Ядерное топливо – это химическое вещество, способное выделять тепловую энергию в результате ядерных преобразований (цепной реакции

2. Топливо, его свойства в процессе горения и влияние на выбросы в окружающую

ПРИРОДНУЮ СРЕДУ

2.1. Классификация топлива

 

Топливом называют химические вещества или смеси веществ, способные в результате физико-химических преобразований выделять тепловую энергию. В зависимости от происхождения и вида реакции топливо подразделяется на органическое природное (естественное), органическое искусственное и ядерное.

Органическое, естественное и искусственное топливо при горении выделяет тепловую энергию за счет химических реакций окисления. Оно отличается только физическими и химическими свойствами элементов (компонентов), входящих в его состав, которые оказывают то или иное влияние на процессы горения. Оно может быть в различных фазовых состояниях: твердое, жидкое и газообразное

Следует отметить, что тот исходный продукт, который поступает в последнее время на тепловые электростанции в качестве топлива, не всегда соответствует своему названию. Он содержит до 50 % и более минерального балласта (золы) и поэтому его скорее можно назвать просто минералом (энергетики его называют промпродуктом), который в равной мере может быть использован как для получения тепловой энергии, так и других продуктов производства.

Ядерное топливо – это химическое вещество, способное выделять тепловую энергию в результате ядерных преобразований (цепной реакции).

 

2.2. Происхождение углеродсодержащего топлива

На физико-химические свойства органического природного топлива оказывают влияние происхождение и возраст (различные стадии геологического старения). По принципу геологического старения природное топливо подразделяется на три вида:

– гумусовые породы (торф, каменные и бурые угли);

– сапропеловые породы (сланцы, сапропеловые угли);

– петролиты – ископаемые нефтяного происхождения (нефть, асфальт, горючие газы).

По интенсивности распада с течением времени растительные углеродсодержащие вещества можно разбить на две группы:

1. Целлюлозы, гемицеллюлозы, белки и другие составляющие, которые хорошо разлагаются с течением времени.

2. Лигнин, воски, смолы, углеводороды и другие вещества, которые плохо поддаются разложению или вообще не разлагаются в течение длительного геологического периода.

Вещества первой группы в результате геологического старения превращаются в газообразные или легко растворимые вещества, не участвующие в углеобразовании.

Вещества второй группы способны со временем полимеризоваться и превращаться в более устойчивые образования. Для них закономерен переход от растительных организмов к торфу, а затем к бурым и каменным углям. Этот геологический процесс сопровождается повышением содержания в них углерода и уменьшением кислорода. Антрацит, как марка твердого топлива, характеризуется наивысшей стадией геологических преобразований.

Нефть и природный газ образуются в результате различных природных явлений (землетрясений, сдвигов пластов и др.) из органических соединений с большим содержанием углеводородов, оказавшихся в пустотах горных пород. Нефть в сыром виде в энергопризводстве не применяется. В качестве топлива используются только продукты разложения нефти: мазут, бензин, керосин и др.

В процессе добычи топлива (особенно твердого) практически невозможно выделить его в чистом виде. Поэтому в составе топлива, поступающего на электростанции в том или ином количестве, обязательно присутствуют как балласт негорючие твердые вещества и влага, содержание которых во многом зависит от места добычи [6].

Искусственное топливо (кокс, полукокс, генераторный и доменный газы и др.) получается как побочный продукт различных технологических операций, когда возникают условия для газификации веществ (сырья каких-либо производств), имеющих в своем составе углеродсодержащие элементы.

 

2.3. Физико-химический состав твердого топлива

На выбор способа сжигания топлива влияют следующие физико-химические свойства: состав органической и минеральной массы сырого топлива, количество и химический состав золы, влажность, содержание летучих в топливе, теплота сгорания и др. Составные части твердого и жидкого топлива приведены в табл. 2.1. Там же приведена классификация производственных характеристик топлива по массе.

В нормативном методе расчета котельных агрегатов [6] сумма составляющих рабочей массы топлива принимается за 100 %. Химический состав золы А, как продукт сжигания, входящий в рабочую массу, дается в процентах, а сумма составляющих золы также принимается за 100 %.

В органическую массу топлива входят: углерод С, водород Н, кислород О, сера S, углеводороды С_mН_n, оксид углерода СО, сероводород Н₂S. Эти соединения принимают участие в горении с выделением тепловой энергии и поэтому составляют горючую массу топлива. В процессах окисления участвует также азот N, составляющий органическую часть топлива. Сера может входить как в органическую массу S_ор, так и в минеральную – колчеданная (пиритная) сера S_к (FeS₂). В составе минеральной массы сера может частично участвовать в горении с выделением тепла.

Таблица 2.1

Физико-химический состав топлива

Основными составляющими минеральной части топлива, поступающего на электростанцию, являются как простые оксиды и соли, так и сложные вещества: – обводненные глинистые материалы (например, алюмосиликаты Al2O32SiO22H2O и… - кремнезем (кварц) SiO2;

Таблица 2.2

Тепловые реакции окисления химических элементов топлива

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Химический элемент топлива	Плотность веществ, кг/м 3	Реакция окисления	Удельная теплота	(объемная) сгорания
Для твердых тел, МДж/кг	Для жидкостей и газов, МДж/м 3
Углерод			33,91 4,4	-
Окись углерода	1,25	СО + 0,5О2 = СО2	10,11	12,6412,65
Водород	0,09		103,0	10,8
Сера			10,89	-
Сероводород	1,52		-	23,38 23,4
Метан	0,716		-	35,8235,85
Этан	1,342		-	63,75 63,8
Пропан	1,967		-	91,1 91,3
Бутан	2,593		-	118,45 118,7
Пентан	3,218		-	146,08 146,2
Этилен	1,25		-	59,07 59,1
Пропилен	1,877		-	85,86 86,1
Бутилен	2,503		-	113,5 113,6
Бензол	3,485		-	140,37 141,5

 

Таблица 2.3

Количественное содержание минеральной части топлива

в золе и шлаке [6]

Химический состав	Количество на безсульфатную массу, %
SiO2	25…66
Al2O3	10…41
FeO, Fe2O3	до 25
CaO	до 52
MgO	до 10
K2O, Na2O	до 5
TiO2	до 2,5

 

 

Рис. 2.1. Физико-химические преобразования твердого (а), жидкого и газообразного (б) топлива

2.5. Малые отходы продуктов горения твердого топлива

В твердом ископаемом топливе имеются практически все элементы периодической таблицы Д. И. Менделеева. К малым отходам [7] относятся химические элементы или соединения, содержание которых в сумме не превышает 1 % , а каждого в отдельности – сотые доли процента. Все малые элементы подразделяются на три основные группы:

1. Собственно малые элементы (10...1000 г/т сухого угля): бор, фтор, хлор, ванадий, хром, марганец, никель.

2. Редкие элементы (0,1...10 г/т сухого угля): литий, бериллий, скандий, кобальт, германий, галлий, селен, стронций, бром, рубидий, иттрий, ниобий, молибден, кадмий, олово, сурьма, йод, цезий, лантан, вольфрам, висмут, уран, иттербий.

3. Ультраредкие элементы (меньше 0,1 г/т сухого угля): серебро, золото, индий, рений, ртуть, иридий, платина и др.

Такая классификация чисто условна, так как реальное содержание малых элементов от средних величин может отличаться в десятки и тысячи раз, даже в образцах одного и того же месторождения. Некоторые малые элементы могут быть как промышленно ценные, так и токсичные, причем одни и те же элементы в химических соединениях могут быть и теми и другими одновременно. Содержание малых отходов в топливе, при котором оно приобретает промышленную ценность или экологическую опасность, зависит от ряда причин. На рис. 2.2 показана классификация малых отходов, откуда видно, что эти элементы при термической обработке могут быть газообразными с восстановительной и окислительной средами, конденсирующимися и неконденсирующимися осадками при температурах до 100 ⁰С.

Токсичные малые элементы содержатся еще в породе, поэтому предварительное обогащение твердого топлива позволяет частично избавиться от таких примесей как фтор, ртуть, хром, марганец, цинк, свинец и др. Примерное количество i - го малого элемента, переходящего в газовую фазу при температуре Т и его исходной концентрации С_n, в перерабатываемом топливе определяется по уравнению

,

где V₀ – объем газов, ;

p_i – парциальное давление газообразной фазы;

m_i – молекулярная масса

Улавливание уносов золы, обогащенных ценными малыми элементами, наиболее целесообразно осуществлять сухим способом. При использовании мокрых золоуловителей может происходить частичное выщелачивание малых элементов, что осложняет дальнейшую его переработку и может превращать их в опасные химические растворы. Улавливание соединений малых элементов, конденсирующихся при t ниже , более сложно и возможно с применением твердых сорбентов. Концентрация малых элементов в золе и шлаке во многом зависит от

типа топочного устройства.

 

Рис. 2.2. Классификация малых элементов

 

Вредные отходы тепловых электростанций – продукт

При сжигании твердого топлива в пылевидном состоянии, образующих минеральную часть продуктов сгорания, часть вредных отходов () улавливается в… Свойства летучей золы и шлака топлива сильно зависят от условий топочного… Часть золы и шлака остается в топке котлов в виде отложений (рыхлых или твердых), налипающих на трубы поверхностей…

Химический состав шламовых отходов

Систем химводоочисток ТЭС

Вода на ТЭС, используемая в системах водоподготовки при промывке оборудования и для гидротранспорта отходов золы и шлака, образует загрязняющие… Золовые частицы минеральной части топлива, удаляемые через дымовые трубы… Все отработавшие газообразные продукты сгорания топлива можно разбить на шесть групп:

Рис. 2.3. Схема термического обезвреживания твердых отходов на тепловых электростанциях

 

Технологическая схема обработки шлака и золы на ТЭС     Технологическая схема приготовления натурального щебня   Технологическая схема приготовления шлакощебня из отходов ТЭС

Рис. 2.4. Технологические схемы производства щебня

 

Рис. 2.5. Технологическая схема установки производства шлакощебня:1 – бункер известняка (доломита); 2 – бункер золы (шлака);

3 – дробилки;4 – шнековые питатели; 5 – бункер смеситель; 6 – устройство загрузки; 7 – бункер загрузки; 8 – варочная печь;

9 – валки формирования ленты; 10 – дымосос; 11 – выход к дымовой трубе; 12 – кристаллизатор; 13 – вентилятор;

14 – воздух для охлаждения; 15 – запыленного воздуха; 16 – обламыватель; 17 – бункер накопления продукции; 18 – рольганг

Затраты на энергоснабжение установки по производству 1 т. шлакощебня при такой схеме приводятся в табл. 2.5

Производство шлакощебня из золошлаковых захоронений ТЭС дает хорошие экономические преимущества, если оно происходит в непосредственной близости от золоотвалов ТЭС и от потребителя этой продукции, поскольку уменьшаются транспортные расходы на перевозку, как сырья, так и готовой продукции. Так как данное предприятие выпускает продукцию, способствующую экологической чистоте производства и улучшению состояния окружающей среды, то по действующему законодательству оно освобождается от налогов на прибыль, что сулит ему дополнительные выгоды.

 

Таблица 2.5

Затраты на энергоснабжение при расплавлении 1т шлакощебня

Величина	Формула	Значение
Теплоемкость шлака, кДж/(кг град)	С	0.9…1.2
Разность температур,		1500…1600
Количество тепла, необходимого для расплавления 1кг шлака, кДж/кг		22100…22200
Теплота сгорания топлива (Ставропольский газ), кДж/
Расход газа на расплавление 1т шлака, тыс./т		0.6

 

Себестоимость производимого шлакощебня можно уменьшить, если термическую обработку отходов ТЭС без дополнительных затрат проводить в котельных установках [14], совмещая этот процесс с технологией производства пара и электроэнергии. В этом случае ТЭС превращается в многопрофильное предприятие с одновременным выпуском нескольких видов различной продукции. Это потребует разработки и использования более сложных схем планирования и регулирования в снабжении потребителей электроэнергией, теплом и изделиями строительного и культурно-бытового назначения, особенно в маневренных режимах. Электроэнергия и тепло не могут аккумулироваться, поэтому ТЭС должны обеспечивать потребителя этими видами продукции без ограничений, а планирование выпуска строительных материалов и другой возможной продукции проводить с учетом среднегодового количества выбросов золы и шлака. Как известно [15], производство электроэнергии и пара в зимнее и осенне-весеннее время увеличивается, а значит, возрастает расход топлива и золошлаковых отходов. Потребление строительных материалов в это время наоборот снижается. Таким образом, на электростанциях необходимо предусматривать возможность сезонного накопления стройматериалов и другой продукции.

Технико-экономические показатели тепловых электростанций в основном оцениваются только по отпуску электроэнергии и тепла потребителям. Существующая система штрафов за выбросы и накопление отходов в настоящее время не стимулирует освоение безотходных технологий и развитие многоцелевого производства на ТЭС. В лучшем случае удается найти сбыт отходов за бесценок (например, цементным заводам). Однако этот процесс носит чаще случайный характер. Для электростанций должна существовать эффективная система экономических выгод? способствующих развитию побочных производств по разработке и использованию отходов.

 

2.8. Обоснованность использования твердых отходов топлива

 

В настоящее время из рабочей массы твердого топлива используется только 45…70 % (это горючие составляющие) для производства тепла и электроэнергии. Остальная часть топлива (30…55 %) проходит через технологические операции “мертвым” балластом, увеличивая долю тепла и электроэнергии, затрачиваемую на собственные нужды. При этом ухудшается экономичность электростанций, увеличиваются затраты на топливо и транспорт, так как разрабатывается только одна ветвь технологической схемы термического обезвреживания твердых отходов ТЭС (см. рис.2.4). Производство материалов строительного, культурно-бытового и других назначений из отходов ТЭС позволяет существенно компенсировать затраты на топливо и транспорт, повысить экономичность энергопроизводства и снизить тарифы на электроэнергию и тепло.

Рациональность использования твердых отходов топлива на ТЭС решается исходя из суммарных текущих затрат на производство электроэнергии и побочной продукции. Суммарные годовые затраты при использовании зольного твердого топлива на ТЭС определяются по уравнению

(2.1)

где – суммарные годовые затраты на производство электроэнергии и продукции из отходов ТЭС, руб./г;

– годовые затраты при производстве электроэнергии на зарплату, амортизацию оборудования, собственные нужды, ремонт, накладные расходы соответственно, руб./г;

– такие же статьи годовых затрат при производстве различной побочной продукции (например, шлакощебня, шлакоситалов и др.) из отходов ТЭС, руб./г;

– годовые затраты на покупку топлива и штрафные санкции за выбросы отходов, руб./г.

С другой стороны, годовые затраты на производство электроэнергии могут быть определены уравнением

,

где – себестоимость производства электроэнергии, руб./квт.ч;

В –расход топлива при производстве электроэнергии, кг/с;

– теплота сгорания топлива, кДж/кг;

– КПД энергоустановки при производстве электроэнергии;

– число часов работы энергоустановки в году, ч.

Годовые затраты при производстве побочной продукции из твердых отходов ТЭС рассчитываются по формуле

,

где А^р – рабочая зольность топлива, %;

– себестоимость различной продукции (шлакощебня, шлакоситалов, кирпича и т.д.) производимой из отходов ТЭС, руб./т;

– доля отдельных видов продукции (шлакощебня, шлакоситалов, кирпича и т.д.), производимых из отходов ТЭС;

– КПД установок по производству i-й продукции из отходов ТЭС.

После подстановок и преобразований уравнение (2.1) можно представить в следующем виде:

=, (2.2)

где j – индекс, определяющий статьи расхода годовых затрат (на зарплату, амортизацию и др.).

Уравнение (2.2) дает возможность определить зольность топлива, при которой становится экономически выгодным использование твердых отходов продуктов сгорания топлива на ТЭС для производства различной продукции из них. На рис.2.6 графически показана зависимость при работе ТЭС на топливе с теплотой сгорания 16800_кДж/кг и долями затрат на топливо в общих годовых затратах на производство электроэнергии 50…80 %.

 

Рис. 2.6. Зависимость А^Р = fпри различной себестоимости

производства электроэнергии

 

 

Принято, что себестоимость производства электроэнергии составляет 0,3 руб./кВт, а продукции из отходов топлива – 100 руб./т (по уровню цен 1999 г.); КПД энергоустановки – 40 % и установок по производству побочной продукции – 80 %, стоимость топлива 300 руб./т. В расчетах штрафы за выбросы отходов приняты равными нулю.

Здесь .

Таким образом, при относительной доле затрат на производство побочной продукции из отходов ТЭС =1,1…1,3 зольность топлива, при которой становится выгодным производство продукции из золы и шлака, составляет 10…40 %. С учетом штрафов за выбросы отходов ТЭС эта величина станет еще меньше.