At-2 Energetski Parni Kotlovi I

ГОРИВО

• Гориво је материја која на повишеној температури при спајању са кисеоником ослобађа одређеном брзином енергију молекуларне везе у виду топлотне енергије. Ова хемијска реакција назива се сагоревањем и обично је праћена пламеном. • Да би се нека материја користила као гориво постављају се и следећи допунски услови: да се у природи налази у великим количинама, да је јефтина, да је погодна за транспорт и складиштење, да се пали на релативно ниској температури и да сагорева у присуству кисеоника из ваздуха, а да су гасовити продукти и чврсти остаци сагоревања нешкодљиви. • Основни извор за производњу топлоте представљају органска горива природног порекла или такозвана фосилна горива, а у новије време користи се и нуклеарно гориво.

• Према агрегатном стању, горива се деле на чврста, течна и гасовита, а по постанку могу да буду природна и вештачка. – Природна чврста горива су дрво, тресет, угаљ и уљни шкриљци, као и разни остаци из индустрије и сеоских домаћинстава (семенке сунцокрета, слама и слично) за које је у новије време одомаћен израз биомаса. – У вештачка чврста горива убрајају се продукти процеса оплемењивања угљева, као што су кокс, полукокс, брикети и тако даље. – Једино природно течно гориво је нафта, док се вештачким течним горивима сматрају разни деривати дестилације нафте (мазут, дизел гориво, бензин), као и продукти дестилације угља или дрвета (катран), као и разне материје које настају у неким индустријским процесима, као што су, на пример, сулфатни и сулфитни луг у процесу прераде целулозе. – Природно гасовито гориво је земни или природни гас док се вештачким могу сматрати светлећи гас, коксни гас, гас коксних и високих пећи и тако даље.

ЧВРСТО ГОРИВО САСТАВ ЧВРСТОГ ГОРИВА

• Природно чврсто гориво састоји се од угљеника (C), водоника (H), кисеоника (О), азота (N), сагорљивог сумпора (Sg), минералних материја (A) и влаге (W). • Састав чврстог горива изражава се елементарном анализом свих састојака у процентима по маси.

• Гориво које долази на сагоревање у котловима или пећима назива се радним горивом и његов састав се може представити као

Cr + Hr + Or + Nr + Sgr + A r + W r = 100

[%]

• На испитивање у лабораторијама угаљ долази сув на ваздуху (сув на ваздуху је угаљ чији се садржај влаге стабилизовао у природним условима) и то је такозвана аналитичка маса горива чији се елементарни састав изражава као

Ca + Ha + Oa + Na + Sag + A a + W a = 100

[%]

• Гориво без влаге представља суву масу и њен елементарни састав је

C s + Hs + O s + Ns + Sgs + A s = 100

[%]

• Гориво без влаге и пепела представља сагорљиву масу, без обзира што у њен састав улазе кисеоник и азот који нису сагорњиви. Елементарни састав сагорљиве масе горива је

Cg + Hg + Og + Ng + Sgg = 100 [%]

• Угљеник, водоник, кисеоник, азот и органски сумпор, то јест, елементи који су се налазили у праматерији од које је гориво настало, чине органску масу горива

Co + Ho + Oo + No + So = 100 [%]

• Угљеник (С) је један од главних састојака горива. Његов садржај у органској маси горива креће се од 50 % код дрвета до 94 % код антрацита. При потпуном сагоревању угљеника ствара се угљен-диоксид и ослобађа топлота од око 33900 kJ/kg. • Водоник (Н) је такође користан састојак горива, јер по јединици масе ослобађа око 4 пута већу количину топлоте од угљеника. Међутим, садржај водоника у гориву је мали, па је и количина топлоте која се његовим сагоревањем ослобађа мала. Само се по себи разуме да водоник везан са кисеоником у воду (влагу) не улази у садржај водоника из елементарне анализе горива. • Кисеоник (О) се сматра органским баластом горива, пошто није сагорљива материја. Временом ступа у реакције тихе оксидације са сагорљивим компонентама горива, тако да погоршава његов квалитет. • Азот (N) се у гориву, по правилу, садржи у малим количинама, не учествује у сагоревању, а његово учешће у продуктима сагоревања је занемарљиво. Међутим, према најновијим сазнањима, азот из горива игра значајну улогу при стварању азотних оксида (NОx) који представљају најштетнију компоненту продуката сагоревања са гледишта загађења околине.

• Сумпор (S) се у гориву налази у три облика: органски ( So ) када је везан са угљеником, водоником, кисеоником и азотом у облику сложених органских једињења, пиритни ( Sp ) сједињен са гвожђем и сулфатни ( Ss ) у облику сулфата гвожђа, магнезијума, калцијума и других. Сумпор који улази у састав органских једињења и пирита може да сагорева, при чему се ствара сумпор-диоксид и ослобађа топлота од око 10500 kJ/kg. Овај сумпор се назива сагорљивим

Sg = So + Sp

[%]

Сумпор из сулфатних једињења, због тога што се она практично не разлажу, не ослобађа топлоту при сагоревању и прелази у шљаку и пепео. Под одређеним условима у гасном тракту парног котла, сумпордиоксид реоксидише у сумпор-триоксид који при спајању са водом даје сумпорну киселину. У одређеним концентрацијама у раствору са водом, сумпорна киселина веома агресивно делује на метал, изазивајући такозвану нискотемпературску корозију. • Пепео (А) је чврсти остатак процеса сагоревања настао трансформацијом минералних материја из горива. Минералне материје представљају баласт у гориву, јер њихово присуство смањује садржај сагорљивих састојака горива, смањујући тако и његову топлотну моћ. Поред тога, оне отежавају процес млевења горива и погоршавају услове паљења угља у ложишту. После сагоревања, пепео настао од минералних материја, може да изазове шљаковање у слоју угља и зашљакивање грејних површина. Честице летећег пепела ношене димним гасовима абразивно делују на метал грејних површина, смањујући век њиховог трајања.

• Влага (W) представља штетну компоненту горива, како због тога што смањује удео сагорљивих састојака, тако и због трошења топлоте за њено испаравање при сагоревању (око 2500 kJ/kg). Поред тога, она смањује сипкост горива, потпомаже самопаљење угља и повећава запремину продуката сагоревања. Влага у гориву дели се на спољашњу или грубу (Ws) и хигроскопску (Wh) влагу.

Спољашња влага при чувању горива на сувом месту испарава све дотле док не наступи равнотежа између парцијалног притиска паре у ваздуху и паре од воде која се садржи у гориву. Гориво сушено на овакав начин назива се суво на ваздуху. Ако се настави сушење горива загревањем до 105 оС при атмосферском притиску онда се може условно сматрати да је из горива удаљена сва влага. Количина влаге удаљена из ваздушно сувог горива назива се хигроскопском влагом. Поред тога, у неким минералним једињењима (кристалима) горива садржи се извесна количина влаге која се може удаљити само загревањем до око 800 оС, то јест, при разлагању ових једињења. То је хидратна или кристализациона влага и она не улази у садржај влаге у гориву.

• Волатили (Vg) представљају лакоиспарљиве материје које настају загревањем горива без присуства ваздуха. Испаравање волатила почиње на температури нешто вишој од температуре сушења и завршава се при 1000 - 1100 оС. Количина волатила се своди на сагорљиву масу, назива се садржајем волатила (V g ) и изражава у процентима по маси.

У састав волатила улазе водоник, угљоводоници, угљендиоксид, угљен-моноксид, нешто сумпора, катран и тако даље. Што је гориво геолошки млађе тим је већи садржај волатила у њему. Тако је, на пример, за дрво V g = 85 %, за лигнит V g = 50 - 60 %, за мрке угљеве V g = 35 - 50 %, а за антрацит V g = 4 - 7 %. Волатили имају велики утицај на процес сагоревања горива. Што је већи њихов садржај, гориво се лакше пали и даје дугачак светао пламен. То су такозвана високореакциона горива. Горива са малим садржајем волатила (нискореакциона горива) пале се знатно теже, спорије сагоревају и дају кратак пламен.

• После испаравања волатила из загреваног горива остаје кокс који може да буде у различитим облицима: синтерован, слабо синтерован и прашкаст. Угљеник у коксу назива се фиксни (Cfix). • Утврђивање садржаја влаге, волатила, кокса, фиксног угљеника и укупног и сагорљивог сумпора врши се такозваном техничком анализом, која је шематски приказана на слици.

ВРСТЕ И КАРАКТЕРИСТИКЕ ЧВРСТОГ ГОРИВА • Природна чврста горива се према генетском пореклу и старости деле на дрво, тресет, лигнит, мрки угаљ, камени угаљ, полуантрацит, антрацит и уљне шкриљце. Домаћи угљеви су подељени на лигните, мрко-лигнитске, мрке и камене. – Лигнит је најмлађи домаћи угаљ карактеристичан по великом садржају влаге, малом садржају угљеника и великом садржају волатила. По структури може да буде дрвенасти (ксилитни) или аморфно - земљасти (барски). Садржај влаге му је изнад 40 %, уз мали до умерени садржај пепела. Доња топлотна моћ сагорљиве масе лигнита креће се у границама 23000 до 25000 kJ/kg. Садржај волатила од 50 до 60 %. Слојеви лигнита су обично на малим дубинама, тако да се добија у површинским откопима. Лигнит представља основно домаће гориво, а највише га има у косовском, колубарском и костолачком басену. У новије време је откривено налазиште лигнита у околини Ковина.

– Мрко - лигнитски угаљ има садржај влаге 30 до 40 % и доњу топлотну моћ сагорљиве масе од 25000 до 26000 kJ/kg. – Мрки угаљ има чврсту структуру, дробљив је и непостојан на ваздуху. Садржај влаге му се креће од 10 - 30 %, а доња топлотна моћ сагорљиве масе је од 26000 до 30000 kJ/kg. Садржај волатила је у границама 40 - 50 %. Главна налазишта мрког угља у нашој земљи су у сењскоресавском басену, у околини Алексинца, Зајечара и Берана, али су му резерве неупоредиво мање од лигнита. – Камени угаљ потиче из старијих геолошких формација и зрнасте је структуре. Садржај влаге је испод 10 %. Доња топлотна моћ сагорљиве масе је преко 30000 kJ/kg. Садржај волатила креће се у границама 10 - 50 %. Каменог угља у нашој земљи има у ибарском басену и у Источној Србији. Домаћи камени угаљ има повећан садржај сумпора и пепела, о чему треба водити рачуна при његовом коришћењу у парним котловима.

• Карактеристике угља значајне за његову примену котловима су сортиман, густина и механичка чврстоћа.

у

– Сортиман угља предвиђен је по ЈУС Б.Х0.001. – Густина угља дефинисана је као стварна (маса јединице запремине компактног горива), која износи око 1440 kg/m3 и насипна (маса јединице запремине горива, при чему су у запремину урачунати и међупростори између комада угља). Насипна густина зависи од влажности, грануло-метријског састава и степена сабијености угља. – Механичка чврстоћа угља је од нарочите важности при његовој употреби у облику праха, то јест, при сагоревању угља у лету. Механичка чврстоћа зависи од врсте горива, количине и квалитета минералних материја, геолошког састава и структуре горива.

• Дрво, дрвни отпаци и отпаци пољопривредних производа, који се називају заједничким именом биомаса, могу да постану значајан енергетски извор у домаћим условима. За разлику од фосилних горива, биомаса представља обновљив извор примарне енергије, а карактеристика јој је да у највећој количини доспева ујесен, када потрошња електричне и топлотне енергије почиње да расте. По топлотној моћи, биомаса одговара домаћим мрким и мрко-лигнитским угљевима и има сличан састав сагорљиве масе, али веома малу густину. Да би се повећала густина и на тај начин олакшао транспорт и складиштење, биомаса се сабија у виду пелета или брикета. Основна предност при производњи пелета или брикета је добијање горива хомогеног састава, густине и квалитета. Предности коришћења пелета, односно брикета, као горива су: – обновљив вид енергије, – могућност аутоматске регулације процеса сагоревања, – већа ефикасност при сагоревању, – мања емисија загађујућих компоненти ( СО2, NОx ), – повољна цена и – погодни за паковање, транспорт и руковање.

Пелете од пиљевине

Брикети од пиљевине

ТЕЧНО ГОРИВО • Природно течно гориво је нафта, која се састоји од разних угљоводоника. Настала је распадањем биљних и животињских материја у ранијим епохама, тако да је геолошки старија од угља. • Течна горива имају велике предности у односу на чврсто (већа топлотна моћ, лакша експлоатација, транспорт и складиштење, лакше регулисање и аутоматизација котла и тако даље), тако да су радо коришћена као основно или додатно гориво у парним котловима. Извесне резерве нафте у нашој земљи налазе се у Војводини, а нова налазишта откривена су и на неким другим другим местима (Источна Србија). Међутим, експлоатација нафте из ових налазишта није ни близу потрошње течног горива, тако да смо принуђени на увоз. • Састав течног горива има исте елементе (угљеник, водоник, кисеоник, азот, сагорљиви сумпор, пепео и влага) и изражава се на исти начин (у процентима по маси) као и код чврстог горива, с тим што течно гориво има занемарљиво мали садржај пепела и незнатан садржај влаге.

• Квалитет и особине течних горива дефинисане су домаћим стандардом. Према овом стандарду класификоване су следеће врсте течних горива: екстра лако, лако, средње и тешко уље за ложење. • За ложење у котловима као основно или додатно гориво најчешће се користи тешко уље, познатије под називом мазут. Мазут има велики садржај угљеника (86 - 88 %) и водоника (10 %), мали садржај влаге и велику доњу топлотну моћ (39000 до 41000 kJ/kg). Мазут може да садржи мање или више сумпора и парафина, који представљају његове штетне компоненте. Сумпор проузрокује нискотемпературску корозију метала грејних површина котла, док парафин повишава температуру стињавања, отежавајући на тај начин манипулацију са мазутом (транспорт и распршивање). • У пепелу течних горива се често налазе ванадијум и натријум, чији су оксиди узрочници високотемпературске корозије. • Вискозност течних горива дефинише њихову течљивост односно потребу за загревањем пре транспорта и распршивања у горионицима.

• Густина је веома значајно својство течних горива и она је при температури од 20 оС готово увек мања од густине воде. При загревању течних горива она се смањује због запреминског ширења

ρt =

ρ20 β

ρ 20 1 + β (t − 20 )

[kg/m3]

[kg/m3]

– густина течног горива при температури од 20 оС

[1/оС]

– коефицијент запреминског ширења на температури од 20 оС

• Температура стињавања је она температура при којој течно гориво губи своју течљивост и зависно од врсте горива, износи +5 оС до -36 оС. • Температура или тачка паљења је она температура при којој почиње интензивније испаравање течних горива и креће се у границама од 60 оС до 125 оС. • Температуре самопаљења је температуре при којој течно гориво може да сагорева уз повољне услове и креће се у границама од 500 - 600 оС.

ГАСОВИТО ГОРИВО • Гасовито гориво представља мешавину сагорљивих и несагорљивих гасова и његов се састав изражава у процентима по запремини. • Основно гасовито гориво које сагорева у парним котловима је природни или земни гас, који се може поделити на две групе: гас из чистих налазишта и нафтни гас. Чиста налазишта су она у којима се налази само гас, док се нафтни гас добија заједно са нафтом у којој је растворен у износу 10 - 15 % по маси нафте. • Главни састојак природног гаса је метан, чији запремински садржај може да се креће и до 98 %. Остали гасови који у мешавини са метаном чине природни гас су виши угљоводоници (етан, пропан, бутан, пентан) и несагорљиви гасови (N2 и CO2) који представљају баласт гасовитог горива. Доња топлотна моћ природног гаса креће се у границама 33000 до 37000 kJ/m3. • Природног гаса у нашој земљи има у Војводини али у скромним количинама.

• Поред природног, у парним котловима се користе и вештачки гасови као што су гас високих пећи, коксни гас, генераторски гас и тако даље. – Гас високих пећи има малу топлотну моћ, која се обично креће у границама 4000 - 4800 kJ/m3, што је последица великог садржаја несагорљивих гасова ( N2 = 51-58 %, CO2 = 10-12 % ). Основни сагорљиви састојци су му угљен-моноксид (CO = 27-28 %), водоник (H2 = 2-8 %) и метан (CH4 = 0,3-1,6 %). – Коксни гас се добија приликом производње кокса и његова топлотна моћ се креће у границама 16300 - 17600 kJ/m3. Основне сагорљиве компоненте су му водоник (око 57 %), метан (око 22 %) и угљен-моноксид (око 7 %). – Генераторски гас се производи у гасогенераторима и ређе се примењује у котловима. То је гас мале топлотне моћи од 5000 6300 kJ/m3. Сагорљиве компоненте су му угљен-моноксид (24 30 %), водоник (13 - 15 %), метан и сумпор-водоник (0,1 - 1 %). • Код гасовитих горива је веома важно одредити концентрације гасова у ваздуху при којима је омогућено њихово сагоревање. Смеша гаса и ваздуха може да се запали само ако је концентрација гаса већа од оне која одговара доњој и мања од оне која одговара горњој граници запаљивости. Уколико је концентрација гаса изван ових граница, сагоревање се не може остварити.

ТОПЛОТНА МОЋ ГОРИВА И ПОЈАМ УСЛОВНОГ ГОРИВА • Топлотна моћ горива је количина топлоте која се ослобађа при потпуном сагоревању јединице масе (чврста и течна) или запремине (гасовита горива). • Доња топлотна моћ се дефинише тако што се при њеном одређивању сва вода из продуката сагоревања налази у парном стању, док се при одређивању горње топлотне моћи сва пара кондензује враћајући на тај начин топлоту испаравања. • Разлика између горње и доње топлотне моћи, представља топлоту испаравања влаге и воде настале сагоревањем водоника

(

H g − Hd = 25 W r + 9Hr

)

[kg/m3]

пошто је топлота испаравања воде на атмосферском притиску око 2500 kJ/kg, а при сагоревању једног килограма водоника добија се девет килограма воде.

• Тачна вредност топлотне моћи одређује се у лабораторији помоћу калориметријске бомбе. Према домаћем стандарду одређује се горња топлотна моћ при константној запремини, па се доња топлотна моћ при константном притиску прерачунава по обрасцу Hd = (H gv − 212H − 0,8 O )

100 − W − 24,5W 100 − W a

[kJ/kg]

• Приближни обрасци за одређивање топлотне моћи горива одређују се на основу удела топлотних моћи сагорљивих компонената. – горња топлотна моћ радне масе горива ⎤ ⎛ r Or ⎞ 1 ⎡ r r [kJ/kg] ⎜ ⎟ + Hg = 33900 C 142500 H 10500 S + ⎢ g⎥ ⎜ ⎟ 100 ⎣ 8 ⎠ ⎝ ⎦

– доња топлотна моћ радне масе горива ⎤ ⎛ r Or ⎞ 1 ⎡ r r r ⎜ ⎟ + Hd = 33900 C 119700 H 10500 S 2500 W + − ⎢ ⎥ [kJ/kg] g ⎜ ⎟ 100 ⎣ 8 ⎠ ⎝ ⎦

• Топлотна моћ гасовитих горива одређује се у гасном калориметру, а може се и израчунати сабирањем топлотних моћи појединих сагорљивих компонената Hd =

(

1 HdCH4 CH4 + ... 100

)

[kJ/m3]

• При термичком прорачуну парних котлова треба користити вредности топлотних моћи одређене у лабораторији. • У домаћој пракси се у термичким прорачунима користи доња топлотна моћ, јер се у парним котловима не користи топлота испаравања воде у излазним гасовима. • Да би различита горива могла да се пореде по вредности и енергетској ефикасности уведен је појам условног горива. Као условно, усвојено је гориво чија је доња топлотна моћ 29300 kJ/kg. Прерачунавање било ког горива на условно врши се према односу H BHd Bug = B d = [kg/s] Hdug 29300 Поред условног горива, у употреби је и појам условне нафте. Топлотна моћ еквивалентне нафте износи 41800 kJ/kg.