Паровые котлы ТЭС

Виды топлива и его состав

Отечественная энергетика развивается за счет строительства электростанций на органи­ческом и ядерном топливе.

Органическим топливом называют горю­чие вещества, способные активно вступать в реакцию с кислородом и обладающие зна­чительным удельным тепловыделением (на единицу массы или объема).

К энергетическим видам топлив относятся такие, которые экономически целесообразно использовать для получения больших коли-, честв теплоты. Запасы их должны быть огром­ны и относительно легко доступны для массо­вого использования. Кроме того, они не долж­ны являться ценным сырьем для других отраслей промышленности. В качестве энерге­тических топлив электростанций наибольшее, значение имеют: твердое — каменные и бурые, угли и отходы их переработки, антрацит и по­луантрацит; жидкое — мазут; газовое — при­родный газ. В меньшей мере используются торф и горючие сланцы, стабилизированная нефть и горючие газы промышленности (до­менный, коксовый), хотя в отдельных районах страны они составляют заметную часть топ­ливного баланса.

В последнее время все возрастающее зна­чение для получения энергии и прежде всего электрической приобретает широкое строи­тельство АЭС, использующих энергию распада радиоактивных ядер атомов тяжелых метал­лов урана (235U) и плутония (239Ри). Самая богатая урановая руда — уранинит — содер­жит 65—90% двуокиси урана UO2, в составе которой радиоактивного 236U содержится всего >0,72%, а остальное составляет обычный 238U. Для повышения содержания 235U в исходном ядерном топливе его подвергают обогащению на газодиффузионных заводах до 1,5—3,5% 235U, после чего загружают в ядерные реакто­ры. При делении 1 кг 235U выделяется около 85 млн. МДж теплоты, что эквивалентно сжи­ганию 3500 т каменного угля с теплотой сго­рания 24,5 МДж/кг.

Из общего потребления органического топ­лива в стране около 40% приходится на долю энергетики. В топливном балансе тепловых электростанций преимущество имеют угли, мазут и природный газ. Доля сжигаемого угля на ТЭС возрастает за счет использования угольных месторождений Сибири и Северного Казахстана. Примерно на таком же уровне находится использование мазута и природного газа. На остальные виды твердого топлива — торф, сланцы приходится всего 6—7% общего расхода топлива электростанциями. Ускорен­ное развитие получит добыча углей в новых месторождениях более дешевым способом — открытым.

Все ископаемые — твердые топлива и нефть по­лучились в процессе длительного преобразования ис­ходной растительной массы и отмерших животных ор­ганизмов под слоем земли или воды, причем этот про­цесс протекал с различной скоростью в направлении постепенного обуглероживания (углефикации) топли­ва, т. е. повышения в нем содержания углерода и уменьшения количества кислорода и водорода (рис. 2.1).

Степень обуглероживания, характеризующая глуби­ну химических превращений в топливе (так называе­мый химический возраст топлива), не определяется прямо его геологическим возрастом, т. е. длительно­стью во времени процесса углеобразования.

Сырая нефть является смесью органических соеди­нений и включает в себя небольшое количество жидких сернистых и азотных соединений, парафинов и смол. После извлечения легких фракций и масел (бензина, лигроина, керосина, газойля, солярового масла) оста­ются сильновязкие тяжелые фракции — мазут, который и используется как энергетическое жидкое топливо. При этом минеральные примеси, входящие в нефть, концентрируются в мазуте.

Природные газы образуются одновременно с нефтью либо получаются в результате синтеза в при­сутствии воды и карбидов металлов на больших глуби­нах под воздействием высокого давления и темпера­туры. Во многих случаях выход газов сопутствует до­быче нефти. Это так называемые попутные газы, кото­рые также возможно использовать в качестве энергети­ческого топлива.

Использование газообразных и жидких топлив по сравнению с углем не только повы­шает общую культуру эксплуатации электро­станций. но и приводит к ощутимому сниже­нию стоимости основного оборудования, росту к. п. д. установок. Так, при сооружении элек­тростанций, сжигающих газ и мазут, удельные капиталовложения по сравнению с электро­станцией равной мощности на угле снижают­ся на 20—24%, а экономичность газомазутных станций по отпуску электроэнергии на 4% выше, чем работающих на угле.

Однако разведанные запасы природных га­зов и нефти ограничены и составляют около 6% всех мировых запасов органических топ­лив. Кроме того, природные газы и нефть являются ценнейшим сырьем для народного хозяйства. Запасы же угля превышают 71% мировых разведанных ресурсов топлива и являются основным органическим топливом.

Органическая часть твердых и жидких топ­лив состоит из большого количества сложных химических соединений, в состав которых в основном входят пять химических элемен­тов: углерод С, водород Н, кислород О, сера S и азот N. Кроме того, топливо содержит минеральные примеси А, попавшие в исход­ную залежь в основном извне, и влагу W. Поэтому химический состав твердых и жид­ких топлив определяют не по количеству со­единений, а по суммарной массе химических элементов в топливе в процентах от 1 кг, т. е. устанавливают элементарный состав топлива.

Различают следующие пять основных эле­ментарных масс топлива [7]:

Рабочая масса топлива

CP+HP+OP+NP+SP.,+

+ЛР+№>=100%; (2.1)

Аналитическая масса топлива

Ca+Ha+Oa+Na+S%+ +Л а+Wa= 100 % ;

(2-2)

Сухая масса топлива

Cc + Hc + Oc + Nc + S<>-Mc== 100%; (2.3) условная горючая масса топлива

Сг + Нг+Ог + Ыг+5гл= 100%; (2.4) і' Органическая масса топлива

C°-j-H0-f00-f №-f S0—100%. (2.5)

Рабочей считается масса топлива в том виде, в каком она поступает на ТЭС. Расчет расхода топлива и полученных объемов про­дуктов сгорания производится по составу ра­бочей массы. Рабочее топливо, измельченное до порошкообразного состояния и доведенное в лабораторных условиях до воздушно-сухого состояния, теряет внешнюю влагу, и масса его называется аналитической. Оставшуюся влагу W& топлива, связанную с его исходным веще­ством, называют чаще гигроскопической, т. е. Wa=Wril.

Если топливо нагреть до 102—105°С, то испарится вся влага и тогда получится сухая масса топлива. В горючую массу топлива вхо­дят химические элементы исходного органиче­ского вещества; кроме того, сюда причисляют серу минеральных горючих соединений (на­пример, серного колчедана FeS2), поэтому она называется условной горючей массой.

В уравнениях (2.1) — (2.4) через Бд обо­значена летучая сера, представляющая собой сумму колчеданной и органической серы, спо­собной к окислению в топке: Sj4=SK+S°.

Органическая масса отличается от горючей только отсутствием колчеданной серы. Кроме указанных двух видов серы, существует еще сульфатная сера Sc, которая входит в состав высших окислов (например, CaS04) и даль­нейшему окислению не подвергается. Схема элементарного состава различных масс твер­дого топлива приведена на рис. 2.2. В составе топлива различают внешний балласт, состоя­щий из влаги и минеральной части, и внут-

Ренний балласт, входящий в исходное орга­ническое вещество топлива. К нему относятся кислород и азот.

Г орючими элементами топлива являются углерод, водород и сера. Углерод является основным горючим элементом топлива. Он имеет высокую теплоту сгорания (34,1 МДж/кг) и составляет большую часть рабочей массы топлива (50—75% в твердых топливах и 83 — 85% в мазутах). Водород имеет высокую теп­лоту сгорания (120,5 МДж/кг), но его коли­чество в твердых топливах невелико (№— =2-^-4%) и несколько больше в жидких (10— 11%). Сера имеет невысокую теплоту сгора­ния (9,3 МДж/кг) и содержится в топливах в малых количествах (Sp=0,3-^4%), поэтому не представляет ценности как горючий эле­мент. Наличие окислов серы в продуктах сго­рания увеличивает опасность коррозии метал­ла поверхностей нагрева и при определенных концентрациях опасно для организмов и ра­стительности, что требует принятия мер для их улавливания. В зависимости от содержания серы различают малосернистый (Sp<0,5%), сернистый (Sp=0,5-5-2%) и высокосернистый (Sp>2%) мазуты.

В отличие от твердого и жидкого топлива газовое топливо представляет собой механи­ческую смесь горючих и негорючих газов. Природные газы преимущественно (до 90 —• 96%) содержат метан СН4, в небольшом ко­личестве тяжелые углеводороды (этан СгНб, пропан СзНв, бутан С4Н10 и др.), которые ча­сто записываются в виде общей формулы CmH„ (1—6%). Кроме того, природный газ содержит негорючие компоненты: немного азо­та N2 (1—4%) и двуокись углерода С02 (0,1-0,2%).