91 Литература 96 Приложение 1 97 Приложение 2 98 Приложение 3 99
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
1 2 3 Содержание Введение 5 1 Топливо 7 1.1 Энергетическое топливо и его виды 7 1.2 Происхождение ископаемых видов топлива 8 1.2.1 Твёрдое топливо 8 1.2.2 Нефть и природный газ 10 1.3 Элементный состав топлива 11 1.4 Виды исходной массы топлива 13 1.5. Теплотехнические характеристики топлива 16 1.5.1 Влажность топлива 16 1.5.2 Состав и содержание минеральных примесей. Зольность топлива. Свойства золы топлива. 18 1.5.3 Теплота сгорания топлива 24 1.5.3.1 Определение теплоты сгорания топлива 26 1.5.4 Выход летучих веществ и свойства коксового остатка 29 1.6 Промышленная классификация твердого топлива 32 1.7 Жидкое топливо 36 1.7.1 Переработка нефти 36 1.7.2 Свойства мазута 38 1.7.3 Газообразное топливо 44 1.8 Биотопливо 46 2 Теория горения 49 2.1 Историческое развитие общих представлений о горении. 49 2.2 Общие сведения о горении. 50 2.3 Материальный баланс горения топлива. 54 2.3.1 Материальный баланс процесса горения твердого и жидкого топлива. 56 2.3.2 Материальный баланс процесса горения газа. 59 4 2.3.3 Действительный объем воздуха и продуктов сгорания. 63 2.4 Тепловой баланс процесса горения 64 2.5 Способы сжигания топлива 71 2.5.1 Слоевое сжигание 72 2.5.2 Факельное сжигание. 76 2.5.3. Расположение горелок на стенках топочной камеры. 78 2.5.4 Сжигание в кипящем слое 83 2.6 Вихревые топки. 90 2.6.1 Высокотемпературное вихревое сжигание 90 2.6.2. Низкотемпературное вихревое сжигание. 91 Литература 96 Приложение 1 97 Приложение 2 98 Приложение 3 99 5 Введение Непрерывно растущее потребление топливно-энергетических ресурсов требует рационального и экономного использования топлива. Это одна из важнейших проблем нашего времени. Назначением любого устройства для сжигания топлива является превращение химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания, которая, в свою очередь, либо передается другим рабочим телам вода, пар, либо преобразуется в механическую энергию (газовая турбина, реактивный двигатель. Преобразование внутренней энергии топлива в тепловую энергию происходит в результате его сжигания. Горение - это сложный физико-химический процесс, в котором химические реакции протекают одновременно с различными физическими явлениями, а следовательно, и интенсивность протекания реакции горения непосредственно зависит от таких физических явлений, как - движение подаваемых в зону горючих веществ (топлива) и окислителя воздуха - аэродинамика струйного движения - турбулентная и молекулярная диффузия исходных веществ и продуктов реакций в газовом потоке - воспламенение и распространение пламени - передача теплоты, выделяемой входе реакций - удаление продуктов сгорания из зоны горения. Понимание закономерностей процесса горения позволит - наиболее эффективно организовать сжигание различных топлив; - повысить интенсивность и экономичность существующих способов сжигания - наметить пути для разработки новых, более современных способов сжигания. В данном учебном пособии рассмотрены следующие вопросы тенденции развития энергетики, классификация основных видов топлива и их теплотехнические характеристики, элементный состав топлива, переработка 6 твердого и жидкого топлива, подготовка твердого топлива к сжиганию, историческое развитие общих представлений о горении, материальный баланс процесса горения, тепловой баланс процесса горения и т.д. Пособие содержит необходимый нормативно-справочный и иллюстративный материал. Предназначено для получения базовых знаний, студентами, обучающихся по направлению 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника, всех форм обучения. Подготовлено на кафедре Теплотехника и гидравлика Грозненского государственного нефтяного технического университета имени академика М.Д. Миллионщикова. 7 1 Топливо 1.1 Энергетическое топливо и его виды Энергическим топливом называют горючие вещества, которые экономически целесообразно использовать для получения в промышленных целях больших количеств энергии. Природные запасы топлива должны удовлетворять потребностям, а добыча, переработка и использование - вызывать минимально возможное вредное воздействие на окружающую среду. Топливо является основой энергетики, поскольку более 2/3 всей вырабатываемой в России электроэнергии приходится на долю ТЭС, работающих на органических топливах. При этом менее 30 % всего добываемого топлива потребляется в энергетике, а около 33 % используется в транспорте ив технологических процессах (например, для выплавки чугуна, для варки стали, в машиностроении, в химической технологии и т.д.). По способу получения различают природные (натуральные) и искусственные виды топлива. К природным видам топлива относятся торф, бурые и каменные угли, антрацит, горючие сланцы, нефть и природный газ. Искусственное топливо получают из природного топлива в процессе переработки. Из твёрдого топлива путём физико-механического облагораживания или термического разложения получают кокс, полукокс, топливные брикеты, различные горючие газы пиролиза. В результате термической переработки нефти получают бензин, керосин, соляровое масло, дизельное топливо, мазут. К искусственным видам топлива также относятся различные газы доменный, генераторный, коксовый, сжиженный и другие. В энергетических установках, как правило, применяются природные топлива и мазут. По агрегатному состояние различают твёрдые, жидкие и газообразные виды топлива. 8 1.2 Происхождение ископаемых видов топлива 1.2.1 Твёрдое топливо Согласно современной теории, твёрдые горючие ископаемые (за исключением сланцев, то есть торф, бурые и каменные угли, антрациты, образовались в результате длительного процесса разложения органической массы растений. Процесс формирования и свойства твердых ископаемых видов топлива зависят от исходного растительного материала и условий его преобразования. Исходя из этого, различают два крайних типа углей гумусового и сапропелевого происхождения (гумус - перегной, сапропель - гниющий ил. Исходным углеобразующим веществом углей гумусового типа является ежегодно отмирающая органическая масса многоклеточной наземной растительности, те. деревьев, кустарников, папоротников, трави др. Эта отмирающая масса, накапливалась в заболоченных местах, подверглась разложению при незначительном контакте с воздухом, а затем, после её опускания подслой воды или покрытия породой, - без доступа воздуха. В процессе такого преобразования исходная растительная масса превращалась в перегной (гумус, который и я является исходным материалом для преобразования большей части твердых горючих ископаемых - углей гумусового типа (гумолитов). Различают три стадии образования твердых топлив гумусового типа торфяную, буроугольную и каменноугольную. В результате преобразования органической массы содержания углерода в ней повышается, при этом содержание кислорода , водорода и азота уменьшается. Процессы преобразования протекают в различных условиях (температура, давление, среда, а, следовательно, и с различной интенсивностью. Поэтому степень углефикации топлива, под которой понимают освобождение от наиболее непрочных содержащих кислород компонентов и 9 обогащение углеродом, различна. Степень углефикации, те. химического старения, твердого топлива не всегда соответствует его геологическому возрасту, под которым, в свою очередь, понимают период времени процесса углеобразования. В соответствии со степенью углефикации твердые топлива можно выстроить в следующий ряд торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит. Самое молодое из них - торф, представляет собой темно-бурую бесструктурную массу, в которой встречаются остатки неразложившихся и полуразложившихся растений. Следующим по возрасту являются бурые угли - землистая или черная однородная масса, которая при хранении на воздухе частично окисляется и рассыпается в порошок. Из бурых углей далее образуются каменные угли, обладающие, как правило, повышенной прочностью и меньшей пористостью, и наконец - антрациты, которые отличаются высокой твердостью и наибольшим содержанием углерода (до 95%). Процесс образования углей сапропелевого класса происходит несколько иначе. В качестве исходного углеобразующего вещества выступают низшие растения (водоросли, лишайники и др, бактерии, грибы, а также микроорганизмы (планктон. Оседая на дно озер, заливов, застойных водоемов мелководный морей, они подвергались разложению практически без доступа воздуха. В результате разложения образовывался твердый остаток - гниющий ил (сапропель. Сапропель отличается от твердого продукта преобразования высших растений (гумуса) повышенным содержанием водорода, воска, смолистых веществ и относительно низким содержанием кислорода и минеральных примесей. Торфяная стадия изменения сапропеля завершается образованием плотной бесструктурной массы. Дальнейшая углефикация приводит к образованию сапропелевых углей. Буроугольная стадия этих углей - богхеды. 10 За исключением богхедов, твёрдые горючие ископаемые сапропелевого происхождения встречаются относительно редко. Существуют также угли смешанного происхождения с преобладанием гумусового или сапропелевого материала. К твёрдым топливам этого класса относятся горючие сланцы, представляющие собой многозольные глинисто- известковые твёрдые минеральные породы, пропитанные нефтеподобными органическими веществами сапропелевого происхождения. 1.2.2 Нефть и природный газ Естественное жидкое топливо - сырая нефть - представляет собой смесь органических соединений, главным образом, различных углеродов (метанового – C n H ₂ n ₊₂, нафтенового - C n H ₂ n , ароматического - C n H ₂ n ₋₆ классов, а также включает в себя некоторое количество жидких кислородосодержащих, сернистых и азотистых соединений, парафин и смолы. Нефть - вязкая маслянистая жидкость бурого цвета (плотность от 730 до 1040 кг/см³). Нефть в основном перерабатывается с целью извлечения более лёгких фракций (бензин, керосин, лигроин, газойль. Оставшийся после переработки нефти тяжёлый остаток - мазут - используется как энергическое топливо. Природный газ представляет собой смесь горючих и негорючих газов, содержащую определенное количество водяного пара и механических примесей (пыли и смолы. Существует различные представления о происхождении нефти и газа. Наиболее вероятной и достоверной считается теория органического происхождения. Согласно этой теории, основой для образования нефти и газа послужил сапропель, процесс преобразования которого происходил на значительной глубине при повышенных давлении и температуре. В результате воздействия естественных катализаторов (например, глины, входящей в составила, радиоактивных элементов и др) из сапропеля образовывались жидкие 11 углероды с различной молекулярной массой, те. нефть, и газообразные смеси, состоящие преимущественно из лёгких углеродов метанового ряда, - природные газы. Таким образом, газы образовывались вместе с нефтью. Значительная часть более тяжелых составляющих их растворена в нефти, а часть, состоящая, в основном, из более легких компонентов, скапливается над уровнем нефти. Благодаря большой проникающей способности, природные газы перемещаются в пористых горных породах на большие расстояния от места своего образования и, накапливаясь, образуют чисто газовые месторождения. 1.3 Элементный состав топлива Состав и качество топлива определяются в специально оборудованных лабораториях химическими механическим анализами средней пробы партии топлива. Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов, содержащую некоторое количество примесей (воды и пыли. Состав и содержание отдельных газов, входящих в газообразное топливо, сравнительно легко определяются газовым анализом. Поэтому состав газообразного топлива принято выражать в виде объемных долей отдельных газов (СН ₄, С₂Н₆, С₃Н₈, С ₄Н₁₀, С₅Н₁₂, СОН, СО, N₂, O₂ и др) в процентах к объему сухого газа в смеси при нормальных условиях ( температура 0 С, давление 760 мм рт.ст.). Все вещества в составе твёрдого и жидкого топлива находятся в нём в виде сложных высокомолекулярных органических соединений. Качественный, и, особенно, количественный анализы соединений, входящих в состав твёрдого и жидкого топлива, требуют проведения сложных и трудоёмких лабораторных исследований. Поэтому состав топлива принято выражать не в виде соединений, а содержанием (в процентах по массе) отдельных химических элементов углерода (C), водорода (H), серы летучей (S), кислорода (O), азота (N), а также золы (A) и влаги (W). 12 Горючими элементами твёрдого и жидкого топлива являются углерод, водород и сераорганическая и пиритная. В связанном сними состоянии кислород и азот, которые образуют внутренний балласт топлива. Зола и влага составляют внешний балласт топлива. Основным горючим элементом твёрдого и жидкого топлива, содержание которого обуславливает выделение основного количества теплоты, является углерод. Он имеет высокую удельную теплоту сгорания (120,5 МДж/кг), но его содержание в топливе сравнительно мало (1+5 % в твёрдых топливных ив мазуте, поэтому доля водорода в суммарном тепловыделении при горении топлива значительно меньше, чем углерода. Сера имеет невысокую теплоту сгорания (9,3 МДж/кг), содержится в топливе в небольших количествах (0,3÷3 % в углях и мазуте) и поэтому не представляет ценности как горючий элемент. Сера в топливе содержится в трёх видах органическая Sₒ, пиритная (или сульфидная) пи сульфатная S s ₒ ₄. Органическая сера входит в состав сложных высокомолекулярных соединений, пиритная сера находится в топливе в виде сульфиде металлов, например, FeS ₂ (пирит, или железный колчедан, CuFeS₂ (халькопирит, или медный колчедан. Органическая и пиритная сера составляют горючую летучую) серу, которая отдельной составляющей входит в элементный состав топлива л = S ₀ + П , % (1) Сера в сульфатах (CaSO ₄, MgSO₄, FeSO₄ и т.д.) находится в виде высших оксидов, поэтому её дальнейшее окисление (горение) не происходит. Сульфаты являются минеральной примесью топлива и входят в состав золы. При горении серы образуется серистый ангидрид SO ₂ и некоторое количество серного ангидрида SO ₃. Серный ангидрид присоединении с водяным паром, содержащимся в продуктах сгорания, образует пары серной кислоты, которые, конденсируясь на низкотемпературных элементах различных теплотехнических установок, вызывают их сернокислотную 13 низкотемпературную) коррозию. Кроме того, оксиды серы и пары серной кислоты отравляют атмосферу и оказывают вредное влияние на животный и растительный мир. Поэтому сера является вредными нежелательным элементом в топливе. Кислород и азот, связанные с горючими элементами топлива (в виде органических соединений, снижают удельную теплоту его сгорания и образуют внутренний балласт топлива. Азот, являясь инертным газом, тем не менее, при высоких температурах образует в соединении с кислородом высокотоксичные NOₓ. Предельно допустимая концентрация оксидов азота в приземном слое ПДК = 0,085 мг/м³, а проблема снижения выбросов NOₓ при сжигании всех видов топлива (особенно твёрдых) актуальна во всём мире. 1.4 Виды исходной массы топлива Топливо в том виде, в котором оно поступает к потребителю, называется рабочим, а составляющее его вещество - рабочей массой. Все компоненты рабочей массы обозначаются индексом r (от англ raw - сырой, необработанный 𝐶 𝑟 + 𝐻 𝑟 + 𝑆 𝑜+𝑝 𝑟 + 𝑂 𝑟 + 𝑁 𝑟 + 𝐴 𝑟 + 𝑊 𝑟 = 100% (2) Влажность и зольность твердого топлива, даже в пределах одного сорта и одного месторождения, могут значительно колебаться, а также изменяться в процессе транспортировки и хранения. Поэтому элементный состав рабочей массы топлива является неустойчивой характеристикой топлива. Более устойчивой характеристикой является элементный состав сухой массы топлива индекс d - от англ. dry - сухой 𝐶 𝑑 + 𝐻 𝑑 + 𝑆 𝑜+𝑝 𝑑 + 𝑂 𝑑 + 𝑁 𝑑 + 𝐴 𝑑 = 100% (3) Сухую массу топлива целесообразно использовать для выражения содержащейся в нем золы 𝐴 𝑑 . Однако и сухая масса топлива также не является устойчивой характеристикой, так как содержание золы зависит от способа и условий ее добычи. 14 Устойчивой неизменяемой) характеристикой любого твердого топлива является сухая беззольная (горючая) масса. Сухая беззольная масса представляет собой сумму горючих элементов (C, H, S o+p ) и химически связанного сними внутреннего балласта (индекс daf - от англ. dry ash free - сухой, беззольный 𝐶 𝑑𝑎𝑓 + 𝐻 𝑑𝑎𝑓 + 𝑆 𝑜+𝑝 𝑑𝑎𝑓 + 𝑂 𝑑𝑎𝑓 + 𝑁 𝑑𝑎𝑓 = 100% (4) По аналогии вводится понятие беззольной массы (индекс af - от англ. ash free - беззольный, которое фигурирует в классификации топлива. Для проведения лабораторных исследований твердого топлива пользуются отобранной пробой рабочего топлива, измельченной и подсушенной до такой влажности, которая при хранении топлива в лабораторных условиях не изменяется, - воздушно-сухая, или аналитическая проба (индекса а 𝐶 а+ 𝐻 а+ 𝑆 𝑜+𝑝 а+ 𝑂 а+ 𝑁 а+ 𝐴 а+ 𝑊 а 100% (5) Состав твердого и жидкого топлива можно представить в виде графического отображения (рис Рисунок 1 - Элементный состав топлива Состав топлива различных видов и месторождений приводится в таблицах технических характеристик топлива. Пересчёт элементного состава топлива с одной массы на другую осуществляется с помощью соответствующих формул. 15 При заданной рабочей массе топлива содержание каждого из компонентов в горючей (сухой беззольной) массе рассчитывается по формуле 𝑋 𝑑𝑎𝑓 = 𝑋 𝑟 ∙ 100 100 − 𝑊 𝑟 − 𝐴 𝑟 , (6) где 𝑋 𝑑𝑎𝑓 и 𝑋 𝑟 - содержание соответствующего компонента в горючей и рабочей массе, %. При заданной влажности и зольности рабочей массы определение остальных ее составляющих по известному составу горючей массы производится по формуле 𝑋 𝑑𝑎𝑓 = 𝑋 𝑟 ∙ 100 − 𝑊 𝑟 − 𝐴 𝑟 100 (7) Если известен состав сухой массы топлива, то формула пересчёта любой из составляющих на горючую массу 𝑋 𝑑𝑎𝑓 = 𝑋 𝑑 ∙ 100 100 − 𝐴 𝑑 , (8) а на рабочую массу (при заданной влажности 𝑋 𝑟 = 𝑋 𝑑 ∙ 100 − 𝑊 𝑟 100 (9) Соответствующие коэффициенты пересчета приведены в таблице 1. Таблица 1 Коэффициенты пересчета состава топлива Заданная масса топлива Искомая масса топлива рабочая сухая горючая Рабочая 1 100 100 − 𝑊 𝑟 100 100 − 𝑊 𝑟 − 𝐴 Сухая 100 − 𝑊 𝑟 100 1 100 100 − 𝐴 Горючая 100 − 𝑊 𝑟 − 𝐴 𝑟 100 100 − 𝐴 𝑑 100 1 16 Для оценки топлива при расчетах и эксплуатации удобно пользоваться так называемыми приведенными характеристиками зольности А п, влажности 𝑊 пи серности 𝑆 л п , отнесенными к 1 МДж низшей теплоты сгорания 1 кг рабочей массы топлива 𝑄 𝑖 𝑟 : 𝐴 𝑛 = 𝐴 𝑟 𝑄 𝑖 𝑟 , % ∙ кг МДж (10) 𝑊 𝑛 = 𝑊 𝑟 𝑄 𝑖 𝑟 , % ∙ кг МДж (11) 𝑆 л 𝑛 = 𝑆 л 𝑛 𝑄 𝑖 𝑟 , % ∙ кг МДж (12) |