Володин В.И Энергосбережение

Подождите немного. Документ загружается.

рассмотрения материала особое внимание уделяется эффективному

использованию энергии во всей энергетической цепочке.

2.1. Топливо

Топливо - горючее вещество, применяемое для получения теплоты путем

его сжигания. Топливо по происхождению делят на природное (уголь, торф,

нефть, горючие сланцы, древесина и др.) и искусственное (моторное топливо,

генераторный газ, кокс, брикеты и др.). В настоящее время термин «топливо»

распространяется на все материалы, служащие источником энергии. Например,

ядерное топливо. По своему агрегатному состоянию его делят на твердое,

жидкое и газообразное, а по своему назначению при использовании  на

энергетическое, технологическое, бытовое. Наиболее высокие требования

предъявляются к энергетическому топливу, а минимальные  к бытовому.

Свойства топлива в основном определяются химическим составом.

Состав топлива. Твердое и жидкое топливо в общем случае состоит из

углерода, водорода, серы, кислорода, азота, минеральных примесей А и влаги W.

Состав топлива в рабочем состоянии, в том виде, в котором оно сжигается,

выражается следующим образом:

%100WANOSHC

ppppppp

=++++++

. (2.1)

Если из рассмотрения исключить влагу, такое топливо перейдет в сухое

состояние. Состав его записывается с индексом «с». Состав топлива как

горючего материала, не содержащего минеральные примеси и влагу,

определяется в сухом беззольном (горючем) состоянии и записывается с

индексом «г».

Горючими компонентами топлива являются углерод, водород и сера. Чем

выше содержание углерода в топливе, тем больше выделяется теплоты при его

сгорании. С возрастом топлива содержание углерода в нем увеличивается.

Кислород, как и остальные элементы, содержится в виде сложных органических

соединений. Чем больше в них кислорода, тем большая доля углерода и

водорода топлива химически связана с ним фактически. С увеличением возраста

топлива доля кислорода уменьшается от 45% у древесины до 2% у антрацита в

горючем состоянии.

Твердое топливо характеризуется также выходом летучих веществ при его

нагреве без доступа воздуха. Летучие вещества выходят в виде газов, смоляных

и водяных паров. С увеличением выхода летучих веществ проще зажечь топливо

и поддерживать его устойчивое горение. У древесины выход летучих веществ

составляет 85-90%, а у антрацитов - 3-4%.

Жидкие топлива получают путем переработки нефти. Нефть, жидкое

горючее полезное ископаемое, представляет собой в основном сложную смесь

углеводородов. Из нефти вырабатывают котельное топливо мазут (температура

кипения t

=330-350

С), дизельное топливо (t

=180-360

С), керосин (t

=120-

135

С), бензин (t

=30-180

С) и сжиженный газ с выходом около 1%.

К газообразному топливу относятся природный газ, попутный и

сжиженный газ. В последнее время большое внимание уделяется получению и

использованию на основе возобновляемых источников энергии генераторного

газа и биогаза. Основным элементом природного газа является метан СН

, а

также высшие углеводороды С

, азот N

и диоксид углерода СО

. Попутный

газ получают при добыче нефти. Он содержит больше высших углеродов.

Сжиженный газ получают при первичной переработке нефти и попутных

нефтяных газов.

Теплота сгорания топлива. Основной характеристикой топлива является

теплота сгорания - количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании

единицы топлива. Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива относят к 1 кг,

а газообразного - к 1 м

. Различают высшую

и низшую

теплоту

сгорания. В первом случае учитывается теплота конденсации водяных паров,

образовавшихся в процессе горения. Считается, что все количество водяных

паров, которое получается при сжигании единицы топлива, будет полностью

сконденсировано. Во втором случае величина энтальпии водяных паров не

учитывается.

В табл.2.1 приведены усредненные характеристики твердых и жидких

топлив как по составу, так и по теплоте сгорания. Представленные данные

характеризуют связь состава топлива с теплотой сгорания. Чем выше в топливе

содержание горючих компонентов, тем больше значение теплоты сгорания.

Таблица 2.1

Состав и теплота сгорания топлива

Состав топлива Вид топлива

C H N O S A W

МДж/кг

Торф 25-60 2,6-6 1,1-3,0 15-40 - 6-50 0-95 8-21

Бурый уголь 55-60 4-6,5 - 15-30 - 9-50 35-62 19,3-31

Антрацит 94-97 1-3 1,0 3,0 - - 34,3

Древесина 48-52 6-7 0,1-0,6 43-45 - - 60-100 12,5

Нефть 82-87 11-14 0,7-1,8 0,1-5,5 0,3 0,4 44,9

Мазут 87,5 10,7 0,7 0,6 0,3 0,2-4,0 40,3-41,3

Оценка эффективности использования топлива при его сжигании в

Беларуси и странах СНГ основана на низшей теплоте сгорания

. В США,

Англии - на высшей теплоте сгорания. В других странах Западной Европы как на

низшей, так и на высшей. Энергетические характеристики некоторых видов

топлива с учетом

Q и

Q даны в табл.2.2. Из таблицы видно, что наибольший

эффект от использования

Q по сравнению с

Q достигается при

использовании природного газа, когда экономия топлива равна 11%, а

минимальный эффект соответствует легкому жидкому топливу и равен 6%.

Таблица 2.2

Эффект от использования высшей теплоты сгорания топлива [2]

Вид топлива

кДж/м

Природный газ 41255 37260 1,11 3995

Пропан 101800 93565 1,09 8235

Бутан 133990 123515 1,08 10475

Легкое жидкое топливо 38450 36290 1,06 2160

Применение топливоиспользующих энергоустановок с охлаждением

дымовых газов ниже точки росы, когда полезно используется теплота

конденсации водяных паров, позволяет достичь энергосберегающего эффекта.

Местное топливо. Беларусь располагает некоторыми видами топлив,

которые перечислены в табл.2.3. Основным недостатком местных топлив в

большинстве случаев является значительная влажность и зольность, что

затрудняет их использование и снижает энергетический потенциал. В настоящее

время основным энергетическим топливом является природный газ,

импортируемый из России, а также переработанная нефть. За счет собственных

ресурсов покрывается приблизительно 15% потребностей в энергии. Остальная

часть энергоресурсов импортируется.

Таблица 2.3

Местные топлива [9,10]

Вид топлива Природные запасы,

млн.т

кДж/кг

Примечание

Торф 1350 8,1 W=35-40%

Древесная масса 15,4

⋅

Нефть 362,1

Горючие сланцы 11000 4,2-6,7 А=66-87%

Бурый уголь 1350 19,3-21,3 W=47-62%

Лигнин 4 4,2-6,7 W=60-71%

Твердые бытовые отходы



3,3-8,4

Условное топливо. Для сопоставления различных видов топлива,

суммарного учета его запасов, оценки эффективности использования

энергетических ресурсов, сравнения показателей теплоиспользующих устройств

принята единица измерения - условное топливо, теплота сгорания которого

принята равной 29,33 МДж/кг. Для сравнительного анализа используется 1

тонна условного топлива:

1т у.т.=29,33·10

Дж=7·10

ккал=8,12·10

кВт·ч. (2.2)

Этот показатель соответствует хорошему малозольному углю, который иногда

называется угольным эквивалентом.

За рубежом для анализа используется условное топливо с теплотой

сгорания 41,9 МДж/кг. Этот показатель называется нефтяным эквивалентом.

Ядерное топливо. Единственный природный вид ядерного топлива 

тяжелые ядра урана и тория. Энергия в виде теплоты высвобождается под

действием медленных нейтронов при делении изотопа

235

U, который составляет

в природном уране 1/140 часть. В качестве сырья могут использоваться

238

U и

232

Th, которые при облучении нейтронами превращаются в новое ядерное

топливо  соответственно

239

Pu и

239

U. При делении всех ядер, содержащихся в

1 кг урана, выделяется энергии 2·10

кВт·ч, что эквивалентно сжиганию 2,5 тыс.т

высококачественного каменного угля с теплотой сгорания 35 МДж/кг. Огромное

энерговыделение единицей массы ядерного топлива является предпосылкой для

строительства в Беларуси атомной электрической станции. В настоящее время

данная возможность исследуется как альтернатива наряду с другими

источниками энергии.

Горение топлива. Топливо при сжигании обладает потенциальной

возможностью выделять тепло в процессе химической реакции горения. Процесс

горения происходит в среде окислителя кислорода. В большинстве случаев для

поддержания процесса горения используется атмосферный воздух. От

количества кислорода воздуха зависит эффективность процесса горения и

получения теплоты. Теоретически необходимое количество воздуха для полного

сгорания единицы топлива приблизительно равно

,8,3/QV

/кг. (2.3)

Точность расчетов по формуле (2.3) составляет 10-15%.

Важной характеристикой, определяющей эффективность сжигания

топлива, является коэффициент избытка воздуха  отношение количества

воздуха V

действительно поданного на горение, к теоретически необходимому.

BBo

(2.4)

Оптимальное значение α выбирается в зависимости от вида и состояния

топлива, а также от устройства, в котором сжигается топливо. В совершенных

устройствах при сжигании сухого энергетического топлива α

=1,05-1,1. В

плохих устройствах, а также при сжигании влажного топлива α

=1,3-1,5. При

значительном избытке воздуха часть О

не окисляет топливо, поэтому требуются

дополнительные затраты тепла на его нагрев, что приводит к перерасходу

топлива. Это наглядно показано на рис.2.1. При недостатке воздуха топливо

полностью не сгорает и, как следствие, используется неэффективно.

Рис.2.1. Влияние избыточного воздуха и температуры отходящих газов на потребление

топлива [11]

В общем случае при сгорании топлива (рис.2.2) выделяются водяные

пары, часть сухой массы топлива выходит в виде летучих веществ и после

сгорания поступает в атмосферу в виде газообразных продуктов, а остальная

остается в виде твердого остатка. Твердые отходы и отработанные дымовые газы

обладают запасом физической теплоты и являются энергетическими отходами.

Рис.2.2. Схема термической переработки топлива

2.2. Теплогенерирующие устройства

Топливо сжигается в топках котлов и печей, а также в камерах сгорания

двигателей и газотурбинных установок. Теплота, получаемая при сжигании

топлива, используется как в теплотехнологических процессах, так и для

преобразования в механическую и электрическую энергию. Тепловая обработка

0 5 10 15 20 25

1600

1200

800

600

400

200

Дополнительное потребление топлива, %

Избыточный воздух, %

Рабочая

масса топлива

Водяные

пары

Топливо

в сухом

состоянии

Летучие

вещества

Твердый

остаток

Газообразные отходы

(дымовые газы)

Твердые отходы

(зола, шлак)

Конденсат

материалов и сырья проводится с целью изменения их свойств для выпуска

качественной конечной продукции.

Топка - устройство для сжигания органического топлива с целью

получения теплоты. Топки делятся на слоевые и камерные [12].

Слоевые топки применяются для сжигания твердого топлива и по

организации процесса горения разделяются на топки с плотным и кипящим

(псевдоожиженным) слоями (рис.2.3). В топках с плотным слоем топливо

располагается на решетке (колоснике), а в топках с кипящим слоем оно парит в

воздухе за счет своей мелкозернистой структуры и повышенной скорости

воздуха, что позволяет уравновешивать частицы в топочном пространстве.

Рис.2.3. Схема топок с плотным (а) и кипящим (б) слоями: В - воздух

В топках с плотным слоем зона, в пределах которой полностью исчезает

кислород, называется кислородной. Ее высота составляет приблизительно три

диаметра кусков топлива. Если высота слоя топлива ниже кислородной зоны, то

в топку воздух подается с избытком. В противном случае будет присутствовать

восстановительная зона, где образуются горючие газы СО и Н

. Для их

дожигания требуется подача вторичного воздуха, иначе, как и в первом случае,

процесс сжигания топлива будет неэффективным. Обычно толщина слоя

топлива немного превышает высоту кислородной зоны.

В топках с кипящим слоем скорость воздуха выбирается такой, чтобы

сила, действующая на частицу топлива, уравновешивала силу тяжести, но была

недостаточной для выноса топлива. Средние размеры частиц составляют 2-3 мм

при скорости воздуха 1,5-4 м/с. Это обеспечивает хороший контакт с

окислителем во всем объеме. Топки с циркулирующим кипящим слоем, когда

улавливаются недогоревшие частицы и возвращаются обратно в топку, являются

более эффективными и по характеристикам близки к камерным топкам. В топках

с кипящим слоем эффективно сжигаются горючие отходы и низкосортное

топливо.

а)

б)

Камерные топки делятся на факельные и циклонные (рис.2.4). В

факельных топках сжигается газообразное, жидкое и пылевидное твердое

топливо. При сжигании газообразного топлива оно подается через газовые

горелки, в которых готовится топливовоздушная смесь при α

=1,05-1,3. Жидкое

топливо подается через форсунки, с помощью которых оно распыляется и

смешивается с воздухом при α

=1,1-1,3. Камерные топки позволяют сжигать

предварительно измельченные отходы углей, древесную пыль. Твердое топливо

вдувается через пылеугольные горелки с первичным воздухом. Вторичный

воздух подается отдельно и смешивается с пылью в процессе горения.

Рис.2.4. Схемы факельной (а) и циклонной (б) топок: Т - топливо; В - воздух; ЖШ -

жидкий шлак

В циклонных топках используются частицы топлива <5 мм при скорости

воздуха до 100 м/с, подаваемого в виде закрученного потока. При этом

достигаются температуры, близкие к адиабатным (около 2000

С). Данные топки

в основном используются как технологические, в том числе и для

обезвреживания сточных вод. В некоторых случаях возникают проблемы при

удалении шлака, который выходит в жидком состоянии.

Ядерное топливо сжигается в реакторах атомных электростанций и

теплоцентралей (рис.2.5). При бомбардировке U

235

тепловыми нейтронами ядро

атома захватывает и поглощает нейтроны, а затем распадается на два осколка.

При каждом акте деления в среднем выделяются два-три быстрых нейтрона и

энергия 200 МэВ в виде теплоты. В типичной химической реакции ее выделяется

менее 10 эВ на атом (1эВ≅1,6⋅10

-19

Дж). Тепло передается теплоносителю в

зависимости от конструкции ядерного реактора: воде, водяному пару, газу или

жидкому металлу. Для возникновения и поддержания цепного деления

необходима загрузка в активную зону ядерного топлива в количестве, равном

критической массе. Она зависит от энергии нейтронов, формы массы урана и

уменьшается при применении отражателей и при большой концентрации

235

Т,В

ЖШ

а) б)

Замедлитель служит для уменьшения энергии быстрых нейтронов до тепловых.

Система управления и защиты (СУЗ) служит для управления реактором путем

изменения площади поглощающих регулирующих стержней для захвата

нейтронов. Биологическая защита обеспечивает безопасность персонала и

окружающей среды.

Рис.2.5. Схема управляемой ядерной реакции (а) и канального ядерного реактора (б)

Характеристики топок. Валовой мощностью (производительностью)

топки Q

называют произведение часового расхода сжигаемого топлива B на его

низшую теплоту сгорания

QBQ

=⋅ .

(2.5)

Удельная мощность слоевой топки определяет теплонапряженность

зеркала горения

qQF

R з.г

(2.6)

где F

з.г.

- площадь горящего на решетке слоя топлива. Величина q

лежит в

пределах (0,8÷2,3)·10

кВт/м

, чаще 1000 кВт/м

Удельная мощность камерной топки определяется тепловым напряжением

топочного пространства

qQV

(2.7)

Регулирующий

стержень

Топливо

Замедлитель

Отражатель

Биологическая

защита

Теплоноситель

- ядро урана;- осколок;- нейтрон

б)

а)

где V

- объем топочного пространства. Величина q

для факельных топок

составляет 140-350 кВт/м

Удельную мощность слоевой топки иногда также относят к объему

топочного пространства. В ядерном реакторе в качестве «топочного»

пространства берется объем активной зоны.

Экономичность топки определяется на основе уравнения теплового

баланса. Приближенно

,QQQQQQ

смеххим.с.ппол

++++=

(2.8)

где Q

пол

- полезно используемое тепло; Q

п.с.

– тепло, расходуемое на нагрев

продуктов сгорания; Q

хим

- потери тепла от химического недожога; Q

мех

- потери

тепла от механического недожога; Q

- потери тепла через стенки топки; η

КПД топки.

Коэффициент полезного действия топки

полT

Q/Q=η

. (2.9)

Тепловой баланс топки наглядно представляется в виде диаграммы

потоков энергии, которая дана на рис.2.6.

Рис.2.6. Тепловой баланс топки

Котлы по своему назначению делятся на паровые и водогрейные.

Паровой котел предназначен для производства пара из воды с давлением выше

атмосферного, используемого вне котла. Водогрейный - для нагрева воды.

Теплота, выделяющаяся при сгорании топлива в топках котлов, передается воде

или пару (рис.2.7) [12]. В топку котла подаются топливо (Т) и горячий воздух

(ГВ). Из барабана 2 по опускным трубам 10, отделенным от топки экранами

(стенками газоходов) 9, вода поступает в парогенерирующие трубы 1, где

нагревается и испаряется. Затем пар поступает в барабан и смешивается с

питательной водой ПВ. Далее пар направляется в пароперегреватель 3, где

нагревается отходящими газами. Неиспользованное тепло уходящих дымовых

газов УГ применяется для предварительного нагрева питательной воды в

экономайзере 4 и воздуха в воздухоподогревателе 5. За счет предварительного

подогрева питательной воды и воздуха достигается более высокий процент (90-

п.с.

пол

95%) полезного использования первичной энергии, полученной при сжигании

топлива. В результате получается дополнительный энергосберегающий эффект.

Эффективность использования

первичной энергии в котлах, как и

для топок, приближенно определя-

ется уравнениями теплового баланса

и КПД (2.8)-(2.9).

Печи - устройства, применяе-

мые для тепловой обработки мате-

риалов или изделий либо для отопле-

ния. По области применения делятся

на промышленные и бытовые. По на-

значению  на плавильные, нагрева-

тельные, обжиговые, сушильные,

отопительные, хлебопекарные и др. В

промышленных печах теплота пере-

дается обрабатываемому материалу

(рис.2.8). В отопительных печах теп-

лота передается аккумулирующим

стенкам, которые остывая, выделяют

эту теплоту в отапливаемое помеще-

ние.

В промышленных печах нагрев

материала может проводиться

непосредственно в топке (рис.2.8а)

или вне топки в дополнительной

камере (рис.2.8б) продуктами

сгорания, полученными в выносной топке. Камеры сгорания газотурбинных

установок и реактивных двигателей тождественны выносным топкам. Печи

бывают периодического и непрерывного действия.

Многие промышленные печи характеризуются низким коэффициентом

полезного действия порядка 25%. Это обусловлено высокотемпературной

обработкой материалов, при которой уходящие газы имеют температуру

750-1600

С, неудовлетворительной организацией топочных процессов горения

и потерями тепла через ограждающие поверхности.

В печах часть энергии используется для технологических процессов,

которая равна

)tt(McQ)tt(сМQ

12r12т

−

′

±−=

, (2.10)

Рис.2.7. Паровой котел с естественной

циркуляцией: 1 - экранные трубы; 2 - ба-

рабан; 3 - пароперегреватель; 4 - водяной

экономайзер; 5 - воздухоподогреватель; 6 -

коллекторы; 7 - горелка; 8 - топка; 9 - ог-

раждающая поверхность; 10 - опускная

труба; 11 - факел пламени; ПВ - пита-

тельная вода; НП - насыщенный пар; ПП -

перегретый пар; Т - топливо; В - воздух;

ГВ - горячий воздух; ПС - продукты сго-

рания; УГ - уходящие газы