Свойства и характеристики энергетического топлива. Теплота сгорания топлива

Лекция 2 Свойства и характеристики энергетического топлива. Теплота сгорания топлива Любая химическая реакция сопровождается либо поглощением, либо выделением тепла. Если в ходе химической реакции тепло поглощается, то такая реакция называется эндотермической, реакция, протекающая с выделением тепла называется экзотермической. Химические реакции, протекающие в процессе горения топлива в основном экзотермические. Количество теплоты, получаемой при сжигании топлива, зависит не только от состава последнего, но и от конечного состояния продуктов сгорания. Такая зависимость обусловлена присутствием водяного пара в составе дымовых газов. Если температура газов ниже того уровня, при котором происходит конденсация пара (ниже точки росы), пар превращается в жидкую воду. Этот процесс сопровождается выделением теплоты конденсации, зависящей, вообще говоря, от парциального давления водяного пара. Однако для упрощения расчетов удельную теплоту конденсации принимают постоянной, равной 2442 кДж/кг пара. Количества тепла, выделившегося 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 и обозначается Qs. Практическое использование высшей теплоты сгорания топлива в большинстве случаев затруднено тем, что из дымовых газов конденсируется не чистая вода, а коррозионно-агрессивный раствор серной кислоты. Чтобы защитить котельный агрегат от сернокислотной (низкотемпературной) коррозии, приходится ограничивать отвод теплоты от дымовых газов с таким расчетом, чтобы их температура по всему газовому тракту оставалась выше точки росы. Таким образом, на практике теплота конденсации водяного пара не используется и удельное количество теплоты, получаемой при сжигании топлива, оказывается меньше QS. Это количество теплоты носит название теплоты сгорания и обозначается Qi. Количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м3 газового топлива, за вычетом тепла порообразования водяных паров, образующихся при горении, называют низшей теплотой сгорания и обозначают Qi. Соотношение между низшей и высшей теплотами сгорания можно выразить следующим образом: (2.1) (2.2) п – удельная теплота конденсации равная 2442 кДж/кг или приблизительно 2500 кДж/кг; GH2O – масса водяного пара в продуктах сгорания, включающая влагу топлива Wr и влагу, образующуюся при сжигании водорода топлива. 2 H2 + O2 = 2H2O 4 кг 36 кг 1 кг 9 кг Тогда Можно записать , кДж/кг. , кДж/кг Значения QS и Qi здесь должны быть выражены в килоджоулях. Высшая и низшая теплота сгорания (подобно показателям состава топлива} принимают разные значения при отнесении к разным расчетным массам, поэтому в их обозначении также вводится верхний индекс, показывающий, к какой массе относится данная величина, условно записанная без таких индексов соотношение может быть применено к любой массе, но все входящие в него величины должны относиться к одной и той же массе (т.е. иметь одинаковый индекс). Низшая удельная теплота сгорания рабочей массы Qir является основной характеристикой топлива - именно она принята в большинстве стран в качестве базы при определении эффективности топливоиспользования, в частности при расчете коэффициента полезного действия (КПД) котельного агрегата и ТЭС в целом. Пересчет теплоты сгорания с одной массы на другую. Значение высшей теплоты сгорания различных масс одного и того же топлива прямо пропорциональны содержанию горючей части в этих массах. Поэтому соотношения между QSdaf, QSd, QSr, определяются теми же коэффициентами, что и соотношения соответствующих показателей состава. С низшей теплотой сгорания дело обстоит сложнее, так как эта характеристика зависит не только от содержания горючих веществ в топливе, но также и от количества водяного пара в дымовых газах. В справочниках приводятся формулы для пересчета низшей теплоты сгорания с одной массы на другую. Однако можно обойтись и без этих формул, если ввести в расчет промежуточный этап определения высшей теплоты сгорания. Например, чтобы найти значение QSr по взятому из справочных таблиц значению Qidaf, следует сначала рассчитать с помощью соотношения, записав его для сухой беззольной массы, затем найти пересчетный коэффициент от сухой беззольной к рабочей массе и с его помощью рассчитать высшую теплоту сгорания рабочей массы по формуле: и, наконец, определить Qir Аналогичным путем можно получить формулу, связывающую низшую теплоту сгорания сухой и рабочей масс топлива: Топливные эквиваленты и показатели эффективности использования топлива В связи с тем, что разные виды топлива имеют различную теплоценность ( Qir = 10 – 40 МДж/кг), нет смысла суммировать их расход при определении общего расхода топливных ресурсов (или потребности в них). Следует заменить расход каждого конкретного топлива на эквивалентное количество условного топлива, характеризуемого значением Qir(У) = 29,3 МДж/кг. Для расчета расхода условного топлива BУ по расходу данного топлива В пользуются топливным эквивалентом Э, который равен отношению теплоты сгорания данного Qir и условного QirУ топлива: С понятием "условное топливо" связаны важнейшие для электростанций показатели эффективности топливоиспользования - удельные расходы условного топлива на производство электрической и тепловой энергии. Эти показатели отражают значения коэффициента полезного действия (КПД) по выработке электроэнергии hЭ и коэффициента эффективности использования (КЭИ) топлива при выработке тепловой энергии hТ. Если бы потенциальная энергия 1 кг условного топлива полностью превратилась в электрическую энергию, количество последней составило бы 29,3·106 Дж = 29,3·103 кВт·с = 29,3·103/3600 = 8,139 кВт·ч. Следовательно, в этом предельном случае на выработку 1 кВт·ч электроэнергии потребовался бы расход условного топлива равный1/8,139 = 0,123 кг/(кВт·ч) = 123 г/(кВт·ч). Найденное число показывает, какая масса условного топлива является "полезно используемой" при производстве 1 кВт·ч электроэнергии. Фактический удельный расход условного топлива при выработке электроэнергии bЭ всегда превышает найденное выше предельное значение. Отношение предельного (полезно используемого) расхода к фактическому и есть КПД производства электроэнергии, или, сокращенно, "электрический КПД": hЭ = (123/bЭ)·100. Здесь hЭ в %, bЭ в г/(кВт·ч). При производстве тепловой энергии в пределе (когда hТ = 100 %) 1 кг условного топлива способен дать 29,3 МДж теплоты. Удельный расход условного топлива принято относить к 1 ГДж = 103 МДж тепловой энергии. В предельном случае для выработки такого количества теплоты нужно 103/29,3 = 34,13 кг/ГДж. Фактический расход топлива всегда больше, поскольку hТ < 100%. Отношение предельного расхода условного топлива к реальному расходу bТ дает коэффициент эффективности использования топлива при выработке тепловой энергии (часто его сокращенно называют тепловым КПД hТ = (34,13/bТ)·100, Достигнутые к настоящему времени значения рассмотренных показателей для электростанций СНГ в среднем составляют bЭ » 326 г/(кВт·ч); hЭ = 37,7%; bТ = 41,3 кг/ГДж; hТ = 82,6%. Приведенные характеристики топлива При заданных теплопроизводительности и КПД котельного агрегата (или другой топливоиспользующей установки) расход фактического топлива получается различным в зависимости от удельной теплоты сгорания этого топлива. Следовательно, поступление в топку влаги, минеральных примесей (золы) и серы определяется не только показателями Wr, Ar, Sr, но также и теплотой сгорания используемого топлива. Количество теплоты, которая должна быть выделена в топке в результате сжигания топлива, можно представить как Q = B Qir, где В - расход, кг/с, какого-либо топлива с теплотой сгорания Qir. Количество поступающей в топку влаги, кг/с, определяется как B = B(Wtr/100). Заменив здесь согласно соотношению В на Q/ Qir получим Отношение Wtr/ Qir носят название приведенная влажность и обозначается WПР. Аналогичный смысл имеют понятия приведенная зольность Аr/ Qir и приведенная сернистость топлива SПР = Sr/ Qir. Приведенные характеристики выражают в %·кг/МДж. Приведенные характеристики топлива показывают сколько на 1 МДж низшей теплоты сгорания приходится влаги, золы и серы в процентах от рабочей массы топлива. Ресурсы органического топлива и их использование Известные на сегодня запасы органического топлива в земных недрах обычно делят на две категории; извлекаемые и дополнительные. Извлекаемые ресурсы - это то, что может быть добыто и использовано при существующей технологии и нынешних удельных затратах средств. Дополнительные ресурсы могут быть использованы только в будущем после значительного усовершенствования техники либо после более детальной разведки месторождений. Различные виды топлива имеют неодинаковую энергетическую ценность, поэтому при совместном их учете пользуются условной единицей измерения количества энергии, запасенной в топливе. Такой единицей служит тонна (или килограмм) условного топлива. Энергоемкость условного топлива принята равной 2,933·104 кДж/кг = 2,933·107 Дж/т (7000 ккал/кг) - столько теплоты выделяется при сжигании хорошего каменного угля. Мировые запасы органического топлива приведены в табл. 1. Таблица 1. Запасы органического топлива, млрд. т. условного топлива Топливо Извлекаемые запасы Дополнительные запасы Всего Уголь 7200 10500 11220 Нефть 136 302 438 Природный газ 108 222 330 Горючие сланцы, битумозные пески и др. 129 554 683 Все виды 1093 11578 12671 Годовой расход энергоресурсов в мире сейчас равен приблизительно 12 млрд. т условного топлива. При таком расходе извлекаемых запасов хватило бы более чем на 100 лет, а дополнительных - на 1000 с лишним лет. Но расход топлива растет: в течении XX столетия он увеличился примерно в 10 раз. Однако темп роста за последние 20 лет резко уменьшился в связи с проведением мероприятий по экономии энергии, а также благодаря развитию ядерной энергетики. Так что запасов органического топлива в целом человечеству хватит еще надолго. Сложнее обстоит дело с отдельными его видами. Из приведенной таблицы следует, что нефть составляет 12,3% извлекаемых и только 3,4 % суммарных ресурсов органического топлива, тогда как в мировом их потреблении доля нефтяного топлива близка к 50%. Запасы нефти будут исчерпаны намного раньше, чем запасы угля. Почти в такой же диспропорции находятся запасы и потребление природного газа. Главные ресурсы органического топлива это угли, применение которых сейчас отстает от нефти и газа по экономическим и экологическим соображениям, но в перспективе они неизбежно станут основными видами энергетического топлива. Ресурсы органического топлива весьма неравномерно распределены по земному шару. На территории России находится около половины всех разведанных запасов природного газа, более 23% запасов угля и свыше 20% запасов нефти. На рис. 1 в форме диаграммы показано производство электроэнергии в России за последние 10 лет XX века и вклад в него различных энергоресурсов. Из диаграммы видно, что хотя в этот трудный для страны период наблюдался спад производства электроэнергии, вклад в него тепловых электростанций, а следовательно, потребление органического топлива в энергетике оставались существенными. Доля ТЭС в производстве тепловой и электрической энергии была на уровне 70 - 75%. Рис 1. Общая выработка электроэнергии (кВт·ч) в России и вклад (%) в неё электростанций различного типа: 1 - ТЭС на органическом топливе; 2 - ГЭС; 3 - АЭС. Однако уже в 2000 г. начался заметный рост производства электроэнергии в стране, составивший в 2000 г ~4% по сравнению с 1999 г. В настоящее время завершена разработка Энергетической стратегии России на период до 2020 года. В Энергетической стратегии намечается устойчивый рост электропотребления на 2 - 3% в год в зависимости от вариантов развития экономики. В результате производство электроэнергии достигнет к концу рассматриваемого периода в пониженном варианте 1240 млрд. кВт·ч в год, и в высоком 1620 млрд. кВт·ч. Суммарная потребность электростанций России в органическом топливе возрастёт от уровня в 2000 г (примерно 290 млн. т у. т.) до 315 - 350 млн. т. у. т в 2010 г и до 350 - 400 млн. т у. т. в 2020 г. Учитывая высокий рост выработки электроэнергии на тепловых электростанциях на 85% к 2020 г и сложную ситуацию в топливодобывающих отраслях, обеспечение электростанций топливом, как и его экономия, становится в предстоящий период одной из сложнейших проблем в энергетике. Производство электроэнергии в России обеспечивается сейчас в основном за счет широкого использования газа. Количество твердого топлива, сжигаемого на ТЭС, с 1990 г почти не изменилось, хотя доля его в производстве электроэнергии постепенно снижалась. На перспективу в России прогнозируется рост потребления твердого топлива на электростанциях примерно в 2 раза к 2020 г по сравнению с 2000 г.