Лисиенко Ресурсы и факторы управления в енергосбережении 2011

Библиографический список к главе 2

1.Лисиенко В. Г., Щелоков Я.М., Ладыгичев М.Г. Хрестоматия энергосбережения. Справочное пособие в 2-х книгах / Под ред. В.Г. Лисиенко. М.: Теплоэнергетик. 2002.

2.Лисиенко В.Г., Щелоков Я. М., Ладыгичев М.Г. Топливо. Рациональное сжигание, управление и технологическое использование. Справочное издание: В 3-х книгах / Под ред. В.Г. Лисиенко. М.: Теплотехник. 2003−2004.

3.Экономика и управление в энергетике: Учеб. пособие / Т. Ф. Басова, Н. Н. Кожевников, Э. Г. Леонова и др. / Под ред. Н. Н. Кожевникова. М.: Изд. центр «Академия», 2003.

4.Энергетика России. Стратегия развития. (Научное обоснование энергетической политики). М.: ГУ ИЭС Минэнерго России, 2003.

Контрольные вопросы к главе 2

1.Каковы основные цели, сформулированные в энергетической стратегии России до 2020 г.?

2.Какие виды энергетических ресурсов существуют?

3.Каковы объемы потребления топливно-энергетических ресурсов в мире, в России, в регионе, где вы живете?

4.Какая связь между энергетической эффективностью и экологической безопасностью?

5.Что такое топливно-энергетический баланс (ТЭБ)?

6.Что такое возобновляемые источники энергии?

7.Как способствует использование возобновляемых источников энергии улучшению экологической обстановки?

51

Глава 3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПЛИВ И ПОКАЗАТЕЛИ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ

3.1. Теплота сгорания топлив

Низшая теплота сгорания рабочего топлива Qнр – это коли-

чество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы топлива без учета теплоты, которая генерируется при конденсации содержащейся в продуктах сгорания влаги. Единицы измерения теплоты сгорания – кДж/кг (для жидкостей и твердых веществ), кДж/м3 при нормальных условиях (для газов). При этом объем газов – м3 – принимают при так называемых начальных условиях (н.у.), т.е. при температуре Т0 = 273 К и при давлении р0 = 1 атм. = = 760 мм. рт. ст. ≈ 0,1 МПа.

Реальный объем газов в продуктах сгорания зависит от температуры Tг и давления рг в топке и определяется по формуле, включающей законы Гей-Люсака и Бойля–Мариотта:

V =V	Тг			р0	,	(3.1)
				р
г 0	Т	0
				г

где V0 – объем газа при нормальных условиях1.

Высшая теплота сгорания рабочего топлива Qвр – это коли-

чество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива с учетом теплоты, образующейся при конденсации содержащейся в продуктах сгорания влаги.

Удельная теплота парообразования влаги

Qисп = 2 512,2 кДж/кг = 600 ккал/кг (1ккал = 4,187 кДж ≈ 4,19кДж).

Для связи низшей и высшей рабочей теплоты сгорания топлива используется формула:

Qр	= Qр −Q		исп	(9Нр +W р) ,	(3.2)
н	в
1 В дальнейшем, кроме специально оговоренных случаев,					объем газов представ-
ляется при нормальных условиях.

52

где Нр – доля массового содержание водорода в рабочем топливе; Wр – доля массового содержание влаги в рабочем топливе; индекс «р» – масса рабочего топлива.

Приведем часто используемые обозначения для топлива:

р – это все топливо в неизменном виде, рабочая масса топлива; с – сухое топливо, т.е. топливо, не содержащее влаги; г – условно горючая масса топлива, не содержащего влагу и золу;

о – условная масса органического топлива, т.е. топлива без золы, влаги и серы в минеральной части топлива и состоящего только из углерода, водорода, азота и кислорода.

Тогда соответствующие низшие теплоты сгорания для топлив будут обозначаться верхними индексами:

Qнс – для сухой массы топлива;

Qнг – для условно горючей массы топлива;

Qно – для органической массы топлива.

Понятие об условном топливе и нефтяном эквиваленте. Ус-

ловное топливо (у.т.) – это топливо, имеющее низшую теплоту сгорания:

Qнр.у.т = 7 000 ккал/кг = 29 309 кДж/кг ≈ 29,3 МДж/кг.

Например, для природного газа при Qнрприр.газ = 35 590 кДж/м3 = = 8 500 ккал/м3 теплота сгорания в кг у.т.:

Qнрприр.газ / Qнру. т. = 35 590 / 29 309 = 1,214 кг у.т.

В зарубежной практике используется условное топливо в виде нефтяного эквивалента, теплота сгорания которого равна

10 000 ккал/кг = 41 870 кДж/ кг.

Методы определения теплоты сгорания топлива. При опре-

делении теплоты сгорания топлива применяются экспериментальные и расчетные методы.

1. Экспериментальный метод (состав топлива при использовании этого метода не известен). В его основе лежит использование калориметрической бомбы. Калориметрическая бомба – основная часть калориметра для определения теплоты сгорания жидкого или твердого вещества, представляет собой герметичный толстостенный стальной цилиндр, в котором сжигают исследуемое топливо. Для газового топлива используют газовые калориметры.

53

2. Расчетный метод (в этом случае состав топлива известен). При этом действует правило аддитивности, т.е. суммируются теплоты сгорания отдельных составляющих, содержащихся в топливе. Для расчета теплоты сгорания жидких и твердых видов топлив используется формула Д.И. Менделеева:

Qнр = 4,19 [81Cр +246Нр −26(Ор −Sр ) −6Wр ] кДж/кг, (3.3)

где C, H, О, S, W – содержание углерода, водорода, кислорода, серы и влаги в рабочем топливе, %.

Для расчета теплоты сгорания газообразного вида топлива используется формула:

Qр = 4,19(30,5СО+25,8H	2	+85,6CH	4	+	(3.4)
н
+143C2H4 +55,2H2S+…) кДж/м3 ,

где CО, H2, СН4, С2Н4, Н2S и т.д. – процентное содержание соответствующих горючих газов в топливе.

Таблица 3.1

Ориентировочные округленные значения Qр для некоторых топлив
	н
		Qр
Топливо			н
	ккал /кг (м3)		кДж /кг (м3)
Уголь	до 6 000−7 000		25 000−30 000
Мазут*, а также бензин, керосин,	до 10 000		42 000
дизельное топливо
Природный газ* (99% − метан СН4)	до 8 500		35 000

*Высококалорийные виды топлива.

3.2.Определение расхода окислителя

ивыхода продуктов сгорания

Теоретически необходимое количество окислителя (воздуха)

для горения (удельное) L0 – это теоретически необходимое (стехиометрическое) количество воздуха или окислителя (например, О2), необходимое для полного горения топлива и приходящееся на

54

единицу топлива (на кг – для твердых и жидких топлив и на 1 м3 – для газообразного топлива).

Стехиометрические реакции – это реакции, в которых проис-

ходит полное использование вступающих в реакцию компонентов. Стехиометрическая реакция на примере сгорания природного

газа СН4 в кислороде:

CH4 +2O2 =CO2 +2H2O.

Для осуществления реакции на 1 моль СН4 использовали 2 моля кислорода О2, следовательно, теоретически необходимое количест-

во О2 для полного сгорания 1 м3 СН4 равно LO2 = 2 м3 /м3 .

0

Реакция горения водорода в кислороде:

1

Н2 + 2 О2 = Н2О.

На 1 моль требуется 0,5 моля О2, т.е. в этом случае LO02 =0,5 м3 /м3 . Реакция горения метана, которая протекает в воздухе при объ-

емном отношении N2 = 3,76: О2

СН4 +2О2 +2×3,76N2 = СО2 +2Н2О+2×3,76N2 .

При этом теоретически необходимое количество окислителя, в данном случае воздуха, для горения равно

L0 = 2 + 2·3,76 = 9,52 м3 /м3.

При горении метана в случае использования обогащенного кислородом воздуха и при объемном отношении N2/O2 = Kоб < 3,76 величина L0 = 2 +2 Kоб.

Коэффициент расхода (избытка) воздуха определяется как от-

ношение действительного (фактического) расхода воздуха Lα к теоретически необходимому расходу воздуха L0 для процесса горения:

α =	Lα	.	(3.5)
	L
	0

Отметим ряд возможных пределов величины α в различных процессах.

При α ≥ 1 – процесс горения с избытком окислителя (обычный режим горения);

55

α≈ 1,02−1,04 – для газообразного топлива;

α≈ 1,05−1,06 – для жидкого топлива;

α≈ 3 – 4 – для газотурбинных двигателей.

Как видим, в газотурбинных двигателях с целью снижения температуры горения (для защиты лопаток двигателя) применяют повышенные значения α.

В литературе часто используется понятие «избыток воздуха» (air excess). Но существуют режимы горения при α ≤ 1, при которых происходят реакции с недостатком окислителя. Такие процессы применяются при газификации и пиролизе топлив, а также при получении восстановительных газов. При α = 1 устанавливается режим теоретического (стехиометрического) горения.

Коэффициент расхода воздуха иногда увеличивают для уменьшения объемного содержания вредных выбросов, так как величина:

Lα = α L0. (3.6)

Теоретическим выходом продуктов сгорания называют объем продуктов сгорания при полном сгорании топлива, приходящегося на единицу сгорания топлива α = 1.

V0 – теоретический выход продуктов сгорания топлива, определяется по стехиометрическим реакциям.

Vα – действительный выход продуктов сгорания, зависит от величины коэффициента расхода окислителя.

Например, рассмотрим реакцию горения метана в кислороде: CH4 +2O2 =CO2 +2H2O.

В этом случае на 1 моль СН4 выделяется 3 моля продуктов сгорания – СО2+2Н2О. Тогда в этом случае теоретический выход про-

дуктов сгорания равен V0O2 =3 м3 /м3.

Для реакции горения водорода в кислороде:

1

Н2 + 2 О2 =Н2О теоретически необходимое количество окислителя (О2), необходи-

мое для полного горения топлива равно LO0 2 = 0,5 , а теоретический выход продуктов сгорания равен V0O2 =1.

Найдем теоретический выход продуктов сгорания для реакции горения метана в воздухе:

56

CH4 +2O2 +2×3,76N2 =CO2 +2H2O+2×3,76N2 .

При этом V0 = 3+ 2 3,76 = 10,52 м3 /м3 .

При горении метана в случае использования обогащенного кислородом воздуха и при объемном отношении N2/O2 = Kоб

V0 = 3 + 2 Kоб.

Формула для вычисления теоретического выхода продуктов сгорания V0 при коэффициенте расхода окислителя α, равном 1, для ряда газообразных топлив:

V0 = L0 + V ≈ L0 +1.

(3.7)

Для большинства высококалорийных топлив ∆V = 1. Например, для природного газа ∆V = 1, для жидкого топлива ∆V ≈ 0,95.

При коэффициенте расхода окислителя α ≠ 1 действительный выход продуктов сгорания находится по формуле:

Vα =V0 +(α−1)L0 .

(3.8)

Например, для природного газа при его сгорании в воздухе и коэффициенте расхода воздуха α = 1,2:

Vα =10,52 + (1,2 −1) 9,52 =12,42 м3 /м3.

При известных величинах L0 и V0 и коэффициенте расхода воздуха по формулам (3.6) и (3.8) определяются значения действительного расхода воздуха Lα и выхода продуктов сгорания Vα.

Вэтом случае при известном расходе топлива Вт, используемого

вэнерготехнологическом агрегате, требуемые расходы воздуха Vв и полученный расход продуктов сгорания в данном агрегате Vп.сг определяются по формулам:

Vв = Вт Lα,	(3.9)
Vп.сг = Вт Vα.	(3.10)

3.3. Балансовая температура горения

Для расчета балансовой температуры горения Тαб применяют формулу:

Тαб =	Qр +с L T +с			Т		−q Qр	(3.11)
	н в	α	в т		т	3 н ,
			сп.сгVα

57

где Qнр – низшая теплота сгорания рабочего топлива; св, ст – удель-

ные теплоемкости воздуха и топлива; сп.сг – удельная теплоемкость продуктов сгорания; Тв, Тт – температуры подогрева воздуха и топлива; Vα – выход продуктов сгорания при α ≠1; q3 – химический недожог топлива (в долях от Qнр ).

Как видим, с ростом теплоты сгорания топлива и температур подогрева воздуха и топлива балансовая температура горения топлива увеличивается, и она уменьшается с ростом химического недожога топлива.

3.4. Химический недожог топлива

Химический недожог топлива связан с наличием в продуктах сгорания различных горючих газов: СО, Н2, С2Н6, С2Н4, Н2S и др., а также сажистого углерода C.

Оценка химического недожога связана с определением процентного содержания горючих газов в продуктах сгорания, при этом величина удельного химического недожога определяется:

	Qр	V β
q =	ннесгор.газ		α	,	(3.12)
		Qр
3
		н

где β – содержание горючего газа в продуктах сгорания, %; Vα – действительный выход продуктов сгорания; Qннесгорр .газ – теплота сгорания газа в продуктах сгорания; Qнр – теплота сгорания исход-

ного топлива.

Так, если в продуктах сгорания содержание СО = 2 %, то при QнрCO =12780кДж/м3 , Qнр для природного газа Qнр = 35820 кДж/м3 и Vα =12,42 м3 /м3 величина

q3 = 12780 12,42 2 =8,86 ≈ 9 %. 35820

Как видим, недожог топлива существенно выше (в данном случае почти в 4,5 раза), чем содержание горючего газа в продуктах сгорания.

58

3.5. Тепловая мощность и удельный расход топлива

Тепловая мощность (тепловая нагрузка) – это количество теплоты, выделяемое энерготехнологическим объектом в единицу времени.

Величина тепловой мощности Nт рассчитывается по формуле:

N	т	= В Qp (кВт),	(3.13)
		т н

где Вт – расход топлива, кг/с или м3/с; Qнр – низшая теплота сгора-

ния рабочего топлива, кДж/кг или кДж/м3.

Удельный расход топлива определяется по формуле:

b		B QР		N	т
	=	т н	=			,	(3.14)
т		P		P

где P – производительность агрегата, например, т/ч.

Тогда при расходе топлива в м3/ч и теплоте сгорания в кДж/м3 удельный расход топлива будет иметь размерность кДж/т.

В натуральных единицах удельный расход топлива определяется по формуле:

	b =	Nт	(м3 /т или кг/т).	(3.15)
		P Qр
	т
		н

Для выражения величины удельного расхода в единицах у.т. применяется формула:

	Nт
bт =		.	(3.16)
	P Qр
	н у.т.

Удельный расход топлива bт также может быть определен по формуле:

	b	=	qт	,	(3.17)
	т		η
			т
где q	– удельный полезный расход теплоты, кДж/т продукции;
	т

ηт – тепловой КПД печи (см. гл.7).

Пример расчета. Определить требуемый расход воздуха для горения, расход продуктов сгорания, балансовую температуру горения, тепловую мощность и удельный расход топлива при использовании природного газа в нагревательной печи для нагрева трубных

59

заготовок под прошивку. Расход природного газа Вт = 2200 м3/ч (при нормальных условиях); тепловой КПД ηт = 0,6; подогрев воздуха для горения Tв = 400 °C; коэффициент расхода воздуха α = 1,1; удельный химический недожог топлива q3 = 2 %; производительность печи P = 50 т/ч.

Для природного газа низшая теплота сгорания рабочего топлива равна 8 500 ккал/м3 = 35 615 кДж/м3; величины L0 = 9,52 м3/м3 и V0 = 10,52 м3/м3. Тогда тепловая мощность определяется по форму-

ле (3.12):

Nт = Bт Qнр = 36002200 35615 = 21,764 МВт.

Требуемый расход воздуха для горения (по формулам (3.6) и

(3.9)):
V = B α L = 2 200 1,1 9,52 = 23 038,4 м3		/м3.
в т	0

Удельный выход продуктов сгорания (по формуле (3.8)):

Vα =V0 +(α−1) L0 = 10,52 (11, −1) 9,52=11,47 м3 /м3.

Тогда расход продуктов сгорания (по формуле (3.10)):

Vп.сг = Bт Vα = 2 200 11,47= 25 238,4 м3 /м3.

Балансовая температура горения определяется по формуле (3.11), при этом удельные теплоемкости составляют: воздуха при 400 °C св = 1,354 кДж/(м3·К), продуктов сгорания при температуре продуктов сгорания 1 800 °C сп.сг = 1,642 кДж/(м3·К).

В данном примере топливо не подогревается (Tт ≈ 0 °C). Тогда балансовая температура горения:

	Tαб =	35615 +1,354 400 −0,02 35615	=1858,5 °C .
		1,642 11,47

В силу близости расчетной температуры горения и принятой при определении удельной теплоемкости продуктов сгорания (разница 3,1%) корректировку расчета балансовой температуры горения в данном случае можно не проводить. При большей разницы в принятой для расчета удельной теплоемкости продуктов сгорания температуре и полученной в результате расчета может потребоваться проведение итерационной процедуры расчета.

60