Джерела енергії і генератори енергії

Дуже важливе значення для енергетики України має донецький антрацит. Склад його горючої маси: Сг =94%, Нг =2%, Ог =2%, Sг =1%. На великих електростанціях застосовують антрацитовий штиб АШ із зольністю А до 20% і вологістю W=5-10%.

Горючі сланці. Горючі сланці є сумішшю сапропелітових (нафтоподібних) продуктів, які утворилися внаслідок розкладання багатих на жири водних мікроорганізмів, що припинили свою життєдіяльність, з мінеральними речовинами, що потрапили в сапропелітові скупчення внаслідок обвалів, замулювань тощо. Сланці відзначаються великим виходом летких речовин (Vг до 85%), високим вмістом водню (Нг до 10%) і високою зольністю (Аг до 70%), помітну частину якої становлять карбонати (СаСО3).

Дуже ефективний метод використання сланців - суха перегонка. Їх застосовують також для енергетичних потреб і на великих теплових електростанціях.

Нафта. Нафта-складна суміш вуглеводнів різного складу. Розрізняють шість її типів. Основні з них - метанова і нафтенова. До останнього часу була загальноприйнятою органічна теорія походження нафти. Нині знову висувають варіанти теорії її мінерального походження. Нафту класифікують також за вмістом сірки (малосірчаста S<0,5%, сірчаста S< 1% і високосірчаста S<3,5%), смолистих речовин і за температурою застигання масляної фракції (малопарафіниста t заст. <-16 °С, парафіниста t заст. = -15 + 20° С і високопарафіниста t заст.>20°С).

Нафта - дуже цінна сировина для хімічної промисловості, виробництва легких палив, мастил та ін. Тому для енергетичних потреб використовують тільки відходи нафтопереробної промисловості - мазути. Склад мазуту мало відрізняється від складу нафти: C =86-88%, H =10 - 11%. Із сірчастих нафт виробляють високосірчасті мазути, в яких вміст сірки S досягає 4%.

Вологість мазуту W =2-3% (якщо під час зливання застосовують паровий розігрів, то W до 5%), а теплота згоряння Q = 39 770 кДж/кг. Мазут - перспективне паливо.

1.4 Газоподібне паливо

У котельних установках широко застосовується газоподібне паливо: природний і доменний гази. Інші штучні гази або зовсім не застосовують для енергетичних потреб, або застосовують дуже рідко (газ підземної газифікації).

На відміну від інших видів палива, склад газоподібного палива задається звичайно в об'ємних процентах. При цьому в розрахунках вводиться нормальний кубічний метр сухого газу. Крім сухої частини, гази містять також домішки: водяну пару, пил, смоли, кількість яких задається в грамах на 1 м3 сухого газу. Теплота згоряння газоподібного палива - це теплота реакції горіння 1 м3 газу. Її можна визначити спалюванням у спеціальній калориметричній установці (типа юнкерса), або калориметричною бомбою; підрахунком за складом газу і відомою теплотою згоряння окремих компонентів

Q = 128СО + 107Н2+ 355СН4 + 628СmН n кДж/м3.                   (13)

Природні горючі гази поділяють на сухі гази суто газових родовищ і попутні «жирні» гази, що супроводжують нафтовидобуток.

Сухий природний газ є сумішшю вуглеводнів, невеликої кількості інертних газів і сірководню. Основною складовою такого газу є метан, вміст якого досягає 80-98%, решта складових - вуглеводні метанового ряду СnН2n+2, N2, СО3 і Н2S. Природний газ - висококалорійне паливо, теплота згоряння його Q =(33,5-35,5) 103 кДж/м3.

Доменний (колошниковий) газ містить окис вуглецю (20-30%), водень (5-10%), азот (50-55%) і двоокис вуглецю (6-12%). Теплота згоряння його мала: Q= 4,18 103 кДж/м3. Доменний газ використовують на металургійних заводах як паливо котельних установок і технологічних печей.

2. Горіння палива і газові розрахунки

2.1 Стехіометричні співвідношення

Горінням називають процес інтенсивного з'єднання горючої речовини з окислювачем (киснем), що відбувається при високих (1000-2000°С) температурах і характеризується інтенсивним тепловиділенням.

Процес горіння навіть найпростіших за своїм хімічним складом горючих речовин досить складний і для багатьох речовин ще мало вивчений. Ще складніший він для таких комплексних сполук, як органічне тверде паливо. Проте для першого етапу звичайних теплових розрахунків котельних агрегатів і промислових печей - газових розрахунків - досить знати початковий і кінцевий стани системи пальне - окислювач, не розглядаючи процес горіння, проміжних стадій і його кінетики.

Формули, що застосовуються в газових розрахунках, виводять із стехіометричних рівностей, які дають співвідношення реагуючих речовин у молях, вагових і об'ємних одиницях. Нижче наводяться стехіометричні співвідношення для основих горючих елементів твердого, рідкого і газового палива:

С + О2 = СO

1μ 1μ 1 μ

12 кг 32 кг 44 кг

1 м3 ~ 1 м3

2С + О= 2СО

2μ 1μ 2μ

24 кг 32 кг 56 кг

1 м3 2м3

2СО + O = 2СO

2μ 1μ 2μ

2м3 1 м3 ~ 2 м3

СН + 2О == СО +2НО

1μ 2μ 1μ 2μ

1 м3 2 м3~ 1 м3 2м3

Взагалі для вуглеводнів:

CH(m+) О=mCO+HO

{m+} μ mμ μ

{m+} м~mм м

2.2 Витрата повітря

Мінімальна кількість повітря, потрібна для повного згоряння палива, називається теоретичною кількістю повітря. Вона може бути виражена в м3 на 1 кг палива (V0) або в кг/кг (L0).

Користуючись стехіометричними співвідйошеннями, легко визначити вагову теоретичну кількість кисню в кілограмах на 1 кг палива:

L=++7,94-

Потім, беручи до уваги вагову частку кисню в повітрі, що дорівнює 0,231, з рівності L=знаходимо L0:

L=0,115 (C+0,37S)+0,342H -0,043O(1-14)

Поділивши L0 на густину сухого повітря 1,293 кг/м3, дістанемо:

V0 = 0,089 (С + 0,37 S) + 0,265 Нр - 0,033 O                   (15)

Щоб забезпечити в реальних топках максимальне згоряння палива, до них треба підвести більшу кількість повітря, ніж V0. Відношення дійсної кількості повітря V до V0 називається

коефіцієнтом зайвини повітря в топці α:

α=

Значення α залежать від виду палива і конструкції топки і коливаються від 1,03 для газового палива, до 1,5 для твердого палива, що спалюється на колосниковій решітці

2.3 Об'єм продуктів згоряння

У топкових обладнаннях сучасних котлоагрегатів середньої і великої потужності досягається практично повне згоряння палива. Тому при розрахунках вважають, що воно згоряє повністю. У цьому випадку продукти згоряння складаються з вуглекислого газу СО2, сірчастого ангідриду SO2, невикористаного у процесі горіння азоту N, зайвинного кисню О і водяної пари НО. Сума Vco + Vso + Vo + V =Vc.г. становить об'єм сухих газів. Повний об'єм газів Vг.= Vc.г. + Vно =. Vco + Vso + Vo + V+ Vно.

Щоб дістати зручні для проектування формули, доцільно ввести поняття теоретичного об'єму продуктів згоряння V, тобто об'єму димових газів, який був би при повному згорянні палива теоретичній кількості повітря. У цьому разі V= Vco + Vso + Vно + V (невикористаного кисню в димових газах нема, а відзначати особливим індексом Vco і Vso, непотрібно, бо Vco і Vso, не залежать від коефіцієнта зайвини повітря).

Об'єм триатомних газів V = Vco + Vso, прийнято позначати VRo.

Із стехіометричного співвідношення (I-10) видно, що при спалюванні 1 моля (12 кг) вуглецю утворюється 1 моль вуглекислого газу. Густина СО дорівнює 1,977 кг/м3, об'єм моля СО (при 0 °С і 760 мм рт. ст.) - 22,26 м3. Тому

V=· =1,86  м на 1 кг палива (16)

Аналогічно, якщо густина SO2 дорівнює 2,927 кг/м3, а об'єм моля SO становить 21,89 м3

V=0,68 м на 1 кг палива       (17)

Отже

V=1,86 кг/м3                        (18)

або, якщо позначити через К суму С + 0,37 S,

V=1,86 кг/м3                    (19)

Теоретичний об'єм азоту V, складається з об'єму азоту, що надійшов з теоретичною кількістю повітря і становить 0,79 V° (об'ємна частка азоту разом з аргоном та іншими інертними газами в повітрі становить 0,79), і об'єму азоту, що виділився з палива, 0,8, де 0,8-питомий об'єм азоту в мз/кг:

V=0,79 V°+ 0,8м/кг                         (20)

Теоретичний об'єм сухих газів

V=       V+V=1,86+0,79 V°+0,8м/кг                (21)

Водяна пара утворюється при спалюванні палива внаслідок горіння водню і випаровування вологи палива. Крім того, в продукти горіння переходить водяна пара, внесена у топку повітрям, яке підводиться до неї.

Теоретична вагова кількість водяної пари в продуктах згоряння становить:

G=+0,013 V° кг/кг

Тут ·(із стехіометричного співвідношення) - кількість води, що утворилася внаслідок горіння водню палива;

W /100 - випарена волога палива, що перейшла в продукти згоряння;

0,013 V0 - водяна пара, внесена з повітрям (середнє значення вологовмісту повітря d, беруть 10 г. на 1 кг сухого повітря, що становить 0,013 кг на 1 м3 сухого повітря). Теоретичний об'єм водяної пари

V=

Водяна пара в продуктах згоряння сильно перегріта, бо її парціальний тиск малий, а температура висока. Припустивши, що водяна пара підлягає законові Авогадро, значення густини виводять, поділяючи молекулярну вагу Н2О на об'єм моля за нормальних умов:

==0б804 кг/м3

Такий розрахунковий спосіб цілком припустимий, хоча водяна пара при 0°С і 760 мм рт. ст. існувати не може, отже,

V==0,111H+0,0124W+0,0161V м/кг (22)

Об'єм сухих газів при α > 1 дорівнює:

Vcµ.г. = Vc.г. +(α -1) V° м3 /кг (23)

де (α-1) V°-кількість зайвинного повітря. Відповідно

Vн2о = V° н2о + 0, 0161 (α -1) V° м3 /кг (24)

Сумарний об'єм газів

Vг = VRO2 +V°N2 + Vн2о + (α - 1) V0 м3 /кг (25)

Об'ємні частки триатомних газів і водяної пари відповідно дорівнюють:

r= і r=,

а парціальний тиск їх

p=p і p=p

де р - загальний тиск продуктів згоряння. Концентрація леткої золи в димових газах

p г/м (26)

де авин - частка золи палива, що виноситься димовими газами. Вага димових газів

G=1─+1,306αV кг/кг (27)

При паровому дутті або паровому розпилюванні рідкого палива (у невеликих установках), визначаючи об'єм і вагу димових газів, треба ураховувати кількість пари (W).

Об'єми повітря і продуктів згоряння при спалюванні газоподібного палива визначають аналогічно, на підставі стехіометричних співвідношень:

V=0, o476 [0,5CO+0,5H+Σ (m+) CH+1,5HS−O] м/ м (28)

V=0,01 [CO+CO+ΣmCH+HS] м/ м; (29)

V=0,79V+0,01N; (30)

V=0,01 [H+ΣCH+HS+0,124d]+0,0161Vм/м. (31)

Тут СО, Н, N і т.д. - компоненти газового палива в об'ємних процентах; d-вологовміст газового палива в грамах на 1 м3 сухого газу.

Об'єми продуктів згоряння при α> 1 визначаються за раніше наведеними формулами.

2.4 Розрахунки, які провадять за даними аналізу продуктів згоряння

Аналіз палива і продуктів його згоряння провадять під час випробування котельних агрегатів.

Застосовують переносний хімічний газоаналізатор, за допомогою якого поглинанням відповідними реактивами (водним розчином їдкого калію і розчином їдкого калію в пірогаловій кислоті) визначають об'ємний процентний вміст RО і О у сухих газах. Цими даними користуються для визначення Vс.г., характеристики палива, визначення СО і α.

Визначення Vс.г - Склад сухих продуктів повного згоряння палива визначають за формулою

Vс.г = V + V +V, (32)

або в процентах за об'ємом:

RO+ О + N =100% (33)

де RО=100 - об'ємний процент RО у сухих димових газах.

Звідси V=100.

Підставивши значення, V  з (19), матимемо:

V =1,86 м3 /кг (34)

Якщо в продуктах згоряння є СО, легко визначити

V=1,86 (35)

Характеристика палива. Визначення СО. Якщо з лівої частини рівності (33) виключити N, користуючись відомим об'ємним співвідношенням  у повітрі, яке дорівнює можна за допомогою перетворень прийти до такого співвідношення:

21 - β RО - (RО+ О) = О, (36)

де

β=2,37+0,0605 (37)

B характеризує склад горючої маси палива і не залежить від зольності Авологості W і коефіцієнта зайвини повітря α. Тому B називають характеристикою горючої маси палива (скорочено - характеристикою палива).

Рівність (36) відбиває зв'язок між компонентами димових газів RО і О при повному згорянні палива і характеристикою палива.

У загальному випадку при великій неповноті згоряння в димових газах, крім RО, О і N, будуть неповні окисли (СО) і горючі гази у вільному вигляді (Н, СН, СmНn). Проте при задовільній роботі топок помітних кількостей Н, СН і т.д. в димових газах не буває. Тому досить розглянути більш реальний випадок - наявність у продуктах згоряння окису вуглецю. Тоді склад сухих газів запишемо так:

RO+СО+O+N=100%. (38)

Якщо тепер, аналогічно до попереднього, з (38) виключити N, то можна дістати таке співвідношення:

21 - β RO - (RO + O) = (0,605 + β) СО. (39)

З (39) дістанемо

CO= (40)

Таким чином, операцію аналізу газів можна спростити (визначати тільки RO і RO + O). Це зручно тим, що реактив для поглинання СО насичується значно швидше, ніж реактив для поглинання RO і O. Проте розрахункове визначення СО3 (40) може дати надійні значення СО тільки в разі незначної неповноти згоряння (якщо кількість СО становить десяті частки процента).

При значній неповноті згоряння треба робити повний хімічний аналіз димових газів.

Визначення α. Знаючи склад продуктів згоряння, можна визначити коефіцієнт зайвини повітря α у будь-якому місці газового тракту. Формули для α виводять з раніше наведених співвідношень.

При повному згорянні

α = , (41)

де O і N-об'ємний процентний вміст кисню і азоту в сухих газах (N=100 - RO - O).

При наявності СО

α =  (42)

2.5 Визначення ентальпії продуктів згоряння

Результати газових розрахунків використовуються для обчислення ентальпії і (тепловмісту) продуктів згоряння палива. Ентальпію визначають за формулами загального вигляду

i=V або і =ΣV.

Виражається вона в кДж на 1 кг твердого і рідкого палива або |в кДж на 1 м3 газоподібного палива.

Ентальпію газів при α = 1 і температурі  С у котельних розрахунках визначають за формулою:

i=V()+V() +V()  (43)

Ентальпія повітря при α = 1

i= i+(α-1) i кДж/кг або кДж/м (44)

При α > 1 ентальпія продуктів згоряння

іг = і°г + (α - 1) і°п кДж/кг або кДж/м3. (І-45)

Величину i визначають для різних значень  і α, потім одержані значення зводять у таблицю i. Крім того, доцільно на підставі цих обчислень побудувати криві залежності і від  для кількох значень α. Такий графік називається і - діаграмою.

3. Тепловий баланс котельного агрегату

3.1 Рівняння теплового балансу

Кількість теплоти, що вноситься в агрегат, дорівнює сумі використаної теплоти і теплових втрат. Складання теплового: балансу котельного агрегату полягає в установленні цієї рівності. Тепловий баланс складається на 1 кг твердого або рідкого палива і на 1 м3 газового палива для усталеного режиму роботи; агрегату, тобто для такого теплового стану, коли температура в будь-якій точці агрегату не є функцією часу. Це відповідає тривалій роботі агрегату при постійному навантаженні і постійних режимних умовах (тиску, зайвини, повітря, якості палива і т. п.).

Рівняння теплового балансу котельного агрегату має тепер такий вигляд:

Q= Q + Q +Q+ Q4 +Q+ Q кДж/кг або кДж /м3. (46)

У лівій частині рівняння Q-так звана наявна, або розраховувана, теплота, що визначається за формулою:

Q = Q+ Q +Q+ Q - Q кДж/кг або кДж/м3, (47)

де Q - нижча теплота згоряння робочого палива; Q - фізична теплота палива; Q-теплота, внесена повітрям, підігрітим зовні котельного агрегату; Q - теплота, внесена (через форсунки) парою, яка застосовується для розпилювання рідкого палива, або паровим дуттям; Q - теплота, що витрачається на розкладання карбонатів.

У котельних установках, як правило, не підігрівають повітря зовні котельного агрегату. У великих агрегатах не застосовують парового розпилювання мазуту і парового дуття. Теплоту розкладу карбонатів треба враховувати тільки при спалюванні сланців.

Основною складовою наявної теплоти завжди е теплота згоряння палива Q. У деяких випадках (при розімкнутій схемі сушіння палива, при паровому підігріванні мазуту) треба враховувати і фізичну теплоту палива Q визначається за формулою:

Q =  кДж/кг або кДж/м3, (48)

де -питома (відповідно масова чи об'ємна при постійному тиску) теплоємність палива; tпл-його температура, °С.

Якщо взяти Qp за 100%, то тепловий баланс можна визначити в процентах:

100 = q+ q+ q+ q+ q+ q%, (49)

де q= 100%.

У 100%-ну наявну теплоту (раніше за 100% вважали лише потенціальну «платну» теплоту палива Q) не входить фізична теплота холодного повітря, що надходить в агрегат. Це холодне повітря перенесено із знаком мінус у праву частину рівняння (46) і враховано у величині Q.

Права частина рівняння теплового балансу є сумою використаної в агрегаті (в економайзері, котлі і перегрівнику) теплоти Q і теплових витрат: Q - з відхідними газами; Q-від хімічної неповноти згоряння; Q-від механічної неповноти згоряння; Q-у навколишнє середовище (від зовнішнього охолодження) і Q - фізичною теплотою шлаків і на охолодження панелей і балок, не включених у циркуляцію котла.

Таким чином, тепловий баланс характеризує загальну економічність роботи котельного агрегату і теплові втрати.

3.2 Теплота, що використовується в котельному агрегаті

Корисною називається теплота, що використовується для підігрівання води, яка надходить в агрегат, до температури кипіння, з метою перетворення її в насичену пару і для перегрівання пари. У загальному випадку годинна кількість використаної теплоти визначається за формулою:

Q=D(і-і)+D(і-і)+D-і)+D(і-і) кДж/кг, (50)

де D, D, D, D-відповідно кількість виробленої перегрітої пари; відданої, крім перегрівника, насиченої пари; видаленої з котла продувної води; перегрітої у вторинному перегрівнику пари, кг/год; і, і, і, і, і, і - ентальпія перегрітої пари, насиченої пари, води при температурі кипіння в котлі, живильної води перед водяним економайзером, пари вторинного перегріву на виході і вході в перегрівник. Щоб добути Q, треба поділити кількість теплоти Q на годинну витрату палива В:

Q = кДж/кг (51)

Відношення використаної в агрегаті теплоти до наявної називається коефіцієнтом корисної дії котельного агрегату (брутто):

η==, (52)

к. к. д. у процентах:

q=η·100%=·100% (53)

Економічність великих енергетичних котлоагрегатів дуже висока. Їх к. к. д. становить η ка =0,88-0,94. К. к. д. дрібних котлів значно нижчий і може бути в межах до 0,6-0,7. К. к. д. котлоагрегату змінюється із зміною навантаження; звичайно максимум к. к. д. відповідає 75-85% номінальної видатності котлоагрегату. Під час випробування котельного агрегату шуканою величиною є коефіцієнт корисної дії. Його можна дістати прямим вимірюванням витрат палива, води, пари, тиску й температури води й пари і визначенням Q. У цьому разі η визначається за формулою (52). Можна й інакше знайти - η, визначивши його як різницю між одиницею і сумою виражених у частках одиниці теплових втрат, знайдених відповідними вимірюваннями (складу й температури відхідних з агрегату газів, аналізів шлаку й золи та ін.). При проектуванні котлоагрегату к. к. д. агрегату або задається, або обчислюється за даною температурою відхідних газів νвід і прийнятим на підставі рекомендацій, які подаються в нормах теплового розрахунку котлоагрегатів, значенням теплових втрат і коефіцієнту зайвини повітря у відхідних газах α за формулою:

η =1- (54)

Потім визначають годинну витрату палива:

В=  (55)

Обчислюючи к. к. д., не враховують витрат енергії на власні потреби котлоагрегату (живильні, тягодуттьові, пилоприготувальні, обдування поверхонь нагріву тощо).

К. к. д. котельного агрегату, визначений з урахуванням витрати теплоти і електроенергії на власні потреби, називається к.к.д. нетто:

η  =η - Δη , (56)

де Δη  - сумарна витрата енергії на власні потреби, віднесена до наявної теплоти і виражена в частках одиниці. Поняттям ηн.т користуються значно рідше, ніж η .

3.3 Втрати теплоти

Втрати теплоти з відхідними газами найбільші з усіх теплових втрат в котлоагрегаті. Величина q становить у великих агрегатах 4-8%, а в дрібних котлах 10-20%. Ця втрата відбувається тому, що продукти згоряння палива залишають агрегат при високій температурі (у великих агрегатах 115-150° С, а в дрібних - при ще вищій).

Страницы: 1, 2, 3, 4