Основные особенности процессов сгорания топлива. Горение жидкого и твердого топлива

Горение топлива - это процесс окисления горючих компонентов, происходящий при высоких температурах и сопровождающийся выделением тепла. Характер горения определяется множеством факторов, в том числе способом сжигания, конструкцией топки, концентрацией кислорода и т. д. Но условия протекания, продолжительность и конечные результаты топочных процессов в значительной мере зависят от состава, физических и химических характеристик топлива.

Состав топлива

К твердому топливу относят каменный и бурый уголь, торф, горючие сланцы, древесину. Эти виды топлив представляют собой сложные органические соединения, образованные в основном пятью элементами - углеродом С, водородом Н, кислородом О, серой S и азотом N. В состав топлива также входит влага и негорючие минеральные вещества, которые после сгорания образуют золу. Влага и зола - это внешний балласт топлива, а кислород и азот - внутренний.

Основным элементом горючей части является углерод, он обуславливает выделение наибольшего количества тепла. Однако, чем больше доля углерода в составе твердого топлива, тем труднее оно воспламеняется. Водород при сгорании выделяет в 4,4 раза больше тепла, чем углерод, но его доля в составе твердых топлив невелика. Кислород, не будучи теплообразующим элементом и связывая водород и углерод, снижает теплоту сгорания, поэтому является элементом нежелательным. Особенно велико его содержание в торфе и древесине. Количество азота в твердом топливе небольшое, но он способен образовывать вредные для окружающей среды и человека оксиды. Также вредной примесью является сера, она выделяет мало теплоты, но образующиеся оксиды приводят к коррозии металла котлов и загрязнению атмосферы.

Технические характеристики топлива и их влияние на процесс горения

Важнейшими техническими характеристиками топлива являются: теплота сгорания, выход летучих веществ, свойства нелетучего остатка (кокса), зольность и влагосодержание.

Теплота сгорания топлива

Теплота сгорания - это количество тепла, выделяющееся при полном сгорании единицы массы (кДж/кг) или объема топлива (кДж/м3). Различают высшую и низшую теплоту сгорания. В высшую входит тепло, выделяемое при конденсации паров, которые содержатся в продуктах сгорания. При сжигании топлива в топках котлов уходящие дымовые газы имеют температуру, при которой влага находится в парообразном состоянии. Поэтому в этом случае применяют низшую теплоту сгорания, которая не учитывает теплоту конденсации водяных паров.

Состав и низшая теплота сгорания всех известных месторождений угля определены и приводятся в расчетных характеристиках.

Выход летучих веществ

При нагревании твердого топлива без доступа воздуха под воздействием высокой температуры сначала выделяются водяные пары, а затем происходит термическое разложение молекул с выделением газообразных веществ, получивших название летучих веществ.

Выход летучих веществ может происходить в интервале температур от 160 до 1100 °С, но в среднем - в области температур 400-800 °С. Температура начала выхода летучих, количество и состав газообразных продуктов зависят от химического состава топлива. Чем топливо химически старше, тем меньше выход летучих и выше температура начала их выделения.

Летучие вещества обеспечивают более раннее воспламенение твердой частицы и оказывают значительное влияние на горение топлива. Молодые по возрасту топлива - торф, бурый уголь - легко загораются, сгорают быстро и практически полностью. Наоборот, топливо с низким выходом летучих, например, антрацит, загорается труднее, горит намного медленнее и сгорает не полностью (с повышенной потерей тепла).

Свойства нелетучего остатка (кокса)

Твердая часть топлива, оставшаяся после выхода летучих, состоящая в основном из углерода и минеральной части, называется коксом. Коксовый остаток может быть в зависимости от свойств органических соединений, входящих в горючую массу: спекшимся, слабоспекшимся (разрушающимся при воздействии), порошкообразным. Антрацит, торф, бурые угли дают порошкообразный нелетучий остаток. Большинство каменных углей спекается, но не всегда сильно. Слипшийся или порошкообразный нелетучий остаток дают каменные угли с очень большим выходом летучих (42-45%) и с очень малым выходом (менее 17%).

Структура коксового остатка важна при сжигании угля в топках на колосниковых решетках. При факельном сжигании в энергетических котлах характеристика кокса не имеет большого значения.

Зольность

Твердое топливо содержит наибольшее количество негорючих минеральных примесей. Это прежде всего глина, силикаты, железный колчедан, но также могут входить закись железа, сульфаты, карбонаты и силикаты железа, оксиды различных металлов, хлориды, щелочи и т.д. Большая часть их попадает при добыче в виде пород, между которыми залегают пласты угля, но присутствуют и минеральные вещества, перешедшие в топливо из углеобразователей или в процессе преобразования его исходной массы.

При сжигании топлива минеральные примеси претерпевают ряд реакций, в результате которых образуется твердый негорючий остаток, называемый золой. Вес и состав золы не идентичны весу и составу минеральных примесей топлива.

Свойства золы играют большую роль в организации работы котла и топки. Ее частички, уносимые продуктами сгорания, при высоких скоростях истирают поверхности нагрева, а при малых скоростях отлагаются на них, что ведет к ухудшению теплопередачи. Зола, уносимая в дымовую трубу, способна нанести вред окружающей среде, во избежание этого требуется установка золоуловителей.

Важным свойством золы является ее плавкость, различают тугоплавкую (выше 1425 °С), среднеплавкую (1200-1425 °С) и легкоплавкую (менее 1200 °С) золу. Зола, прошедшая стадию плавления и превратившаяся в спекшуюся или сплавленную массу, называется шлаком. Температурная характеристика плавкости золы имеет большое значение для обеспечения надежной работы топки и поверхностей котла, правильный выбор температуры газов около этих поверхностей позволит исключить шлакование.

Влага - нежелательная составляющая топлива, она наряду с минеральными примесями является балластом и уменьшает содержание горючей части. Помимо этого, она снижает тепловую ценность, так как дополнительно требуются затраты энергии на ее испарение.

Влага в топливе может быть внутренней и внешней. Внешняя влага содержится в капиллярах или удерживается на поверхности. С химическим возрастом количество капиллярной влаги сокращается. Поверхностной влаги тем больше, чем меньше куски топлива. Внутренняя влага входит в органическое вещество.

Способы сжигания топлива в зависимости от вида топки

Основные виды топочных устройств:

• слоевые,
• камерные.

Слоевые топки предназначены для сжигания крупнокускового твердого топлива. Они могут быть с плотным и кипящим слоем. При сжигании в плотном слое воздух для горения проходит через слой, не влияя на его устойчивость, то есть сила тяжести горящих частиц превышает динамический напор воздуха. При сжигании в кипящем слое благодаря повышенной скорости воздуха частицы переходят в состояние "кипения". При этом происходит активное перемешивание окислителя и топлива, благодаря чему интенсифицируется горение топлива.

В камерных топках сжигают твердое пылевидное топливо, а также жидкое и газообразное. Камерные топки подразделяются на циклонные и факельные. При факельном сжигании частицы угля должны быть не более 100 мкм, они сгорают в объеме топочной камеры. Циклонное сжигание допускает больший размер частиц, под влиянием центробежных сил они отбрасываются на стенки топки и полностью выгорают в закрученном потоке в зоне высоких температур.

Горение топлива. Основные стадии процесса

В процессе горения твердого топлива можно выделить определенные стадии: подогрев и испарение влаги, возгонка летучих и образование коксового остатка, горение летучих и кокса, образование шлака. Такое деление процесса горения относительно условно, так как хотя эти этапы протекают последовательно, частично они налагаются друг на друга. Так, возгонка летучих веществ начинается до окончательного испарения всей влаги, образование летучих идет одновременно с процессом их горения, так же как и начало окисления коксового остатка предшествует окончанию горения летучих, а дожигание кокса может идти и после образования шлака.

Время течения каждой стадии процесса горения в значительной мере определяется свойствами топлива. Дольше всего длится стадия горения кокса, даже у топлив с большим выходом летучих. Существенное влияние на продолжительность стадий процесса горения оказывают разнообразные режимные факторы и конструктивные особенности топки.

1. Подготовка топлива до воспламенения

Топливо, поступающее в топку, подвергается нагреванию, в результате чего при наличии влаги происходит ее испарение и подсушка топлива. Время, необходимое на подогрев и подсушку, зависит от количества влаги и температуры, с которой топливо подается в топочное устройство. Для топлив с большим содержанием влаги (торф, влажные бурые угли) стадия прогрева и подсушивания сравнительна продолжительна.

В слоевые топки топливо подают с температурой, приближенной к окружающей среде. Только в зимнее время в случае смерзания угля его температура ниже, чем в котельном помещении. Для сжигания в факельных и вихревых топках топливо подвергают дроблению и размолу, сопровождаемому сушкой горячим воздухом или дымовыми газами. Чем выше температура поступающего топлива, тем меньше времени и тепла необходимо на подогрев его до температуры воспламенения.

Подсушка топлива в топке происходит за счет двух источников тепла: конвективного тепла продуктов сгорания и лучистого тепла факела, обмуровки, шлака.

В камерных топках подогрев осуществляется преимущественно за счет первого источника, то есть подмешивания к топливу продуктов сгорания в месте его ввода. Поэтому одно из важных требований, предъявляемых к конструкции устройств для ввода топлива в топку, - обеспечение интенсивного подсоса продуктов сгорания. Уменьшению времени нагрева и подсушки также способствует более высокая температура в топке. С этой целью при сжигании топлив с началом выхода летучих при высоких температурах (более 400 °С) в камерных топках делают зажигательные пояса, то есть закрывают экранные трубы огнеупорным теплоизоляционным материалом, чтобы снизить их тепловосприятие.

При сжигании топлива в слое роль каждого вида источников тепла определяется конструкцией топки. В топках с цепными решетками нагревание и подсушка осуществляются преимущественно лучистым теплом факела. В топках с неподвижной решеткой и подачей топлива сверху подогрев и подсушивание происходят за счет движущихся через слой снизу вверх продуктов сгорания.

В процессе нагревания при температуре выше 110 °С начинается термическое разложение органических веществ, входящих в состав топлив. Наименее прочными являются те соединения, которые содержат значительное количество кислорода. Эти соединения распадаются при сравнительно невысоких температурах с образованием летучих веществ и твердого остатка, состоящего преимущественно из углерода.

Молодые по химическому составу топлива, содержащие много кислорода, имеют низкую температуру начала выхода газообразных веществ и дают их больший процент. Топлива с малым содержанием соединений кислорода имеют небольшой выход летучих и более высокую температуру их воспламенения.

Содержание в твердом топливе молекул, которые легко подвергаются разложению при нагревании, оказывает влияние и на реакционную способность нелетучего остатка. Сначала разложение горючей массы происходит преимущественно на наружной поверхности топлива. По мере дальнейшего прогревания пирогенетические реакции начинают происходить и внутри частиц топлива, в них повышается давление и внешняя оболочка разрывается. При сжигании топлив с большим выходом летучих коксовый остаток становится пористым и имеет большую поверхность по сравнению с плотным твердым остатком.

2. Процесс горения газообразных соединений и кокса

Собственно горение топлива начинается с воспламенения летучих веществ. В период подготовки топлива происходят разветвленные цепные реакции окисления газообразных веществ, сначала эти реакции протекают с малыми скоростями. Выделяющееся тепло воспринимается поверхностями топки и частично накапливается в виде энергии движущихся молекул. Последнее приводит к возрастанию скорости цепных реакций. При определенной температуре реакции окисления идут с такой скоростью, что выделяющееся тепло полностью покрывает теплопоглощение. Эта температура является температурой воспламенения.

Температура воспламенения не является константой, она зависит как от свойств топлива, так и от условий в зоне воспламенения, в среднем составляет 400-600 °С. После воспламенения газообразной смеси дальнейшее самоускорение реакций окисления вызывает повышение температуры. Для поддержания горения необходим непрерывный подвод окислителя и горючих веществ.

Воспламенение газообразных веществ приводит к окутыванию коксовой частицы огневой оболочкой. Горение кокса начинается, когда к концу подходит горение летучих. Твердая частица прогревается до высокой температуры, и по мере уменьшения количества летучих веществ снижается толщина пограничного горящего слоя, кислород достигает раскаленной поверхности углерода.

Горение кокса начинается при температуре 1000 °С и является самым длительным процессом. Причина в том, что, во-первых, снижается концентрация кислорода, во-вторых, гетерогенные реакции протекают более медленно, чем гомогенные. В итоге длительность горения частицы твердого топлива определяется в основном временем горения коксового остатка (около 2/3 общего времени). Для топлив с большим выходом летучих, твердый остаток составляет менее ½ начальной массы частицы, поэтому их сжигание происходит быстро и возможность недожога невысока. Химически старые топлива имеют плотную частицу, горение которой занимает почти все время нахождения в топке.

Коксовый остаток большинства твердых топлив в основном, а для некоторых видов - целиком состоит из углерода. Горение твердого углерода происходит с образованием окиси углерода и углекислого газа.

Оптимальные условия для тепловыделения

Создание оптимальных условий для процесса горения углерода - основа правильного построения технологического метода сжигания твердых топлив в котельных агрегатах. На достижение наибольшего тепловыделения в топке могут оказывать влияние следующие факторы: температура, избыток воздуха, первичное и вторичное смесеобразование.

Температура . Тепловыделение при сжигании топлива существенно зависит от температурного режима топки. При относительно низких температурах в ядре факела имеет место неполнота сгорания горючих веществ, в продуктах сгорания остаются окись углерода, водород, углеводороды. При температурах от 1000 до 1800-2000 °С достижимо полное сгорание топлива.

Избыток воздуха . Удельное тепловыделение достигает максимального значения при полном сгорании и коэффициенте избытка воздуха, равном единице. С уменьшением коэффициента избытка воздуха выделение тепла падает, так как недостаток кислорода приводит к окислению меньшего количества топлива. Понижается температурный уровень, снижаются скорости реакций, что приводит к резкому уменьшению тепловыделения.

Повышение коэффициента избытка воздуха больше единицы снижает тепловыделение еще сильнее, чем недостаток воздуха. В реальных условиях сжигания топлива в топках котлов предельные значения тепловыделения не достигаются, так как присутствует неполнота сгорания. Она во многом зависит от того, как организованы процессы смесеобразования.

Процессы смесеобразования . В камерных топках первичное смесеобразование достигается подсушкой и перемешиванием топлива с воздухом, подачей в зону подготовки части воздуха (первичного), созданием широко раскрытого факела с широкой поверхностью и высокой турбулизацией, применением подогретого воздуха.

В слоевых топках задача первичного смесеобразования состоит в том, чтобы подавать необходимое количество воздуха в разные зоны горения на решетке.

С целью обеспечения догорания газообразных продуктов неполного горения и кокса организуют процессы вторичного смесеобразования. Этим процессам способствуют: подача вторичного воздуха с высокой скоростью, создание такой аэродинамики, при которой достигается равномерное заполнение факелом всей топки и, следовательно, вырастает время пребывания газов и коксовых частичек в топке.

3. Образование шлака

В процессе окисления горючей массы твердого топлива происходят значительные изменения и минеральных примесей. Легкоплавкие вещества и сплавы с низкой температурой плавления растворяют тугоплавкие соединения.

Обязательным условием нормальной работы котлоагрегатов является бесперебойный отвод продуктов сгорания и образующегося шлака.

При слоевом сжигании шлакообразование может приводить к механическому недожогу - минеральные примеси обволакивают недогоревшие частиц кокса либо вязкий шлак может перекрывать воздушные проходы, преграждая доступ кислорода к горящему коксу. Для снижения недожога применяют различные мероприятия - в топках с цепными решетками увеличивают время нахождения шлака на решетке, производят частую шуровку.

В слоевых топках вывод шлака производится в сухом виде. В камерных топках шлакоудаление может быть сухим и жидким.

Таким образом, горение топлива является сложным физико-химическим процессом, на который оказывает воздействие большое количество различных факторов, но все они должны быть учтены при проектировании котлов и топочных устройств.

Горение твёрдого топлива проходит в две стадии: тепловая подготовка; само горение.

На первой стадии топливо подогревается, просушивается. При 100 С начинается пирогенетическое разложение составляющих топлива с выделением газообразных летучих веществ. (Зона I). Длительность этого процесса зависит от влажности топлива, размера частиц, условий теплообмена между частицами топлива и топочной средой.

Горение топлива начинается с воспламенения летучих (зона II). t в этой зоне 400-600 C. При горении выделяется тепло, к-е обеспечивает ускоренный прогрев и воспламенение коксового остатка. {Два необходимых условия, чтоб топливо сгорело: температура и достаточное количество окислителя. В любых топках существует 2 ввода: по одному идёт топливо, а по второму – окислитель}

Этот процесс происходит за десятые доли секунд. Летучие горят от 0,2 до 0,5 секунды. Выделяется Q, когда t 800-1000 – зона III начинается. Горение кокса начинается при температуре 1000 С и происходит в III области. Этот процесс длительный. 1 – T газовой среды вокруг частицы. 2 – T самой частицы . I – зона термической подготовки, II – зона горения летучих в-в, III – горение коксовой частицы.

III – гетерогенный процесс. Ск-ть зависит от ск-ти подвода кислорода. Время горения коксовой частицы от ½ до 2/3 всего времени горения (от 1 до 2,5 с) – зависит от вида и размера топлива. У молодых топлив процесс углефикации не завершен большой выход летучих. Коксовый остаток < ½ начальной массы частицы. Горение идет быстро, возможность недожога низкая. У стар. топ. большой коксовый остаток, ближе к начальн размерам частиц. Время горения 1 мм ~ 1-2,5 с. Кокс остаток С = 60-97% массы топлива органического. 1 – пов-ть коксовой частицы, 2 – узкий ламинарный слой с толщиной δ,3 – зона турбулентного потока .

Кислород подводится из окружающей среды к частице углерода за счёт турбулентной диффузии, имеющей высокую интенсивность, но возле поверхности частицы находится тонкий газовый слой (2), где подвод окислителя подчиняется з-нам молекулярной диффузии (лам сл) – тормозит подвод кислорода к поверхности частицы. В этом слое происходит догорание горючих газовых компонентов, выделяющихся с поверхности углерода в ходе химических реакций.

Количество кислорода, подводимого в единицу времени к единичной поверхности частицы посредством турбулентной диффузии определяется:

GОК = А(СПОТ – ССЛ) (1) , А – к-т турбулентного массообмена. Такое же к-во кислорода диффундирует ч/з погр слой за счет молекулярной диффузии:

GОК = D δ (ССЛ – СПОВ) (2) D – к-т мол диф-и ч/з погр слой δ. ССЛ = G ОК * δ D + СПОВ, GОК = А(СПОТ – G ОК * δ D – СПОВ) , GОК = А*( С ПОТ – СПОВ) 1+ Аδ D = ( С ПОТ – СПОВ) 1 А + δ D = αД*(СПОТ – СПОВ) , 1 А + δ D = αД – обобщённая константа скорости диффузии.

Кол-во подведен ок-ля зависит от αД и разности концентраций потока и пов-ти. Подвод кислорода к реагирующей поверхности топлива определяется скоростью диффузии и концентрацией кислорода в потоке и на реагирующей поверхности.

В установившемся режиме горения количество кислорода, подводимого к поверхности реагирования диффузией равно количеству кислорода, которое прореагировало с этой поверхностью.

ωР = αД(СПОТ – СПОВ) . В тоже самое время скор-ть горения: ωГ = k*СПОТ, если они равны, то может определить: ωГ = 1 1 K + 1 α Д * С ПОТ = kГ*СПОТ. K Г = 1 1 K + 1 α Д = K * α Д α Д + K (*) – приведенная константа горения. 1 k Г= 1 K + 1 α Д – обобщенное сопротивление процессу горения. 1/k – кинетическое сопротивление, определяется интенсивностью протекания хим р-и горения; 1/αД – физич (диффузионное) сопротивление – зависит от интенсивности подвода окислителя.

В зависимости от сопротивления различают кинетическую и диффузионную область гетерогенного горения.

I – кинетическая область (ωГ = k*СПОТ) , II – промежуточная область, III – диффузионная область (ωГ = αД*СПОТ)

В соответствии с законом Аррениуса, скорость химической реакции зависит от температуры. αД (конст ск-ти диф-и) слабо реагирует на температуру. При температуре меньше, чем 800-1000 С, химическая реакция протекает медленно, не смотря на избыток О2 около твёрдой поверхности. В этом случае 1/k большое значение – горение тормозится кинетикой р-и (t мала) и область называется Кинетической областью горения . (1/k >> 1/αД) . k<<αД, kГ ~k (*) – Т. к. р-я вялая, кислород, подводимый диффузией не расходуется и его концентрация у поверхности реагирования примерно равна концентрации в потоке ωГ = k*СПОТ – это ск-ть горения в кинетической области.

Скорость горения в кинетической области не изменится при усиленном подводе кислорода, путём улучшения процессов аэродинамики (обл-ть I ), а зависит от кинетического фактора, а именно температуры . Подвод ок-ля >> потребления – концентрация на пов-ти почти не меняется. По мере повышения t скорость реакции растёт, а концентрация О2 и С падает. Дальнейшее t ведёт к увеличению скорости горения и её значение ограничивается недостатком подвода О2 к поверхности, недостаточной диффузией. Концентрация кислорода у поверхности →0 .

Область горения, в которой скорость процесса зависит от диффузионных факторов, называется Диффузионной областью III . Здесь k>>αД (Из * ): kГ~αД. Скор-ть диффузион горения огр-ся доставкой О2 к пов-ти и его концентрацией в потоке.

Диффузионная и кинетические области разделяется промежуточной зоной II, где скорость подвода кислорода и скорость химической реакции примерно равны между собой. Чем меньше размеры твёрдого топлива, тем больше площадь тепломассообмена.

В обл-ти II и IIIгорение можно усилить подводом ок-ля. При больших скор-тях ок-ля сопротивление и толщина ламинарного слоя ум-ся и подвод ок-ля усиливается. Чем выше скор-ть, тем интенсивнее перемешивается топливо с О2 и тем при более t происходит переход из кинетической в пром, затем в диф-ю обл-ть. При уменьшении размеров частиц увеличивается область кинетического горения, т. к. частицы малых размеров имеют более развитый тепломассообмен с окружающей средой.

D1>d2>d3 , v1>v2>v3

D – размер частиц пылевидного топлива, v – ск-ть перемешивания топлива с воздухом – ск-ть подачи ок-ля

Воспламенение любого топлива нач-ся при относительно низких t при дост кол-ве ок-ля (I). Чисто диф горение III – огранич ядром факела. Увеличение температуры ведёт к смещению в область диффузионного горения. Зона диффузионного горения находится от ядра факела и до зоны догорания, где концентрация реагирующих веществ мала и их взаимодействие определяется законами диффузии.

Таким образом, если горение протекает в диффузионной или промежуточной области, то при уменьшении размера частиц пылевидного топлива, процесс смещается в сторону кинетического горения. Область чисто диффузионного горения ограничена. Это наблюдается в ядре факела с максимальной температурой горения. За пределами ядра горение происходит в кинетической или промежуточной области, которая характеризуется сильной зависимостью скорости горения от температуры.

Кинетическая и промежуточные области горения протекают и в зоне воспламенения пыле-воздушного потока, а сжигание топлив всех видов с предварительным смесеобразованием протекает в диффузионной или промежуточной области.

Задание………………………………………………………………………..3

Введение……………………………………………………………………...4

Теоретическая часть

1. Особенности горения твердого топлива ……………………….....6

2. Сжигание топлива в камерных топках ….………………………….9

3. Место и роль твердого топлива в энергетике России ……………..12

4. Снижение выбросов золовых частиц из топок котлов конструктивными и технологическими методами……………………14

5. Золоулавливание и типы золоуловителей…………………….…….15

6. Циклонные (инерционные) золоуловители…..……………………..16

Расчетная часть

1. Исходные данные…………………………………………………….18

2. Расчет элементарного состава рабочего топлива…………………..19
3. Расчет масс и объемов продуктов сгорания топлива при сжигании в котельных …………………………………...…………………………..19

4. Определение высоты трубы Н…………………………….…………20

5. Расчет рассеивания и нормативов предельно допустимых выбросов вредных веществ в атмосферу……………………………………….…20

6. Определение требуемой степени очистки……………………….… 21

Обоснование выбора циклона……………………………………………..22

Применяемые устройства……………………………………………. ……23

Заключение………………………………………………………………….24

Список использованной литературы……………………………………...26

Задание

1. По заданным расчетным характеристикам твердых топлив определить элементарный состав рабочего топлива.

2. Используя результаты п.1 и исходные данные, рассчитать выбросы и объемы продуктов сгорания твердых частиц А, оксидов серы SO x , оксида углерода CO, оксидов азота NO x , расход газов, поступающих в дымовую трубу при рабочих условиях котельной установки.

3. По результатам п.2 и исходным данным определить диаметр устья дымовой трубы. Определить высоту трубы H.

4. Определить наиболее ожидаемую концентрацию С м (мг/м 3) вредных веществ: оксида углерода СО, сернистого газа SO 2 , оксидов азота NO x , пыли, (золы) в приземном слое атмосферы при неблагоприятных условиях рассеивания.

5. Сравнить фактическое содержание вредных веществ в атмосферном воздухе с учетом фоновой концентрации (С м +С ф) с санитарно-гигиеническими нормами (ПДК), если ПДК СО =5 мг/м 3 , ПДК NO 2 = 0,085, ПДК SO 2 =0,5 мг/м 3 , ПДК пыли =0,5 мг/м 3 .

7. Определить требуемую степень очистки и дать рекомендации по снижению выбросов, если фактический выброс М какого-либо вещества превышает расчетный норматив (ПДВ).

8. Разработать и обосновать применяемые способы и устройства для очистки сбросных вредных веществ.

Теоретическая часть

Введение

Промышленное производство и другие виды хозяйственной деятельности человека сопровождаются выделением загрязняющих веществ в окружающую природную среду.

Значительный ущерб окружающей среде наносят котельные установки, использующие сжигание твёрдых, жидких и газообразных топлив при нагреве воды для систем отопления.

Основным источником негативного воздействия энергетики являются продукты, образующиеся при сжигании органического топлива.

Рабочая масса органического топлива состоит из углерода, водорода, кислорода, азота, серы, влаги и золы. В результате полного сгорания топлив образуются углекислый газ, водяные пары, оксиды серы (сернистый газ, серный ангидрид и зола). К числу токсичных относятся оксиды серы, зола. В ядре факела топочных камекотлов большой мощности происходит частичное окисление азота воздуха топлива с образованием оксидов азота (оксид и диоксид азота).

При неполном сгорании топлива в топках могут образовываться также оксид углерода СО 2 , углеводороды СН 4 , С 2 Н 6 , а также канцерогенные вещества. Продукты неполного сгорания весьма вредны, однако при современной технике сжигания их образование можно исключить или свести к минимуму.

Наибольшую зольность имеют горючие сланцы и бурые угли, а также некоторые сорта каменных углей. Жидкое топливо имеет небольшую зольность; природный газ является беззольным топливом.

Выбрасываемые в атмосферу из дымовых труб электростанций токсичные вещества оказывают вредное воздействие на весь комплекс живой природы и биосферу.

Комплексное решение проблемы защиты окружающей среды от воздействия вредных выбросов при сжигании топлив в котельных агрегатах включает:

· Разработку и внедрение технологических процессов, снижающих выбросы вредных веществ за счет полноты сгорания топлив и др.;

· Внедрение эффективных методов и способов очистки сбросных газов.

Наиболее эффективный путь решения экологических проблем на современном этапе – создание технологий, приближенных к безотходным. При этом одновременно решается проблема рационального использования природных ресурсов, как материальных, так и энергетических.

Особенности горения твердого топлива

Горение твердого топлива включает два периода: тепловую подготовку и собственно горение. В процессе тепловой подготовки топливо прогревается, высушивается, и при температуре около 110 начинается пирогенетическое разложение составляющих его компонентов с выделением газообразных летучих веществ. Длительность этого периода зависит главным образом от влажности топлива, размера его частиц и условий теплообмена между окружающей топочной средой и частицами топлива. Протекание процессов в период тепловой подготовки связано с поглощением теплоты главным образом на подогрев, подсушку топлива и термическое разложение сложных молекулярных соединений.

Собственно горение начинается с воспламенения летучих веществ при температуре 400-600, а выделяющаяся в процессе горения теплота обеспечивает ускоренный прогрев и воспламенение коксового остатка.

Горение кокса начинается при температуре около 1000 и является наиболее длительным процессом.

Это определяется тем, что часть кислорода в зоне у поверхности частицы израсходована на сжигание горючих летучих веществ и оставшаяся концентрация его снизилась, кроме того, гетерогенные реакции всегда уступают по скорости гомогенным для однородных по химической активности веществ.

В итоге общая длительность горения твердой частицы в основном определяется горением коксового остатка (около 2/3 общего времени горения). У молодых топлив, имеющих большой выход летучих веществ, коксовый остаток составляет менее половины начальной массы частицы, поэтому их сжигание (при равных начальных размерах) происходит достаточно быстро и возможность недожога снижается. Старые виды твердых топлив обладают крупным коксовым остатком, близким к начальному размеру частицы, горение которого занимает все время пребывания частицы в топочной камере. Время сгорания частицы с начальным размером 1мм составляет от 1 до 2,5 с в зависимости от вида исходного топлива.

Коксовый остаток большинства твёрдых топлив в основном, а для ряда твердых топлив почти целиком состоит из углерода (от 60 до 97 % органической массы топлива). Учитывая, что углерод обеспечивает основное тепловыделение при сжигании топлива, рассмотрим динамику горения углеродной частицы с поверхности. Кислород подводится из окружающ0щей среды к частице углерода за счет турбулентной диффузии (турбулентного массопереноса), имеющей достаточно высокую интенсивность, однако непосредственно у поверхности частицы сохраняется тонкий газовый слой (пограничный слой), перенос окислителя через который осуществляется по законам молекулярной диффузии.

Этот слой в значительной мере тормозит подвод кислорода к поверхности. В нем происходит догорание горючих газовых компонентов, выделяющихся с поверхности углерода в ходе химической реакции.

Выделяют диффузионную, кинетическую и промежуточную область горения. В промежуточной и особенно в диффузионной области интенсификация горения возможна усилением подвода кислорода, активизацией обдувания потоком окислителя горящих частиц топлива. При больших скоростях потока уменьшаются толщина и сопротивление ламинарного слоя у поверхности и усиливается подвод кислорода. Чем выше эта скорость, тем интенсивнее перемешивание топлива с кислородом и тем при более высокой температуре происходит переход из кинетической в промежуточную зону, а из промежуточной - в диффузионную зону горения.

Аналогичный эффект в части интенсификации горения достигается уменьшением размера частиц пылевидного топлива. Частицы малых размеров имеют более развитый тепломассообмен с окружающей средой. Таким образом, при уменьшении размера частиц пылевидного топлива расширяется область кинетического горения. Повышение температуры приводит к смещению в область диффузионного горения.

Область чисто диффузионного горения пылевидного топлива ограничена преимущественно ядром факела, отличающимся наиболее высокой температурой горения, и зоной догорания, где концентрации реагирующих веществ уже малы и их взаимодействие определяется законами диффузии. Воспламенение любого топлива начинается при относительно низких температурах, в условиях достаточного количества кислорода, т.е. в кинетической области.

В кинетической области горения определяющую роль играет скорость химической реакции, зависящая от таких факторов, как реакционная способность топлива и уровень температуры. Влияние аэродинамических факторов в этой области горения незначительно.

Горение твердого топлива (угольной пыли) включает два периода: тепловую подготовку и собственно горение (рис. 4.5).

В процессе тепловой подготовки (рис. 4.5, зона I) частица прогревается, высушивается, и при температуре выше 110 °С начинается тепловое разложение исходного вещества топлива с выделением газообразных летучих веществ. Длительность этого периода зависит главным образом от влажности топлива, размера его частиц, условий теплообмена и составляет обычно десятые доли секунды. Протекание процессов в период тепловой подготовки связано с поглощением теплоты, главным образом, на прогрев, подсушку топлива и термическое разложение сложных молекулярных соединений, поэтому нагрев частицы в это время идет замедленно.

Собственно горение начинается с воспламенения летучих веществ (рис. 4.5, зона II) при температуре 400…600 °С, а выделяющаяся в процессе их горения теплота обеспечивает ускоренный прогрев и воспламенение твердого коксового остатка. Горение летучих веществ занимает 0,2…0,5 с. При большом выходе летучих (бурые и молодые каменные угли, сланцы, торф) выделяющейся теплоты их горения достаточно для воспламенения коксовой частицы, а при малом выходе летучих возникает необходимость дополнительного прогрева коксовой частицы от окружающих раскаленных газов (зона III).

Горение кокса (рис. 4.5, зона IV) начинается при температуре около 1000 °С и является наиболее длительным процессом. Это определяется тем, что часть кислорода в зоне у поверхности частицы израсходована на сжигание горючих летучих веществ и оставшаяся концентрация его снизилась, кроме того, гетерогенные реакции всегда уступают по скорости гомогенным для однородных по химической активности веществ.

В итоге общая длительность горения твердой частицы (1,0…2,5 с) в основном определяется горением коксового остатка (около 2/3 общего времени горения). Для топлив, имеющих большой выход летучих веществ, коксовый остаток составляет менее половины начальной массы частицы, поэтому их сжигание при разных начальных размерах происходит достаточно быстро и возможность недожога снижается. Старые по возрасту топлива имеют плотную коксовую частицу, горение которой занимает почти все время пребывания в топочной камере.

Коксовый остаток большинства твердых топлив в основном, а для ряда твердых топлив целиком, состоит из углерода (от 60 до 97% массы частицы). Учитывая, что углерод обеспечивает основное тепловыделение при сжигании топлива, рассмотрим динамику горения углеродной частицы с поверхности. Кислород подводится из окружающей среды к частице углерода за счет турбулентной диффузии - турбулентного массопереноса, имеющего достаточно высокую интенсивность, однако непосредственно у поверхности частицы сохраняется тонкий газовый слой (пограничный слой), перенос окислителя через который осуществляется по законам молекулярной диффузии (рис. 4.6). Этот слой в значительной мере тормозит подвод кислорода к поверхности. В нем происходит догорание горючих газовых компонентов, выделяющихся из частицы в ходе термического разложения. Количество кислорода, подводимого в единицу времени к единице поверхности частицы посредством турбулентной диффузии, определяется по формуле

В (4.16) и (4.17) С ПОТ - концентрация кислорода в окружающем частицу потоке; С СЛ - то же на внешней границе пограничного слоя; С ПОВ - то же на поверхности топлива; δ - толщина пограничного слоя; D - коэффициент молекулярной диффузии через пограничный слой; А - коэффициент турбулентного массообмена.

Совместное решение уравнений (4.16) и (4.17) приводит к выражению

4.18a

в котором

4.19

Обобщенная константа скорости диффузии.

Из формулы (4.18) следует, что подвод кислорода к реагирующей поверхности твердого топлива определяется константой скорости диффузии и разностью концентраций кислорода в потоке и на реагирующей поверхности.

В установившемся процессе горения количество кислорода, подводимого диффузией к поверхности реагирования, равно количеству, прореагировавшему на поверхности в результате химической реакции. Отсюда скорость реакции горения углерода с поверхности К s находится из равенства массовых скоростей двух процессов - диффузионного подвода и расхода кислорода на поверхности в результате химической реакции

В соответствии с законом Аррениуса определяющим параметром скорости химической реакции является температура процесса. Константа скорости диффузии k Д слабо изменяется с ростом температуры (см. рис. 4.1, а), в то время как константа скорости реакции k р имеет экспоненциальную зависимость от температуры.

При относительно невысокой температуре (800…1000°С) химическая реакция протекает медленно, несмотря на избыток кислорода около твердой поверхности, так как k Д >> k Р. В этом случае горение тормозится кинетикой химической реакции, поэтому эту зону температур называют областью кинетического горения.

Наоборот, при высоких температурах горения (выше 1500°С) и сжигании угольной пыли значение k Р >> k Д и процесс горения тормозится условиями подвода (диффузии) кислорода к поверхности частицы. Этим условиям соответствует область диффузионного горения. Создание в этой зоне температур факела дополнительных условий для перемешивания горящей смеси (увеличение значения k Д) способствует ускорению и углублению выгорания топлива.

Аналогичный эффект в части интенсификации горения достигается уменьшением размера частиц пылевидного топлива. Частицы малых размеров имеют более развитый теплообмен с окружающей средой и, таким образом, более высокое значение k Д. Повышение температуры приводит к смещению процесса окисления в область диффузионного горения.

Область чисто диффузионного горения пылевидного топлива характерна для ядра факела, отличающегося наиболее высокой температурой горения, и зоны догорания, где концентрации реагирующих веществ уже малы и их взаимодействие определяется законами диффузии. Воспламенение любого топлива начинается при относительно низких температурах, в условиях достаточного количества кислорода, т.е. в кинетической области. В этой области горения определяющую роль играет скорость химической реакции, зависящая от таких факторов, как реакционная способность топлива и уровень температуры. Влияние аэродинамических факторов в этой области горения незначительно.

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.