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

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.

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

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 %.