Lektsia_1

Лекция № 1

ТОПЛИВО

Современное человечество в своей повседневной деятельности использует большое количество тепловой энергии. Выражается это в производстве электрической энергии, горячей воды и пара, в металлургических процессах.

Основным источником получения тепловой энергии является углеродосодержащие топлива, а потребителями ее являются тепловые электростанции, отопительные котельные, различного рода печи, металлургические и теплотехнические установки.

Топливо является основой жизни и деятельности человека в современном обществе.

Запасы энергетического топлив по данным МИРЭК:

Энергетические топлива: ≈13 трил. тонн условного топлива (т.у.т.):

Затраты за 1980 г. — 10 млрд. т.у.т. Прогноз на 2020г. — 22 ÷23 млрд. т.у.т.

Вес ядерного топлива из общего количества выработанной энергии: 1978 г. — 2 %; 2000 г. — 8 %; 2020 г. — 13 %.

Запасы энергии, млрд. т.у.т.:

—ядерное топливо (уран, торий) — 231 103;

—термоядерная (дейтерий) — 56,1 109 ;

—геотермальная — 500;

—энергия Солнца (в год) — 247 103.

По Украине:

1.Донецкий бассейн: в Луганской области уголь всех марок.

2.Львовско-Волынский угольный бассейн: Волынское и Межреченское месторождения (уголь марки Г).

3.Природный газ: Дашавское, Щебелинское (газопровод ЩебелинкаДнепропетровск) месторождения, месторождение в Гоголево (газопровод Гоголево-Полтава).

4.Используются газы доменных и коксовых печей.

Общая потребность Украины в топливно-энергетических ресурсах составит в 2010 г. 326,1 млн. т.у.т., в то время как в 1994 г. выработка составила 244,5 млн. т.у.т. Необходимо увеличить выработку на 33,4 %.

В 2010 г. будет выработано 415 Гкал тепловой энергии, в то время как в 1994 г. было выработано 380,8 Гкал.

По углю: планировалось реконструировать 46 шахт и заложить 20 новых и один угольный разрез. Прогноз добычи угля: в 2010 г. — 170 млн. т.у.т.

По нефти и газу: за счет шлейфа Черного и Азовского морей планируется увеличить добычу нефти и газа в их акваториях.

По потреблению: уменьшить потребление котельно-печного топлива

за счет увеличения потребления угля, в связи с чем намечается снизить потребление газа на 32,4 % .

Импорт первичных топливных ресурсов для собственного потребле-

ния снизится на 38 % по сравнению с 1990 г. Импорт угля в 1990 г. составил 21,2 млн. т.у.т., после 2005 г. — не предусматривается. Потребление нефти уменьшится с 42 млн. тонн (1990 г.) до 39 млн. тонн (2010), а природного га-за с 88 млрд. м3 (1990 г.) до 45 млрд. м3 (2010 г.). Данные взяты из Национальной энергетической программы до 2010 г.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО И ОСОБЕННОСТИ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ Топливом называются вещества, которые в процессах химических или

ядерных превращений способны выделять значительное количество теплоты, добыча и широкое использование которых экономически целесообразно.

Различают топливо:

—органическое;

—ядерное;

—искусственное.

Органическое топливо — это углеродистые или углеводородные соединения, способные вступать в реакцию окисления с кислородом воздуха с выделением большого количества теплоты.

К органическому топливу относятся:

—ископаемые угли;

—торф;

—горючие сланцы;

—мазут;

—природный газ.

В последние годы находит промышленное применение использование теплоты, выделившейся в результате распада ядер некоторых тяжелых элементов, которые условно называются ядерным топливом. Выделяемая тепловая энергия при ядерном распаде значительно больше, чем при окислении органических топлив. Если теплота сгорания органических топлив колеблется

от 4000 до 40000 кДжкг, то у ядерного топлива ≈8 1010 кДжкг.

В промышленной теплоэнергетике наряду с естественным топливом, получаемым из недр земли, широко используются искусственные топлива:

—доменные газы;

—генераторные газы;

—отходы деревообрабатывающей промышленности и другие виды

сырья.

КЛАССИФИКАЦИЯ ТОПЛИВ

В зависимости от агрегатного состояния различают:

—твердое;

—жидкое;

—газообразное,

апо способу получения:

—природное;

—искусственное.

Общую классификацию энергетического топлива представляют следующей таблицей.

Примечание: топливо, взятое в скобки, не является энергетическим.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ТОПЛИВ

Химическая энергия топлива является результатом воздействия энергии Солнца на растительный мир Земли. Природное топливо образовалось из материнской массы, представляющей собой остатки отмерших организмов животного и растительного мира.

Различают 3 стадии в образовании топлива:

1.Биохимическая — включает отмирание растительного мира и животных организмов и образование осадка с последующим его захоронением в застойных водяных бассейнах. При образовании из осадка жидкого или газообразного топлива процесс носил анаэробный (безкислородный) характер. Окислительные процессы протекали лишь за счет кислорода, находившегося в самих органических веществах. Среда была восстановительной. Под действием анаэробных бактерий происходило интенсивное брожение осадка и его разложение.

2.Диагенетическая — характеризуется опусканием осадка вместе с земной корой и захоронением его под плохо проницаемыми отложениями. В результате этого образовавшийся газ не мог покидать осадок. На процесс разложения начинают влиять повышенное давление и температура.

3.Метаморфическая — соответствует периоду, когда осадок попадал в условия еще более высоких температур и давлений в результате опускания его на еще большую глубину. В третьей стадии происходит термическое разложение жидких углеводородов с образованием газа и углестого остатка.

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ОТДЕЛЬНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ТОПЛИВА

Органическое топливо состоит из горючих веществ, негорючих примесей и влаги. Горючими элементами топлива являются углерод, водород и се-ра летучая. К негорючим минеральным примесям относятся кислород, азот, сера сульфатная, которая входит в состав окислов, например FeSO4 и зола.

Газообразное топливо является смесью горючих и негорючих газов и небольшого количества водяных паров. К горючим газам относятся окись углерода CO, водород Н2, углеводородные газы метанового ряда СН4…CnHm и ацетиленового ряда. К негорючим относятся кислород О2, азот N2, углекислый газ СО2 и водяной пар Н2О.

Основным элементом горючей части всех топлив является углерод, который обуславливает величину выделения теплоты из топлива. Однако, чем больше углерода в твердом топливе, тем труднее оно воспламеняется.

Топливо в том виде, в котором оно поступает к потребителю, называется рабочим, а элементарный состав рабочей массы топлива записывается следующими символами:

Ср + Н р + Sлр +Ор + N p + Ap +W p =100%.

горючие элементы

где индекс p означает рабочую массу топлива, а символы C, H, O, N… оз-

начают по порядку процентное содержание углерода, водорода, серы летучей, кислорода, азота, золы и влаги, содержащейся в топливе.

Если топливо высушить, то есть удалить из него влагу, то получим сухую массу топлива, а элементарный состав сухой массы топлива:

Сс + Нс + Sлс +Ос + N c + Ac =100%.

Если из сухой массы топлива удалить зольность, получим горючую мас-су топлива. Ее элементарный состав:

Сг + Нг + Sлг +Ог + N г =100%.

По горючей массе топлива сравнивают свойства топлива, в частности выделение теплоты из топлива.

Органическая масса топлива: Sл = So + Sколч, тогда

=0

Со + Но + Sо +Оо + N о =100%.

Все теплотехнические расчеты выполняются на рабочую массу топлива, а справочная литература дает сведения элементарного состава на горючую массу топлива. Поэтому необходимо уметь пересчитывать с одной массы топлива на другую. Пересчет производится при помощи переводных коэффициентов, которые имеются в литературе, но которые можно просто определить, применив следующий прием.

Если надо пересчитать элементарный состав с горючей массы топлива на рабочую, то записываем следующие уравнения:

C p + H p + Sлр +Ор + N p + Ap +W p =100%,

C p + H p + Sлр +Ор + N p =100% −(Ap +W p ),

Сг + Нг + Sлг +Ог + N г =100%.

Уравниваем левые части последних двух уравнений:

Теплотехническая оценка составляющих топлива

1. Углерод является основным элементом горючей части топлива. При полном сгорании 1 кг углерода выделяется 33,7 МДжкг теплоты. Его содержа-

ние в топливах составляет: торф, древесина — 50 ÷58%;

бурый и каменный уголь, мазут, антрацит — 80 ÷90%.

Углерод в топливе имеет большое технологическое значение. Из него получают металлургический кокс.

Содержание углерода в топливе растет с химическим возрастом топлива. Поэтому торф, бурые угли, каменные угли и антрацит можно рассматривать как последовательные стадии углефикации исходной органической массы, существовавшей на Земле в далекие геологические эпохи.

2. Водород является второй по значению горючей частью топлива. При полном сгорании 1 кг водорода выделяется ≈70 ÷80 МДжкг теплоты. В ре-

альном топливе водород входит в различных химических соединениях, что несколько снижает его энергетическую ценность. С увеличением химического возраста топлива содержание водорода в топливе снижается. При термохимической переработке топлива водород входит в состав образующихся летучих газов.

При сжигании 1 кг серы выделяется 9,05 кДжкг . Содержание серы в топ-

ливе вызывает сернокислотную коррозию низкотемпературных поверхностей нагрева котла (нижний воздухоподогреватель). Это связано с тем, что при горении серы наряду с образованием сернистого газа SO2 образуется газ SO3. Так как дымовые газы имеют в своем составе водяные пары, то в случае их конденсации образуется влага H2O, которая, соединяясь с SO3, образует серную кислоту H2SO4:

SO3 + H2O = H2SO4.

4. Кислород и азот являются органическим балластом. Наличие их в топливе уменьшает процентное содержание в нем горючих элементов топлива, что ухудшает энергетические свойства (теплотворную способность) топлива. Особенно много кислорода в древесине. По мере увеличения степени углефикации топлива количество кислорода в нем уменьшается.

Азот при горении топлива в реакции окисления не участвует (не горит), а переходит в продукты сгорания в свободном виде. В различных видах твердого и жидкого топлива его содержание составляет 0,5 ÷2,5%.

5. Зола. При полном сгорании топлива образуется твердый негорючий остаток, который называется золой. Зола, прошедшая стадию плавления и превратившаяся в спекшуюся или в сплавленную массу, называется шлаком.

Зольность топлива относят к его сухой массе и обозначают Ас . Зольность сухой массы топлива изменяется в больших пределах и зависит от вида топлива. Для мазута она составляет доли процента (беззольное топливо), а для горючих сланцев 40 ÷70%.

В состав золы входят следующие соединения:

1.Глина Al2O3·2SiO2·2H2O;

2.Свободный кремнезем SiO2; железный колчедан FeS2;

3.Окислы железа: FeO, Fe2O3;

4.Известь CaO, CaCO3;

5.Магнезий MgO, MgCO3;

6.Щелочь и хлориды.

Составляющие золы являются результатом примесей, которые попадают в топливо тремя путями:

1)первичные примеси — это переход примесей в топливо из веществуглеобразователей;

2)вторичные примеси — это попадание примесей извне в процессе преобразования исходной (материнской) массы топлива.

Первичные и вторичные примеси составляют внутренние примеси топлива.

3)внешние примеси — это попадание примесей в топливо при его добыче и транспортировке.

Поэтому наличие примесей в одном и том же топливе может существенно колебаться, от чего будет зависеть и зольность топлива. Поэтому осуществляется контроль топлива в лабораторных условиях. Для этого предваритель-но высушенная проба топлива сжигается в тигле, а затем прокаливается до постоянного веса при температуре 800ºС для твердого топлива и 500ºС для жидкого топлива. Вес получающегося остатка принимается за содержание золы в топливе.

Важными свойствами золы являются абразивность и плавкость. Абразивность — способность золы истерать поверхности нагрева. Зола, которая летит по газоходам вместе с дымовыми газами, называется

летучей.

Плавкость — способность летучей золы налипать на поверхности нагрева котла.

Зола характеризуется тремя температурами (для большинства топлив): t1 =900 ÷1500°C — начало деформации золы;

t2 =1100 ÷1500°C — температура размягчения;

t3 =1150 ÷1600°C и более — температура жидкоплавкого состояния.

По температуре плавления золы происходит классификация топлив на топлива

—с легкоплавкой золой (t3 <1350°C ),

—со среднеплавкой золой (t3 =1350 ÷1450°C ),

—с тугоплавкой золой (t3 >1450°C ).

Большинство энергетических углей имеет легкоплавкую золу.

6. Влага является второй составляющей балласта топлива. Общая влажность топлива складывается из поверхностной влаги, удерживаемой наружной поверхностью топлива, капиллярной влаги, заполняющей капилляры топлива, коллоидной и кристаллизационной.

Наличие коллоидной (или гигроскопической) влаги зависит от коллоидной природы топлива. Кристаллизационная влага химически связана с минеральными примесями топлива.

Влага топлива снижает в топочной камере температуру горения, увеливает потерю тепла с уходящими газами и снижает КПД котла.

Самой большой влажностью обладает торф (W p = 40 ÷60% ), самой малой — мазут (1 ÷4% ).

Внешняя влага может быть удалена из топлива при его длительной сушке в естественных условиях при температуре 20 ±1°С и относительной влажности 65 ±5%. В лабораторных условиях топлива сушатся в сушильном шкафу.

ВЫХОД ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ И СВОЙСТВА ТВЕРДОГО ГОРЮЧЕГО ОСТАТКА

При нагревании твердого топлива происходит распад термически неустойчивых молекул горючей массы с выделением газообразных продуктов разложения, которые называются летучими веществами горючей массы и

обозначаются V г.

Летучие вещества состоят из горючих и негорючих газов. К горючим относятся углеводороды, окись углерода CO, водород H2, к негорючим — углекислый газ CO2 и водяные пары Н2О.

Выход летучих веществ имеет важное значение для организации процессов горения. Чем больше выход летучих, тем больше требуется объем топочного пространства и увеличивается подача воздуха в зону горения.

Оставшееся вещество после выхода летучих называется коксом. Свойства кокса: спекающийся, порошкообразный.

Согласно стандартам выход летучих веществ в лабораторных условиях определяется путем прогрева без доступа воздуха навески аналитической пробы топлива при температуре 850 ± 25°С в течение 7 минут. При этом полное выделение летучих не достигается, а потерю веса навески считают как выход летучих вществ.

Топлива, имеющие малый выход летучих, называются малореакционными, для воспламенения которых требуется создание высокой температуры.

ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА (ТЕПЛОТВОРНАЯ СПОСОБНОСТЬ ТОПЛИВА)

При сжигании топлива выделяется теплота Q, кДж, зависящая от вида

сжигаемого топлива и его количества. Поэтому выделившуюся теплоту относят к 1 кг твердого или жидкого топлива и 1 м3 газообразного топлива, полу-

кДж

чая тем самым удельную теплоту сгорания кг(м3 ).

Удельную теплоту сгорания принято называть просто теплотой сгора-

ния или теплотворной способностью топлива.

Выделившаяся теплота представляет собой химическую энергию, заключенную в единице топлива.

При горении топлива образуются водяные пары, на образование которых расходуется часть теплоты топлива, поэтому различают высшую и низшую

1 ккал = 4,19 кДж.

Таким образом, высшей теплотворной способностью топлива называ-

ется количество теплоты, выделившееся при полном сгорании единицы топлива при условии, что водяные пары сконденсированы. Это значит, что теплота парообразования учтена.

Низшей теплотворной способностью топлива называется количество теплоты, выделившееся при полном сгорании единицы топлива при условии, что водяные пары не сконденсированы. Это значит, что теплота парообразования не учтена.

Связь между Qн и Qв записывается:

Qн =Qв −QH2O ,

где QH2O — теплота, затраченная на парообразование.