Котлы тепловых электростанций и защита атмосферы

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 (Fe2S), которая присутствует в некоторых марках углей в заметном количестве.
Следовательно, можно рассматривать еще и органическую массу топлива, которая не содержит серы колчеданной:
Co + Ho + Oo + No + So = 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 – Wr – Аr, то при содержании карбонатов больше 2 % необходимо считать горючую массу по другой формуле:
100−Wr−Aиспрr −(СО2)K,
где Аиспр – зольность без учета сульфатов, образовавшихся при разложении карбонатов и с поправкой на сгорание серы колчеданной, то есть
Aиспрr = Ar−[2,5(Sa−Sст)d + 0,375 Sкd]·(1−Wr/100),
где S, Sст и Sк – 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 + О2 = CO2 − 8130 ккал/кг (34,04 МДж/кг);
2Н2 + O2 = 2Н2O − 29 100 ккал/кг (121,8 МДж/кг);
S + O2 = SO2 − 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 SO2 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 – СН4, количество которого колеблется от 85 до 96 %. Кроме метана, в составе природного газа обычно имеются более тяжелые углеводороды: этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Н10 и др. Газ некоторых месторождений, кроме углеводородов, содержит и другие горючие компоненты: водород Н2 и оксид углерода СО. Из негорючих компонентов в состав газа входят азот N2 и диоксид углерода CO2.
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 (Qir) – количество теплоты, образовавшейся при сжигании 1 кг угля или мазута, а при сжигании газообразного топлива – 1 м3 этого газа. При этом предполагается, что продукты сжигания остались в газообразном состоянии. Иногда используют другую теплотехническую характеристику – высшую теплоту сгорания (Qsr), но при этом в тексте обязательно уточняют, что речь идет именно о Qsr (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:
Qir = Qsr − 6(Wr + 9Нr), ккал/кг (2.5)
или
Qir = Qsr − 25,12 (Wr + 9Нr), 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 Wafmax) на 3 группы: 1Б (Wafmax > 50 %), 2Б (30 ≤ Wafmax ≤ 50) и ЗБ (Wafmax < 30 %). Бурые угли отличают высокий выход летучих (Vdaf > 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 Vdaf, %. Если оставить в стороне коксующиеся угли, используемые, главным образом, в металлургическом производстве, то все энергетические угли можно расположить по степени снижения Vdaf: 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 Vdaf 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 (Qsdaf), а также потеря спекаемости. Различают I группу окисленности (снижение Qsdaf на 10 %) и II группу (снижение Qsdaf нa 25 %). Так, например, длиннопламенный уголь Таллинского месторождения (Кузбасс) имеет высшую теплоту сгорания Qsdaf = 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.