Раздел 4. Системы топливоснабжения твердого и жидкого топлива

Раздел 4. Системы топливоснабжения твердого и жидкого топлива

Тема 4.1. Основные характеристики твердого и жидкого топлива

 

    Главной характеристикой любого топлива является элементарный химический состав. Кроме этого топливо характеризуется теплотой сгорания, плотностью, взрываемостью, размерами кусков, выходом летучих, размолоспособностью и т.д.

 

Элементарный состав твердого и жидкого топлива

 

Химический состав зависит от вида топлива, но все топлива состоят из горючих элементов и балласта. В горючую часть топлива входят углерод С, водород Н, сера S. Балласт состоит из кислорода О, азота N, влаги W и золы A.

Химический состав топлива записывается в виде уравнения, где количество каждого элемента выражается в процентах, исходя из массы 1 кг топлива, которая принимается за 100%.

Условно можно выделить следующие массы топлива:

рабочая (р), сухая (с), горючая (г), органическая (о).

· Рабочая масса – это топливо в натуральном виде, поступающее в топку на сжигание. Уравнение элементарного состава рабочей массы имеет вид: С^р+Н^р+ S ^р _о+к +О^р+ N ^р + W ^р +А^р=100%.

· Сухая масса – это топливо, лишенное влаги. Уравнение элементарного состава сухой массы имеет вид:         С^с+Н^с+ S ^с _о+к +О^с+ N ^с +А^с=100%.

· Горючая масса – это топливо, лишенное влаги и золы. Уравнение элементарного состава горючей массы имеет вид: С^г+Н^г+ S ^г _о+к +О^г+ N ^г =100%. В горючую массу условно включают негорючие элементы - кислород и азот.

· Органическая масса – это горючая масса, лишенная колчеданной серы. Уравнение элементарного состава органической массы имеет вид: С^о+Н^о+ S ^о +О^о+ N ^о =100%.

Сера в топливе присутствует в двух видах: органическая, входящая в состав органических соединений топлива, и колчеданная, входящая в состав железного колчедана. Сера является вредной примесью в топливе, так как при сгорании серы выделяется небольшое количество теплоты, а её продукт сгорания – сернистый газ (SO₂) очень токсичен и вызывает коррозию металла. В зависимости от количества серы различают топлива:

· Мало сернистые   S^р<0,5%

· Сернистые            S^р=0,5-2,5%

· Высоко сернистые S^р>2,5%

Влага и зола (W+A) составляют внешний балласт топлива, а кислород и азот (O+N) - внутренний балласт. Содержание внешнего балласта подвержено изменению в зависимости от способа добычи и хранения топлива, поэтому сравнивать разные виды топлива нужно не по рабочей массе, а по массе со стабильным содержанием элементов, т.е. по горючей массе. Состав каждой массы в процентах относят к 1 кг, поэтому при переходе от рабочей массы к сухой, горючей и органической содержание остающихся элементов увеличивается.

 Для перевода состава топлива из одной массы в другую применяются переводные коэффициенты, например:

из рабочей массы в сухую:       К_р-с= ;

из сухой массы в рабочую:       К_с-р= ;

из рабочей массы в горючую:  К_р-г= ;  

из горючей массы в рабочую:  К_г-р= .

Теплота сгорания

 

Теплота сгорания – это количество теплоты, выделившееся при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива.

Теплота сгорания измеряется в кДж/кг (ккал/кг).

Различают следующие виды теплоты сгорания:

 Q_б – по бомбе, Q_н – низшая, Q_в – высшая.

 Q_б определяется опытным путем в калориметрической установке, где навеска топлива сжигается в металлическом сосуде (бомбе), заполненном кислородом.  Q_н и Q_в определяются расчетным путем.

Высшая теплота сгорания учитывает теплоту конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания топлива (дымовых газах). Водяные пары образуются из влаги топлива, а также при соединении водорода с кислородом. Следовательно, чем больше в топливе водорода и влаги, тем больше разница между Q_в и Q_н.

Низшая теплота сгорания теплоту конденсации водяных паров не учитывает, ее можно определить по формуле                                                                                                                                                                                                                                           Q _н = , кДж/кг

В котлоагрегатах нельзя допускать понижение температуры уходящих дымовых газов до температуры точки росы, при которой начинается конденсация водяных паров. В противном случае хвостовые поверхности нагрева котлоагрегата будут подвергаться низкотемпературной коррозии, эта коррозия усиливается при наличии в дымовых газах SO₂. Для определения  температуры точки росы необходимо знать парциальное давление водяных паров в дымовых газах. Температура уходящих дымовых газов должна быть несколько выше (не менее чем на 10^оС) температуры конденсации водяных паров (точки росы).

В России все расчеты ведут по низшей теплоте сгорания, так как традиционно в России использовалось низкосортное влажное топливо.

Поскольку топливо разделяется на массы, то и теплота сгорания относится к той или иной массе. Для перевода теплоты сгорания из одной массы в другую применяются коэффициенты, приведенные выше. Низшую теплоту сгорания рабочей массы твердого и жидкого топлива можно определить по эмпирической формуле Менделеева Д.И.

, кДж/кг

Условное топливо

 

Для сравнения различных видов топлив по их энергетической эффективности вводится понятия условного топлива.

Условным называется топливо, имеющее теплоту сгорания 7000ккал/кг (29330 кДж/кг).

Экономичность электростанций и котельных определяют по расходу условного топлива, который определяется по формулам:

,кг - расход условного топлива за определенный период, где B – расход натурального топлива, кг; - теплота сгорания натурального топлива,  кДж/кг; Q_усл – теплота сгорания условного топлива;  - тепловой эквивалент данного натурального топлива.

Приведенные характеристики топлива

 

Это влажность, зольность, сернистость, отнесенные к единице низшей теплоты сгорания рабочей массы топлива.

Приведенная влажность ,

Приведенная зольность ,

Приведенная сернистость ,

Топливо считается сухим при W^п < 0,7 и высоковлажным при W^п > 5. Топливо считается малозольным при А^п < 0,95 и высокозольным при А^п > 4.

 

Выход летучих

 

При нагревании твердого топлива без доступа воздуха, т.е. при сухой перегонке, горючая масса топлива разрушается и из нее выделяются летучие вещества объемом V^л. Летучие состоят из водорода, окиси углерода, метана и других углеводородов. В состав летучих входят также кислород и азот. Летучие хорошо горят. При сухой перегонке при температуре 500-550⁰C из топлива выделяется смола, при дальнейшем повышении температуры смола испаряется и пары смол переходят в летучие. Сухая перегонка заканчивается при температуре 1000-1100 ⁰С. Твердый остаток сухой перегонки называется коксом, который состоит из углерода и спекшейся золы.

Большой выход летучих у дров, торфа, сланцев и некоторых ископаемых углей. Эти топлива легко воспламеняются и горят пламенем видимым и большим по размеру.

Топливо с малым выходом летучих, т.е. кокс, антрациты, тощие каменные угли трудно воспламеняются и горят практически без пламени.

Выход летучих зависит от возраста топлива и с увеличением возраста выход летучих уменьшается, одновременно увеличивается содержание углерода в топливе.

Содержание летучих и углерода в отдельных видах топлива:

Дрова                             V^л =85%, С^р=50%

Торф                              V^л =70%, С^р=55%

Бурый уголь                 V^л =50%, С^р=65%

Каменные угли жирные V^л =40%, С^р=75%

Каменные угли тощие    V^л =15%, С^р=90%

Антрациты                    V^л =2-10%, С^р=90-95%

Таким образом, по выходу летучих ископаемые угли делятся на бурые, каменные, антрациты и полуантрациты.

Каменные угли в зависимости от выхода летучих классифицируются на марки, обозначаемые буквами:

Д – длиннопламенный  V^л=40%

Г – газовый                    V^л=35%

Ж – жирный                   V^л=30%

К – коксовый                 V^л=25%

СС – слабо спекающийся V^л=15%

Т – тощий                       V^л=10%

Бурые угли классифицируются в зависимости от влажности и имеют следующие марки: Б1 - W ^р> 40%;    Б2 - W ^р= 30 - 40%;        Б3 - ^р< 30%

Марки антрацитов и полуантрацитов имеют обозначение: А, ПА.

 

Гранулометрический состав топлива (фракционный состав)

 

Это характеристика крупности кусков топлива. От нее зависит выбор решеток, загрузочных устройств, дробилок, грохотов и других устройств топливоподачи.

Крупность кусков ископаемых углей, сланцев определяют методом ситового анализа на стандартных ситах с размером ячеек 150, 100, 50, 25, 13, 6, 3 и 0,5 мм. Сита собирают в комплект друг над другом с уменьшением размера к низу. Остаток топлива на каждом сите выражают в процентах первоначальной массы пробы топлива.

По размерам кусков твердое топливо подразделяется на классы крупности с размерами:

П – плитный                                        100-200 мм

К – крупный                                         50-100 мм

О – орех                                               25-50 мм

М – мелкий                                           13-25 мм

С – семечко                                           6-13 мм

Ш – штыб                                                0-6 мм

СШ – семечко со штыбом                   0-13 мм

МСШ – мелкий семечко со штыбом      0-25 мм

Р – рядовой                                         0-200 мм

Марки углей и антрацитов обычно имеют двойное обозначение:

АП – антрацит плита

АШ – антрацит штыб

АР – антрацит рядовой. 

Б2Р - бурый рядовой

 

 

Плотность топлива

 

Сыпучесть топлива

 

Это способность перемещения частиц топлива относительно друг друга. Сыпучесть характеризуется углом естественного откоса, который может быть статическим и динамическим.

Углом естественного откоса называется угол между горизонтальным основанием и наклонной образующей слоя топлива.

 

 

 

 

 

  

 

Статический угол образуется при удалении подпорной стенки в ёмкости, где хранится уголь. Динамический угол естественного откоса образуется при свободном падении сыпучего материала на горизонтальную поверхность – в результате образуется конус из сыпучего материала, углы у основания конуса равны β_д. Сыпучесть топлива зависит от его вида, крупности кусков и, в значительной степени, от влажности топлива. С увеличением влажности сыпучесть ухудшается, т.е. увеличиваются углы естественного откоса топлива. При проектировании систем топливоподачи и пылеприготовления необходимо учитывать сыпучесть топлива, т.к. во многих случаях топливо перемещается по наклонным трубам – течкам. Угол наклона течек должен превышать угол естественного откоса топлива.

 

Размолоспособность топлива

 

Она характеризуется коэффициентом размолоспособности (лабораторным относительным), К_ло.

Это отношение расхода энергии на размол эталонного угля к расходу энергии на размол испытуемого угля. При определении К_ло размолтоплива осуществляется в лабораторной шаровой барабанной мельнице. В качестве эталонного топлива применяется антрацит штыб (АШ). Хорошо размалываются торф, бурые и жирные каменные угли, имеющие высокий коэффициент размолоспособности. Для них К_ло > 1. Трудно размалываются антрациты и тощие каменные угли, для которых К_лоих низкая Каемые антрациты и тощие каменные угли.азмалывается торф, жирные каменные угли имеющие высокий коэффициент размоло <1.

К_ло имеет большое значение для выбора типа размольных устройств и в целом выбора систем пылеприготовления.

Взрываемость угольной пыли

 

Угольная пыль с размерами частиц менее 0,2 мм способна взрываться в смеси с воздухом. Взрывоопасна пыль всех топлив, имеющих  выход летучих более 20%.

Нижний предел взрываемости пыли зависит от размера частиц и вида каменного угля. Например, при размере частиц пыли менее 70 мкм нижний предел взрываемости для бурых углей 0,05 – 0,15 кг/м³. Для каменных углей  0,1 – 0,25 кг/м³.

Учитывая склонность к взрыву угольной пыли, помещение пылеприготовительных установок должно отвечать требованиям правил взрывопожарной безопасности.

 

Самовозгорание

 

Хранение топлива

 

Для хранения топлива создают расходные и основные склады. Расходные служат для временного хранения излишков топлива, а основные для длительного хранения. По нормам основные и расходные склады могут размещаться на территории ТЭС на разных площадках. Допускается их создание на одной площадке. Основная часть топлива, подаваемого на ТЭС, сразу поступает в котельную «с колес», а на склады подаются излишки топлива. Топливо на складах укладывают в штабели трапециидального сечения. Вместимость складов угля принимается равной 30-и суточному расходу топлива. Укладку топлива в штабели производят слоями толщиной 0,5 – 2м, каждый слой уплотняется катками. Габариты штабелей не ограничиваются и зависят от вида топлива и механизмов, установленных на складе. Периодически 2 – 3 раза в месяц штабели осматриваются, измеряется температура топлива внутри них. Для каждого сорта топлива устанавливается максимальный срок хранения на открытом складе.

 

Молотковые мельницы

 

Молотковая мельница состоит из ротора, к которому шарнирно крепятся билодержатели, а к ним шарнирно прикрепляются била, которые изготавливаются из высокопрочного чугуна или износостойкой стали. Ротор приводится во вращение от электродвигателя, вал которого соединяется с валом ротора с помощью муфты. Двигатель вращает ротор со скоростью 735 об/мин, т.е. молотковые мельницы являются быстроходными. Ротор размещается внутри герметичного корпуса.

В зависимости от способа подвода в мельницу топлива и воздуха они выпускаются двух типов:

ММА – с осевым (аксиальным) двухсторонним подводом топлива и воздуха;

ММТ – с односторонним тангенциальным подводом топлива и воздуха.   

Внутренняя поверхность корпуса мельницы выкладывается броневыми плитами. Не смотря на то, что била выполняются из высокопрочного чугуна или стали, они быстро изнашиваются. В зависимости от вида топлива, его размолоспособности замена бил производится через 300 – 600 ч. работы мельницы.

Над мельницей устанавливается шахта прямоугольного сечения определенной высоты. Она является сепаратором пыли. Крупная пыль, поднимаясь на небольшую высоту, возвращается в мельницу под действием силы тяжести. Мелкая пыль потоком воздуха уносится в топку. Кроме сепарации в шахте осуществляется и подсушка пыли горячим воздухом.

Система пылеприготовления с молотковой мельницей и прямым вдуванием пыли в топку является наиболее простой. Дробленое топливо с ленточного конвейера поступает в бункер сырого угля, из которого питателем подается в мельницу. Вместе с топливом в мельницу подается горячий воздух. На топливной течке соединяющей питатель сырого угля с мельницей устанавливаются затворы – мигалки, которые порциями пропускают топливо в мельницу и предотвращают проникновение горячего воздуха в питатель и бункер сырого угля. Из мельницы мелкая пыль под напором воздуха выдувается в шахту, а затем через амбразуру в стенке топки поступает в топку вместе с первичным воздухом.

Растопка топок осуществляется с помощью встроенных в топку газовых или мазутных горелок, при отсутствии газа и мазута каждая мельница снабжается растопочным муфелем.

Муфель – это небольшая слоевая топка с неподвижной колосниковой решеткой.

Перед пуском котла в работу муфель растапливается и при пуске мельницы аэропыль, выходящая из амбразуры, воспламеняется под действием дымовых газов, выходящих из муфеля в топку котла. Для полного сгорания топлива в топку подается вторичный воздух через специальные сопла, размещаемые снизу и сверху амбразуры. На каждый котлоагрегат устанавливается не менее двух молотковых мельниц, т.к. при останове мельницы прекращается работа котлоагрегата. К недостаткам молотковых мельниц относятся: отсутствие запаса пыли и быстрый износ бил.

 

Раздел 4. Системы топливоснабжения твердого и жидкого топлива