9.2 Сжигание угля и газа

Вырабатывающие электроэнергию установки, такие как паросиловая, газотурбинная и комбинированная, требуют организации процесса горения – проведения химической реакции взаимодействия топлива и окислителя (обычно кислорода) путем сжигания органического сырья, чаще всего угля или газа.

Процессы сжигания угля можно классифицировать по типу процесса: в фиксированном или подвижном слое, псевдоожиженном (кипящем) или суспензионном слое (таблица 8), хотя возможна классификация по размеру частиц, типу пламени, типу потока в реакторе или сложности математической модели, описывающей процесс.

Таблица 8 - Классификация процессов сжигания угля

Тип процесса	Фиксированный или подвижный слой	Псевдоожиженный слой	Суспензионный слой
Размер частиц, мк	10000–50000	1500–6000	1–100
Рабочая температура, К	< 2000	1000–1400	1900–2000
Преимущества	Установившаяся технология, низкое дробление, простота	Низкие выбросы оксидов серы и азота, небольшое количество шлака	Высокая эффективность, широкие возможности, высокая производительность
Недостатки	Выбросы, особенно микрочастиц, меньшая эффективность по сравнению с остальными методами	Новая технология	Высокое содержание оксидов азота, летучая зола, дорогостоящее распыление
Коммерческое использование	Механические топки	Промышленные бойлеры	Угольные печи и бойлеры

Сжигание угля в фиксированном слое (например, в механических топках) – старейший и наиболее привычный метод сжигания угля. В последние десятилетия, однако, сжигание в фиксированном слое утратило свою популярность в связи с возрастающим использованием камер сгорания с псевдоожиженным или суспензионным слоем.

В технологии суспензионного слоя, или поточного реактора, уголь размалывается, сушится и затем распыляется в мелкий порошок в дробилке или мельнице. Как показано в таблице 8, частицы угля, используемые в поточных реакторах, очень малы. Распыленный уголь перемещается в воздушном потоке в печь, образуя так называемый первичный воздух, который затем нагревается (становится вторичным воздухом) и питает камеру сгорания. Время пребывания угля в печи обычно составляет около 1-2 секунд.

Все более привлекательным с точки зрения практики становится сжигание угля в псевдоожиженном слое. Здесь различают технологии атмосферного сжигания угля в псевдоожиженном слое и сжигания в псевдоожиженном слое под давлением.

Первый метод более двадцати лет используется в коммерческих целях, в то время как второй в силу его сравнительной сложности широкого распространения пока не получил.

Схема процесса сжигания угля в псевдоожиженном слое приведена на рис. 35.

Рисунок 35 - Схема сжигания угля в псевдоожиженном слое

Термодинамический анализ горения угля

Для анализа процесса горения будем считать, что сгорает сырой уголь (его максимальная теплота сгорания составляет 21860 кДж/кг), состоящий из 57,7% углерода, 4,1% водорода, 11,2% кислорода, 0,7% азота, 1,3% серы, 10% воды и 15% золы по массе. Используя данные приведенных ранее таблиц, находим, что стандартная химическая эксергия угля будет равна 23583 кДж/кг. Процесс происходит в псевдоожиженном слое в камере сгорания в присутствии воздуха. Одновременно осуществляется теплоперенос. В результате сгорания угля образуются ,, оксиды азота и серы, а также теплота, которая генерируется в ходе экзотермической реакции горения. Для простоты будем считать, что процесс адиабатический.

Предположим, что уголь подается в камеру сгорания со скоростью 1 кг/с, что будет соответствовать поступлению в систему эксергии в количестве 23583 кВт.

Соответственно сжигание приводит к излучению тепла, равного 21860 кВт при температуре процесса Т и тем самым создается источник теплоты, эксергию которого нужно рассчитать. Для этого используем фактор Карно: . Тогда, эффективность собственно горения будет равна:

= (21860/23583)[] = 0.93[]. При температур 1200 К (см. табл.8), получим= 0.93[1 – (298,15/1200)] = 0,71. Это говорит о том, что 30% полезной работы будет потеряно (рис.36).

Рисунок 36 - Потоки эксергии при сжигании угля в псевдоожиженном слое

При повышении температуры процесса эффективность увеличивается, а потери уменьшаются, поэтому более высокая температура с этой точки зрения предпочтительна. Например, в случае суспензионного слоя температура камеры сгорания будет равна 2000 К, а эффективность 0,79. Однако, любая выгода, полученная таким путем будет сведена на нет из-за увеличения общего потребления энергии, необходимой для распыления угля!

Обращаем внимание по поводу использования в расчетах методики анализа Карно: она основано на допущениях о том, что теплота производится при температуре Т и что ее запас неограничен.

Анализ горения природного газа

Если топливо сжигается в паросиловой установке, горение приводит к высвобождению термальной энергии, которая используется для выработки теплоты, идущей в свою очередь на производство пара.

В отличие от этого в газовых турбинах горение осуществляется с целью получения высокоскоростных газов. Турбины применяются чаще, так как входные температуры для них могут быть намного выше, чем для производства пара. Работают они в соответствие со схемой, представленной на рис. 31.

Воздух поступает в компрессор при атмосферных условиях и сжимается. Никакой теплоты не подводится, но температура воздуха растет благодаря сжатию, поэтому температура, также как и давление, на выходе компрессора больше, чем на входе. Покинув компрессор, сжатый воздух поступает в камеру сгорания, куда подается топливо, и происходит процесс горения при постоянном давлении, примерно равном 2,1 МПа. После сгорания оно падает до 2,0 МПа. Последующее расширение газа до атмосферного давления происходит при повышенных температурах. Объем газа увеличивается, что служит источником получения механической работы. Это происходит в турбине, где часть энергии горячих газов и превращается в работу. Процесс происходит в две стадии. Горячие газы расширяются, доля термальной энергии переходит в кинетическую, которая, в свою очередь, может совершать работу. Часть энергии (около 50%), полученной в турбине, используется для работы компрессора.

Рассмотрим горение одного моля природного газа (будем считать, что он состоит из 100% метана), совершаемого в единицу времени (за одну секунду). Теплота сгорания метана почти равна потенциальной работе, которую он может совершить, или эксергии. Для простоты анализа будем также считать, что величина этой потенциальной работы газа равна величине энергии, или, величине теплового эффекта реакции.

Как было отмечено ранее (таблица 2), эксергия метана мало зависит от температуры или давления, поэтому в расчетах будем использовать ее величину, соответствующую стандартным условиям: 831,6 кДж/моль. Будем считать, что кислород воздуха и метан реагируют друг с другом согласно уравнению:

(1)

которое соответствует полному окислению. Воздух принимаем состоящим из 20% кислорода и 80% азота. Будем также считать, что коэффициент λ > 2, т.е. имеет место полное сгорание.

Ниже, в таблице 9, представлены значения мольных долей продуктов сгорания.

По сравнению с работой, которую может совершить топливо, потенциальная работа атмосферного воздуха, практически равна нулю и мала для воздуха, поступающего в камеру сгорания, поэтому величиной эксергии для воздуха можно пренебречь (если имеют место химические преобразования, основная часть эксергии обычно соответствует ее химической составляющей).

Таблица 9 - Количества мольных долей газообразных продуктов сгорания метана в воздушной смеси, состоящей из 20% кислорода и 80% азота

Вещество	Количество моль в секунду	Мольная доля газа, уi
H2O	2
CO2	1
N2	4λ
O2	(λ–2)

При адиабатическом сгорании химическая энергия природного газа превращается примерно в то же количество тепловой энергии, которое становится доступным на выходе системы. Однако, содержание эксергии или полезной работы на выходе уже не будет равно содержанию энергии, так как существуют потери (рис.37).

Рисунок 37 - Потоки эксергии при адиабатическом сжигании газа

Величину λ рассчитаем при допущении, что процесса горения протекает адиабатически.

Используем первый закон термодинамики, который для рассматриваемых потоков будет иметь вид:

(2)

так как в камере сгорания не совершается работа и не происходит теплообмена. Это означает, что сумма скоростей изменения энтальпии реакции и энтальпии газообразных продуктов сгорания равна нулю. Уравнение (2) может быть переписано так:

(3)

где n – количество моль в потоке газообразных продуктов сгорания; приближенная оценка молярной теплоемкости смеси производится с помощью расчета теплоемкости, вычисляемой для средней температуры процесса. Для удобства и простоты используем арифметическое среднее, хотя формально это некорректно. Температурыисоответствуют температурам на выходе и входе камеры сгорания, соответственно. Мы считаем, что температура на входе равна температуре окружающей среды:= 298,15 К, а температура на выходе составляет 1423,15 К – величина, обычная для температуры на выходе камеры сгорания газовой турбины. Следовательно, теплоемкость вычисляется при температуреT_m=(1/2)(298,15+1423,15)=860,65 К.

В таблице 10 приведены значения теплоемкости газообразных продуктов сгорания для средней температуры 860,65 К.

Таблица 10 - Теплоемкости газообразных продуктов сгорания при 860,65 К.

Вещество	Теплоемкость , Дж/моль К
Н2О	39,4
СО2	51,5
О2	33,6
N2	31,55

Тогда:

Если подставить это выражение в уравнение (3), получим зависимость:

(4)

из которой находим значение λ = 4,23.

Теперь можно рассчитать потенциальную работу, которую способен совершить выходной поток. Для этого воспользуемся известным выражением:

(5)

Химическая эксергия потока с учетом значения λ будет равна (табл. 9, 11):

(6)

Вклад смешения в общее значение эксергии составит:

(7)

Таблица 11 - Стандартная химическая эксергия некоторых веществ

Вещество	, кДж/моль
H2O (жид.)	0,9
СО2	19,9
О2	3,97
N2	0,72

Расчет химической эксергии воды требует некоторых объяснений. Вода в потоке существует не в виде жидкости, а в виде пара. Поскольку разность эксергий (потенциалов) газообразной и жидкой воды может быть рассчитана через давление насыщенных паров, будем иметь:

и кДж/моль, то это приводит к величинекДж/моль.

Скорость поступления физической эксергии равна:

(8)

где ΔН и ΔS представляют собой приращения энтальпии и энтропии при изменении условий сгорания одного моля газообразных продуктов от , доТ, Р. Обычно параметры входящего потока газа в турбинах составляют Р = 14 бар и Т = 1150 ºС = 1423,15 К. Количества ΔН и ΔS могут быть вычислены путем интегрирования стандартных термодинамических соотношений при условии, что газ ведет себя как идеальный при постоянном значении теплоемкости :

(9)

(10)

где величина теплоемкости с учетом коэффициента λ равна = 33,4 кДж/мольК. Значениетеперь может быть вычислено следующим образом:

(11)

(12)

что приводит к величине скорости изменения физической эксергии:

(13)

Тогда, согласно зависимостям (5), (6), (7) и (13), находим, что общая работа, которую потенциально может совершить исходящий поток, равна 630,5+59,9–20,4=670 кВт.

Величина работы, которую потенциально может совершить входной поток, равна 831,6 кВт, следовательно, эффективность горения составляет величину 0,81. Для сравнения термодинамическая эффективность, рассчитанная по Карно, равна:

(14)

которая очень близка величине 0,81. Здесь нет простого совпадения, поскольку термодинамическая эффективность вычислена двумя различными способами.

Анализ, как и ранее, показывает, что если использовать более высокую температуру, процесс сгорания будет более эффективным. Этого, например, можно достигнуть, не только повышая температуру, но и уменьшая расход воздуха. Тогда горячий газопродуктовый поток будем менее разбавлен.

Анализ Карно дает корректный результат только для неограниченных источников теплоты, но, если тепло (которое может рассматриваться как полезный продукт) передается от источника тепла к потребителю, то температура такого «резервуара теплоты» (в данном случае - смеси продуктов) при этом также изменяется! Следовательно, верный способ вычисления эффективности на основании теплоты заключается в принятии во внимание того факта, что температура Т не постоянная величина, а переменная и будет уменьшаться до значения :

(15)

где (чтобы гарантировать уменьшение температуры при передаче тепла от «резервуара»).

Уравнения (15) можно упростить:

(16)

Последнее выражение позволяет вычислить физическую эксергию выходного потока (см. выражение (8)), к которой нужно прибавить химическую составляющую и составляющую смешения.

Возникает вопрос: почему расчет эффективности на основании фактора Карно дает корректный результат? Ответ заключается в том, что, поскольку температура исходящего газового потока фиксирована (тем самым имитируется неограниченный источник теплоты) и система по определению находится в состоянии равновесия: ΔG=ΔH–TΔS=0, то упрощается до.