляющие материального баланса и их расчет.

Раздел 3. Теплотехнические характеристики композиционного топлива Методики определения теплотехнических характеристик композиционного топлива

5

по нормативному методу и с использованием обобщенных характеристик (методика М.Б.Равича). Сопоставление теплотехнических характеристик композиционного и традиционного видов топлива.

Раздел 4. Эксплуатационные характеристики композиционного топлива

Методики определения эксплуатационных характеристик композиционного топлива. Сопоставление эксплуатационных характеристик композиционного и традиционного видов топлива

Раздел 5. Поверочный тепловой расчет котельного агрегата при использовании композиционного топлива

Сравнительная характеристика данных теплового расчета котельного агрегата при использовании композиционного и традиционного видов топлива.

Раздел 6. Теплотехнические испытания котлов при сжигании различных видов топлива

Теплотехнические испытания котельных агрегатов. Задачи и методика проведения теплотехнических испытаний котельных агрегатов при сжигании различных видов топлива. Способы оценки потерь теплоты по различным методикам. Определение эффективности получения тепловой энергии. Рекомендации по повышению технологических показателей котлов.

Раздел 7. Экологическая безопасность использования композиционных видов топлива

Экологическая оценка топливосжигающих установок. Природоохранные мероприятия для повышения экологической безопасности сжигания композиционного топлива

1.3 Порядок освоения материала

Студенты предварительно знакомятся с программой курса; в качестве раздаточного материала выдается «Перечень лекций и практических занятий», озвучивается основной и дополнительный список рекомендуемой литературы, включающий учебники, учебные пособия по дисциплине.

В течение курса со студентами проводятся лекции, практические занятия, семинары - дискуссии, индивидуальные и групповые консультации по вопросам выполнения индивидуальных расчетных заданий и выполнению курсовой работы.

Весь часовой объем курса делится на академический (аудиторный) и самостоятельный. Основными формами реализации дисциплины являются лекции, практические занятия, включающие семинары-дискуссии, а также формы самостоятельной работы: подготовка к лекциям, семинарам - дискуссиям, практическим занятиям, выполнению расчет- но-графической работы, подготовка к промежуточной аттестации (экзамену).

6

2. Методические рекомендации по подготовке к лекционным занятиям

2.1.Общие рекомендации по проведению лекционных занятий

Лекции позволяют в максимально сжатые сроки представить значительный объем структурированной информации. Лекционные материалы по курсу имеют проблемнотематическую структуру и выстраиваются по принципам систематичности, последовательности и научности. Это дает возможность сформировать необходимые экологические знания, соответствующие уровню современной науки, обеспечить создание верных представлений о воздействии теплоэнергетических технологий на окружающую среду и способах его нейтрализации.

Лекция - форма учебного занятия, цель которого состоит в рассмотрении теоретических вопросов излагаемой дисциплины в логически выдержанной форме. Важно понять, что лекция не является копией учебника, а скорее – обобщением многочисленной литературы, авторской разработкой, которая отражает опыт преподавателя его представления о том, что студент должен знать.

Восприятие лекции, и ее запись – это процесс постоянного сосредоточенного внимания, направленного на понимание рассуждений лектора, обдумывание полученных сведений, их оценку и сжатое изложение на бумаге в удобной для восприятия форме. То есть, самостоятельная работа студента на лекции заключается в осмыслении новой информации, и ее краткой рациональной записи. Правильно записанная лекция позволяет глубже усвоить материал, успешно подготовиться к практическим занятиям, зачетам и экзаменам.

2.2. Содержание лекционных занятий

Тема: Процессы сжигания органического топлива. Физико-химические основы горения. Особенности горения, обусловленные составом композиционного топлива

Приводятся основы процесса сжигания органического топлива [4,9,10,14]. Отмечается, что горение – быстрый процесс экзотермического окисления горючего вещества, сопровождающийся выделением тепловой энергии. Чтобы процесс горения произошел, необходимы наличие горючего и окислителя, контакт с ними на молекулярном уровне, тепловые условия, достаточные для протекания химической реакции с высокими скоростями.

По своей природе горение - процесс, протекающий при непрерывном подводе горючего и окислителя и в зону горения и отводе газообразных продуктов сгорания из нее.

Приводятся: комплекс химических реакций, протекающих в процессе окисления горючих компонентов органического топлива; стехиометрические уравнения химических реакций; скорость химических реакций в соответствии с законом действия масс и законом Аррениуса. Особо отмечается, что горение проходит через ряд промежуточных реакций, обладающих малой энергией активации, а активными центрами служат отдельные атомы, радикалы, возбужденные молекулы.

7

Следует отметить существенные трудности обеспечения устойчивости горения и полноты сгорания некоторых видов композиционного топлива.

Композиционным называется топливо, полученное путем смешения нескольких видов топлива или топлива с другими горючими и негорючими компонентами в таких соотношениях, что в результате получается новый вид топлива со свойствами, существенно отличающимися от свойств первоначального топлива [4, cтр. 54].

Ккомпозиционным топливам традиционно относятся:

– топливные эмульсии;

– топливные суспензии;

– топливные гранулы;

– топливные брикеты

Ккомпозиционным топливам можно отнести также смеси отбросных углеводородных газов с традиционными видами газового топлива, в частности с природным газом.

Топливные эмульсии – равномерные смеси двух и более взаимно нерастворимых жидкостей, из которых по меньшей мере одна является жидким топливом [4].

В качестве топлива получают распространение водомазутные эмульсии, содержащие до 10– 20% воды, тщательно диспергированной в объеме мазута в виде капель размером 1-10 мкм. Теплота сгорания водомазутных эмульсий (30– 38) МДж/кг.

Топливные суспензии – равномерная смесь мелких твердых частиц (дисперсная фаза) в жидкой (дисперсионной) среде. Размер твердых частиц в суспензии от 0 до 0,2 мм. В качестве топлива применяют водоугольные суспензии, представляющие собой механические смеси угля с водой; суммарная влажность суспензии Wr– 28 – 50 %, теплота сгорания Q =8 – 16 МДж/кг. Эти суспензии обладают высокой стабильностью при хранении; их транспортируют как жидкое топливо.

Мазутоугольные суспензии – механические смеси мелких угольных частиц (размером до 0,04 мм) с мазутом [4]. Смеси не стабильны, поэтому при их использовании обязательно введение стабилизирующих присадок. В качестве такой присадки может служить вода в количестве до 15% к массе суспензии. В этом случае суспензия называется водо-мaзyто-угольной суспензией. Концентрация твердых частиц в мазутоугольной суспензии составляет 30 – 50 %, теплота сгорания Q – 35 –38 МДж/кг; теплота сгорания водомазутоугольной суспензии ниже и равна 25 – 30 МДж/кг. Мазутоугольные суспензии применяют в качестве топлива с целью частичной замены жидкого топлива твердым и с целью снижения образования вредных веществ, выбрасываемых с продуктами сгорания.

Твердыми композиционными топливами являются брикеты и гранулы [4]. Топливные брикеты – это механическая смесь угольной или торфяной мелочи (размером до 3–6 мм) со связующими веществами (как правило, нефтяного происхождения, например, с нефтебитумом), спрессованная под давлением до 100 МПа в штемпельном прессе. Возможно получение брикетов из бурых углей определенных угольных месторождений без связующих веществ. Топливные брикеты являются относительно малозольными (Ad–10 – 25 %) сортированным топливом с теплотой сгорания Q от 17–18 МДж/кг (буроугольные брикеты) до 20–30 МДж/кг (каменноугольные брикеты).

Топливные гранулы получают на вращающихся тарельчатых грануляторах диаметром 3–8 мм из смеси угольной мелочи (размером до 0,25 мм) и водного раствора органи-

8

ческих жидких отходов целлюлозного производства. Доля водного раствора связующего вещества составляет 16—18 % к массе смеси. Топливные гранулы могут быть приготовлены как из бурых, так и каменных углей. Диаметр гранул определяется требованиями,

сгорания показывает, что эти виды композиционного топлива достаточно хорошо сжига-

ются, даже лучше, чем основные виды топлива, к которым присоединяются добавки.

Например, при использовании водо-мазутных эмульсий, особенно при применении обводненных мазутов существенно улучшается процесс горения мазута, снижается сажеобразование и сокращается образование вредных выбросов с продуктами сгорания.

Водомазутоугольные суспензии имеют теплоту сгорания больше, чем каменный уголь, сжигаются лучше, чем каменный уголь и с образованием меньшего количества вредных веществ.

Добавка связующих веществ, в частности нефтебитума, к топливным брикетам повышает теплоту сгорания и эффективность горения твердого топлива.

Введение в угольную мелочь раствора органических жидких отходов целлюлозного производства также улучшает процесс горения топливных гранул.

Таким образом, использование приведенных выше композиционных топлив, позволяет повысить полноту сгорания исходного традиционного вида топлива и снизить загрязнение воздушного бассейна вредными веществами.

Наиболее проблемными с позиции сжигания являются топливные смеси традиционных видов газового топлива с газообразными горючими отходами технологических процессов. Это обусловлено свойствами отходов, которые, как правило, отличаются нестабильностью горения вследствие непостоянства состава и наличия балласта [5,6].

Сжигание смесей переменного состава представляет большие сложности, как с позиции устойчивого горения, так и проведения пуско-наладочных работ и режимно - наладочных испытаний энергетического оборудования.

В рамках данной дисциплины будут рассмотрены проблемы использования топливных смесей традиционного вида топлива (напр., природного или топливного газов) с горючими газообразными отходами (на примере отходов нефтехимических комплексов).

Особое внимание уделяется расчетам теплотехническим и эксплуатационным характеристики топливных смесей, исследованию возможности использования существующих топок котлов и печей для эффективного сжигания перечисленных топлив, способам реконструкции топливосжигающих установок с целью совершенствования топочного процесса и дополнению методики проф. М.Б.Равича [11,12] в части корректировки таблиц для обработки результатов режимно-наладочных испытаний топливосжигающих установок.

Тема: Методики определения теплотехнических характеристик композиционного топлива по нормативному методу и с использованием обобщенных характеристик М.Б.Равича

9