Джерела енергії і генератори енергії

Курсова робота

Джерела енергії і генератори енергії

Вступ

Сукупність усіх видів енергетичних ресурсів, підприємств по їхньому видобутку, виробництву, транспортуванню, перетворенню і використанню з метою забезпечення споживачів різними видами енергії складає паливно-енергетичний комплекс країни (ПЕК).

Найважливішими складовими ПЕК є енергетика і паливна промисловість.

Енергетика – галузь народного господарства, що охоплює одержання, перетворення, передачу і використання різних видів енергії й енергетичних ресурсів. Кінцевим результатом функціонування енергетики як галузі промисловості є корисна енергія, тобто енергія, що надходить до споживача і забезпечує корисну роботу промислових, транспортних, сільськогосподарських, будівельних і інших машин, систем, установок, приладів. Темпи розвитку енергетики обумовлюються безупинно зростаючим попитом на енергію у всіх сферах людської діяльності – виробничої, наукової, управлінської, охорони здоров'я, комунально-побутової, культурної й ін. З другої половини XX в., в умовах науково-технічної революції, потреби суспільства в енергії, і насамперед в електричній, ростуть особливо швидко.

Ступінь задоволення виробництва в електричній, механічній і тепловій енергіях визначає енергооснащеність праці – показник, що характеризує зв'язок витрат живої праці з виробничим споживанням енергії.

Підвищення енергооснащеності праці – одне з основних умов прискорення темпів науково-технічного прогресу, росту продуктивності праці. В даний час значення енергетики для економіки нашої країни зросло настільки, що масштаби виробництва і практичного використання енергії й енергетичних ресурсів розглядаються як найважливіші показники економічного потенціалу країни, її виробничих (технологічних) і наукових можливостей. Розвиткові енергетики і насамперед електроенергетики в нашій країні завжди приділялося і приділяється найпильніша увага.

Основні види енергетичних ресурсів – органічне паливо (вугілля, нафта, природний газ), енергія водного потоку (гідроенергетичні ресурси), ядерна енергія, внутрішнє тепло Землі (геотермальні ресурси), енергія вітру і сонячного випромінювання (сонячної радіації).

1. Паливо

1.1 Види палива

Основним джерелом теплоти в промисловості, на транспорті, в сільському органічного походження. господарстві і в побуті є горючі речовини Останнім часом на електричних станціях і в установках спеціального призначення застосовують ядерне паливо. Застосування тієї чи іншої горючої речовини для технічних потреб визначається техніко-економічними і плановими міркуваннями.

Залежно від призначення технологічне і побутове.

Всі види органічного палива можуть бути поділені за агрегатним станом на тверді, рідкі і газоподібні, а за способом добування на природні й штучні.

До природного твердого палива належать: антрацити, кам’яне вугілля, буре вугілля, торф, дрова, горючі сланці, відходи промисловості і сільського господарства – здубиця, лушпиння, костриця.

Штучне тверде паливо: брикети (торф'яні, буро-вугільні, кам'яновугільні), кокс (кам'яновугільний, торф'яний, нафтовий) напівкокс (буро-вугільний, торф'яний); деревне вугілля, пил (вугільний, торф'яний, сланцевий).

Природне рідке паливо: нафта (сира нафта). Штучні рідкого палива: нафтові продукти – бензин, лігроїн, керосин, мазут, спирти, колоїдне паливо (суміш мазуту з вугільним пилом).

Природне газоподібне паливо – природний газ. До штучних видів газоподібного палива належать гази: доменний, коксовий, генераторний, напівкоксовий, крекінг-газ, газ підземної газифікації.

1.2 Загальні характеристики твердого й рідкого палива

Склад палива. Паливо в такому вигляді, в якому воно ходить до споживача, називається робочим паливом. Тверде й рідке робоче паливо складається з вуглецю С, водню Н, кисню О, азоту N, леткої (або горючої) сірки Sл, мінерал (точніше твердих негорючих) домішок А і вологи W.

Тверді негорючі домішки характеризують зольність палива. Тому величину А звичайно називають вмістом золи в паливі, хоча це не зовсім точно, бо шлак і зола – це вогнищеві залишки, що утворюються під час спалювання палива.

Склад твердого й рідкого палива прийнято виражати у вагових процентах. Якщо позначити ваговий процентний вміст компонентів у робочому паливі С, Н, О і т.д., то очевидно

C +H +O +N +S +A +W = 100% (1)

Отже, застосовується елементарний склад робочого палива (термін «елементарний» – умовний, оскільки А і W не хімічні елементи).

Паливо, з якого сушінням повністю видалена волога, називають абсолютно сухим паливом, або абсолютно сухою масою палива. Абсолютно сухе паливо містить шість компонентів, і його склад записується так:

C +H +O +N +S+A =100% (2)

де С, Н і т.д. – ваговий процент вуглецю, водню і т.д. в абсолютно сухому паливі.

Якщо припустити, що з абсолютно сухого палива виділені негорючі домішки А, то залишається п'ять компонентів, що становлять так звану горючу масу палива. Її елементарний склад:

C +H +O +N +S =100% (3)

Сірка в паливі міститься в різних сполуках: сульфатна S входить до складу сульфатів СаSO4, Na2SO4, К2SO4; колчеданна S – у сполуці з металами (звичайно з залізом у вигляді FeS2) і органічна S – у складі органічних сполук. Сульфатна сірка не горить, і її наявність ураховується в негорючих домішках А. Органічна і колчеданна сірки беруть участь у горінні, і їх сума становить летку (або горючу) сірку палива S=S +S.

Якщо вилучити з горючої маси палива колчеданну сірку, то залишається паливо такого складу:

С° +Н° + O° + N° + S° = 100%. (4)

Такий склад палива називається органічною масою палива. Здебільшого вміст органічної сірки в паливі невеликий (десяті частки процентів). Тому іноді записують склад органічної маси палива спрощено: С° + Н° + O° + N° = 100%.

Види вологи і форми зв'язку її з органічною речовиною різні і досить складні. В теплотехніці прийнята не зовсім точна, але проста й зручна класифікація, за якою волога робочого палива W^р поділяється на два види: повітряну W^р, що видаляється при кімнатній температурі, і гігроскопічну W^р, що видаляється в сушильній шафі при температурі 102–105° С. Отже,

W= W+ W (5)

Паливо, з якого видалена повітряна волога, називаєтьcя повітряно-сухим паливом, або аналітичною пробою. Паливо цього складу використовують для проведення технічного аналізу в лабораторіях. Вміст гігроскопічної вологи, виражений у вагових процентах відносно до складу аналітичної проби, позначається W^a, відносно до складу робочого палива W. Оскільки робоче паливо

відрізняється від аналітичної проби вмістом W, то

W = W (6)

Склад аналітичної маси палива:

C^а + H^а + O^а + N^а +S+A^а +W^а=100%. (7)

Під час проектування і експлуатації котельних установок досить часто доводиться робити перерахунки складу палива. Склад робочого палива може значно змінюватися, бо величини A і W коливаються в широких межах. У той самий час склад горючої маси палива більш-менш стабільний. Це дає можливість за складом горючої маси із задовільною точністю визначати склад робочого палива, не роблячи щоразу повного елементарного аналізу палива. Перерахунки роблять у випадку надходження на склади палива із змінною вологістю, якщо треба підсушити паливо, під час лабораторних аналізів тощо.

Під час перерахунків треба визначити, вмістом яких компонентів відрізняється шуканий склад від заданого, і користуватися правилом пропорцій.

Найважливішою характеристикою палива є його горюча маса. Її склад для кожного виду палива дається в таблицях, якими найчастіше користуються під час перерахунків. Якщо відомий склад горючої маси (C, Ні т.д.), зольність А^р і вологість W робочого палива, то легко знайти елементарний склад робочого палива. Наприклад:

С = С (8)

Користуючись коефіцієнтом перерахунку , можна визначити решту компонентів у робочому паливі (Н, О і т.д.). Аналогічно розв'язуються й інші завдання під час перерахунку складу палива.

Теплота згоряння. Теплота згоряння (тепловидатність) палива Q кДж/кг–це теплота реакції горіння палива, тобто та кількість теплоти, яка виділяється при повному згорянні 1 кг твердого або рідкого палива і при охолодженні продуктів горіння до початкової температури процесу.

У паливі міститься три горючі компоненти – вуглець, водень і сірка. Внаслідок горіння водню і випаровування вологи палива утворюється водяна пара. Під час охолодження продуктів горіння можливі два випадки: Н₂О залишається в димових газах у вигляді водяної пари; водяна пара конденсується. Це залежить від парціального тиску пари і кінцевої температури продуктів горіння. В першому випадку буде реалізована менша кількість теплоти, а в другому – більша, бо виділиться теплота конденсації водяної пари.

Тому розрізняють нижню (меншу) і верхню теплоту згоряння палива.

Для даного палива чисельно найменшою величиною буде нижня теплота згоряння робочого палива Q, а найбільшою – верхня теплота згоряння органічної маси Q. У розрахунковій практиці звичайно користуються величиною Q.

Залежність між верхньою і нижньою теплотою згоряння робочого палива можна визначити за формулою

Q =Q – Q, де

Q = rGn є теплотою конденсації тієї кількості водяної пари Gn, яка утворюється в процесі горіння. Внаслідок горіння водню, відповідно до стехіометричного співвідношення 2Н2 + O2 == 2Н2О, утворюється приблизно 9кг водяної пари. До цього треба також додати ще кг водяної пари, що утворилася внаслідок випаровування вологи палива. Отже, G@кг.

Вважаючи, що r округлено (з урахуванням того, що парціальний тиск водяної пари в продуктах згоряння малий) дорівнює 2500 кДж/кг, дістанемо:

Qn =rGn =25 (9H + W) кДж/кг

звідси

Q = Q – 25 (9H + W) кДж/кг (9)

Аналогічно Q =Q -225 Н°. Такі співвідношення легко здобути для будь-якого складу палива. Паливо можна спалювати або при постійному тиску, або при постійному об'ємі. При цьому теплота згоряння при постійному об'ємі буде трохи більша, ніж при постійному тиску. Проте для переважної більшості палив різниця ця настільки мала, що нею нехтують.

Теплота згоряння палива не залежить від температур, які діють під час процесу, але залежить від початкової і рівної їй кінцевої температур процесу. В технічних розрахунках користуються значеннями теплоти згоряння, здобутими при температурі +20°С.

Визначити теплоту згоряння палива можна по-різному. Наближені значення теплоти згоряння можна дістати з емпіричних формул, що зв'язують теплоту згоряння палива з його елементарним складом. Найкращою формулою цього типу є формула Менделєєва:

Q= 338С+1256H + 109 (O–S) -25 (9H – W) кДж/кг. (10)

Якщо відома теплота згоряння якогось складу палива (наприклад, горючої маси), то значення Q для іншого складу можна здобути перерахунком. Проте в цьому разі не можна, як і при перерахунку складу палива, обмежитися простим застосуванням правила пропорцій, а треба врахувати вплив на Q того чи іншого компонента. Наприклад, якщо відоме Q і треба знайти Q, то перерахунок робиться за такою формулою:

Q=Q25W (11)

Тут зольність робочого палива враховується один раз, а волога двічі – як компонент, що знижує кількість горючих речовин у паливі, і компонент, що потребує затрати теплоти для свого випаровування.

Більш надійно теплоту згоряння палива можна визначити в калориметричній установці, схему якої показано на мал. 1.

Мал. – 1 калориметрична установка: 1-калориметрична бомба; 2-резервуар калориметра; 3 - двостінний захисний кожух з водою; 4 - мішалка; 5 - термометр; 6 - приводний механізм мішалки

Основним елементом установки є калориметрична бомба 1, в яку вміщують аналітичну пробу палива із встановленою в ній залізною дротинкою. Бомбу заповнюють киснем під тиском 25–30 бар і установлюють у посудину з водою. При вмиканні електричного струму проба палива займається від розжареної дротинки і згоряє, а теплота, що виділяється при цьому, передається воді і деталям калориметра.

За підвищенням температури води (з урахуванням теплоти, переданої деталям калориметра, і поправок) визначають найвищу теплоту згоряння аналітичної проби Q.

Нижчу теплоту згоряння робочого палива можна знайти з результатів калориметричного визначення за формулою:

Q=Q25 (9Н+W) (12)

Для оцінювання запасів палива, його питомих витрат і різних зіставлень користуються поняттям умовного палива, теплота згоряння якого становить 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг).

Баласт. Баластом робочого палива є сірка, зола і волога. Хоч сірка – горючий елемент, її вважають баластом, бо внаслідок її згоряння утворюються шкідливі продукти: сірчаний і (в невеликій кількості) сірчаний ангідриди. Сірчаний газ отруює атмосферу, а сірчаний ангідрид призводить до утворення сірчаної кислоти, яка роз'їдає метал елементів котлоагрегату.

Вміст леткої (органічної і колчеданної сірки) в горючій масі різних видів палива S може бути в межах: у торфі, деревині, малосірчастій нафті – 0,2–0,4%; в антрациті, кам'яному вугіллі, бурому вугіллі – 2–6%; сірчастому сланці – до 15%.

Зола палива складається з внутрішньої (первинної) і зовнішньої (прошарки породи, мінеральні речовини, внесені в процесі добування і транспортування палива). Для проектування котельного агрегату треба знати не лише, скільки золи міститься в паливі, а й її плавкість, склад і характер реакції.

Вміст золи в абсолютно сухій масі різних палив А коливається в широких межах: від 0,3% для нафти до 70% для сланців. Зольність кам'яного вугілля А^с становить 5–20%, бурого вугілля-15–35%; торфу (малозольного) – 4–10% і 10–20% (високозольного).

Плавкість золи характеризується температурами початку деформації t1, розм'якшення t2 і рідкоплавкого стану t3. Їх визначають у лабораторній печі. Значення цих температур залежить від складу золи і температури газового середовища, в якому відбувається нагрівання. З них найбільший інтерес для проектування топок становить температура початку розм'якшення t2. Залежно від температури рідкоплавкого стану t3 розрізняють: легкоплавку золу, якщо t3 <1200°С, середньоплавку, якщо t3 = 1200–1400°С, і тугоплавку, якщо t3>1400°С.

Склад мінеральних домішок різних палив дуже різноманітний. Переважними компонентами звичайно є глинозем і кремнезем. Крім того, до складу золи входять сульфати, карбонати (кальцію), луги, хлориди та інші сполуки.

Сумарний характер реакції шлаку (кислий, основний, нейтральний), що утворюється під час спалювання палива, треба враховувати при виборі матеріалу для футеровки топки. Реакція шлаку і футеровки повинна бути одного знаку, бо інакше при різко вираженому характері реакції шлаку інтенсивно руйнуватиметься футеровка.

Вміст вологи в паливі W^р коливається від 2% у нафті до 65% у здубиці. Вологість кам'яного вугілля становить 5–10%, бурого вугілля 30–58%, торфу 35–50%.

Волога палива зменшує в ньому вміст горючих речовин, знижує нижню теплоту згоряння палива як споживач теплоти для свого випаровування; переходячи у вигляді водяної пари в продукти згоряння, збільшує їх сумарну теплоємність. Усе це температуру горіння і нерідко погіршує економічність і стійкість процесу спалювання.

Вихід летких речовин. При нагріванні палива без доступу повітря (суха перегонка) відбувається термічний розклад палива з виділенням так званих летких речовин і твердого нелеткого залишку. Леткі речовини – це суміш газів і пари (пірогенетичної вологи, СО₂, пари первинних смол, СО, Н₂, СmНn, Н2S). Їх кількість і склад є важливими характеристиками палива.

До складу твердого залишку, що називається коксом, або нелетким залишком, входять вуглець С і зола А. Кокс може мати вигляд порошку, мало зв'язаних крупинок, міцної щільної або ніздрюватої маси.

Вихід летких речовин у вагових процентах на горючу масу коливається від 4% для антрациту до 85% для нафти і сланців. Проміжне положення по значенню V^г посідають: пісне кам'яне вугілля 10–15%, полум'яне кам'яне вугілля 20–45%, буре вугілля 50–60%, торф 70%.

Процес сухої перегонки при температурі 1050–1100° С називається коксуванням і широко застосовується для добування високоякісного металургійного коксу. Рідше застосовується напівкоксування палива (в основному бурого вугілля) – суха перегонка при 500–600° С. Основна мета такого процесу – здобуття цінних рідких і газових продуктів.

1.3 Характеристика окремих видів палива

Дрова. Деревина є дуже цінним матеріалом для будівництва мебельної, целюлозної й інших галузей промисловості. Тому застосовувати її як паливо недоцільно. Роль деревини в паливному балансі нашої країни дуже мала і з кожним роком зменшується.

Основою деревини є клітковина, або целюлоза (С₆Н₁₀О₅), її в деревині близько 70%. Друга складова деревини – лігнін, (СmНnОр). У ньому більше вуглецю і менше кисню, ніж у клітковині. Середній склад органічної маси деревини С° = – 50,0%, Н° == 6,1%, O° + N° == 43,9%. Теплота згоряння Q = 18 420 кДж/кг.

Склад і теплота згоряння одного кілограма органічної маси деревини дуже мало залежить від породи дров. У деревині дуже мало сірки, небагато золи (А=1¸2%), але багато вологи; у свіжоспиляних дровах W=50%, в однорічних W=25¸30%. Теплота згоряння однорічних дров Q=11720 кДж/кг.

Торф. Торф – це перший (наймолодший за геологічним і хімічним віком) продукт розкладання скупчень рослинних залишків при дуже обмеженому доступі повітря. Під час розкладання виділяються СОз, Н₂О, СН₄ і NНз. Твердий продукт розкладання характеризується високим вмістом вуглецю і більш низьким вмістом кисню.

Склад торфу коливається в широких межах. Він визначається властивостями рослинних залишків (гумусовий, сапропелітовий, бітумінозний торф) і мірою їхнього розкладання (малорозкладений, дуже розкладений торф). Приблизний середній склад торфу такий: С°=58.0%, Н°=5,8%, О°=34,2%, N =2,0%, його теплота згоряння Q = 22 190 кДж/кг. Вміст сірки S =0,2–0,3%.

Зольність робочої маси торфу верхових торфовищ невелика (до 10%), низинних – значна (20% і більше). Вологість робочого палива 35–50%.

Залежно від способу добування розріняють кусковий (машиноформований, гідроторф) і фрезерний торф (дрібняк). У техніко-економічному відношенні найдоцільніший спосіб добування торфу – фрезерний.

Буре вугілля. Буре вугілля геологічно і хімічно старіший, ніж торф, продукт розкладання рослинних залишків. Міра його вуглефікації вища, склад і властивості коливаються також у широких межах. Приблизний середній склад і теплота згорання бурого вугілля: С°=68,5%, Н°=5,5%, О°=25%, N°=1,0%, Q°=27210 кДж/кг.

Робоче паливо характеризується звичайно високою сірчастістю (Sл – 1–3%), зольністю (А =10 – 25%) і вологістю. Вологість хімічно старого бурого вугілля W^р =30%, а молодого вугілля – 55–58%. Основні типи бурого вугілля за структурою: кускуваті, землисті, лігніти.

Торф і буре вугілля належать до місцевих низькосортних видів палив, яке доцільно використовувати недалеко від місця добування (в радіусі 100–150 км).

Кам’яне вугілля. Кам’яне вугілля – наступний (у розумінні геологічного і хімічного віку) продукт глибокої вуглефікації рослинних залишків. Термін « кам’яне вугілля» – широкий і збірний. Він об’єднує багато різноманітних за своїми властивостями видів палива. До загальних ознак, що відрізняють кам’яне вугілля від бурого вугілля і торфу належать: відсутність видимих неозброєним оком рослинних залишків, мала гігроскопічна вологість W^а <10%, загальна лужна реакція продуктів сухої перегонки, висока теплота згорання Q >31400 кДж/кг.

Основні марки кам’яного вугілля і його класифікацію подано в таб. 2. В основу класифікації покладено: вихід летких речовин V і характеристика нелеткого залишку.

Таблиця 2