Тема 4. Эффективность использования топливных
advertisement
Тема 4. Эффективность использования топливных энергетических ресурсов. Виды топливно-энергетических ресурсов. Общепринята следующая классификация естественного и искусственного твердого, жидкого и газообразного топлива. 1) Твердое топливо Естественное топливо: а) дрова, б) торф, в) бурый уголь, г) каменный уголь, д) полуантрацит, е) антрацит, ж) сланцы, з) битуминозные пески. Искусственное: а) древесный уголь, б) торфяной полукокс, в) буроугольный полукокс, г) каменноугольный полукокс, д) кокс, е) промышленные и коммунальные отходы. 2) Жидкое топливо Естественное: а) нефть, б) газовый конденсат. Искусственное: а) бензин, б) керосин, в) дизельное топливо, г) мазут, д) смола, е) сланцевое масло, ж) метанол. 3) Газообразное топливо Естественное: а) природный газ, б) нефтепромысловый газ, в) шахтовый газ. Искусственное: а) нефтезаводской газ, б) сжиженный газ, в) коксовый газ, г) водяной газ, д) смешанный генераторный газ, е) доменный газ, ж) водород. Ценность топлива определяют в основном следующие характеристики: 1) теплота сгорания, или теплотворная способность, т.е. количество тепла, выделяющееся при полном сгорании 1 кг твердого и жидкого или 1 м3 газообразного топлива. От теплоты сгорания зависит расход топлива и его транспортабельность. 2) Жаропроизводительность – максимальная температура горения, развиваемая при полном сгорании топлива в условиях, когда выделяемое тепло полностью расходуется на нагрев образующихся продуктов сгорания. Жаропроизводительность топлива определяет эффективность его применения в высокотемпературных процессах. 3) Содержание балласта, т.е. минеральной массы и влаги, в твердом и жидком топливе, азота и двуокиси углерода в газообразном. Балласт уменьшает теплоту сгорания топлива. При большом содержании балласта заметно снижается также жаропроизводительность топлива. 4) Содержание вредных примесей, снижающие ценность топлива, в особенности технологического и бытового, и обуславливающее загрязнение воздушного бассейна. 5) Выход летучих веществ и обуглероженного остатка (кокса) при нагревании твердого топлива, определяющий легкость его сжигания, а также целесообразность использования в технологических процессах. 6) Удобство сжигания топлива и расход энергии, связанный с подготовкой топлива к использованию. 7) Степень сложности разведки и трудности добычи топлива, определяющие объем капиталовложений в топливную промышленность и себестоимость горючего. 8) Удаленность месторождений топлива от районов его потребления, обуславливающая объем капиталовложений в средства транспорта и стоимость перевозок горючего. Состав топлива. Топливо, расходуемое на сжигание в топках котлов или печей, называется рабочим топливом. Если отбирается проба рабочего топлива и исследуется элементарный состав, то получается следующее равенство: где индексом „р” отмечается рабочее топливо Эта характеристика рабочего состава топлива дается в процентах к весу. Указанные элементы не являются механической смесью, они находятся в топливе в виде сложных соединений. Горючими элементами топлива являются Ср, Нр и S — углерод, водород и летучая горючая сера — в отличие от серы негорючей, входящей в состав минеральных негорючих примесей топлива, образующих после его сжигания золу Ар. Чем больше процентное содержание горючих элементов в топливе, тем выше его теплотворная способность — величина, указывающая количество больших калорий, выделяемых при сжигании 1 кг топлива. Ор — кислород, находящийся в топливе; тепла, как известно, не выделяет. Np — азот, находящийся в топливе; элемент инертный, не участвующий в реакциях горения. Из топлива азот попадает в отходящие газы и примешивается к азоту воздуха, подаваемого для горения. Азот и кислород называются внутренним балластом топлива в отличие от балласта внешнего, к которому относятся зола и влага. Зола Ар — это негорючая минеральная часть топлива; в нее входят по преимуществу соли щелочных и щелочно-земельных металлов, окислы кремния, железа, алюминия и пр., а также и минеральная сульфатная сера в соединениях CaSO4 и MgSO4. Накопление золы в ископаемом топливе происходит не сразу, а в три периода. Сначала появляется так называемая зола внутренняя (первичная), находившаяся в растениях, послуживших материалом для образования торфяников, а впоследствии и угольных пластов. Затем количество золы в топливе увеличивается за счет заноса земли и песка ветром и водой (вторичная зола). И, наконец, зола в топливо попадает при его добыче от загрязнения породой (третичная зола). Общая сера, находящаяся в топливе, разбивается на две части — горючую и негорючую. Минеральная сера входит в состав золы, а летучая в свою очередь может быть расчленена на две составляющие: где So—органическая сера, входящая в состав основного ядра топлива, его материнского вещества; Sj—сера колчеданная, находящаяся в соединении с железом (FeS 2 — серный колчедан), вкрапленная в топлива до известной степени случайно и в значительной степени поддающаяся отбору при сортировке топлива. Сера в топливе, невзирая на то, что часть ее сгорает, считается примесью нежелательной, так как продукты ее сгорания вредно действуют на котельную установку и загрязняют окружающий воздух. Влага в топливе Wp— также примесь балластная, ее наличие особенно сильно сказывается в смысле снижения теплового эффекта горения, так как мало того, что вода своим присутствием уменьшает долю горючих элементов в единице веса топлива, она при горении топлива испаряется, отнимая на это часть тепла реакции. Находящаяся в топливе влага подразделяется на внешнюю и гигроскопическую. Находясь в сухом месте, топливо теряет внешнюю влагу и называется в таком случае воздушносухим. Оставшаяся часть влаги — гигроскопическая — удаляется из пробы топлива лабораторным путем. Кроме рабочего топлива, т. е. состава, характеризующего данное топливо при его загрузке в топку, при изучении структуры топлива приходится пользоваться также искусственно созданными производными этого основного состава, лишая их того или иного элемента. Так, исключая из рабочего состава влагу, можно получить характеристики сухого вещества топлива по выражению Зная состав рабочего топлива, этот пересчет сделать нетрудно. Если из 100 вес. ч. топлива выкинуть проценты, выражающие влажность, то оставшееся количество весовых частей каждого элемента будет относиться уже не к 100, а к 100—Wp. Если хотят произвести пересчет опять в отношении к 100, то, очевидно, проценты состава каждого элемента надо сначала отнести к единице, разделив на 100—??, и затем умножить на 100. Формула пересчета примет вид: и т. д. Зольность топлива принято считать на безводное топливо, т. е. а сухую массу, иначе могут получиться ошибочные представления о его засоренности. Влага и зола, являясь примесями балластными и внешними, в количественном отношении сильно колеблются даже для одного и того же рода топлива. Примесь влаги зависит от рода топлива и методов его добычи, транспортирования, хранения на складе и пр. Количество золы тоже непостоянно; для углей оно зависит от характера пласта, оборудования шахт, а также от способов обогащения (сортировок, моек и пр.). Зольность торфа зависит от способа добычи. Довольно устойчивая зольность дров увеличивается для сплавных дров по сравнению с дровами сухопутной доставки. Поэтому влага и зола, а также и колчеданная сера не могут служить характеристикой основной структуры исследуемого топлива — его органической части. Класс, например, угля, его геологическое происхождение, качество основной органической части определяются после отделения внешнего балласта и серы. Серу органическую отделять не следовало бы, но аналитически такое деление серы летучей горючей на две составляющие — органическую и колчеданную — химические лаборатории начали производить сравнительно недавно. Поэтому в органический состав топлива вводят только углерод, водород, кислород и азот, отделяя влагу, золу и летучую серу: Пересчеты элементарного состава топлива с одной массы на другую производятся по формулам, аналогичным уже приведенной формуле C). Например: и т. д. Чтобы лучше выявить средневзвешенные величины, характеризующие состав топлива определенного месторождения, необходимо отобрать большое количество проб и проделать сотни анализов. Только обрабатывая цифры, полученные в результате столь значительного количества анализов, можно будет с большей или меньшей вероятностью судить о качестве данного топлива, добываемого из пласта, рудника, болота и пр. Большинство анализов топлива, которыми располагают лаборатории, дает возможность определить не органическую структуру, а беззольно-безводный состав, или так называемую горючую массу топлива: Если анализов на органический состав мало и по ним рискованно судить о структуре топлива, то вместо органического состава пользуются весьма близко примыкающей к нему характеристикой горючей массы. Пути повышения эффективности использования топливно- энергетических ресурсов. Эффективность использования энергетических ресурсов определяется степенью преобразования их энерге­тического потенциала в конечную продукцию или в конечные виды энергии, полезно используемые для нужд народного хозяйства или населения (например, в механическую энергию движения, в теплоту, обеспечивающую необходимые условия в помещении, и др.). Уровень использования энергетических ресурсов зависит от степени извлечения их при добыче; сохранения добытого топлива при его первичной переработке (например, обога­щении), транспортировании и хранении; от степени преобразования добытых первичных энергетических ресурсов в нужный вид энергии (тепловую, механическую, электрическую и др.), а также от степени полезного использования конечного вида энергии. При этом если полнота извлечения энергетических ресурсов при добыче, сохранение добытого складировании и топлива при транспортировании’ его первичной определяют­ся переработке, в основном технологическим совершенством применяемых средств и 1ехнологпй, то степень преобразования первичных энергоресурсов в другие виды энергии и особенно уровень полезного использования конечного вида энергии определяются не только применяемыми при этом средствами и процессами, но и эффективностью термодинамических циклов, лежащих в основе технологических схем преобразования энергии. Традиционные использования процессы энергетических технологии ресурсов добычи, основываются переработки на том, и что энергетические ресурсы всегда могут быть легко добыты с небольшими затратами труда. Это, а также уровень развития техники явились причиной сохранения достаточно низких значений коэффициента извлечения топлива, который для месторождений нефти не превышает 30—40 %, газа — 80 %, угля — 40 % и ниже. Выработка дешевых месторождений топлива и необходимость разработки новых труднодоступных его запасов, а также связанное с этим повышение стоимости добычи в настоящее время привели к необходимости внедрения новых технологий добычи топлива с целью повышения степени его извлечения из недр. Повышение степени извлечения нефти до 40—45% возможно путем закачивания в нефтяной пласт водяного пара, газов с температурой, химических реагентов, понижающих вязкость нефти, а газа — путем применения жидкостей, вытесняющих газ, и др. Так, при преобразовании химической энергии органического топлива в тепловую путем его сжигания эффективность преобразования будет определяться полнотой сжигания топлива и тепловыми потерями в окружающую среду от ограждающих конструкций устройства, в котором это преобразование производится. Современные топочные устройства позволяют обеспечить степень такого преобразования, равную 97—99 % в крупных энергетических установках и 95— 97 % в установках малой мощности. Преобразование же тепловой энергии продуктов сгорания в тепловую энергию рабочего тела (теплоносителя — водяного пара, горячей воды и др.) электростанций и систем теплоснабжения в поверхностях рекуперативных теплообменников (паровых и водогрейных теплогенераторах, паровых котлах электростанций и др.) происходит с меньшей эффективностью в связи с обязательным (по второму закону термодинамики) отводом части теплоты с уходящими газами. Коэффициент использования энергии при таком ее преобразовании лежит в пре­делах от 92 % (для энергоустановок большой мощности) до 70—75 % (для установок малой мощности). Покидаю­щие установку продукты сгорания имеют температуру от 160 до 300°С с запасом низкопотенциальной тепловой энергии до 250—300 кДж/кг газов; даже частичное использование ее позволяет существенно повысить степень преобразования энергии. Преобразование же тепловой энергии продуктов сгорания в другие виды энергии (например, механическую энергию вращения паровой турбины на тепловых электростанциях или вращения вала Двигателя внутреннего сгорания) происходит с большими потерями в связи с большой температурой газов, по­кидающих эти тепловые установки; так, величина т)гш паровой турбины не превышает 45 %, а карбюраторного Двигателя внутреннего сгорания — 23—30 %. В энергетическом балансе в целом степень полезного использования добытых энергетических ресурсов в настоящее время оценивается в 36 %, при этом степень их использования на электростанциях, включая теплоэлектроцентрали, составляет 48,3 %, в котельных — 69 %, в установках прямого использования топлива (в промышленных и отопительных печах, бытовых приборах, двигателях и др.) — 32,6 %, в том числе в отопительных системах — 50 %. В целях повышения эффективности использования традиционных энергетичес­ких ресурсов и экономии органического топлива в Энергетической программе предусмотрено: замещение органического топлива другими источниками энергии и снижение удельных норм расхода топлива и энергии. Снижение удельных норм расхода топлива и энергии (тепловой и электрической), которое должно обеспечить. снижение общей потребности в энергетических ресурсах на 540—580 млн. т у. т., должно быть осуществлено, главным образом, за счет повышения эффективности преобразования энергии, повышения эффективно­сти конечных видов энергии, рационального и экономного их использования. Так, применительно к системам производства тепловой энергии из органического топлива повышение эффек­тивности использования топлива возможно за счет: 1) использования тепловой энергии сбрасываемых продук­тов сгорания и повышения тем самым КПД теплогенерирующей установки; 2) применения новых технологичес­ких схем сжигания топлива, обеспечивающих большую эффективность преобразования его энергии в тепловую энергию рабочего тела теплогенератора (например, перевод котлов с сжигания в них топлива в плотном слое на колосниковой решетке на сжигание топлива в кипящем слое и др.); 3) механизации систем подачи топлива и отвода шлака и золы при сжигании твердого топлива, что позволяет улучшить условия эксплуатации теплогенерирующей установки и снизить потери топлива; 4) автоматизации работы теплогенерирующей установки, что позволяет обеспечить работу на номинальных режимах в течение всего времени ее эксплуатации; 5) распределения топлива по потребителям с учетом качества топлива и технологии его сжигания у потребителя. В СССР 38—40 % производимой тепловой энергии расходуется на коммунально-бытовые нужды населения, в том числе на отопление зданий. Поэтому при строительстве зданий необходимо учитывать, что за счет снижения теплозащитных свойств наружных ограждений зданий, излишнего увеличения световых проемов и повы­шенной инфильтрации через наружные ограждения резко возрастают удельные потери теплоты в жилых и об­щественных зданиях. Это приводит к значительному росту потребности в тепловой энергии и к соответствующему увеличению эксплуатационных расходов. Снизить эти неоправданные потери и связанный с ними перерасход энергоресурсов на многие десятки миллионов т у. т. можно и необходимо за счет повышения качества строительства, повышения термического сопротивления ограждающих конструкций зданий, тройного остекления окон там, где это нужно, и других мероприятий. Большие потери тепловой энергии имеют место с вентиляционными выбросами промышленных предприятий, имеющих температуру до 25—40 °С. Это еще один источник тепловой энергии, использование которого позволит сократить расходы первичных энергоресурсов в народном хозяйстве страны. Все источники энергии, получаемые из побочных продуктов или отходов основного производства, относятся к побочным (вторичным) энергетическим ресурсам. Побочным энергетическим ресурсом называется облагороженный, переработанный или преобразованный энергетический ресурс, полученный в качестве побочного продукта или отхода основного производства. По виду заключенной в них энергии побочные (вторичные) энергетические ресурсы (ВЭР) подразделяют на три основные группы. 1. Горючие (топливные) ВЭРы, представляющие собой горючие отходы технологических процессов химической и термохимической переработки углеродистого и. углеводородного сырья: горючие городские и сельскохо­зяйственные отходы; углеводородные отходы (отработанное масло, растворители и др.) машиностроительных и других предприятий. К горючим отходам относят: доменный газ, отходящий газ сланцевых печей, упаренные щелоки целлюлозно-бумажного производства, отработанные масла и смазки, городской мусор, отработанные ра­створители. Химическая энергия горючих ВЭР преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания в резуль­тате их сжигания. 2. Тепловые ВЭР — практически любые теплоносители, имеющие температуру выше температуры окружающей среды и способные при определенных условиях выделять определенное количество теплоты для последующего использования. К тепловым ВЭРам относятся: нагретые отходящие газы технологических агрегатов; основная, побочная и промежуточная продукция и отходы основного производства; рабочее тепло систем принудительного охлаждения технологических агрегатов; отработанная горячая вода и водяной пар технологических и силовых установок. Тепловые ВЭР в результате использования отдают часть своей энергии энергоносителю с более низкой температурой за счет процессов тепломассопереноса. 3. ВЭР избыточного давления — газы и жидкости, покидающие технологические агрегаты под избыточным давлением и способные передать часть накопленной потенциальной энергии перед последующей ступенью их ис­пользования или сбросом в окружающую среду. В зависимости от видов и параметров различают четыре основные направления использования ВЭР: а) топливное — непосредственное использование горючих ВЭР в качестве топлива; б) тепловое — использование теплоты, получаемой непосредственно в качестве ВЭР или вырабатываемой за счет ВЭР в утилизационных установках; в) силовое — использование механической и электрической энергии, вырабатываемых за счет ВЭР в утилизационных установках; г) комбинированное — использование теплоты и электрической (или механиче­ской) энергии, одновременно вырабатываемых за счет ВЭР в утилизационных установках (утилизационных ТЭЦ) по тепловому циклу. В СССР в 1980 г. полезное использование побочных (вторичных) энергоресурсов составило 43 % их объема и было сэкономлено 58 млн. т у. т. В наибольшей степени в стране используются горючие ВЭР, доля использо­вания которых в 1980 г. составила 87 %. Тепловые побочные энергоресурсы в 1980 г. использовались только на 36,9 %. За счет ввода в эксплуатацию более 2100 утилизационных установок объем использования тепловых ВЭР увеличивается с 0,482 ЭДж (в 1980 г.) до 0,690 ЭДж (в 1985 г.), т. е. на 43 %. Значительны потери тепловой энергии с низкопотенциальными энерге­тическими отходами: уходящими газами с температурой менее 300 °С, горючими сточными водами и вентиляци­онными выбросами, имеющими температуру не ниже 19—24 °С. Применительно к теплогенерирующим уста­новкам потенциальными источниками побочных (вторичных) энергетических ресурсов могут быть: уходящие продукты сгорания из газового тракта теплогенераторов; горячие шлак и зола при сухой непрерывной продувки выгрузке их из топки котла; вода системы котла; конденсат паровых теплообменников, расположенных в зда­ниях тепловой станции, и др. Вопросы для самоконтроля. 1. Какие характеристики определяют ценность топлива? 2. Какие элементы топлива являются горючими? 3. Присутствие в топливе какого элемента нежелательно? 4. Чем определяется эффективность использования энергетических ресурсов? 5. На какие группы подразделяют побочные энергетические ресурсы по виду заключенной в них энергии?
