91 Литература 96 Приложение 1 97 Приложение 2 98 Приложение 3 99
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
1.7.3 Газообразное топливо Основным видом газообразного топлива является природный газ газовых и газоконденсатных месторождений. В качестве местного топлива применяются также различные виды искусственных горючих газов — коксовый, доменный, пиролиза нефтепродуктов и др. Газообразное топливо представляет собой смесь различных горючих и негорючих газов. Основными горючими составляющими большинства газообразных топлив являются предельные углеводороды метан содержание которого в большинстве природных газов составляет 90-98 % по объёму, этан C 2 H 4 , пропан C 3 H 8 , бутан C 4 H 10 , пентана также водород H 2 , оксид углерода СО и сероводород Н 2 S (в редких случаях ив очень малых количествах. Преобладающее содержание метана в природных газах обуславливает близость их физических свойств и теплотехнических характеристик. Теплота сгорания большинства природных газов находится в сравнительно узком диапазоне 𝑄 𝑖 𝑑 = 35,5 − 37,7 МДж/м³. Негорючий балласт природного газа, как правило, состоит из двуокиси углерода СО и азота, а в некоторых случаях — незначительного количества гелия и других газов. 45 Плотность природных газов близка к плотности основного компонента - метана и изменяется обычно в узких пределах ρ z = 0,7-0,8 кг/м³. Перед подачей потребителям природный газ подвергают осушке от паров воды до влагосодержания 0,05-0,5 гм. Если газ содержит сернистые соединения, то их удаляют в процессе его очистки. Эксплуатационные свойства газообразного топлива определяются его токсичностью, взрывоопасностью и плотностью. Большинство горючих газов и пары жидких топлив содержат токсичные компоненты, среди которых наиболее опасны оксид углерода СО и сероводород Н. В искусственных газах, кроме этого, могут содержаться в небольших количествах аммиак NH ₃, сульфид углерода CS и чрезвычайно токсичный цианистый водород HCN. Природные и искусственные горючие газы невидимы и почти не имеют запаха (при отсутствии сероводорода, поэтому они очень опасны в случае проникновения их в помещение через неплотности в газопроводах и арматуре. Чтобы своевременно обнаружить присутствие газа в помещениях, к нему добавляют сильно пахучее вещество - одорант. В качестве одоранта обычно применяют сернистые соединения - меркаптаны, чаще всего метилмеркаптан CH ₃SH или этилмеркаптан C₂H₅SH, которым присущ характерный резкий неприятный запах. Горючие газы в смеси с воздухом взрывоопасны. Нижними верхним пределом воспламенения (взрываемости) газа называют, соответственно, наименьшее (от 3 дои наибольшее (от 12 до 16%) содержание его в смеси с воздухом, при котором возможен взрыв. Если концентрация горючего вещества находится в диапазоне между нижними верхним концентрационными пределами, то смесь газа с воздухом способна взрываться от внешнего источника зажигания. Обогащение воздуха кислородом расширяет концентрационные пределы воспламенения. 46 1.8 Биотопливо Рост тарифов на традиционные виды топлива мотивирует активное внедрение альтернативных видов топлива, одним из которых стали пеллеты или топливные гранулы, завоевавшие прочное место на мировом рынке биотоплива. Топливные, или древесные, гранулы (пеллеты) представляют собой спрессованные цилиндры диаметром 4-10 мм, длиной 2-5 см (рис, переработанные из высушенных отходов лесоперерабатывающего производства древесные опилки, стружка, кора, сучки, ветки и т.д. Содержание энергии в 1 кг древесных гранул примерно соответствует 0,5 л жидкого топлива. Рисунок 6 – Древесные гранулы (пеллеты) Топливные гранулы — экологически чистое топливо с содержанием золы не более 3%. Кроме экономического эффекта, использование пеллет способствует снижению выбросов парниковых газов в атмосферу, поскольку при сжигании гранул в атмосферу выбрасывается ровно столько CO ₂ сколько было поглощено растениями вовремя их роста. Гранулы менее подвержены самовоспламенению, так как не содержат пыли и спор, которые также могут вызывать аллергическую реакцию у человека. 47 Гранулы отличаются от обычной древесины высокой сухостью (8-12 % влаги против 30-50 % в дровах ) и большей - примерно в полтора раза - плотностью. Эти качества обеспечивают высокую теплотворную способность по сравнению со щепой или дровами - при сгорании 1 т гранул выделяется приблизительно 5 тыс. кВт/ч тепла (при теплоте сгорания около 18 МДж/кг), что в полтора раза больше , чему обычных дров. Низкая влажность- это не только преимущество гранул как топлива, но и проблема их производства. Сушка может оказаться одной из основных статей расходов при производстве топливных материалов из отходов деревообработки. Кроме того, в зависимости от производства, сбор, сортировка и очистка сырья также могут повлечь дополнительные затраты. Процесс сушки важно тщательно спланировать, что позволит уменьшить риски, связанные с качеством продукции, её себестоимостью и пожароопасностью производства. Лучшим вариантом является производство биотоплива из сухой стружки. Одно из важнейших преимуществ гранул- высокая и постоянная насыпная плотность, позволяющая относительно легко транспортировать этот сыпучий продукт на большие расстояния. Благодаря правильной форме, небольшому размеру и однородной консистенции продукта гранулы можно пересыпать через специальные рукава, что позволяет автоматизировать процессы погрузки-разгрузки, а также сжигания этого вида топлива. Различают два вида пеллет. К первому относятся гранулы для отопления жилых домов, которые из-за особой белизны называют белыми. Этот высококачественный вид гранул продается значительно дороже, чем гранулы для больших котельных (промышленные пеллеты), которые, как правило, большего диаметра, чем белые. Промышленные гранулы из-за наличия в них высокой доли коры не имеют такого белого цвета, как гранулы для жилых помещений. Соотношение потребления гранул для частного отопления и для промышленных систем составляет примерно 1:10. 48 Цена на пеллеты для отопления жилых помещений составляет от 140 до 160 евро за тонну. Они реализуются либо в мешках, либо в специальных контейнерах. Подача древесных гранул (пеллет) в котельные крупных производственных объектов и отопительных систем осуществляется автоматически. Цена на промышленные пеллеты составляет в среднем 85 евро за тонну. Гранулы больших размеров называются брикетами. Топливные брикеты выпускаются на специальном оборудовании. Также серийно выпускаются прессы, которые могут выпускать одновременно и гранулы, и брикеты, и они уже используются в России. Древесностружечные брикеты, как правило, используются для бытовых систем отопления и имеют различные размеры и форму. Стоимость древесных брикетов на европейском рынке может быть иногда выше стоимости гранул, но они занимают и значительно меньший сегмент рынка сжатых топлив. Соотношение выпуска топливных брикетов и гранул в мире составляет примерно 1:20. Энергетический лес - деревья и кустарники, выращиваемые для энергетических нужд, в частности, для производства топливных гранул. Виды используемых для этого растений быстрорастущие культуры - эвкалипт, тополь, ива, акация и др. Испытано около 20 различных видов растений - древесных, кустарниковых и травянистых, в том числе кукуруза и сахарный тростник. Разв несколько лет деревья срубают, и урожай может составлять около 7 т/га в год. Собранная биомасса используется для производства тепловой и электрической энергии, а также может служить в качестве сырья для производства различных видов жидкого биотоплива (например, биоэтанола). Биогаз - газ, получаемый в результате разложения биомассы под воздействием трех видов бактерий (гидролизные, кислотообразующие, метанообразующие). 49 Состав биогаза: метан - 50-87%, СО - 13-50%, незначительные примеси Ни Н. После очистки биогаза от СО получается биометан. Биометан - полный аналог природного газа, отличие только в происхождении. Перечень органических отходов, пригодных для производства биогаза: навоз, птичий помёт, зерновая барда, отходы рыбных и забойных цехов (кровь, жир, кишки, трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов, отходы от производства соков - жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки, отходы переработки картофеля, производства чипсов - очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпа и т.д. 2 Теория горения 2.1 Историческое развитие общих представлений о горении До середины XVII в. В науке господствовало метафизическое представление о горении как о выделении особого вещества огня с отрицательным весом, названного флогистоном. Великий русский ученный МВ. Ломоносов в г. Положил начало современному научному представлению о горении как о процессе соединения горючего вещества с тяжелыми частицами воздуха. В 1773 г. французский ученый А. Лавуазье установил роль кислорода в горении и тем самым окончательно подтвердил представление о горении как о химическом окислительном процессе. В конце XIX в. французский ученый Ле Шателье, а также русский В.А. Михельсон впервые выявили роль физических и тепловых параметров в процессе горения. Основы теории горения газообразных топлив разработаны советскими и зарубежными учеными, такими как Н.Н. Семенов, НА. Шилов, Я.Б. Зельдович, ДА. Франк-Каменецкий, Л.Н. Хитрин, С. Хиншелвуд, Г. Эльбе, Г. Хоттель и др. 50 За выдающиеся работы по установлению и исследованию механизма цепного горения газов Н.Н. Семенову и С. Хиншелвуду в 1956 г. была присуждена Нобелевская премия. Фундаментальное исследование процесса горения углерода были выполнены коллективами ученных МГУ, МЭИ и ВТИ (чл.-корр. АН СССР АС. Предводителев). Всестороннее и комплексное исследование сложного процесса горения твердого топлива проведено коллективами ученных ЦКТИ, ЛПИ, МВТУ, (проф. Г.Ф. Кнорре). Эти работы, а также более поздние исследования ряда советских, российских и зарубежных ученых и коллективов составляют основу современной теории горения. Развитие науки о горении неразрывно связано с практикой топливоснабжения. Большие заслуги в создании наиболее эффективных методов сжигания различных топлив принадлежит советским ученным- энергетикам, таким как КВ Кирш, В.Н Шретер, Т.В. Макарьев, Г.Ф. Кнорре, В.В. Померанцев и др. 2.2 Общие сведения о горении Основу горения составляют самоускоряющиеся реакции окисления горючих веществ топлива, в результате которых исходные вещества (горючие и окислитель) преобразуются в продукты сгорания, те. в новые вещества с иными физическими и химическими свойствами. Характерным признаком горения является быстропротекающий процесс, сопровождающий интенсивным выделением теплоты и резким повышением температуры. Для протекания химической реакции между горючими веществами топлива и окислителем, прежде всего, необходимо создать физический контакт между молекулами взаимодействующих веществ и довести 51 молекулы до такого состояния, при котором становятся возможными химические реакции между ними. Первое (те. физический контакт) осуществляется в процессе образования горючей смеси, второе – при её воспламенении. Таким образом, горение – это сложный физико-химический процесс, включающий в себя ряд последовательно и параллельно протекающих физических и химических стадий. Различают полное горение, те. без потерь теплоты, и неполное, тес потерями теплоты. При полном горении все горючие вещества топлива принимают участие в окислительных процессах, при этом образуются только оксиды- CO 2 , SO 2 , H 2 O. Реальное горение, как правило, является неполным. Различают механическую и химическую неполноту сгорания. В первом случае (механический недожог) некоторое количество топлива в процессе горения топлива не участвует. Например, газовым потоком из топки выносят наиболее мелкие фракции угля, а наиболее крупные, наоборот, могут оседать в нижней части топки (на поду) и удаляться вместе с золой и шлаком. В слоевой топке возможен также провал мелких фракций топлива через отверстия колосниковой решетки. Потери с химическим недожогом возникают а случае химически неполного окисления углеродосодержащих соединений с образованием окиси углерода CO, а также в случае, когда часть горючих газообразных веществ, образовавшихся при испарении и термическом разложении жидкого и твердого топлива (CO, H 2 , и др, покидает топку до завершения окислительных процессов. В качестве окислителя при горении преимущественного используется нечистый кислорода атмосферный воздух, что объясняется его доступностью и простотой использования. 52 В технологических установках, например, мартеновских или доменных печах применяется также воздух, обогащенный кислородом, или чистый кислород. Расход кислорода V o O2 или воздуха V o , теоретически необходимый для полного сгорания единицы количества топлива (килограмм или кубометр, определяется из стехиометрических уравнений горения. При реальном горении, в зависимости от назначения огнетехнического устройства, действительное количество окислителя (кислорода или воздуха) может быть больше или меньше теоретических необходимого. Отношение действительного количества воздуха к теоретическому необходимому называется коэффициентом избытка воздуха α=V/V o 2.3 Материальный баланс горения топлива. Несмотря на то, что далеко не каждый получает удовольствие от приготовления пищи, наверное, общие представления о том, как это делается, доступны всем. Например, для того чтобы сварить кастрюлю солянки, требуется следующие продукты томатная паста, мясо, сосиски, картофель, морковь, оливки, сахар, соль. (возможно, что-то, – мы же изучаем на кулинарию. а еще надо бы добавить несколько ломтиков лимона, а в тарелку положить сметану (по вкусу. Причем, в зависимости от соотношения этих ингредиентов, итоговый продукт может получиться очень вкусным или вообще несъедобным. Так вот, соотношения исходных компонентов и конечных продуктов, отнесенное к единице объема воды, можно назвать материальным балансом процесса приготовления солянки. Поскольку в основе процесса горения лежит реакция окисления горючих компонентов топлива, то материальный баланс процесса горения выражает количественное соотношение между исходными компонентами (топливо и окислитель, и конечными продуктами (дымовые газы, те. продукты сгорания, отнесенное к единице объема (или массы) топлива. 53 Несмотря на то, что непосредственным окислителем в реакциях горения является кислород, на практике чистый кислород используется очень редко лишь в специфических технологических процессах. В теплоэнергетике в качестве окислителя используется воздух как наиболее доступный и дешёвый газ, в котором содержится примерно 21% кислорода (по объему. Оставшиеся примерно 79% составляет азот (концентрация других компонентов, как правило, ничтожно мала, который при нормальных условиях не принимает участия в процессе горения, поскольку является инертным газом. При высоких температурах, к сожалению (или даже – к несчастью, протекают реакции образования высокотоксичных оксидов азота (их принято называть NOx). Но это уже другие реакции, которые к материальному балансу процесса горения отношения не имеют. Материальный баланс процесса горения твердого и жидкого топлива составляет на кг топлива. Первоочередной целью материального баланса является определение теоретического объема воздуха, необходимого для полного сгорания топлива, а также теоретического объема продуктов сгорания. Переходя на язык чайников, необходимо определить, сколько кубометров воздуха надо подать в топку в пересчете на каждый килограмм топлива и сколько кубометров продуктов сгорания при этом образуется (опять-таки при сгорании кг топлива. Определение объемов воздуха и продуктов сгорания – это не самоцель. Впоследствии, когда по результатам теплового баланса будет найден секундный расход топлива, необходимые для выбора (по результатам аэродинамического расчета котла) соответствующего тягодутьевого оборудования вентилятора и дымососа. Поскольку речь зашла о тепловом балансе, сделаем небольшое отступление и начнем с определения расхода топлива, ведь именно в топливе скрыта потенциальная энергия, выделяющаяся в процессе горения ввиду горячих дымовых газов, теплота которых, в свою очередь, передается в котле воде, превращая ее в пар (если речь идет о паровом котле. 54 Любая теплотехническая установка, в которой осуществляется сжигание топлива и передача тепла дымовых газов рабочему телу (под рабочим телом понимается вода, или любой другой теплоноситель, в зависимости от назначения установки, характеризуется такими параметрами, как производительность и тепловая мощность. В связи стем, что в теплоэнергетике и теплотехнике мы имеем дело с установками непрерывного действия, выражать теплоту, выделившуюся при сжигании топлива, в Джоулях (Дж) бессмысленно. Целесообразно характеризовать тепловую нагрузку количеством теплоты, выделившийся в единицу времени, те Джоуль в секунду, а в системе СИ 1Дж/с=1Вт. В ваттах измеряется мощность, поэтому мы и используем термин – тепловая мощность. Производительность котельного агрегата, как правило, указана в самой маркировке. Например, ДКВР-20/13 или БКЗ-75/40. Здесь первое число представляет собой количество генерируемого пара (20 т/ч насыщенного пара в ДКВР и, соответственно, 75 т/ч перегретого пара в БКЗ), а второе число- давление пара (атм. Для покрытия проектной номинальной нагрузки необходимо сжечь определенное количество топлива. Спектр используемых топлив довольно широк природный газ, мазут, бурый или каменный уголь, очень модные на сегодняшний день древесные пеллеты, кора и многие другие. При этом каждое топливо характеризуется таким важнейшим параметром, как теплотворная способность или теплота сгорания. Естественно, что требуемый расход высококалорийного мазута будет значительно меньше расхода низкокалорийного бурого угля. Для определения расхода топлива составляется так называемый тепловой баланс котельного агрегата, те. опять баланс, только нематериальный, а тепловой.Вообще, в основе большинства теплотехнических расчетов как лежат как раз лежат уравнения теплового и материального баланса. Эти уравнения (их суть) необходимо понять и осознать, а не заучивать и запоминать. Левая часть уравнения теплового баланса (например, котла) представляет собой количество тепла, выделившегося (в единицу времени) при сгорании 55 определенного количества заданного топлива, те. это произведение расчетного расхода топлива B p (кг/с) на его удельную теплоту сгорания Q i r (МДж/кг). В результате получаются МДж/с, те. МВт – тепловая мощность котла. В правой части уравнения теплового баланса – полезное тепло, которое затрачивается на образование заданного по проекту количества пара определенных параметров (давление и температура. Это полезное тепло при выработке насыщенного пара, соответственно, получится (в упрощенном виде, без некоторых нюансов) умножение расхода пара D нп (кг/с) на разность энтальпии насыщенного пара i нп и питательной воды i пв . Под полезным теплом мы понимаем лишь ту его часть, которая действительно пошла на парообразование. Ведь в реальных условиях при сжигании топлива существуют потери тепла с уходящими газами q 2 , с химическими q 3 и механическим недожогом q 4 , потери тепла в окружающую среду через обмуровку котла q 5 , а также потери с физическим теплом шлака при сжигании твердых топлив). Сумма этих потерь определяет величину КПД котла ка. Поэтому при составлении теплового баланса левую его часть необходимо умножить на КПД B p Q i ка D нп (i нп − i пв ) (30) Из уравнения теплового баланса определяют расход топлива, и, как уже отмечалось, с помощью материального баланса и аэродинамического расчета выбирают тягодутьевое оборудование. Однако мы отвлеклись от основной темы, те. материального баланса процесса горения топлива. Материальный баланс процесса горения выражает количественные соотношение между исходными веществами (топливо, воздух) и конечными продуктами (дымовые газы. Составление материального баланса можно уголовно разделить на две стадии 56 Определение объема воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания топлива, и теоретического объема продуктов сгорания Определение действительных объемов воздуха и продуктов сгорания (с учетом коэффициента избытка воздуха. Для твердого и жидкого топлива материальный баланс составляет на кг топлива, для газообразного- нам сухого газа при нормальных условиях (P=0,1013 МПа, t=0°C). |