МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ (6 ЧАСОВ)

МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
(6 ЧАСОВ)
Тема 7. Расчет теплоты горения различных видов топлив (2 часа)
Основными видами топлива, используемого в мире в настоящее время,
являются: каменный уголь и кокс, бурый уголь, нефть и нефтепродукты,
природный газ, сланцы, торф, древесина и древесный уголь, синтетические газы
- доменный, генераторный, коксовый, подземной газификации угля. В будущем
в связи с истощением запасов традиционного топлива ожидается увеличение
использования нефти из морских месторождений, синтетических жидких
углеводородов, получаемых из битуминозных песков, сланцев и каменного угля,
и использование сжиженного газа. Ожидается увеличение использования таких
разновидностей горючего газа, как газ из газогидратов, сланцевый газ, метан из
угольных месторождений. Даже только разведанные запасы этих видов топлива
в несколько раз больше запасов традиционных нефти и газа, однако стоимость
их
добычи
превышает
стоимость
добычи
традиционного
топлива,
а
существующие технологии их добычи, переработки и использования могут
наносить больше вреда окружающей среде, чем в случае традиционного топлива.
По агрегатному состоянию вещества топливо делится на твердое, жидкое и
газообразное. Важнейшей характеристикой топлива является теплота его
сгорания. Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива обычно выражают в
кДж/кг, а газообразного – в кДж/м3. Различают низшую и высшую теплоту
сгорания топлива. Количество тепла, выделяющегося при полном сгорании
единицы массы данного топлива, зависит от того, в паровом или жидком
состоянии находится влага в продуктах сгорания. Если водяной пар
сконденсируется, и вода в продуктах сгорания будет находиться в жидком виде,
то
тепло
парообразования
освободится,
и
тогда
количество
тепла,
выделяющегося при сгорании единицы массы топлива, получается больше.
Количество тепла, выделяющегося при полном сгорании 1 кг твердого или
жидкого топлива или 1 м3 газового топлива, при условии, что образующиеся
водяные пары в продуктах сгорания конденсируются, называется высшей
теплотой сгорания топлива. Количество тепла, которое выделяется при полном
сгорании топлива, за вычетом тепла парообразования водяных паров,
образующихся при горении, называется низшей теплотой сгорания. В обычных
условиях промышленного использования топлива большая часть паров не
конденсируется, и в расчетах обычно используют низшую теплоту сгорания
топлива.
Химический состав топлива.
Любое топливо можно рассматривать как вещество, состоящее из
отдельных химических элементов, поэтому, говоря о химическом составе, часто
применяют термин «элементарный состав». В действительности минеральное
топливо состоит из различных химических соединений, от вида которых зависит
его агрегатное состояние.
Химический состав твердого и жидкого топлив выражают в массовых
процентах, а газообразного - в объемных процентах.
В общем виде состав твердых и жидких топлив записывают в виде знаков
химических элементов или условными буквенными обозначениями. Так, в
выражении:
C + H + O + N + S + A + W = 100 %
символами C, Н, О, N и S выражают процентное содержание (по массе)
соответственно углерода, водорода, кислорода, азота и серы, а символы А и W содержание золы и влаги. Следует отметить, что зола топлива содержит
минеральные оксиды и соли типа SiO2, Al2O3, CaO, Fe2O3, CaSO4 и др.
Углерод - наиболее важная составляющая твердого и жидкого топлива, так
как его больше всего содержится в массе топлива, Сгорая, углерод выделяет
значительное количество теплоты.
В топливе углерод находится обычно в виде соединений с другими
элементами,
прежде
углеводородами.
всего
с
водородом.
Эти
соединения
называют
Водород - вторая по важности горючая составляющая твердого и жидкого
топлив. По количеству теплоты, выделяемой при горении, водород в 3,5 раза
ценнее углерода, но содержание водорода в топливах значительно меньше, чем
углерода. Водород в топливе может находиться в виде соединений с углеродом,
серой, кислородом и в свободном состоянии.
Сера, содержащаяся в топливе, может находиться в виде горючих и
негорючих соединений. Органическая So и колчеданная (FeS2) сера горючая, а
сульфатная (CaSO4, FeSO4 и т.д.) - не горючая и входит в состав золы топлива.
Азот топлива является балластом, относится к негорючей части топлива,
но при горении в условиях высоких температур может вступать во
взаимодействие со свободным кислородом, образуя оксиды азота (NOх),
переходящие в продукты сгорания и являющиеся веществами, оказывающими
вредное воздействие на окружающую среду, особенно на живые организмы.
Кислород - нежелательная составляющая топлива. Находясь в свободном
состоянии, кислород повышает способность топлива к самовозгоранию.
Соединяясь с углеродом и водородом топлива, кислород образует негорючие
составляющие (CO2, H2O), снижающие тепловую ценность топлива.
Зола также является нежелательной составляющей топлива, снижающей
долю горючей его части. К тому же при горении составляющие золы
ошлаковываются и увлекают за собой несгоревшие частицы топлива, уменьшая
общее количество выделяющейся теплоты.
Влага - весьма нежелательная составляющая топлива, поскольку не просто
понижает содержание горючих компонентов, но и требует значительных затрат
теплоты на испарение и перегрев.
В зависимости от химического анализа различают составы твердого и
жидкого топлива: органическая масса (индекс «о» в верхней части химического
элемента, например Со), сухая масса (индекс «с»), горючая масса (индекс «г») и
рабочая масса (индекс «р»).
При сжигании топлива приходится всегда иметь дело с полным, т.е.
рабочим, составом топлива, поэтому он может быть записан в виде равенства:
Cр + Hр + Oр + Nр + Sр + Aр + Wр = 100 %
Сухую массу топлива Mс, кг можно рассчитать по формуле:
Mс M р
100  W р
,
100
где Mр – рабочая масса топлива;
Wр – рабочая масса влаги, %.
А горючую массу MГ, кг – по формуле:
MГ Mр
100  A р  W р
,
100
где Ар – рабочая масса золы, %.
Существуют формулы для пересчета состава топлива с одной массы на
другую. Если условно обозначить любой химический элемент топлива буквой x,
то при пересчете сухой массы топлива в рабочую следует пользоваться
формулой:
x р  xc
100  W р
100
при пересчете горючей массы топлива в рабочую формула выглядит
следующим образом:
x р  xГ
100  А р  W р
100
В отличие от твердого и жидкого топлив у газообразного различают всего
две массы: сухую и рабочую (влажную).
Низшая теплота сгорания рабочей массы твердого и жидкого топлив
рассчитывается по формуле:




Qнр  339C р  1030 H р  109 O р  S р  25 9 H р  W р ,
где Qнр - низшая теплота сгорания рабочей массы топлива, кДж/кг;
Cр, Hр, Oр, Sр, Wр – рабочие массы соответственно углерода, водорода,
кислорода, серы и влаги, %.
Низшую теплоту сгорания газообразного топлива можно рассчитать,
суммируя тепловые эффекты реакций окисления горючих компонентов топлива:
об
об
об
об
Qнр  127,7CO об  108H 2  358CH 4  590C 2 H 4  555C 2 H 2 
об
об
об
об
 636C 2 H 6  913C3 H 8  1185C 4 H 10  1465C5 H 12  234H 2 S об
,
где Qнр - низшая теплота сгорания газообразного топлива, кДж/м3;
xоб – объемная доля горючего компонента x топлива, %,
а цифры означают уменьшенные в 100 раз тепловые эффекты реакций
окисления соответствующих горючих составляющих.
Основными параметрами, рассчитываемыми при расчете процессов
горения топлива, являются низшая теплота сгорания, температура горения
топлива tгор (K), расход атмосферного воздуха или воздуха, обогащенного
кислородом, необходимый для полного сжигания единицы топлива (L, м3/м3 или
м3/кг), выход (V, м3/м3 или м3/кг) и состав продуктов полного сгорания.
Минимально
(теоретически)
необходимое
количество
воздуха
обозначается как L0, а теоретический выход продуктов сгорания от сжигания
единицы топлива обозначается как V0.
Однако ввиду сложности процесса горения теоретически необходимого
количества воздуха бывает недостаточно для полного окисления горючих
составляющих топлива. На практике воздух подают с некоторым избытком для
обеспечения полного горения топлива. Это количество практически введенного
воздуха обозначают как L (м3/кг или м3/м3). Отношение действительно
введенного количества воздуха к теоретически необходимому называют
коэффициентом избытка воздуха :

L
L0
Коэффициент избытка воздуха ( > 1) задается в технических расчетах в
зависимости от вида топлива, теплоты его сгорания, условий протекания
технологического процесса и типа топливосжигающего устройства.
При конкретном  образуется реальный (практический) выход продуктов
сгорания V. Расчет состава продуктов сгорания необходим для расчетов
технологических процессов, а также для расчетов теплообмена в рабочем
пространстве теплового агрегата.
Температура горения топлива зависит от многих факторов, таких как вид
топлива, его теплота сгорания, коэффициент избытка воздуха, степень
обогащения дутья кислородом, температура подогрева топлива и воздуха,
технологические условия сжигания топлива и т.д.
Чтобы эта характеристика была более определенной и соответствовала
данному виду топлива и условиям его сжигания, принимают некоторые
конкретные ограничения и допущения. Во-первых, условно допускают, что вся
теплота, выделившаяся при горении единицы топлива, остается в продуктах
сгорания, т.е. принимаются условия отсутствия теплообмена дымовых газов с
окружающей средой (так называемые адиабатические условия). Во-вторых,
допускается ввод физической теплоты с подогретыми топливом и воздухом и, втретьих, допускается, несмотря на избыток воздуха, что часть топлива по
различным причинам может не догорать, и тогда появляется унос теплоты с
механическим недожогом (для твердого топлива) и с химическим недожогом
(для всех видов топлив).
Тепловой баланс горения топлива может быть представлен уравнением:
Q1  Q2  Q3  Q4  Q5  Qнр  QT  Qв ,
где Q1 – затраты теплоты на обработку технологического материала;
Q2 – теплота продуктов сгорания;
Q3 – химический недожог топлива;
Q4 – механический недожог топлива;
Q5 – потери теплоты в окружающую среду;
QНр – теплота, вносимая единицей массы или объема топлива при полном
горении;
QT – физическая теплота подогретого топлива;
Qв – физическая теплота подогретого воздуха.
Если принять, что затраты теплоты на обработку технологического
материала отсутствуют, и потери теплоты в окружающую среду также
отсутствуют ввиду адиабатических условий процесса горения, данное уравнение
можно переписать в следующем виде:
Q2  Q3  Q4  Qнр  QT  Qв
В этом случае теплоту продуктов сгорания Q2 можно представить как:
Q2 = Cпр.сг. . tгор . V,
где: Cпр.сг. – удельная теплоемкость продуктов сгорания;
tгор – температура горения;
V – практический выход продуктов сгорания при сжигании единицы
топлива.
Если химический недожог (кроме диссоциации) и механический недожог
топлива отсутствуют, но имеет место подогрев топлива и воздуха и сжигание
топлива ведется с избытком воздуха, характеризуемым коэффициентом избытка
, то можно рассчитать так называемую теоретическую температуру горения, K
по формуле:
tТ 
Qнр  QТ  Qв  Q3дис
Cпр.сгV
Если имеет место реальный химический и механический недожог топлива
и сохраняются те же остальные условия, то можно рассчитать так называемую
балансовую температуру горения, K:
tб 
QНр  QT  Qв  Q3  Q4
Cпр.сгV
Расчеты по получению энергии из ядерного горючего.
В качестве ядерного горючего в настоящее время в основном используется
изотоп урана
235
U. Единственный в мире промышленный энергетический
реактор на быстрых нейтронах мощностью 600 МВт, позволяющий использовать
изотоп урана 238U, составляющий 99,3 атомных % в природном уране, находится
в России на Белоярской АЭС. На этой АЭС ведется строительство второго
реактора на быстрых нейтронах мощностью 880 МВт. Строительство четырех
реакторов на быстрых нейтронах примерно той же мощности планируется также
в Индии. Представляет интерес развитие атомной энергетики на основе тория с
использованием изотопа
232
Th, запасы которого превосходят запасы урана, при
этом ториевая атомная энергетика считается более безопасной, чем урановая,
которая развивалась в связи с производством ядерного оружия.
Убыль ядерного горючего B происходит в результате деления ядер 235U и
239
Pu и захвата ими нейтронов с образованием неделящихся изотопов. При
полном делении ядерного горючего выделяется 80.109 кДж/кг тепловой энергии,
а с учетом образования неделящихся изотопов 80.109.0,85 = 68.109 кДж/кг.
Выделение энергии в реакторе в кДж за год Qгод при убыли ядерного горючего
B в килограммах за год можно рассчитать по формуле:
Qгод = 68 . 109 B
Если годовое выделение выразить в мегаватт сутках, то:
Qгод = 785 B
Количество ядерного горючего Bгод в килограммах, проходящего за год
через реактор при перегрузках, существенно отличается от убыли его B.
Отношение:
 = B/Bгод
характеризует полноту использования ядерного горючего в реакторе. Из
двух последних равенств получим:
Qгод = 785..Bгод = K.Bгод,
где K=785. – теплота, выделяющаяся на единицу прошедшего через него
ядерного горючего МВт.сут/кг. Эту величину называют глубиной выгорания.
Глубина выгорания для металлического урана составляет 3 – 3,5
МВт.сут/кг., но для его соединений может быть много больше. Например, оксид
урана является веществом пористым и поэтому способным накопить много
больше, чем металлический уран, продуктов деления без видимых нарушений
формы
тепловыделяющего
составляет до 20 МВт.сут/кг.
элемента.
Глубина
выгорания
оксида
урана
Годовое выделение тепловой энергии в реакторе определяется его
тепловой мощностью. Если тепловая мощность WT выражена в кВт, а годовое
тепловыделение в мегаватт-сутках, то:
Qгод = WT . уст / 24000,
где уст – годовое число часов использования установленной мощности,
которое рассчитывается по формуле:
уст = Эгод/Wэ.уст.,
где Эгод – годовая выработка электроэнергии на АЭС;
Wэ.уст. – установленная электрическая мощность АЭС.
Годовой расход ядерного горючего в килограммах при тепловой мощности
WT можно рассчитать по формуле:
Bгод = WT.уст / (24000.K)
а при электрической мощности Wэ по формуле:
Bгод = Wэ.уст / (24000.K.ст),
где ст = Wэ/WT – КПД атомной электростанции.
Типичные значения КПД современных АЭС составляют 30-35 %.
Мощность гидроэлектростанции можно рассчитать по формуле:
P = ..Q.g.h,
где P – электрическая мощность гидроэлектростанции, Вт;
 – КПД гидроэлектростанции;
 – плотность воды – около 1000 кг/м3;
Q – расход воды, м3/с;
g – ускорение свободного падения – 9,8 м/с2;
h – напор гидроэлектростанции, м – разность между верхним и нижним
бьефами (уровнями воды).
Задачи.
Задача 7.1.
Рассчитать низшую теплоту сгорания Qнр природного газа следующего
состава (объемных %): CO – 0,5; H2 – 2; CH4 – 76; C2H4 – 4; C2H2 – 3;5; C2H6 – 5;
C3H8 – 3; C4H10 – 4; C5H12 – 0,9; H2S – 0,1; H2O – 1.
Qнр  127,7  0,5  108  2  358  76  590  4  555  3,5  636  5 
 913  3  1185  4  1465  0,9  234  0,1  45843,25
кДж
м3
Задача 7.2. Рассчитать балансовую температуру горения tб каменного угля
при следующих условиях:
низшая теплота сгорания рабочей массы топлива Qнр – 10000 кДж/кг;
физическая теплота подогретого топлива QТ – 50 кДж/кг;
физическая теплота подогретого воздуха Qв – 200 кДж/кг;
химический недожог топлива Q3 – 100 кДж/кг;
механический недожог топлива Q4 – 400 кДж/кг;
удельная теплоемкость продуктов сгорания Cпр.сг – 1,19 кДж/м3.K.
практический выход продуктов сгорания при сжигании единицы топлива
V – 6,435 м3/кг.
tб 
1000  50  200  100  400
= 1273 K = 1000 oC.
1,19  6,435
Задачи для самостоятельного решения.
Задача 7.3.
В каменном угле рабочая масса золы составляет 25 %, а рабочая масса
влаги 30 %. Горючая масса угля составляет 600 кг. Чему будет равняться рабочая
масса угля после подсушки, если при этом будет удалено 50 % влаги?
Ответ 1 тонна.
Задача.7.4.
Годовой расход ядерного горючего на атомной электростанции составляет
30 кг, КПД – 33,3 %, глубина выгорания ядерного топлива – 20 МВт.сут/кг,
годовое число часов использования установленной мощности – 7500 часов.
Рассчитать установленную электрическую мощность атомной электростанции.
Ответ 640 МВт.
Задача 7.5.
Напор гидроэлектростанции составляет 150 м, расход воды 80 м3/с, а КПД
– 85 %. Рассчитать электрическую мощность гидроэлектростанции.
Ответ 100 МВт.