6. Характеристика и состав твердых топлив

Органическая часть твердых и жидких топ­лив состоит из большого количества сложных химических соединений, в состав которых в основном входят пять химических элемен­тов: углерод С, водород Н, кислород О, сера 5 и азот N. Кроме того, топливо содержит минеральные примеси А, попавшие в исход­ную залежь в основном извне, и влагу ТУ. Поэтому химический состав твердых и жид­ких топлив определяют не по количеству со­единений, а по суммарной массе химических элементов в топливе в процентах от 1 кг, т. е. устанавливают элементарный состав топлива.

Состав: Ср ,%,- углерод

Нр = %, водород

S = %, сера

N = %, азот

O2 = %, кислород

W = %, зола

A = %, влага

Горючими элементами топлива являются углерод, кислород и сера. Углерод является основным горючим элементом топлива. Он имеет большую теплоту сгорания и составляет большую часть рабочей массы топлива. Водород имеет большую теплоту сгорания, но его количество невелико. Сера содержится в малых количествах, и не представляет ценности как горючий элемент. Наличие окислов серы в продуктах сгорания увеличивает опасность коррозии металла, при определенных концентрациях опасно для организмов и растительности.

7. Теоретически необходимое количество воздуха и теоретические объемы продуктов сгорания

Теоретический объем воздуха – это то количество воздуха, которое необходимо израсходовать для полного сжигания 1 кг топлива, при условии, что весь кислород прореагировал с горючими.

Теоретические объемы продуктов сгорания:

CO₂ + SO₂ + N₂ + H₂O = 100%

RO₂ – трёхатомные газы (абстрактная характеристика).

CO₂ + SO₂ + N₂ + H₂O + O₂ = 100%

RO₂

Теоретические объёмы (α = 1):

Объём 3-х атомных газов:

;

Объём водяных паров:

a б в

,

а) , б) , в) .

Объём азота:

.

Суммарный объём:

.

8. Состав продуктов сгорания, действительные объемы продуктов сгорания

Реакции горения при высоких температу­рах идут с большой скоростью, поэтому со­став конечных продуктов сгорания близок к равновесному. В зонах, где оказалась не­хватка кислорода, могут остаться продукты неполного окисления исходных горючих ком­понентов. Состав продуктов сгорания при сжи­гании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м3 газового топлива можно записать в сле­дующем виде

V _CO2 + V _SO2 + V _H2O + V _N2 + V _О2 + V _CO + V _Н4+ V _{С Н4} - 1кг+воздух

1 2 3

Продукты сгорания топлива удобно раз­бить на три группы. Цифрой 1 в (5.1) обозна­чены продукты полного окисления горючих элементов топлива. Они состоят из трехатом­ных сухих газов,

Цифрой 2 обозначены объемы азота и кисло­рода, представляющие собой остаток сухого воздуха после горения топлива, и водяных па­ров. Цифрой 3 обозначены продукты не­полного окисления горючих элементов топлива, при этом V _CO > V _Н4> V _{С Н4} . Соотношение между объемами V _CO :V _Н4 в среднем составляет 3:1.

Наличие в продуктах неполного сгорания объ­ема V _{С Н4} свидетельствует о грубых отклонени­ях режима горения от нормы.

В действительных условиях невозможно довести топливо до полного сгорания при тео­ретически необходимом объеме воздуха V° вследствие несовершенства перемешивания топлива с воздухом в большом топочном объ­еме за короткое время пребывания газов в нем (1—2 с). Поэтому для обеспечения до­статочно полного сгорания топлива, удо­влетворяющего экономическим показателям работы котлов, действительный объем воздуха всегда несколько больше теоретического. От­ношение этих объемов называют коэффициен­том избытка воздуха в продуктах сгорания

а= Vв / V°

Необходимый коэффициент избытка возду­ха в топке ат зависит от сорта топлива, спо­соба его сжигания и конструкции топочного устройства. Высокореакционное твердое топ­ливо, отличающееся большим выходом лету­чих веществ, легче воспламеняется и быстрее сгорает, поэтому нуждается в меньшем избыт­ке воздуха, чем топливо с малым выходом летучих. Эффективное перемешивание топлива с воздухом достигается в газовоздушных сме­сях, поэтому сжигание мазута и газового топ­лива требует наименьшего избытка воздуха. Разный избыток воздуха нужен при сжигании одного и того же топлива, но в разных топоч­ных устройствах (например, в прямоточной или вихревой топочной камере), отличающих­ся эффективностью перемешивания.

Расчетный коэффициент ат устанавливает­ся с учетом всех факторов согласно Нормам теплового расчета паровых котлов [8]. Обыч­но его принимают для разных топлив в пре­делах:

При сжигании твердых топлив 1,15—1,25

При сжигании жидких топлив 1,03—1,1

При сжигании газовых топлив. ....... 1,05—1,1

Уменьшение избытка воздуха дает эконо­мию расхода энергии на привод тягодутьевых машин и повышает КПД котла, однако его снижение ниже расчетного значения ат ведет к быстрому росту недожога топлива и сни­жению экономичности котла.

9. Определение избытка воздуха на рабочем котле. Токсичные вещества в дымовых газах и меры защиты

В действительных условиях невозможно довести топливо до полного сгорания при тео­ретически необходимом объеме воздуха V° вследствие несовершенства перемешивания топлива с воздухом в большом топочном объ­еме за короткое время пребывания газов в нем (1—2 с). Поэтому для обеспечения до­статочно полного сгорания топлива, удо­влетворяющего экономическим показателям работы котлов, действительный объем воздуха всегда несколько больше теоретического. От­ношение этих объемов называют коэффициен­том избытка воздуха в продуктах сгорания

а= Vв / V°

Необходимый коэффициент избытка возду­ха в топке ат зависит от сорта топлива, спо­соба его сжигания и конструкции топочного устройства. Высокореакционное твердое топ­ливо, отличающееся большим выходом лету­чих веществ, легче воспламеняется и быстрее сгорает, поэтому нуждается в меньшем избыт­ке воздуха, чем топливо с малым выходом летучих. Эффективное перемешивание топлива с воздухом достигается в газовоздушных сме­сях, поэтому сжигание мазута и газового топ­лива требует наименьшего избытка воздуха. Разный избыток воздуха нужен при сжигании одного и того же топлива, но в разных топоч­ных устройствах (например, в прямоточной или вихревой топочной камере), отличающих­ся эффективностью перемешивания.

Уменьшение избытка воздуха дает эконо­мию расхода энергии на привод тягодутьевых машин и повышает КПД котла, однако его снижение ниже расчетного значения ат ведет к быстрому росту недожога топлива и сни­жению экономичности котла.

Для обеспечения при эксплуатации опти­мальных условий горения топлива и миниму­ма присосов воздуха по газовому тракту не­обходим постоянный контроль за избытками воздуха в газовом тракте. На электростанциях используют два метода определения этого по­казателя. Основным является метод прямого определения остаточного кислорода в потоке дымовых газов кислородомером. Определение содержания кислорода в газовой смеси осно­вано на использовании магнитных свойств молекул кислорода, чем не обладают другие газы многокомпонентной газовой смеси.

Вторым достаточно широко применяемым методом определения избытка воздуха в про­дуктах сгорания является его расчет на осно­ве нахождения процентного содержания сухих трехатомных газов

В газообразных выбросах электростанций безопасными составляющими для человека являются водяные пары, углекислый газ, кис­лород и азот. Остальные ингредиенты в той или иной мере являются вредными. Время существования газообразных вредных веществ в окружающей среде состав­ляет от нескольких часов до нескольких суток. Многие из них постепенно разрушаются или преобразуются в безвредные под действием солнечной радиации и наличия кислорода в воздухе. Аэрозольные твердые частицы (са­жа, пятиокись ванадия, бенз(а)пирен), оседая на поверхности земли, могут накапливаться и участвуют в приземной циркуляции атмо­сферы Степень опасности воздействия того или иного вещества на живой организм опреде­ляют через отношение действительной концен­трации вещества С, мг/м³, к предельно допу­стимой концентрации (ПДК), мг/м³, в воздухе на уровне дыхания. В отличие от газа ЗОг, выбросы которого из котлов относятся к неуправляемому про­цессу и зависят только от содержания серы в топливе, концентрация окислов азота в ды­мовых газах в решающей степени определяет­ся организацией топочного процесса. Окислы азота образуются главным образом за счет азота и кислорода воздуха в высокотемпера­турной области горения (при температурах более 1600°С) и в результате окисления соб­ственного азота топлива (эта реакция проте­кает при температурах ниже 1600°С). Таким образом, главными факторами уменьшения об­разования N0* в топках являются снижение температурного уровня в зоне горения («низ­котемпературное» горение) и уменьшение из­бытка воздуха. При этом следует помнить, что оба эти фактора в условиях неналаженной работы топки и горелок могут привести к об­разованию других не менее вредных веществ [например, сажи и бенз(а)пирена].

Выброс золовых частиц электростанциями составляет около 20% общего загрязнения атмосферы твердыми пылевыми частицами. С увеличением мощности тепловых электро­станций и доли сжигания на них твердых топ-лив выбросы твердых фракций могут воз расти. В связи с этим актуальной становится задача глубокого улавливания золовых ча­стиц перед удалением дымовых газов в атмо­сферу. В летучей золе после сжигания твер­дых топлив находится ряд вредных компонен­тов, таких как соединения, содержащие фтор и мышьяк, окислы ЗЮг, СаО. Улавливание золовых частиц на ТЭС чаще всего произво­дится электрофильтрами. Для многих топлив, обладающих повышенным содержанием золо-вого остатка, степень очистки газов от золы должна быть не ниже 99%.