Хімічні методи перетворення енергії

Ю.О. МАЛИК

 

Енергозберігаючі технології

Частина 4

 

Конспект лекцій

 

 

Затверджено

на засіданні кафедри ЕОНС.

Протокол № 1 від 4.09. 2009 р.

 

 

Львів 2009

 

Конспект лекцій з дисципліни “Енергозберігаючі технології”. Частина 4. Навчальний посібник для студентів базового напряму підготовки 040106 “Екологія, охорона навколишнього середовища та збалансоване природокористування” усіх форм навчання /Укладач Ю. О. Малик. — Львів: Видавництво НУЛП, 2009. - 84 с.

 

 

Книга розділена на 14 розділів, в яких висвітлені засади технічної термодинаміки, енерготехнології як науки, використання вторинних енергоресурсів (ВЕР), роботи печей в хімічній промисловості та розрахунків процесів горіння.

 

Даний посібник може бути корисним при підготовці до занять, при курсовому та дипломному проектуванні і виконанні магістерської кваліфікаційної роботи.

Посібник призначений для студентів – екологів.

 

 

Укладач Малик Юліан Олексійович,

доцент, канд. техн. наук

Відповідальний за випуск Мальований Мирослав Степанович,

професор, д-р. техн. наук

Рецензент Семенишин Євген Михайлович

професор, д-р. техн. наук

Зміст

Вступ
12	МЕТОДИ ПРЯМОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ
	12.1.	Хімічні методи перетворення енергії
	12.2.	Цикл термоелектричної установки
	12.3.	Цикл термоелектронного перетворювача енергії
	12.4.	Цикл магнітогідродинамічних (МГД) генераторних установок
	ВТОРИННІ ЕНЕРГОРЕСУРСИ (ВЕР) ТА ЕНЕРГОТЕХНОЛОГІЧНЕ КОМБІНУВАННЯ
	13.1.	Загальні відомості
	13.2.	Класифікація вторинних ресурсів
	13.3.	Джерела вторинних енергоресурсів
	13.4.	Обладнання для використання теплових ВЕР
	13.5.	Використання низько-потенціальних теплових ВЕР
		13.5.1.	Теплозабезпечення
		13.5.2.	Виробництво електроенергії з відпрацьованої пари
		13.5.3.	Комбіноване використання відпрацьованої пари
		13.5.4	Одержання холоду
		13.5.5.	Використання теплоти виробничої води
		13.5.6.	Агротеплофікація
		13.5.7.	Виробництво електроенергії з відпрацьованої води
		13.5.8	Використання низькотемпературних продуктів горіння
	13.6.	Використання фізичної теплоти технологічних продуктів
	13.7.	Використання фізичної теплоти технологічних потоків у виробництві сірчаної кислоти
	13.8	Утилізація теплоти продуктів піролізу в виробництві етилену
	ПАЛИВО. ОСНОВИ ГОРІННЯ ТА ОРГАНІЗАЦІЯ ПРОЦЕСУ СПАЛЮВАННЯ ПАЛИВА
	14.1.	Сучасний стан та перспективи розвитку енергетичних ресурсів України
	14.2.	Види та характеристики палива
		14.2.1.	Тверде та рідке паливо
		14.2.2.	Газоподібне паливо
		14.2.3.	Технічні характеристики палива
	14.3.	Елементи теорії горіння та організація процесу спалювання палива
		14.3.1.	Гомогенне горіння. Горіння газоподібного палива
		14.3.2.	Горіння рідкого палива
		14.3.3.	Гетерогенне горіння
	14.4.	Розрахунки процесів горіння палива
		14.4.1.	Розрахунки витрат повітря на спалювання 1 кг палива
		14.4.2.	Склад та об’єм продуктів згоряння 1 кг.
		14.4.3.	Ентальпія продуктів згоряння
	14.5.	Види пристроїв для спалювання палива
		14.5.1.	Спалювання твердого палива у факелі
		14.5.2.	Спалювання мазуту та газу в паленищах
Література

ВСТУП

 

Хімічна промисловість поряд з металургійною промисловістю є основними споживачами первинних енергоресурсів (пального, електроенергії, теплоти), які отримують зі сторони. Одним із дієвих методів підвищення ефективності споживання палива є перехід на комплексне використання пального: видобування з пального цільових компонентів при обов’язковому комбінуванні процесу спалювання частини пального для виробництва електроенергії, теплоти з різними технологічними процесами. Сумісне узгодження і комбінування енергетичних і технологічних процесів дає можливість значно підвищити коефіцієнт використання пального, а також застосувати його як органічну, так і мінеральну складові в різних технологічних процесах. Знання основ сучасного енергетичного виробництва та подальшого його розвитку є завданням першочергової важливості в розв’язанні якого повинні брати участь спеціалісти всіх галузей народного господарства. Ось чому в навчальні плани багатьох інженерних спеціальностей ВНЗ, які готують спеціалістів для різних галузей промисловості введений курс "Енергозберігаючі технології”.

В сучасних умовах молодий спеціаліст повинен уміти оцінити енергетичну ситуацію, вибрати оптимальні технології і економічні шляхи енергозабезпечення, враховуючи при цьому створення нових і експлуатацію існуючих енергетичних об’єктів при охороні довкілля від забруднень.

Книжка "Енергозберігаючі технології" є навчальним посібником для студентів спеціальностей в навчальних планах яких не передбачено курсу технічної термодинаміки – науки про закономірності перетворення енергії.

Завдання курсу полягає в підготовці інженера-еколога оволодіти навиками грамотного керівництва проектуванням і експлуатацією сучасного виробництва, яке являє собою сукупність технологічних і енергетичних процесів і відповідного обладнання.

МЕТОДИ ПРЯМОГО

ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ

Розглянуті вище методи перетворення енергії пов’язані з використанням теплоти в процесі її одержання. Разом з тим існують пристрої, за допомогою яких можна здійснити пряме перетворення енергії безпосередньо в електричну оминаючи стадію одержання теплоти, яка пов’язана з досить низьким коефіцієнтом корисної дії. Установки, в яких перетворення теплоти в електроенергію відбувається без таких проміжкових стадій, як перетворення теплоти в кінетичну енергію потоку робочого тіла (гази, пара) з наступним обертанням ротора турбіни, називають установками прямого перетворення теплоти. Установки такого роду не знайшли поки що широкого практичного застосування, особливо в енергетиці. До таких відносяться електротехнічні, термоелектричні, магнітогідродинамічні та інші установки. На сьогоднішній день стала більша зацікавленість в установках такого роду в зв’язку із зменшенням запасів органічного палива в енергетиці. Розглянемо основні принципи прямого перетворення енергії.

 

Цикл магнітогідродинамічних (МГД) генераторних установок

Протягом останніх 100 років було створено багато енергетичних установок, які грунтуються на взаємодії електричного і магнітного поля з рухомими електричними зарядами. Метод прямого перетворення енергії робочим тілом, в якому є нагрітий йонізований газ, може забезпечити порівняно високий ККД, а тому викликає велику зацікавленість як альтернатива паротурбінним установкам для одержання електричної енергії. Такою установкою є магнітогідродинамічний генератор (МГД-генератор). Такі генератори є пристосуваннями без машинного перетворення теплоти в електричну енергію. На відміну від звичайних турбогенераторів в МГД-генераторах відсутні рухомі частини. Принцип дії МГД-генератора полягає в тому, що газ, який є робочим тілом, разом з невеликою кількістю добавок, які легко йонізуються (лужні метали -калій або цезій), нагрівається за рахунок підводення теплоти від гарячого джерела до таких високих температур, за яких гази частково йонізуються, тобто переходять в плазмовий стан. Нагадаємо, що в процесі йонізації здійснюється утворення йонів і електронів, які обумовлюють протікання електричного струму. Газ в стані плазми в соплі 1 (рис. 12.7) розширюється, набирає великої швидкості (1000 м/с) і надходить в канал 2 МГД генератора, який поступово розширюється.

Канал (дифузор) МГД-генератора знаходиться в магнітному полі, силові лінії якого перпендикулярні до осі каналу. Як відомо з електродинаміки, при перетині провідником силових ліній магнітного поля в провіднику виникає електрорушійна сила (ЕРС). Оскільки частково йонізований газ є середовищем, здатним пропускати струм при русі цього газу, в ньому виникає ЕДС і електричний струм. Цей струм протікає в напрямку, перпендикулярному до площині, яка проходить через вектори швидкості газу і індукції магнітного поля. Таким чином, в робочому об’ємі генератора генерується електроенергія, яка відводиться з електродів 3, що підключені до споживача електроенергії. Якщо в турбогенераторі в електроенергію перетворюється кінетична енергія ротора турбіни, то в МГД-генераторі в електроенергію перетворюється енергія потоку плазми.

Перевагою МГД-генератора є те, що він дає змогу ефективніше порівняно з газотурбінними і паротурбінними установками використовувати теплоту високого температурного рівня, яка виділяється при спалюванні хімічного чи ядерного палива. Температура газу на вході в МГД-генератор при використанні органічного пального може досягнути 2500¸2600 ^оС порівняно з максимальною температурою 650 ^оС в парових і 700¸800 ^оС в газових турбінах. Таким чином, верхня температура робочого тіла в МГД-генераторі відповідає температурі гарячого джерела теплоти, завдяки чому різко зменшуються втрати, які обумовлені необоротністю передачі теплоти від гарячого джерела теплоти до робочого тіла і значно підвищується термічний ККД. Схема МГД-установки, яка працює за відкритим циклом і її цикл показані на рис. 12.8 і 12.9.

Згідно з цією схемою повітря, необхідне для згорання пального, адіабатно стискається компресором 1 до тиску р₁, після чого подається в камеру 2, в яку подається пальне. Процес горіння здійснюється за тиску р₁.

 

 

 

Рис. 12.7. Схема сопла Лаваля Рис. 12.8. Принципова схема Рис. 12.9. Діаграма T-s

установки з МГД-генератором з МГД-генератором

 

Гарячі продукти згоряння палива з камери 2 подаються в МГД-генератор 3. Перед МГД-генератором вводяться йонізуючі добавки. В МГД-генераторі йонізовані продукти згорання адіабатно розширюються від стану з параметрами р₁ і Т₁ на вході до стану з параметрами р₂ і Т₂ на виході, здійснюючи при цьому технічну роботу (виробництво електроенергії). Продукти згоряння, які виходять з МГД-генератора з досить високою температурою»2000 ^оС надходять в регенеративний теплообмінник 4, де вони охолоджуються, підігріваючи повітря, яке подається в камеру згорання. Продукти згорання, які виходять з теплообмінника 4, мають ще досить високу температуру. З метою рекуперації цієї теплоти використовується другий (нижній) теплосиловий цикл - пароводяний. Після підігрівача 4 продукти згоряння подають в парогенератор 5, де віддають свою теплоту воді, яка циркулює в пароводяному контурі. Отримана в парогенераторі 5 пара надходить в парову турбіну 6, де, розширюючись, здійснює роботу. Відтак пара конденсується в конденсаторі 7, звідки насосом 8 отримана вода знову направляється в парогенератор 5 і цикл повторюється. Продукти згоряння з температурою приблизно 150 ^оС викидаються в атмосферу. Розглянута схема являє собою по суті різновидність бінарної теплосилової установки. На рис. 12.9 показаний цикл МГД-установки в T-s діаграмі. Згідно з діаграмою 1-2-3-4-5-6-7-1 - процеси, що здійснюються в МГД-циклі, а I-II-III-IV-V-I – процеси пароводяного циклу. Процеси 1-2 - це одноступеневе стиснення в компресорі від тиску р₂ до тиску р₁; 2-3-4 - ізобара підведення теплоти в циклі p₁ = const в камері згорання; 4-5 - адіабатний процес розширення з виробництвом роботи в МГД-генераторі; 5-6-7-1 - ізобарний (p₂ = const) процес відведення теплоти в циклі; 5-6 - віддача теплоти в регенеративному теплообміннику повітрю; 6-7 - віддача теплоти воді в парогенераторі; 7-1 - відведення теплоти до холодного джерела теплоти, якими є продукти згоряння, що викидаються в атмосферу.

В пароводяному циклі I-II - адіабатне розширення пари з віддачею теплоти в турбіні; II-III - ізобарний (p_II = const ) процес відведення теплоти в конденсаторі; III-IV-V-I - ізобарний (p_I = const ) процес підведення теплоти в парогенераторі. Зауважимо, що пароводяний цикл побудований для 1 кг води в той час як МГД-цикл - для m кг робочого тіла. Кратність витрат робочого тіла в МГД-контурі по відношенню до витрат вода визначається в такий спосіб. На нагрівання робочого тіла пароводяного контуру витрачається теплота, яка відводиться на ділянці 6-7 ізобари p₂ = const, верхнього ступеня циклу.

Отже

, (12.29)

де m - відношення витрат робочого тіла у МГД-циклі до витрат води в пароводяному циклі.

Звідки

, (12.30)

де η_т.п. – ККД парогенератора.

Термічний ККД цього циклу визначається співвідношенням аналогічним бінарному циклу

, (12.31)

де l ^МГД і l ^в - робота, яка здійснюється відповідно в МГД-циклі і паротурбінному циклі; q₁ - теплота, яка підводиться до 1 кг робочого тіла в МГД-циклі.

Робота, яка здійснюється в МГД-генераторі визначиться за різницею ентальпії робочого тіла, тобто

. (12.32)

Відповідно до циклу, показаному на рис. 12.9, рівняння (12.31) запишеться в такому вигляді:

.

Зауважимо, що у відкритому циклі, де робочим тілом є повітря, за температур 2500¸2600 ^оС внаслідок інтенсивної дисоціації продуктів горіння теплоємність газу не буде величиною постійною, і в ізобарному процесі нагрівання в камері горіння МГД-установки Ср ¹ const, а тому розрахунки, які грунтуються на умові, що Ср = const, можуть дати не досить точні результати. Тому точнішими будуть розрахунки для закритих систем, в яких використовуються інертні гази (аргон, гелій), які знаходяться в атомарному стані, а тому їх можна вважати ідеальними. Установки з замкнутим циклом нами не розглядаються.

Розрахунки показують, що термічний ККД може досягти значення , а загальний ефективний ККД комбінованої установки , що на 10¸15 % перевищує ККД кращих газотурбінних та паротурбінних установок.

Отже, досить висока температура в процесі підведення теплоти в МГД-циклі забезпечує отримання високих значень ККД таких установок.

МГД-перетворення, в принципі, може стати не тільки в один ряд з традиційними системами виробництва електроенергії, але і перевершити їх у значенні зменшення забруднення довкілля і економії органічного пального.

Загальні відомості

Споживання паливно-енергетичних ресурсів (ПЕР) пов’язане з темпами розвитку всіх галузей народного господарства, особливо з розвитком промисловості без якої неможливий технічний прогрес країни. Підвищення ефективності її роботи та якості промислової продукції обумовлює необхідність підвищення якості використання всіх енергоносіїв. Збільшення об’ємів добування всіх видів палива (вугілля, нафта, газ) і виробництва електроенергії базується на подальшому розробленні паливно-енергетичних родовищ, запаси яких є в достатній кількості в Україні.

В паливно-енергетичному господарстві будь-якої країни особливе місце належить електроенергетиці, темпи зростання якої випереджають темпи зростання загального об¢єму промислової продукції. Промисловість завжди була і залишається основним споживачем електроенергії і теплоти. Тому в розвитку електроенергетики теплоенергетика відіграє головну роль. В області теплоенергетики особливого значення набуває теплофікація – комбіноване виробництво теплоти і теплоенергії на теплоенергетичних централях (ТЕЦ). Значне місце в енергетичному балансі займає гідроенергетика. Гідроелектростанції порівняно з тепловими мають вищі показники, тому на основі порівняно дешевої гідроелектроенергії повинні створюватись великі підприємства. Особливе місце належить атомним електростанціям, які можуть ліквідувати дефіцит в ПЕР. Україна володіє запасами уранових руд.

Важливим резервом в економії паливно-енергетичних ресурсів всіх галузей народного господарства є вдосконалення нових високоефективних і енергоекономічних прогресивних технологій. За рахунок цих заходів, а також вдосконалення енергозберігаючих і безвідходних технологій та модернізації уже діючого обладнання, можна досягнути значної економії ПЕР.

Великого значення в підвищенні сумарного коефіцієнта корисного використання енергетичних ресурсів в промисловій енергетиці має вдосконалення у виробництві вторинних енергоресурсів (ВЕР).

Теплозабезпечення

Відповідно до цієї схеми (рис. 13.5) відпрацьована пара від виробничої установки 1 проходить очищення в апараті 2 і направляється теплоспоживачу 3. При різких коливаннях в споживанні гострої пари на паропроводі встановлюється пароводяний акумулятор 5. При невідповідності режимів відпрацьованої пари і теплових навантажень споживачем передбачено акумулятор 4.

Рис. 13.5. Принципова схема використання відпрацьованої пари.

Одержання холоду

Потреби промисловості в холоді безперервно збільшуються. Потужними споживачами холоду є хімічна, харчова, металургійна та інші галузі промисловості. Холод усе більше застосовується в технологічних процесах, для кондиціонування повітря, одержання штучного льоду та в інших процесах, пов’язаних з низькими температурами. Переважна більшість підприємств на сьогодні забезпечена компресійними холодильними машинами, які складні і дорогі та витрачають багато електроенергії.

Електричну енергію можуть замінити теплові відходи, які є в достатній кількості майже на всіх хімічних та нафтохімічних підприємствах. Використання ВЕР теплових відходів (відхідні гази пічних і котельних установок, вторинна пара та інше) значно зменшать вартість продукування холоду. Отримання холоду за рахунок теплових відходів можна здійснити в абсорбційних холодильних установках, принцип дії яких описано в розділі 9. Нагадаємо, що робота абсорбційних холодильних машин грунтується на поглинанні (абсорбції) парів холодоагента абсорбентом (при тиску випарювання) з наступним його відведенням (десорбції) при тиску насичення шляхом нагрівання. Холодоагентом може бути водоаміачний розчин, або розчин бромистого літію (LiBr + H₂O) у воді.

Абсорбційні холодильні установки можуть працювати як автономні установки та разом з установками для теплозабезпечення і виробництва енергії.

 

Рис. 13.8. Схема абсорбційної холодильної установки для зрідження товарного аміаку: 1- парогенератор-ректифікатор; 2- дефлегматор; 3- конденсатор; 4- ресивер; 5- газовий холодильник; 6- випарник; 7- абсорбер; 8- ресивер абсорбера; 10- насос

 

На підприємствах, в яких здійснюється виробництво азоту використовуються абсорбційні установки для зрідження товарного аміаку, а також для охолодження міжступеневого холодильника в компресорі синтез-газу. Для одержання холоду використовується теплота конвертованого газу і парогазової суміші.

На рис. 13.8 показана спрощена схема абсорбційної машини для зрідження товарного аміаку

Парогенератор-ректифікатор 1 являє собою апарат, який складається з трьох частин: ректифікаційна колона з дефлегматором 2, двох трубчастих теплообмінників і куба. Міцний водний розчин аміаку (50 %-ний) надходить в апарат 1 з теплообмінника 9, стікає трубками вниз у вигляді плівки, причому випаровується за рахунок теплоти парогазової суміші і конвертованого газу, які подаються в міжтрубний простір апарату. Утворена пара водоаміачної суміші піднімається вгору в колоні, а потім надходить в дефлегматор 2. В дефлегматорі пара аміаку очищається від води, після чого подається в конденсатор 3. Конденсація аміаку здійснюється за рахунок охолодження повітрям і відведенням теплоти конденсації. Рідкий аміак зливається в ресивер конденсатора 4, звідки через газовий переохолоджувач 5 і регулююючий вентиль РВ надходить в міжтрубний простір випарника 6. За рахунок теплоти конденсації зрідженого товарного аміаку, який рухається всередині трубок випарника 6 аміак випаровується і його пара надходить в міжтрубний простір газового переохолоджувача 5. В цьому апараті пара аміаку охолоджує рідкий аміак, після чого надходить в абсорбер 7. В абсорбері пара аміаку абсорбується слабким водо-аміачним розчином (19,5 %-ним), який подається з куба парогенератора 1, попередньо охолодившись в теплообміннику 9. Теплота абсорбції відводиться оборотною водою. Міцний розчин аміаку з абсорбера 7 надходить в ресивер 8, звідки насосом 10 подається в трубки дефлегматора 2, де він нагрівається за рахунок теплоти дефлегмації. З дефлегматора міцний розчин аміаку подається в теплообмінник 9, де він нагрівається за рахунок теплоти слабкого водо-аміачного розчину, який із куба надходить в генератор-ректифікатор 1 і на цьому цикл завершується.

Аналогічну схему має абсорбційна холодильна машина для охолодження міжступеневого холодильника компресора синтез-газу з тією тільки різницею, що теплоносієм для генератора-ректифікатора є конвертований газ.

Дуже часто в хімічній технології здійснюється енергокомбінування, в якому абсорбційна холодильна установка під’єднується до основного агрегата і в даному випадку виконує роль утилізатора теплоти хімічного виробництва і є невід’ємною її складовою.

Таким чином, застосування методу абсорбції для одержання холоду в установці для зрідження аміаку дає можливість більш гнучкого здійснення технологічного процесу всього агрегату.

Агротеплофікація

Використання теплоти води, яка використовується в холодильних установках з низькими температурами унеможливлює її подальше використання. Це, в першу чергу, відноситься до води, за допомогою якої охолоджуються конденсатори парових турбін, оскільки температура води має 293¸298 К (20-25 ^оС), а її витрати становлять приблизно 25000 м³/г на 100 кВт потужності. Підігріта в конденсаторі на 8¸10 К вода містить 700¸800 ГДж теплоти. Додаткове підігрівання такої води здійснюється з метою подальшого її використання. Тому перспективним з точки зору подальшого її використання може стати сільське господарство.

Переважно електростанції розташовані у великих містах і промислових центрах з великою кількістю населення, яке забезпечується протягом року свіжими овочами. З цією метою поряд з електростанціями доцільно будувувати парникове господарство, яке може використовувати теплоту води електростанцій з низькими температурами. Застосування в окремих випадках економайзерів низького тиску для нагрівання циркуляційної води ТЕЦ дасть можливість передавати утилізовану воду на більші відстані з достатньою економічною ефективністю.

Тверде та рідке паливо

Тверде та рідке паливо – це комплекс складних органічних та мінеральних сполук. В його складі умовно виділяють горючу та негорючу частину. Органічне тверде та рідке паливо характеризується елементним складом, який умовно представляють як суму всіх хімічних елементів і сполук, що входять в паливо. Їх вміст дається у відсотках до маси 1 кг палива. Слід зауважити, що елементний склад не дає уяву про молекулярну та хімічну структуру палива. Для твердого та рідкого палива елементний склад можна записати у такому вигляді

C + H + S_Л + O + N + W = 100%, (14.1)

де C, H, S_Л, O, N, W – відповідно масові відсотки вуглецю, водню, леткої сірки, кисню, азоту, шлакового залишку, вологи.

В склад леткої сірки включають сірку, яка входить в склад органічних сполук та сірчаного колчедану (FeS_2.). Сірка, яка міститься у складі негорючих мінеральних солей, входить в склад шлакового залишку – CaSO₄, MgSO₄, FeSO₄ тощо.

В негорючу частину палива входять азот, кисень, волога (W), мінеральні негорючі речовини, які після згоряння палива утворюють шлаковий залишок (А).

Для твердого та рідкого палива розрізняють їх робочу, суху, горючу та органічну маси. Складу кожної маси присвоюється відповідний індекс: робочої – Р, сухої – С, горючої – Г та органічної – О.

Паливо у тому вигляді, в якому воно подається до споживача і підлягає згорянню, називається робочим, а маса та його елементний склад – відповідно робочою масою та робочим складом. Елементарний склад робочої маси записують таким чином:

C^P + H^P + S^P_Л + O^P + N^P +W^P = 100 %. (14.2)

Негорючі елементи палива становлять його баласт. Кисень та азот прийнято називати внутрішнім баластом палива, а шлак та вологу – зовнішнім, оскільки їх вміст в значній мірі залежить від таких внутрішніх чинників, як спосіб добування та зберігання палива.

В робочий склад окремих видів палива деякі елементи можуть і не входити. Так, в дровах відсутня летка сірка.

Суха маса палива на відміну від робочої маси не містить вологи і може бути представлена рівнянням

С^С + Н^С + S_Л^С + О^С + N^C + A^C = 100 %.

Формули перерахунку з робочої маси на суху мають вигляд

, (14.3)

де К – масова концентрація відповідного компоненту в робочій чи сухій масі.

Зольність палива завжди перевіряється тільки за сухою масою палива.

Горючий склад палива не містить зовнішнього балансу, тобто вологи і золи, і може бути записаний як

С^Г + Н^Г + О^Г + N^Г = 100 %. (14.4)

Назва " горюча маса " – умовна, оскільки дійсно горючими її елементами є тільки С, Н та S_Л. Склад горючої маси викопного палива залежить тільки від характеру та умов походження палива, а також від його геологічного віку (тобто глибини необоротних перетворень в органічних речовинах).

Вміст вуглецю в твердому паливі зростає з його геологічним віком, а вміст водню зменшується. Так, наприклад, вміст вуглецю в торфі становить С^Г = 50-60 %, в бурому вугіллі С^Г = 60-75 %, в кам’яному вугіллі – С^Г = 75-90 %. Із зменшенням геологічного віку вміст рослинних залишків у паливі збільшується.

Перерахунок із сухої та робочої мас палива на горючу проводять за формулою

. (14.5)

Органічна маса палива на відміну від горючої містить тільки органічну сірку і не включає колчеданну. Склад цієї маси може бути виражений рівнянням

. (14.6)

Для перерахунку використовують формулу

, (14.7)

де S_орг та S_K - відповідно сірка, що входить в склад органічних сполук та сірка, що входить в склад сірчаного колчедану.

Вологість та зола палива є його важливими технологічними показниками, значення яких відрізняється для різних видів палива. Склад твердого палива, необхідний для проведення розрахунків горіння палива та технологічних розрахунків, вказується в довідковій літературі.

Основними джерелами отримання штучних рідких палив є нафта. В процесі сухої перегонки вугілля та горючих сланців також отримують деякі види рідких палив. В паленищах котельних агрегатів та технологічних печей використовують в основному мазут – залишковий продукт переробки нафти. В склад мазуту входять вуглець, водень, сірка, кисень, азот. Основними характеристиками мазуту є в’язкість та температура застигання. Застосовують паливний мазут марок М40, М100, М200. Марка мазуту визначається граничною в’язкістю за температури 353 К. За вмістом сірки мазути поділяються на малосірчисті (до 0,5 %), сірчисті (до 2 %) та високосірчисті (3,5-4,3 %).

 

Газоподібне паливо

Газоподібне паливо – це суміш горючих та негорючих газів. Горюча частина газоподібного палива складається із насичених та ненасичених вуглеводнів, водню, оксиду вуглецю та сірководню. В склад негорючої частини входять азот, вуглекислий газ та кисень. Кількість водяної пари в газі позначається символом (d) та задається зазвичай в кг/м³. Склад природного та штучного газоподібного палив різні. Природний газ власне газових родовищ характеризується високим вмістом вуглеводнів, в основному метану CH₄ (до 98%). В склад природного газу в невеликих кількостях входять інші вуглеводи: етан C₂H₆, пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀, етилен C₂Н₄ та пропілен С₃Н₆. Вміст баласту О₂ та N₂, зазвичай в природному газі невеликий. В так званому попутному газі, який добувають на нафтогазових родовищах, спостерігається дещо підвищений вміст вищих вуглеводнів: етану, пропану, бутану, пентану, етилену. В природних газах вміст горючих складових (переважно водню та оксиду вуглецю) досягає 25-45 %. В баласті переважають азот та вуглекислота (75-35 %).

Склад газоподібного палива задається в об’ємних частках, оскільки кількісний вміст та хімічні формули компонентів визначаються достатньо точно з допомогою хімічного чи хроматографічного аналізів

. . (14.8)

Для вологого газу об’ємний склад визначають за формулою

, (14.9)

де К^В – об’ємний вміст компоненту вологого газу, К^С – об’ємний вміст компоненту в сухому газі, 0,805 – густина водяної пари за нормальних умов, кг/м³, d – вологовміст газу, кг/м³.

Технологічні розрахунки проводять, зазвичай, для сухого складу палива.

 

Горіння рідкого палива

Для горіння рідкого палива фізичними стадіями процесу є розпилювання палива, прогрівання його, випаровування та утворення горючої суміші. У зв’язку з цим можливі два випадки.

1. Спалювання палив, що легко випаровуються. Паливо спочатку випаровується, змішується з повітрям і горюча гомогенна суміш подається в камеру згоряння. В цьому випадку механізм та закономірності горіння рідкого палива нічим не відрізняються від горіння газоподібного.

2. Спалювання палива у рідкому стані. Таке спалювання застосовують у випадку спалювання палива, яке важко випаровується (мазут, смоли, солярове масло) в паленищах парових котлів, у промислових печах, в дизелях. В даний час не існує достатньо строгої теорії горіння палива в рідкому стані. Встановлено, що горіння рідкого палива можливе тільки в паровій фазі, оскільки температура кипіння рідких палив завжди нижча від температури самоспалахування.

Існує нижня та верхня межі спалахування рідкого палива. Нижня границя відповідає найнижчій температурі рідкого палива, коли пари над ним в суміші з повітрям здатні загорятися від зовнішнього джерела запалювання. Верхній границі відповідає температура рідкого палива, за якої воно запалюється та горить вслід за спалахуванням парів.

Інтенсифікація. Спалювання рідкого палива пов’язане головним чином з інтенсифікацією розпилювання та випаровування. Для тонкого однорідного розпилювання і сумішеутворення служать форсунки різних типів (механічні, парові, повітряні і т.п.) Призначення процесу розпилювання або пульверизації полягає в збільшенні поверхні контакту рідини з повітрям. За рахунок випромінювання в камері згоряння випаровування та термічний розклад інтенсифікуються.

Спалахування палива проходить не відразу на виході із форсунки, а на деякій відстані, там де створюється відповідний склад суміші і достатньо висока температура (рис. 14.2).

 

Рис. 14.2. Структура факелу рідкого палива

 

В цьому випадку, коли забезпечується турбулізація струменю та його закручування, як у випадку спалювання газу, факел утворюється короткий, а спалювання повніше. Висока ефективність горіння рідкого палива досягається в циклонних печах.

Гетерогенне горіння

Горіння твердого палива – це складний фізико-хімічний процес, що складається з низкиу послідовних та паралельних стадій: теплова підготовка, що включає підсушування, виділення летких і утворення коксу, горіння летких та коксу з утворенням димових газів і негорючої золи.

Волога з палива випаровується в температурному інтервалі 0 - 100 ^оС, а температура початку виходу летких залежить від геологічного віку палива. Так, для бурого вугілля виділення летких починається за температури 150 - 170 ^оС, а для антрациту – за температури порядку 400 ^оС.

Механізм горіння палива визначається горінням коксу-вуглецю, що складає основну горючу частину твердого палива.

Леткі речовини спричиняють вплив на горіння коксу, оскільки загоряються раніше і сприяють прогріванню частинок коксу, горіння коксу починається завичай після вигоряння летких.

Шлак є небажаною домішкою палива. Він понижує теплоту згоряння палива, зменшує горючу частину і за умови значної кількості її в паливі ускладнює доступ окиснювача до коксу. Горіння може бути ускладнене шлакуванням частинок горючого, якщо температура в зоні горіння перевищує температуру плавлення шлаку.

В загальному вигляді горіння вуглецю може бути описане такою схемою:

С + О₂ = СО_{2 ;} (14.15)

2С + О₂ = 2СО; (14.16)

С + СО₂ = 2СО; (14.17)