Жидкие и газообразные топлива
3 Жидкие и газообразные топлива
3.1 Общая характеристика
Все ископаемые - твердые топлива и нефть - получились в процессе длительного преобразования исходной растительной массы и отмерших животных организмов под слоем земли или воды, причем этот процесс протекал с различной скоростью в направлении постепенного обуглероживания (углефикации) топлива, т.е. повышения в нем содержания углерода и уменьшения количества кислорода и водорода.
Сырая нефть является смесью органических соединений и включает в себя небольшое количество жидких сернистых и азотных соединений, парафинов и смол. После извлечения легких фракций и масел (бензина, лигроина, керосина, газойля, солярового масла) остаются сильновязкие тяжелые фракции - мазут, который и используется как энергетическое жидкое топливо. При этом минеральные примеси, входящие в нефть, концентрируются в мазуте.
Природные газы образуются одновременно с нефтью либо получаются в результате синтеза в присутствии воды и карбидов металлов на больших глубинах под воздействием высокого давления и температуры. Во многих случаях выход газов сопутствует добыче нефти. Это так называемые попутные газы, которые также возможно использовать в качестве энергетического топлива.
Преимущества жидких и газообразных топлив повышает общую культуру эксплуатации электростанций, но и приводит к ощутимому снижению стоимости основного оборудования, росту КПД установок. Так, при сооружении электростанций, сжигающих газ и мазут, удельные капиталовложения по сравнению с электростанцией, равной мощности на угле, снижаются на 20-24%, а экономичность газомазутных станций по отпуску электроэнергии на 4% выше, чем работающих на угле.
Однако разведанные запасы природных газов и нефти ограничены и составляют около 6% всех мировых запасов органических топлив. Кроме того, природные газы и нефть являются ценнейшим сырьем для народного хозяйства. Запасы же угля превышают 71% мировых разведанных ресурсов топлива и являются основным органическим топливом.
Рекомендуемые материалы
Вязкость топлива. Как техническая характеристика вязкость является важнейшим показателем качества мазута и положена в основу маркировки мазута.
Вязкость мазутов выражают в единицах кинематической вязкости (в сантистоксах - сСт) или в градусах условной вязкости (0ВУ). Для нормального транспорта по трубопроводам и тонкого распыления мазута в механических форсунках необходимо поддерживать его вязкость на уровне 2-3,50ВУ. Вязкость мазута сильно зависит от температуры. Изменение вязкости мазутов с температурой определяется присутствием в них углеводородов парафинового ряда. Для транспорта мазута по трубопроводам и нормальной работы мазутных насосов его температура должна поддерживаться около 60-700С.
Реологические свойства. При невысокой температуре (10-250С) сильно вязкий мазут обладает свойством налипать на стенки емкостей, труб, аппаратуры и прочно удерживаться на них тем большим слоем, чем ниже температура. Это явление определяется реологическим свойством мазута, т.е. способностью перестройки структуры углеводородных молекул с температурой. При нагреве мазута до 700С и выше он не налипает на стенки.
Плотность топлива. Обычно пользуются относительной плотностью мазутов (плотностью по отношению к плотности воды при температуре 200С). Последняя составляет 0,99-1,06. С повышением температуры относительная плотность мазутов уменьшается.
Зольность топлива. При переработке нефти содержащиеся в ней минеральные примеси концентрируются в основном в тяжелых фракциях, главным образом в мазуте. Золовой остаток после сжигания мазута невелик и составляет на сухую массу не более 0,1%. Особенностью золы мазута является наличие в ней ванадия, содержание которого может достигать 50% и более.
Влажность топлива. Содержание воды в мазуте обычно составляет 1-3%. Значительное его обводнение (до 10-15%) может происходить в процессе разогрева мазута перед сливом из цистерн за счет конденсации пара. Влага в небольшом количестве способствует распаду мазута и улучшает характеристики воспламенения. При повышенном содержании влаги растет опасность коррозионных процессов в конвективных поверхностях нагрева и увеличиваются потери теплоты с продуктами сгорания.
Сернистость топлива. Нефть и твердое топливо содержат серу в виде сложных серосодержащих соединений. В процессе сжигания мазута и твердого топлива сера окисляется и часть ее при избытке кислорода в зоне горения образует полный окисел S0з, создающий коррозионную среду для поверхностей нагрева. Количество серы в мазуте (0,5-3%) находится на уровне твердого топлива, но коррозионная опасность газовой среды после сжигания мазута в несколько раз выше.
Температура застывания. За температуру застывания принимают температуру нефтепродукта, при которой он загустевает настолько, что в пробирке при ее наклоне под углом 450 остается неподвижным в течение 1 мин. Высокой температурой застывания (25-350С) характеризуются высокосернистые мазуты с большим содержанием парафинов (марок М-100 и М-100В). Температура застывания оказывает непосредственное влияние на выбор технологической схемы хранения мазута и его транспорта.
Температура вспышки. За температуру вспышки принимают температуру, при которой пары мазута в смеси с воздухом вспыхивают при контакте с открытым пламенем. Мазут имеет температуру вспышки 90-1400С, у парафиниcтых мазутов она может снизиться до 600С, у сырой нефти составляет 20-400С. Во избежание пожара температура подогрева мазута в открытых системах должна быть ниже температуры вспышки и не выше 950С во избежание вскипания влаги, находящейся в толще мазута.
Основными техническими характеристиками природного газа являются плотность, взрываемость и токсичность.
Плотность газа. Почти все виды газового топлива легче воздуха, поэтому при утечке газ скапливается под перекрытиями. В целях безопасности перед пуском парового котла обязательно проверяют отсутствие газа в наиболее вероятных местах его скопления.
Взрываемость. Смесь горючего газа с воздухом в определенной пропорции при наличии огня или даже искры может взорваться, т.е. происходит процесс его воспламенения и сгорания со скоростью, близкой к скорости распространения звука. Взрывоопасные концентрации горючего газа в воздухе зависят от химического состава и свойств газа.
При концентрациях меньше нижнего предела воспламенения газовоздушная смесь не горит. При концентрациях газа в воздухе, превышающих верхний предел, газ горит без взрыва.
Токсичность. Под токсичностью понимают способность газа вызывать отравление живых организмов. Наиболее опасными в этом отношении компонентами газа являются окись углерода СО и сероводород Н2S
Поскольку в природном газе все его компоненты перемешаны равномерно, то концентрацию в воздухе вредных газов можно определить по присутствию метана, процентное содержание которого устанавливают прибором - метаномером. Одновременно определяется и вероятность взрывоопасной ситуации. Почти все природные газы совсем не имеют запаха. Для обнаружения утечки газа и принятия мер безопасности природный газ до поступления в магистраль одорируют, т.е. насыщают веществом, имеющим резкий запах.
3.2 Подготовка к сжиганию мазута и природного газа
Для перекачки мазута, заполнения и слива его из емкостей температура мазута должна быть не ниже 60-700С, что соответствует вязкости не выше 300ВУ.
Технологический тракт подготовки мазута (рис.3.1) включает: приемно-сливное устройство (сливные эстакады с желобами, приемные резервуары с погруженными перекачивающими насосами), основные резервуары для хранения постоянного запаса мазута, мазутонасосную, систему трубопроводов для мазута и пара, группу подогревателей мазута и фильтров. Подготовка мазута перед сжиганием заключается в удалении механических примесей, повышении давления мазута и его подогреве, необходимых для снижения потерь энергии на транспорт мазута к котлам электростанции и его тонкого распыления в форсунках горелочных устройств. Температура мазута в баках поддерживается на уровне 60-800С в любое время года за счет циркуляционного подогрева путем возврата в бак части (до 50%) разогретого во внешних подогревателях мазута.
Рисунок 3.1 – Технологическая схема подготовки мазута на электростанции: 1- цистерна с мазутом; 2- сливное устройство; 3- фильтр грубой очистки; 4 – сливной резервуар с подогревом; 5 – перекачивающий насос; 6 – основной резервуар; 7, 8 – линии рециркуляции мазута; 9 – насос первого подъема; 10- обратный клапан; 11- подогреватель мазута; 12- фильтр тонкой очистки; 13- насос второго подъема; 14- запорная задвижка; 15 – регулятор расхода; 16 – расходомер; 17 – задвижка; 18 – форсунка
Данная схема является типовой двухступенчатой схемой подачи топлива. По этой схеме подача топлива в устройства для подготовки к сжиганию (подогрев, перемешивание мазута в резервуарах, фильтрация от внешних загрязнений) осуществляется при низком давлении мазута (около 1 МПа), а насосы второго подъема перекачивают в главное здание мазут при высоком давлении (3,5-4,5 МПа).
Повышение температуры мазута обеспечивается в паровых подогревателях до температуры, меньшей температуры вспышки паров. Для поддержания температуры мазута на нужном уровне независимо от потребления его обеспечивается непрерывный расход его через линию за счет частичного возврата в бак (рециркуляция).
Газ поступает на электростанцию от магистрального газопровода или газораспределительной станции (ГРС) с давлением 0,7-1,3 МПа. Для снижения давления поступающего газа до необходимого уровня у горелок (0,13-0,2 МПа) предусматривается его дросселирование в газорегуляторном пункте (ГРП), который ввиду повышенной взрывоопасности и резкого шума при дросселировании газа размещают в отдельном помещении.
3.3 Топочные камеры для жидкого и газового топлива
Условия сжигания природного газа и мазута имеют много общего, что позволяет выполнять топочные камеры для этих видов топлива одинаковой конструкции. Как правило, в таких топочных устройствах основным топливом является мазут, а резервным - природный газ. Близость характеристик сжигания газа и мазута выражается в следующих показателях:
- при практическом отсутствии внешней влаги в топливах образуются близкие объемы продуктов сгорания;
- горение мазута и газа происходит в парогазовом состоянии (гомогенная среда). Интенсивность горения в обоих случаях определяется условиями перемешивания;
- практическое отсутствие золы при сжигании этих топлив (мазут имеет Ас<0,3%) исключает вероятность шлакования стенок топки и необходимость в шлакоудаления;
Вместе с этой лекцией читают "2 Адаптивная физическая культура".
- более легкие условия перемещения воздуха с топливом в газовом состоянии обеспечивают практически полное сжигание топлива с низкими избытками воздуха (aгор=1,02-1,05) при одинаковой температуре его подогрева (Тг.в=250-3000С). Это позволяет выполнять комбинированные газомазутные горелки с близкими объемными расходами воздуха.
Рисунок 3.2 - Виды топочных камер газомазутных паровых котлов: а) открытая топка с однофронтальными многоярусными горелками; б) топка с пережимом и встречным (двухфронтальным) расположением горелок; в) открытая топка со встречным двухъярусным расположением горелок; г) топка со встречными циклонными предтопками
Тип горелок выбирают в зависимости от расположения горелок на стенах топки, исходя из обеспечения наилучшего заполнения топки факелом. В зависимости от метода распыления мазута различают механические, паромеханические и паровые форсунки.
Одним из преимуществ комбинированных горелок является возможность легкого перехода с одного вида топлива на другое. При этом сжигание каждого из них должно происходить в оптимальных условиях. Одновременное сжигание двух видов топлива приводит к ухудшению выгорания одного из них (чаще мазута), что связано с различными условиями смешения и временем воспламенения.
