Расчет котлов и котельных установок

Классификация ТОПЛИВА И ЕГО характеристика

Под энергетическим топливом понимают горючие ве­щества, которые экономически целесообразно использовать для получения тепловой и электрической энергии. По агрегатному состоянию топлива делят на твердые, жидкие и газообразные. По происхождению — на природные, образовавшиеся из остатков растительного и животного происхождения в течение длительного времени, и искусственные, полученные в результате переработки природных топлив. К первым относятся уголь, нефть, природный газ. Ко вторым — кокс, брикеты, отходы углеобогащения, дизель­ное топливо, мазут, доменный, коксовый и генераторный газы.

Топливо состоит из горючей и минеральной части и влаги. В состав горючей части входят углерод С, водород Н и сера S, на­ходящиеся в сложных соединениях с кислородом О и азотом N. Важной характеристикой топлива является теплота сгорания. Теплота сгорания — количество теплоты, выделяющейся при пол­ном сгорании топлива. Различают низшую и высшую теплоту сгорания.

Углерод является основной частью топлива. Чем больше его в составе, тем выше теплота сгорания топлива. Содержание углерода по массе в твердом топливе колеблется от 25 (сланец и торф) до 70 % (антрацит). Водород содержится в топливе в небольшом количестве 2—10 %. Теплота его сгорания в 4 раза больше, чем углерода. Кислород входит в состав топлива в виде различных соединений, в том числе с горючими элементами, что снижает количество теплоты, выделяемой при сжигании топлива. Поэтому кислород относят к балласту топлива. Азот также относят к бал­ласту топлива. Содержание его невелико (в твердом топливе до 3 % по массе). При горении большая часть азота топлива перехо­дит в токсичные оксиды N0 и N0*.

Серу в зависимости от вида соединения, в которое она входит, делят на органическую S0, если она связана с углеродом, водоро­дом, азотом и кислородом; колчеданную SK — соединение с желе­зом (обычно это железный колчедан); сульфатную Sc, находя­щуюся в виде соединений FeS04, MgS04, CaS04. Сера, входящая в состав органических и колчеданных соединений, участвует в про­цессе горения, выделяя при этом теплоту и образуя сернистый

S02 и серный S03 ангидриды. Поэтому часто органическую и кол­чеданную серу называют летучей горючей

Эл = S0 + SK.

Сера, входящая в состав FeS04, MgS04, CaS04 и т. п., не горит, так, при сжигании топлива сульфаты практически не разлагаются. В твердом топливе содержание серы достигает 5 %, в жидком 3,5 %. Наличие серы в топливе нежелательно, так как образую­щиеся при горении серы оксиды S02 и S03 в присутствии влаги дают растворы сернистой и серной кислоты, которые вызывают корро­зию труб поверхностей нагрева конвективной шахты котла и ока­зывают вредное воздействие на окружающую среду.

Под минеральной частью топлива понимают негорючие при­меси. Количество их зависит от происхождения топлива и техно­логии его добычи. Различают внутренние минеральные примеси, образовавшиеся при формировании угольной залежи, и внешние минеральные примеси, попавшие в топливо при его добыче из при­легающих пластов пород. Внутренние минеральные примеси в от­личие от внешних достаточно равномерно распределены в топливе и поэтому практически не могут быть отделены от горючей массы.

При горении топлива из минеральных примесей образуется зола А. Она характеризует минеральную часть топлива. Содер­жание золы А в топливе определяется по величине твердого остатка, полученного после сжигания предварительно высушен­ной пробы топлива определенной массы в платиновом тигле и последующего прокаливания до постоянного значения массы при температуре 800 °С. При проектировании котлов, и в первую оче­редь их топок, важное значение имеет температурная характери­стика плавкости золы. Она зависит от состава золы и окружающей ее газовой среды. Оценка плавкости проводится по температурам трех состояний золы: U — начала деформации; t2 — начала раз­мягчения; t3 — жидкоплавкого состояния:

Для принятия мер по исключению загрязнений поверхностей нагрева, расположенных за топкой, важно знать температуру затвердевания золы. Обычно эта температура на 50 °С ниже t2. При горении топлива в топке в зоне высоких температур проис­ходит частичное или полное расплавление золы. Некоторая ее часть уносится с продуктами сгорания из топки. Остальная зола, частично разлагаясь, сплавляется или спекается в шлак, который затем в жидком или твердом состоянии удаляется из нижней части топки. Под действием высоких температур содержащиеся в шлаке оксиды вместе с другими веществами образуют многоком­понентные соединения, и температура плавления шлака отли­чается от температуры ts жидкоплавкого состояния золы. В топках с жидким шлакоудалением для свободного вытекания шлака из топки его температура должна быть выше температуры ts жидко - плавкого состояния золы. Эту температуру называют температу­рой /нж нормального жидкого шлакоудаления, она определяется 22

Химическим составом шлака. Как правило, = ta + (100-4- 200) °С.

Влага W, как и минеральная часть, является балластом топ­лива. Она снижает его теплоту сгорания. Кроме того, на ее испа­рение расходуется часть теплоты сгоревшего топлива. Влагу, содержащуюся в топливе, делят на внешнюю и внутреннюю (гигро­скопическую). Внешняя влага попадает в топливо при его добыче, транспортировке и хранении. Количество ее колеблется в широ­ких пределах 1—40 %. Внешнюю влагу можно удалить из топлива при его сушке. Внутренняя влага связана как с органической частью топлива, так и с минеральной. К ней относят коллоидную и гидратную влагу. Коллоидная влага образует с топливом гели. Количество ее зависит от природы и состава топлива, содержания / влаги в атмосферном воздухе. Гидратная влага химически свя­зана с минеральными примесями топлива. Содержание ее невелико. При сушке топлива часть коллоидной влаги испаряется, а содер­жание гидратной влаги не меняется.

Влажные твердые топлива на воздухе теряют влагу, а подсу­шенные приобретают ее. Эти процессы происходят до наступления равновесия между парциальным давлением паров воды в воздухе и топливе. Топливо с полученной таким образом влажностью называют воздушно-сухим. Если воздушно-сухое топливо нагреть при атмосферном давлении до температуры 105 °С, то вся влага из топлива будет практически удалена. Количество влаги, удален­ной из воздушно-сухого топлива, называют гигроскопической влажностью WrH.

Состав топлива в том виде, в каком оно поступает на ТЭС, выраженный совокупностью отдельных элементов и компонент (по массе для твердого и жидкого топлива), называют рабочей массой топлива:

TOC o "1-3" h z cp + № + Sp 4-Op + Np + Wp + Ap = 100 %. (1)

Если из топлива удалена внешняя и внутренняя влага, то су­хая масса имеет следующий состав:

Cc-j-Hc-fSc + Oc-fNc+Ac = 100 о/0. (2)

Исключив из сухой массы золу, получим горючую массу топ­лива

Cr + Hr + Sr + Or-f №= 100 %. (3)

Если из горючей массы выделить колчеданную серу, то остав­шуюся массу топлива называют органической массой

Сг + Нг + Ог + № = 100 %. (4)

Состав рабочей и сухой масс одного и того же топлива в зависи­мости от условий добычи и погоды может колебаться в достаточно широких пределах. Состав горючей массы топлива постоянен. Поэтому его используют для проведения пересчета на сухую и ра­бочую массы. Формулы пересчета состава, например, с рабочей

2. Коэффициент пересчета состава твердых и жидких теплив с одной массы на другую

Заданная масса

Искомая масса

Рабочая

Сухая

Горючая

Органическая

Рабочая

1

- 100

100

100

100—wp

100—Wp—Ар

100—Wp—Ар—Sp

Сухая

100—WP

1

100

100

100

100—Ас

100—Ае—S*

Горючая

100—Wp—Ар

100—Ас

1

100

100

100

100—sr

Органи­ческая

100—Wp—Ар—SP

100—Ас—Sc

100—sr

1

100

100

100

Массы на сухую легко получить, поскольку в 1 кг рабочей массы содержится (100— №р)/100 (кг) сухой массы топлива. Следова­тельно,

CP + Нр + Sp + О" + Np + W" Н - А" _ 100 ~

_ с + нс -)- sc + ос + ne + ас 100 — w" 100 100 '

Откуда

Ср = Сс(100-Wp)/100: НР = НС(100-Wp)/100

И т. д.

Коэффициент пересчета (100 —Wp)/100 постоянен для всех элементов топлива. Коэффициенты пересчета состава твердых и жидких топлив с одной массы на другую приведены в табл. 2.

Если топливо нагревать без доступа воздуха, то из него в ре­зультате термического разделения нестойких содержащих кисло­род углеводородистых соединений выделяются летучие вещества и остается твердый нелетучий остаток. Выход летучих и свойства твердого остатка являются важными теплотехническими характе­ристиками твердого топлива.

Выход летучих Ул определяют по уменьшению горючей массы топлива при его нагревании в їечение 7 мин без доступа воздуха при температуре 850 °С и выражают в % горючей массы топлива. В состав летучих обычно входят водород, углеводороды, оксид и диоксид углерода. Величина выхода летучих и температура 4ых начала их выхода зависят от возраста топлива. Чем выше выход летучих и ниже температура начала их выделения, тем легче воспламеняется топливо. Наибольший выход летучих и наи - 24

Меньшую температуру начала их выхода имеют молодые топлива: у торфа Vr„ = 70 %, *вых = 100-г - ПО °С; у бурого угля .Утя = « 40-1-65 %; W 130-і-170 °С.

Твердый остаток, который остается после выхода летучих из топлива может быть спекшимся, слабоспекшимся и порошкообраз­ным. Лишь некоторые каменные угли дают плотный спекшийся 1 остаток с большим числом пор, называемый коксом.

Теплоту сгорания топлива определяют опытным путем. Коли­чество выделяемой теплоты зависит от конечного состояния про­дуктов сгорания и в частности от того, в каком агрегатном состоя­нии находится влага (в виде пара или воды). В связи с этим разли­чают высшую Qb и низшую теплоту сгорания.

Различие между Qjj и Ql состоит в том, что первая учитывает теплоту, которая выделяется при конденсации водяных паров (влага в продуктах сгорания находится в виде воды), а вторая эту теплоту не учитывает. Так как в котле температура продуктов сгорания достаточна высока и конденсации водяных паров не про­исходит, теплота, затраченная на испарение влаги, теряется. По­этому в тепловых расчетах котла используется низшая теплота сгорания рабочего топлива. Если известно Qb, то = Ql - 25,2 (Wp/100 + 9Н7Ю0),

Где 25,2 (Wp/100 +9№/100) — количество теплоты, затраченной на испарение влаги (Wp/ЮО), содержащейся в топливе, и воды (9НР/100), образующейся при горении водорода, кДж/кг;

25.2 МДж/кг — значение скрытой теплоты парообразования для воды при давлении, равном 0,1 МПа.

При отсутствии опытных данных приближенное значение для твердого топлива и мазута может быть найдено по формуле, пред­ложенной Д. Н. Менделеевым,

QS = 0,339СР + 1,03НР - 0,109 (Ор - Sp) - 0,259WP.

Для сравнения различных топлив используют понятие услов­ного топлива, т. е. топлива, теплота сгорания которого равна

29.3 МДж/кг. Понятием условного топлива пользуются при опре­делении различных топливных ресурсов, сравнении удельных расходов топлива на единицу выработанной энергии и проведении технико-экономических расчетов. При сравнительной оценке ка­чества топлив удобны приведенные к низшей теплоте сгорания характеристики топлив % • кг/МДж:

Wn = Wp/Qp„; Ап = Ap/Qp; Sn = SP/QH-

Приведенные характеристики топлив Wn, А" и S" показывают, сколько на 1 МДж низшей теплоты сгорания приходится влаги, золы и серы, в % рабочей массы топлива. В зависимости от при­веденной влажности принято считать топлива: маловлажными с W" = 0,7 % - кг/МДж, средней влажности с Wn = 0,7ч - 1,89 %• кг/МДж, высоковлажными с Wn > 1,89 %■ кг/МДж.

Твердое топливо характеризуется абразивностью — свойством при контакте с другими материалами вызывать износ последних, что зависит от количества содержащихся в нем колчеданной серы, золы и ее состава. Эта характеристика топлива важна для выбора оборудования системы пылеприготовления.

Твердость твердого топлива и сопротивляемость его измель­чению (размолу) характеризуются коэффициентом размолоспо - собности &ло (отношение удельного расхода электроэнергии, за­траченного на помол антрацита, к удельному расходу энергии, требуемому для помола рассматриваемого топлива). Чем мягче топливо, тем больше величина kno. Этот показатель топлива учи­тывается при проектировании систем пылеприготовления и, в пер­вую очередь, при выборе типа и производительности размольного оборудования.

Плотность твердого топлива (в кг/м3), как одна из его ха­рактеристик, широко используется в расчетах систем загрузки, хранения и подачи топлива к системам пылеприготовления. Раз­личают кажущуюся и насыпную плотности. Под кажущейся плот­ностью понимают массу единицы объема куска топлива с внутрен­ними порами, заполненными воздухом и влагой. Насыпная плот­ность представляет собой массу топлива, содержащуюся в единице объема, заполненного кусками топлива, т. е. учитывает также объем воздуха между кусками топлива.

Ископаемые твердые топлива делят на торф, бурые, каменные угли и антрацит. Торф — геологически наиболее молодое твердое топливо. Характеризуется невысокой степенью разложения орга­нических остатков и относительно низкой теплотой сгорания, по­вышенным содержанием летучих (У'л да 70 %), водорода (Нг = = 5ч-6 %), кислорода (Ог > 30 %) и азота (Nr = 2-^2,5 %). Торфу свойственна очень высокая гигроскопичность и влажность (Wp = 35-=-60 %).

К бурым углям (марка Б) относят угли с высшей теплотой сгорания обеззоленной рабочей массы Q|l00/(l00 — Ар) < < 23,9 МДж/кг. По геологическому происхождению они близки к торфу. В бурых углях достаточно велико содержание летучих (К = 65-М0 %), водорода (Нг = 4-f-6,5 % и более) и кислорода (Ог = 15ч-30 %). Они отличаются высокой гигроскопичностью и влажностью, содержание углерода достаточно велико (Сг = = 55-^78 %), а количество слаборазложившихся растительных остатков мало. По влажности бурые угли классифицируют: Б1 — с влажностью более 40 %; Б2 — с влажностью 30—40 % и БЗ — с влажностью менее 30 %.

; К каменным относят угли, у которых 100/(100 — Ар) > > 23,9 МДж/кг. Они характеризуются высокими содержанием углерода (75—97 %), плотностью и теплотой сгорания. С увели­чением содержания углерода доли кислорода, водорода и летучих в топливе уменьшаются. По выходу летучих с учетом способности 26

Спекания твердого остатка принята следующая классификация каменных углей: длиннопламенные (Д), газовые (Г), газовые жир - ч ные (ГЖ), жирные (Ж), коксовые жирные (КЖ), коксовые (К), обогащенные спекающиеся (ОС), слабоспекающиеся (СС), тощие (Т). По мере перехода от углей марки Д к Т выход летучих ме­няется от 36 % и более (Д) до 9—17 % (Т), а влажность соответ­ственно от 14 до 5 %.

К полуантрацитам (ПА) и антрацитам (А) относят угли с QE 100/(100 — Ар) > 23,9 МДж/кг и выходом летучих менее 9 %• В них содержится 89-f-92,5 % Сг, 2-ьЗ,6 % Hr, 0,8-f-l,3 % Nr, 2,2-5 % Or, 0,64-0,9 % Sr.

У полуантрацитов выход летучих больше 5 % и теплота сгора­ния выше чем у антрацитов. ПА и А являются высокосортными топливами; в энергетических котлах используют их отходы.

По размерам получаемых при добыче кусков уголь классифи­цируют следующим образом: плита (П), крупный (К), орех (О), мелкий (М), семечко (С), штыб (Ш) и рядовой (Р). Размер кусков угля от класса К к классу Ш уменьшается от 50—100 до 6—13 мм. В классе Ш куски угля мельче 6 мм, а в классе Р размер кусков неограничен и может составлять 0—200 (300) мм. В табл. 3 приве­дена характеристика твердого топлива некоторых месторождений.

Жидкое топливо характеризуется условной вязкостью и темпе­ратурами застывания и вспышки. Условную вязкость принято выражать в условных градусах (ВУ). Ее определяют как отноше­ние времени вытекания определенного объема (2-Ю-4 м3) жидкого топлива ко времени вытекания такого же объема воды при темпе­ратуре 20 °С.

Условную вязкость жидкого энергетического топлива (мазута) обычно включают в его маркировку. Так, цифры, стоящие после буквы М, в марках мазута (например, М 40 и М 200) — условная вязкость при температуре 50 °С (соответственно 40 и 200°ВУ). Условная вязкость сильно зависит от температуры:

°ВУ, = °ВУБО(50/г)п,

Где °Byj — условная вязкость жидкого топлива при темпера­туре °ВУ50 — условная вязкость при t = 50 °С; п — показатель степени, зависящей от величины °ВУ50.

Ниже приведены значения условной вязкости °ВУ50 при раз­личных п

"ВУы............................................ 2 5 10 15 20

Я . ................................................. 1,8 2,3 2,6 2,75 ' 2,86

Для качественного распыливания и надежной транспортировки жидкого топлива по трубопроводам его вязкость не должна пре­вышать 2—3 °ВУ. Для выполнения этого условия необходим предварительный подогрев топлива. Температура подогрева ма­зута зависит от его марки и составляет 80—140 °С.

3. Характеристика твердого топлива

Месторождение топлива

Марка

Класс

Элементарный состав (рабочая масса), %

CP

HP

NP

OP

CO

Cp

0

Ap

Wp

Донецкое

Т

_

62,7

3,1

0,9

1,7

2,0

0,8

23,8

5

>

А

Ш

63,8

1,2

0,6

1,3

1,0

0,7

19

7,5

Кузнецкое

Г

Р, с, ш

66

4,7

1,8

7,5

0,5

11

8,5

Карагандинское

К

Р

54,7

3,3

0,8

4,8

0,8

27,6

8

Экибастузское

СС

Р

43,4

2,9

0,8

7

0,4

0,4

38,1

7

Подмосковное

Б2

Р,

28,7

2,2

0,6

8,6

1,5

1,2

25,2

32

Омсш

Бабаевское

Б1

Р

25,4

2,4

0,2

8

0,5

7

56,5

Кизеловское

Г

Р, к, м

48,5

3,6

0,8

4

6,1

31

6

Челябинское,

БЗ

Р, мсш

37,3

2,8

0,9

10,5

1

29,5

18

Канско-Ачинское

Назаровское

Б2

Р

37,6

2,6

0,4

12,7

0,4

7,3

39

Ирша-Бородин-

Б2

Р

43,7

3,0

0,6

13,5

0,2

6

33

Ское

Азейское

БЗ

46

3,3

0,9

11,6

0,4

12,8

25

Температура застывания — минимальная температура, при которой жидкость теряет текучесть, и слив и перекачка ее стано­вятся невозможны. У мазута эта температура зависит от марки и составляет 5—25 °С.

Температура вспышки — температура, при которой пары жид­кого топлива в смеси с воздухом вспыхивают при соприкосновении с пламенем. Для мазута температура вспышки равна 80—140 °С. При открытой системе подогрева мазута температура его должна быть ниже температуры вспышки на 10—15 °С.

В качестве искусственного жидкого топлива в котлах исполь­зуется мазут трех марок: М40, Ml00 и М200 — тяжелый остаток перегонки нефти, получающейся после отделения из нее легких фракций (бензина, керосина, легроина и др.). Мазут — мало­зольное и почти безводное топливо. Его классифицируют по со­держанию в нем соединений серы и по вязкости. По количеству серосодержащих соединений мазут делят на малосернистый (Sc < 0,5 %), сернистый (Sc = 0,5—2 %) и высокосернистый (Sc > 2 %). В «Основных направлениях экономического и соци­ального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года» указывается на необходимость существенного сокраще­ния использования мазута в качестве топлива, в первую очередь на ТЭС.

Газообразное топливо представляет собой смесь горючих (во­дорода Н2, углеводородов метанового ряда, тяжелых углеводоро­дов СНа, сероводорода H2S и оксид углерода СО), небольшого количества негорючих газов (кислорода Оа, азота Na, диоксида 28

Температура

Золы.

Выход летучих

VS. %

Теплота сгорания

QS.

МДж/кг

Коэффи­циент размо - лоспо - собно - сти кл0

Объем воздуха и сгорания при а

Продуктов = 1 м'/кг

H

И

И

Vo

Ун, о

V?

1060

1200

1250

12

24,16

1,8

6,43

1,19

5,09

0,51

6,79

1100

1200

1250

3,5

22,53

0,95

6,04

1,2

4,78

0,34

6,32

1100

1200

1250

40

26,08

1,3

6,88

1,24

5,45

0,74

7,42

1400

1450

1470

28

21,28

1,4

5,6

1,03

4,43

0,56

6,02

1300

1500

1500

30

16,72

1,35

4,42

0,81

3,50

0,48

4,79

1350

1500

1500

50

10,40

1,7

2,94

0,55

2,33

0,69

3,57

1070

1150

1190

65

8,74

1,7 '

2,65

0,48

2,09

1,01

3,58

1200

1450

1500

42

19,65

1

5,33

0,95

4,22

0,56

5,73

1150

1250

1300

45

13,93

1,32

3,74

0,70

2,96

0,59

4,26

1200

1220

1240

48

12

1,1

3,62

0,70

2,86

0,83

4,39

1180

1210

1230

48

15,63

1,2

4,24

0,82

3,35

0,81

4,98

1100

1300

1210

46

17,3

1,12

4,59

0,86

3,63

0,75

5,25

Углерода С02 и водяных паров Н20). Состав его записывают в виде составляющих его соединений (в % объема). Все расчеты проводят исходя из единицы объема сухого газа, взятого при нормальных условиях (давлении 0,1 МПа и температуре 20 °С)

СН4 + С2Нв + С3Н8 + • ■ ■+ Н2 + H2S + СО + N2 + С02 +

+02 = 100%.

Теплота сгорания газообразного топлива при нормальных условиях и известном содержании газов, входящих в его состав,

QM = 0,01 [Qch. CH4 + Qc, h.C2H6 +••'•+ Qh, H2 + Qh, sH2S +

+ QcoCO],

Где Qch4, Qc. h, и т. д. — теплота сгорания отдельных газов, входящих в состав газообразного топлива.

Газообразным топливом котлов является в основном природ­ный газ. Последний делят на две группы: газ из чисто газовых и газоконденсатных месторождений. Природный газ в местах до­бычи очищают от песка и других примесей, осушают и по трубо­проводам направляют к потребителям. Природный газ — сухое, практически беззольное топливо, с высокой теплотой сгорания. Он имеет следующий состав: метан СН4 85-^-98 %, тяжелые угле­водороды CnHm 2ч-6 %, диоксид углерода С02 0,1ч-1,0 %, азот N2 1ч-5 %.

Расчет котлов и котельных установок

ВОДНЫЙ РЕЖИМ КОТЛОВ

Вода, используемая в котельных установках в к|| честве рабочего тела, обладает свойствами активного и почти уни­версального растворителя. Содержащиеся в ней примеси, незави­симо от источников их появления, при определенных условиях могут …

Энергетическая программа

В принятых XXVII съездом КПСС «Основных направлениях эко­номического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года» указывается на необходимость эффективнее развивать топливно- энергетический комплекс и …

РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЕРЕГРЕТОГО ПАРА

В случае применения поверхностных и впрыскивающих пароохладителей поверхность перегревателя рассчитывают на номинальной нагрузке с запасом того количества теплоты, кото­рое снимается в регуляторе. Поверхностный пароохладитель представляет собой тепло­обменник 1 несмешивающего типа …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.