Проверочный тепловой расчет котлоагрегата типа КЕ-4-14 на твердом топливе (стр. 2 из 13)

Горючее – топливо, которое выделяет теплоту при взаимодействии с окислителем (воздухом), а расщепляющееся (ядерное) – выделяет теплоту в процессе торможения продуктов деления тяжелых ядер химических элементов при взаимодействии их с нейтронами. Горючее топливо делится на органическое и неорганическое. В теплогенерирующих котельных установках (ТГУ) применяют органическое топливо, которое по агрегатному состоянию делят на твердое, жидкое и газообразное, а по способу получения – на естественное и искусственное.

Естественные: уголь, торф, сланцы, древесина, природный газ, попутный газ нефтяных месторождений.

Искусственные (синтетические, композиционные): топливные брикеты, торфяной кокс, дизельное и соляровое топливо, мазут (топочный, бытовой), топливные эмульсии и суспензии, доменный, коксовый, сланцевый газ.

Горением называется быстрый процесс экзотермического окисления горючего вещества, сопровождающегося выделением значительного количества тепловой энергии. Особенности процесса горения, отличающие его от родственных процессов окисления: высокая температура; быстротечность по времени; неизотермичность; изменение концентрации компонентов, структуры и формы поверхности реагирования во времени. По своей природе горение – процесс, протекающий при непрерывном подводе горючего и окислителя в зону горения и отводе газообразных продуктов сгорания. В основе процесса горения лежат экзотермические и эндотермические реакции, которые описываются стехиометрическими уравнениями и принципиальной особенностью которых является их обратимость (принцип Ле-Шателье). Для протекания реакции необходимо перемешивание компонентов на молекулярном уровне, иными словами, необходим процесс массопереноса реагирующих компонентов в зону реакции и продуктов реакции из нее. Процесс массопереноса осуществляется в турбулентном потоке за счет турбулентной диффузии, а в ламинарном потоке, неподвижной среде и в пограничном слое – за счет молекулярной диффузии, которые при постоянной температуре и давлении описываются законом Фика. Если реакция горения протекает мгновенно, то это явление называется взрывом. В зависимости от фазового состояния реагирующих веществ химические реакции горения делят на:

1) гомогенные – протекающие в объеме между компонентами, находящимися в одной фазе (газ и воздух);

2) гетерогенные – протекающие на поверхности раздела фаз (уголь или капля мазута и воздух).

1.3 Основные характеристики топлива

Общеизвестны основные разновидности топлива–дрова, торф, уголь, сланцы, нефтяные остатки, газ. Все они представляют собой органические соединения, способные при высоких температурах вступать в реакцию с кислородом воздуха, при чем происходит выделение тепла. Существует немало реакций, протекающих с выделением тепла, однако в качестве топлива применяются наиболее дешевые и удобные для сжигания реагенты. Топливо добывается в большом количестве, запасы его в природе весьма значительны. Требующийся для реакции кислород берется из окружающего воздуха. В результате реакции получаются сильно нагретые газообразные продукты сгорания, тепло которых используется в котельной установке. Охлажденные газы через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу. Для сжигания может использоваться как естественное топливо, гак и искусственное, полученное после переработки естественного топлива с целью выделения из него ценных продуктов, к которым относятся смолы, бензины, бензолы, минеральные смазочные масла, краски, фармацевтические продукты, сернокислый аммоний, идущий для нужд сельского хозяйства, и др. Ниже приводится главнейший перечень разновидностей углей.

Таблица 1.3.1а – Классификация углей по размеру кусков (ГОСТ 19242 – 73)

Класс	Условное обозначение	Размер кусков, мм
Плиточный	П	Более 100
Крупный	К	50–100
Орех	О	25–50
Мелкий	М	13–25
Семечко	С	6–13
Штыб	Ш	Менее 6
Рядовой	Р	0–200

Таблица 1.3.1б – Маркировка каменных углей

Наименование марок угля	Обозначение	Выход летучих веществ на горючую массу, V^г, %
Длиннопламенный	Д	>35
Газовый	Г	>35
Газовый жирный	ГЖ	27–37
Жирный	Ж	27–37
Коксовый жирный	КЖ	25–31
Кокосовый	К	18–27
Коксовый второй	К2	17–25
Слабоспекающийся	СС	25–37
Отощенный спекающийся	ОС	14–22
Тощий	Т	8–17

Топливо, расходуемое на сжигание в топках котлов или печей, называется рабочим топливом. Если мы отберем пробу рабочего топлива и исследуем ее в химической лаборатории, определив элементарный состав, то получим следующее равенство:

W^P+A^P+S^P+C^P+H^P+N^P+O^P=100%,

где индексом «P» 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 C^P, H^P и S^P – углерод, водород и летучая горючая сера – в отличие от серы негорючей, входящей в состав минеральных негорючих примесей топлива, образующих после его сжигания золу A^P. Чем больше процентное содержание горючих элементов в топливе, тем выше его теплотворная способность – величина, указывающая количество больших калорий, выделяемых при сжигании 1 кг топлива.

O^P – кислород, находящийся в топливе; тепла, как известно, не выделяет.

N^P – 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 A^P – это негорючая минеральная часть топлива; в нее входят по преимуществу соли щелочных и щелочноземельных 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).

Сера S встречается в трех видах: органическая и колчеданная, или летучая горючая сера, а также сульфатная негорючая сера. Летучая сера дает 10 МДж теплоты.

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

–органическая сера, входящая в состав основного ядра топлива, его материнского вещества;

–сера колчеданная, находящаяся в соединении с железом (FeS₂–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 W^P – 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. Оставшаяся часть влаги – гигроскопическая – удаляется из пробы топлива лабораторным путем.

Количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы топлива, называется его теплотворностью, или теплотой сгорания и измеряется в кДж/кг или кДж/м³. Теплота сгорания – основной параметр органического топлива, характеризующий его энергетическую ценность. Различают высшую и низшую теплоту сгорания. За высшую теплотворность

принимают количество теплоты, выделенное 1 кг (или 1 м³) рабочего топлива, причем, считают, что водяные пары, образующиеся от сгорания водорода и испарения влаги топлива, конденсируются. Низшей теплотой сгорания топлива

называют количество теплоты, выделенное 1 кг (или 1 м³) рабочего топлива, без учета конденсации водяных паров.

В реальных условиях водяные пары уходят в атмосферу, не сконденсировавшись, и поэтому для расчетов используют низшую теплоту сгорания топлива. Теплота

меньше

на теплоту парообразования водяных паров (2460 кДж/кг). Удельная теплота сгорания твердого и жидкого топлива определяется сжиганием 1 г топлива в калориметрической бомбе, заполненной кислородом, которая помещается в сосуд (калориметр) с водой, а приращение температуры воды измеряется метастатическим термометром. Удельная теплота сгорания газообразного топлива определяется в калориметре путем сжигания исследуемого газа в воздушной среде. Расход газа измеряется счетчиком, а выделившаяся при этом теплота передается потоку проточной воды, расход которой определяется взвешиванием, а приращение температуры – термометрами.