Горение жидкого и твердого топлива. Основные особенности процессов сгорания топлива

К твердому топливу относятся древесина, торф и каменный уголь. Процесс сгорания всех видов твердого топлива обладает сходными особенностями.

Топливо нужно размещать на колосниковой решетке печи слоями, соблюдая циклы сжигания - такие, как загрузка, подсушка, разогрев слоя, горение с выделе­нием летучих веществ, догорание остатков и удаление шлаков.

Каждая стадия сжигания топлива характери­зуется определенными показателями, которые оказы­вают влияние на тепловой режим печи.

В самом начале подсушки и разогрева слоя тепло не выделяется, а, наоборот, поглощается от разогретых стен топливника и несгоревших остатков. По мере то­го как топливо разогревается, начинают выделяться газообразные горючие компоненты, сгорающие в га­зовом объеме печи. Постепенно тепла выделяется все больше, и своего максимума этот процесс достигает при сгорании коксовой основы топлива.

Процесс горения топлива определяется его качест­вами: зольностью, влажностью, а также содержанием углерода и летучих горючих веществ. Кроме того, име­ет значение правильный выбор конструкции печи и режимов горения топлива. Так, при сжигании влаж­ного топлива затрачивается значительное количество тепла на ее испарение, из-за чего процесс горения за­тягивается, температура в топливнике повышается очень медленно или даже снижается (в начале горе­ния). Повышенная зольность также способствует за­медлению процесса горения. Из-за того что зольная масса обволакивает горючие компоненты, она ограни­чивает доступ кислорода в зону горения и, как след­ствие, топливо может сгорать не полностью, так что повышается образование механического недожога.

Цикл интенсивного горения топлива зависит от его химического состава, то есть соотношения между летучими газообразными компонентами и твердым уг­леродом. Сначала начинают сгорать летучие компо­ненты, выделение и воспламенение которых происхо­дит при сравнительно низких температурах (150-200° С). Этот процесс может продолжаться довольно долго, потому что летучих веществ, различных по своему хи­мическому составу и температуре воспламенения, очень много. Все они сгорают в надслоевом газовом объеме топливника.

Наибольшей температурой горения обладают оста­ющиеся после выделения летучих веществ твердые компоненты топлива. Как правило, их основу состав­ляет углерод. Температура их горения составляет 650-700° С. Твердые компоненты сгорают в тонком слое, расположенном над колосниковой решеткой. Этот процесс сопровождается выделением большого количества тепла.

Из всех видов твердого топлива самым популяр­ным являются дрова. В них содержится большое коли­чество летучих веществ. С точки зрения теплоотдачи лучшей считается древесина березы и лиственницы. После сгорания березовых дров выделяется много теп­ла и образуется минимальное количество угарного га­за. Дрова из лиственницы также выделяют много теп­ла; при их горении массив печи нагревается очень быстро, а значит, и расходуются они более экономич­но, чем березовые. Но вместе с тем после сгорания дров из лиственницы выделяется большое количество угарного газа, поэтому необходимо внимательно отно­ситься к манипуляциям с воздушной заслонкой. Мно­го тепла также выделяют дубовые и буковые дрова. В целом использование тех или иных дров зависит от наличия поблизости лесного массива. Главное, чтобы дрова были сухими, а чурки имели одинаковые раз­меры.

Каковы же особенности горения дров? В начале процесса температура в топливнике и газоходах быст­ро нарастает. Максимальное ее значение достигается в стадии интенсивного горения. При догорании про­исходит резкое снижение температуры. Для поддержа­ния процесса горения необходим постоянный доступ в топку определенного количества воздуха. В кон­струкции бытовых печей не предусматривается нали­чие специальной аппаратуры, которая регулирует по­ступление воздуха в зону горения. Для этой цели используется поддувальная дверка. Если она открыта, в топку поступает постоянное количество воздуха.

В печах с периодической загрузкой потребность в воздухе меняется в зависимости от стадии горения. Когда происходит интенсивное выделение летучих веществ, кислорода обычно не хватает, поэтому воз­можен так называемый химический недожог топлива и выделенных им горючих газов. Это явление сопро­вождается потерями теплоты, которые могут дости­гать 3-5%.

На стадии дожигания остатков наблюда­ется обратная картина. Из-за переизбытка воздуха в печи увеличивается газообмен, что приводит к зна­чительному повышению потерь тепла. Согласно ис­следованиям, вместе с уходящими газами в период дожигания теряется до 25-30% тепла. Кроме того, из-за химического недожога на внутренних стенках топливника и газоходов оседают летучие вещества. Они обладают низкой теплопроводностью, поэтому полезная теплоотдача печи снижается. Большое ко­личество сажистых веществ приводит к сужению ды­мохода и ухудшению тяги. Чрезмерное скопление са­жи может также стать причиной возникновения пожара.

Сходным с дровами химическим составом облада­ет торф, который представляет собой остатки пере­гнивших растительных веществ. В зависимости от способа добычи торф может быть резным, кусковым, прессованным (в брикетах) и фрезерным (торфяная крошка). Влажность этого вида твердого топлива со­ставляет 25-40%.

Наряду с дровами и торфом, для топки печей и ка­минов зачастую применяется уголь, который по свое­му химическому составу представляет собой соедине­ние углерода и водорода и обладает высокой теплотворной способностью. Однако не всегда удает­ся приобрести действительно качественный уголь. В большинстве случаев качество этого вида топлива оставляет желать лучшего. Повышенное содержание в угле мелких фракций приводит к уплотнению топ­ливного слоя, в результате чего начинается так назы­ваемое кратерное горение, носящее неравномерный характер. При сжигании крупных кусков уголь также сгорает неравномерно, а при чрезмерной влажности топлива значительно снижается удельная теплота го­рения. К тому же такой уголь в зимний период слож­но хранить, потому что под воздействием минусовых температур уголь смерзается. Во избежание подобных и других неприятностей оптимальная влажность угля должна составлять не более 8%.

Следует иметь в виду, что использование для топки бытовых печей твердого топлива - дело достаточно хлопотное, особенно если дом большой и обогревает­ся несколькими печами. Помимо того что на заготов­ку уходит много сил и материальных средств и боль­шое количество времени затрачивается на подноску дров и угля к печам, около 2 кг угля, к примеру, вы­сыпается в поддувало, из которого удаляется и выбра­сывается вместе со скапливающимся там пеплом.

Для того чтобы процесс сжигания твердого топли­ва в бытовых печах проходил с наибольшей эффектив­ностью, рекомендуется поступать следующим обра­зом. Загрузив в топливник дрова, нужно дать им разгореться, а затем засыпать большими кусками угля.

После разгорания угля его следует засыпать более мелкой фракцией с увлажненным шлаком, а через некоторое время сверху поместить смоченную смесь пепла и мелкого угля, выпавшего через колоснико­вую решетку в поддувало. При этом огня не должно быть видно. Затопленная таким образом печь спо­собна в течение целых суток отдавать тепло в поме­щение, так что хозяевам можно спокойно занимать­ся делами, не заботясь о постоянном поддержании огня. Боковые стенки печи будут горячими благода­ря постепенному сгоранию угля, равномерно отдаю­щему свою тепловую энергию. Верхний слой, состо­ящий из мелкого угля, выгорит полностью. Разгоревшийся уголь можно также присыпать сверху слоем предварительно увлажненных отходов уголь­ных брикетов.

После топки печи нужно взять ведро с крышкой, лучше, если оно будет прямоугольной формы (из не­го удобнее выбирать уголь с помощью совка). Сначала нужно убрать из топливника слой шлака и выбросить его, затем ссыпать в ведро смесь мелкого угля с пеп­лом, а также пережог и пепел и все это увлажнить, не перемешивая. Поверх полученной смеси уложить около 1,5 кг мелкого угля, на него - 3-5 кг более круп­ного. Таким образом производится одновременная под­готовка печи и топлива к следующему разжиганию. Описанную процедуру необходимо повторять постоян­но. Используя такой метод топки печи, не придется каждый раз выходить во двор, чтобы просеять пепел и пережог.

Горючие газы и пары смол (так на­зываемые летучие), выделяющиеся при термическом разложении натурального твердого топлива в процессе его нагрева­ния, смешиваясь с окислителем (возду­хом), при высокой температуре сгорают достаточно интенсивно, как обычное га­зообразное топливо. Поэтому сжигание топлив с большим выходом летучих (дро­ва, торф, сланец) не вызывает затрудне­ний, если, конечно, содержание балласта в них (влажность плюс зольность) не настолько велико, чтобы стать препят­ствием для получения нужной для горе­ния температуры.

Время сгорания топлив со средним (бурые и каменные угли) и небольшим (тощие угли и антрациты) выходом лету­чих практически определяется скоростью реакции на поверхности коксового остат­ка, образующегося после выделения ле­тучих. Сгорание этого остатка обеспечи­вает и выделение основного количества теплоты.

Реакция, протекающая на поверхно­сти раздела двух фаз (в данном случае на поверхности коксового кусочка) на­зывается гетерогенной. Она состо­ит по крайней мере из двух последова­тельных процессов: диффузии кислорода к поверхности и его химической реакции с топливом (почти чистым углеродом, оставшимся после выхода летучих) на поверхности. Увеличиваясь по закону Аррениуса, скорость химической реакции при высокой температуре становится столь большой, что весь кислород, подводимый к поверхности, немедленно вступает в реакцию. В результате ско­рость горения оказывается зависящей только от интенсивности доставки кисло­рода к поверхности горящей частицы пу­тем массообмена и диффузии. На нее практически перестают влиять как тем­пература процесса, так и реакционные свойства коксового остатка. Такой ре­жим гетерогенной реакции называется диффузионным. Интенсифициро­вать горение в этом режиме можно толь­ко путем интенсификации подвода реа­гента к поверхности топливной частицы. В разных топках это достигается различ­ными методами.

Слоевые топки. Твердое топливо, за­груженное слоем определенной толщины на распределительную решетку, поджи­гается и продувается (чаще всего снизу вверх) воздухом (рис. 28, а). Фильтру­ясь между кусочками топлива, он теряет кислород и обогащается оксидами (СО 2 , СО) углерода вследствие горения угля, восстановления углем водяного пара и диоксида углерода.

Рис. 28. Схемы организации топочных процессов:

а - в плотном слое; б - в пылевидном состоянии; _в - в циклонной топке;

г - в кипящем слое; В - воздух; Т, В - топливо, воздух; ЖШ - жидкий шлак

Зона, в пределах которой практиче­ски полностью исчезает кислород, назы­вается кислородной; ее высота со­ставляет два-три диаметра кусков топли­ва. В выходящих из нее газах со­держатся не только СО 2 , Н 2 О и N 2 , но и горючие газы СО и Н 2 , образовавшиеся как из-за восстановления СО 2 и Н 2 О уг­лем, так и из выделяющихся из угля летучих. Если высота слоя больше, чем кислородной зоны, то за кислородной следует восстановительная зо­на, в которой идут только реакции СО 2 + С = 2СО и Н 2 О + С = СО + Н 2 . В ре­зультате концентрация выходящих из слоя горючих газов увеличивается по мере увеличения его высоты.

В слоевых топках высоту слоя стара­ются держать равной высоте кислород­ной зоны или большей ее. Для дожига­ния продуктов неполного сгорания (Н 2 , СО), выходящих из слоя, а также для дожигания выносимой из него пыли в то­почный объем над слоем подают допол­нительный воздух.

Количество сгоревшего топлива про­порционально количеству поданного воз­духа, однако увеличение скорости воз­духа сверх определенного предела нару­шает устойчивость плотного слоя, так как воздух, прорывающийся через слой в отдельных местах, образует кратеры. Поскольку в слой всегда загружается полидисперсное топливо, увеличивается вынос мелочи. Чем крупнее частицы, тем с большей скоростью можно продувать воздух через слой без нарушения его устойчивости. Если принять для грубых оценок теплоту «сгорания» 1 м 3 воздуха в нормальных условиях при α в =1 рав­ной 3,8 МДж и понимать под w н при­веденный к нормальным условиям расход воздуха на единицу площади решетки (м/с), то теплонапряжение зеркала го­рения (МВт/м 2) составит

q R = 3,8W н / α в (105)

Топочные устройст­ва для слоевого сжигания классифици­руют в зависимости от способа подачи, перемещения и шуровки слоя топлива на колосниковой решетке. В немеханизированных топках, в кото­рых все три операции осуществляют вручную, можно сжигать не более 300 - 400 кг/ч угля. Наибольшее распростра­нение в промышленности получили пол­ностью механизированные слоевые топ­ки с пневмомеханическими забрасывателями и цепной решеткой об­ратного хода (рис. 29). Их особен­ность - горение топлива на непрерывно движущейся со скоростью 1 -15 м/ч колосниковой решетке, сконструированной в виде полотна транспортерной ленты имеющей, привод от электродвигателя. Полотно решетки состоит из отдельных колосниковых элементов, закрепленных на бесконечных шарнирных цепях, при водимых в движение «звездочками». Необходимый для горения воздух подводится под решетку через зазоры между элементами колосников.

Рис. 29. Схема топки с пневмомеханическим забрасывателем и цепной решеткой обратного хода:

1 - полотно колосниковой решетки; 2 - приводные «звездочки»; 3 - слой топлива и шлака; 4 – 5 - ротор забрасывателя; 6 - ленточный питатель; 7 - топливный бункер; 8 - топочный объем; 9 - экранные трубы; 10 - 11 - обмуровка топки; 12 - заднее уплотнение; 13 - окна для подвода воздуха под слой

Факельные топки . В прошлом веке для сжигания в слоевых топках (а дру­гих тогда не было) использовали только уголь, не содержащий мелочи (обычно фракцию 6 - 25 мм). Фракция мельче 6 мм - штыб (от немецкого staub - пыль) являлась отходом. В начале этого века для ее сжигания был разработан пылевидный способ, при котором угли измельчали до 0,1 мм, а трудносжигае­мые антрациты - еще мельче. Такие пы­линки увлекаются потоком газа, относи­тельная скорость между ними очень ма­ла. Но и время их сгорания чрезвычайно мало - секунды и доли секунд. Поэтому при вертикальной скорости газа менее 10 м/с и достаточной высоте топки (де­сятки метров в современных котлах) пыль успевает полностью сгореть на лету в процессе движения вместе с газом от горелки до выхода из топки.

Этот принцип и положен в основу факельных (камерных) топок, в которые тонко размолотая горючая пыль вдувается через горелки вместе с необходимым для горения воздухом (см. рис. 28, б) аналогично тому, как сжигаются газообразные или жидкие топлива. Таким образом, камерные топки пригодны для сжигания любых топлив, что является большим их преимуществом перед слоевыми. Второе преимущест­во - возможность создания топки на любую практически сколь угодно боль­шую мощность. Поэтому камерные топки занимают сейчас в энергетике доминиру­ющее положение. В то же время пыль не удается устойчиво сжигать в маленьких топках, особенно при переменных режи­мах работы, поэтому пылеугольные топки с тепловой мощностью менее 20 МВт не делают.

Топливо измельчается в мельничных устройствах и вдувается в топочную ка­меру через пылеугольные горелки. Транспортирующий воздух, вдувае­мый вместе с пылью, называется пер­вичным.

При камерном сжигании твердых топлив в виде пыли летучие вещества, выделяясь в процессе ее прогрева, сгора­ют в факеле как газообразное топливо, что способствует разогреву твердых частиц до температуры воспламенения и облегчает стабилизацию факела. Коли­чество первичного воздуха должно быть достаточным для сжигания летучих. Оно составляет от 15 - 25 % всего количества воздуха для углей с малым выходом ле­тучих (например, антрацитов) до 20 - 55 % для топлив с большим их выходом (бурых углей). Остальной необходимый для горения воздух (его называют вто­ричным) подают в топку отдельно и перемешивают с пылью уже в процессе горения.

Для того чтобы пыль загорелась, ее нужно сначала нагреть до достаточно высокой температуры. Вместе с нею, естественно, приходится нагревать и транспортирующий ее (т. е. первич­ный) воздух. Это удается сделать только путем подмешивания к потоку пылевзвеси раскаленных продуктов сгорания.

Хорошую организацию сжигания твердых топлив (особенно трудносжига­емых, с малым выходом летучих) обеспечивает использование так называемых улиточных горелок (рис. 30).

Рис. 30. Прямоточно-улиточная горелка для твердого пылевидного топлива: В - воздух; Т, В - топливо, воздух

Угольная пыль с первичным воздухом подается в них через центральную трубу и благо­даря наличию рассекателя выходит в топку в виде тонкой кольцевой струи. Вторичный воздух подается через «улит­ку», сильно закручивается в ней и, вы­ходя в топку, создает мощный турбулент­ный закрученный факел, который обеспе­чивает подсос больших количеств раска­ленных газов из ядра факела к устью го­релки. Это ускоряет прогрев смеси топ­лива с первичным воздухом и ее вос­пламенение, т. е. создает хорошую стаби­лизацию факела. Вторичный воздух хо­рошо перемешивается с уже воспламе­нившейся пылью благодаря сильной его турбулизации. Наиболее крупные пылин­ки догорают в процессе их полета в по­токе газов в пределах топочного объема.

При факельном сжигании угольной пыли в каждый момент времени в топке находится ничтожный запас топлива - не более нескольких десятков килограм­мов. Это делает факельный процесс весь­ма чувствительным к изменениям расхо­дов топлива и воздуха и позволяет при необходимости практически мгновенно изменять производительность топки, как при сжигании мазута или газа. Одновре­менно это повышает требования к на­дежности снабжения топки пылью, ибо малейший (в несколько секунд!) перерыв приведет к погасанию факела, что связа­но с опасностью взрыва при возобновле­нии подачи пыли. Поэтому в пылеугольных топках устанавливают, как правило, несколько горелок.

При пылевидном сжигании топлив в ядре факела, расположенном недалеко от устья горелки, развиваются высокие температуры (до 1400-1500 °С), при ко­торых зола становится жидкой или тестообразной. Налипание этой золы на стенки топки может привести к их за­растанию шлаком. Поэтому сжигание пылевидного топлива чаще всего приме­няют в котлах, где стены топки закрыты водоохлаждаемыми трубами (экрана­ми), около которых газ охлаждается и взвешенные в нем частицы золы успе­вают затвердеть до соприкосновения со стенкой. Пылевидное сжигание может применяться также в топках с жидким шлакоудалением, в которых стены по­крыты тонкой пленкой жидкого шлака и расплавленные частицы золы стекают в этой пленке.

Теплонапряжение объема в пылеугольных топках обычно составляет 150-175 кВт/м 3 , увеличиваясь в небольших топках до 250 кВт/м 3 . При хорошем пе­ремешивании воздуха с топливом прини­мается α в =1,2÷1,25; q мех = 0,5÷6 % (большие цифры - при сжигании ан­трацитов в небольших топках); q хим = 0 ÷1%.

В камерных топках удается после дополнительного размола сжигать отхо­ды углей, образующиеся при их обогаще­нии на коксохимических заводах (пром-продукт), коксовые отсевы и еще более мелкий коксовый шлам.

Циклонные топки. Специфический способ сжигания осуществлен в циклон­ных топках. В них ис­пользуют достаточно мелкие частицы уг­ля (обычно мельче 5 мм), а необходимый для горения воздух подают с огромными скоростями (до 100м/с) по касательной к образующей циклона. В топке создает­ся мощный вихрь, вовлекающий частицы в циркуляционное движение, в котором они интенсивно обдуваются потоком. В результате интенсивного горения в топке развиваются температуры, близ­кие к адиабатным (до 2000 °С). Зола угля плавится, жидкий шлак стекает по стенкам. По ряду причин от применения таких топок в энергетике отказались, и сейчас они используются в качестве технологических - для сжигания серы с целью получения SO 2 в производстве H 2 SO 4 , обжига руд и т. д. Иногда в циклонных топках осуществляют огневое обезвреживание сточных вод, т. е. выжи­гание содержащихся в них вредностей за счет подачи дополнительного (обычно газообразного или жидкого) топлива.

Топки с кипящим слоем. Устойчивое горение пылеугольного факела возможно только при высокой температуре в его ядре - не ниже 1300-1500 °С. При этих температурах начинает заметно окис­ляться азот воздуха по реакции N 2 + O 2 = 2NO. Определенное количество NO образуется и из азота, содержащего­ся в топливе. Оксид азота, выброшенный вместе с дымовыми газами в атмосферу, доокисляется в ней до высокотоксичного диоксида NO 2 . В СССР предельно до­пустимая концентрация NO 2 (ПДК), бе­зопасная для здоровья людей, в воздухе населенных пунктов составляет 0,085 мг/м 3 . Чтобы обеспечить ее, на крупных тепловых электростанциях при­ходится строить высоченные дымовые трубы, разбрасывающие дымовые газы на возможно большую площадь. Однако при сосредоточении большого количества станций недалеко друг от друга и это не спасает.

В ряде стран регламентируется не ПДК, а количество вредных выбросов на единицу теплоты, выделенной при сгора­нии топлива. Например, в США для крупных предприятий допускается вы­брос 28 мг оксидов азота на 1 МДж теп­лоты сгорания. В СССР нормы выбросов составляют для разных топлив от 125 до 480 мг/м 3 .

При сжигании топлив, содержащих серу, образуется токсичный SO 2 , дейст­вие которого на человека к тому же сум­мируется с действием NO 2 .

Эти выбросы служат причиной образования фотохи­мического смога и кислотных дождей, вредно влияющих не только на людей и животных, но и на растительность. В Западной Европе, например, от таких дождей погибает значительная часть хвойных лесов.

Если в золе топлива оксидов кальция и магния недостаточно для связывания всего SO 2 (обычно нужен двух- или трех­кратный его избыток по сравнению со стехиометрией реакции), к топли­ву подмешивают известняк СаСО 3 . Из­вестняк при температурах 850-950 °С интенсивно разлагается на СаО и СО 2 , а гипс CaSO 4 не разлагается, т. е. реак­ция справа налево не идет. Таким образом, токсичный SO 2 связывается до безвредного практически нерастворимого в воде гипса, который удаляется вместе с золой.

С другой стороны, в процессе дея­тельности человека образуется большое количество горючих отходов, которые не считаются топливом в общепринятом смысле: «хвосты» углеобогащения, отва­лы при добыче угля, многочисленные от­ходы целлюлозно-бумажной промышлен­ности и других отраслей народного хо­зяйства. Парадоксально, например, что «порода», которую около угольных шахт складывают в огромные терриконы, за­частую самовозгорается и длительное время загрязняет дымом и пылью окру­жающее пространство, но ни в слоевых, ни в камерных топках ее не удается сжечь из-за большого содержания золы. В слоевых топках зола, спекаясь при горении, препятствует проникновению кислорода к частицам горючего, в камер­ных не удается получить нужную для устойчивого горения в них высокую тем­пературу.

Возникшая перед человечеством на­стоятельная необходимость разработки безотходных технологий поставила во­прос о создании топочных устройств для сжигания таких материалов. Ими стали топки с кипящим слоем.

Псевдоожиженным (или кипящим) называется слой мелко­зернистого материала, продуваемый снизу вверх газом со скоростью, превы­шающей предел устойчивости плотного слоя, но недостаточной для выноса частиц из слоя. Интенсивная циркуляция частиц в ограниченном объеме камеры создает впечатление бурно кипящей жидкости, что и объясняет происхождения названия.

Физически продуваемый снизу плот­ный слой частиц теряет устойчивость по­тому, что сопротивление фильтрующе­муся сквозь него газу становится рав­ным весу столба материала на единицу площади поддерживающей решетки. По­скольку аэродинамическое сопротивле­ние есть сила, с которой газ действует на частицы (и соответственно по треть­ему закону Ньютона - частицы на газ), то при равенстве сопротивления и веса слоя частицы (если рассматривать иде­альный случай) опираются не на решет­ку, а на газ.

Средний размер частиц в топках с ки­пящим слоем обычно составляет 2-3 мм. Им соответствует рабочая скорость псев­доожижения (ее берут в 2-3 раза боль­ше, чем w к ) 1,5 ÷ 4 м/с. Это определяет в соответствии площадь газо­распределительной решетки при задан­ной тепловой мощности топки. Теплонап­ряжение объема q v принимают примерно таким же, как и для слоевых топок.

Простейшая топка с кипящим слоем (рис. 31) во многом напоминает слое­вую и имеет с ней много общих конструктивных элементов. Прин­ципиальное различие между ними за­ключается в том, что интенсивное пере­мешивание частиц обеспечивает постоянство температуры по всему объему кипящего слоя.

Рис. 31. Схема топки с кипящим слоем: 1 - выгрузка золы; 2 - подвод воздуха под слой; 3 - кипящий слой золы и топлива; 4 - подвод воздуха к забрасывателю; 5 - ротор забрасывателя; 6 - ленточный питатель; 7 - топливный бункер; 8 - топоч­ный объем; 9 - экранные трубы; 10 - острое дутье и возврат уноса; 11- обмуровка топки; 12 - тепло-воспринимающие трубы в кипящем слое; В - вода; П – пар.

Поддержание температуры кипящего слоя в необходимых пределах (850 - 950 °С) обеспечивается двумя различны­ми способами. В небольших промышлен­ных топках, сжигающих отходы или де­шевое топливо, в слой подают значитель­но больше воздуха, чем это необходимо для полного сжигания, устанавливая α в ≥ 2.

При том же количестве выделен­ной теплоты температура газов умень­шается по мере увеличения α в, ибо та же теплота тратится на нагрев большого количества газов.

В крупных энергетических агрегатах такой метод снижения температуры горе­ния неэкономичен, ибо «лишний» воздух, уходя из агрегата, уносит и теплоту, за­траченную на его нагрев (возрастают потери с уходящими газами - см. да­лее). Поэтому в топках с кипящим слоем крупных котлоагрегатов размещают тру­бы 9 и 12 с циркулирующим в них рабо­чим телом (водой или паром), восприни­мающим необходимое количество тепло­ты. Интенсивное «омывание» этих труб частицами обеспечивает высокий коэф­фициент теплоотдачи от слоя к трубам, что в некоторых случаях позволяет уменьшить металло­емкость котла по сравнению с традици­онным. Топливо устойчиво горит при его содержании в кипящем слое, составляю­щем 1 % и менее; остальные 99 % с лиш­ним - зола. Даже при столь неблагоп­риятных условиях интенсивное переме­шивание не позволяет зольным частицам блокировать горючие от доступа к ним кислорода (в отличие от плотного слоя). Концентрация горючих при этом оказы­вается одинаковой по всему объему ки­пящего слоя. Для удаления золы, вводи­мой с топливом, часть материала слоя непрерывно выводится из него в виде мелкозернистого шлака - чаще всего просто «сливается» через отверстия в по­дине, поскольку кипящий слой способен течь как жидкость.

Топки с циркуляционным кипящим слоем. В последнее время появились топ­ки второго поколения с так называемым циркуляционным кипящим слоем. За эти­ми топками устанавливают циклон, в ко­тором улавливаются все недогоревшие частицы и возвращаются обратно в топ­ку. Таким образом, частицы оказывают­ся «запертыми» в системе топка - цик­лон- топка до тех пор, пока не сгорят полностью. Эти топки имеют высокую экономичность, не уступающую камерно­му способу сжигания, при сохранении всех экологических преимуществ.

Топки с кипящим слоем широко ис­пользуются не только в энергетике, но и в других отраслях промышленности, например, для сжигания колчеданов с целью получения SО 2 , обжига различ­ных руд и их концентратов (цинковых, медных, никелевых, золотосодержащих) и т. д. (С точки зрения теории горения обжиг, например, цинковой руды по ре­акции 2ZnS+3O 2 = 2ZnO + 2SO 2 есть сгорание этого специфического «топли­ва», протекающее, как и все реакции горения, с выделением больших коли­честв теплоты.) Большое распростране­ние, особенно за рубежом, топки с кипя­щим слоем нашли для огневого обезвре­живания (т. е. сжигания) различных вредных отходов производства (твердых, жидких и газообразных) - шламов осветления сточных вод, мусора и т.д.

Тема 12. Печи химической промышленности. Принципиальная схема топливной печи. Классификация печей химической промышленности. Основные типы печей, особенности их конструкции. Тепловой баланс печей

Печи химической промышленности. Принципиальная схема топливной печи

Промышленная печь представляет собой энерготехнологический агрегат, предназначенный для термической обработки материалов с целью придания им необходимых свойств. Источником теплоты в топливных (пламенных) печах служат различные виды углеродного топлива (газ, мазут и др.). Современные печные установки часто представляют собой крупные механизированные и автоматизированные агрегаты высокой производительности.

Наибольшее значение для выбора технологического режима процесса имеет оптимальная температура технологического процесса, которая определяется термодинамическим и кинетическим расчетами процессов. Оптимальным температурным режимом процесса называют температурные условия, при которых обеспечивается максимальная производительность по целевому продукту в данной печи.

Обычно рабочая температура в печи несколько ниже оптимальной, она зависит от условий сжигания топлива, условий теплообмена, изоляционных свойств и стойкости футеровки печи, теплофизических свойств перерабатываемого материала и др. факторов. Например, для обжиговых печей рабочая температура находится в интервале между температурой активного протекания окислительных процессов и температурой спекания продуктов обжига. Под тепловым режимом печи понимают совокупность процессов инерции теплоты, теплоты массообмена и механики сред, обеспечивающих распределения теплоты в зоне технологического процесса. Тепловой режим зоны технологического процесса определяет тепловой режим всей печи.

На режим работы печей оказывает большое влияние состав газовой атмосферы в печи, необходимый для правильного протекания технологического процесса. Для окислительных процессов газовая среда в печи должна содержать кислород, количество которого колеблется от3 до 15% и больше. Для восстановительной среды характерно низкое содержание кислорода (до 1-2%) и присутствие восстанавливающих газов (СО, Н 2 и др.) 10-20% и больше. Состав газовой фазы определяет условия сжигания топлива в печи и зависит от количества воздуха, поступающего на горение.

Движение газов в печи оказывает существенное влияние на технологический процесс, на горение и теплопередачу, а в печах, «кипящего слоя» или вихревых печах движение газов является основным фактором устойчивой работы. Принудительное движение газов осуществляется дымососами и вентиляторами.

На скорость технологического процесса влияет движение материала, подвергающегося термообработке.

Схема печной установки включает следующие элементы: топочное устройство для сжигания топлива и организации теплообмена; рабочее пространство печи для выполнения целевого технологического режима; теплообменные устройства для регенерации теплоты дымовых газов (подогрев газа, воздуха); утилизационные установки (запечные котлы-утилизаторы) для использования теплоты уходящих газов; тяговое и дутьевое устройство (дымососы, вентиляторы) для удаления сгорания топлива и газообразных продуктов термической обработки материалов и подачи воздуха к горелкам, форсункам под колосники; очистительные устройства (фильтры и т.п.).

Здравствуйте! В зависимости от условий протекания процесса горения в реакцию может вступить большая или меньшая доля исходных веществ. Для полного использования химической энергии топлива необходимо реакции горения топлива доводить практически до конца. В условиях промышленного сжигания топлива равновесие реакций горения достигается редко ввиду малого количества времени протекания реакций горения.

Процесс горения жидкого и твердого топлива в теории горения называют гетерогенным горением, поскольку он протекает в неоднородной (гетерогенной) системе. Если же горит смесь газов, то горение называют гомогенным.

При горении жидкого топлива в топочной камере происходит испарение топлива с поверхности капель. Образующиеся пары топлива вследствие высокой температуры в топке подвергаются термическому разложению и быстро сгорают у поверхности частиц. В этих условиях скорость процесса горения определяется интенсивностью испарения топлива. С целью увеличения суммарной поверхности капель жидкое топливо при подаче в топочную камеру подвергается мелкодисперсному распыливанию с помощью форсунок (поверхность при этом возрастает в несколько тысяч раз). Неиспарившиеся из капельки тяжелые фракции подвергаются термическому разложению (крекингу), в результате чего образуется дисперсный углерод, придающий свечение пламени.

Процесс горения твердого топлива можно разделить на две стадии. После испарения из топлива влаги происходит горение летучих веществ, которые выделяются в результате термического разложения топлива. Затем начинается горение твердого остатка (кокса). При очень быстром нагревании топлива обе стадии накладываются друг на друга, так как часть летучих веществ сгорает вместе с углеродом кокса.

Кокс частично подвергается газификации, и образующиеся газообразные продукты, состоящие в основном из окиси углерода СО, сгорают в топочном пространстве. Горение твердой частицы топлива происходит не только с ее поверхности, но и в объеме вследствие проникновения кислорода в поры. При этом на поверхности частицы образуется пограничный (ламинарный) слой газа, в котором уменьшается содержание кислорода и увеличивается содержание продуктов газификации и горения (СО и СО2). Этот пограничный слой газа препятствует подводу кислорода, и скорость реакции горения будет зависеть от скорости диффузии окислителя через пограничный слой. Для увеличения интенсивности горения увеличивают скорость окислителя (воздуха) относительно поверхности частиц топлива, что уменьшает толщину пограничного слоя.

На процесс горения топлива значительно влияют также минеральные примеси (зольность). По мере выгорания углерода на поверхности частиц топлива образуется слой золы. При низкой температуре размягчения золы и высоком содержании ее этот слой обволакивает (шлакует) частицы топлива и ухудшает процесс горения. Для удаления золового нароста при слоевом сжигании топлива производят шуровку, то есть рыхление слоя топлива.

В мощных современных котлах твердое топливо сжигается во взвешенном состоянии. Куски топлива предварительно размалываются в специальных мельницах, что увеличивает их удельную поверхность в несколько сот раз. Смесь топливной пыли и воздуха подается в топочную камеру, где топливо воспламеняется и сгорает в газовоздушном потоке. Горение топлива также протекает в две стадии, однако время сгорания частицы топлива при этом значительно уменьшается. Такой способ сжигания позволяет интенсифицировать процесс горения, а также полностью механизировать все производственные операции. Исп. литература: 1) Хзмалян Д.М., Каган Я.А. Теория горения и топочные устройства, Москва, «Энергия», 1976; 2)Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,"Вышейшая школа", 1976.

Горение твердого топлива, неподвижно лежащего на колосниковой решетке, при верхней загрузке топлива показана на рис. 6.2.

В верхней части слоя после загрузки находится свежее топливо. Под ним располагается горящий кокс, а непосредственно над решеткой - шлак. Указанные зоны слоя частично перекрывают друг друга. По мере выгорания топливо постепенно проходит все зоны. В первый период после поступления свежего топлива на горящий кокс происходит его тепловая подготовка (прогрев, испарение влаги, выделение летучих), на что затрачивается часть выделяющейся в слое теплоты. На рис. 6.2 показано примерное горение твердого топлива и распределение температуры по высоте слоя топлива. Область наиболее высокой температуры располагается в зоне горения кокса, где выделяется основное количество теплоты.

Образующийся при горении топлива шлак капельками стекает с раскаленных кусочков кокса навстречу воздуху. Постепенно шлак охлаждается и уже в твердом состоянии достигает колосниковой решетки, откуда он удаляется. Шлак, лежащий на решетке, защищает ее от перегрева, подогревает и равномерно распределяет воздух по слою. Воздух, проходящий через решетку и поступающий в слой топлива, называют первичным. Если первичного воздуха для полного горения топлива не хватает и над слоем имеются продукты неполного горения, то дополнительно подают воздух в надслойное пространство. Такой воздух называют вторичным.

При верхней подаче топлива на решетку осуществляются нижнее воспламенение топлива и встречное движение газовоздушного и топливного потоков. При этом обеспечиваются эффективное зажигание топлива и благоприятные гидродинамические условия его горения. Первичные химические реакции между топливом и окислителем происходят в зоне раскаленного кокса. Характер газообразования в слое горящего топлива показан на рис. 6.3.

В начале слоя, в кислородной зоне (К),в которой происходит интенсивное расходование кислорода, одновременно образуется оксид и диоксид углерода СО 2 и СО. К концу кислородной зоны концентрация О 2 снижается до 1- 2 %, а концентрация СО 2 достигает своего максимума. Температура слоя в кислородной зоне резко возрастает, имея максимум там, где устанавливается наибольшая концентрация СО 2 .

В восстановительной зоне (В) кислород практически отсутствует. Диоксид углерода взаимодействует с раскаленным углеродом с образованием оксида углерода:

По высоте восстановительной зоны содержание СО 2 в газе уменьшается, а СО - соответственно увеличивается. Реакция взаимодействия диоксида углерода с углеродом эндотермическая, поэтому температура по высоте восстановительной зоны падает. При наличии в газах водяных паров в восстановительной зоне возможна также эндотермическая реакция разложения Н 2 О.

Соотношение количеств получающихся в начальном участке кислородной зоны СО и СО 2 зависит от температуры и изменяется согласно выражению

где Е со и E СO2 - энергии активации образования соответственно СО и СО 2 ; А - численный коэффициент; R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура.
Температура слоя в свою очередь зависит от концентрации окислителя, а также от степени подогрева воздуха.В восстановительной зоне горение твердого топлива и температурный фактор также имеет решающее влияние на соотношение между СО и СО 2 . С повышением температуры реакции СО 2 +С=Р 2 СО смещается вправо и содержание оксида углерода в газах повышается.
Толщины кислородной и восстановительной зон зависят в основном от типа и размера кусков горящего топлива и температурного режима. С увеличением крупности топлива толщина зон увеличивается. Установлено, что толщина кислородной зоны составляет примерно три-четыре диаметра горящих частиц. Восстановительная зона толще кислородной в 4-6 раз.

Увеличение интенсивности дутья на толщину зон практически не влияет. Это объясняется тем, что скорость химической реакции в слое значительно выше скорости смесеобразования и весь поступающий кислород мгновенно реагирует с первыми же рядами частиц раскаленного топлива. Наличие кислородной и восстановительной зон в слое характерно для горения как углерода, так и натуральных топлив (рис. 6.3). С увеличением реакционной способности топлива, а также при уменьшении его зольности толщина зон сокращается.

Характер газообразования в слое топлива показывает, что в зависимости от организации горения на выходе из слоя могут быть получены или практически инертные или горючие и инертные газы. Если целью является максимальное превращение теплоты топлива в физическую теплоту газов, то процесс следует проводить в тонком слое топлива с избытком окислителя. Если же задачей является получение горючих газов (газификация), то процесс проводят с развитым по высоте слоем при недостатке окислителя.

Сжигание топлива в топке котла соответствует первому случаю. И горение твердого топлива организуют в тонком слое, обеспечивающем максимальное течение окислительных реакций. Так как толщина кислородной зоны зависит от крупности топлива, то чем больше размер кусков, тем более толстым должен быть слой. Так, при сжигании в слое мелочи бурых и каменных углей (крупностью до 20 мм) толщину слоя поддерживают около 50 мм. При тех же углях, но кусками размером более 30 мм толщину слоя увеличивают до 200мм. Необходимая толщина слоя топлива зависит также и от его влажности. Чем больше влажность топлива, тем больше должен быть запас горящей массы в слое, чтобы обеспечить устойчивое воспламенение и горение свежей порции топлива.

Во время процесса впуска в камеру сгорания поступает свежий заряд топливной смеси, и начинается его перемешивание с находя­щимися там остаточными газами. Процесс перемешивания про­должается и во время такта сжатия, когда после появления искры на электродах свечи зажигания начинается процесс горения. В результате появления искры образуется некоторый объем плазмы и формируется ядро пламени, которое может распростра­няться в несгоревшем заряде топливной смеси. Процесс воспламенения и начальный этап горения, на котором формируется ядро пламени, определяются в основном химическими реакциями и свойствами топливной смеси. Причем начальный этап горения более чувствителен к характеристикам потоков горящих газов в зоне горения и около нее. Когда ядро пламени становится до­статочно большим, оно постепенно преобразуется в развитое распространяющееся пламя. Процесс распространения пламени обычно определяется законами механики жидкости и газа; в за­висимости от характеристик потока газа и состава заряда топлив­ной смеси существенное значение на этом этапе могут иметь и химические явления. В конце концов пламя охватывает почти всю смесь, а на заключительной стадии процесса сгорания около стенок оно медленно затухает и гасится в результате теплоотвода в стенки. Процесс догорания несгоревших газов после гашения пламени является диффузионным процессом.

Весь процесс горения является неустановившимся процессом, но, исходя из приведенного выше краткого описания, его в соот­ветствии с развитием зоны горения можно разделить на следу­ющие этапы:

1. воспламенение;

2. формирование пламени;

3. распространение пламени;

4. гашение пламени.

Это деление пригодно для нормально происходящих процессов сгорания при отсутствии таких явлений, как пропуски зажигания, неполное сгорание или детонация. Указанные явления нарушают нормальный процесс сгорания, и возможность их появления характеризует предельные режимы работы двигателя в заданных условиях. Поскольку на каждом из четырех этапов сгорания определяющую роль играют различные процессы, в последующих разделах эти этапы будут рассмотрены отдельно.

Тема 15. ТВЕРДОЕ И ЖИДКОЕ ТОПЛИВО И ИХ СЖИГАНИЕ

15.1.Расчет горения твердого и жидкого топлива

Для расчета процессов горения твердого и жидкого топлива составляют материальный баланс процесса горения.

Материальный баланс процесса горения выражает количественные соотношения между исходными веществами (топливо, воздух) и конечными продуктами (дымовые газы, зола, шлак), а тепловой баланс - равенство между приходом и расходом теплоты. Для твердого и жидкого топлива материальный и тепловой балансы составляют на 1 кг топлива, для газообразной фазы - на 1 м 3 сухого газа при нормальных условиях (0,1013 МПа, О °С). Объемы воздуха и газообразных продуктов также выражают в метрах кубических, приведенных к нормальным условиям.

При сжигании твердого и жидкого топлива горючие вещества могут окисляться с образованием оксидов различной степени окисления. Стехиометрические уравнения реакций горения углерода, водорода и серы можно записать так:

При расчете объемов воздуха и продуктов сгорания условно принимают, что все горючие вещества окисляются полностью с образованием только оксидов с наивысшей степенью окисления (реакции а, в, г).

Из уравнения (а) следует, что для полного окисления 1 кмоль углерода (12 кг) расходуется 1 кмоль, т. е. 22,4 м 3 , кислорода и образуется 1 кмоль (22,4 м 3) оксида углерода. Соответственно для 1 кг углерода потребуется 22,4/12 = 1,866 м 3 кислорода и образуется 1,866 м 3 СО 2 . В 1 кг топлива содержится С p /100 кг углерода. Для его горения необходимо 1,866·С p /100 м 3 кислорода и при сгорании образуется 1,866 С p /100 м 3 CO 2 .

Аналогично из уравнений (в) и (г) на окисление горючей серы (μ s = 32), содержащейся в 1 кг топлива, потребуется (22,4/32) S p л /100 м 3 кислорода и образуется такой же объем SO 2 . А на окисление водорода (), содержащегося в 1 кг топлива, потребуется 0,5·(22,4/2,02) Н p /100 м 3 кислорода и образуется (22,4/2,02) Н p /100 м 3 водяного пара.

Суммируя полученные выражения и учитывая кислород, находящийся в топливе (
), после несложных преобразований получим формулу для определения количества кислорода, теоретически необходимого для полного сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива, м 3 /кг:

В процессе полного горения с теоретически необходимым количеством воздуха образуются газообразные продукты, которые состоят из CO 2 , SO 2 , N 2 и H 2 O - оксиды углерода и серы являются сухими трехатомными газами. Их принято объединять и обозначать через RO 2 = CO 2 + SO 2 .

При горении твердых и жидких топлив теоретические объемы продуктов сгорания, м 3 /кг, вычисляют по уравнениям (15.1) с учетом содержания соответствующих компонентов в топливе и воздухе.

Объем трехатомных газов в соответствии с уравнениями (15.1, а и б)

Теоретический объем водяного пара , м 3 /кг, складывается из объема, полученного при горении водорода, равного (22,4/2,02)·(H p /100), объема, полученного при испарении влаги топлива, равного , и объема, вносимого с воздухом:
,
- удельный объем водяного пара, м 3 /кг; ρ в = 1,293 кг/м 3 - плотность воздуха, d в = 0,01 - содержание влаги в воздухе кг/кг. После преобразований получим:

Действительный объем воздуха V может быть больше или меньше теоретически необходимого, подсчитанного по уравнениям горения. Отношение действительного объема воздуха V к теоретически необходимому V 0 называется коэффициентом расхода воздуха α = V/V 0 . При α > 1 коэффициент расхода воздуха обычно называется коэффициентом избытка воздуха .

Для каждого вида топлива оптимальное значение коэффициента избытка воздуха в топке зависит от технических его характеристик, способа сжигания, конструкции топки, способа образования горючей смеси и др.

Действительный объем продуктов сгорания будет больше теоретического за счет азота, кислорода и водяного пара, который содержится в избыточном воздухе. Так как воздух не содержит трехатомных газов, то их объем не зависит от коэффициента избытка воздуха и остается постоянным, равным теоретическому, т. е.
.

Объем двухатомных газов и водяного пара (м 3 /кг или м 3 /м 3), определяют по формулам:

При сжигании твердых топлив концентрация золы в дымовых газах (г/м 3) определяется по формуле

где - доля золы топлива, уносимая газами (ее значение зависит от вида твердого топлива и способа его сжигания и принимается из технических характеристик топок).

Объемные доли сухих трёхатомных газов и водяного пара, равные их парциальным давлениям при общем давлении 0,1 МПа, подсчитывают по формулам

Все формулы для подсчета объемов применимы тогда, когда происходит полное сгорание топлива. Эти же формулы с достаточной для расчета точностью применимы и для неполного сгорания топлива, если не превышаются нормативные значения, приведенные в технических характеристиках топок.

15.2.Три стадии горения твердого топлива

Горение твердого топлива имеет ряд стадий: подогрев, подсушка топлива, возгонка летучих и образование кокса, горение летучих и кокса. Из всех этих стадий определяющей является стадия горения коксового остатка, т. е. стадия горения углерода, интенсивность которой и определяет интенсивность топливосжигания и газификации в целом. Определяющая роль горения углерода объясняется следующим.

Во-первых, твердый углерод, содержащийся в топливе, является главной горючей составляющей почти всех натуральных твердых топлив. Так, например, теплота сгорания коксового остатка антрацита составляет 95% теплоты сгорания горючей массы. С увеличением выхода летучих доля теплоты сгорания коксового остатка падает и в случае торфа составляет 40,5% теплоты сгорания горючей массы.

Во-вторых, стадия горения коксового остатка оказывается наиболее длительной из всех стадий и может занимать до 90% всего времени, необходимого для горения.

И, в третьих, процесс горения кокса имеет решающее значение в создании тепловых условий протекания других стадий. Следовательно, основой правильного построения технологического метода сжигания твердых топлив является создание оптимальных условий для процесса горения углерода.

В некоторых случаях определяющими процесс горения могут оказаться второстепенные подготовительные стадии. Так, например, при сжигании высоко влажного топлива определяющей может быть стадия подсушки. В этом случае рациональным является усиление предварительной подготовки топлива к сжиганию, например, использованием технологического способа сжигания с подсушкой топлива газами, отбираемыми из топки.

В мощных парогенераторах расходуются большие количества топлива и воздуха. Например, для парогенератора 300 МВт расход топлива - антрацитового штыба составляет 32 кг/с, а воздуха 246 м 3 /с а в парогенераторе блока 800 МВт ежесекундно расходуется 128 кг березовского угля и 555 м 3 воздуха. В ряде случаев в пылеугольных парогенераторах как резервное используется жидкое или газовое топливо.

Процесс горения пылевидных топлив совершается в объеме топочной камеры в потоках больших масс топлива и воздуха, к которым подмешиваются продукты сгорания.

Основой горения пылевидных топлив является химическое реагирование горючих составляющих топлива с кислородом воздуха. Однако химические реакции горения в топочной камере протекают в мощных пылегазовоздушных потоках за чрезвычайно короткое время (1-2 с) пребывания топлива и окислителя в топочной камере. Эти реакции совершаются в условиях сильного взаимного влияния с одновременно протекающими физическими процессами. Такими процессами являются:

Процесс движения подаваемых в топочную камеру составляющих горючую смесь газовых и твердых диспергированных веществ в системе струй, переходящих в поток и распространяющихся в ограниченном пространстве топочной камеры с развитием вихревых течений, в совокупности составляющих сложную структуру аэродинамики топки;

Турбулентная и молекулярная диффузия и конвективный перенос исходных веществ и продуктов реакции в газовом потоке, а также перенос газовых реагентов к диспергированным частицам;

Теплообмен в газовых потоках продуктов сгорания и исходной смеси и между газовыми потоками и содержащимися в них частицами топлива, а также передача тепла, выделяющегося при химическом превращении в реагирующей среде;

Радиационный теплообмен частиц с газовой средой и пылегазовоздушной смеси с экранными поверхностями в топочной камере;

Нагрев частиц, возгонка летучих, перенос и горение их в газовом объеме и др.

Таким образом, горение угольной пыли является сложным физико-химическим процессом, состоящим из химических реакций и физических процессов, протекающих в условиях взаимной связи и взаимного влияния.

15.3.Слоевой, факельный и циклонный способы сжигания твердого топлива

Топочные устройства котлов могут быть слоевые - для сжигания крупнокускового топлива и камерные - для сжигания газообразного, жидкого и твёрдого пылевидного топлива.

Некоторые из вариантов организации топочных процессов представлены на рис.15.1.

Слоевые топки бывают с плотным и кипящим слоем, камерные подразделяются на факельные и циклонные.

Рис. 15.1. Схемы организации топочных процессов

При сжигании в плотном слое воздух для горения проходит через слой, не нарушая его устойчивости, т.е. сила тяжести частиц топлива больше динамического напора воздуха.

При сжигании в кипящем слое из-за повышенной скорости воздуха нарушается устойчивость частиц в слое, они переходят в состояние «кипения», т.е. переходят во взвешенное состояние. При этом происходит интенсивное перемешивание топлива и окислителя, что способствует интенсификации процесса горения.

При факельном сжигании топливо сгорает в объёме топочной камеры, для чего частицы твердого топлива должны иметь размер до 100 мкм.

При циклонном сжигании частицы топлива под влиянием центробежных сил отбрасываются на стенки топочной камеры и, находясь в закрученном потоке в зоне высоких температур, полностью выгорают. Допускается размер частиц больший, чем при факельном сжигании. Минеральная составляющая топлива в виде жидкого шлака удаляется из циклонной топки непрерывно.

15.4.Особенности сжигания жидкого топлива

Каждое жидкое горючее, так же как любое жидкое вещество, при данной температуре обладает определенной упругостью пара над своей поверхностью, которая увеличивается с ростом температуры.

При зажигании жидкого горючего, имеющего свободную поверхность, загорается его пар, содержащийся в пространстве над поверхностью, образуя горящий факел. За счет тепла, излучаемого факелом, испарение резко увеличивается. При установившемся режиме теплообмена между факелом и зеркалом жидкости количество испаряющегося, а следовательно, и сгорающего горючего достигает ма­ксимального значения и далее остается постоянным во времени.

Опыты показывают, что при сжигании жидких топлив со свободной поверхностью горение протекает в паровой фазе; факел устанавливается на некотором удалении от поверхности жидкости и ясно видна темная полоска, отделяющая факел от обреза тигля с жидким горючим. Интенсивность излучения зоны горения на зеркало испарения не зависит от его формы и величины, а зависит только от физико-химических свойств горючего и является характерной константой для каждого жидкого горючего.

Температура жидкого горючего, при которой пары над его поверхностью образуют с воздухом смесь, способную воспламениться при поднесении источника зажигания, называется температурой вспышки.

Поскольку жидкие горючие сгорают в паровой фазе, то при установившемся режиме скорость горения определяется скоростью испарения жидкости с ее зеркала.

Процесс горения жидких горючих со свободной поверхностью происходит следующим образом. При установившемся режиме горения за счет тепла, излучаемого факелом, жидкое горючее испаряется. В восходящий поток горючего, находящегося в паровой фазе, посредством диффузии проникает воздух из окружающего пространства. Полученная таким образом смесь образует горящий факел в виде конуса, отстоящего от зеркала испарения на 0,5-1 мм. Устойчивое горение протекает на поверхности, где смесь достигает пропорции, соответствующей стехиометрическому соотношению горючего и воздуха. Это предположение следует из тех же соображений, что и в случае диффузионного горения газа. Химическая реакция протекает в очень тонком слое фронта факела, толщина которого не превышает нескольких долей миллиметра. Объем, занимаемый факелом, зоной горения делится на две части: внутри факела находятся пары горючей жидкости и продукты сгорания, а вне зоны горения - смесь продуктов горения с воздухом.

Горение восходящих внутри факела паров жидких топлив можно представить состоящим из двух стадий: диффузионного подвода кислорода к зоне горения и самой химической реакции, протекающей во фронте пламени. Скорости этих двух стадий не одинаковы; химическая реакция при имеющих место высоких температурах протекает очень быстро, тогда как диффузионный подвод кислорода является медленным процессом, ограничивающим общую скорость горения. Следовательно, в данном случае горение протекает в диффузионной области, а скорость горения определяется скоростью диффузии кислорода в зону горения.

Так как условия подвода кислорода к зоне горения при сжигании различных жидких горючих со свободной поверхности примерно одинаковы, следует ожидать, что скорость их горения, отнесенная к фронту пламени, т. е. к боковой поверхности факела, также должна быть одинаковой. Длина факела будет тем больше, чем больше скорость испарения.

Специфической особенностью горения жидких горючих со свободной поверхности является большой химический недожог. Каждое горючее, представляющее собой углеродистое соединение при сжигании со свободной поверхности, имеет свойственную ему величину химического недожота, которая составляет, %:

для спирта......... 5,3

для керосина........ 17,7

для бензина........ 12,7

для бензола......... 18,5.

Картину возникновения химического недожога можно представить следующим образом.

Парообразные углеводороды при движении внутри конусообразного факела до фронта пламени при нахождении в области высоких температур при отсутствии кислорода, подвергаются термическому разложению вплоть до образования свободного углерода и водорода.

Свечение пламени обусловливается нахождением в нем частиц свободного углерода. Последние, раскалившись за счет выделяемого при горении тепла, излучают более или менее яркий свет.

Часть свободного углерода не успевает сгорать и в виде сажи уносится продуктами сгорания, образуя коптящий факел.

Кроме того, наличие углерода вызывает образование СО.

Высокая температура и пониженное парциальное давление СО и СО 2 в продуктах сгорания благоприятствуют образованию СО.

Присутствующие в продуктах сгорания количества углерода и СО обусловливают величину химического недожога. Чем больше содержание углерода в жидком топливе и чем меньше он насыщен водородом, тем больше образование чистого углерода, ярче факел, больше химический недожог.

Таким образом, исследования горения жидких горючих со свободной поверхности показали, что:

1) горение жидких топлив происходит после их испарения в паровой фазе. Скорость горения жидких топлив со свободной поверхности определяется скоростью их испарения за счет тепла, излучаемого зоной горения, при установившемся режиме теплообмена между факелом и зеркалом испарения;

2) скорость горения жидких горючих со свободной поверхности растет с увеличением температуры их подогрева, с переходом к горючим с большей интенсивностью излучения зоны горения, меньшей теплотой парообразования и теплоемкостью и не зависит от величины и формы зеркала испарения;

3) интенсивность излучения зоны горения на зеркало испарения, горящего со свободной поверхности жидкого горючего, зависит только от его физико-химических свойств и является характерной константой для каждого жидкого горючего;

4) теплонапряжение фронта диффузионного факела над поверхностью испарения жидкого горючего практически не зависит от диаметра тигля и рода топлива;

5) горению жидких горючих со свободной поверхности присущ повышенный химический недожог, величина которого характерна для каждого горючего.

Имея в виду, что горение жидких топлив происходит в паровой фазе процесс горения капли жидкого горючего можно представить следующим образом.

Капля жидкого топлива окружена атмосферой, насыщенной парами этого горючего. Вблизи от капли по сферической поверхности устанавливается зона горения. Химическое реагирование смеси паров жидкого топлива с окислителем происходит весьма быстро, поэтому зона горения весьма тонка. Скорость горения определяется наиболее медленной стадией - скоростью испарения горючего.

В пространстве между каплей и зоной горения находятся пары жидкого топлива и продукты горения. В пространстве вне зоны горения - воздух и продукты сгорания.

В зону горения изнутри диффундируют пары топлива, а снаружи - кислород. Здесь эти компоненты смеси вступают в химическую реакцию, которая сопровождается выделением тепла. Из зоны горения тепло переносится наружу и к капле, а продукты сгорания диффундируют в окружающее пространство и в пространство между зоной горения и каплей. Однако механизм передачи тепла еще не представляется ясным.

Ряд исследователей считает, что испарение горящей капли происходит за счет молекулярного переноса тепла через застойную пограничную пленку у поверхности капли.

По мере выгорания капли из-за уменьшения поверхности общее испарение уменьшается, зона горения суживается и исчезает при полном выгорании капли.

Так протекает процесс горения капли полностью испаряющихся жидких топлив, находящейся в покое в окружающей среде или движущейся вместе с ней с одинаковой скоростью.

Количество кислорода, диффундирующее к шаровой поверхности при прочих равных условиях, пропорционально квадрату ее диаметра, поэтому установление зоны горения на некотором удалении от капли обусловливает большую скорость ее горения по сравнению с такой же частицей твердого топлива, при горении которой химическая реакция практически протекает на самой поверхности.

Так как скорость горения капли жидкого топлива определяется скоростью испарения, то время ее выгорания можно рассчитать на основе уравнения теплового баланса ее испарения за счет тепла, получаемого из зоны горения.

Так как горение жидких топлив происходит после их испарения в паровой фазе, то его интенсификация связана с интенсификацией испарения и смесеобразования. Это достигается за счет увеличения поверхности испарения путем распыления жидкого топлива на мельчайшие капельки и хорошего смешения образовавшихся паров с воздухом при равномерном распределении мелкодисперсного топлива в нем. Эти две задачи выполняют, применяя горелки с форсунками, которыми распыляют жидкое топливо в потоках воздуха, подаваемых в камерную топку через воздухонаправляющие аппараты горелок.

Воздух, необходимый для горения, подается в устье форсунки, захватывает тонко распыленное жидкое топливо и образует в топочной камере неизотермическую затопленную струю. Струя, распространяясь, нагревается за счет увлечения продуктов сгорания высокой температуры. Мельчайшие капельки жидкого топлива, нагреваясь благодаря конвективному теплообмену в струе, испаряются. Нагрев распыленного топлива происходит также за счет поглощения ими тепла, излучаемого топочными газами и раскаленной обмуровкой.

На начальном участке и в особенности в пограничном слое струи интенсивный нагрев факела вызывает быстрое испарение капель. Пары горючего, смешиваясь с воздухом, создают газовоздушную горючую смесь, которая, воспламеняясь, образует факел.

Таким образом, процесс горения жидкого топлива можно разбить на следующие фазы: распыление жидкого топлива, испарение и образование газовоздушной смеси, воспламенение горючей смеси и горение последней.

Температура и концентрация газовоздушной смеси изменяются по сечению струи. По мере приближения к внешней границе струи температура повышается, а концентрация компонентов горючей смеси падает. Скорость распространения пламени в паровоздушной смеси зависит от состава, концентрации и температуры и достигает максимальной величины в наружных слоях струи, где температура близка к температуре окружающих топочных газов несмотря на то, что здесь горючая смесь сильно разбавлена продуктами сгорания. Поэтому воспламенение в мазутном факеле начинается у корня с периферии и затем распространяется вглубь струи на все сечение, достигая ее оси на значительном расстоянии от форсунки, равном перемещению центральных струй за время распространения пламени от периферии до оси. Зона воспламенения принимает форму вытянутого конуса, основание которого находится на малом расстоянии от выходного сечения амбразуры горелки.

Положение зоны воспламенения зависит от скорости смеси; зона занимает такое положение, при котором во всех ее точках устанавливается равновесие между скоростью распространения пламени и скоростью движения. Центральные струи, имеющие наибольшую скорость, затухают по мере продвижения в топочном пространстве, определяя длину зоны воспламенения местом, где скорость падает до абсолютной величины скорости распространения пламени.

Горение основной части парообразных углеводородов происходит в зоне воспламенения, занимающей наружный слой факела небольшой толщины. Горение высокомолекулярных углеводородов, сажи, свободного углерода и неиспарившихся капель жидкого топлива продолжается за зоной воспламенения и требует определенного пространства, обусловливая общую длину факела.

Зона воспламенения делит пространство, занимаемое факелом, на две области: внутреннюю и наружную. Во внутренней области протекает процесс испарения и образования горючей смеси.

Во внутренней области парообразные углеводороды подвергаются нагреву, который сопровождается окислением и расщеплением их. Процесс окисления начинается при сравнительно низких температурах - порядка 200-300°С. При температурах 350-400°С и выше наступает процесс термического расщепления.

Процесс окисления углеводородов благоприятствует последующему процессу горения, так как при этом выделяется некоторое количество тепла и повышается температура, а наличие кислорода в составе углеводородов способствует дальнейшему их окислению. Напротив, процесс термического расщепления является нежелательным, так как образующиеся при этом высокомолекулярные углеводороды сгорают трудно.

Из нефтяных топлив в энергетике применяется лишь мазут. Мазут представляет собой остаток от перегонки нефти при температуре порядка 300°С, но ввиду того, что процесс перегонки происходит не полностью, мазут при температурах ниже 300°С еще выделяет некоторое количество паров более легких погонов. Поэтому при входе распыленной струи мазута в топку и постепенном нагревании часть его превращается в пары, а часть еще может находиться в жидком состоянии даже при температуре порядка 400°С.

Поэтому при сжигании мазута необходимо способствовать протеканию окислительных реакций и всемерно препятствовать термическому разложению при высоких температурах. Для этого весь воздух, необходимый для горения, следует подавать в корень факела. В этом случае наличие большого количества кислорода во внутренней области будет, с одной стороны, благоприятствовать окислительным процессам, а с другой - понижать температуру, что обусловит расщепление молекул углеводородов более симметрично без образования значительного количества трудно сжигаемых высокомолекулярных углеводородов.

Смесь, получающаяся при сжигании мазута, содержит паро- и газообразные углеводороды, жидкие более тяжелые погоны, а также твердые соединения, образующиеся в результате расщепления углеводородов (т. е. все три фазы - газообразную, жидкую и твердую). Паро- и газообразные углеводороды, смешиваясь с воздухом, образуют горючую смесь, горение которой может протекать по всем возможным способам горения газов. Аналогично сгорает и СО, образовавшийся при горении жидких капель и кокса.

В факеле зажигание капель осуществляется за счет конвективного нагрева; вокруг каждой капли устанавливается зона горения. Горение капли сопровождается химическим недожогом в виде сажи и СО. Капли высокомолекулярных углеводородов при горении дают твердый остаток - кокс.

Образующиеся в факеле твердые соединения - сажа и кокс сгорают так же, как происходит гетерогенное горение частиц твердого топлива. Наличие накаленных частиц сажи обусловливает свечение факела.

Свободный углеводород и сажа в среде с высокой температурой при наличии достаточного количества воздуха могут сгореть. В случае же местного недостатка воздуха или недостаточно высокой температуры они сгорают не полностью с определенной химической неполнотой горения, окрашивая продукты сгорания в черный цвет - коптящий факел.

Зона догорания газообразных продуктов неполного сгорания и твердых частиц, следующая за зоной горения, увеличивает общую длину факела.

Химический недожог, характерный для горения жидких топлив со свободной поверхности при сжигании их в факеле, соответствующими режимными мероприятиями может и должен быть сведен практически к нулю.

Таким образом, для интенсификации сжигания мазута необходимо хорошее распыление. Предварительный подогрев воздуха и мазута способствует газификации мазута, поэтому будет благоприятствовать зажиганию и горению. Весь воздух, необходимый для горения, следует подавать в корень факела. При этом рациональной конструкцией воздухонаправляющего устройства горелки, правильной установкой форсунки и соответствующей конфигурацией амбразуры горелки необходимо обеспечить хорошее перемешивание распыленного топлива с воздухом, а также перемешивание в горящем факеле и в особенности в конечной его части. Температура в факеле должна поддерживаться на достаточно высоком уровне и для обеспечения интенсивного завершения процесса горения в конце факела должна быть не ниже 1000-1050°С.

Факелу должно быть обеспечено достаточное пространство для развития процесса горения, так как в случае соприкосновения продуктов сгорания (до завершения процесса горения) с холодными поверхностями нагрева парогенератора температура может настолько понизиться, что содержащиеся в газах не догоревшие частицы сажи и свободного углерода, а также высокомолекулярные углеводороды не смогут гореть.

Процесс горения нефтяного факела в закрученной струе протекает аналогично рассмотренному случаю при прямоточной струе. При закрученном движении на оси струи создается зона разрежения, вызывающая приток горячих продуктов сгорания к корню факела. Это обеспечивает устойчивое зажигание.

Использование центробежного эффекта в механических и вращающихся форсунках приводит к разрыву сплошного потока. Жидкость внутри выходного канала форсунки принимает форму полого цилиндра, заполненного парами и газами. Из сопла вытекает эмульсия, образуя жидкую пленку в виде раскрывающегося гиперболоида. В направлении движения сечение гиперболоида увеличивается, а пленка жидкости утоньшается, начинает пульсировать и, наконец, распадается на быстродвижущиеся капельки, которые в потоке подвергаются дальнейшему измельчению.

В паровых форсунках первичное дробление производится за счет кинетической энергии пара, истекающего из сопла форсунки. Капли первичного дробления приобретают скорость паровой струи, обычно соответствующую критической скорости.

15.5.Сжигание топлива и защита окружающей среды

15.5.1.Черная металлургия как источник загрязнения окружающей среды

Металлургический завод, производящий 1 млн. т. стали в год, за сутки выбрасывает в атмосферу 350 т. пыли, 400 т. окиси углерода и 200 т. двуокиси серы. От общего количества выбросов на долю металлургических заводов приходится 20% выбросов пыли, 43% окиси углерода, 16% сернистого ангидрида и 23% окислов азота. Больше всего выбросов у аглофабрики и ТЭЦ. От общего количества выбросов металлургического завода аглофабрика даёт 34% пыли, 82% сернистого ангидрида, 23% окислов азота. ТЭЦ выбрасывает 36% пыли. Таким образом, аглофабрика и ТЭЦ вместе выбрасывают в атмосферу около 70% общезаводских выбросов пыли.

Различают очистку газов от взвешенных твёрдых частиц (пыли) и улавливание вредных газообразных веществ химическими методами газоочистки. В настоящее время очистка выбрасываемых в атмосферу газов от вредных газообразных веществ почти не применяется (и не только у нас) за исключением коксохимического производства, где такая очистка широко распространена в связи необходимостью улавливания ряда ценных веществ.

На заводах чёрной металлургии, главным образом, осуществляют механическую очистку газов от пыли. По принципу действия применяемые методы очистки делят на сухие и мокрые. Мокрые пылеуловители позволяют одновременно с улавливанием пыли частично очищать газы от диоксида серы (SO 3). Однако эти пылеуловители повышают расход воды и требуют применения устройств для её очистки.

15.5.2.Аппараты для сухой механической очистки газов

Делятся на пылеуловители и фильтры. В свою очередь пылеуловители подразделяются на гравитационные и инерционные. Гравитационные пылеуловители имеют пылевые камеры различной конструкции. В этих пылеуловителях осаждение пыли происходит, в основном, под действием сил тяжести. Силы инерции здесь оказывают незначительное влияние на процесс извлечения пыли из потока газа.

На рисунке 15.2 приведена схема радиального пылеуловителя. В него через центральный газоход поступает запыленный газ, который в бункере снижает скорость своего движения и меняет направление движения на 180 0 . Пыль, содержащаяся в газе, под действием сил тяжести и по инерции, оседает в бункере, а газ удаляется в очищенном виде.

Гравитационные пылеуловители эффективны при удалении частиц пыли с размерами большими 100 мкм, т.е. достаточно крупных частиц.

В инерционных (центробежных) пылеуловителях (рис.15.3) на частицы пыли действует сила инерции, возникающая при повороте или вращении газового потока. Так как эта сила значительно превосходит гравитационную, то и удаляются из газового потока частицы более мелкие, чем при гравитационной очистке.

Пример такого пылеуловителя - циклон, удаляющий из газового потока частицы пыли с размерами большими 20 мкм. Запыленный газовый поток вводится в верхнюю часть корпуса циклона через патрубок, расположенный тангенциально относительно корпуса. Поток приобретает вращательное движение, тяжелые частицы пыли силами инерции отбрасываются к стенкам циклона и под действием сил тяжести опускаются в бункер, а очищенный газ удаляется из циклона.

Фильтры (рис.15.4) - это аппараты, обеспечивающие тонкую очистку газа. По типу фильтрующего элемента подразделяются на фильтры с волокнистым фильтрующим элементом, с тканевым, зернистым, металлокерамическим, керамическим. Типичным примером являются фильтры с тканным фильтрующим элементом: из натуральных и синтетических тканей или металлотканый, выдерживающий температуру до 600 0 С.

Регенерация тканевого фильтра осуществляется обратной продувкой сжатым воздухом.

Запыленный газ проходит через рукавную ткань, оставляя на ней частички пыли, и очищенным удаляется из фильтра. Пыль оседает в бункер по мере её накопления на ткани. Когда сопротивление ткани существенно возрастает, обратной продувкой воздухом тканевый рукав отчищается от пыли.

15.5.3.Электрофильтры

Электрофильтры (рис.15.5) - аппараты для тонкой очистки газа. Принцип действия этих фильтров основан на силовом взаимодействии заряженных частиц между собой и с металлическими электродами. Вы знаете, что одноимённо заряженные частицы отталкиваются, а разноименно заряженные - притягиваются. В электрофильтре частицы пыли, попадая в электрическое поле, заряжаются и затем под действием сил взаимодействия с осадительными электродами притягиваются к ним, осаждаются на них и теряют свой заряд. В качестве примера рассмотрим работу трубчатого электрофильтра. Фильтр состоит из корпуса и центрального электрода, конструкция которого на схеме не раскрыта. Корпус фильтра заземляется. Центральный электрод состоит из пластин, часть из которых подсоединена к корпусу, а другая часть - изолирована от него.

Изолированные и подсоединённые к корпусу электроды чередуются. Между ними создаётся разность потенциалов порядка 25-100 кВ. Величина разности потенциалов определяется геометрией электродов и тем больше, чем больше расстояние между ними. Это связано с тем, что электрофильтр работает, если между электродами существует коронный разряд.

Газ, проходя между электродами, ионизируется. Частицы пыли взаимодействуют с йонами, приобретают отрицательный заряд и притягиваются к осадительным электродам. Осаждаясь на электродах частицы пыли теряют свой заряд и частично осыпаются в бункер.

Производится периодическая очистка фильтра встряхиванием или промывкой. На время очистки фильтр отключается.

При работе на доменном газе фильтр промывают через каждые 8 часов в течение 15 минут. Максимальная температура очищаемого газа не должна превышать 300 0 С. Рабочая температура очищаемого газа 250 0 С. Высота электродов до 12 м.

Электрофильтр очищает газ от частиц пыли с размерами меньшими 1 мкм.

15.5.4.Мокрая очистка газов

В аппаратах мокрой очистки запыленный газ промывается водой, что позволяет отделить значительную часть пыли.

Наибольшее применение в чёрной металлургии нашли скрубберы различной конструкции и турбулентные газопромыатели.

Скрубберы (рис.15.6) - это агрегаты, в которых запыленный газ поднимается навстречу орошающей воде. С целью защиты от коррозии внутренние поверхности скруббера футеруются керамической плиткой. Максимальная температура газа в скруббере 300 0 С. Размеры скруббера: диаметр - 6-8 м, высота - 20-30 м. Расход воды - 1,5-2 кг/м 3 газа. В скрубберах осуществляется полутонкая очистка от пыли.

Рис. 15.6. Схема скруббера

Скоростной газопромыватель (рис.15.7) - эффективный аппарат тонкой очистки, применяемый как самостоятельно, так и для подготовки газа перед электрофильтром. Состоит из трубы-распылителя и циклона каплеуловителя. Улавливает частицы пыли размерами до 0,1 мкм. Производительность по газу 40000 м 3 /ч и более. Удельный расход орошающей воды 0,15-0,5 кг/м 3 . Скорость газа в горловине трубы-распылителя 40-150 м/с.

Принцип действия скоростного газопромывателя основан на улавливании в циклоне мелких частиц пыли утяжелённых смачивающей их водой. Смачивание частиц пыли осуществляется в трубе-распылителе.

В заключение следует отметить, что пыль с частицами крупнее 10-20 мкм хорошо улавливается в большинстве аппаратов газоочистки. Для очистки от пыли с частицами меньшими 1 мкм пригодны только аппараты тонкой очистки: пористые фильтры, электрофильтры, скоростные газопромыватели.