Природный газ, как топливо для электростанций доступен практически во всех промышленных зонах городов России. В 2010 году уровень газификации в России в среднем составил 62%. В городах уровень газификации поднялся за последние годы на 6%, до 67%. В сельской местности уровень газификации вырос на 8% и сегодня составляет 44%.
Строительство тепловых электростанций, работающих на природном газе, требует относительно малых инвестиций - в сравнении с электростанциями, работающих на других видах топлива, таких, как уголь, уран, водород.
Электрический КПД современной газовой электростанции достигает 55–60%, а угольной - всего 32–34%. При этом капитальные затраты на 1 МВт/час установленной мощности газовой ТЭЦ составляют всего 50% от угольной, 20% от атомной, 15% от ветровой электростанции.
Газ экономически эффективнее других видов топлива и альтернативных источников энергии.
Строительство газовой электростанции занимает всего 14–18 месяцев. На строительство современной угольной электростанции уйдет 54–58 месяцев. Для того чтобы воздвигнуть атомную электростанцию (АЭС) потребуется не менее 56–60 месяцев.
Газ - самое доступное и экономически оправданное решение для производителей и потребителей электроэнергии, считающих деньги.
Альтернативные источники энергии или газовые электростанции - кто победит в ближайшем будущем?
Вероятно, что когда-нибудь альтернативные источники энергии заменят ископаемые виды топлива, но это произойдет не скоро. Например, для того, чтобы на энергию ветра пришлось 10% мирового энергопотребления, необходимо от 1 млн. до 1,5 млн. ветровых турбин. Для того чтобы просто разместить эти ветрогенераторы, понадобится площадь размером 550 000 кв. км. Это равно площади Ханты-Мансийского автономного округа или самой крупной европейской стране - Франции.
Проблема не только в площади: альтернативные источники - не самое лучшее решение с точки зрения бизнеса. Альтернативные источники энергии пока экономически несостоятельны. Самый экономически эффективный вид топлива на сегодня - это газ. Газ позволяет получать более дешевую электроэнергию, в сравнении с альтернативной энергетикой.
Газ и экология
Газ - существенно более чистое топливо, чем любой другой углеводородный энергоноситель. При сгорании газа выделяется меньше углекислого газа по сравнению с другими традиционными источниками, например углем. Это, соответственно, оказывает гораздо меньшее негативное воздействие на окружающую среду. Современная газовая электростанция практически не имеет вредных выбросов в атмосферу и в этом смысле ее эмиссии схожи с подобными показателями обычных газовых плит. Заблуждением многих людей является ошибочное мнение о якобы абсолютно чистых альтернативных источниках энергии. Ветровые, геотермальные и гидроэлектростанции тоже наносят свой ущерб окружающей среде и порой немалый.
Для ТЭЦ переход с угля на газ способствует резкому сокращению объемов выбросов углекислого газа в атмосферу. Газ имеет большую теплоту сгорания, чем уголь. Для того чтобы получить равное количество энергии, угля надо просто больше сжечь. Газовые электростанции более эффективны по КПД: при одном и том же количестве тепла, выделяемого при горении, газовая ТЭЦ дает больше электричества.
В результате замена угольных мощностей на газовые ТЭЦ дает снижение выбросов СО 2 на 50–70%.
Газ - экологически адекватное топливо.
Запасы газа - хватит ли их нашим детям и внукам?
Часто можно прочесть, что запасы газа исчерпаемы, но это не так. Газа хватит не только на наш век. Газ не кончится ни при жизни наших детей, ни при жизни их внуков. По оценке Международного энергетического агентства, при существующих темпах добычи газа уже открытых запасов этого топлива хватит на 130 лет добычи. Речь идет о запасах газа, добыча которых возможна и экономически эффективна при существующем уровне технологий. Объем газовых запасов оценивается в 400 трлн. кубометров.
Извлекаемые запасы нетрадиционного газа (такого, как газ в плотных породах, сланцевый газ и угольный метан) составляют еще не менее 380 трлн. кубометров. По мере развития технологий их добыча становится все более реальной. Таким образом, уже обнаруженных запасов газа хватит примерно на 250 лет. При этом постоянно совершенствуются методы разведки, что позволяет наращивать запасы. К сегодняшнему дню США, крупнейший в мире потребитель энергоносителей, обеспечены запасами нетрадиционного газа на 100 лет вперед. Аналогичными запасами газа располагает и второй крупнейший потребитель - Китай.
Газ - решение проблемы энергодефицита в XXI веке.
Систематизированы и обобщены сведения о первой части технологического цикла тепловой электростанции: подготовке различных видов топлива к сжиганию, организации топочного процесса, получении перегретого пара в котельных установках различных конструкций. Приведены особенности эксплуатации паровых котлов на разных видах органического топлива. Учитывая всё возрастающее значение вопросов охраны окружающей среды, авторы, используя результаты собственных исследований и достижения отечественных и зарубежных энергетиков, подробно рассказывают о методах и конструкциях аппаратов, предназначенных для защиты атмосферы от токсичных и парниковых газов, а также золовых частиц, выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами котлов. Пособие предназначено для студентов энергетических специальностей технических вузов, инженерно-технического персонала инжиниринговых компаний и тепловых электростанций, а также слушателей курсов повышения квалификации инженеров-теплотехников.
* * *
Приведённый ознакомительный фрагмент книги Котлы тепловых электростанций и защита атмосферы (В. Р. Котлер, 2008) предоставлен нашим книжным партнёром - компанией ЛитРес .
Глава 2. Органическое топливо и особенности его использования на тепловых электростанциях
2.1. Состав и основные характеристики органического топлива
Первичным источником энергии, который используется на тепловых электростанциях, является ископаемое топливо органического происхождения. Горючие вещества, входящие в состав топлива, – углерод С, водород Н и сера S (за исключением небольшой части серы, содержащейся в минеральной массе топлива – сульфатная сера). Кроме горючих веществ, в состав топлива входят кислород О (поддерживает горение, но теплоты не выделяет) и азот N (не участвующий в реакциях горения инертный газ). Кислород и азот иногда называют внутренним балластом топлива, в отличие от внешнего балласта, к которому относят золу и влагу.
Зола (обозначается буквой «А») – это минеральная часть топлива, включающая оксиды кремния, железа, алюминия, а также соли щелочных и щелочноземельных металлов.
Влага топлива (W) подразделяется на внешнюю и гигроскопическую. При длительном хранении твердого топлива в сухом месте оно теряет внешнюю влагу и становится «воздушно-сухим».
Таким образом, если какое-то количество топлива принять за 100 %, то можно записать:
C r + H r + O r + N r + S л r + A r + W r = 100 %. (2.1)
Индекс «r» в этом уравнении обозначает, что речь идет о рабочей массе топлива, полученного на электростанции (за рубежом обычно говорят не «рабочее», a «as receive», то есть «полученное» топливо).
Исключая из рабочего состава всю влагу, можно получить:
C d + H d + O d + N d + S л d + A d = 100 %. (2.2)
Индекс «d» в этом уравнении обозначает «dry», то есть «на сухую массу».
C daf + H daf + N daf + O daf + S л daf = 100 %. (2.3)
Индекс «daf» в этом уравнении обозначает топливо – «dry ash free», то есть «сухое и свободное от золы».
Сера со значком «л», входящая в вышеприведенные уравнения, во-первых, не включает серу, входящую в состав золы, и, во-вторых, состоит из двух частей: серы органической и серы колчеданной (Fe 2 S), которая присутствует в некоторых марках углей в заметном количестве.
Следовательно, можно рассматривать еще и органическую массу топлива, которая не содержит серы колчеданной:
C o + H o + O o + N o + S o = 100 %. (2.4)
Для пересчета состава топлива, величины выхода летучих и теплоты сгорания с одной массы топлива на другую необходимо воспользоваться коэффициентами пересчета, приведенными в табл. 2.1 .
Некоторые особенности при пересчете характеристик топлива возникают при использовании сланцев, имеющих повышенное содержание карбонатов. Если для обычных видов топлива горючая масса – это разница 100 – W r – А r , то при содержании карбонатов больше 2 % необходимо считать горючую массу по другой формуле:
100−W r −A испр r −(СО 2) K ,
где А испр – зольность без учета сульфатов, образовавшихся при разложении карбонатов и с поправкой на сгорание серы колчеданной, то есть
A испр r = A r −·(1−W r /100),
где S, S ст и S к – содержание серы в лабораторной золе, сульфатной серы в топливе и колчеданной серы соответственно.
Горючими элементами топлива, как уже отмечалось, являются углерод, водород и сера. При полном сгорании с теоретически необходимым количеством окислителя эти компоненты выделяют разное количество теплоты:
С + О 2 = CO 2 − 8130 ккал/кг (34,04 МДж/кг);
2Н 2 + O 2 = 2Н 2 O − 29 100 ккал/кг (121,8 МДж/кг);
S + O 2 = SO 2 − 2600 ккал/кг (10,88 МДж/кг).
Следует учитывать, что углерод составляет большую часть рабочей массы топлива: в твердом топливе его доля равна 50–75 % (в зависимости от возраста углей), а в мазутах – 83–85 %. Водорода в топливе меньше, но он отличается очень высокой теплотой сгорания. Если продукты его сгорания сконденсировать (то есть учитывать не низшую, а высшую теплоту сгорания), выделенная теплота составит даже не 121,8, а 144,4 МДж/кг.
Серу отличает невысокая теплота сгорания, да и количество её, как правило, невелико. Следовательно, сера не представляет существенной ценности как горючий элемент, а вот проблемы, связанные с наличием SO 2 в продуктах сгорания, – весьма существенны.
Таблица 2.1 Коэффициенты пересчета характеристик топлива
Всё вышесказанное относится в основном к твердому и жидкому топливам. Газ, в отличие от них, – механическая смесь нескольких компонентов. В природном газе большинства месторождений основной составляющей является метан – СН 4 , количество которого колеблется от 85 до 96 %. Кроме метана, в составе природного газа обычно имеются более тяжелые углеводороды: этан С 2 Н 6 , пропан С 3 Н 8 , бутан С 4 Н 10 и др. Газ некоторых месторождений, кроме углеводородов, содержит и другие горючие компоненты: водород Н 2 и оксид углерода СО. Из негорючих компонентов в состав газа входят азот N 2 и диоксид углерода CO 2 .
Основной характеристикой любого вида органического топлива является его теплота сгорания, то есть количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы массы (для твердого и жидкого топлива) или единицы объема (для газа). В расчетах чаще всего используют низшую теплоту сгорания (Q i r) – количество теплоты, образовавшейся при сжигании 1 кг угля или мазута, а при сжигании газообразного топлива – 1 м 3 этого газа. При этом предполагается, что продукты сжигания остались в газообразном состоянии. Иногда используют другую теплотехническую характеристику – высшую теплоту сгорания (Q s r), но при этом в тексте обязательно уточняют, что речь идет именно о Q s r (или HHV – higher heating value, в отличие от LНV – lower heating value - низшей теплоты сгорания). Высшая теплота сгорания всегда больше, чем низшая, так как она учитывает дополнительное количество теплоты, выделяющейся при конденсации водяных паров и охлаждении всех продуктов сгорания до исходной температуры.
Пересчет низшей теплоты сгорания на высшую (и наоборот) выполняется по следующей зависимости:
Q i r = Q s r − 6(W r + 9Н r), ккал/кг (2.5)
Q i r = Q s r − 25,12 (W r + 9Н r), кДж/кг. (2.5 а)
Другие характеристики топлив, отличающихся своим агрегатным состоянием, удобнее рассматривать отдельно для твердого, жидкого и газообразного топлива.
2.2. Твердое топливо
Твердое топливо включает в себя прежде всего различные угли (антрацит, каменные и бурые угли), а также торф, сланцы и некоторые виды отходов (как промышленных, так и твердых бытовых отходов – ТБО). К этому же виду топлива относится один из возобновляемых источников энергии – биотопливо, то есть древесина, отходы лесозаготовки, деревопереработки, целлюлозно-бумажного и сельскохозяйственного производства.
Преобладающим видом топлива для тепловых электростанций являются различные марки угля. В России прочно установилось деление углей на бурые (самые молодые), каменные и антрациты (старые угли с максимальной степенью углефикации).
Бурые угли делятся по максимальной влагоемкости (в расчете на беззольную массу W af max) на 3 группы: 1Б (W af max > 50 %), 2Б (30 ≤ W af max ≤ 50) и ЗБ (W af max < 30 %). Бурые угли отличают высокий выход летучих (V daf > 40 %), неспекшийся коксовый остаток и высокая гигроскопичность. В этих углях меньше (по сравнению с каменными углями) углерода и больше кислорода. При сушке на воздухе бурые угли теряют механическую прочность и растрескиваются. Их недостатком является и повышенная склонность к самовозгоранию при хранении на складе.
Классификация каменных углей основана на величине выхода летучих на горючую массу, то есть V daf , %. Если оставить в стороне коксующиеся угли, используемые, главным образом, в металлургическом производстве, то все энергетические угли можно расположить по степени снижения V daf: Д – длиннопламенные; ДГ – длиннопламенные-газовые; Г – газовые (группы 1Г и 2Г); слабоспекающиеся (группы 1CC, 2СС и ЗСС); тощие (группы 1T и 2Т). Тощий уголь 1-й группы имеет V daf больше 12 %, а 2Т – от 8 до 12 %. Замыкают этот ряд антрациты (группы 1А, 2А и ЗА). Все они имеют выход летучих на горючую массу менее 8 %, но группы 1–3 отличаются разной величиной объемного выхода летучих веществ.
Приведенная выше классификация не учитывает каменные угли, подвергшиеся окислению в природных условиях, в период формирования угольных месторождений. Окисленные угли отличают пониженная высшая теплота сгорания на сухую и беззольную массу (Q s daf), а также потеря спекаемости. Различают I группу окисленности (снижение Q s daf на 10 %) и II группу (снижение Q s daf нa 25 %). Так, например, длиннопламенный уголь Таллинского месторождения (Кузбасс) имеет высшую теплоту сгорания Q s daf = 31,82 МДж/кг. Окисленный уголь того же месторождения ДРОК-I (длиннопламенный, рядовой, окисленный I группы) – до 27,42 МДж/кг, а еще более окисленный – ДРОК-II – только 25,04 МДж/кг.
Еще одна важная характеристика каменных углей – размер кусков. Поступивший на электростанцию уголь по этому показателю делится на следующие классы:
плита (П – от 100 до 200 или 300 мм);
крупный (К – 50–100 мм);
орех (О – 25–50 мм);
мелкий (М – 13–25 мм);
семечко (С – 6–13 мм);
штыб (Ш – 0–6 мм);
рядовой (Р – 0–200 или 300 мм).
Верхний предел 300 мм распространяется только на угольные разрезы, то есть на предприятия с открытым способом добычи.
Иногда на тепловые электростанции поступает уголь не прямо от добывающего предприятия, а после обогатительных фабрик. При обогащении углей мокрым и сухим способами различают следующие продукты обогащения: малозольный концентрат, высокозольный промпродукт, отсевы мелких классов, шлам, а также породу и «хвосты», удаляемые в отвал. С учетом этого можно по маркировке поступающего на ТЭС угля представить некоторые характеристики топлива, весьма важные как для надежности топливоподачи в пределах ТЭС, так и для сжигания в котельном цехе. Например, ГСШ – газовый уголь с размерами «семечко» и «штыб», а ГРОКII – это тоже газовый уголь, но «рядовой», 2-й группы окисленности.
Заметную роль в организации топочного процесса играют характеристики минеральной части. Условно можно минеральную часть угля разделить на три группы:
– минералы, занесенные в пласт топлива в результате геологических преобразований в процессе его образования;
– минералы прилегающих к пласту топлива горных пород, занесенные в топливо при его добыче;
– минералы, связанные с органической частью топлива или образующиеся при ее разложении в процессе углеобразования.
Последняя группа минералов называется внутренней золой; она равномерно распределена по органической массе топлива. Первая группа минералов, в зависимости от равномерности их распределения по топливу, может быть источником как внутренней, так и внешней золы. Вторая группа минералов относится к внешней золе.
Еще одна важная деталь: количество золы, получаемой при полном сжигании угля, не равно количеству содержащихся в угле минеральных примесей. Дело в том, что в состав минеральной части входят глинистые минералы, слюды, карбонаты, сульфаты и ряд других веществ. При нагревании глинистых минералов и слюд в топке сначала происходит потеря кристаллизационной воды (до 500–600 °С), затем разрушается первоначальная кристаллическая решетка и образуются вторичные минералы (муллит, шпинель и др.). При дальнейшем повышении температуры (сверх 1100 °С) начинается плавление. Еще раньше, в диапазоне температур 400–900 °С, разлагаются карбонаты и образуются весьма тугоплавкие оксиды. При температурах 700–800 °С в окислительной среде полностью выгорает пирит. Все эти процессы при горении топлива приводят к значительному изменению состава и массы минеральных примесей. Таким образом, правильнее считать, что зола – твердый продукт реакций минеральной части топлива, образующийся при сжигании этого топлива.
Многочисленные исследования показали, что при сжигании каменных углей минеральная масса обычно оказывается больше, чем зольность, а для малозольных бурых углей – меньше.
Для общей оценки химических свойств золы введены понятия «кислого» и «основного» состава шлака. Поведение золы в топке в значительной степени определяет величина отношения оксидов кислотного характера к основным:
С учетом этого выражение золы углей Донбасса, большей части Кузнецкого, Подмосковного, Экибастузского и некоторых других бассейнов относят к кислым. Угли Канско-Ачинского бассейна, торф, сланцы имеют золу, которая относится к основным (К<1,0). Состав золы оказывает большое влияние на шлакующие свойства твердых видов топлива.
2.3. Газообразное топливо
В условиях Российской Федерации газообразное топливо – это прежде всего природный газ, так как на долю России приходится почти треть всех разведанных запасов природного газа. Как уже отмечалось, газообразное топливо – смесь горючих и негорючих газов, содержащих небольшое количество примесей в виде водяного пара и пыли. Кроме природного газа, на электростанции могут поставляться попутные и промышленные газы: доменный, коксовый, синтез-газ.
Теплота сгорания отдельных газов и их массовая плотность приведены в табл. 2.2 .
Таблица 2.2. Теплота сгорания и плотность газов
*Значения плотности даны при 0° С и 101,3 кПа.
Основная часть природного газа – метан, доля которого в разных месторождениях составляет от 84 до 98 %. Значительно меньше в природном газе более тяжелых предельных и непредельных углеводородов. Имеются месторождения с заметным содержанием токсичного и коррозионно-активного сероводорода H 2 S. В России к их числу относятся, например, Оренбургское и Астраханское месторождения. Использование такого газа на электростанциях возможно только после его очистки на газоперерабатывающих заводах.
Попутные (нефтепромысловые) газы состоят из метана и других составляющих. В этих газах значительно меньше СН 4 , но зато количество тяжелых углеводородов составляет уже десятки процентов. Количество и качество попутного газа зависят от состава сырой нефти и ее стабилизации на месте добычи (только стабилизированная нефть считается подготовленной для дальнейшей транспортировки по трубопроводам или в танкерах).
Средние характеристики попутных газов некоторых месторождений Российской Федерации приведены в табл. 2.3 .
Таблица 2.3. Состав и плотность попутных газов
Таблица 2.4. Состав и плотность промышленных газов
Кроме природных и попутных газов, в промышленности иногда используют различные искусственные газы. На предприятиях металлургической промышленности (доменное производство и коксовые печи) образуется большое количество низкокалорийного доменного газа (Q i r = 4,0÷5,0 МДж/м 3) и среднекалорийного коксового газа (Q i r = 17÷19 МДж/м 3), содержащего Н 2 , СН 4 , СО и другие горючие газообразные компоненты (табл. 2.4 ). Перед использованием в котлах доменный и коксовый газ должны быть очищены от пыли.
В некоторых странах, не столь богатых природным газом, как Россия, существует целая отрасль промышленности, занятая производством генераторных газов, часто называемых синтез-газами. Разработаны методы и создано оборудование для получения удобного при использовании в быту топлива путем газификации твердых органических топлив: угля, сланцев, торфа, древесины. При использовании в качестве окислителя обычного воздуха получают низкокалорийный газ (3÷5 МДж/м 3), а газификация на кислородном дутье позволяет получить среднекалорийный газ с Q i r = 16÷17 МДж/м 3 . Такой газ, в отличие от низкокалорийного, можно использовать не только на месте получения, но и транспортировать на некоторое расстояние. Состав генераторного газа определяется исходным топливом и технологией его газификации.
Однако в условиях российской действительности, при сравнительно низких ценах на природный газ, все виды генераторного газа оказываются неконкурентоспособны по сравнению с природным газом. Тем не менее в некоторых случаях (при отсутствии вблизи объекта газовых магистралей или необходимости утилизировать содержащие органические вещества отходы производства), практикуют установку газификаторов с воздушным или паровоздушным дутьем для получения газовой смеси, содержащей Н 2 , СО и небольшое количество углеводородов, что позволяет обеспечить газообразным топливом отопительные котлы с автоматизированными горелками и высоким КПД.
Во второй половине прошлого века в промышленном масштабе было налажено производство СПГ – сжиженного природного газа. Это фактически новый вид топлива, который на первой и последней стадиях своего существования является газом, но при транспортировке и хранении ведет себя как жидкое топливо (обеспечивая тем самым широкий рынок для реализации на огромных территориях, куда невозможно или нецелесообразно тянуть газовую магистраль). Получается СПГ путем сжижения природного газа за счет охлаждения его до температуры ниже – 160 °С. После регазификации на месте потребления СПГ не теряет свойств, характерных для обычного природного газа. При давлении 0,6 МПа, которое является рабочим при транспортировке и хранении СПГ, его плотность составляет 385 кг/м 3 . Понятно, что при такой температуре хранить и перевозить СПГ приходится в специальных (криогенных) емкостях. Стоимость таких установок достаточно высока, однако цена сжиженного природного газа существенно ниже стоимости аналогичного продукта – сжиженного углеводородного газа, более известного под названием пропан-бутановой смеси.
Сырьем для получения пропан-бутановых смесей, широко используемых пока что только в жилищно-бытовом секторе, является, главным образом, попутный газ нефтедобычи. Другой источник сжиженного газа – нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ), на которые поступает сырая нефть, содержащая сжиженные нефтяные газы. В процессе дистилляции они улавливаются, причем их выход составляет 2–3 % объема перерабатываемой нефти. Теплота сгорания этого топлива и другие его характеристики зависят от соотношения между содержанием бутана и пропана.
2.4. Жидкое топливо
Жидкое топливо – это, как правило, продукт переработки сырой нефти (хотя в некоторых странах освоена технология получения жидкого топлива из угля, сланцев или других органических веществ). Сырая нефть является смесью органических соединений, а также некоторого количества сернистых и азотных соединений, парафинов и смол. После переработки сырой нефти на НПЗ получаются легкие сорта топлива: бензин, керосин и дизельное топливо. Эти виды топлива используются, главным образом, на транспорте, в коммунально-бытовом секторе и в двигателях внутреннего сгорания различных промышленных предприятий.
Затем на НПЗ получают топочные мазуты, которые являются тяжелыми крекинг-остатками или смесями крекинг-остатков с мазутами прямой перегонки. Помимо высокой вязкости и плюсовой температуры застывания, в топочных мазутах допускается более высокое содержание механических примесей, серы и воды. Топочные мазуты поступают на тепловые электростанции и крупные котлы промышленных котельных. При этом бо́льшая часть минеральных примесей, содержащихся в исходной нефти, концентрируется именно в мазуте.
В соответствии с Российскими стандартами на электростанции поставляются мазуты марок 40 и 100. Марка в данном случае определяется предельной вязкостью мазута при температуре 80 °С. Для мазута марки 40 она не должна превышать 8,0 градусов условной вязкости (°ВУ), а для мазута марки 100 – 15,5 °ВУ При подогреве мазута вязкость снижается до уровня, который обеспечивает устойчивый транспорт мазута по трубопроводам и тонкое распыливание в механических форсунках (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Диаграмма «Вязкость – температура» для жидкого топлива
По содержанию серы мазуты разделяются на малосернистые (S r ≤0,5 %), сернистые (до 2,0 % серы) и высокосернистые (до 3,5 % серы). Уровень сернистости зависит, главным образом, от содержания серы в исходной нефти: при ее переработке от 70 до 90 % сернистых соединений переходит в мазут, создавая тем самым серьезные трудности для эксплуатационного персонала ТЭС.
Из других характеристик мазута существенное значение имеют также зольность, влажность и плотность мазута.
Зольность, как и в случае с сернистостью, зависит от содержания минеральных примесей в исходной нефти. При ее переработке эти примеси концентрируются, главным образом, в мазуте. Тем не менее золовой остаток при сжигании мазута настолько мал, что золоочистка дымовых газов на мазутных котлах, как правило, не требуется. Особенностью золы мазута является наличие в ней ванадия. В пересчете на пятиокись ванадия V 2 О 5 этот компонент, представляющий большую ценность для промышленности, может достигать 50 % при сжигании высокосернистых мазутов.
При сгорании мазута часть компонентов его золы возгоняется, а затем конденсируется на конвективных поверхностях нагрева. На эти первичные отложения осаждаются твердые или расплавленные частицы золы, а также сажевые и коксовые частицы, создавая прочные, прилипающие к трубам загрязнения. Трудноудаляемые отложения, содержащие оксиды ванадия, никеля, железа и натрия, ухудшают теплопередачу, нарушают температурный режим и повышают аэродинамическое сопротивление конвективных поверхностей нагрева. На поверхностях нагрева с температурой металла ниже точки росы образуется пленка серной кислоты, на которую также осаждаются твердые частицы золы и кокса.
Влажность мазута, отгружаемого потребителю, как правило, не превышает 1,5–2 %. Но в процессе слива мазута из цистерн и хранения его в мазутных резервуарах влажность мазута увеличивается за счет пара, который используется для поддержания нужной температуры (подробнее см. в гл. 3 ).
Плотность мазута обычно оценивается отношением фактической плотности к плотности воды при температуре 20 °С. При повышении температуры относительная плотность мазутов уменьшается и может быть рассчитана по формуле
где ρ t и ρ 20 – относительные плотности мазута при фактической температуре t и при 20 °С, β – коэффициент объемного расширения при повышении температуры мазута на 1 °С. Для большинства мазутов β = (5,1÷5,3)·10 -4 .
Еще две характеристики мазута представляют интерес при эксплуатации мазутного хозяйства: температура застывания и температура вспышки. Первая – это температура, при которой мазут загустевает настолько, что в пробирке, наклоненной на 45°, поверхность мазута остается неподвижной в течение 1 мин. Для мазутов марки 40 максимальная температура застывания составляет +10 °С, а для мазута марки 100, с повышенным содержанием парафинов, температура застывания повышается до 25 °С.
Температурой вспышки называют температуру, при которой пары мазута в смеси с воздухом вспыхивают при контакте с открытым пламенем. У разных марок мазута температура вспышки меняется в широком диапазоне. Мазуты, не содержащие парафинов, имеют температуру вспышки от 135 до 234 °С, а температура вспышки парафинистых мазутов близка к 60 °С. При выборе схемы подогрева мазута следует учитывать температуру вспышки, чтобы не допустить пожароопасной ситуации.
Архаров Ю.М.
Энергетическая стратегия России на период до 2020 г. ставит своей целью не просто наращивание энергетического потенциала страны, но и освоение экологически чистых, безопасных, надёжных и экономически приемлемых способов производства электроэнергии.
Одним из путей решения этой задачи является расширение масштабов применения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и бестопливных технологий.
Особенно важным для России ВИЭ является древесное топливо, запасы которого огромны и возобновляемы.
Для регионов, имеющих значительные лесные массивы и не имеющих каких-либо природных запасов традиционного топлива (газ, нефть, уголь и др.), развитие региональной энергетики на базе имеющихся запасов древесного топлива открывает широкие перспективы экономического роста и обеспечения региональной энергетической независимости.
Появление такой опирающейся на собственные лесные ресурсы и «бестопливные» технологии (детандер-генераторы, гидроэнергетика, сжигание мусора и пр.) региональной энергетики позволяет создать механизмы сдерживания роста тарифов на электроэнергию и тепло. Кроме того, это дает возможность снизить расходы Региона на закупку топливно-энергетических ресурсов за его пределами, направить высвободившиеся средства для пополнения бюджета; создать эффективные интегрированные производства и новые рабочие места в Регионе, расширив соответственно налогооблагаемую базу.
В экологическом плане теплоэлектрические станции (ТЭС) на древесном топливе имеют значительные преимущества перед традиционными ТЭС на угле, газе, мазуте и пр.
Во-первых: древесное топливо – возобновляемое. Если использовать не только отходы деревопереработки, а прямую рубку леса на топливо для ТЭС, то за счёт соблюдения определённого цикла посадки-роста леса (10-40 лет) можно получить замкнутую экоэнергетическую систему, обеспечивающую регионы электроэнергией.
Во-вторых: при сжигании древесного топлива образуется столько же СО2, сколько расходуется для роста деревьев. Таким образом соблюдается нулевой баланс по СО2, не увеличивающий выброс парниковых газов (СО2).
В-третьих: при сжигании древесного топлива в атмосферу выбрасывается в 100 раз меньше двуокиси серы и в 2-3 раза - окиси азота. Причём, величина этих выбросов, зависит от вида древесины, качества котельной установки и совершенства используемого паросилового цикла генерации электроэнергии.
Следовательно, эти показатели могут быть улучшены в процессе развития технологии.
В четвёртых: образуемая при сжигании древесного топлива древесная зола является ценнейшим удобрением, которое может использоваться для интенсивного воспроизводства леса и развития агрокомплексов на базе ТЭС на древесном топливе.
В пятых: на базе ТЭС на древесном топливе организуются интегрированные производства переработки древесины с получением различных продуктов. При этом эффективность упомянутых производств существенно выше, так как используемая в них электроэнергия и тепло значительно дешевы.
В-шестых: достигается энергетическая безопасность региона, так как запасы лесного возобновляемого топлива часто превышают потребности региона в электроэнергии в (3-5 раз). Кроме того, могут быть выполнены специальные посадки леса для обеспечения ТЭС топливом, а также использование отходов сельхозпроизводств, мусора, осушенного ила с очистных сооружений населенных пунктов, сельхоз- и промпредприятий.
В седьмых: экономическая эффективность проектов ТЭС на древесном топливе, сегодня находится на уровне эффективности обычных тепловых электростанций на угле (800-1000 долл./кВт). Однако, она может быть существенно улучшена (до 500-600 долл./кВт) при реализации конкретного проекта за счёт уменьшения стоимости древесного топлива, минимизации транспортных расходов на его доставку, применения прогрессивных технологий рубки и вывоза леса, высокоэффективного технологического цикла генерации электроэнергии и тепла и создания интегрированных с основным технологическим процессом получения эл. энергии вспомогательных производств лесопереработки, тепличных хозяйств, использования технологии производства гумуса с помощью калифорнийских и дождевых червей и пр.
Таким образом, реализация технологии ТЭС на древесном топливе в регионе (например, в Калужской области) с большими запасами дровяного леса представляется крайне выгодной для региона.
Это позволяет существенно повысить энергетическую безопасность региона, дать значительный импульс развитию экономики, в частности, сельского хозяйства, лесопереработки, лесопользования.
| скачать бесплатно Тепловые электростанции на древесном топливе , Архаров Ю.М.,
размер шрифта
ПРИКАЗ Минэнерго РФ от 04-09-2008 66 ОБ ОРГАНИЗАЦИИ В МИНИСТЕРСТВЕ ЭНЕРГЕТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РАБОТЫ ПО УТВЕРЖДЕНИЮ... Актуально в 2018 году
II. Методика выполнения расчетов нормативов создания запасов топлива на тепловых электростанциях и котельных организаций электроэнергетики
22. ННЗТ из расчета работы станции в режиме выживания в течение суток рассчитывается для всех видов топлива по формуле:
| (2.1) |
Где: В_усл - расход условного топлива на производство электро- и теплоэнергии в режиме "выживания" за 1 сутки;
N_сут - количество суток, в течение которых обеспечивается работа ТЭС и котельных в режиме "выживания". В расчете принято для ТЭС, сжигающих уголь, мазут, торф и дизельное топливо, N_сут = 7, сжигающих газ - N_сут = 3;
7000 - теплота сгорания условного топлива, ккал/кг;
Q(р)_н - теплота сгорания натурального топлива, ккал/кг.
Расход условного топлива на производство электро- и теплоэнергии (В_усл) в режиме "выживания" за 1 сутки определяется по формуле:
В_усл(ээ) - расход условного топлива на отпуск электроэнергии в режиме выживания;
Где b_ээ - удельный расход условного топлива на отпуск электроэнергии, г/кВтч (определяется в соответствии с нормативно-технической документацией по топливоиспользованию электростанции).
Для электростанций, работающих изолированно от Единой энергетической системы России, В_усл(ээ) рассчитывается не на отпуск, а на выработку электроэнергии за сутки (с учетом собственных нужд), необходимую для обеспечения работы электростанции в режиме "выживания".
Э_от - отпуск электроэнергии с шин за сутки, необходимый для обеспечения работы электростанции в режиме "выживания", млн. кВтч:
Где Э_выр. - выработка электроэнергии за сутки, млн. кВтч;
Э_сн. - расход электроэнергии на СН (собственные нужды) за сутки, млн. кВтч.
В_усл(тэ) - расход условного топлива на отпуск теплоэнергии в режиме выживания:
Где b_тэ - удельный расход условного топлива на отпуск тепла, кг/Гкал (определяется в соответствии с нормативно-технической документацией по топливоиспользованию электростанции);
Q_от - отпуск тепла за сутки, необходимый для обеспечения работы электростанции, котельной в режиме "выживания", тыс. Гкал.
 | (2.6) |
Q(вн.п.)_т - отпуск тепловой электроэнергии неотключаемым потребителям за сутки, тыс. Гкал;
Q(с.н.)_т - тепловые собственные нужды электростанции, котельной, тыс. Гкал.
23. Годовой расчет НЭЗТ выполняется по состоянию на контрольную дату 1 октября планируемого года для электростанций и котельных электроэнергетики. К итогам расчетов НЭЗТ прилагается пояснительная записка.
24. По особенностям схемы выполнения годового расчета НЭЗТ электростанции и котельные могут делиться на:
Стандартные (с возможностью регулярных поставок топлива);
с ограниченными (сезонными) сроками завоза топлива.
25. За основу расчета НЭЗТ для стандартной группы электростанций и котельных принимаются среднесуточные расходы угля, мазута, торфа, дизельного топлива в январе и апреле планируемого года на электростанциях или котельных, необходимые для выполнения производственной программы выработки электрической и тепловой энергии планируемого года.
26. Расчет НЭЗТ выполняется по формуле:
| НЭЗТянв = В_пр.янв x К_р.янв x T_пер x К_ср тыс. т, | (2.7) |
| НЭЗТапр = В_пр.апр x К_р.апр x T_пер x К_ср, |
Где: В_пр - среднесуточный расход топлива для выполнения производственной программы в январе и апреле планируемого года, тыс. т;
К_р - коэффициент изменения среднесуточного расхода топлива в январе и апреле определяется по формуле:
| К_р.янв = (В_пр.янв: В_1янв + В_1янв: В_2янв + В_2янв: В_3янв) : 3, | (2.8) |
| К_р.апр = (В_пр.апр: В_1апр + В_1апр: В_2апр + В_2апр: В_3апр) : 3 |
В_1, В_2, В_3 - фактические среднесуточные расходы топлива в январе и апреле за первый, второй и третий годы, предшествующие планируемому году (при отсутствии фактических данных за год, предшествующий планируемому, могут быть приняты плановые значения).
При расчетах нормативов резервного топлива в случаях, когда одно из значений среднесуточного расхода топлива (В_пр, В_1, В_2, В_3) имеет нулевое или близкое к нулю значение в январе и апреле, НЭЗТ на 1 октября планируемого года принимается на уровне наибольшего нормативного значения в течение трех лет, предшествующих планируемому году.
Среднесуточные расходы топлива приводятся в таблице 1.
Таблица 1
| Среднесуточный расход топлива | ||||
| на 1 января/ на 1 апреля | планируемый год | предшествующие годы | ||
| первый | второй | третий | ||
| В_пр | В_1 | В_2 | В_3 | |
| уголь | ||||
| январь | ||||
| апрель | ||||
| мазут | ||||
| январь | ||||
| апрель | ||||
К_ср - коэффициент возможного срыва поставки (учитывает условия поставки, создающиеся в зависимости от положения на рынке топлива, взаимоотношения с поставщиками, условия перевозки и другие факторы, увеличивающие время перевозки) принимается в диапазоне 1,5 - 3,5 (обоснование принимаемого значения коэффициента приводится);
T_пер - средневзвешенное время перевозки топлива от разных поставщиков (с учетом времени его разгрузки на электростанции, котельной) определяется по формуле:
| (2.9) |
Где: T_1, T_2, ..., T_N - время перевозки и разгрузки топлива от разных поставщиков (по видам топлива), сутки;
V_1, V_2, ..., V_N - расчетные объемы поставок топлива от разных поставщиков (по видам топлива).
27. Для действующих тепловых электростанций и котельных расчет НЭЗТ проводится без учета неизвлекаемого ("мертвого") остатка мазута. Для вновь вводимых в эксплуатацию мазута. В расчете учитывается 40%-ное снижение подачи газа в течение 28 суток - по 14 суток в декабре и январе. Объем резервного топлива (угля или мазута) на замещение ограничения подачи газа определяется по эквивалентным коэффициентам (К_экв), учитывающим теплотворную способность топлива в соотношении к условно приведенному топливу с теплотой сгорания 7000 ккал/кг (НЭЗТзам.).
30. В случаях раздельного сжигания (по очередям или котельным установкам) углей различных месторождений или невзаимозаменяемых месторождений НЭЗТ определяется по каждому месторождению. Общий НЭЗТ по электростанции или котельной определяется суммированием угля по месторождениям.
31. НЭЗТ 1 октября планируемого года для объединений электростанций и (или) котельных или отдельных электростанций и котельных, имеющих ограниченные (сезонные) сроки завоза, должен обеспечивать их работу на весь период, на который завозится топливо, с коэффициентом запаса (К_з) в пределах 1,2, учитывающим возможный по объективным условиям сдвиг времени начала поставок топлива в районы с ограниченным сроком поставок. В перечень подобных электростанций включаются электростанции, не имеющие размораживающих устройств при получении смерзающихся углей в зимнее время.
32. ОНЗТ рассчитывается по сумме ННЗТ и НЭЗТ. Результаты расчетов для электростанций и котельных организаций электроэнергетики оформляются по форме согласно приложению 2 к настоящей Инструкции.