🗊Презентация Энергетическое топливо

Энергетическое топливо

Содержание Органическое топливо Теплота сгорания топлива Газообразное топливо Определение расходов воздуха и продуктов сгорания топлива Горелочные устройства

Органическое топливо

Состав органического топлива

Характеристики топлива Рабочее состояние топлива (р) Сухое состояние топлива (с) Горючее (сухое беззольное ) состояние (г)

Теплота сгорания топлива Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива [Дж/кг, Дж/м3] Высшей теплотой сгорания Qв топлива называется количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива (1 м3 газообразного топлива) при условии конденсации водяных паров и охлаждении всех продуктов сгорания до 0 С. Низшая теплота сгорания Qн отличается от высшей на величину теплоты испарения влаги топлива и влаги, образующейся при горении водорода. Связь между высшей и низшей теплотой сгорания

Теплота сгорания топлива Формула Менделеева Теплота сгорания твердого и жидкого топлива в рабочем состоянии, кДж/кг: Теплота сгорания газообразного топлива, МДж/м3

Теплота сгорания топлива

Теплота сгорания топлива Для сравнения экономичности работы на различных видах топлива введено понятие условного топлива, имеющего теплоту сгорания Qу = 7000 ккал/кг (29,33 МДж/кг) Тепловая мощность топочного устройства N связана с расходом B топлива и теплотой сгорания очевидным соотношением, МВт, Связь между расходами условного и натурального топлив

Твердое топливо

Жидкое топливо В соответствии с ГОСТ 10585-75 установлены следующие марки мазутов: флотский Ф 5 и Ф 12; топочный М 40 и М 100. Марка мазута характеризует максимальное значение условной вязкости при температуре 50 С. Флотские мазуты относятся к категории легких топлив, топочный мазут марки М 40 – к категории средних топлив, топочный мазут марки 100 – к категории тяжелых топлив. В пределах марок топочные мазуты подразделяются на три сорта в зависимости от содержания серы: малосернистые (Sр  0,5 %), сернистые (Sр = 0,5-2,0 %) высокосернистые (Sр = 2,5-3,5 %). Для мазута, получаемого при переработке высокосернистой нефти, допускается содержание серы не более 4,3 %.

Жидкое топливо ВЯЗКОСТЬ Под условной вязкостью понимают отношение времени непрерывного истечения 200 мл продукта при определенной температуре (50 С) ко времени истечения дистиллированной воды при 20 С Вязкость мазутов зависит от температуры, давления, предварительной термообработки. Теплота сгорания обезвоженного мазута колеблется в пределах от 39 до 41,5 МДж/кг

Газообразное топливо Важнейшие характеристики газового топлива: теплота сгорания, плотность концентрационные пределы взрываемости газа в смеси с воздухом Плотность газа по отношению к плотности воздуха определяет возможность скопления газа в верхней или нижней части помещений или установок. Плотность природного газа в нормальных условиях составляет 0,74 кг/м3. Концентрационные пределы взрываемости смесей газового топлива с воздухом характеризуют диапазон концентраций, в пределах которых эти смеси способны взрываться при наличии источника зажигания. Для природного газа в смеси с воздухом концентрационные пределы взрываемости составляют 5-15 %.

Газообразное топливо Попутный газ получают при разработке нефтяных месторождений в процессе десорбции растворенных в нефти (50-60 м3 на 1 тонну добываемой нефти). Для попутного газа характерно наибольшее (до 50 %) содержание высших углеводородов по сравнению с другими видами газового природного топлива. Газ газоконденсатных месторождений помимо метана содержит до 10 % высших углеводородов, главным образом пропана и бутана. Газ чисто газовых месторождений состоит почти из одного метана; этан и пропан содержится в незначительных количествах. Балласт природного газа представлен преимущественно азотом и диоксидом углерода, в некоторых случаях в объемный состав входит до 1 % гелия. Большинство газовых месторождений России дает топливо, практически не содержащее сернистых соединений. Исключением является Оренбургское месторождение, где в газе содержится 5-6 % сероводорода.

Газообразное топливо Теплота сгорания природного газа 33-38 МДж/м3, и она тем ниже, чем меньше высших углеводородов содержится в газе. Искусственным газовым топливом являются горючие газы, получаемые в разнообразных технологических процессах: в металлургии, при переработке нефти, при переработке твердых горючих ископаемых. В некоторых случаях горючий газ является побочным продуктом основного производства. В доменном производстве на каждую тонну выплавленного чугуна образуется около 2200-3000 м3 доменного газа с теплотой сгорания 3,5-4 МДж/м3, содержащего 25-30 % оксида углерода и 2-3 % водорода. При производстве металлургического кокса на каждую тонну кокса получают ~ 300 м3 коксового газа с теплотой сгорания около 17-18 МДж/м3, содержащего Н2≈ 60 %, СО≈ 6 %, СН4≈ 25 %. В двадцатых годах предыдущего столетия был отработан слоевой процесс воздушной газификации угля, что позволяло получать низкокалорийный газ, содержащий 60 % N2, 30 % СО и 10 % СО2, имеющий теплоту сгорания около 4 МДж/м3.

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ Под теоретически необходимым понимают количество воздуха, которое требуется для полного окисления 1 кг твердого или жидкого либо 1 м3 газообразного топлива. При этом считают, что кислород топлива затрачивается на окисление горючих элементов С + О2 = СО2 S + O2 = SO2 2H2 + O2 = 2H2O СmHn+(m+n/4)O2=mCO2+0,5nH2O Суммарный объем кислорода необходимый для полного окисления горючих элементов топлива составит, м3/кг

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ Теоретически необходимое количество воздуха при сжигании твердого или жидкого топлива, м3/кг Теоретически необходимый объем воздуха для окисления 1 м3 газообразного топлива, м3/м3 Для обеспечения полного выгорания топлива в топке воздух подают в количестве всегда несколько большем теоретически необходимого. Отношение действительно поданного количества воздуха к теоретически необходимому называют коэффициентом избытка воздуха .

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ При тепловых расчетах котла энтальпию продуктов сгорания за каждой поверхностью нагрева определяют по составу дымовых газов и температуре. Для расчета энтальпий продуктов сгорания необходимо с достаточной точностью рассчитывать объемы продуктов сгорания. Реакции горения при высоких температурах идут с большой скоростью, поэтому состав конечных продуктов близок к равновесному. Состав продуктов сгорания при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива либо 1 м3 газообразного можно записать в следующем виде

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ Первые три слагаемых представляют собой продукты полного окисления горючих элементов топлива. Они состоят из трехатомных сухих газов и объема водяных паров Следующие три слагаемых представляют собой объемы азота и кислорода, определяемые как остаток сухого воздуха после горения топлива и объем водяных паров. Здесь , так как кислород в значительной мере израсходован на окисление. Объем водяных паров включает в себя влагу топлива и воздуха. Оставшиеся три слагаемых представляют собой продукты неполного горения

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ При полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива либо 1 м3 газообразного , а также отсутствии избыточного воздуха в образующихся газообразных продуктах должны содержатся лишь продукты полного окисления горючих элементов СО2, SО2, Н2О и азот воздуха N2. В этом случае объемы газов называют теоретическими

Материальный баланс процесса горения Теоретический объем сухих трехатомных газов при сжигании твердого и жидкого топлива составит, м3/кг При сжигании газообразного топлива объем сухих трехатомных газов составит, м3/м3

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ Теоретический объем азота: при сжигании твердого и жидкого топлива, м3/кг: при сжигании газообразного топлива, м3/м3

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ Теоретический объем водяных паров при сжигании твердого и жидкого топлива м3/кг где Gф – удельный расход пара на распыл мазута (обычно составляет 0,3 кг/кг при использовании паровых форсунок) при сжигании газообразного топлива, м3/м3

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ Избыточное количество воздуха приводит к увеличению объема азота и водяных паров в продуктах сгорания Кроме того, в продуктах сгорания появляется кислород Действительный объем продуктов сгорания может быть рассчитан так, м3/кг (м3/м3) Объем сухих газов, м3/кг (м3/м3):

Материальный баланс процесса горения При сжигании топлива в реальных условиях необходимо учитывать изменение теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания м3/кг (м3/м3) Для определения производительности вентилятора и дымососа необходимо учитывать реальные условия, при которых воздух подается на горения в котел, а дымовые газы из него удаляются При проведении аэродинамического расчета учитывается изменение давления в газоходе и воздуховоде, а также значения коэффициентов запаса β1 – коэффициент запаса по напору β2– коэффициент запаса по производительности β3 – коэффициент запаса по мощности

Тепловой баланс процесса горения Энтальпия продуктов сгорания кДж/кг, кДж/м3 Энтальпия теоретических объемов продуктов сгорания кДж/кг, кДж/м3 Здесь (сt)RO2, (сt)H2O, (сt)N2 - теплоемкости продуктов сгорания при заданной температуре, кДж/кг, кДж/м3 Энтальпия теоретически необходимого количества воздуха кДж/кг, кДж/м3 Энтальпия золы кДж/кг, кДж/м3 где аун – доля уносимой золы

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ Избыточное количество воздуха приводит к увеличению объема азота и водяных паров в продуктах сгорания Кроме того, в продуктах сгорания появляется кислород Действительный объем продуктов сгорания может быть рассчитан так, м3/кг (м3/м3) Объем сухих газов, м3/кг (м3/м3):

ГОРЕЛКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ АГРЕГАТОВ ГОРЕЛКИ КИНЕТИЧЕСКИЕ осуществляется предварительное перемешивание газа с воздухом в пределах смесительной камеры, что позволяет сжигать топливо с минимальными значениями коэффициента избытка воздуха =1,02-1,05. ДИФФУЗИОННЫЕ применяют чаще всего на установках с большим объемом камеры сгорания, когда за счет растянутого горения требуется обеспечить равномерную теплоотдачу по всей тепловоспринимающей поверхности (=1,1-1,15)

ИНЖЕКЦИОННАЯ ГОРЕЛКА

ИНЖЕКЦИОННАЯ ГОРЕЛКА Преимущества инжекционных горелок: возможность работы без принудительной подачи воздуха; низкие избытки воздуха   = 1,02-1,08, так как осуществляется полное предварительное смешение; автоматическое поддержание постоянства избытка воздуха при различных нагрузках. Недостатки: расход газа не должен превышать 60 м3/ч (соответственно мощность не более 0,7 МВт). При больших расходах газа резко возрастет размер горелок и металлоемкость; повышенный уровень шума при В  60 м3/ч.

Горелочные устройства энергетических котлов Газомазутные горелки

Ротационная газомазутная горелка

Ротационная форсунка

Тепловой баланс процесса горения Эффективность использования топлива в топочном устройстве определяется двумя основными факторами: полнотой сгорания топлива в топочной камере глубиной охлаждения продуктов сгорания. Распределение вносимой в топку теплоты на полезно используемую и тепловые потери производится путем составления теплового баланса. Тепловой баланс составляется на 1 кг твердого или жидкого топлива либо на 1 м3 газообразного топлива. Для котельных агрегатов составляют прямой и обратный тепловые балансы

Тепловой баланс процесса горения Для парового котла  - КПД котла; Вт – расход топлива, кг/с (м3/с) Dпп – расход перегретого (насыщенного) пара, кг/с hпп – энтальпия перегретого (насыщенного) пара, кДж/кг hпв – энтальпия питательной воды, кДж/кг h’ – энтальпия воды в состоянии насыщения при давлении в барабане, кДж/кг Dпр – расход воды с непрерывной продувкой, кг/с Qрн – теплота сгорания топлива, кДж/кг, кДж/м3

Тепловой баланс процесса горения Для водогрейного котла  - КПД котла; Вт – расход топлива, кг/с (м3/с) Gв – расход воды на котел, кг/с св – теплоемкость воды, кДж/(кгК) tпр – температура прямой воды (на выходе из котла), С tобр – температура обратной воды (на входе в котел), С Qрн – теплота сгорания топлива, кДж/кг, кДж/м3

Тепловой баланс процесса горения ОБРАТНЫЙ БАЛАНС КОТЛА Располагаемая теплота, кДж/кг (кДж/ м3) где Qв.вн  теплота, вносимая в топку воздухом, подогретым вне котла; iт  физическая теплота топлива, определяемая его температурой. Обязательным является учет iт при сжигании мазута, поскольку он подогревается для распыла до 100–130 С. Располагаемая теплота расходуется на производство полезной теплоты Q1 и тепловые потери Qрр располагаемая теплота на 1 кг твердого или жидкого либо на 1 м3 газообразного топлива; Q1 – полезно используемая теплота; Q2 – потеря теплоты с уходящими газами; Q3  потеря теплоты с химической неполнотой сгорания топлива,; Q4 – потеря теплоты с механической неполнотой сгорания; Q5 – потеря теплоты через ограждения; Q6 – потеря с физической теплотой шлака.

Тепловой баланс процесса горения Разделив правую и левую части выражения на Qрр получим Коэффициент полезного действия котла (по обратному балансу) Большая часть теплоты, вносимой в топку, воспринимается поверхностями нагрева и передается рабочему телу. За счет этой теплоты производится подогрев воды до температуры кипения, ее испарение и перегрев пара. Это полезно используемая теплота, остальная часть составляет тепловые потери Полезное тепловосприятие связано с паропроизводительностью котла D соотношением

Тепловой баланс процесса горения Наибольшей из потерь является потеря теплоты с уходящими газами, %, где Нух и Н0хв  энтальпия уходящих газов и теоретического количества холодного воздуха (при температуре 30 С) соответственно; ух  коэффициент избытка воздуха в уходящих газах. В продуктах сгорания топлив могут находиться газообразные горючие компоненты СО, Н2, СН4. Их догорание за пределами топочной камеры практически невозможно вследствие низких температур и концентраций как горючих компонентов, так и кислорода. Теплота, потерянная в результате неполного сгорания горючих веществ, составляет химический недожог топлива Q3, кДж/кг (кДж/м3).

Тепловой баланс процесса горения Расчет потерь теплоты q3, %, производят по формуле где СО, Н2, СН4 – объемные содержания продуктов неполного сгорания топлива в сухих продуктах сгорания, %; Vс.г – объем сухих продуктов сгорания, м3/кг. Химический недожог при сжигании газообразного и жидкого топлива составляет q3=0-0,5 %, а при сжигании твердого топлива в факеле принимается равным нулю. Потеря теплоты с химическим недожогом сильно зависит от коэффициента избытка воздуха и нагрузки топочного устройства. Наличие химического недожога при  = 1 определяется несовершенством перемешивания топлива с воздухом. При коэффициенте избытка воздуха кр (кривая q3) химический недожог не возникает. Обычно кр = 1,02-1,03 и характеризует степень аэродинамического несовершенства горелочного устройства.

Тепловой баланс процесса горения

Тепловой баланс процесса горения При сжигании торфа, углей, сланцев механический недожог представляет собой коксовые частицы, которые, находясь некоторое время в зоне высоких температур факела, успели выделить летучие вещества и, возможно, частично обгорели. В нормальных условиях эксплуатации потери с механическим недожогом при сжигании твердых топлив составляют q4 = 0,5-5 %. Потери q4 при сжигании газа и мазута невелики (обычно менее 1 %), и их рассматривают совместно с потерями q3. При камерном сжигании твердого топлива потери теплоты с механической неполнотой сгорания q4 подразделяются на потери с уносом и со шлаком , при этом преобладающую часть составляют потери теплоты с уносом . где ашл и аун – соответственно доля золы в шлаке и в уносе; Гшл и Гун – содержание горючих в шлаке и уносе, %; 32,7 – теплота сгорания коксовых частиц в шлаке и уносе, МДж/кг.

Тепловой баланс процесса горения Значение потерь теплоты от наружного охлаждения q5 составляет от 0,2 до 2,5 % Потеря теплоты с физической теплотой шлака, % Температуру горения для реальных условий можно определить из теплового баланса горения где Qрр располагаемая теплота топлива; Qфт и Qфв физическая теплота топлива и воздуха соответственно;  Q1 теплота, отданная теплообменными поверхностями в окружающую среду;   QД  теплота, затраченная на диссоциацию. С учетом Нг=Vicit получим выражение для расчета температуры горения Максимальное значение температуры получим при условии , т. е. в адиабатных условиях. Температура горения, получаемая в адиабатных условиях, называется теоретической температурой горения. Расчетное определение температуры горения осложнено зависимостью теплоемкости и теплоты диссоциации от температуры и возможно лишь с использованием ЭВМ.

Тепловой баланс процесса горения