Энергетические ресурсы, используемые в технологическом производстве
В промышленности и в быту потребляются различные виды энергоресурсов.
Под энергетическим ресурсом понимается источник энергии, который используется в технологическом производстве. Энергетические ресурсы можно разделить на 4, 5:
а) топливные:
первичные – уголь, нефть, природный газ, горючие сланцы, торф;
искусственные – горючие газы технологических производств, кокс;
б) нетопливные – энергия воды и ветра, лучистая энергия солнца, тепло подземных вод, энергия морских приливов и т.д.
Указанные энергетические ресурсы являются:
невозобновляемыми – запасы которых постепенно уменьшаются по мере потребления (каменный уголь, нефть, природный газ, атомное горючее);
возобновляемыми – запасы которых постоянно воспроизводятся (гидроэнергия, древесина, торф, энергия солнца, ветра).
В теплотехнологическом производстве в основном используются топливные энергетические ресурсы.
Основным источником тепловой энергии для теплотехнологического производства является химически связанная энергия органического топлива, содержащего химические элементы (C, H, S), при окислении которых выделяется тепло. Свое название органическое топливо получило в связи с тем, что химические элементы, входящие в его состав, находятся в подавляющем большинстве случаев в виде органических соединений.
Химический состав твердого и жидкого топлива характеризуется суммарной массой (в %) химических элементов, в 1 кг топлива.
Элементарный состав твердого топлива можно представить следующим образом
(2.1)
где A – содержание минеральной части топлива, представляющей собой массу несгоревшего остатка (зольность);
W – содержание влаги в топливе (влажность).
Состав рабочей массы топлива, сжигаемого в технологическом аппарате, в значительной мере зависит от величины внешнего балласта (зольности) и особенно влаги топлива.
Состав газообразного топлива обычно представляется в виде горючих и негорючих химических соединений и водяных паров
. (2.2)
Органическое топливо является источником энергии, которое выделяется при реагировании горючих элементов с кислородом. Процесс окисления топлива с интенсивным выделением тепла и быстрым повышением температуры продуктов реагирования (в отличие от медленного окисления в естественных условиях) называется горением и описывается термохимическими уравнениями
, (2.3)
(2.4)
где Q – тепловой эффект реакции в МДж/кмоль.
Для полного окисления горючих компонентов топлива необходимо строго определенное количество кислорода воздуха, которое определяется из материального баланса химической реакции
. (2.5)
Из уравнения 1.5 выходит, что для окисления 1 кг углерода необходимо израсходовать (32:12)=2,67 кг кислорода. Так как кислорода в воздухе содержится 21% по объему (23,1% по массе), то для сжигания 1 кг углерода необходимо израсходовать 0,0889 м3 воздуха.
Для сжигания 1 кг твердого топлива требуется теоретический расход воздуха
,
м³/кг, (2.6)
где индекс «р» означает содержание элементов в рабочей массе топлива.
В
практических условиях для организации
полного сжигания топлива действительный
расход воздуха
должен превышать
теоретический расход,
определяемый по
химической реакции. Превышение
действительного расхода воздуха
характеризуется коэффициентом избытка
воздуха
. (2.7)
Коэффициент избытка воздуха для сжигания топлива обычно поддерживается на уровне 1,05 – 1,15.
В
процессе горения образуются газообразные
продукты горения
,
,
.
Кроме того, в составе продуктов горения
находятся нейтральный азот
воздуха и топлива, а при коэффициенте
и кислород избыточного воздуха
.
В
процессе горения выделяется тепло,
равное сумме тепловых эффектов химических
реакций. Это тепло называется теплотой
сгорания или теплотворной способностью
топлива
.
Это тепло усваивается продуктами
сгорания топлива, в результате чего их
температура достигает величины
,
°С (2.8)
где
– теплоемкость продуктов сгорания,
кДж/м³·град.